ПУТИ ЗАМЕНЫ ПЛАТИНОВЫХ СТЕКЛОПЛАВИЛЬНЫХ

1
ПУТИ ЗАМЕНЫ ПЛАТИНОВЫХ СТЕКЛОПЛАВИЛЬНЫХ АППАРАТОВ
НА КЕРАМИЧЕСКИЕ
ШКАРУПА И.Л., ВИКУЛИН В.В., РУСИН М.Ю.
ФГУП “ОНПП “Технология”, г. Обнинск, Россия
Аннотация. Для уменьшения стоимости платинородиевых стеклоплавильных
аппаратов необходимо уменьшение в них массы платины и замена ее на керамические
материалы. Изменение способа нагрева: вместо прямого пропускания тока через
платинородиевый стеклоплавильный аппарат нагрев осуществляется за счет передачи тепла
от керамических нагревателей к керамическому тиглю, что позволяет изготовлять его из
изоляционных керамических материалов. Разработан и испытан гибридный стеклоплавильный
аппарат, позволяющий экономить до 90 % от массы платинового стеклоплавильного аппарата.
Ключевые
слова:
стеклоплавильный аппарат.
керамический
стеклоплавильный
аппарат,
гибридный
В настоящее время в качестве материалов для стеклоплавильных аппаратов
используют сплавы платины с родием и палладием, т.к. они остаются химически
инертными при высокой температуре эксплуатации (до 1500 0С) и могут
эксплуатироваться в окислительной атмосфере. К сожалению, эти металлы имеют
высокую стоимость и по распространению в природе платиновые металлы
принадлежат к наиболее редким элементам. Их среднее содержание в земной коре:
Rh 10-7 %; Pd 10-6 %; Pt 5.10–7 %. Целесообразно осуществлять замену металлов
платиновой группы на соединения из химических элементов, наиболее
распространённых на Земле, а это кислород, кремний, алюминий, азот, углерод.
Молекулы нитрида кремния (Si3N4), оксида алюминия (Al2O3), оксида циркония
(ZrO2), карбида кремния (SiC) обладают мощными ковалентными связями и имеют
очень высокую химическую стойкость даже при высоких температурах. Эти
соединения не токсичны и не образуют ядовитых соединений в процессе
эксплуатации.
Известно, что металлы, нагретые до 0,9 Тпл., практически полностью теряют
свою прочность, а керамических материалы при нагревании до гораздо более
высоких температур практически не разупрочняются. Поэтому в качестве замены
деталей из платиновых сплавов предлагается использовать конструкционные
керамические материалы на основе оксида алюминия, оксида циркония, нитрида
кремния, карбида кремния.
Необходимо учитывать, что образующиеся в системе SiC-Pt и SiC-Pd
химические соединения имеют температуру плавления ниже температуры плавления
чистых компонентов. Эвтектические температуры в обеих системах ниже 1000 0С.
Легкоплавкие хрупкие химические соединения – силициды платины и палладия –
особенно опасны при высокотемпературной эксплуатации сплавов этих металлов.
Силициды образуются также при взаимодействии кремния с родием и иридием и
рутением.
Для проверки работоспособности материала на основе нитрида кремния были
изготовлены изделия, заменяющие верхнюю часть обычного стеклоплавильного
платинородиевого аппарата (СПА) (рис.1). Без изменения системы нагрева в течение
9 месяцев были проведены испытания такой конструкции (рис.2). Результаты
испытаний показали, что керамика стойка как к расплаву стекла, так и к окислению,
что за счёт лучшей теплоизоляции расход электроэнергии уменьшился на 2 % и что
сэкономлено 100 г платинородиевого сплава для 100 фильерной конструкции.
Для полной замены платинового сплава на керамику была разработана печь,
нагревание в которой осуществляется при помощи керамических нагревателей,
установленных по окружности. В результате размещённый по центру печи
2
керамический тигель также разогревается (рис.3). В нём происходит расплавление
стекла и доведение его до необходимой температуры (около 1400 0С). Расплав стекла
вытекает из керамических фильер и, проходя через вытягивающее устройство,
наматывается на бобину.
Из-за недостаточной длины фильер в процессе эксплуатации происходило
заливание керамической фильерной пластины (рис.4). Температура отдельных
керамических фильер была различная, что приводило к невозможности получения
качественного стекловолокна при необходимой производительности.
Было принято решение перейти к гибридной конструкции (рис.5). Днище тигля
изготовлялось из платиновой пластины с фильерами, которое герметизировалось с
керамическим тиглем. По весу получалась экономия сплава более 90 % от массы
СПА.
Эксплуатация гибридного СПА показала, что при намотке нити на вал
раскладчика: «зарухание» фильер не наблюдается, стекло прозрачное, однородное,
температура фильерной пластины близко к изотермическому, цвет волокна белый.
Получен текс 2,8 на вал раскладчика.
При намотке на бобинодержатель Nэл.двиг. = 1450 об./мин., N бабинодер. =
2000 об./мин. D шкива на эл. двиг. = 90 мм. происходит обрыв нити из-за малого
количества волокон – 48 шт. Получена нить 1,0 текс, d нити порядка 1 мкр.
После эксплуатации тигля в течение месяца он был разрушен для изучения в
лабораторных условиях. Выявлено что взаимодействие стекломассы с керамической
стенкой не произошло (рис.6-7). На наружной поверхности тигля изменения не
обнаружены. Из тигля вырезаны балочки, которые испытывались на изгиб и
микротвёрдость – деградация материала не произошла, значения до и после
испытаний без изменения.
σизг.= 295 МПа, микротвердость = 14 ГПа. Изменения фазового состава не
зафиксировано (рис.8).
В настоящее время изготовлен керамический тигель, в который будет
установлена платиновая пластина с 300 фильерами. Испытания этого гибридного
СПА пройдут в ближайшее время.
3
Рис. 1. Платиново-родиевый стеклоплавильный аппарат
4
Рис. 2. Платиново-родиевый стеклоплавильный аппарат с керамической крышкой
5
Рис. 3. Тигель с короткими фильерами
6
Рис. 4. Вид снизу керамического тигля после испытаний
7
Рис. 5а. Гибридный тигель после испытаний
Рис. 5б. Фильерная пластина на 24 фильеры
8
Рис. 6-7. Структура граница стеклокерамика
9
Рис. 8. Тигль, работавший на базальтовом сырье