Статьи

Исследование фильерных питателей из новых материалов для производства базальтового непрерывного волокна»

 Лесков С.П.

ООО «Фирма «Рось-Базальт»

 

Исследование фильерных питателей из новых материалов для производства базальтового непрерывного волокна»

 

                                                                                               

В настоящее время в качестве материалов для стеклоплавильных аппаратов (СПА) при производстве стеклонити и базальтовой нити используются фильерные питатели (ФП) из  сплава платины с небольшой (7-10%) добавкой родия.  Такой сплав является химически инертным, не окисляется, выдерживает резкие смены температур и сохраняет свои эксплуатационные свойства при температуре расплава стекла или базальта до 1500 оС. Родий существенно повышает жаропрочность платины, при этом заметно не снижает жаро- и стеклостойкость. Повышение содержания родия в сплаве ведет к снижению смачиваемости расплавом стекла, однако при этом снижаются показатели технологической пластичности, свариваемости, высокотемпературной пластичности и термостойкости. К сожалению, эти металлы относятся к редким элементам, а их сплавы имеют высокую стоимость (55-60 долларов США за 1 грамм).

 При изготовлении стеклоплавильных аппаратов и фильерных питателей для повышения  высокотемпературной прочности по сравнению с традиционными платинородиевыми сплавами применяются дисперсионно-упрочненные материалы (ДУ) на основе платины и ее сплавов. Эксперименты по определению длительной высокотемпературной прочности платины, дисперсионно-упрочненных и платинородиевых материалов в расплавах оксидных систем и коррозионные испытания под нагрузкой показали, что длительная высокотемпературная прочность дисперсионно-упрочненных материалов в несколько раз  превышает показатели платинородиевых сплавов. Значительно выше и коррозионная стойкость дисперсионно-упрочненных материалов под нагрузкой. Однако аналогичные исследования коррозионной стойкости без прилагаемой нагрузки показали, что наибольшей стойкостью в расплавах оксидов обладает Pt и сплав платины с 10% родия, далее следуют дисперсионно-упрочненные материалы. С учетом этих результатов стали изготавливаться слоеные композиционные материалы: наружные поверхности состоят их Pt, внутренние из  дисперсионно-упрочненных платины Pt ДУ или  дисперсионно-упрочненного платинородиевого сплава PtRh10ДУ [1].

Для производства стеклонити  выпускаются ФП с числом фильер от 800 до 2000. Масса 800 фильерного питателя равна 2100 г. Срок службы ФП на стекле марки «Е» 10-12 месяцев.

Для производства непрерывного базальтового волокна выпускаются ФП с числом фильер от 100 до 800.           Масса 100 фильерных питателей равна - 2430 г, 400 фильерных – 4300г., а 800 фильерных - 7270 г.

Эксплуатационные сроки службы фильерных питателей из платинородиевого сплава при производстве непрерывной базальтовой  нити в 1,5 – 2 раза меньше, чем на стекле. При этом безвозвратные потери драгметаллов фильеры составляют порядка 8-10 граммов на 1 тонну произведенного волокна. Это в свою очередь обуславливает высокий удельный вес материала фильер в себестоимости продукции (30-40 %) и существенно влияет на экономические показатели производства в целом.

            При повышенных температурах (1200 – 1600 оС) существенно снижаются механические свойства металлов платиновой группы, поэтому для обеспечения необходимой прочности изделия увеличивают его толщину и соответственно массу. В итоге резко возрастает стоимость изделия. Эта проблема в значительной степени может быть решена частичной заменой драгоценного металла нанесением относительно дешевого плазмокерамического защитного покрытия, которое в этом варианте является конструкционным материалом. Увеличение толщины покрытия с одновременным уменьшением толщины детали из драгоценного металла позволяет получить прочную конструкцию, препятствующую деформации изделия при повышенных температурах эксплуатации. Кроме того, поскольку устройства для получения волокна, в том числе и фильерные питатели, длительное время эксплуатируются при высоких температурах, то неизбежны безвозвратные потери драгоценного металла, которые в основном, связаны с процессами возгонки металлов платиновой группы и растворением их в оксидных расплавах. Причем потери за счет возгонки превышают потери из-за растворения примерно в 2-4 раза. Поэтому применение оксидных жаростойких и жаропрочных плазмокерамических защитных покрытий, которые в большой мере подавляют процесс возгонки, приводят также к ощутимой экономии драгоценных металлов в процессе эксплуатации изделий. Наиболее оптимальными с точки зрения сопоставления коэффициентов термического расширения, механических свойств и с учетом значений свободной энергии образования наиболее оптимальными оказались композиции Pt-Al2O3 и IrZrO2. Опыт эксплуатации экспериментальных изделий показал, что потери драгоценных металлов  на 1 тонну волокна в среднем уменьшился вдвое и за одинаковый срок службы с плазмокерамическим защитным покрытием составил 84,3 г против 170,3 г для изделий без покрытия [2].

Многолетние исследования специалистов многих стран, связанные с разработкой новых, не содержащих драгоценных металлов материалов для фильерных и струйных питателей на основе жаропрочных сплавов, керамики, стеклоуглерода и циркония, пригодных для промышленной выработки непрерывных стеклянных и минеральных волокон, до настоящего времени не увенчались успехом. Пока достигнуты определенные успехи только для процессов фильерных способов производства штапельных (дискретных) стеклянных и минеральных волокон за счет применения фильер из жаропрочных сплавов. Однако эти процессы имеют существенные отличия от процессов получения непрерывного волокна. Поэтому эти жаропрочные сплавы не нашли своего применения в производстве фильерных питателей для непрерывного минерального волокна.

Определенные успехи при производстве фильерных пластин для стекловолокна были достигнуты при комбинировании различных сплавов. Применяют, например, тройные фильерные пластины: внутренний слой, прилегающий к расплаву, выполняют из чистой платины (она эластична и предохраняет от трещин), средний слой – жаропрочный, платинородийиридиевый и наружный – золотой, для оптимальной формовки стекловолокна [3].

Михаэль Зив  к недостаткам платинородиевых фильер при производстве БНВ относит их низкую эффективность, т.к. краевой угол смачивания железосодержащими базальтовыми расплавами платинородиевого сплава значительно меньше угла смачивания этого сплава расплавом бесщелочного алюмоборосиликатного стекла. Данное обстоятельство обуславливает повышенную способность затекания расплавом базальта фильерного поля платинородиевой пластины. Лучше всего проявили себя дисилицид-молибденовые фильерные питатели из MoSi2 (также проводник электрического тока), вставленные в рамку из хромомагнезитового или бакорового огнеупора, стойкого к базальту [4].

В Постановлении Совета Министров Союзного государства от 9 июня 2002 г. №20 «О программе Союзного государства «Создание и организация серийного производства оборудования для выпуска специальных химических волокон на 2002-2006 годы» (Изменения и дополнения: Постановление Совета Министров Союзного государства от 16 января 2006 г. №42) Раздел 2.7 Программы посвящен исследованиям, изготовлению и внедрению оборудования для изготовления непрерывной базальтовой нити [4]. В Постановлении говорится, что недостаточная развитость производства НБН во многом вызывается тем, что во всех установках фильера узла формования нити выполняется из платинородиевого сплава, вес которого превышает 4 кг. Из-за высокой химической агрессивности и тугоплавкости базальтовых расплавов ресурс эксплуатации фильеры значительно меньше, чем при

производстве стеклянных волокон. Заменить платину можно только углерод-карбидокремниевым

материалом, то есть силицированным графитом, который по эксплуатационным свойствам при температуре 1300 °С на воздухе и в контакте с базальтовым расплавом сопоставим с платинородиевым

сплавом. В ФГУП «НИИГрафит» впервые в мире разработана технология получения углерод-карбидокремниевого материала. В настоящее время первоочередной задачей является разработка конструкции фильерных узлов из углерод-карбидокремниевого материала и оборудования для

изготовления данных изделий. Замена в производстве базальтовых и стеклянных волокон драгоценных металлов углерод-карбидокремниевым материалом существенно снизит себестоимость продукции, так как стоимость драгоценных металлов составляет до половины всех затрат на создание и эксплуатацию оборудования [5]. 

Исследованию взаимодействия базальтовых расплавов с материалами на основе платины и углерода и совершенствованию технологии получения непрерывных минеральных волокон посвящена работа  [6].  Для изготовления фильер предложен  углерод-карбидокремниевый материал марки СГ-П-0,1 (силицированный графит), который, по мнению разработчиков, удовлетворяет ряду свойств, предъявляемых к фильерным материалам. Показана принципиальная возможность использования материала СГ-П-0,1 в качестве фильерного как при производстве отдельных марок стекловолокна, так и базальтовых волокон. На монофильере из материала СГ-П-0,5 получена опытная партия базальтового непрерывного волокна. Сконструирована и изготовлена фильерная пластина из материала марки СГ-П-0,5 для использования на печи разработки ФГУП "НИИграфит".

В ФГУП «ОНПП «Технология» изготовлены и в заводских условиях при изготовлении стеклонити испытаны коробчатой формы платиновые ФП с верхней крышкой из нитрида кремния. Результаты заводских испытаний показали, что керамика является стойкой, как к  расплаву стекла, так и к окислению. Такое конструктивное решение позволяет сэкономить 100 г платинородиевого сплава для ФП с 100 фильерами.   Также были проведены лабораторные испытания полностью керамического тигля круглой конструкции. Нагрев керамического тигля осуществлялся внешними керамическими нагревателями, установленными по окружности.  В тигле происходит расплавление  стекла и доведение его до необходимой температуры (около 1400 оС). Результаты испытаний показали, что из-за недостаточной длины фильер происходило заливание керамической фильерной пластины. Кроме того, температура отдельных керамических фильер – различная, что приводило к невозможности получения качественного стекловолокна при необходимой производительности.  С целью устранения этих недостатков изготовлен и испытан гибридный ФП, днище которого выполнено из платиновой пластины с фильерами в количестве 48 шт. Платиновая пластина герметизировалось с керамическим тиглем.  Была получена нить 1,0 текс, диаметр нити1 мкм. После эксплуатации тигля в течение 1 месяца выявлено, что взаимодействия стекломассы с керамическими стенками не произошло, и фазовый состав материала керамического тигля не изменился [7].

 

 

 

ИСТОЧНИК  ИНФОРМАЦИИ

 

1. Дмитриев, В.А. Применение дисперсно-упрочненных материалов для изготовления стеклоплавильных аппаратов и фильерных питателей / В.А. Дмитриев,  М.Н. Сивков, А.В. Ермаков,  А.Г. Мазалецкий, Е.С. Студенок // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады II Всероссийской научно-практической конференции 28-30 мая 2002 г. (г. Бийск).-М.:ЦЭИ «Химмаш», 2002.- 80с. С. 67-69.

2. Дмитриев, В.А. Применение плазмокерамики для снижения металлоемкости контейнеров из драгоценных металлов и безвозвратных потерь при их эксплуатации / В.А. Дмитриев, А.А. Бочегов, А.В. Ермаков,  М.Н. Сивков, В.Н. Кожурков // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады II Всероссийской научно-практической конференции 28-30 мая 2002 г. (г. Бийск).-М.:ЦЭИ «Химмаш», 2002.- 80с. С. 64-65.

3. Локерман, А. А. Рассказ о самых стойких // (http://www.alhimik.ru/read/stoik18.html).

4.  Михаэль Зив. Не только научные проблемы текстильного базальтового волокна.  (http://kaleidoskop.haifainfo.ru/?p=3158).

5. ПОСТАНОВЛЕНИЕ СОВЕТА МИНИСТРОВ СОЮЗНОГО ГОСУДАРСТВА 9 июля 2002 г.  № 20 О ПРОГРАММЕ СОЮЗНОГО ГОСУДАРСТВА "СОЗДАНИЕ И ОРГАНИЗАЦИЯ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ВЫПУСКА СПЕЦИАЛЬНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ВОЛОКОН НА 2002-2006 ГОДЫ" [Изменения и дополнения: Постановление Совета Министров Союзного государства от 16 января 2006 г. № 42] http://www.volbrok.ru/postanovleniye2.shtml.

6. Кошелев В.Ю. Взаимодействие базальтовых расплавов с материалами на основе платины и углерода : дис. … канд. техн. наук /  Ю.В. Кошелев. – М., ,  2004.

7. Шкарупа И.Л.  Результаты заводских испытаний керамических стеклоплавильных аппаратов / И.Л. Шкарупа, В.В. Вакулин, М.Ю. Русин, В.Н., В.Н. Рудыкина, Н.Н. Саванина // Огнеупоры и техническая керамика. – 2008. - № 4. -  С. 46-47.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Назад