Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления устройства для получения стеклянного или базальтового волокна

Изобретение может применяться в металлургической промышленности.

Фильеры — специальные высокопрочные формы (пластины, колпачки) с калиброванными отверстиями, расположенными в определённом порядке. Фильеры предназначены для разделения потока жидкого вещества (раствора или расплава) на отдельные капли лукообразной формы, из которых вытягивают отдельные волокна с последующим соединением в нити или жгуты.

При производстве стеклянных или базальтовых волокон часто наблюдается затекание дна фильерного питателя расплавом стекла или базальта. Затекание фильерного дна приводит к нарушению нормального режима образованию волокон, снижает качество волокна и производительность работы устройств, при этом в некоторых случаях для очистки заплывшего фильерного дна может потребоваться демонтаж устройства. Использование предложенного изобретения позволяет: значительно уменьшить смачиваемость внешней поверхности фильерного поля расплавами стекла и базальта; снизить капиллярную обрывность волокна на 20-30%; повысить качество волокна; получать волокна из новых видов стекла и базальта с очень высокой степенью смачиваемости сплавов на основе платины, которые ранее не удавалось получать из-за затекания фильерного поля оксидными расплавами.

Из литературных источников известно, что золото и его сплавы смачиваются расплавами некоторых стекол меньше, чем платина, палладий и платинородиевые сплавы [Рытвин Е.И. Платиновые металлы и сплавы в производстве стеклянного волокна. М.: Химия, 1974. 261с., (см. стр. 209-216)]. В качестве критерия смачиваемости используют краевой угол θ, образуемый твердой поверхностью и касательной к поверхности жидкой капли (см. рис. 3) в точке контакта трех фаз (третья фаза – газ). При уменьшении значения θ увеличивается смачивание. В работе [Рытвин Е. И. Свойства и применение платиновых сплавов в производстве стеклянного волокна. М., ВНИИСПВ, 1973. 150 с. (см. стр. 125-133)] было показано, что при изготовлении фильер из материала с углом смачиваемости оксидными расплавами не менее 60-70° не происходит затекания фильер. Наилучшим образом данному условию удовлетворяют сплавы на основе платины с содержанием золота до 5%, тем не менее побочным эффектом фильер, изготовленных из этих сплавов, является низкая смачиваемость их внутренней поверхности оксидными расплавами, что приводит к затруднению прохождения расплава через фильеру и, как следствие, к снижению производительности устройства. Также в кратковременных испытаниях при отсутствии затекания было обнаружено, что наибольшую производительность (дебит) имеют фильеры из платинородиевых сплавов с содержанием родия 3-20% с краевым углом смачиваемости менее 40°, превышающую в 2-3 раза дебит фильер из сплавов на основе платины с содержанием золота до 5% с краевым углом смачиваемости не менее 60-70°.

С учетом изложенного предпринимались попытки по изготовлению фильер из сплавов с содержанием золота с целью уменьшения затекания и обрывности волокна. Известен способ [ТУ 1995-117-00196533-2010. Изделия технические из благородных металлов и их сплавов] изготовления фильерного дна питателей из платинородиевых сплавов с добавлением золота 3 – 10%, которое снижало смачиваемость расплавами стекла и базальта. Основными недостатками таких сплавов с содержанием золота является низкая технологичность и трудная деформируемость, приводящая к хрупкому разрушению при получении проката и к образованию трещин при сварке листовых деталей [Дмитриев В. А. Высокотемпературное разрушение платиновых металлов и сплавов. — М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003. — 176 с. (см. стр. 69-74)], а также пониженный дебит при выработке волокна, вследствие низкой смачиваемости внутренней поверхности фильеры оксидными расплавами (см. выше).

С целью одновременного повышения механических характеристик сплавов и снижения смачиваемости расплавами стекла и базальта использовали для изготовления фильерных полей дисперсно-упрочненные сплавы на основе платины с содержанием золота до 5% [A. E. Heywood and R. A. Benedek, Dispersion Strengthened Gold-Platinum, Platinum Metals Review, September 2010, 98-103.]. Недостатком таких сплавов является трудная деформируемость с появлением холодных трещин и отслоений при изготовлении пластин и фильерных полей, а также появление горячих трещин в около шовных зонах при эксплуатации изделий за счет диффузии золота к границам зерен и микротрещинам (эффект Ребиндера).

Известен способ изготовления сварных двухслойных фильер (см. рис. 4), у которых внутренний слой из платинородиевого сплава, а наружный из золотосодержащего (или из чистого золота) [Рытвин Е. И. Свойства и применение платиновых сплавов в производстве стеклянного волокна. М., ВНИИСПВ, 1973. 150 с. (см. стр. 125-133)]. Недостатком данного способа является склонность к повышенному образованию трещин в около шовной зоне вблизи приварки кольцевым швом фильер в виде трубок к фильерной пластине, в связи с тем, что золото является поверхностно-активным по отношению к платиновым сплавам и в расплавленном состоянии при приварке фильер вызывает хрупкое разрушение в около шовной зоне по эффекту Ребиндера платиновых сплавов, находящихся в твердом состоянии [Дмитриев В. А. Высокотемпературное разрушение платиновых металлов и сплавов. — М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003. — 176 с. (см. стр. 69-74)].

Техническим решением, наиболее близким к заявляемому, является фильерный питатель (RU 2167835) для выработки непрерывного волокна из расплава горных пород, включающий корпус, фильерную пластину с фильерами, токоподводы, и снабженный подфильерным холодильником, а на фильерной пластине сдвоенные ряды фильер расположены продольно по отношению к длинной стороне фильерного питателя с шагом 10-30 мм, обеспечивающим установку как минимум одного опорного водоведущего охлаждающего элемента в виде трубок различного профиля, фильерная пластина выполнена с укрепляющим в продольном расположении элементом, который представляет собой V-образный или U-образный элемент, вершина которого находится на расстоянии 5-20 мм от плоскости фильерной пластины, а опорный элемент подфильерного холодильника выполнен из огнеупорной керамики, причем количество опорных охлаждающих элементов составляет три и более, причем два крайних охлаждающих элемента установлены на периферийных направлениях. Однако при использовании прототипа существенно наблюдается затекание внешней поверхности фильеры расплавами стекла.

Задача изобретения заключается в создании стеклоплавильных аппаратов, работающих по принципу тиглей и фильерных питателей, с уменьшенным затеканием внешней поверхности фильеры и фильерного поля расплавами стекла или базальта.

Техническим результатом является снижение затекания внешней поверхности фильеры /фильерного поля плавильного устройства расплавами волокон. Также технический результат заключается в уменьшении капиллярной обрывности и увеличении выработки волокна.

Сущность заявленного способа состоит в том, что на внутреннюю поверхность фильерного дна наносят защитное покрытие из шеллака толщиной не менее 10 мкм, при этом на наружную поверхность дна наносят металлический слой, содержащий 99,9 % золота, или слой бинарного платинозолотого сплава с содержанием золота не менее 0,1% или платинородиевозолотого сплава с содержанием золота и родия не менее 0,1%, толщиной не менее 0,1 мкм, с последующим спеканием металлического слоя при температуре 500-1850°С.

Защитное покрытие на основе шеллака наносят сплошным равномерным слоем с целью исключения или снижения попадания покрытия с содержанием золота на внутреннюю поверхность фильерного дна, так как попадание материала с содержанием золота на внутреннюю поверхность фильерного дна приводит к затруднению прохождения расплава стекла или базальта через фильеру и, как следствие, к снижению производительности устройства.

С целью закрепления малосмачиваемого покрытия на внешней поверхности фильерного дна проводится высокотемпературное спекание при температурах 500-1850ºС, т.к. при меньших температурах происходит окисление родия, а при температурах выше температуры эксплуатации устройства спекать нецелесообразно, так как может происходить интенсивная возгонка покрытия (испарение), что приводит к уменьшению толщины слоя покрытия или к полному удалению покрытия. Использование платины и родия в материале с содержанием золота повышает жаропрочность покрытия при температурах эксплуатации изделия 500-1850ºС.

Устройство для изготовления волокна содержит ёмкость с фильерным полем.

В частном варианте выполнения устройства ёмкость выполнена в виде фильеры плавильного устройства.

В частном варианте выполнения способа, фильера может содержать от 2 до 8000 отверстий.

В частном варианте выполнения, устройство и его элементы могут быть выполнены любых параметров и пропорций, из любого известного в уровне техники материала, устойчивого к работе плавильного устройства.

В частном варианте выполнения, в качестве плавильного устройства может быть использован фильерный питатель или тигель.

Пример №1. На внутреннюю поверхность дна нанесли слой защитного покрытия из шеллака. На внешнюю поверхность фильерного дна фильерного питателя с количеством 1000 фильер гальваническим способом нанесли слой с содержанием золота 99,9% толщиной 1 мкм. Выполнили температурное спекание покрытия при температуре 500°С в течение 90 мин. Полученное фильерное дно направили на изготовление фильерного питателя для выработки непрерывного базальтового волокна. Эксплуатация полученного фильерного питателя показала отсутствие смачиваемости внешней поверхности фильер и фильерного поля базальтовым расплавом и, как следствие, снижение капиллярной обрывности волокна.

Пример №2. На внутреннюю поверхность дна нанесли слой защитного покрытия из шеллака. На внешнюю поверхность дна гальваническим способом нанесли слой с содержанием золота 5%, платины 94% и родия 1% толщиной 0,5 мкм. Выполнили высокотемпературное спекание покрытия при температуре 1800°С в течение 30 мин. Полученное дно направили на изготовление тигля для выработки стекловолокна. Эксплуатация полученного тигля показала отсутствие смачиваемости внешней поверхности фильер и фильерного поля расплавом щелочного стекла и увеличение производительности устройства.