книги из ГПНТБ / Любутин О.С. Автоматизация производства стеклянного волокна
.pdf
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И И З Д Е Л И Й
О. С. Л Ю Б У Т И Ц
АВТОМАТИЗАЦИЯ
ПРОИЗВОДСТВА СТЕКЛЯННОГО ВОЛОКНА
М О С К В А С Т Р О И И З Д А Т
У ДК GG6.189.2 : C5S.5i2.01 LOG
Л ю б у т и н О. С. Автоматизация производства стеклянного волокна. М., Строііиздат, 1973. 143. с. (Авто матизация производства строит, материалов и изделміі).
В книге изложены вопросы разработки, проектиро вания и практического использования средств и систем автоматического контроля и регулирования технологи ческих процессов получения стеклянного волокна. Опи саны специальное оборудование, регуляторы и блоки управления, дана методика их расчета. Приведены ре зультаты их эксплуатации и рекомендации для исполь зования.
Книга предназначена для научных и инженернотехнических работников промышленности строительных материалов.
Табл. 11, рис. 47, список лит.: 71 назв.
Научный редактор канд. техн. наук Э. Г. Зелькин
Г»с. публичная
на у ч н о - т е х к и ,е «ая библиотека С С С Р ЭКЗЕМПЛЯР
ЧИТАЛЬНОГО ЗЛЯА
л |
31411—539 |
1S5—73 |
047(00—73 |
|
Стройиздат, 1973
ВВ Е Д Е Н И Е
Внастоящее время успехи науки и техники обеспечи ли широкие возможности для производства новых искус ственных материалов, среди которых особое место зани мают стеклянные волокна и изделия из них [1]. Стекловолокнистые материалы, обладая ценными свойствами — негорючестью, стойкостью к коррозии, высокой прочно стью на растяжение, сравнительно малой плотностью, прекрасными оптическими, электро-, тепло- и звукоизо ляционными свойствами, стойкостью к биологическому воздействию,— находят все большее и разнообразное применение в различных областях техники.
Прочность на растяжение стеклянных волокон превы шает прочность природных и синтетических волокон [1], причем величина их удельной прочности также значи тельно выше. При кратковременных статических нагруз ках стеклянные волокна обладают идеально упругими свойствами, т. е. предел пропорциональности их практи чески совпадает с пределом прочности. Поэтому тепло вая обработка волокон отпадает. Удлинение стеклян ного волокна при разрыве достигает 3,5%, коэффициент Пуассона равен 0,22.
Кроме высокой механической прочности стеклянные волокна характеризуются большей, чем у волокон орга нического происхождения, теплостойкостью и целым ря дом других ценных свойств.
В настоящее время наибольшее распространение по лучили стеклянные волокна двух видов: непрерывное и штапельное. Непрерывное стеклянное волокно отлича ется от штапельного большей длиной элементарных воло кон. Средняя длина элементарных штапельных волокон колеблется от 1 до 100 см, длина непрерывных волокон достигает десятков километров. Другим отличительным признаком непрерывного стеклянного волокна является параллельное расположение элементарных волокон, что связано с условиями его выработки. Перепутанные шта пельные волокна по структуре напоминают шерсть или вату.
Непрерывное стеклянное волокно диаметром от 3 до 12 мк, предназначенное для переработки в текстильные изделия, получают только методом вытягивания. Шта пельное стеклянное волокно, пригодное для текстильной переработки, можно изготовлять методом вытягивания
I * |
3 |
через фильеры с помощью газового потока (воздуха или перегретого пара) или механической переработкой непре рывного волокна. Волокно диаметром 3—30 мк также получают расчленением струи или вытягиванием через фильеры с последующей его .переработкой в различные изделия (холсты, плиты и др.).
В связи с ростом промышленности стекловолокна и стеклопластиков большое значение приобретает совер шенствование систем автоматического контроля и управ ления технологическими процессами. Следует отметить, что большая сложность их получения и недостаточная изученность технологических процессов, многочислен ность контролируемых и неконтролируемых возмущаю щих воздействий, наличие большого числа взаимосвязан ных параметров затрудняют исследование процессов и их автоматизацию. Поэтому в настоящее время целый ряд вопросов, связанных с автоматическим контролем и уп равлением технологическими процессами производства стеклянного волокна, недостаточно изучен.
В связи с перечисленными трудностями значительно усложняются работы по получению математических опи саний объектов автоматизации, по формулированию конкретных задач, решаемых с помощью систем автома тизации.
При оценке состояния и перспектив автоматизации производства стеклянного волокна нельзя ограничиться характеристикой только систем автоматического управле ния и технических средств автоматики. Ее необходимо рассматривать в аспекте взаимообусловленных проблем технологии, организации и экономики производства, си стем и средств управления. При этом следует учитывать, что автоматизация — непрерывно развивающийся про цесс, присущий самому производству и неразрывно свя занный со многими областями науки и техники.
Материалом для настоящей книги послужили работы, проведенные во Всесоюзном научно-исследовательском институте стеклопластиков и стеклянного волокна сот рудниками института и других организаций.
Автор приносит глубокую благодарность Л. К. Мои
сееву, Ю. Л. Клокову, П. |
Г. Янцеву, |
Е. Д. Каплану, |
П. А. Андриянову и И. М. |
Бородиной |
за помощь при |
подборе материала и обсуждении рукописи книги, а так же рецензенту М. Б. Усвицкому и научному редактору Э. Г. Зелькину.
4
Г л а в а 1 НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ
О ПРОИЗВОДСТВЕ СТЕКЛЯННОГО ВОЛОКНА
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТЕКЛЯННОГО ВОЛОКНА
Способы производства стеклянного волокна классифи цируются по принципу формования волокна: вытягива ние из стекломассы через фильеры, вытягивание из штабиков и расчленение струй стекломассы.
В настоящее время в промышленности СССР и за ру бежом наиболее распространен способ выработки непре рывного волокна вытягиванием стекломассы, вытекаю щей из фильер электропечи, питаемой стеклянными ша риками. Этот способ позволяет получать волокно в виде первичной нити текстильного назначения. Нить, состоя щая из 100 и более элементарных стеклянных волокон, расположенных параллельно друг другу и склеенных замасливателем, предназначена для дальнейшей перера ботки в крученую пряжу и т. п.
Процесс получения волокна таким способом |
описан |
в литературе [1—3], поэтому мы остановимся |
лишь на |
рассмотрении стеклоплавильного сосуда, как объекта автоматического регулирования.
В отечественной промышленности стеклянного волок на применяют стеклоплавильные сосуды конструкции ВНИИСПВ и Гусевского завода стекловолокна. Сосуды выполнены из платинородиевого сплава, содержащего 93% платины и 7%' родия. Этот сплав обеспечивает про должительный срок службы сосудов при высоких рабо чих температурах (1350—1450°С).
На рис. 1 представлен один из вариантов конструкции сосудов. Поперечное сечение корпуса 1 в верхней части имеет форму прямоугольной призмы, а в нижней — усе ченной пирамиды, малое основание которой образует фильерная пластина. Сосуд перекрыт сверху крышкой 2. К ней крепятся загрузочные трубки 3 и трубка 4 для ус тановки иглы регулятора уровня стекломассы. Для пре-
б
дохранения боковых стенок сосуда от преждевременного износа, а также для увеличения пути прохождения стек ломассы к фильерам под каждой загрузочной трубкой установлен экран 5. К торцам сосуда приварены токаподводы 6. Дно выполнено в виде фильерной пластины 7 с рядами фильер 8, расположен ными в шахматном порядке в три ряда. Стеклоплавильный сосуд с прикрепленными к его токоподводам зажимами поме щают в каркас электрической печи и подключают к шинам понижающего трансформа тора.
Постоянство номера N пер вичной нити ', который зави сит от диаметра и количества элементарных волокон, содер жащихся в ней, является одним из важнейших показателей ка-
Р І І С . 1. 200-фильерпыіі стеклоплавиль- |
Рнс. 2. Схема процесса вы- |
ный сосуд |
работки непрерывного стек |
|
лянного волокна |
чества стеклянного волокна. Известно также, что проч ность стеклянного волокна зависит от его диаметра — с увеличением диаметра прочность снижается [2].
Схема процесса выработки непрерывного стеклянного волокна представлена на рис. 2. Как видно, технологиче ский процесс характеризуется такими выходными пара метрами, как диаметр элементарного стеклянного волок-
1 Под метрическим номером понимают количество метров нптН в 1 г.
ß
I
na du и номер нити M, механической прочностью а стек лянной нити и, наконец, обрывностью элементарных во локон Кі в процессе выработки, определяющей произво дительность установки и процент брака.
Входными параметрами, влияющими на диаметр стеклянного волокна, номер нити и обрывность элемен тарных волокон, являются контролируемые параметры: температура Ѳ и уровень H стекломассы, диаметр аф и качество обработки фильер, скорость вытягивания во локон V и неконтролируемые параметры: химический со став стекла К, темп охлаждения Кі, количество С?эам и со став Кг замасливателя. На температуру стеклянной массы в какой-то мере может влиять и старение электриче ской изоляции печи. Кроме того, следует отметить нали чие возмущающих факторов, определяемых конструк тивными особенностями самой установки. Так, напри мер, в зависимости от конструкции и материала нитесборника коэффициент трения движения волокон К3 различен. При этом волокна истираются, надламываются и т. п. Это обстоятельство в значительной степени сказы вается на прочности стеклянной нити и существенно вли яет на процесс ее выработки, т. е. на обрывность элемен тарных волокон. Диаметр же элементарного волокна и номер нити не зависят от трения.
Вследствие своей небольшой массы стеклоплавиль ный сосуд, заполненный стекломассой, обладает малой тепловой инерцией. В связи с этим периодическая загруз ка сосуда холодными стеклянными шариками является причиной образования в стекломассе местных охлажден ных участков и, следовательно, колебаний температуры.
Измерения, проведенные в заводских условиях, пока зали, что для соблюдения допустимого интервала коле баний номера первичной нити температура не должна отклоняться от заданной более чем на 1 —1,5°. В связи с этим к системе автоматического регулирования нагре ва предъявляются весьма жесткие требования. Сама по себе температура стекломассы в стеклоплавильном со суде, как ни важен этот параметр, не определяет оконча тельной стабилизации технологического режима. Важ ными технологическими параметрами являются также уровень стекломассы и линейная скорость вытягивания стеклянного волокна.
При решении вопроса об автоматической стабилиза ции уровня следует учитывать, что для 200-фильерного
7
сосуда при площади зеркала стекломассы |
20 000 |
иш2 |
|
ввод в сосуд шести стеклянных |
шариков |
диаметром |
|
18 мм вызывает повышение уровня |
массы на 0,9—1 |
мм. |
|
Выработка стеклянного волокна, если нет 2—3 загру зок стеклянных шариков, ведет к повышению темпера туры стекломассы (уменьшению ее вязкости), т. е. к из менению текса нити. Поэтому к устройствам для автома тического контроля и регулирования уровня стекломас сы также предъявляют довольно жесткое требование: колебания уровня не должны превышать 0,5—1 мм. В ря де случаев стекломасса образует пену, что необходимо учитывать при измерении уровня, поскольку наличие пе ны снижает точность контроля и вызывает ложные сра батывания.
Таким образом анализ технологических условий вы работки непрерывного стеклянного волокна приводит к следующему выводу: для получения первичной нити заданного номера с небольшими отклонениями (5—10%) необходима специальная аппаратура для автоматическо го контроля и регулирования технологических пара метров.
Производство стекловолокна двухстадийным спосо бом осуществляется на стеклопрядильных агрегатах ти па СПА-6С и СПА-ЗС. В настоящее время выпускается только агрегат СПА-ЗС, который состоит из 12 одинако вых секций с общими системами подачи замасливателя и воды. Электрооборудование агрегата разделено на две самостоятельные части, подключение каждой осуществ ляется раздельно. Принципиальная электрическая схема одной секции приведена на рис. 3. Схемой предусмотрено управление нагревом стеклоплавильного сосуда, уп
равление |
подачей стеклошариков в |
стеклоплавиль |
ный сосуд |
и управление намоткой |
стеклонити на |
~ бобину. |
|
|
Электроэнергия к стеклоплавильному сосуду подво дится медными гибкими шинами от вторичной обмотки печного трансформатора. Места соединения медных шин с токоподводами стеклоплавильного сосуда снабжены водяными холодильниками. Нагрев стеклоплавильного сосуда регулируется изменением напряжения на первич ной обмотке трансформатора. В агрегатах СПА-ЗС пос ледовательно с первичной обмоткой трансформатора включен магнитный усилитель МУ типа УСО-20 с внут ренней обратной связью. Обратная связь осуществляется
8