книги из ГПНТБ / Рытвин Е.И. Платиновые металлы и сплавы в производстве стеклянного волокна [учеб. пособие]

вредные примеси, перешедшие из чистых шихтовых ме­ таллов. При отжиге-гомогенизации (если он проводится) также возможен перегрев с оплавлением металла или повышением его газонасыщенности, что может стать причиной образования трещин. Процессы деформации и обработки платиновых сплавов всегда связаны с воз­ можностью их загрязнения неблагородными примесями от оснастки, а также (при неотработанных режимах) с вероятностью создания больших остаточных напряже­ ний и получения разнозернистой структуры (после от­ жига) .

Весьма ответственная операция сварки (сборки) стеклоплавильных сосудов часто является причиной их брака. При сварке возникают значительные остаточные напряжения, возможен перегрев (пережог) металла с оплавлением примесных составляющих. Особенно ответ­ ственна сварка стеклоплавильных сосудов из различных сплавов. Необходимыми условиями надежного соедине­ ния элементов конструкции являются высокое качество исходных металлов и строгое соблюдение технологиче­ ского режима сварки. Если исходный металл малопла­ стичен, вероятность возникновения трещин во время сварки или после нее всегда велика; это особенно опас­ но, когда ведется сварка двух сплавов. При нарушении технологических режимов сварки возможен непровар металла или его пережог, а в результате — разрушение сплава в зоне сварного соединения. Необходимо знать источник и природу брака для правильного анализа при­ чин разрушения сосудов. Наиболее целесообразно тща­ тельно исследовать качество исходного металла н нового сосуда до его эксплуатации.

4. Контроль стеклоплавильных сосудов на заводах стеклянного волокна является вынужденной операцией, обусловленной пока еще недостаточно высоким качест­ вом сосудов. Однако необходимо иметь в виду, что мно­ гие дефекты при изготовлении стеклоплавильных сосу­ дов не являются скрытыми и могут быть обнаружены при четком выполнении существующих правил контроля стеклоплавильных -сосудов на заводах стеклянного во­ локна. Внешним осмотром сосудов можно обнаружить трещины, раковины, подвары дефектов, ослабление свар­ ного шва и т. д. При использовании лупы или биноку­ лярного микроскопа возможности обнаружения дефек­

252

тов при входном контроле значительно расширяются. Предварительный нагрев и испытание сосудов на герме­ тичность увеличивают жесткость контроля и его эффек­ тивность, хотя, бесспорно, не дают исчерпывающего от­ вета на вопрос о качестве металла. Наряду с контролем новых сосудов по существующим правилам в соответст­ вии с действующими техническими условиями и черте­ жами, необходимо постоянно сопоставлять результаты входного контроля с характером разрушения и сроком службы стеклоплавильных сосудов, а также с содержа­ нием в металле примесей, которые должны указываться в свидетельстве о качестве продукции, выдаваемом на каждый сосуд заводом-изготовителем.

5. Механические и термические напряжения, созда­ ваемые при монтаже и эксплуатации, в общем случае не вызывают досрочного разрушения металла. Однако нарушение этих условно называемых нормальных усло­ вий монтажа и эксплуатации часто является причиной преждевременного выхода сосудов из строя. Дело ос­ ложняется еще тем, что эти нормальные условия монта­ жа и эксплуатации трудно регулировать. Так, в приме­ няемых для монтажа сосудов керамических материалах всегда возможно содержание неравномерно распределен­ ных и неконтролируемых примесей, вызывающих разру­ шение платинового сплава, которое происходит сравни­ тельно быстро или медленно в зависимости от вида примеси, ее концентрации в керамике и скорости взаимо­ действия с металлом. Для полного исключения этой причины разрушения необходимо обеспечить монтаж со­ судов (в пристеночном слое) керамическими материала­ ми высокой степени чистоты. Необходимая чистота ке­ рамики достигается в результате магнитной сепарации и кислотной обработки.

Разрушение сосудов, связанное с загрязнением ке­ рамики вредными примесями, как правило, имеет сви­ щеподобный характер. Для обоснования такого заклю­ чения следует определить содержание примесей в раз­ рушенном и неразрушенном участках металла (сопоста­ вить результаты химического анализа металла с данны­ ми завода-изготовителя), а также в зонах керамики, прилегающей к стенкам сосуда. Одновременно должен быть проведем металлографический и фрактографический анализы разрушенных и неразрушенных участков

253

сосуда. Так же следует поступать, если предполагаемой причиной разрушения сосуда является загрязнение рас­ плава стекла включениями неблагородных металлов или агрессивными окислами. Такие включения снижают ка­ чество металла и, таким образом отрицательно влияют на технико-экономические показатели работы сосуда (в частности, уменьшают срок службы), а также ухуд­ шают технологический процесс выработки стеклянного волокна (увеличивают обрывность, снижают производи­ тельность). В течение 5—8 месяцев работы сосуда в рас­ плав стекла попадает 30—45 г окислов железа с поверх­ ности стеклянных шариков. Если эти окислы удалить с поверхности стеклянных шариков, то обрывность волокон может быть снижена в 1,5—2 раза. Известно, что окис­ лы железа и других элементов, а также неблагородные металлы часто попадают в сосуд через трубки. Поэтому следует принять все необходимые меры для полного ис­ ключения попадания инородных материалов в расплав стекла.

Ремонт стеклоплавильных сосудов дает возможность продлить их эксплуатацию на 20—40 суток. Но при на­ личии неблагородных элементов в сплаве ремонт чрез­ вычайно затруднен, а иногда просто невозможен. Напри­ мер, разрушенный участок сосуда из сплава ПлРд-7, содержащий 0,02% железа, невозможно заварить, а участки, содержащие 0,007% железа, заваривались удовлетворительно. Относительно легко заваривать тре­ щины, образующиеся в результате действия повышенных механических напряжений и перегрева. Однако образо­ вание таких трещин, как это отмечалось ранее (см. раз­ дел первый), не может быть оправдано, ибо оно обус­ ловлено плохим качеством монтажа и эксплуатации. Качество монтажа и нормальные условия эксплуатации сосудов также чрезвычайно важны для обеспечения ми­ нимальных потерь платиновых металлов.

Потери платиновых металлов колеблются в широких пределах от 1,5—2 до 3,5—4,5% от расхода металлов на 1 т стеклянного волокна. Такой значительный разброс обусловлен сложностью физико-химических процессов возгонки металлов и растворения их в расплаве стекла. Температура, механические напряжения, среда сущест­ венно влияют на скорость этих процессов и соответствен­ но на потери платиновых металлов. В реальных условиях

254

эксплуатации стеклоплавильных сосудов очень трудно поддерживать постоянство термических и механических напряжений из-за отклонений от режима в системах энерго- и водоснабжения, регулирования температуры, а также вследствие возможных изменений (с течением времени) в керамической футеровке сосудов (проникно­ вение в нее стекломассы и т. д.). Так как напряженность и температурный режим сосудов зависят от конструк­ ции и производительности, то соответственно от этих факторов также будут зависеть и потери платиновых металлов на 1 т стеклянного волокна. Нестабильность термических и механических напряжений в сосуде во времени вызывает неравномерные потери платиновых ме­ таллов за счет возгонки и растворения в расплаве стек­ ла. Поэтому в однотипных стеклоплавильных сосудах для выработки одного и того же вида стеклянного во­ локна потери платиновых металлов могут быть различ­ ны. В табл. 33 представлены данные о потерях платино­ родиевого сплава при эксплуатации 200- и 100-фильер- ных сосудов.

Т а б л и ц а 33. Потери сплава ПлРд-7 при эксплуатации сосудов

255

рается конденсат сплава ПлРд-7 в количестве 30—50% от общих потерь. Это свидетельствует о том, что потери сплава ПлРд-7 за счет возгонки превышают по­ тери за счет растворения в стекломассе. Соотношение потерь вследствие возгонки и растворения в стекле из­ меняется в зависимости от состава сплава. Как указыва­ лось ранее, безвозвратные потери платиновых сплавов при эксплуатации сосудов могут быть уменьшены в ре­ зультате снижения температур и механических напряже­ ний, а это в свою очередь возможно при хорошем мон­ таже сосудов и их безупречной эксплуатации. Кроме того, потери могут быть уменьшены при тщательном сборе конденсата платиновых сплавов с керамики, при­ легающей к сосуду. При использовании палладийсодер­ жащих сплавов соответственно содержанию палладия могут снижаться безвозвратные потери платины. Сни­ жение безвозвратных потерь платины окажет положи­ тельное влияние на основные показатели работы стекло­ плавильных сосудов.

Пути повышения долговечности стеклоплавильных сосудов и рационального использования платиновых металлов

в производстве стеклянного волокна

Повышение сроков службы стеклоплавильных сосу­ дов и экономное использование платиновых металлов в производстве стеклянного волокна определяется следую­ щими практическими задачами.

1.Сокращение расхода и потерь платины на 1 т стеклянного волокна.

2.Снижение потребности в платине на изготовление одного стеклоплавильного сосуда и соответственно об­ щей потребности в этом металле при изготовлении, ис­ пользовании и переработке сосудов.

Для решения этих задач необходимо увеличить съем стеклянного волокна с единицы массы сосуда в сутки за счет совершенствования конструкций сосудов, снижения содержания (массы) платины в сплаве и по­

волокна всегда должны быть рассчитаны на максималь­

256

ную производительность; это является необходимым ус­ ловием минимального расхода драгоценных металлов. Применяемые для изготовления сосуда сплавы не долж­ ны отрицательно влиять на технологические параметры выработки стеклянного волокна, они должны способст­ вовать совершенствованию и росту производительности процесса. Напомним, что применение золотосодержа­ щих фильерных узлов дает иногда возможность сокра­ тить расстояние между фильерами, увеличить плотность их расположения иа фильерном поле, ограничить разме­ ры поля и соответственно уменьшить габариты и массу стеклоплавильного сосуда. При снижении удельного расхода платиновых металлов за счет увеличения произ­ водительности сосудов и (или) уменьшения их массы, как правило, снижаются и удельные безвозвратные по­ тери.

При снижении массы стеклоплавильного сосуда (из любого сплава) неизбежно уменьшение массы содержа­ щейся в нем платины. Поэтому снижение массы сосуда всегда желательно, если при этом не уменьшается срок службы и не снижается производительность сосуда. Уменьшение содержания в сосуде платины возможно при использовании новых палладийсодержащих плати­ новых сплавов. Эти сплавы имеют меньшую плотность (из-за меньшей плотности палладия) и поэтому в одной

итой же конструкции при тех же сечениях элементов масса сплавов благородных металлов уменьшается. Сле­ довательно, применение сплавов, в которых платина ча­ стично заменяется палладием, дает возможность умень­ шить массу сосуда, сократить расход наиболее дефицит­ ной платины, уменьшить массу одновременно используе­ мых платиновых металлов при изготовлении, применении

ипереработке стеклоплавильных сосудов, сократить об­ щую и удельную потребность в наиболее дефицитной платине и уменьшить ее безвозвратные потери. Замена платинородиевых сплавов палладийсодержащими связа­ на с трудностями, преодоление которых требует нового подхода к технологии изготовления, монтажа и эксплуа­ тации стеклоплавильных сосудов. Так, сплавы следует готовить только из материалов марки AI и соответствую­ щих кондиционных отходов; требуется тщательная отра­ ботка технологии и режимов плавки, деформации, тер­ мообработки и сварки. Палладийсодержащие сплавы —

257

многокомпонентные. Поэтому при выплавке палладий­ содержащих сплавов возрастает по сравнению с выплав­ кой платинородиевых сплавов вероятность загрязнения примесями, содержащимися в исходных компонентах. Палладийсодержащие сплавы необходимо выплавлять по более совершенной технологии, чем платинородиевые, так как палладии более склонен к окислению и возгонке; в присутствии легирующих элементов (например, руте­ ния) может еще более усложниться выбор схемы и ре­ жимов плавки. Например, плавка палладийсодержащих сплавов в достаточно глубоком вакууме нежелательна из-за сильного испарения палладия; плавка же на воз­ духе представляет определенную опасность из-за воз­ можности окисления рутения; плавка в защитной среде может привести к поглощению газов.

Проблема в значительной части сводится к освоению выпуска стеклоплавильных сосудов из сплавов, в кото­ рых платина частично заменена палладием. Следует иметь в виду, что преодоление технологических трудно­ стей при’ изготовлении стеклоплавильных сосудов из палладийсодержащих сплавов будет малоэффективным, если одновременно не будут предприняты меры к су­ щественному улучшению их монтажа и условий эксплуа­ тации.

Сосуды из палладийсодержащих сплавов, способные выдержать конкуренцию с платинородиевыми сосудами в нормальных условиях монтажа и эксплуатации, могут оказаться неконкурентноспособными при ухудшении этих условий. Сосуды из палладийсодержащих сплавов сильнее реагируют на внезапное повышение температуры или случайное увеличение механических напряжений. Палладийсодержащие сплавы могут более активно взаи­ модействовать с неблагородными примесями и включе­ ниями, попадающими в стекломассу или содержащимися в керамике. Поэтому непременным условием получения высоких технико-экономических показателей работы со­ судов из палладийсодержащих сплавов является высоко­ качественный монтаж и правильная эксплуатация (наря­ ду с качественным изготовлением).

Повышение долговечности любых стеклоплавильных сосудов (желательно в 1,5—2 раза) может быть достиг­ нуто только при обязательном выполнении всех требова­ ний, предъявляемых к качеству их изготовления, монта­

258

С П И С О К О С Н О В Н О Й ЛИТЕРАТУРЫ

1.Б о ч в а р А. А. Металловедение. Изд. 5-е. М., Металлургиздат, 1956. 494 с.

2.Физическое металловедение. Под ред. Р. Кана. Вып. I. Пер. с англ. Под ред. Н. Т. Чеботарева. М., «Мир», 1967. 333 с. Вып. И. Пер.

сангл. Под ред. И. И. Новикова. М„ «Мир», 1968. 490 с. Вып. 111. Пер. с англ. Под ред. В. М. Розенберга. М., «Мир», 1968, 484 с.

3. Н о в и к о в И. И., З а х а р о в М. В. Термическая обработка металлов и сплавов. Под ред. И. И. Новикова. М., Металлург­ издат, 1962, 429 с.

4.Краткая химическая энциклопедия. В 5 т. Т. 1—5, М., «Советская энциклопедия», 1961— 1967 гг.

5.Н о в и к о в И. И. Дефекты кристаллической решетки металлов.

М., «Металлургия», 1968. 188 с.

9.Э л л и о т Р. П. Структуры двойных сплавов. В 2-х т. Т. 1—2. Пер. с англ. Под ред. И. И. Новикова, И. Л. Рогельберга, М., «Металлургия», 1970. 455 + 472 с.

10.П о л я к о в а В. П. В кн.: Диаграммы состояния металлических систем. М., «Наука», 1968, с. 191.

260