книги из ГПНТБ / Варламов В.А. Сборочные операции в электровакуумном производстве учеб. пособие

имодействии с кислородом первичного воздуха. Область пламени, заключенная между внутренним и на(?ужным конусами, представ­ ляет собой ярко светящуюся зону II пламени. Из-за недостатка кислорода первичного воздуха в зоне II происходит неполное сго­ рание газа, поэтому она обладает восстановительными свойствами. Зона II пламени состоит из смеси продуктов сгорания внутреннего конуса и недогоревшей части горючей смеси (продуктов неполного сгорания). Восстановительная зона пламени имеет желтый цвет свечения факела; помещенные в эту зону предметы покрываются копотью — это объясняется наличием в зоне II раскаленных частиц сажи (углерода). Если поместить в восстановительную зону'пламе­ ни вещества, содержащие химически связанный кислород, происхо­ дит восстановление этих веществ, т. е. потеря ими кислорода.

На поверхности наружного конуса газ интенсивно и полностью догорает в результате соединения с кислородом вторичного воздуха, поступающего из атмосферы, — это зона пламени III. Зона пламе­ ни III представляет собой узкую, едва заметную каемку на внеш­ нем крае пламени. В зоне III пламя бесцветно *, не образует копо­ ти и имеет более высокую температуру, чем пламя в зонах I и II.

Наивысшей температурой обладает фокус пламени, находящий­ ся на расстоянии 2—3 мм от наружного конца факела.

Вследствие избытка кислорода зона III обладает окислитель­ ными свойствами. Если приблизить к поверхности наружного кону­ са некоторые вещества, не содержащие кислорода, то пламя окис­ лит их.

Следует учесть, что различные вещества, вводимые в пламя го­ релки, придают ему разную окраску. Например, содержащаяся в стекле окись натрия окрашивает пламя в желтый цвет, соединения меди — в зеленый или синий цвет.

При огневой обработке свинцового стекла (например, С93-1) в восстановительном пламени или в восстановительной зоне пламени происходит почернение стекла за счет восстановления окиси свинца (входящей в состав стекла) до металлического свинца. Во избежа­ ние почернения свинцового стекла надо отдалитъ от него горелку (чтобы восстановительная зона пламени была по возможности дальше от стекла) или сделать пламя более окислительным путем прибавления первичного воздуха и убавления газа (тогда восста­ новительная зона пламени сокращается).

При работе с медленно сгорающими газами (например, природ­ ным или сжиженным) не следует разогревать стекло в той зоне пламени, где еще не завершилось горение и имеются продукты не­ полного сгорания (т. е. в зоне II пламени — см. рис. 129). В про­ тивном случае недогоревшая часть газа догорает непосредственно на раскаленной поверхности стекла, вызывая его неравномерный нагрев и соответственно растрескивание

Следует также учитывать, что предмет, помещенный в откры-

* Образующиеся в окислительной зоне двуокись углерода и пары воды бес­ цветны.

170

тое пламя газовой горелки, подвергается не только тепловому воз­ действию, но и механическому давлению сгорающей горючей сме­ си. При разогреве стеклянных изделий до температуры, близкой к температуре размягчения стекла, стеклозаготовки могут мягко де­ формироваться под давлением пламени. По этой же причине не следует помещать стеклянные предметы в фокус пламени, хотя температура в нем наиболее высокая.

Скорость продвижения зоны горения в направлении, перпенди­ кулярном самой зоне, называется скоростью распространения пла­ мени. Скорость распространения пламени характеризует быстроту нагрева газовоздушной смеси до температуры воспламенения. Наи­ большую скорость распространения имеет пламя водорода, во­ дяного газа (3 м/сек), наименьшую — пламя природного газа и пропано-бутановой смеси. Большая скорость распространения пла­ мени благоприятно влияет на полноту горения газа, а малая, наобо­ рот, служит одной из причин неполного сгорания газа. Скорость распространения пламени увеличивается при применении газокисло­ родной смеси вместо газововдушной.

Скорость распространения пламени должна соответствовать скорости истечения газовоздушной смеси; в этом случае пламя яв­ ляется стабильным и практически неподвижным относительно сопла горелки. Стабильность пламени облегчает управление огневыми операциями и позволяет поддерживать требуемые температурные режимы формования и отжига стеклоизделий.

Проскок пламени внутрь горелки имеет место, когда скорость распространения пламени больше скорости истечения горючей смеси.

Отрыв и гашение пламени происходит в том случае, когда ско­ рость распространения пламени меньше скорости истечения горю­ чей смеси. Длина пламени при прочих равных условиях про­ порциональна диаметру выходного отверстия горелки.

Пламя удлиняется с уменьшением скорости распространения пламени или с увеличением скорости истечения газовоздушной сме­ си, а при обратном явлении пламя укорачивается.

Пламя медленно горящих газов, т. е. газов, имеющих малую скорость распространения пламени (пропан-бутановой смеси, при­ родных газов), имеет длинный факел и поэтому склонно к отрыву от устья горелки; пламя быстро горящих газов (водорода, водяного газа) имеет короткий факел и склонно к проскакиванию в устье горелки. Явление проскока пламени чаще наблюдается при работе с газокислородной смесью, чем с газовоздушной.

§ 48. ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ПРИ ОБСЛУЖИВАНИИ ОГНЕВЫХ ОПЕРАЦИЙ

В процессе проведения огневой операции иногда наблюдается изменение температуры, длины, направления и формы факела пла­ мени, а также химического состава продуктов горения. Изменение

171

пламени может привести к чрезмерному увеличению или уменьше­ нию вязкости стекла и возникновению в нем напряжений и трещин.

Обычно изменение огневых режимов происходит из-за колебаний давления газа и воздуха и непостоянства состава и свойств газа. Природный газ имеет более постоянный состав и свойства и лучше обеспечивает однородность огневого режима, чем сжиженный и во­ дяной.

Так, например, факел пламени удлиняется в процессе огневой операции при недостаточном поступлении воздуха или при плохом перемешивании воздуха с газом.

Факел пламени укорачивается при падении давлениия горюче­ го газа или повышении давления воздуха.

Практически колебания давления в общезаводских газовых и воздушных сетях достигают 50% по газу и 30% по воздуху и обус­ ловливаются в основном следующими причинами:

малой производительностью компрессоров или газодувок, кото­ рые не удовлетворяют потребностям производства в сжатом воз­ духе или газе;

неисправностью приборов контроля давления газа й сжатого воздуха или невнимательностью контролирующего персонала;

проникновением в газовую' сеть сжатого воздуха или скоплением з газопроводах воды из-за-несвоевременной откачки конденсатосборников;

засорением и закупориванием газо- и воздухопроводов пылью, окалиной, водой, смолой.

Изменение оптимального соотношения газа, воздуха и кислоро­ да (в любую сторону), обусловленное колебаниями их давления в заводских сетях, приводит к снижению температуры пламени

иизменению его химической характеристики.

Впомещениях, где проводятся огневые операции, не допускают­ ся сквозняки, так как сильная циркуляция воздуха приводит к ко­ лебанию пламени горелок и резкому охлаждению формуемых или отжигаемых изделий. Наиболее чувствительны к циркуляции окру­ жающего воздуха мягкие огни горелок. Поэтому на оборудовании для огневой обработки устанавливают перегородки, которые одно­ временно служат теплоизолирующими экранами.

Для обеспечения стабильных тепловых режимов используются различные элементы и устройства: краны и вентили (запорная и регулирующая арматура) — для регулировки подачи газа; регуля­

торы давления — для обеспечения постоянного давления газов; фильтры — для улавливания паров масла и других загрязнений, имеющихся в магистрали сжатого воздуха; фильтры — для защиты газов от пыли, влаги, механических частиц; коллекторы — для рас­ пределения газов или горючей смеси на несколько горелок; шланги и трубки (подводящая арматура) — для подачи горючих газов или смесей к горелкам; предохранительные клапаны — для защиты об­ рабатываемых изделий от перегрева; манометры и расходомеры — для замера давления и расхода воздуха.

Давление газа во внутризаводских сетях 300—600 ммвод.ст. для

172

природного газа, 250—350 мм вод. ст. для сжиженного газа и 1200—1500 мм вод. ст. для водяного газа.

Измерение давления, под которым газ подается к огневому обо­ рудованию, производят U-образным водяным манометром. Для уче­ та расхода газа применяют объемные и скоростные газовые счетчи­ ки (газомеры). Объемные газомеры показывают нарастающий рас­ ход газа, а скоростные — мгновенный расход газа.

В сетях сжатого воздуха поддерживают давление при работе с природным и сжиженным газами 0,7—1 кГ/см2, а при работе с во­ дяным газом— 0,5—0,6 кГ/см2. Давление сжатого воздуха измеря­ ют пружинным манометром.

Чтобы зажечь горелку, нужно:

открыть общие запорные газовый и воздушный краны на подво­ дящих газо- и воздухопроводах;

зажечь переносной запальник (спичку или бумажный жгут) и поднести пламя к горелке;

медленно открыть регулировочный газовый вентиль и быстро зажечь газ;

плавно открыть регулировочный вентиль сжатого воздуха; отрегулировать подачу газа и воздуха для получения пламени

требуемых размеров.

■При соблюдении такой последовательности газ зажигается без отрыва пламени с легким хлопком, а не со взрывом (нельзя вы­ пускать газ из горелки, пока к устью ее не поднесен зажженный за­ пальник).

Для прекращения горения газа нужно соблюдать обратную последовательность:

закрыть регулировочный воздушный вентиль; закрыть регулировочный газовый вентиль;

закрыть общие запорные воздушный и газовый краны.

Горелка считается погашенной тогда, когда в нее полностью закрыт доступ газа, а не когда прекращается пламя. Поэтому ни­ когда нельзя гасить горелку, дуя на пламя.

Топливные газы ядовиты и взрывоопасны. Под взрывом пони­ маетсягорение, протекающее с огромной скоростью и сопровож­ дающееся мгновенным выделением сильно сжатых нагретых про­ дуктов горения и большого количества тепла. Сжатые продукты го­ рения газа, стремясь расшириться, создают высокое давление в месте взрыва и вызывают сотрясение среды, способное достигать очень большой разрушительной силы. Наибольшая опасность взры­ ва наблюдается, когда открытое пламя, искра или другой источник нагрева оказывается вблизи замкнутого объема газовоздушной смеси.

Основная причина отравлений и взрывов — утечка газа. Опас­ ность утечки возрастает с увеличением давления газа, уменьшением плотности газа, а также при наличии резьбовых сварных- и резино­ вых соединений на запорной арматуре. При проведении тряпкой, смоченной мыльной водой по месту утечки, выделяющийся газ вы­ дувает мыльные пузыри.

173

одинаковыми свойствами во всех направлениях, не имеет постоянной

зать твердое оно или жидкое.

О состоянии, в котором находится стекло, можно судить по его вязкости *. Вязкость характеризует свойство стекла оказывать со­ противление перемещению своих соприкасающихся слоев относи­ тельно друг друга. Величина, обратная вязкости, называется теку­ честью.

При изменении температуры стекла его вязкость (и соответст­ венно текучесть) непрерывно изменяется.

При низких температурах стекло находится в твердом (упругом) состоянии и имеет очень высокую вязкость (при комнатной темпера­ туре вязкость стекла ІО16 пз).

До вязкости ІО13 пз стекло является хрупким и его частицы практически не имеют подвижности.

Температура, соответствующая вязкости ІО13 пз, называется точкой трансформации (превращения) стекла. Для практически применяемых стекол эта температура составляет 400—600° С. При температуре выше точки трансформации стекло приобретает пла­ стические свойства.

-Пластичностью называется свойство твердых тел принимать под давлением любую форму без нарушения связи между частицами.

В точке трансформации, кроме пластичности, резко изменяются многие другие характеристики: коэффициент термического расши­ рения (см. стр. 176), удельное электрическое сопротивление, тепло; проводиость и т. д.

Интервал температур, соответствующий вязкости стекла 1013—ІО9 пз, называется интервалом размягчения. В этом интервале

* Вязкостью называется сила, необходимая для перемещения 1 см- слоя ве­ щества относительно другого слоя со скоростью 1 см/сек. Единицей измерения вязкости является пуаз; 1 пз= 1 г/см-сек.

175

стекло находится в высоковязком пластическом состоянии и из него с трудом можно вытягивать тонкие нити.

Температура, соответствующая вязкости ІО12 пз, называется

температурой размягчения стекла.. Стекла с низкой температурой размягчения называются мягкими, а стекла, имеющие высокую тем­ пературу размягченияу — твердыми. Температуре начала размягче­ ния соответствует такое состояние стекла, при котором оно под дей­ ствием некоторой нагрузки начинает деформироваться.

При вязкости ІО8—ІО4 пз (что соответствует ^—550—1350°С) стекло находится в пластичном состоянии (в виде стеклообразного расплава), при котором оно достаточно размягчено, чтобы изменить свою форму, но в то же время достаточно вязко, чтобы не течь как жидкость (и соответственно способно сохранять приданную ему форму). Вэтом интервале вязкости производится формовка стекла: под действием собственного веса и сил поверхностного натяжения размягченная стеклянная деталь в течение нескольких минут прини­ мает требуемую форму.

При температурах і 000—1500° С стекло имеет очень низкую вяз­ кость ^ 10—ІО4 пз и приобретает текучесть, свойственную жидко­ стям (т. е. находится в капельно-жидком состоянии). В этом интер­ вале вязкости производится варка стекла.

Коэффициент термического расширения (КТР)

Способность стекла в большей или меньшей степени расши­ ряться при нагревании или сжиматься при охлаждении характери­ зуется его коэффициентом термического расширения.

Для характеристики расширения стекла в объеме служит тер­ мический коэффициент объемного расширения ß; для характери­ стики расширения стекла в длину — термический коэффициент ли­ нейного расширения а.

Линейный коэффициент термического расширения — это относи­ тельное приращение длины стеклянного стержня при изменении температуры на один градус:

Объемный коэффициент термического расширения — это относи­ тельное увеличение объема стекла при нагревании его на 1°С:

V д т

Величина термического коэффициента линейного расширения а определяет возможность получения вакуумно-плотных, газонепро­ ницаемых спаев, а также стойкость стекла к резким переменам тем­ ператур.

176

Кристаллизация кварцевого стекла, сопровождающаяся его по­ мутнением, происходит при t= 1200° С, поэтому рабочая температу­ ра кварцевого стекла не должна превышать 1000°С. Катализатора­ ми процесса кристаллизации кварца являются следы от потных рук на поверхности стекла. Поэтому перед огневой обработкой необхо­ дима тщательная очистка кварцевого стекла (рекомендуется про­ тирка спиртом). Инструмент для формовки этого стекла должен быть изготовлен из графита высокой чистоты.

При практической работе часто путают два разных дефекта стекла:

кристаллизацию (расстекловывание), сопровождающееся появ­ лением на поверхности стекла кристаллов силикатов щелочно-зе­ мельных металлов и кремнезема;

выщелачивание стекла, сопровождающееся появлением на стек­ ле «разъедов» в виде углекислых солей щелочных металлов

(стр. 179).

Оба этих дефекта приводят к изменению состава, разрушению и помутнению поверхностного слоя стекла, однако эти дефекты обусловливаются различными причинами, образуются в результа­ те различных физико-химических процессов и по-разному влияют на свойства стекла.

Практика показывает, что наличие следов выщелачивания («разъедов») на стекле приводит к его кристаллизации (расстекловыванию) после огневой обработки.

Термостойкость

Под термостойкостью понимается наибольшая разность темпе­ ратур, которую стекло может выдерживать без растрескивания. Термостойкость тем выше, чем больше теплопроводность и чем меньше КТР стекла. Поэтому кварцевое стекло, имеющее низкую величину КТР, обладает наивысшей термостойкостью («700°С); стекла платинитовой группы, имеющие большую величину КТР, обладают низкой термостойкостью («100—150°С). Термостойкость стекла понижается при наличии в стекле напряжений и при умень­ шении прочности поверхностного слоя стекла. Отжиг, снимая на­ пряжения, значительно повышает термостойкость. Ввиду большой термостойкости кварцевое стекло можно не отжигать.

Термостойкость стеклянного изделия всегда меньше, чем теоре­ тическая термостойкость стекла — термостойкость изделия зависит от его формы, толщины и габаритов. Тонкостенные и округлые изде­ лия более термостойки, чем толстостенные и с острыми углами. Ца­ рапины, мелкие посечки и микротрещины на поверхности стеклоде­ тали уменьшают ее термостойкость.

Химические свойства

Химической стойкостью стекла называют способность его проти­ востоять разрушающему действию влаги, кислот, щелочей и других

178

химических веществ. Химическая стойкость проявляется в способ­ ности стекла в течение длительного времени сохранять прозрачность и блеск. По интенсивности разрушающего действия на 'стеклохими­ ческие вещества располагаются в следующем порядке: плавиковая кислота, фосфорная кислота, растворы щелочей, растворы карбона­ тов, кислоты, вода.

С повышением температуры химическая стойкость стекла пони­ жается. При повышении температуры на каждые 10° С разрушение увеличивается в 1,5—2 раза. Наиболее интенсивно стекло разру­ шается при температуре выше 100° С и при повышенном давлении. Обычно чем лучше отожжено стекло, тем выше его химическая стойкость. Однако натриево-боросиликатные стекла, наоборот, в отожженном состоянии обладают меньшей химической устойчи­ востью.

По отношению к действию влаги (по химической стойкости) стекла делятся на пять гидролитических групп или классов. Наибо­ лее стойкие стекла (С37-1, С47-1) относятся к первому классу, наи­ менее стойкие — к пятому классу (С52-1, С89-1, С48-1). Повыше­ ние содержания в стекле щелочных окислов, борного ангидрида сни­ жает его химическую стойкость (табл. 6).

Выщелачивание

При обработке стеклоизделий плавиковой кислотой и при хране­ нии колб на влажном воздухе на поверхности стекла может по­ явиться брак, называемый выщелачиванием или выветриванием стекла («разъеды» на стекле). «Разъеды» на стеклесйязаны с изме­ нением химического состава его поверхности, в результате стекло теряет прозрачность и становится матовым.

При длительном соприкосновении стекла с плавиковой кислотой и ее парами (особенно при высокой концентрации кислоты) одно­ временно с равномерным растворением всех составных частей по­ верхностного слоя стекла происходит избирательное растворение двуокиси кремния из внутренних слоев 'стекла. По мере растворения поверхностного слоя стекла внутренний слой, обедненный дву­ окисью кремния и обогащенный свободными щелочными окислами, становится наружным — внешним.. Свободные щелочные окислы усиленно поглощают из воздуха влагу и%углекислоту. При этом на поверхности стекла образуются белесоватые налеты углекислых со­ лей натрия и калия — «разъеды».

Если промыть водой разъеденную поверхность стекла, то «разъед» становится невидимым (пока стекло влажное). Это объясняется тем, что углекислые соли, придающие матовость стеклу, раство­ ряются в воде и смываются. Однако после высыхания поверхности стекла избыточные свободные щелочные окислы (имеющиеся в ме­ сте «разъеда») снова поглощают углекислоту из воздуха, при этом опять образуются углекислые соли и матовый налет.

Появление разъедов во время хранения колб (на практике это