SU872465A1 - Способ варки тугоплавких стекол и индукционна печь дл варки тугоплавких стекол - Google Patents

Description

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, в частности к технологии электросварки чистых тугоплавких стекол с температурой варки выше 1400°С.

Известен способ электросварки стекол в печах-ваннах с керамической футеровкой, с прямым вводом электрического тока в расплав и нагревом его за счет джо· улева тепла м

Недостатками известных способа и устройства для его реализации являются: наличие контакта высокотемпературного и химически активного расплава с огнеупором футеровки и растворение последнего _|5 в расплаве; явления электролиза на поверхности электродов, подводяших ток к расплаву, эрозия электродов и загрязнение расплава продуктами эрозии.

Наиболее близким к предлагаемому по _м технической сущности и достигаемому результату является способ варки тугоплавких стекол путем стартового нагрева и расплавления одного или нескольких ком— · понентов шихты, введения в расплав остальных компонентов последовательно один за другим по мере расплавления предыдущих и изменения температуры расплава в соответствии с изменением температуры ликвидуса образующейся системы окислов [-J

Однако применение этого способа ограничено варкой бесщелочных стекол. Стекла, содержащие окислы щелочных металлов ( 1и , Nd , К), варить таким способом нельзя, поскольку трудно выдержать требуемый химический состав. Происходит это потому, что легкоплавкие и легколе— тучие окислы щелочных металлов испаряются полностью или частично при введении в высокотемпературные расплавы исходных компонентов.

В то же время требования к химическому составу стекол очень жесткие. В частности, отклонение химического состав— ва по синтезу допускается в пределах 0,1±(0,2%.

Другим недостатком способа является метод стартового нагрева исходной шихты, заключающийся в экзотермической реакции окисления сжиганием металлического алюминия, который вводят в шихту и греют индукпионно. При таком стартовом нагреве шихты, содержащей окислы щелочных металлов, высокая температура процесса сжигания служит причиной испарения этих окислов и также приводит к на- ю рушению химической формулы стекла.

Для осуществления способа применяет|ся индукционная печь для варки тугоплавких стекол, включающая индуктор, разрезной металлический водоохлаждаемый ти- ·ΐ5 гель и размещенный в тигле нагревательный элемент [2}.

Недостаток устройства заключается в использовании известного нагревателя для стартового нагрева в виде платинового бло— 20 ка. В случае варки стекол это приводит к загрязнению расплава растворенной платиной. Кроме того, нагреватели из драгоценных металлов очень дорогие и дефицитные. 25*

Цель изобретения - уменьшение улетучивания щелочных металлов.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу варки тугоплавких стекол путем стартового нагрева и рас— ₃₀ плавления одного или нескольких компонентов шихты, введения в расплав остальных компонентов последовательно один за другим по мере расплавления предыдущих и изменения температуры расплава в соответствии с изменением температуры ликвидуса образующейся системы окислов, стартовому нагреву и расплавлению подвергают щелочные окислы, а остальные компоненты вводят в расплав в последователь— ности соответствующей постоянно возрастающей температуре ликвидуса, причем последним вводят кремнезем.

При этом в индукционной печи для варки тугоплавких стекол, включающей индуктор, разрезной металлический водоохлаждаемый ⁴⁵ тигель и размещенный в тигле нагревательный элемент, последний выполнен в виде запаянного в кварцевую ампулу низкоом— I ного кремния.

На фиг. 1 изображена схема индукци- ⁵⁰ онной печи с холодным тиглем для варки ' стекла перед включением нагрева; на фиг. 2 - процедура стартового расплавления легкоплавкого компонента шихты с нагревом от нагревателя; на фиг. 3 - про- 55 цедура индукционной плавки легкоплавкого компонента без действия нагревателя; (на фиг. 4 - последовательное введение в ванну остальных компонентов шихты; на фиг. 5 - завершающая процедура варки гомогенизация и осветление стекла.

Устройство содержит металлический водоохлаждаемый тигель 1, разрезанный на вертикальные секции, нагреватель для стартового нагрева 2, кварцевую ампулу 3 с ручкой, индуктор 4.

Реализация способа приведена на примере варки стекла типа крон следующего состава, мас.%: АЙп СЪ20, 5-ίθ^ 50, NagO 3 0.

В металлический водоохлаждаемый тигель 1 диаметром 100 мм помещают нагреватель стартового нагрева. Нагреватель 2 представляет собой стержень длиной 100 мм и диаметром 25 мм, вырезанный из монокристалла легированно го кремния с удельным сопротивлением 1—0,5 Ом*см. Стержень запаян в кварцевую ампулу 3, чтобы предотвратить окисление кремния и исключить загрязнение им стекла. Ампула 3 имеет длинную ручку для манипуляции с нагревателем в процессе работы. В тигель вокруг нагревателя засыпают 500 г углекислого натрия МадСО^, дающего после термодиссоциации 292 г’ N agO - самого легкоплавкого и легколетучего компонента шихты.

Индуктор 4 подключен к ламповому генератору, имеющему рабочую частоту 5,28 МГц и регулируемую выходную мощность 0-60 кВт. После включения генератора кремниевый стержень 2 разогревается до 1300° С, что контролируют оптическим пирометром и уровней мощности генератора, установленным заранее. Начинается первая процедура способа — стартовый нагрев и первоначальное расплавле— ение самого легкоплавкого компонен— та-щелочного окисла. Газообразные продукты диссоциации NagCO^ выходят из тигля и удаляются вентиляцией. Через 12-15 мин посде включения генератора бурный ход реакции разложения заканчивается и в нижней части тигля формируется ванна расплава N(фиг. 2). В этом состоянии нагреватель 2 вынимают из тигля (фиг. 3) и, регулируя мощность генератора, устанавливают температуру расплава в тигле около 1000°С, что на 80 С выше температуры расплавления NagO (920°С) и на 350°С ниже температуры его кипения (135О°С). При этом упругость паров NagO невелика, и количество его в тигле изменяется незначительно против взятого в исходной шихте.

Затем начинают следующую процедуру — в тигель засыпают 3 20 г ABgO^ (фиг.4), что соответствует получению заэвтектического сплава в системе Na^O-ИаАе 0₂ с максимальной температурой диквидуса, равной температуре расплава. Температуру расплава в тигле увеличивают по ме— 5 ре введения AC от 1000°С до 1600°С.

Согласно закону Рауля для жидких растворов, упругость паров компонентов прямо пропорциональна .мольной доле ком- 10 понента в расплаве. Для описываемого состава системы N а^О— NaAf? 0^ мольная доля Na^O составляет 0,33, поэтому можно считать, что упругость паров Na^O над расплавом окислов в тигле при I6OCPC15 составляет 0,33 от давления чистого Na^O при той же температуре. Следовательно, большая часть ионов N а остается в расплаве. Тем самым обеспечивается сохранение химического состава стекла ₂₀ в контрольных пределах.

На э'тих этапах плавки расплав в тигле представляет собой проводник с хорошей ионной проводимостью и индукционный нагрев его не представляет затруднений и ₂₅ осуществляется с высоким КПД.

Регулировкой мощности генератора устанавливают температуру расплава 1650 С и после этого начинают завершающую процедуру - в тигель начинают вводить крем- ₃₀ ' незем (фиг. 5). -Его подают порциями: по 10—20 г для лучшего расплавления и взаимодействия с алюминатом натрия. Происходит образование стекломассы с увели чением вязкости и снижением электропро- ₃₅ водности, что, в свою очередь, приводит К снижению эффективности индуктивного нагрева. Поэтому для поддержания темпе— ратуры расплава режим генератора необходимо форсировать.

По мере увеличения вязкости расплава с увеличением содержания кремнезема по высоте ванны возникает градиент концентрации, приводящий к тому, что верхняя часть ванны начинает остывать. Конвективного и электродинамического перемешивания оказывается не достаточно. Для гомогенизации расплава принудительным перемешиванием использована мешалка 5 (фиг. 5).

После осветления при перегреве до 1700°С стекло остужают до 800° С. При этой температуре блок вынимают из тиг ля и помещают в отжиговую печь. Общий цикл варки составляет 3 ч. В результате получен блок Стекла массой около 1,0 кг.

Химический состав полученного стекла приведен в таблице.

Компонент	Состав, мас.%
по синтезу	по анализу
SiOs.	43,5	44,0
	29,1	29,3
N02.0	26,9	26,7
Осветлитель	0,5	-

Из таблицы видно, что содержание окисла щелочного металла Nd изменилось лишь на 0,2%, что укладывается в требования отраслевой нормали.

Использование предлагаемого способа варки тугоплавких стекол обеспечивает возможность получения оптических стекол с малым поглощением и рассеиванием света. Такие стекла являются материалом для производства оптического волокна.

Claims (2)

1. (54) СПОСОБ ВАРКИ ТУГОПЛАВКИХ СТЕКОЛ И ИНДУКЦИОННАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ВАРКИ ТУГОПЛАВКИХ СТЕКОЛ Изобретение относитс  к промышлен ности строительных материалов, в частности к технологии электросварки чистых тугоплавких стекол с температурой варки выше . Известен способ электросварки стекол в печах-ваннах с керамической футеровкой , с пр мым вводом электрического тока в расплав и нагревом его за счет джо улева тепла . Недостатками известных способа и устройства дл  его реализации  вл ютс : наличие контакта высокотемпературного и химически активного расплава с огнеупо ром футеровки и растворение последнего в расплаве;  влени  электролиза на поверхности электродов, подвод щих ток к расплаву, эрози  электродов и загр знение расплава продуктами эрозии. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  способ варки тугоплавких стекол путем стартового нагрева и расплавлени  одного или нескольких ком- понентов шихты, введени  в расплав остальных компонентов последовательно один за другим по мере расплавлени  предыдущих и изменени  температуры расплава в соответствии с изменением температуры ликвидуса образующейс  системы окислов 2 J. Однако применение этого способа ограничено варкой бесщелочных стекол. Стекла , содержащие окислы щелочных металлов ( j4 , NcS , К), варить таким способом нельз , поскольку трудно выдержать требуемый химический состав. Происходит это потому, что легкоплавкие и легколе- тучие окислы щелочных металлов испар ютс  полностью или частично при введении в высокотемпературные расплавы исходных компонентов. В то же врем  требовани  к химическому составу стекол очень жесткие. В частности, отклонение химического составва по синтезу допускаетс  в пределах O,l±fO,2%. 3.87 Другим недостатком способа  вл етс  метод стартового нагрева исходной шихты , заключающийс  в экзотермической реакции окислени  сжиганием металлического алюмини , который ввод т в шихту и греют индукционно. При таком стартовом нагреве шихты, содержащей окислы ш.елоч- ных металлов, высока  температура процесса сжигани  служит причиной испарени  этих окислов и также приводит к нарушению химической формулы стекла. Дл  осуществлени  способа примен етс  ивдукционна  печь дл  варки тугоплавких стекол, включающа  индуктор, разрезной металлический водоохлаждаемый тигель и размещенный в тигле нагревательный элемент L2J. Недостаток устройства заключаетс  в использовании известного нагревател  дл  стартового нагрева в виде платинового блока . В случае варки стекол это приводит к загр знению расплава растворенной платиной . Кроме того, нагреватели из драгоценных металлов очень дорогие и дефицитные . Цель изобретени  - уменьшение улетучивани  щелочных металлов. Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно способу варки тугоплавких стекол путем стартового нагрева и расправлени  одного или нескольких компонентов шихты, введени  в расплав остальных компонентов последовательно один за другим по мере расплавлени  предыдущих и изменени  температуры расплава в соответствии с изменением температуры ликвидуса образующейс  системы окислов стартовому нагреву и расплавлению подве гают шелочные окислы, а остальные компоненты ввод т в расплав в последовател ности соответствующей посто нно возрастающей температуре ликвидуса, причём по следним ввод т кремнезем, При этом в индукционной печи дл  варки тугоплавких стекол, включающей индуктор, разрезной металлический водоохлаждаемый тигель и размещенный в тигле нагревательный элемент, последний выполнен в виде запа нного в кварцевую ампулу низкоом- I ного кремни . На фиг. 1 изображена схема индукционной печи с холодным тиглем дл  варки стекла перед включением нагрева; на фиг. 2 - процедура стартового расплавлени  легкоплавкого компонента щихты с нагревом от нагревател ; на фиг. 3 - про цедура индукционной плавки легкоплавкого компонента без действи  нагревател ; ).на фиг. 4 последовательное введение в 5 анну остальных компонентов и.шхты; на иг. 5 - завершающа  процедура варки - омогенизаци  и осветление стекла. Устройство содержит металлический одоохлаждаемый тигель 1, разрезанный а вертикальные секции, нагреватель дл  стартового нагрева 2, кварцевую ампулу 3 с ручкой, индуктор 4. Реализаци  способа приведена на примере варки стекла типа крон следующего состава, мас.%: АИ/ , S-JO 50, Ма,0 30. В металлический водоохлаждаемый тигель 1 диаметром 100 мм помещают нагреватель стартового нагрева. Нагреватель 2 представл ет собой стержень длиной 100 мм и диаметром 25 мм, вырезанный из монокристалла легированного кремни  с удельным сопротивлением 1-0,5 Ом «см. Стержень запа н в кварцевую ампулу 3, чтобы предотвратить окисление кремни  и исключить загр знение им стекла. Ампула 3 имеет длинную ручку дл  манипул ции с нагревателем в про- нессе работы. В тигель вокруг нагревател  засыпают 500 г углекислого натри  NagCOj, дающего после термодиссоциации 292 г Na2p - самого легкоплавкого и легколетучего компонента шихты. Индуктор 4 подключен к ламповому генератору , имеющему рабочую частоту 5,28 МГц и регулируемую выходную мощность 0-60 кВт. После включени  генератора кремниевый стержень 2 разогреваетс  до 1300 С, что контролируют оптическим пирометром и уровней мощности генератора , установленным заранее. Начинаетс  перва  процедура способа - стартовый нагрев и первоначальное расплавлеение самого легкоплавкого компонента-щелочного окисла Газообразные продукты диссоциации Ha,0s, выход т из тигл  и удал ютс  вентил цией. Через 12-15 мин посде включени  генератора бурный ход реакции разложени  заканчиваетс  и в нижней части тигл  формируетс  ванна расплава N а20 (фиг, 2). В этом состо нии нагреватель 2 вынимают из тигл  (фиг. 3) и, регулиру  мощность геустанавливают температуру раснератора . плава в тигле около 1000 С, что на 80 С выше температуры расплавлени  Na2.0 ( и на 350°С ниже температуры его кипени  (135О С). При этом упругость паров невелика, и количество его в тигле измен етс  незначительно против вз того в исходной шихте. Затем начинают следующую процедуру - в тигель засыпают 320 г (фиг.4), 58 что соответствует получению заэвтекти- ческого сплава в системе МалО-|1аА8 О/ с максимальной температурой диквидуса, равной температуре расплава. Температуру расплава в тигле увеличивают по меАС от до ре введени  о 1600 С. Согласно закону Раул  дл  жидких растворов, упругость паров компонентов пр мо пропорциональна мольной доле ком понента в расплаве. Дл  описываемого состава системы М a O-NaAEO мольна  дол  составл ет 0,33, поэтому можно считать, что упругость паров Na над расплавом окислов в тигле при 160CP составл ет 0,33 от давлени  чистого при той же температуре. Следовательно , больша  часть ионов Н а остаетс  в расплаве. Тем самым обеспечиваетс  сохранение химического состава стекла в контрольных пределах. На этих этапах плавки расплав в ти1л представл ет собой проводник с хорошей ионной проводимостью и индукционный нагрев его не представл ет затруднений и осуществл етс  с высоким КГЩ. Регулировкой мощности генератора устанавливают температуру расплава 1650 и после этого начинают завершающую про цедуру - в тигель начинают вводить крем везем (фи1 5). го подают порци ми: по 10-20 г дл  лучшего расплавлени  и взаимодействи  с алюминатом натри . Пр исходит образование стекломассы с увепи чением в зкости и снижением электропроводности , что, в свою очередь, приводит /с снижению эффективности индуктивного нагрева. Поэтому дл  поддержани  температуры расплава режим генератора необходимо форсировать. По мере увеличени  в зкости расплава с увеличением содержани  кремнезема по высоте ванны возникает градиент концентрации , привод щий к тому, что верхн   часть ванны начинает остывать. Конвек тивного и электродинамического перемещивани  оказываетс  не достаточно. Дл  гомогенизации расплава принудительным перемешиванием использована мешалка 5 (фиг. 5). После осветлени  при перегреве до 1700°1С стекло остужают до . При этой температуре блок вынимают из типл  и помещают в отжиговую печь. Общий цикл варки составл ет 3 ч. В результате получен блок Стекла массой около 1,О кг. Химический состав полученного стекла приведен в таблице. 65 Из таблицы видно, что Содержание окисла щелочного металла Nc изменилось лишь на 0,2%, что укладываетс  в требовани  отраслевой нормали. Использование предлагаемого способа варки тугоплавких стекол обеспечивает возможность получени  оптических стекол с малым поглощением и рассеиванием света . Такие стекла  вл ютс  материалом дл  производства оптического волокна. Формула изобретени  1. Способ варки тугоплавких стекол путем стартового нагрева и расплавлени  одного или нескольких компонентов шихты введени  в расплав остальных компонентов последовательно один за другим по мере расплавлени  предыдуишх и изменени  температуры расплава в собтветствии с изменением температуры ликвидуса образующейс  системы окислов, отличающийс  тем, что, с целью уменьшени  улетучивани  щелочных металлов, стартовому нагреву и расплавлению подвергают щелочные окислы, а остальные компоненты ввод т в расплав в последовательности соответствующей посто нно возрастающей температуре ликвидуса, причем последним ввод т кремнезем. i 2. Индукционна  печь дл  варки тугоплавких стекол, включающа  индуктор, разрезной металлический водоохлаждаемый тигель и размещенный в тигле нагревательный элемент, отличаю ща с .  тем, что, с целью уменыпени  улетучивани  шапочных металлов, нагревательный элемент вьшолнен в виде запа нного в 1шарцевую ампупу низкоомного кремни . Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Манвел н М, Г,, Мелик-Ахназар н Аф., Констан н К. А, и др. Электроварка стекла. Ереван, Армгосиздат, 1962;
2. 2.Александров В. И. и др. Получение и некоторые свойства тугоплавких . стекол системы ВхОл-АКс. О-, .1977 , fe 2, изика и хими  стекла, с. 177.

   872465

   К В -2ене разору

   -6

   Ф

   Фиг.

   Фиа

   фие.З

   Фиг