Способ изготовления стеклянных стержней малого диаметра Советский патент 1992 года по МПК C03B17/04 

Изобретение относится к технологии вытягивания стержней из расплавленного стекла, используемых в электронной технике, в частности при соединении элементов магнитных головок для видео- и звукозаписывающих устройств и вычислительной техники.

Последние годы развития отечественной электронной техники отмечены резким ростом производства видео- и звукозаписывающих устройств и вычислительной техники. Соответственно этому очень быстро- на 200-300% в год - увеличивается и потребность в стеклянных стержнях диаметром от Ол07 до 1.0 мм. используемых для формирования рабочих зазоров и других спаев магнитных головок. Насущной задачей технологов-стекольщиков в настоящее время оказывается выявление резервов повышения производительности имеющихся установок для изготовления стеклянных стержней. Рост производства стержней только за счет увеличения количества установок экономически нецелесообразен.

Технологический процесс изготовления стеклянных стержней для спаивания элементов магнитных головок должен характеризоваться стабильностью параметров качества получаемых стержней и высокой производительностью. Стержни не должны содержать кристаллических и газовых включений. Отклонения их диаметра от заданного не должны превышать 5%, не допускается овальность. При вытягивании стержней диаметром 0,6-1.0 мм должна быть обеспечена их прямолинейность (искривленные стержни не могуг 5ь-ть вставлены в соответствующие пазы спаиваемых элементов магнитных головой) Весьма существенным требованием к указанному

XI

О

со со о ел

процессу является также исключение возможности обрыва вытягиваемого стержня в зоне формования у торца формующего элемента плавильного тигля. При обрыве стержня в зоне формования необходимо затратить значительное время, чтобы восстановить процесс (для этого необходимо существенно снизить температуру расплавленного в тигле стекла, дождаться, когда медленно вытекающая из формующего элемента стекломасса вновь образует на его торце каплю - луковицу, и последняя начнет опускаться и тянуть за собой стержень, направить его между вращающимися валками вытяжного устройства, повысить температуру и стабилизировать процесс вытягивания стержня заданного диаметра).

Известен способ изготовления стеклянных стержней, включающий формование стержней из расплава посредством формующего элемента в дне плавильного тигля и их вытягивание. Способ имеет следующие существенные недостатки: не обеспечивает отсутствия в вытягиваемых стержнях кри- сталлических и газовых включений, стабильности размеров поперечного сечения стержня, в частности овальности, не исключает обрыва стержня в зоне формования, характеризуется невысокой производитель- ностью - не более 4500 мм3/час стержней диаметром 0,07-1,0 мм с допуском, не превышающим ±5%.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления стеклянных стержней, который включает формование стержней из расплава посредством формующего элемента в дне плавильного тигля и их вытягивание с созданием подсоса воздуха в зону формования у торца формующего элемента и в жаровое пространство печи. Используемый в нем подсос воздуха в зону формования позволяет уменьшить опасность обрыва вытягиваемого стержня за счет снижения температуры луковицы и све- ста к минимуму процессы образования кри- сталлических и газовых включений в стекломассе, находящейся в плавильном тигле, за счет создания тока воздуха над поверхностью расплава, способствующего благоприятному изменению состава газовой среды в жаровом пространстве печи. Окислительная газовая среда над расплавленным стеклом препятствует восстановлению отдельных его компонентов, особенно оксидов элементов переменной валентности, и значительно снижает интенсивность селективного улетучивания компонентов .стекла с поверхности расплава, что сводит

к минимуму образование кристаллов и газо- РЫХ пузырьков в стекломассе.

Однако этот способ имеет существенные недостатки: при его использовании для вытягивания стержней диаметром 0,07-1,0 мм с допуском на размеры поперечного сечения не более ±5% от заданного диаметра имеет место недостаточно высокий выход годных -45-60%; это обстоятельство, а также сравнительно малая скорость вытягивания стержня, характерная для рассматриваемого способа, обуславливают невысокую производительность процесса, не превышающую 5000 мм3/час годных стержней; не исключается овальность вытягиваемого стержня и его обрыв в зоне формования; при вытягивании стержней диаметром 0,6-1,0 мм не обеспечивается их прямолинейность.

Целью изобретения является повышение качества стержней и производительности процесса. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления стеклянных стержней малого диаметра путем вытягивания через формующий элемент в дне плавильного тигля и одновременного подсоса воздуха в зону формования у торца формующего элемента и в жаровое пространсгво печи, в нижней части тигля между торцом формующего элемента и нижней границей зоны максимальной температуры создают градиент температур, равный 2,7-3.3°С/мм, при соотношении значений температуры у торца формующего элемента и б зоне максимальной температуры в пределах 0,76-0,84, причем через все пространство внутри формующего элемента расплав пропускают с одинаковой скоростью при продолжительности нахождения в этом пространстве каждой части протекающего через него расплава, равной 0,5-3 мин.

На чертеже приведен эскиз установки для вытягивания стеклянных стержней, продольный разрез.

Тигель 1 с формующим элементом-патрубком 2 заполняют стеклом и помещают в жаровое пространство вертикальной трубчатой печи на огнеупорную подставку 3. С помощью нагревателя 4 в верхней части жарового пространства печи, ограниченной на рисунке уровнями А и Б, формируют так называемую зону максимальной температуры с практически нулевым градиентом. В пространстве же между уровнями Б и В, т.е. между нижней границей зоны максимальной температуры и торцом формующего элемента 2,создают указанный выше градиент температур. В подставке 3 вырезаны сквозные каналы 5, соединяющие жаровое

прог, ранство с атмосферой з зоне формования, создаваемой между уровнями В и Г (см. рисунок) под торцом формующего элемента. Печь разогревают с помощью нагревателя А и при этом создают подсос воздуха в зону формования и в жаровое пространство печи посредством каналов 5 за счет естественной конвенции. / Медленно вытекающее из патрубка расплавленное стекло в виде капли, тянущей за собой стержень, заправляют между вращающимися валками 6 вытяжного устройства и, регулируя температуру в печи и скорость вращения валков, следовательно, и скорость вытягивания стержня 7, осуществляют процесс.

Расчет конкретных параметров предлагаемого способа изготовления стержней, составляющих предмет изобретения и приведенных в таблице, производят следующим образом, причем в этих примерах произвольно выбраны стекла с различной температурой растекания следующих марок: СМГЗ-108/1 (ПЯО.027.002 ТУ) СМГК- 94/1 (ЛЯО.027.009 ТУ), СМГ-107/1 (ПЯ0.027.006ТУ)и СМГК-97/1 (ПЯО.027.000 ТУ). С учетом свойств стекла и заданного диаметра стержня выбирают ориентировочное значение скорости вытягивания и вычисляют расход потока стекломассы, проходящей через патрубок, как произведение площади поперечного сечения стержня на скорость его вытягивания, затем - объем внутреннего пространства патрубка как произведение оптимальной продолжительности прохождения всего внутреннего пространства патрубка каждой мастью расплава на расход потока стекломассы, проходящей через патрубок, а также внутренний диаметр патрубка и его длину. Далее с учетом свойств стекла выбирают значение температуры у торца патрубка (уровень В, см. рисунок) и оптимальную величину соотношения температур у торца патрубка и в зоне максимальной температуры, и, разделив первую величину на вторую, находят значение максимальной температуры в тигле. Наконец, из соотношения значения разности температур в этих двух зонах и выбранной с учетом свойств стекла величины градиента температур в нижней части тигля, определяют расстояние между торцом патрубка и нижней границей Б (см. ри- сунрк) зоны максимальной температуры, которая распространяется в печи на всю верхнюю часть тигля, не изменяясь.

С помощью нагревателя 4 и подбором высоты подставки 3 создают рассчитанное распределение температур в нижней части

тиглл с определенными указанным способом размерами патрубка.

Обычно создание градиента температур в нижней части тигля и соответствующее 5 охлаждение стекломассы у торца патрубка, предпринимаемое для снижения опасности обрыва стержня в зоне формования, приводит к существенному снижению производительности процесса вытягивания стержней. 10 Если же с целью сохранения уровня производительности процесса понижение температуры в зоне формования компенсируют увеличением внутреннего диаметра патрубка, в большом числе случаев получают стер- 15 жни овального и даже пластинчатого профиля. Это обусловлено нарушением оптимального соотношения между скоростью истечения стекломассы через отверстие в формующем элементе и накопления ее на 0 торце этого элемента в виде постоянно свисающей капли - луковицы 8 (см. рисунок), с одной стороны, и скоростью отбора стек- % ломассы из луковицы, с другой стороны. При увеличении скорости вытягивания лу- 5 ковица исчезает,, место отбора стекломассы смещается к внутренней стенке патрубка, в результате профиль стержня становится сплюснутым и непригодным для спаивания элементов магнитных головок. 0 Обычно и увеличение продолжительности прохождения расплавом пространства внутри патрубка, реализуемое увеличением длины последнего (при этом увеличивается сопротивление движению стекломассы в 5 патрубке), также приводит к снижению производительности процесса вытягивания стержня и к указанному нежелательному изменению профиля его поперечного сечения. Только в том случае, когда на торце патруб- 0 ка во время вытягивания стержня постоянно висит луковица стекломассы, могут быть получены стержни круглого профиля. В ходе проведенного исследования выявился неожиданный положительный эф- 5 фект предлагаемого сочетания градиента температур в нижней части тигля и кинетических характеристик течения стекломассы внутри патрубка тигля - распределения значений скорости течения стекломассы по его 0 поперечному сечению и продолжительности прохождения каждой частью расплава через этот элемент тигля, определяющих выбор формы и размеров патрубка. Предлагаемое сочетание параметров процесса со- 5 здает благоприятные условия подготовки расплава стекла к формованию стержня по мере приближения к патрубку. Указанное снижение температуры по ходу движения расплава способствует поглощению им мел- ких пузырьков, ранее неуспевших подняться к поверхности расплава и выйти в атмосферу, сводит к минимуму возможность отрыва вытягиваемого стержня от луковицы. И несмотря на это снижение температуры, предложенное сочетание параметров процесса вытягивания позволяет неожиданно резко повысить его производительность.

Благоприятный ход процесса вытягивания стержней нарушается, если градиент температур в нижней части тигля между торцом формующего элемента и нижней границей зоны максимальной температуры оказывается как меньше 2,7°С/мм, так и больше 3,3 °С/мм. В первом случае указанный положительный эффект от снижения температуры не проявляется, во втором - существенно снижается производительность процесса.

Соотношение значений температуры в зоне формования к торцу формующего элемента и в зоне максимальной температуры определяет выбор оптимального расстояния между этими зонами и само значение максимальной температуры в тигле. Если это соотношение меньше 0,76, то, с одной стороны, существенно снижается производительность процесса - при уменьшении температуры у торца патрубка и, с другой стороны - при увеличении максимальной температуры - заметно увеличивается интенсивность селективного улетучивания компонентов расплавленного стекла, что приводит к неблагоприятному изменению его свойств. Увеличение этого соотношения сверх 0,84 приводит к обрыву вытягиваемого стержня.

Необходимым условием стабильности процесса вытягивания является одинаковая скорость движения расплава внутри формующего элемента в каждой части его пространства. Это предполагает одинаковое сопротивление движению стекломассы по всей длине патрубка. Этим же создается предпосылка для обеспечения возможности сочетания стабильности процесса с резким повышением его производительности. Несоблюдение указанного условия приводит к отрыву вытягиваемого стержня от луковицы или к снижению производительности.

Сочетание стабильности процесса вытягивания (исключение отрыва стержня от луковицы и колебаний его диаметра) и резкого повышения производительности этого процесса достигается при указанной выше продолжительности нахождения в пространстве внутри формующего элемента каждой части протекающего через него рас- riaea, определяющей общее оптимальное сопротивление движению стекломассы в

патрубке и выбор размеров последнего. Снижение этой продолжительности менее 0,5 мин приводит к отрыву вытягиваемого стержня от луковицы или к резким колебаниям диаметра стержня, увеличение сверх

3,0 мин - к существенному снижению производительности процесса.

Выход годных стержней диаметром от 0,07 до 0,30 мм при их изготовлении предлагаемым способом составляет 90%. способом по прототипу 3-60%, стержней диаметром от 0,31 до 1,0 мм, соответственно 80 и 45%.

Максимальная производительность технологического процесса изготовления

стэржней (диаметром 0.70 мм из стекла СМГК-94/1, см. таблицу) по предлагаемому способу при выходе годных 80% составляет 732.60.0,8 35136 мм3/ч годных стержней, способом по прототипу при выходе годных

45% - 5000.0,45 2250 мм3/ч годных стержней.

При вытягивании наиболее широко использующихся стержней диаметром 0,20 мм предлагаемым способом производительность при выходе годных 90% составляет 122,4.60.0,9 6609.6 мм3/ч годных стержней (например, из стекла СМГЗ-108/1, см. таблицу), а по прототипу при выходе годных 60% - 2500.0.6 - 1500 мм3/ч.

Формула изобретения

Способ изготовления стеклянных стержней малого диаметра путем вытягивания через формующий элемент в дне плавильного тигля и одновременного подсоса воздуха

в зону формования у торца формующего элемента и в жаровое пространство печи, о тлича ющийся тем, что, с целью повышения качества стержней и производительности процесса, в нижней части тигля

между торцом формующего элемента и нижней границей зоны максимальной температуры создают градиент температур 2,7- 3,3°С/мм при отношении значений температуры у торца формующего элемента

и в зоне максимальной температуры в пределах 0,76-0,84, причем через все пространство внутри формующего элемента расплав пропускают с одинаковой скоростью при продолжительности нахождения в этом пространстве каждой части протекающего через него расплава 0,5-3 мин.

патрубок, им /мин}Ц,812Z,|732588V71

6Продолжительность нахождения каждой части

расплааа «и/три патрубка при истечении, мин1,01.750,50,610,78

7Объем аиутреннего пространства патрубка, им ю«2143 736)369

8Внутренний диаметр патрубка, мм3,24,56,06,06,0

9Длина патрубка, ни{2,913,513,012,8П.О

10Температура у торца патрубка,С590S2J490СЮ415

11Максимальная температура тигпв, С72076$(20762$Ь$

12Соотношение температур у торца патрубка

и эоне максимальной температуры0,820,810,790,,76

13Градиент температур а нижней части тигли манду торцом патрубка и нижней границей эонм

Сущность изобретения: формуют стержни из расплава посредством формующего элемента в дне плавильного тигля. Вытягивают с созданием подсоса воздуха в зону формования у торца формующего элемента и в жаровое пространство печи. Во время процесса в нижней части тигля между торцом формующего элемента и нижней границей зоны максимальной температуры создают градиент температур, равный 2,7- 3,3°С/мм. При этом соотношение значений температуры у торца формующего элемента и в зоне максимальной температуры сохраняют в пределах 0,76-0,84. А через все пространство внутри формующего элемента расплав пропускают с одинаковой скоростью при продолжительности нахождения в этом пространстве каждой части протекающего через него расплава, равной 0,5-3 мин. 1 табл., 1 ил.i л