池窑拉丝漏板制造方法及发展方向.doc

池窑拉丝漏板制造方法及发展方向杨兴无,等:池窑拉丝漏板制造方法及发展方向Fiberglass应用与交流池窑拉丝漏板制造方法及发展方向杨兴无,李小甫(中材科技股份有限公司,南京210012)摘要:介绍了池窑拉丝漏板需求和特点,并在此基础上着重对现行池窑拉丝漏板结构和特点,漏板材料的要求,漏板制造方法等方面的技术及工艺进行分析,介绍了池窑拉丝漏板加工技术的进展,并提出池窑拉丝漏板未来的制造方法及发展方向.关键词:池窑拉丝;漏板;制造方法;发展方向DIRECT_MEIBUSHINGFABRICAT10NMETH0DSANDDEVEL0PINGDIRECTIoNYANGXingwu,LIXiaopu(SinomaScience&TechnologyCo.Ltd,Nanjing210012)Abstract.Therequirementsandfeaturesofdirect-meltbushingsarestated,basedonwhichthestructureandfeaturesofcurrentdirect-meltbushings,bushingmaterialspecificationandbushingfabricationmethodsarediscussed,theadvanceoffabricationtechnologiesintroducedandthefuturalfabricationmethodsanddevelopingdirectionpredicted.Keywords.direct-meltprocessfordrawingglassfibers;bushing;fabricationmethod;developingdirectionO前言漏板是玻璃纤维生产中主要装置之一,形状类似于底板有嘴孔的槽形容器,在拉丝过程中熔融玻璃流入漏板,漏板自身通过电流发热将玻璃液调制到适宜温度并维持足够均匀的温度分布,玻璃液从底板上的漏嘴流出,在出口处被高速旋转的拉丝机收稿日期:20060418修改日期:20070402作者简介:杨兴无,男,1957年生,中材科技股份有限公司复合过滤材料事业部副总经理,教授级高级工程师.拉伸为连续玻璃纤维丝.要使拉丝作业稳定,纤维直径均匀,就必须有良好设计和精心制造的漏板.除应满足拉丝工艺作业性能要求外,还要求漏板在1200左右的高温下有较长的使用时间,漏板本身的结构尺寸能保持稳定,不易变形,漏板材料能长期耐受高温玻璃液的侵蚀和冲刷.我国玻璃纤维自进入工业化以来,所采用的成形工艺总的分为球法坩埚拉丝和池窑法直接拉丝两大类.随着国内玻纤工业综合技术水平的提高和市场需求的拉动,池窑拉丝生产迅速发展,2006年中国大陆玻璃纤维总产量达lJll6万t,同比增长22.1%,玻璃纤维2007年第3期21应用与交流Fglass杨兴无,等:池窑拉丝漏板制造方法及发展方向其中先进的池窑拉丝玻纤产量为89万t,占总产量的76.8%.池窑拉丝和玻纤制品应用的不断开发,促进了大型池窑漏板制造技术的发展,而池窑漏板制造技术的不断完善又促进了池窑拉丝效率的提高.随着国家八五技术攻关和产业化研究,我国漏板加工技术水平和产能有了很大提高,中材科技等企业漏板的产品规格和质量已能满足各类用户的需要,并且能够批量生产高性能池窑用8004000孔大漏板.但与此同时,国际漏板生产技术发展很快,国内漏板生产综合配套技术与其相比仍有一定差距.1漏板结构与设计漏板是拉丝工艺的心脏,漏板结构的合理与否直接关系到底板温度分布和漏板变形,进而影响拉丝作业的稳定和漏板使用寿命.漏板设计应使底板温度分布均匀,一般要求漏嘴范围内最大温差为5左右;同时要使底板高温蠕变变形小,一般要求一个使用周期内变形量不大于35mm.漏板由昂贵的铂合金制作,设计中还应考虑节省铂合金.漏板的有些部位可以根据计算进行设计,而更多是需要靠经验进行.1.1漏板结构漏板一般分为球法坩埚拉丝漏板和池窑直接拉丝漏板两大类,前者适合于全铂坩埚,代铂坩埚和组合炉拉丝,漏板孔数一般为100600孔:后者适合于池窑拉丝,漏板孔数在8006ooo1,随着我国玻璃纤维工业的发展和生产技术水平的提高,具有高效率,低成本和良好质量等特点的池窑拉丝技术蓬勃发展,对密排多孔大漏板的需求必将持续稳定地增加.原料,品种,生产率,铂金占用量和拉丝工艺等作业条件不同,漏板结构也会有所不同,一般漏板结构组成见图1,图2和图3分别为加工完成的800孔漏板和2oooL漏板.1.2池窑拉丝漏板的特点玻璃纤维2007年第3期22卜堵头;2-:bll强筋;3一底板;4一电极:5一侧壁:6一漏嘴;7一滤网;8一法兰图1漏板各部位示意图图28001.漏板图3200071.漏椒池窑拉丝漏板是玻璃成型的重要部件之一,它对作业稳定性和原丝质量有很大影响.与中小漏板相比,池窑漏板有如下特点:(1)漏板体积大,孔数多,质量重.漏板底板长度一般在400mm以上,漏板的孔数一般为8004oooL甚至6ooo1,质量一般在2kg以上;(2)由于漏嘴较短(3.5mm左右),且排列密度增加,为了保证拉丝产量和作业稳定,一般采用横向插片等方式使丝根冷却,同时须避免冷却片与铂材料接触而中毒.这对漏嘴内径,漏嘴排列组距,嘴板平整度等尺寸偏差和精度提出了较高的杨兴无,等:池窑拉丝漏板制造方法及发展方向要求,因而加工难度大;(3)结构较复杂,滤网,拖环,拉筋等辅助部件较多,焊接变形大;(4)嘴板长宽比较大(一般在8:1以上),使用时漏板高温应力及蠕变变形较大(温度为10001500时,应力达140MPa).2漏板材料2.1漏板材料的要求漏板的使用工作温度为1200左右,工作环境处于高温氧化和玻璃液侵蚀的状态,正常的拉丝作业又需要漏板尽可能长期保持良好的尺寸稳定性和导电性,此外材料的选择还受到其机加工性能,经济性等因素的制约,因此漏板材料大体上应具备如下要求:(1)具有适宜拉丝的导电性和导热性且热电性能稳定.(2)具有较高的熔点,较高的高温强度和较好的抗蠕变能力.(3)具有较好的高温抗氧化性和化学稳定性.(4)具有较强的抗熔融玻璃或融盐等的侵蚀性能.(5)具有良好的延展性和可焊性,易于加工成型.(6)易于回收,可循环使用,使用和回收损耗低.(7)质量和性能接近情况下,制造和使用成本尽可能低,具有良好的性价比.2.2常用漏板材料2.2.1铂铑合金在漏板材料的选择上经历了长时间的研究和探索,至今为止仍只有铂铑合金能在玻璃纤维的生产中得到广泛的使用.陶土和其他耐热合金材料不能耐受高温玻璃液的侵蚀,而用铂铑合金加工的漏板既能耐受高温玻璃液的侵蚀又具有较强的抗蠕变能力.漏板铂材料一般采用添加铑和金与铂形成合金,利用固溶强化效应提高其高温强度和抗蠕变性能,Fglass应用与交流铑含量一般为7%20%,金含量一般控制在5%以下.相对于其他强化方法,该方法强化效果明显,可靠,制作工艺和成本较低.Au的加入降低了玻璃对铂材料表面的润湿性,有助于减少拉丝时的玻璃液漫流现象,提高作业稳定性.但由于Au的熔点相对较低,在高温下的强化作用较弱,所以在漏板制造中应用较少.铂铑合金材料的制造一般要经过配料,熔化,去气(或脱氧),合金化,精炼,浇铸,均匀化退火,锻造等工艺过程.2.2.2弥散强化铂合金高温下铂由于再结晶和晶粒长大而发生软化,强度降低并发生蠕变,限制了铂漏板的高温使用寿命.虽然用加入铑的方法可以提高漏板的高温强度,但当铑的含量超过20%时,这种铂铑合金高温强度继续升高的程度渐渐趋于缓慢.如果进一步添加铑则会影响铂在高温氧化条件下长期使用的结构稳定性,而且随着高温下铑的挥发使合金的晶粒粗化.而高铑合金的工艺性差,机加工困难,加工损耗高,从而提高了漏板的加工成本.经过多年的研制,目前己开发出了既能提高铂合金的高温强度又不致大幅度增加成本的新铂合金材料,这就是弥散强化铂铑合金.所谓弥散强化是指在金属基体(通常是固溶体)中还存在另外的第二相或多相,这些相的存在使金属的强度得到提高.实验表明,弥散的碳化物和氧化物是提高铂和铂合金高温蠕变下能力的最有效的强化相.不溶于基体金属铂,并在接近铂熔点温度下保持稳定的氧化物如钍,钛,铝,钙,铪,镧,铍,钇等金属的氧化物可作为强化相.铂弥散强化的微观机理为:铂基体中均匀分布的细小难熔颗粒阻止了铂在高温和应力作用晶界的位移和晶粒长大,从而提高了材料的高温强度;而蠕变过程是刃型位错攀移所控制的激活过程,弥散粒子强烈地阻碍位错攀移,提高了材料的抗蠕变性能.制造弥散强化铂和铂合金的主要方法有喷射内氧化法,共沉淀法,热机械法和粉末冶金法等.提玻璃纤维2007年第3期23应用与交流Ferglass杨兴无,等:池窑拉丝漏板制造方法及发展方向高弥散强化的效果主要有3种途径:增加材料中第二相含量;获得高度弥散分布的第二相;选用阻力高的硬质点.上世纪70年代以来,英,美,德,日等国家有关机构和公司开展了弥散强化铂的研究并制造出了各种弥散强化铂材料.目前国内外获得较广泛应用的弥散强化铂和铂合金主要有3类:ZGSPt(PtRh),ODSPt(PtRh)及DPHPt(PtRh)等.3漏板的制造方法漏板制造的精度和质量同样是影响玻璃纤维质量,生产率和漏板使用寿命的主要因素.对漏板制造工艺和设备的主要要求是加工精度高,包括漏嘴的孔径,孔高,孔距一致,漏嘴壁厚均匀,内壁光洁,焊缝成形均匀美观,强度高且无渗漏,其他外观尺寸符合图纸要求,材料没有气泡,裂纹,异物夹杂等缺陷.我国的漏板制造长期以来一直采用直管(有缝,无缝)单嘴氢氧焊工艺,且基本上以200400孔以下漏板为主.这种工艺主要问题是漏板制造精度低,漏嘴内孔光洁度差;生产效率低;焊接时漏板热变形严重,影响结构尺寸和漏板使用寿命;不能制造漏嘴高密度排列的漏板.近年来,经过科技攻关,智力引进和技术改造,我国已开发出真空感应熔炼,仿形及数控冲孔,嘴板半自动装配,激光焊嘴板,氩弧焊组装等新的漏板制造技术,已能够生产精度较高的密排多孔大漏板.漏嘴与底板的制造是漏板制造的核心,漏板制造方法的发展在很大程度上取决于嘴板制造技术的发展,下面以嘴板成型为基础,介绍国内外常用的漏板制造方法.3.1底板冲孔和漏嘴冷挤压成型各种分体成型工艺都需分别制造带孔底板和漏嘴,然后再将二者合成漏板.因此首先叙述一下最广泛使用的漏板底板的冲孔和漏嘴的冷挤压成型技术.(1)底板冲孔和漏嘴插入.通常用冲孔或钻孔法在底板上开孔,钻孔法孔型好,底板变形小,但玻璃纤维>2007年第3期24由于效率太低而较少使用.冲孔法因效率高而广为应用,但冲孔过程中产生的应力会使底板弯曲,须将其校平后才能进行下道加工.冲孔过程中底板的长度和宽度都会延伸,使孔的位置移动,特别是多孔漏板的孔间距btd,在冲一个孔的时候会使另一个孔变形.(2)漏嘴的冷挤压成型.这种方法一般用于制作外锥形漏嘴,与以往的漏嘴钻孔方法相比,冷挤压法的工作效率高,不会产生偏心,孔壁厚度均匀,内孔光洁度非常高.与普通的管形漏嘴相比,冷挤压漏嘴带法兰边,焊接发生在法兰边部位,漏嘴主体部分不易受热变形,熔化的金属也不会流入漏孔,可避免漏孔截面减小.3.2嘴板焊接方法3.2.1电子束焊接原理是将插有法兰边漏嘴的底板置于电子束焊机的真空室,利用电子束发生器产生的一股微小电子束投射并覆盖法兰边的外沿和底板的交界处完成嘴板的焊接.因真空焊接,不存在污染问题,此外电子束很窄,热影响区小,可顺利完成密排2oooL以上的漏板.缺点是设备投资较大,焊接成本高,目前已很少使用.3.2.2钎焊原理是在PtRhl0底板和漏嘴之间加一层纯铂垫片钎料,再把组装物放入燃气炉中加热至铂熔点以上,PtRhlO合金熔点以下,如1770i850之间,使铂垫片迅速熔化,即可使漏嘴和底板焊成整体.该方法具有简单易行,嘴板熔接强度高等特点.不足之处是漏嘴,底板和钎料加工及装配较复杂,目前使用也受到一定限制.3.2.3激光焊原理是利用激光焊机产生的高强度激光束直接辐射到带法兰边的漏嘴与底板相接处,通过激光与材料的相互作用,使一部分激光能量转换成热能,从而熔化金属完成密封焊接.由于其能量集中,加热速度快,热影响区小,嘴板焊后变形极小,焊缝窄而均匀,可焊接密排多孔大漏板.杨兴无,等:池窑拉丝漏板制造方法及发展方向3.2.4氢氧焊和氩弧焊氢氧焊为长期使用的漏板焊接方法.其原理是利用氢气与氧气以适当比例混合后,发生化学反应而燃烧所产生的热量加热和熔化金属.其主要装置为氢气,氧气,减压阀,焊机等.该方法具有成本低,使用方便等优点,缺点是热源分散,焊缝宽,热影响区大,焊接变形严重,漏板精度较差等.国内许多漏板生产厂家仍在沿用这一落后的焊接方法制造漏板,因而漏板质量一直难以得到较大提高.氩弧焊作为一种新的焊接方法在嘴板特别是漏板总装焊接方面得到日益广泛的使用.其原理是利用氩气作为保护气体,钨电极与铂合金保持一定距离并通电,由高频脉冲而产生电弧,从而依靠电弧热量加热和熔化铂合金.该方法具有成本较低,操作灵活,焊接变形小,焊缝成型美观,漏板加工质量好等优点,不足之处是焊接变形较大,嘴板等部件焊接时需要解决焊接收缩与变形等问题.3.2.5等静压法其原理为把漏嘴紧密装配好的复合材料漏板放入一金属板或其它材料的容器内,压力传输介质围绕于漏板表面,加热容器并抽真空后密封容器.再把容器置于一等静压室内,进行热等静压或冷等静压处理.最后取出漏板,清除粘附于漏板的压力传输介质.该方法主要用于制造难熔金属(laMo,Cb,W,Re,Ta,Hf,Ti,Cr,v等)和铂铑合金组成的复合材料漏板,这种漏板兼具难熔金属的高温强度和抗蠕变性能,以及铂铑合金的抗氧化,耐玻璃液腐蚀的能力.缺点是材料制备难度大,漏板成本较高,应用较少.3.3整体挤压法原理是将底板坯料置于压机内挤压,压机上模为平面,下模表面上有许多凹孔.压机先将部分材料压人凹孔形成实心凸台,同时坯板厚度则下降至漏板的最终厚度.也可用压辊滚压成形此凸台,然后经过多道冲压作业加工成最终的嘴板.该方法漏Ferglas,应用与交流嘴与底板为整体成形,可制造出更符合玻璃纤维成形规律和良好力学性能的漏嘴形状,从而可制造出使用性能优异的漏板.该方法所具有的诸多优点使其在欧洲等地获得了广泛应用,国内也普遍地使用该方法所加工的漏板.该方法存在制作工艺复杂,模具加工难度较大,对尺寸变化的适应性较差等不足之处.4漏板NT_技术的最新进展及发展方向4.1漏板加工技术的最新进展为了保证紧密排列锥形嘴等漏板最优设计的实现,提高尺寸变化的适应性,在保证质量的前提下提高漏板生产效率,美,英,法,日等国家的一些公司开发了一些新的嘴板生产方法.4.1.1扩散焊扩散焊焊接是一种新颖的焊接技术,它是使两个被焊接零件的配合表面在高温和加压的条件下引起聚结的固态连接方法.这种方法不会引起零件的宏观变形,熔化或零件的相对移动.在两个配合表面之间可用或不用扩散辅助材料(即中间层材料).它具有下述主要特点:可用于需要大面积结合的零部件,层叠构件,中空型构件,多孔性或具有复杂内部通道的构件,封闭型内部结合件以及其它焊接方法可达性差的零部件的制造;焊接为整体加热,构件变形小,尺寸精度高.嘴板扩散焊接原理是采用数控车床加工锥形嘴,数控钻床加工底板孔,然后将漏嘴与底板进行紧密装配,置于真空或惰性气体扩散炉中,在低于铂铑合金基体材料熔化温度下,通过一定的压力作用,使漏嘴和底板表面产生局部塑性变形而达到紧密接触,并通过表层原子间的扩散和键合形成冶金连接过程.该方法具有嘴板变形小,质量稳定,生产效率高等优点.需要注意的是焊接质量对扩散焊装备和工艺条件较敏感,操作不当时会出现个别部位的渗漏缺陷.4.1.2扩散焊+激光焊为了改进普通扩散焊密封性能可靠性不足的缺玻璃纤维2O07年第3期25应用与交流Ferglas杨兴无,等:池窑拉丝漏板制造方法及发展方向陷,日本IIK等厂家在嘴板扩散焊的基础上又添加了一道激光自动焊工艺,确保了嘴板焊接质量,目前该方法加工的漏板在国内得到越来越多的使用.4.1.3锥形嘴激光焊因筒形漏嘴的漏板高温强度等力学性能较差,在拉丝工艺条件出现变化等条件下,有时会出现漏嘴根部渗漏甚至脱落等现象.为此OwensCorning等公司开发出了挤压锥形嘴及嘴板激光焊工艺,在保证漏板具有良好的高温力学等性能的前提下提高了对嘴板尺寸变化的适应性.4.2池窑漏板加工技术的发展方向(1)玻璃纤维工业朝池窑方向发展,池窑正朝着大型化发展.目前全球95%以上的玻璃纤维均采用先进的池窑拉丝,只有一些特殊的玻纤品种仍使用球法拉丝.目前池窑规模在3Ot玻璃/a以下的窑被认为小型池窑,3Oi00t玻璃/a为中,大型池窑,i00t玻璃/a以上的窑为特大型池窑.日产i00t玻璃的大型池窑可配备有i00块16oo$L以上的大型漏板.(2)池窑漏板向多孔,多元素,双底板方向发展.据国外资料报道,工业发达国家的池窑均采用多孔漏板,漏板孔数多为800,1600,2000,4000,目前已发展到6000及8oooSL.近年来,池窑漏板成分除锆,钇外,在铂铑合金中尚可加入钼,钨,铼,铱等.第三种金属元素加入到铂铑合金中去,可以大大提高铂铑合金的化学稳定性,其形成的金属氧化物,比铂铑更加稳定,所以能保持铂铑合金的延展性,减少脆性,便于漏板制造加工,同时还大大改善了漏板的耐高温