Введение к работе
т-ч'.'О Актуальность работы, научное направление. Начало системати-ческин исследования» физико-хкмии процессов взаимодействия стекломассы с металлическими расплавами в ИПМ и*. И.Н.Францевича АН Украины положило в 1967 году Распоряжение No 237 Президента Академии. В ней предписывалось оказывать научную поддержку и сопровождение работам, развернувшимся на заводе "Автостекло"по созданию первых на Украине промышленных линий по производству листового термически полированного стекла (ЛТПС) формованием непрерывного потока стекломассы по поверхности расплава олова (так называемый "флоат-процесс"[1])
К началу выполнения описываемого в данной работе цикла исследований отсутствовали систематические исследования процессов межфазного взаимодействия в системе стекломасса - расплав олова -защитная газовая среда (ЗГС)[2]. Во многом оставалась неясной роль в этих процессах кислорода, растворяющегося в стекломассе на стадии стекловарения. Не существовало надежных методов моделирования самого процесса формования ЛТПС при охлаждении потока стекломассы по" мере его продвижения по поверхности расплава олова, в том числе с учетом теплообмена. Это, в сво» очередь, не давало возможности количественно описать изменение во времени температуры межфазной границы и размеров каждого из сегментов потока стекломассы как параметров, оказывающих непосредственное влияние на процессы межфазного взаимодействия в системе. Таким образом, не были разработаны основы физико-хинии процесса формования ЛТПС, что сдерживало развитие работ по его совершенствованию, мешало , построению оптимальных алгоритмов автоматического управления этик непрерывным технологическим процессом.
Это показывает актуальность проблем физико-химии процессов, протекающих при форковании ЛТПС на поверхности металлического расплава, как научной основы создания эффективных автоматизированных технологических комплексов производства флоат-стекла.
Цели и задачи работы. Цепь работы - создание системы физи-<о-химических. моделей процессов, протекающих при формовании
листового термически полированного стекла на поверхности металлического расплава, с учетом влияния совокупности физико-химических, тепловых и механических факторов на характеристики готовой продукции, как научной базы повышения экономической эффективности производства ЛТПС.
Для достижения поставленной цели требовалось:
-
Провести систематические исследования процессов межфазного взаимодействия жидкой стекломассы с расплавом олова или его сплавами с элементами группы железа в ЗГС различного состава, изучая распределение олова"(в том числе с учетом его валентного состояния) в стекломассе у поверхности раздела с металлическим расплавом.
-
Определить влияние температуры и химического состава защитной газовой среды на параметры массопереноса олова из его расплава в стекломассу.
* 3. Изучить кассоперенос кислорода в системах стекломасса -расплав олова или стекломасса - газовая среда, взаимодействие кислорода, растворенного в стекломассе и диффундирующего к межфазной поверхности последней с расплавом олова, со встречным потоком от этой поверхности ионов двухвалентного олова.
-
Исследовать влияние поверхностных сил, гравитации и силы вытягивания на скорость и геометрию потока стекломассы по поверхности металлического расплава в технологическом процессе формования ЛТПС в неоднородном поле температур, с учетом процессов теплообмена в системе: свод и дно ванны расплава - защитная газовая среда - жидкая стекломасса - металлический расплав.
-
Создать систему математических моделей формования ЛТПС с учетом одновременного действия всех перечисленных выше физико-химических и теплофкзкческих факторов как научную основу оптимизации и автоматизации технологии производства ЛТПС для широкого спектра технологических параметров и ассортимента продукции. В
ТаКОЙ форне ПОДГОТОВИТЬ УСЛОВИЯ ДЛЯ ПОСТроеНИЯ ЭКСПерТНОЙ CKClSMbt
[3], ориентированной на указанную технологию.
Для реализации отой программы требовалось использовать или заново разработать комплекс методов физико-химического исследования и машинного моделирования высокотемпературных процессов.
Результаты исследований по этой программе послужили основой ;оздания системы физико-химических моделей процесса формования ІЇТПС на поверхности металлического расплава и массообмена в зоне кежфазкых границ при формовании.
Научная новизна работы. Впервые установлено влияние температуры и Роа в ЗГС на параметры распределения олова в слитках стекломассы после термообработки их в контакте с расплавами на основе элова. Глубина диффузионной зоны и содержание олова на сопоставимых расстояниях от границы раздела с металлическим расплавом эастут при увеличении Ро2 и температуры термообработки, Т. Однако три Ро2< 1 пПа с повышением Т имеет место падение содержания олова у межфазной границы. С применением компьютерного моделирования троцесса массопереноса олова в стекломассе установлено, что это явление обусловлено одновременным действием кинетических и термодинамических факторов.'
Впервые изучена температурная зависимость подвижности, Do, и :одержанкя. Со, кислорода, растворенного физически в натрий-кальциевой силикатной стекломассе в интервале температур фор-іования флоат-стекла (1270 - 1020 К). Установлено, что температурная зависимость Do описывается законом Аррениуса с кажущейся энергией активации Е = 136 кДж/моль, а величина Со = 39,8 моль/к3 і практически не зависит от температуры.
Обнаружено немонотонное распределение олова в образцах ЛТПС <алой толщины, которое обусловлено массопереносом олова в ленту :текла из металлического расплава с вкладом реакции окисления двухвалентного олова в пределах диффузионной зоны кислородом, эаствореннык в стекломассе.
Впервые экспериментально установлено и подвергнуто термодинамическому анализу различие во влиянии небольших примесей желе-га, кобальта и никеля в расплаве на основе олова на параметры троцесса проникновения ионов олова в стекломассу. Показано, что іринеси железа блокируют процесс проникновения ионов олова в :текломассу из-за относительно большого изменения свободной энергии Гиббса при взаимодействии этих примесей с окислителями на <ежфазной границе металлического расплава со стекломассой.
На основе уточненной одномерной модели процесса формования флоат-стекла установлена корреляция контролируемых технологических параметров процесса формования ЛТПС и размеров ленты стек-па, даны рекомендации по тонкому регулированию процесса.
Практическая значимость результатов работы. В процессе выполнения работы разработана простая методика расчета^ функциональной связи расхода стекломассы на стекловаренных печах непрерывного действия с положением, дозирующего шибера и температурой стекломассы в выработочном канале стекловаренной печи непрерывного действия, пригодная для использования в алгоритмах управления процессом производства ЛГПС.
Значительно повышена точность машинного моделирования процессов, протекающих при выработке ЛТПС в различных вариантах технологического режима (в том числе при выработке ленты с толщиной, значительно отличающейся от равновесной - примерно 6,5 км). Этого удалось добиться разработкой варианта однокерной модели процесса формования ЛТПС с учетом теплообнена в системе: свод и дно ванны расплава - газовая, среда - жидкая стекломасса - расплав олова. Эта модель использовалась в ГосННИСтекла (г.Москва) при подготовке исходных данных на проектирование первой в мировой практике линии производства ЛТПС, окрашенного в массе.
Указанные методики и модели в совокупности, с разработанной нами моделью реакционной диффузии олова и кислорода в стекломассе вошли в число факторов, на основе которых было принято решение о создании первого в отечественной стекольной промышленности автоматизированного технологического комплекса (АТК) производства листового стекла утолщенных номиналс-в в составе ПО "Автостекло". Разработанная в процессе выполнения работы система контроля активности кислорода в ЗГС и расплаве металла введена в состав схемы контрольно-измерительных приборов и устройств АТК с подключением к устройству сбора первичной информации главного процессора ЭВМ этого комплекса. В настоящее время указанная система используется на ПО "Автостекло" (г.Константиновна) для текущего контроля и совершенствования технологического процесса выработки ЛТПС.
Накопленный в процессе выполнения работы материал делает ре-
- 5 -альной постановку задачи создания экспертной системы [3] по проектированию, автоматизации и оптимизации технологического процесса выработки ЛГПС, который по объёму продукции займет главенствующее положение в стекольной промышленности страны.
Все работы по теме диссертации проводились в соответствии с решениями директивных органов, по разделам тематического плана ИПН АН УССР и хозяйственным договорам.
На защиту, выносятся следующие основные положения:
-
Закономерности влияния температуры, активности кислорода в защитных газовых средах и присадок элементов группы железа в металлическом расплаве на паракетры процесса кзссопереноса олова в стекломассу.
-
Зависимость подвижности и содержания в стекломассе растворенного кислорода от тенпературы, а.также концентрации примесей эленентов переменной валентности.
-
Эффект контроля реакционной диффузией процесса массопере-носа в стекломассе растворенного кислорода и ионов олова при формовании листового термически полированного стекла на поверхности расплава олова.
-
Коэффициенты влияния контролируемых.технологических параметров процесса формования ЛТП.С на размеры готовой продукции.
-
Развитие средств контроля технологического процесса производства листового термически полированного стекла путем создания САРК - автоматизированной системы регистрации активности кислорода в расплаве олова и защитной газовой среде на линиях производства листового'термически полированного стекла.
Совокупность этих основных положений и конкретных экспериментальных результатов, полученных в работе, позволяет квалифицировать настоящее исследование как новое крупное достижение в развитии перспективного и актуального научного направления физической химии: физико-химические основы взаимодействия оксидных и металлических расплавов применительно к процессам, протекающим при производстве листового термически полированного стекла.
- 6 -Апробация работы. Материалы диссертации были доложены в виде оригинальных и обзорных докладов и обсуждены на совещаниях и конференциях: V Всесоюзной конференции по поверхностный явлениян 3 расплавах (Киев, /1971); II Всесоюзном совещании "Новые физические методы исследования строения неорганических материалов" (Обнинск, 1976) ; VII Всесоюзной конференции по поверхностным явлениям в расплавах {Грозный, 1976); Республиканской семинаре "Оптимизация режимов термической обработки стекол" (Киев, 1979); IV Всесоюзной конференции по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов (Свердловск, 1980); VIII Всесоюзной-конференции по поверхностный явлениям в расплавах и твердых фазах (Киржач, 1980); IX Всесоюзной конференции по поверхностным явлениям в расплавах и пайке материалов (Николаев, 1982); II Всесоюзной конференции ''Научно-технический прогресс в производстве стекла" (Москва, 1983); Республиканской семинаре "Энерго- и трудосберегающие технологии и, устройства в производстве стекла" (Киев, 1985); X Всесоюзной конференции "Поверхностные свойства расплавов и твердых тел на различных границах раздела к применение в материаловедении'! (Ккржач, 1986); VI Всесоюзной конференции по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов (Свердловск, 1986); IX Всесоюзной конференции по физической химии и электрохимии (Свердловск, 1987); IV Всесоюзной школе-семинаре "Поверхностные явления в расплавах и дисперсных системах" (Грозный, 198В); Всесоюзной конференции "Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении" (Белгород, 1989) ; XV International congress on glass (Leningrad, 1989); Уральской конференции по. высокотемпературной физической химии и электрохимии (Свердловск, 1989); III Межреспубликанской школе-семинаре "Научпркбор-90" (Судак, 1990); Межреспубликанском семинаре "Автоматизация в стекольной промышленности" (Киев, 1990); XI Всесоюзной конференции "Поверхностные явления в расплавах и технологиях новых материалов" (Киев, 1991); Всесоюзной конференции "Физико-химические проблемы материалов'едения и новые технологии"(Белгород, 1991) .
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 28 работ, в том числе 3 авторских свидетельства и 2 главы в монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глаз, заключения с основными выводами и библиографии. В приложении приведены некоторые первичные экспериментальные данные, структурные схемы и листинги программ управления экспериментом, обработки опытных данных и машинного моделирования процессов в высокотемпературных системах.
