В этой главе рассматриваются следующие секторы продукции:

• стекло
• синтетические стекловолокна
• керамика
• Керамическая плитка
• промышленная керамика
• кирпич и плитка
• огнеупоры
• синтетические драгоценные камни
• оптические волокна.

 

Интересно, что большинство этих секторов не только уходят корнями в глубокую древность, но и имеют ряд общих общих процессов. Например, все они основаны на использовании природного сырья в виде порошка или мелких частиц, которые при нагревании превращаются в желаемые продукты. Таким образом, несмотря на широкий спектр процессов и продуктов, включенных в эту группу, эти общие процессы позволяют получить общее представление о потенциальных опасностях для здоровья, связанных с этими отраслями. Поскольку различные производственные сектора состоят как из небольших фрагментированных сегментов (например, производство кирпича), так и из крупных технически сложных производственных предприятий, на которых работают тысячи рабочих, каждый сектор описывается отдельно.

Общие процессы и опасности

При производстве продукции в этих секторах бизнеса возникают общие опасности для здоровья и безопасности. Опасности и меры контроля обсуждаются в других разделах руководства. Энциклопедия. Специфичные для процесса опасности обсуждаются в отдельных разделах этой главы.

Периодические процессы обработки сырья

Большинство промышленных производственных процессов получают сухое твердое сырье навалом или в отдельных мешках. Сыпучее твердое сырье выгружают из вагонов-хопперов или автотранспорта в бункеры, бункеры или смесители самотеком, пневматическими линиями, винтовыми конвейерами, ковшовыми конвейерами или другим механическим транспортом. Поддоны с сырьем в мешках (от 20 до 50 кг) или большие тканевые мешки-контейнеры (от 0.5 до 1.0 тонны) выгружаются из автомобильных прицепов или железнодорожных крытых вагонов с помощью промышленных автопогрузчиков, кранов или лебедок. Отдельные мешки или сырье снимаются с поддонов вручную или с помощью подъемных механизмов. Сырье в мешках обычно загружается на станцию ​​сброса мешков или непосредственно в бункеры для хранения или весовые бункеры.

Потенциальные риски для безопасности и здоровья, связанные с процессами разгрузки, обработки и транспортировки твердого сырья, включают:

• шумовое воздействие в диапазоне от 85 до 100 дБА. Пневматические вибраторы, компрессоры, приводы клапанов, приводные двигатели смесителей, воздуходувки и пылесборники являются основными источниками шума.

• воздействие вдыхаемых твердых частиц в воздухе от перекачки и смешивания гранулированного твердого сырья. Воздействие зависит от состава сырья, но обычно может включать кремнезем (SiO₂), глина, глинозем, известняк, щелочная пыль, оксиды металлов, тяжелые металлы и неприятные частицы.

• эргономические опасности связанные с ручным подъемом или перемещением мешков с сырьем, вибраторов или передаточных линий, а также с обслуживанием системы

• физические опасности от маневрирования железнодорожных или грузовых автомобилей, движения промышленных грузовиков, работы на высоте, входа в замкнутое пространство и контакта с электрическими, пневматическими или механическими источниками энергии, например, точками зажима, вращающимися частями, приводными шестернями, валами, ремнями и шкивами.

 

Процессы обжига или плавления

Производство продукции в этих секторах бизнеса включает процессы сушки, плавки или обжига в печах или печах. Тепло для этих процессов вырабатывается за счет сжигания пропана, природного газа (метана) или мазута, электродуговой плавки, микроволнового излучения, сушки диэлектрика и/или резистивного нагрева электричеством. Потенциальные опасности, связанные с процессами обжига или плавления, включают:

• воздействие продуктов горения такие как окись углерода, оксиды азота (NO_x) и диоксид серы

• дым и твердые частицы из переносимого по воздуху сырья (например, кремния, металлов, щелочной пыли) или побочных продуктов (например, фтористого водорода, кристобалита, паров тяжелых металлов)

• пожар или взрыв связанные с топливными системами, используемыми для технологического тепла или топлива для автопогрузчиков; потенциальная опасность пожара или взрыва, связанная с резервуарами для хранения легковоспламеняющегося топлива, трубопроводными распределительными системами и испарителями. Резервные или резервные топливные системы, которые редко используются для сокращения потребления природного газа, могут создавать аналогичные проблемы с пожаром или взрывом.

• воздействие инфракрасного излучения из расплавленного материала, который может увеличить риск тепловой катаракты или ожогов кожи

• лучистая энергия и тепловой стресс. Рабочая среда вокруг печей или печей для обжига может быть очень горячей. Значительные проблемы с тепловым стрессом могут возникнуть, когда аварийные ремонтные работы или текущее техническое обслуживание выполняются вблизи или над процессами обжига или плавления. Тяжелые термические ожоги могут возникнуть в результате прямого контакта кожи с горячими поверхностями или расплавленными материалами (см. рис. 1).

 

Рисунок 1. Специалист по контролю качества

• Опасность электрической энергии. Прямой контакт с высоковольтной электрической энергией, используемой для резистивного нагрева в дополнение к процессам, работающим на топливе, представляет опасность поражения электрическим током и возможные проблемы со здоровьем в связи с воздействием электромагнитных полей (ЭМП). Сильные магнитные и электрические поля могут создавать помехи для кардиостимуляторов и других имплантированных медицинских устройств.

• шумовое воздействие выше 85–90 дБА от воздуходувок, бункеров периодического действия или смесителей, процессов подачи и конвейеров.

 

обращение в производстве, изготовлении, упаковке и складировании

Процессы обработки материалов, изготовления и упаковки в этом секторе бизнеса в значительной степени различаются, как и размер, форма и вес продуктов. Высокая плотность материалов в этом секторе или громоздкие конфигурации представляют собой общие опасности при обращении с материалами. Ручной подъем и погрузочно-разгрузочные работы при производстве, изготовлении, упаковке и складировании в этой отрасли являются причиной многих травм, приводящих к инвалидности. (См. раздел «Профиль травм и заболеваний» ниже.) Усилия по снижению травматизма сосредоточены на сокращении ручного подъема и обработки материалов. Например, инновационные конструкции упаковки, робототехника для штабелирования и укладки готовой продукции на поддоны, а также автоматические транспортные средства для складирования начинают использоваться в отдельных сегментах этого сектора бизнеса, чтобы исключить ручную обработку материалов и связанные с этим травмы. Использование конвейеров, ручных подъемных устройств (например, вакуумных подъемников) и ножничных платформ для обработки и укладки продуктов на поддоны в настоящее время является обычной практикой погрузочно-разгрузочных работ (см. рис. 2).

Рисунок 2. Использование вспомогательного вакуумного подъемника

Использование робототехники для устранения ручной обработки материалов играет важную роль в предотвращении эргономических травм. Робототехника уменьшила эргономические стрессы и серьезные рваные травмы, которые исторически были связаны с обработкой материалов (например, плоского стекла) на производстве (см. рис. 3). Однако более широкое использование робототехники и автоматизации процессов приводит к появлению движущихся машин и опасностей, связанных с электричеством, что трансформирует типы опасностей, а также переносит риски на других работников (от производства до обслуживающего персонала). Надлежащая конструкция электронных средств управления и логической последовательности, ограждений машин, методы полной блокировки энергии и установление безопасных процедур эксплуатации и технического обслуживания являются основными способами контроля травматизма обслуживающего и производственного персонала.

Рисунок 3. Робототехника, используемая в производстве листового стекла

Ремонтно-восстановительные работы

Многочисленные потенциальные опасности для здоровья и безопасности возникают во время периодического капитального ремонта или холодного ремонта печей или печей для обжига. При проведении строительных работ можно столкнуться с целым рядом опасностей. Примеры включают: эргономические опасности при обращении с материалами (например, с огнеупорным кирпичом); воздействие в воздухе кремнезема, асбеста, огнеупорных керамических волокон или твердых частиц, содержащих тяжелые металлы, во время сноса или побочных продуктов резки и сварки; перегрев; работа на высоте; опасность поскользнуться, споткнуться или упасть; опасности замкнутого пространства (см. рис. 4); контакт с опасными источниками энергии.

Рисунок 4. Вход в замкнутое пространство

Стекло

Общий профиль

Стекло образовалось естественным путем из обычных элементов в земной коре задолго до того, как кто-либо когда-либо подумал об экспериментах с его составом, придании ему формы или применении во множестве применений, которыми оно пользуется сегодня. Обсидиан, например, представляет собой встречающуюся в природе комбинацию оксидов, сплавленных интенсивным вулканическим жаром и остеклованных (превращенных в стекло) при быстром охлаждении на воздухе. Его непрозрачный черный цвет обусловлен относительно высоким содержанием оксида железа. Его химическая стойкость и твердость выгодно отличаются от многих коммерческих стекол.

Технология производства стекла развивалась на протяжении 6,000 лет, и некоторые современные принципы восходят к древним временам. Происхождение первых синтетических стекол теряется в древности и легендах. фаянс был сделан египтянами, которые лепили фигурки из песка (SiO₂), самый популярный стеклообразующий оксид. Он был покрыт натроном, остатком, оставленным разлившейся рекой Нил, который состоял в основном из карбоната кальция (CaCO₃), кальцинированная сода (Na₂CO₃), соль (NaCl) и оксид меди (CuO). При нагревании ниже 1,000 ° C образуется стеклообразное покрытие за счет диффузии флюсов, CaO и Na.₂O в песок и их последующая твердотельная реакция с песком. Оксид меди придавал изделию привлекательный синий цвет.

По определению Мори: «Стекло есть неорганическое вещество, находящееся в состоянии, непрерывном и аналогичном жидкому состоянию этого вещества, но которое в результате обратимого изменения вязкости при охлаждении достигло такая высокая степень вязкости, что для всех практических целей она становится жесткой». ASTM определяет стекло как «неорганический продукт плавления, охлажденный до жесткого состояния без кристаллизации». Как органические, так и неорганические материалы могут образовывать стекла, если их структура некристаллическая, то есть если в них отсутствует дальний порядок.

Важнейшим достижением в технологии производства стекла стало использование выдувной трубы (см. рис. 5), которая впервые была использована примерно за 100 лет до нашей эры. С тех пор произошло быстрое развитие техники изготовления стекла.

Рисунок 5. Дутьевая трубка

Первое стекло было окрашено из-за наличия различных примесей, таких как оксиды железа и хрома. Практически бесцветное стекло было впервые изготовлено около 1,500 лет назад.

В то время производство стекла развивалось в Риме, а оттуда оно распространилось во многие другие страны Европы. В Венеции было построено много стекольных заводов, и там произошло важное развитие. В 13 веке многие стекольные заводы были перевезены из Венеции на соседний остров Мурано. Мурано до сих пор является центром производства стекла ручной работы в Италии.

К 16 веку стекло производили по всей Европе. Сейчас богемское стекло из Чехии хорошо известно своей красотой, а стекольные заводы в Великобритании и Ирландии производят высококачественную посуду из свинцового хрусталя. Швеция — еще одна страна, которая является родиной художественного хрусталя.

В Северной Америке первым производственным предприятием любого рода был стекольный завод. Английские поселенцы начали производить стекло в начале 17 века в Джеймстауне, штат Вирджиния.

Сегодня стекло производится в большинстве стран мира. Многие изделия из стекла изготавливаются на полностью автоматических технологических линиях. Хотя стекло является одним из древнейших материалов, его свойства уникальны и до конца еще не изучены.

Сегодня стекольная промышленность состоит из нескольких основных рыночных сегментов, в том числе рынка плоского стекла, рынка потребительских товаров для дома, рынка стеклянной тары, производства оптического стекла и сегмента рынка научной посуды. Рынки оптического и научного стекла, как правило, очень упорядочены, и в большинстве стран на них доминируют один или два поставщика. Эти рынки также намного меньше по объему, чем потребительские рынки. Каждый из этих рынков развивался на протяжении многих лет за счет инноваций в конкретных технологиях производства стекла или производственных достижений. Контейнерная промышленность, например, была основана на разработке высокоскоростных машин для изготовления бутылок, разработанных в начале 1900-х годов. Производство листового стекла значительно продвинулось вперед благодаря развитию процесса производства флоат-стекла в начале 1960-х годов. Оба этих сегмента сегодня представляют собой многомиллиардные предприятия по всему миру.

Стеклянные предметы домашнего обихода делятся на четыре основные категории:

1. посуда (в том числе столовая посуда, чашки и кружки)
2. Drinkware
3. форма для выпечки (или посуда)
4. посуда на плите.

 

Хотя оценки по всему миру получить сложно, рынок посуды из стекла, несомненно, составляет порядка 1 миллиарда долларов США только в Соединенных Штатах. В зависимости от конкретной категории за долю рынка конкурируют различные другие материалы, включая керамику, металлы и пластмассы.

Производственные процессы

Стекло — неорганический продукт плавления, остывший до твердого состояния без кристаллизации. Стекло, как правило, твердое и хрупкое, с раковистым изломом. Стекло может быть окрашено, полупрозрачно или непрозрачно путем варьирования присутствующих растворенных аморфных или кристаллических материалов.

Когда стекло охлаждается из горячего расплавленного состояния, его вязкость постепенно увеличивается без кристаллизации в широком диапазоне температур, пока оно не примет характерную для него твердую, хрупкую форму. Охлаждение контролируется для предотвращения кристаллизации или высокого напряжения.

Хотя любое соединение, обладающее этими физическими свойствами, теоретически является стеклом, большинство коммерческих стекол подразделяются на три основных типа и имеют широкий диапазон химических составов.

1. Содово-известково-силикатные стекла являются самыми важными стеклами с точки зрения производимого количества и разнообразия использования, включая почти все плоское стекло, контейнеры, недорогую домашнюю стеклянную посуду массового производства и электрические лампочки.
2. Свинцово-калийно-силикатные стекла содержат переменную, но часто высокую долю оксида свинца. В производстве оптического стекла используется высокий показатель преломления этого типа стекла; выдувная домашняя и декоративная стеклянная посуда ручной работы отличается простотой резки и полировки; электрические и электронные приложения используют в своих интересах свое высокое электрическое сопротивление и радиационную защиту.
3. Боросиликатные стекла имеют низкое тепловое расширение и устойчивы к тепловому удару, что делает их идеальными для бытовых печей и лабораторной посуды, а также для стекловолокна для армирования пластика.

Коммерческая партия стекла состоит из смеси нескольких ингредиентов. Однако наибольшая часть шихты состоит из 4-6 ингредиентов, выбранных из таких материалов, как песок, известняк, доломит, кальцинированная сода, бура, борная кислота, полевошпатовые материалы, соединения свинца и бария. Остальная часть партии состоит из нескольких дополнительных ингредиентов, выбранных из группы от 15 до 20 материалов, обычно называемых второстепенными ингредиентами. Эти последние добавки добавляются с целью обеспечения определенной функции или качества, например цвета, которые должны быть реализованы в процессе подготовки стекла.

Рисунок 6 иллюстрирует основные принципы производства стекла. Сырье взвешивают, перемешивают и после добавления стеклобоя (стеклобоя) направляют в печь на плавку. Небольшие кастрюли вместимостью до 2 тонн по-прежнему используются для варки стекла для ручного выдувания хрусталя и специальных стекол, требуемых в небольшом количестве. Несколько горшков нагреваются вместе в камере сгорания.

Рисунок 6. Используемые процессы и материалы

В большинстве современных производств плавка происходит в больших регенеративных, рекуперативных или электрических печах, построенных из огнеупорного материала и обогреваемых нефтью, природным газом или электричеством. В конце 1960-х и 1970-х годах электроподкачка и электрическая плавка с холодной крышкой были коммерциализированы и широко использовались во всем мире. Движущей силой электрической плавки с холодным верхом был контроль выбросов, в то время как электрическое форсирование обычно использовалось для улучшения качества стекла и увеличения производительности.

Наиболее значимые экономические факторы, касающиеся использования электроэнергии для плавки стекловаренных печей, связаны со стоимостью ископаемого топлива, наличием различных видов топлива, стоимостью электроэнергии, капитальными затратами на оборудование и т.д. Однако во многих случаях основной причиной использования электрической плавки или наддува является контроль окружающей среды. В различных местах по всему миру либо уже действуют экологические нормы, либо ожидается, что они будут введены в ближайшее время, которые строго ограничивают выбросы различных оксидов или твердых частиц в целом. Таким образом, производители во многих местах сталкиваются с возможностью либо снизить производительность стекловарения, установить рукавные фильтры или пылеуловители для обработки отходящих дымовых газов, либо изменить процесс плавки и включить электрическую плавку или ускорение. Альтернативой такой модификации в некоторых случаях может быть остановка станции.

Самая горячая часть печи (надстройка) может иметь температуру от 1,600 до 2,800°C. Контролируемое охлаждение снижает температуру стекла до 1,000–1,200°C в точке, где стекло выходит из печи. Кроме того, все виды стекла подвергаются дальнейшему контролируемому охлаждению (отжигу) в специальной печи или лере. Последующая обработка будет зависеть от типа производственного процесса.

Автоматическое выдувание используется на машинах для производства бутылок и ламп в дополнение к традиционному ручному выдуванию стекла. Простые формы, такие как изоляторы, стеклоблоки, заготовки для линз и т. д., скорее прессуются, чем выдуваются. В некоторых производственных процессах используется комбинация механического выдувания и прессования. Рулонное армированное и узорчатое стекло. Листовое стекло вытягивается из печи вертикальным способом, что придает ему огнеупорную поверхность. Из-за комбинированных эффектов рисования и силы тяжести некоторые незначительные искажения неизбежны.

Листовое стекло проходит через валки с водяным охлаждением в лер отжига. Он свободен от искажений. Повреждения поверхности можно устранить шлифовкой и полировкой после изготовления. Этот процесс в значительной степени был заменен процессом флоат-стекла, который был внедрен в последние годы (см. рис. 7). Флоат-процесс сделал возможным производство стекла, сочетающего в себе преимущества как листового, так и листового стекла. Флоат-стекло имеет огнеупорную поверхность и не деформируется.

Рисунок 7. Непрерывный плавающий процесс

В процессе флоатинга непрерывная лента стекла выходит из плавильной печи и плавает по поверхности ванны с расплавленным оловом. Стекло соответствует идеальной поверхности расплавленного олова. При прохождении над жестью температура снижается до тех пор, пока стекло не станет достаточно твердым, чтобы его можно было подавать на валки печи для отжига, не оставляя следов на его нижней поверхности. Инертная атмосфера в ванне предотвращает окисление олова. Стекло после отжига не требует дополнительной обработки и может подвергаться дальнейшей обработке путем автоматической резки и упаковки (см. рис. 8).

Рис. 8. Лента флоат-стекла на выходе из лера

Тенденция в новой жилой и коммерческой архитектуре к увеличению площади остекления и необходимость снижения энергопотребления сделали повышенный акцент на повышении энергоэффективности окон. Тонкие пленки, нанесенные на поверхность стекла, обеспечивают низкую излучательную способность или солнцезащитные свойства. Для коммерциализации таких продуктов с товарным покрытием требуется недорогая технология осаждения на большой площади. В результате все большее число линий по производству флоат-стекла оснащаются сложными процессами нанесения покрытия в режиме реального времени.

В обычно используемых процессах химического осаждения из паровой фазы (CVD) сложная газовая смесь вступает в контакт с горячей подложкой, где она вступает в пиролитическую реакцию с образованием покрытия на поверхности стекла. Как правило, оборудование для нанесения покрытия состоит из терморегулируемых конструкций, подвешенных по ширине стеклянной ленты. Они могут располагаться в ванне с оловом, в леровом промежутке или в лере. Функция устройств для нанесения покрытий заключается в равномерной подаче газов-предшественников по ширине ленты с контролируемой температурой и в безопасном удалении побочных продуктов выхлопных газов из зоны осаждения. Для нескольких слоев покрытия несколько устройств для нанесения покрытий используются последовательно вдоль стеклянной ленты.

Для обработки побочных продуктов выхлопных газов, образующихся в таких крупномасштабных процессах, обычно достаточно методов мокрой очистки с помощью обычного фильтр-пресса. Когда отходящие газы не легко вступают в реакцию или смачиваются водными растворами, основным вариантом является сжигание.

Некоторые оптические стекла химически упрочняются с помощью процессов, которые включают погружение стекла на несколько часов в высокотемпературные ванны, содержащие расплавленные соли, как правило, нитрат лития и нитрат калия.

Безопасное стекло бывает двух основных типов:

1. Закаленное стекло изготавливается путем предварительного напряжения путем нагревания, а затем быстрого охлаждения кусков листового стекла заданной формы и размера в специальных печах.
2. Ламинированное стекло Образуется путем склеивания листа пластика (обычно поливинилбутираля) между двумя тонкими листами плоского стекла.

 

Синтетические стекловидные волокна

Общий профиль

Синтетические стекловолокна производятся из самых разных материалов. Это аморфные силикаты, изготовленные из стекла, камня, шлака или других минералов. Производимые волокна представляют собой как непрерывные, так и прерывистые волокна. Как правило, непрерывные волокна представляют собой стеклянные волокна, протянутые через сопла и используемые для армирования других материалов, таких как пластмассы, для производства композиционных материалов с уникальными свойствами. Дискретные волокна (обычно известные как шерсть) используются для многих целей, чаще всего для тепло- и звукоизоляции. Синтетические стекловидные волокна для целей данного обсуждения были разделены на непрерывные стекловолокна с изоляционными волокнами, изготовленными из стеклянных, каменных или шлаковых волокон, и огнеупорные керамические волокна, которые обычно представляют собой силикаты алюминия.

Возможность волочения термоупрочненного стекла в тонкие волокна была известна стеклодувам еще в древности и на самом деле старше техники выдувания стекла. Многие ранние египетские сосуды изготавливались путем намотки грубых стеклянных волокон на глиняную оправку подходящей формы, последующего нагревания сборки до тех пор, пока стеклянные волокна не перетекали друг в друга, и после охлаждения удалялась глиняная сердцевина. Даже после появления выдувания стекла в I веке нашей эры техника стекловолокна все еще использовалась. Венецианские стеклодувы в 1 и 16 веках использовали его для украшения стеклянной посуды. В этом случае жгуты непрозрачных белых волокон наматывались на поверхность простого прозрачного сосуда из дутого стекла (например, кубка) и затем вплавлялись в него при нагревании.

Несмотря на долгую историю использования стекловолокна в целом в декоративных или художественных целях, широкое использование не возникало до 20 века. Первоначальное коммерческое производство стекловолокна в США произошло в 1930-х годах, тогда как в Европе первоначальное использование произошло несколькими годами ранее. Минеральная и шлаковая вата производилась на несколько лет раньше.

Производство и использование синтетических стекловолокон — это глобальная многомиллиардная индустрия, поскольку эти полезные материалы стали важным компонентом современного общества. Их использование в качестве изоляции привело к значительному снижению потребности в энергии для отопления и охлаждения зданий, и эта экономия энергии привела к значительному сокращению глобального загрязнения, связанного с производством энергии. По оценкам, количество применений непрерывных стеклянных нитей в качестве армирующих элементов для множества продуктов, от спортивных товаров до компьютерных чипов и аэрокосмических приложений, превышает 30,000 1970. Разработка и широкая коммерциализация огнеупорных керамических волокон произошли в XNUMX-х годах, и эти волокна продолжают играть важную роль в защите рабочих и оборудования в различных высокотемпературных производственных процессах.

Производственные процессы

Непрерывные стеклянные нити

Стеклянные нити образуются путем вытягивания расплавленного стекла через втулки из драгоценных металлов в тонкие нити почти одинакового диаметра. Из-за физических требований к волокнам, когда они используются в качестве армирующих материалов, их диаметры относительно велики по сравнению с изоляционными волокнами. Почти все непрерывные стеклянные нити имеют диаметр от 5 до 15 мкм и более. Эти большие диаметры в сочетании с узким диапазоном диаметров, производимых во время производства, исключают любые потенциальные хронические респираторные эффекты, поскольку волокна слишком велики, чтобы их можно было вдыхать в нижние дыхательные пути.

Непрерывные стеклянные волокна получают путем быстрого затухания капель расплавленного стекла, вытекающих через сопла под действием силы тяжести и подвешенных к ним. Динамическое равновесие сил поверхностного натяжения и механического затухания приводит к тому, что капля стекла принимает форму мениска, удерживаемого на кольцевом отверстии сопла, и сужается до диаметра вытягиваемого волокна. Для успешного вытягивания волокна стекло должно иметь вязкость в пределах узкого диапазона (т. е. от 500 до 1,000 пуаз). При меньшей вязкости стекло становится слишком текучим и стекает с форсунок в виде капель; в этом случае преобладает поверхностное натяжение. При более высоких вязкостях натяжение волокна при затухании слишком велико. Скорость потока стекла через сопло также может стать слишком низкой для поддержания мениска.

Функция втулки состоит в том, чтобы обеспечить плиту, содержащую несколько сотен форсунок, при одинаковой температуре и привести стекло к этой одинаковой температуре, чтобы вытягиваемые волокна имели одинаковый диаметр. На рис. 9 показана схема основных характеристик втулки для прямой плавки, прикрепленной к питателю, из которого поступает расплавленное стекло, температура которого очень близка к температуре, при которой стекло будет проходить через сопла; поэтому в этом случае основная функция втулки является также и ее единственной функцией.

Рисунок 9. Схема втулки прямого расплава

В случае втулки, работающей из мрамора, требуется вторая функция, а именно сначала расплавить мрамор перед кондиционированием стекла до правильной температуры вытяжки волокна. Типичная мраморная втулка показана на рисунке 10. Пунктирная линия внутри втулки представляет собой перфорированную пластину, которая удерживает нерасплавленные шарики.

Рисунок 10. Схема мраморной втулки

Конструкция втулок во многом эмпирическая. Из соображений стойкости к воздействию расплавленного стекла и стабильности при температурах, необходимых для вытягивания волокна, втулки изготавливают из платиновых сплавов; используются как 10% родий-платина, так и 20% родий-платина, причем последний более устойчив к деформации при повышенных температурах.

Прежде чем отдельные волокна, вытягиваемые из втулки, собираются и объединяются в прядь или множество прядей, они покрываются волокнистой проклейкой. Эти размеры волокон в основном бывают двух типов:

1. Крахмально-масляные клеи, обычно применяемые для волокон, предназначенных для ткачества в тонкие ткани или аналогичных операций.
2. связующий агент плюс пленкообразователь, применяемый для волокон, предназначенных для прямого армирования пластмасс и резины.

 

После того, как волокно сформировано, на аппликатор наносится защитное покрытие из органической проклейки, и непрерывные нити собираются в комплексную прядь (см. рис. 11) перед наматыванием на наматывающую трубку. Аппликаторы функционируют, позволяя веерным волокнам шириной от 25 до 45 мм, направляющимся к собирательному башмаку под аппликатором, проходить над движущейся поверхностью, покрытой пленкой размером с волокно.

Рисунок 11. Текстильные стеклянные нити

Есть в основном два типа приложений:

1. роликовые аппликаторы, изготовленные из резины, керамики или графита, в которых волокно проходит по поверхности валика, покрытой пленкой размером с волокно
2. ленточные аппликаторы, в которых на одном конце лента проходит через ведомый ролик, который погружает ленту в шлихту волокна, а на другом конце проходит через закрепленный стержень из твердой хромистой стали, в котором волокна касаются ленты, чтобы подобрать шлихту.

 

Защитное покрытие и процесс сборки волокна могут различаться в зависимости от типа производимого текстильного или армирующего волокна. Основная задача состоит в том, чтобы покрыть волокна проклейкой, собрать их в жгут и разместить на съемной трубке на цанге с минимально необходимым натяжением.

На рис. 12 показан процесс непрерывного производства стекла.

Рис. 12. Производство непрерывного стекловолокна

Производство изоляционной ваты

В отличие от непрерывных нитей, волокна изоляционной ваты и огнеупорные керамические волокна изготавливаются в процессах с очень высокой энергией, при которых расплавленный материал подается либо на вращающиеся диски, либо на серию вращающихся колес. Эти методы приводят к производству волокон с диапазоном диаметров, который намного шире, чем у непрерывных нитей. Так, все изоляционные ваты и керамические волокна содержат долю волокон диаметром менее 3.0 мкм; они могут стать пригодными для вдыхания, если их разделить на относительно короткие куски (менее 200–250 мкм). Имеются обширные данные о воздействии вдыхаемых синтетических стекловолокон на рабочем месте.

Для производства используется несколько процессов стекловата, включая процесс продувки паром и процесс продувки пламенем; но наиболее популярным является процесс ротационного формования, разработанный в середине 1950-х годов. Вращательные процессы в значительной степени заменили процессы прямого выдувания в коммерческом производстве изоляционных изделий из стекловолокна. Во всех этих вращательных процессах используется полый барабан или прядильщик, установленный с вертикальной осью. Вертикальная стенка блесны перфорирована несколькими тысячами отверстий, равномерно распределенных по окружности. Расплавленному стеклу позволяют падать с контролируемой скоростью в центр прядильщика, откуда какой-либо подходящий распределитель направляет его внутрь вертикальной перфорированной стенки. Из этого положения центробежная сила толкает стекло радиально наружу в виде дискретных стеклянных нитей, выходящих из каждой перфорации. Дальнейшее затухание этих первичных нитей достигается за счет подходящей продувочной жидкости, выходящей из сопла или сопел, расположенных вокруг и концентрично с вращающимся элементом. Конечным результатом является производство волокон со средним диаметром волокна от 6 до 7 мм. Продувочная жидкость действует в направлении вниз и, таким образом, не только обеспечивает окончательное затухание, но и отклоняет волокна к собирающей поверхности, расположенной под прядильщиком. На пути к этой собирающей поверхности волокна обрызгиваются подходящим связующим перед тем, как они будут равномерно распределены по собирающей поверхности (см. рис. 13).

Рисунок 13. Роторный процесс изготовления стекловаты

В ротационном процессе волокна стекловаты изготавливают, позволяя расплавленному стеклу проходить через ряд небольших отверстий, расположенных во вращающемся прядильщике, а затем ослабляя первичную нить с помощью продувки воздухом или паром.

Минеральная вата, однако, не может быть произведен с помощью вращающегося прядильного процесса и исторически производился в процессе с рядом горизонтальных прядильных оправок. Процесс производства минеральной ваты состоит из набора роторов (оправок), установленных каскадом и вращающихся очень быстро (см. рис. 14). Поток расплавленного камня непрерывно передается на один из верхних роторов и от этого ротора распределяется на второй и так далее. Расплав равномерно распределяется по внешней поверхности всех роторов. С роторов капли выбрасываются центробежной силой. Капли крепятся к поверхности ротора удлиненными шейками, которые при дальнейшем удлинении и одновременном охлаждении превращаются в волокна. Удлинение, конечно, сопровождается уменьшением диаметра, что, в свою очередь, вызывает ускоренное охлаждение. Таким образом, существует нижний предел диаметра волокон, получаемых в этом процессе. Поэтому нормального распределения диаметров волокон вокруг среднего значения не ожидается.

Рисунок 14. Процесс производства минеральной ваты (порода и шлак)

Огнеупорные керамические волокна

Керамические волокна в основном производятся путем выдувания и прядения методами, аналогичными тем, которые описаны для изоляционной ваты. В процессе продувки паром сырьевые материалы, такие как оксид алюминия и кремнезем, сплавляются в электрической печи, а расплавленный материал вытягивается и продувается либо паром под давлением, либо другим горячим газом. Полученные волокна затем собираются на сите.

Подобно процессу прядения каменных и шлаковых волокон, процесс прядения керамических волокон дает большую долю длинных шелковистых волокон. В этом методе поток расплавленного материала сбрасывается на быстро вращающиеся диски и отбрасывается по касательной, образуя волокна.

Гончарная промышленность

Общий профиль

Изготовление глиняной посуды – одно из древнейших ремесел человека. На протяжении веков в разных частях мира развивались разные стили и техники. В 18 веке на процветающую промышленность во многих частях Европы сильно повлиял импорт прекрасной и богато украшенной посуды с Дальнего Востока. Япония научилась керамическому искусству у Китая около 400 лет назад. С промышленной революцией и общим изменением условий в Западной Европе производство быстро росло. В настоящее время почти каждая страна производит некоторую посуду для домашнего использования, а гончарные изделия являются важным экспортным товаром из некоторых стран. Производство сейчас находится в заводских масштабах во многих частях мира. Хотя основные принципы производства не изменились, был достигнут значительный прогресс в том, как осуществляется производство. Особенно это касается формовки или формовки посуды, ее обжига и используемых приемов декорирования. Все более широкое использование микропроцессоров и роботов приводит к внедрению высоких уровней автоматизации в производственных зонах. Однако повсюду еще существует множество мелких ремесленных гончарных мастерских.

Методы формирования

Самый ранний способ изготовления глиняной посуды включал ручной метод строительства. Витки глины наматывают друг на друга и склеивают, прижимая руками. Глину сначала доводят до мягкого состояния, обрабатывая ее водой. Затем объект формуется и формуется вручную после приклеивания катушек.

Гончарный круг стал инструментом для создания гончарных изделий. При этом методе формования груда глины помещается на вращающуюся круглую пластину и формуется мокрыми руками гончара. Вода удерживает руки гончара от прилипания к глине и сохраняет глину влажной и пригодной для обработки. Ручки, носики и другие выступы из вращающейся глины помещаются непосредственно перед обжигом объекта.

Кастинг часто используется сегодня, когда требуется керамика высокого качества и когда стенки сосуда должны быть очень тонкими. Смесь глины и воды, называемая шликером, выливается в форму из гипса. Гипс поглощает воду, в результате чего вокруг внутренней части формы откладывается тонкий слой глины. Когда слой глины станет достаточно толстым, чтобы образовать стенки вазы, остаток шликера выливают, оставляя влажную посуду внутри формы. По мере высыхания он немного сжимается и его можно вынуть из формы. Обычно формы имеют такую ​​конструкцию, что их можно разобрать.

Когда изделие полностью высохнет, его разглаживают и готовят к процессу обжига. Он помещается в шамотный ящик, называемый провисать, который защищает кусок от пламени и газов, выделяющихся во время процесса, так же, как духовка защищает буханку хлеба, которую выпекают. Саггеры укладываются друг на друга в печи. Печь представляет собой большое сооружение, построенное из огнеупорного кирпича и окруженное дымоходами, так что пламя огня может полностью окружать посуду, но никогда не соприкасаться с ней. Дым обесцветил бы детали, если бы они не были защищены таким образом.

Большинство изделий обжигают не менее двух раз. Первый проход через печь называется фора обжига, а гончарное изделие называется бисквит or кусок бисквитного печенья. После обжига бисквитная посуда глазируется. Глазурь — это стекловидное глянцевое покрытие, которое делает керамику более привлекательной и удобной в эксплуатации. Глазури содержат кремнезем, флюс для снижения температуры плавления (свинец, барий и т. д.) и оксиды металлов в качестве красителей. Когда глазурь нанесена на керамику и полностью высохнет, ее снова помещают обратно в печь и обжигают при такой высокой температуре, что глазурь плавится и покрывает всю поверхность керамики.

Виды керамики

• Керамические изделия глиняная посуда из светлой или темной глины. Глазируется на необожженном теле либо перед закладкой в ​​печь, либо при помощи соли в процессе обжига и обжигается до плотного, твердого состояния.

• Фарфор белая стекловидная посуда. Он полупрозрачный. В фарфоре масса и глазурь доводятся до завершения и созревания при одном и том же обжиге, происходящем при очень высокой температуре.

• Китай посуда, похожая на фарфор. Корпус и глазурь доводятся до завершения и созревания при одном и том же обжиге при чрезвычайно высоких температурах.

• Костяной фарфор разновидность фарфора, в котором в качестве ингредиента используется обожженная кость, составляющая около 40% массы.

• глиняный имеет белое или почти белое тело. Он производится путем двух обжигов, как фарфор, но его корпус остается пористым. Глазурь похожа на фарфоровую, но сделана из более дешевого материала.

• фаянс это тонкая глазурованная глиняная посуда, используемая в декоративных целях. Обычно не предпринимают попыток получить белую массу, а глазури часто окрашивают.

 

Производственные процессы

Физические свойства керамики варьируются в зависимости от состава тела и условий обжига. Тело для любого конкретного использования выбирается в основном по его физическим свойствам, но чаще всего для посуды выбирают белые тела.

Промышленные продукты (например, огнеупоры, электрические изоляторы, носители катализаторов и т. д.) обладают широким диапазоном свойств в зависимости от их возможного использования.

API. Основные ингредиенты керамического тела показаны в таблице 1, где также указаны типичные пропорции образцов типов тела.

Таблица 1. Типичные составляющие тела (%)

 

Нефелин-сиенит иногда используется в качестве флюса, а глинозем может заменить часть или весь кварцевый наполнитель в некоторых изделиях типа фарфора. Кристобалит (кальцинированный песок) используется в качестве наполнителя в некоторых гончарных изделиях, особенно в производстве настенной плитки.

Состав тела определяется частично требуемыми свойствами конечного продукта и частично методом производства. Пластиковая основа необходима для изделий, которые формуются во влажном состоянии, но не для непластичных процессов формования, таких как прессование пыли. Пластиковая основа не обязательна, хотя глина по-прежнему является основным ингредиентом большинства керамических изделий, в том числе изготовленных методом пылевого прессования.

Промышленная керамика не показана в таблице 1, так как ее состав варьируется от полностью шаровой глины или шамота без дополнительного флюса или наполнителя до почти полностью глинозема с минимальным количеством глины и без добавления флюса.

Во время обжига флюс плавится до состояния стекла, связывая ингредиенты вместе. По мере увеличения количества флюса температура стеклования снижается. Наполнители влияют на механическую прочность глиняной посуды до и во время обжига; при изготовлении посуды традиционно используется кварц (в виде песка или кальцинированного кремня), за исключением костяной золы, используемой для изготовления костяного фарфора. Применение глинозема и других некремнистых наполнителей, уже применяемых в производстве технической керамики, распространяется на изготовление других изделий, в том числе бытовых.

Обработка. К основным процессам производства гончарных изделий относятся:

• подготовка ингредиентов для тела

• формирование и формирование

• бисквитный обжиг

• нанесение глазури

• глянцевый обжиг

• украшение.

 

Подготовительные процессы обжига, дробления и помола кремня или камня могут производиться на отдельном предприятии, но обычно все последующие процессы осуществляются на одном и том же заводе. В слип-хаусе ингредиенты для тела смешиваются с водой; затем пластичная глина производится путем фильтрации и тампонирования; затем шликер для отливки готовят путем размешивания до кремообразной консистенции. Пыль для прессования готовят путем сушки и измельчения.

Традиционные классификации процессов формообразования приведены в табл. 2. При литье водную суспензию тела заливают в абсорбирующую форму и после частичного высыхания отливку снимают. Формование пластичной глины методом метания в настоящее время редко используется в промышленном производстве; механическое растекание по гипсовой форме или в гипсовой форме (отсадочное и весёлое) с отделением от формы после высыхания практически универсально в изготовлении столовой посуды. Прессование пластичной глины или экструзия в основном ограничиваются промышленной керамикой. Пылепрессованные изделия получают прессованием предварительно высушенной телесной пыли ручным или механическим прессованием.

Таблица 2. Производственные процессы

 

После придания формы изделие можно высушить и обработать зачисткой, буксировкой или обтиранием губкой. После этого бисквит готов к обжигу.

После обжига бисквитов глазурь наносят окунанием или напылением; погружение может быть ручным или механизированным. Затем глазурованную посуду снова обжигают. Иногда, как и в случае с сантехническими изделиями, на высушенное глиняное изделие наносят глазурь и проводят только один обжиг.

Украшение может быть нанесено либо под, либо поверх глазури, ручным рисунком, машинной печатью или переводом; надглазурный декор предполагает третий обжиг; а иногда необходимы отдельные обжиги для разных цветов.

На заключительном этапе товары сортируются и упаковываются для отправки. На рис. 15 показаны различные пути, которым следовали различные типы глиняной посуды и керамики при их изготовлении.

Рисунок 15. Технологическая схема по типу керамики

Керамическая плитка

Общий профиль

Производители керамической посуды когда-то считалось, что этот термин относится только к искусству или технике изготовления гончарных изделий. Этимология термина показывает, что он происходит от греческого керамос, что означает «гончар» или «гончарное дело». Однако это греческое слово связано с более старым санскритским корнем, означающим «сжигать»; как использовали сами греки, его основное значение было просто «сожженный материал» или «сожженная земля». Фундаментальное понятие, содержащееся в этом термине, было понятием продукта, полученного в результате воздействия огня на землистые материалы.

Традиционная керамика в контексте этой статьи относится к продуктам, обычно используемым в качестве строительных материалов или в быту и промышленности. Хотя существует тенденция приравнивать традиционную керамику к низким технологиям, в этой отрасли часто используются передовые технологии производства. Жесткая конкуренция среди производителей привела к тому, что технология стала более эффективной и рентабельной за счет использования сложных инструментов и оборудования в сочетании с компьютерным управлением процессом.

Древнейшие керамические изделия возникли из глиносодержащих материалов. Ранние гончары обнаружили, что пластичная природа глины полезна для формирования форм. Из-за тенденции к большой усадке глиняные тела были модифицированы путем добавления крупного песка и камня, что уменьшило усадку и растрескивание. В современных телах на основе глины типичными неглинистыми добавками являются кварцевая мука и щелочные минералы, которые добавляются в качестве флюсов. В традиционных керамических рецептурах глина действует как пластификатор и связующее вещество для других компонентов.

Развитие отрасли

Производство высушенной и обожженной глиняной плитки имеет очень древнее происхождение, восходящее к населению Ближнего Востока. Промышленность по производству кафельной посуды значительно развилась в Европе, и к началу 20 века производство напольной и настенной плитки достигло промышленных масштабов. Дальнейшее развитие в этой области произошло после Второй мировой войны. Европа (в частности, Италия и Испания), Латинская Америка и Дальний Восток в настоящее время являются важнейшими районами промышленного производства плитки.

Сектор напольной и настенной плитки в производстве бытовой техники претерпел значительные изменения с середины 1980-х годов благодаря внедрению новых технологий, автоматизации и интеграции производственного потока в производственный процесс. Впоследствии производительность и эффективность повысились, а потребление энергии и затраты сократились. Производство плитки в настоящее время является непрерывным как в мокром, так и в сухом производстве плитки, и многие заводы сегодня имеют почти 100% автоматизацию. Основные инновации в плиточной промышленности за последнее десятилетие включают технологии мокрого шлифования, распылительной сушки, сухого прессования под высоким давлением, роликовой сушки и технологий быстрого обжига.

Стоимость предложения керамической плитки на рынке США (поставки заводов США плюс импорт) ежегодно увеличивалась примерно на 9.2% в период с 1992 по 1994 год. По оценкам, продажи в долларах США достигли 1.3 миллиарда долларов США в 1994 году. В то же время объем продаж вырос на 11.9. % ежегодно составляет 1.3 миллиарда квадратных футов. Это сопоставимо с темпами роста рынка 7.6% на основе продаж в долларах и 6.9% на основе объемных продаж в период с 1982 по 1992 год.

Классификации керамической плитки

Красное и белое ПО

На рынке представлено множество видов керамической плитки. Они различаются по состоянию поверхности, цвету корпуса (белый или красный), технологии изготовления, сырью и конечному использованию. Разница между «красной» и «белой» плиткой заключается в количестве минералов железа, содержащихся в организме. Вступая в реакцию с другими компонентами тела, они могут придавать больше или меньше окраски и изменять поведение тела во время обжига.

Полная и исчерпывающая классификация очень затруднена из-за крайней неоднородности плиточных изделий, их обработки и последующих характеристик. В этой главе рассматриваются европейские (EN) и ASTM стандарты.

Стандарты EN классифицируют керамическую плитку исключительно в зависимости от водопоглощения (что напрямую связано с пористостью) и метода формования (экструзия или прессование). Методы формования классифицируют:

• процесс формирования А (экструдированная напольная плитка). Этот процесс включает в себя разделенные плитки и отдельные экструдированные плитки.

• процесс формирования Б (напольная и настенная плитка сухого прессования).

 

Европейский стандарт EN 87, утвержденный в ноябре 1981 года, определяет, что «Керамическая настенная и напольная плитка является строительным материалом, который, как правило, предназначен для использования в качестве напольного и настенного покрытия как внутри, так и снаружи помещений, независимо от формы и размеров».

Спецификация Американского национального института стандартов (ANSI) для керамической плитки (ANSI A 137.1) содержит следующие определения:

• Керамическая мозаичная плитка формируется либо методом пылепрессования, либо пластиковым методом, обычно толщиной от 6.4 до 9.5 мм (от 1/4 до 1/8 дюйма) и имеет площадь лица менее 39 см.² (6 в² ). Керамическая мозаичная плитка может состоять как из фарфора, так и из натуральной глины, а может быть как гладкой, так и с абразивной смесью.

• Декоративная настенная плитка представляет собой глазурованную плитку с тонким телом, которое обычно не является стекловидным и подходит для внутренней декоративной отделки жилых стен, где прочность на разрыв не требуется.

• Тротуарная плитка представляет собой глазурованную или неглазурованную плитку из керамогранита или натуральной глины, формованную методом пылепрессования, толщиной 39 см.² (6 в² ) или больше области лица.

• Керамогранит керамическая мозаичная плитка или тротуарная плитка, изготавливаемая, как правило, методом пылепрессования, в результате чего получается плотная, непроницаемая, мелкозернистая и гладкая плиточная композиция с четко очерченной лицевой стороной.

• Карьерная плитка глазурованная или неглазурованная плитка, изготовленная методом экструзии из природной глины или сланца, обычно имеющая 39 см² (6 в²) или больше области лица.

• Настенная плитка глазурованная плитка с корпусом, пригодным для использования внутри помещений, обычно не стеклянным, от которого не требуется выдерживать чрезмерные удары или подвергаться воздействию условий замерзания и оттаивания.

• Индивидуальные сорта плитки побелки включают неглазурованную плитку (керамическую мозаичную плитку, каменную плитку, тротуарную плитку) и глазурованную плитку (глазурованную настенную плитку, глазурованную керамическую мозаичную плитку, глазурованную каменную плитку, глазурованную тротуарную плитку) (ANSI 1988).

 

Плитки производятся стандартными керамическими процессами. Керамическая настенная и напольная плитка изготавливается из смеси комовых глин, песка, флюсов, красителей и другого минерального сырья и подвергается такой обработке, как помол, просеивание, смешивание и смачивание. Их формуют прессованием, экструзией, литьем или другим способом, обычно при комнатной температуре, а затем сушат и, наконец, обжигают при высокой температуре. Плитка может быть глазурованной, неглазурованной или ангобированной. Глазури представляют собой стеклоподобные непроницаемые покрытия, а ангобы представляют собой матовые покрытия на основе глины, которые также могут быть пористыми. Глазурованную настенную и напольную плитку изготавливают одностадийным или двухстадийным обжигом.

Традиционным керамическим телам придают форму с использованием множества различных методов. Конкретный процесс формования определяется многочисленными факторами, в том числе характеристиками материала, размером и формой детали, техническими характеристиками детали, производительностью и принятой практикой в ​​географическом регионе.

Тела на основе глины представляют собой гетерогенные смеси одной или нескольких глин и одного или нескольких неглинистых порошков. Перед достижением окончательной формы эти пороха проходят последовательность единичных операций, обжиговых и дожигательных операций (см. рис. 17).

Для большинства традиционных тел методы формования можно разделить на мягкое пластическое формование, жесткое пластическое формование, прессование и литье.

Приложенное давление используется для перераспределения и перераспределения сырья в более упакованную конфигурацию. Реологическое поведение глинистых тел обусловлено взаимодействием глинистых минералов с водой, что придает шихте пластичность. В неглинистых телах такого же поведения можно добиться путем добавления пластификаторов.

Промышленная керамика

Общий профиль

Керамика отличается от других технических материалов (металлов, пластмасс, изделий из дерева, текстиля) рядом индивидуальных свойств. Возможно, самым отличительным отличием для дизайнера или потенциального пользователя керамической посуды является уникальная форма и размер каждого отдельного керамического изделия. Керамика не легко формуется или обрабатывается после обжига, за исключением очень дорогостоящей шлифовки; следовательно, они обычно должны использоваться как есть. За исключением некоторых простых плиток, стержней и труб ограниченного размера, керамика не может продаваться в футах или ярдах, а также не может быть обрезана, чтобы соответствовать работе.

Все полезные свойства, в том числе форма и размер, должны быть обеспечены заранее, начиная с самых ранних стадий обработки керамики. Структурная целостность каждой детали должна быть сохранена в результате различных температурных и механических воздействий во время обработки и до тех пор, пока деталь не будет окончательно установлена ​​и введена в эксплуатацию. Если керамика выходит из строя в результате различных причин (хрупкое разрушение при ударе, тепловой удар, пробой диэлектрика, истирание или коррозия расплавленного шлака), она вряд ли подлежит ремонту и обычно должна быть заменена.

Значительные успехи были достигнуты в фундаментальном понимании и технологическом управлении свойствами керамики, а также в их использовании во многих новых, требовательных, высокотехнологичных приложениях. Промышленность в целом, и ее техническая и электронная керамические части, в частности, разработали методы производства и контроля для массового производства сложных форм в телах, обладающих тщательно контролируемыми электрическими, магнитными и/или механическими свойствами, при сохранении допусков на размеры, которые достаточно хороши, чтобы позволяют относительно легко собираться с другими компонентами.

Многие изделия из керамики выпускаются в больших объемах как стандартные изделия. Огнеупорные кирпичи и формы, тигли, муфели, печные трубы, изоляторы, защитные трубки для термопар, диэлектрики для конденсаторов, герметичные уплотнения и волокнистые плиты регулярно имеются на складах ряда производителей керамики в различных составах и размерах. Как правило, по возможности быстрее и дешевле использовать стоковые товары. Когда товары на складе не удовлетворяют потребности, большинство производителей готовы производить товары на заказ. Чем жестче требования к данному свойству керамики или чем жестче требования к конкретным сочетаниям свойств, размеров и форм, тем более ограниченными являются допустимые композиционные, микроструктурные и конфигурационные параметры керамики. Следовательно, стоимость и сложность изготовления выше. Большинство производителей керамики имеют опытных штатных инженеров и дизайнеров, обладающих достаточной квалификацией для работы с потенциальными клиентами над деталями дизайна керамической посуды.

Области применения:

Основным рынком современной керамики была и остается электроника, но энергичные программы исследований и разработок во всем мире постоянно ищут новые области применения и определяют способы улучшения свойств керамики, чтобы можно было получить доступ к новым рынкам.

Усовершенствованная керамика производится в Японии, США и Западной Европе. Сырье, используемое в промышленности, продается на международной основе, в основном в виде порошков, но также имеется значительный объем внутренней переработки.

Основные области применения промышленной керамики:

• Оксиды. Основными оксидными материалами, используемыми сегодня, являются оксид алюминия в свечах зажигания, подложках и износостойких материалах; диоксид циркония (ZrO₂) в датчиках кислорода, в качестве компонента пьезоэлектриков на основе титаната свинца-циркония (PZT), износостойких покрытий и теплозащитных покрытий; титанаты в конденсаторах из титаната бария и пьезоэлектриках PZT; и ферриты в постоянных магнитах, магнитных записывающих головках, запоминающих устройствах, датчиках температуры и деталях электродвигателей.

• Карбиды и нитриды. Карбиды (в основном карбид кремния и карбид бора) используются в износостойких материалах, а нитриды (в основном нитрид кремния и сиалон) используются в износостойких материалах и режущих инструментах. Нитрид алюминия с его высокой теплопроводностью является основным конкурирующим материалом для части рынка подложек для электроники, на котором в настоящее время доминирует оксид алюминия.

• Смешанная оксидная керамика. Исследования и разработки в области керамики сосредоточены на ряде новых применений керамики, каждое из которых имеет огромный потенциал. Три важных применения: (1) керамические сверхпроводники, (2) керамика для твердооксидных топливных элементов и (3) керамические компоненты для тепловых двигателей.

 

Керамические сверхпроводники основаны на ряде смешанных оксидных систем, включающих иттрий, барий, медь, стронций и медь (YBa₂Cu₃O_7-8, Би₂Sr₂CaCu₂O₈, Би₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀), стабилизированный оксидом свинца. Твердооксидная керамика для топливных элементов основана на ионных проводниках, в которых в настоящее время предпочтительным материалом является высокочистый стабилизированный диоксид циркония. Исследуемые керамические компоненты тепловых двигателей состоят из карбида кремния, сиалонов и диоксида циркония либо в виде однофазной керамики, керамических композитов, либо металломатричных композитов (ММК).

Производственные процессы

Разработка технологии производства

Процессинговые инновации. Научно-исследовательская деятельность создает новые технологии производства керамических материалов. По оценкам, в 2 году рыночная стоимость керамики, полученной из прекурсоров, составляла 1989 миллиона долларов США, большая часть которой приходилась на CVD (86% от общей рыночной стоимости). Другие сегменты этого растущего рынка включают химическую инфильтрацию паров (CVI), золь-гель и пиролиз полимеров. Продукты, которые успешно производятся с помощью этих средств, включают непрерывные керамические волокна, композиты, мембраны и порошки сверхвысокой чистоты/высокой активности.

Процессы, используемые для преобразования этого сырья в готовую продукцию, включают дополнительную обработку порошка (например, измельчение и сушку распылением) перед формированием неспеченных форм, которые затем обжигают в контролируемых условиях. Процессы формования включают прессование под давлением, изостатическое прессование, шликерное литье, ленточное литье, экструзию, литье под давлением, горячее прессование, горячее изостатическое прессование (HIP), CVD и так далее.

Химические добавки для облегчения обработки керамики. Каждый этап производственного процесса требует тщательного контроля, чтобы свойства конечного продукта были получены с максимальной эффективностью производства, а ключевые химические вещества использовались для оптимизации обработки порошка и формирования неспеченного материала. К химическим веществам, оказывающим воздействие, относятся добавки для измельчения, флокулянты и связующие вещества, смазочные материалы, обеспечивающие высвобождение продукта во время прессования и минимизирующие износ деталей пресс-формы, а также пластификаторы, облегчающие экструзию и литье под давлением. Список таких химикатов приведен в таблице 3. Хотя эти материалы играют важную экономическую роль в производстве, они выгорают при обжиге и не играют никакой роли в химическом составе конечного продукта. Процесс выжигания необходимо тщательно контролировать, чтобы избежать остаточного углерода в готовой продукции, а исследования и разработки процессов постоянно изучают способы минимизации уровней используемых химических веществ.

Таблица 3. Отдельные химические добавки, используемые для оптимизации обработки порошка и формирования сырой керамики

 

Помимо создания керамических изделий и технологий производства керамики для новых применений, нельзя упускать из виду влияние передовой керамической промышленности на традиционную керамическую промышленность. Ожидается, что многие высокотехнологичные материалы и процессы найдут применение в традиционной керамической промышленности, поскольку последняя стремится снизить производственные затраты, улучшить качество и повысить ценность обслуживания для конечного пользователя.

API

Существуют определенные ключевые материалы, которые либо используются непосредственно в керамической промышленности, либо представляют собой отправную точку для производства материалов с добавленной стоимостью:

• кремнезем

• глина

• оксид алюминия

• магнезия

• диоксид титана

• оксид железа

• циркон/цирконий.

 

Это обсуждение будет сосредоточено на свойствах кремнезема, глинозема и циркона/диоксида циркония.

Silica, в дополнение к его использованию в огнеупорах и белой посуде, также является отправной точкой в ​​​​производстве элементарного кремния, карбида кремния и тетрахлорида кремния. Кремний, в свою очередь, является исходным материалом для нитрида кремния, а тетрахлорид кремния является прекурсором для широкого спектра кремнийорганических соединений, которые могут подвергаться пиролизу в контролируемых условиях с получением высококачественных карбида и нитрида кремния.

Нитрид кремния и его производные сиалона, а также карбид кремния, несмотря на их склонность к окислению, могут соответствовать многим требованиям, предъявляемым рынком тепловых двигателей. Особенностью кремнезема и керамических материалов, полученных из кремнезема, является то, что все элементы легко доступны в земной коре. В этом отношении эти материалы могут быть легко доставлены во все части мира. Однако на практике для производства кремния и карбида кремния требуются значительные затраты энергии. Следовательно, производство этих материалов в основном ограничено странами с дешевой и доступной электроэнергией.

Оксид алюминия встречается во всей земной коре как компонент алюмосиликатных минералов. Экономика требует, чтобы глинозем извлекался из бокситов с использованием процесса Байера. Бокситы широко распространены в экваториальном поясе в разной степени чистоты и делятся на две классификации: руды упорного качества и металлургические руды.

Бокситы огнеупорного качества поставляются Китаем и Гайаной в виде высокотемпературного обжига природного минерала: диаспора (Al₂O₃· Н₂O) в Китае и гиббсит (Al₂O₃· 3H₂О) в Гайане. При прокаливании образуется сложный фазовый ансамбль корунда (Al₂O₃), муллит, кварцевое стекло и незначительное количество титаната алюминия. Потребление огнеупорных бокситов превышает 700,000 XNUMX тонн в год во всем мире.

Бокситы металлургического качества добываются в Австралии, на Ямайке и в Западной Африке и имеют различные уровни глинозема в сочетании с основными примесями, такими как оксид железа и кремнезем. Глинозем в металлургических рудах извлекается из руды при растворении гидроксидом натрия с получением раствора алюмината натрия, который отделяется от оксида железа и кремнезема, которые выбрасываются как отходы в виде красного шлама. По существу, чистый гидроксид алюминия осаждают из алюмината натрия, а затем прокаливают до нескольких сортов глинозема.

Глинозем высокой чистоты, используемый в керамической промышленности и полученный по способу Байера, классифицируется как таблитчатый оксид алюминия, плавленый оксид алюминия или специальный кальцинированный оксид алюминия.

Табличный глинозем производится путем высокотемпературного (~2,000°C или 3,630°F) обжига низкотемпературного обожженного глинозема в больших вращающихся печах с масляным обогревом. Плавленый глинозем получают электроплавлением прокаленного глинозема. Таблитчатый и плавленый глинозем продаются огнеупорной промышленности в дробленом и фракционированном виде для использования в широком ассортименте высококачественных продуктов, таких как огнеупоры непрерывной разливки (например, однолезвийные или SEN/шиберы), монолитные огнеупоры для применения в доменных печах и нефтехимической промышленности.

Порошки специального кальцинированного оксида алюминия являются основным сырьем, используемым в передовой керамической промышленности как для электронных, так и для инженерных приложений. Порошки производятся в широком диапазоне сортов в соответствии со строгими спецификациями по химическому составу, размеру частиц и типу кристаллов, чтобы удовлетворить широкий спектр применений конечного продукта.

Налажена международная торговля высококачественным глиноземом. Многие производители керамики имеют собственное оборудование для измельчения и сушки распылением. Очевидно, что рост поставок систем с распылительной сушкой ограничен, и существует постоянная потребность в поставках глинозема, соответствующего требованиям заводов-заказчиков, чтобы можно было оптимизировать использование последних по приемлемой цене. Глинозем является важным керамическим материалом высокой степени чистоты. Доминирующее положение оксида алюминия в качестве керамического сырья возникает из-за того, что он обладает желаемыми свойствами при относительно низкой стоимости. Эта рентабельность объясняется сырьевым характером бизнеса, обусловленным большим спросом на глинозем со стороны алюминиевой промышленности.

Циркон и диоксид циркония. Основным источником циркония является минерал циркон (ZrO₂  SiO₂), который обитает в песчаных пляжах в основном в Австралии, Южной Африке и Соединенных Штатах. Циркон, извлеченный из пляжного песка, содержит около 2% оксида гафния и следы Al.₂O₃ (0.5%), Fe₂O₃ (0.1%) и TiO₂ (0.1%). Кроме того, все цирконы содержат следы урана и тория. Циркон перерабатывается путем тонкого измельчения с получением ряда продуктов помола с определенным размером частиц. Эти продукты нашли применение в литье по выплавляемым моделям, в литейном производстве, в огнеупорных изделиях и в качестве замутнителя в глазури для белой посуды.

Циркон также является основным источником циркония. Циркон можно хлорировать в присутствии углерода с получением тетрахлоридов циркония и кремния, которые затем разделяют перегонкой. Полученный тетрахлорид циркония можно использовать для непосредственного получения диоксида циркония или в качестве сырья для других химических реагентов на основе циркония. Спекание с оксидами щелочных или щелочноземельных металлов также используется для разложения циркона. Кремнезем выщелачивают из продуктов разложения водой, оставляя гидроксид циркония для дальнейшей очистки растворением в кислоте и переосаждением. Затем цирконий получают прокаливанием гидроксида. Циркон также превращается в диоксид циркония и диоксид кремния в плазме при температуре 1,800°C (3,270°F) с быстрым охлаждением для предотвращения реассоциации. Свободный диоксид кремния удаляют растворением в гидроксиде натрия. Плавленый диоксид циркония производится в электродуговых печах либо из бадделеита, либо из циркона/углеродного сырья. В последнем процессе компонент кремнезема циркона карботермически восстанавливается до монооксида кремния, который улетучивается до сплавления остаточного диоксида циркония.

Обзор

Промышленная керамическая промышленность очень разнообразна, и в ней много внутренней обработки. Многие окончательные производственные операции проводятся в атмосфере литейного типа. Системы обработки материалов в этих операциях транспортируют мелкозернистое сырье, где пыль может быть проблемой. Затем материалы нагревают до очень высоких температур и плавят или сплавляют в формы, необходимые для конечных деталей. Таким образом, многие из проблем безопасности, которые существуют в любой высокотемпературной промышленности, также существуют в промышленной керамической промышленности.

Кирпич и плитка

Общий профиль

Кирпичи и черепица из глины использовались в качестве строительного материала с древнейших времен во многих частях мира. При правильном изготовлении и обжиге они более долговечны, чем некоторые камни, устойчивы к погодным условиям и большим перепадам температуры и влажности. Кирпич представляет собой прямоугольник стандартного размера, который немного варьируется от региона к региону, но в основном удобен для работы каменщиком одной рукой; кровельная черепица представляет собой тонкие плиты, плоские или изогнутые; глиняная плитка также может быть использована для полов.

Кирпичная промышленность очень раздроблена. Есть много мелких поставщиков, расположенных по всему миру. Производство кирпича, как правило, связано с местными поставщиками и местными рынками из-за стоимости доставки готовой продукции. В 1994 году в Соединенных Штатах насчитывалось 218 заводов по производству кирпича, а в 1992 году число производителей строительных изделий из глины в Великобритании, например, составляло 182. Производители кирпича обычно располагаются вблизи месторождений глины, чтобы снизить стоимость доставки сырья.

В Соединенных Штатах кирпич используется в основном в жилищном строительстве либо в качестве несущего материала, либо в качестве фасадного материала. Поскольку кирпичная промышленность так тесно связана с жилищной промышленностью, производственная деятельность в значительной степени зависит от отрасли жилищного строительства и почти полностью зависит от комбинированной отрасли жилищного и нежилого строительства.

Производственные процессы

Материалы и обработка

Основной материал - глина различных видов с примесями суглинков, сланцев и песка, в зависимости от местных запасов и потребностей, для придания требуемых свойств текстуры, пластичности, равномерности и усадки, цвета.

Добыча глины теперь часто полностью механизирована; производство обычно происходит рядом с отверстием для добычи, но на крупных предприятиях глину иногда транспортируют на салазках по канатным дорогам. Последующая обработка глины варьируется в зависимости от ее состава и конечного продукта, но обычно включает дробление, измельчение, просеивание и смешивание. На рис. 16 показана типичная операция по производству кирпича.

Рисунок 16. Производство кирпича и плитки

Глина для проволочного кирпича разбивается вальцами; добавляется вода в миксере; смесь снова раскатывается и затем подается через горизонтальную мельницу. Экструдированная пластичная глина затем режется по размеру на проволочном столе. Полусухой и жесткий пластик получают прокаткой и просеиванием, а затем подают на механические прессы. Некоторые кирпичи до сих пор формуются вручную.

Там, где используется пластик, кирпичи перед обжигом необходимо высушить либо на солнце и на воздухе, либо чаще в регулируемых печах; кирпичи из полусухого или жесткого пластика можно сразу же обжигать. Обжиг может происходить в кольцевых печах с ручной подачей или в туннельных печах с механической подачей. Используемое топливо будет варьироваться в зависимости от местной доступности. На некоторые декоративные кирпичи нанесена финишная глазурь.

Огнеупоры

Общий профиль

Огнеупорные материалы традиционно рассматриваются как неметаллы, устойчивые к разложению коррозионно-активными газами, жидкостями или твердыми веществами при повышенных температурах. Эти материалы должны выдерживать термический удар, вызванный быстрым нагревом или охлаждением, разрушение из-за термических напряжений, механическую усталость из-за контакта другого материала с самим огнеупором и химическое воздействие, вызванное высокотемпературной средой. Эти материалы необходимы для производства большинства керамических изделий и особенно необходимы в печах, сушилках, печах и деталях двигателей, работающих при высоких температурах.

Огнеупоры оставались почти исключительно на минеральной основе вплоть до 20 века. Тем не менее, технологи, хорошо разбирающиеся в минералогии, обратили на это внимание. Металлурги экспериментировали с методами кислотного и основного шлакообразования со времен Средневековья и каталогизировали некоторые преимущества каждого из них. Соответственно, мастера огнеупоров экспериментировали с ганистером, другими почти чистыми минералами кремнезема и магнезитом, преимущественно MgCO.₃ минерал, прокаленный до MgO. Когда в 1856 году был изобретен бессемеровский конвертер для производства стали, сочетающий рабочие температуры более 1,600ºC с коррозионным кислотным шлакообразованием, «кислотные» кремнеземные огнеупоры были почти готовы. Когда в 1857 году последовала мартеновская печь Сименса с еще более высокими температурами, и производство стали в обоих случаях перешло к коррозионному основному шлакованию, вскоре были введены «основные» магнезитовые футеровки. Основные огнеупоры из доломита (MgO-CaO) были разработаны во время Первой мировой войны, когда поставки магнезита в Европу были отрезаны от союзников. Позже, с разработкой других полезных ископаемых во всем мире, магнезит вновь заявил о себе.

Таблица 4. Использование огнеупоров в промышленности США

 

Между тем, связанные углеродные кирпичи производились в Соединенном Королевстве, начиная с 1863 года, и в конечном итоге они попали в доменную печь для плавки чугуна, поскольку ее рабочие температуры стали еще выше. Они также быстро вошли в ячейки Холла-Эру для производства алюминия (1886 г.).

Известь производилась около 5,000 лет с использованием глины, а затем в печах для обжига огнеупорного кирпича. Производство портландцемента впервые потребовало инновационного огнеупора, когда после 1877 года были введены вращающиеся печи. Первые стойкие футеровки были изготовлены из цементного клинкера на связке. Позже в эту отрасль вернулись более прочные товарные огнеупоры.

Рекуперативные и регенеративные печи, зародившиеся в зародившемся производстве стали в 1850-х годах, были внедрены в цветную металлургию и стеклоделие в конце 19 века. Здесь тоже пришлось вытеснить шамотные огнеупоры. Магнезитовая футеровка использовалась в медных конвертерах с 1909 года и в первых современных стеклянных резервуарах примерно 10 лет спустя. Дуговые электропечи были впервые испытаны для производства стали в 1853 году и стали обычным явлением после 1990 года. В 100 году в Соединенных Штатах была установлена ​​установка массой примерно 1927 тонн с футеровкой из магнезита.

Трехфазные дуговые печи использовались до 1950 года; только тогда возникли серьезные потребности в более сложных огнеупорах. В то же время кислородное дутье было внедрено в бессемеровские и мартеновские печи в 1940-х годах. В конце 1950-х кислородно-конвертерная печь буквально взяла на себя производство стали. Продувка кислородом в силу своей исключительной экономической важности побудила огнеупорную промышленность впервые в значительных масштабах внедрять синтетические материалы в свою продукцию.

Другим фактором, важным для понимания характеристик огнеупора, является размерная стабильность. При промышленном использовании огнеупорные материалы подвергаются циклам нагрева/охлаждения, в результате чего огнеупорные элементы либо расширяются, либо сжимаются. Большие изменения размеров снижают стабильность и могут в конечном итоге привести к выходу из строя огнеупорной конструкции.

Родственным явлением, обычно наблюдаемым с огнеупорными материалами, является растрескивание. Выкрашиванием обычно считают разрушение, расщепление или отслаивание огнеупора, в результате чего обнажается внутренняя масса материала. Выкрашивание обычно вызывается температурными градиентами внутри материала, сжатием в конструкции из-за больших объемных зарядов и изменениями коэффициента теплового расширения внутри кирпича. При производстве огнеупоров прилагаются все усилия, чтобы избежать выкрашивания, поскольку это снижает эффективность огнеупора.

Огнеупоры находят применение в широком спектре промышленных применений, начиная от широкого использования в черной металлургии и заканчивая небольшими объемами использования в цементной промышленности и коммунальном хозяйстве. В основном огнеупоры используются в любой отрасли, где используются высокие температуры для нагрева и сушки или сжигания материала. В таблице 4 представлена ​​текущая разбивка по отраслям использования огнеупоров в Соединенных Штатах.

Как показано в таблице 4, в сталелитейной промышленности используется более 50% огнеупоров, производимых в США. Таким образом, потребности сталелитейной промышленности в значительной степени повлияли на произошедшие разработки огнеупоров.

---

Современные огнеупоры

Керамика существенно выросла из ремесла в прикладную науку. Американское керамическое общество было основано в 1899 г., Британское керамическое общество — в 1901 г. Фазовые диаграммы оксидов стали появляться в литературе в 1920-х гг. Методы петрографии были хорошо развиты, и начали понимать подробные механизмы разрушения и износа огнеупоров. Американские производители огнеупоров были в значительной степени реорганизованы, консолидированы и способны проводить собственные исследования. Расцветали как инструменты тугоплавкого синтеза, так и инструменты исследования.

Синтетические промышленные угли, конечно, не были чем-то новым. Кокс был впервые получен в промышленных масштабах из угля в 1860-х годах, а вскоре после этого из нефти. Синтетический графит и карбид кремния появились почти одновременно на рубеже веков, после изобретения Ачесоном электрической печи с самонагревом в 1896 году. Эти продукты, обладая свойствами, совсем не похожими на свойства оксидов, быстро стимулировали собственное использование и рынки.

Синтетический оксид алюминия, Al₂O₃, был доступен с тех пор, как процесс Байера начал обеспечивать производство алюминия примерно в 1888 году. Синтетическая магнезия (MgO) была впервые получена из морской воды в Соединенном Королевстве в 1937 году и в Соединенных Штатах в 1942 году, что стимулировалось потребностями в магнии во время войны. Цирконий стал доступен, также при поддержке военных. Известь веками была основным товаром. Множество других химикатов имелось в наличии для рассмотрения в качестве огнеупорных компонентов или в качестве второстепенных добавок и связующих веществ. Единственным важным компонентом оксидных огнеупоров, который по большей части сопротивляется замене синтетическими материалами, является кремнезем (SiO₂) Высокочистые кварцевые породы и пески имеются в большом количестве и используются в этой промышленности, а также в рецептуре стекла.

Использование синтетических материалов в производстве огнеупоров оказалось чрезвычайно полезным; но минеральное сырье никоим образом не было вытеснено. Синтетика стоит дороже, и эта стоимость должна быть оправдана. Некоторые синтетические материалы создают серьезные проблемы при обработке огнеупоров, и необходимо найти новые способы их преодоления. Оптимальные результаты часто достигаются за счет комбинации синтетического и минерального сырья, а также творческого подхода к их обработке.

Смеси глины с углеродом использовались для облицовки тиглей и ковшей с тех пор, как впервые разлили железо; а силикатный кирпич, содержащий углерод, производился во Франции в 1860-х годах. С 1960 года резко изменились и техники, и композиции. Использование углеродсодержащих оксидных огнеупоров резко возросло, начиная с MgO+C. Первый реальный импульс мог быть дан BOF; но сегодня едва ли существует какой-либо усовершенствованный тип оксидного огнеупора, который нельзя было бы использовать ни с добавлением углерода, ни с углеродным предшественником, или без него, для обеспечения превосходных характеристик в конкретных применениях.

Огнеупорное зерно или заполнитель, плавленый дугой, производился с начала 1900-х годов, а плавленые огнеупорные кирпичи нескольких составов последовали в двадцатых и тридцатых годах, особенно из муллита, глинозема, магнезиально-глиноземно-кремнеземного и глиноземно-циркониевого кремнезема. Чаще всего эти изделия изготавливались полностью из минерального сырья.

Фактически, огнеупоры на минеральной основе остаются сегодня важным компонентом ассортимента продукции. В целом они дешевле, они часто работают превосходно, и все еще есть много приложений с меньшим спросом, а также с критическим спросом на самые высокие уровни огнеупорности и коррозионной стойкости.

Огнеупорная промышленность

Огнеупоры найдут применение во многих отраслях промышленности для футеровки котлов, печей и печей всех видов, но наибольший процент их используется в производстве металлов. В сталелитейной промышленности типичная доменная или мартеновская печь может использовать множество различных типов огнеупоров, некоторые из которых сделаны из кремнезема, некоторые из хрома и/или магнезита, а некоторые из шамотной глины.

Гораздо меньшие количества также используются в следующих отраслях промышленности: газ, кокс и побочные продукты; электростанции; химикаты; печь печи и плиты; цемент и известь; керамика; стакан; эмали и глазури; локомотивы и корабли; ядерные реакторы; нефтеперерабатывающие заводы; вывоз мусора (мусоросжигательные заводы).

Производственные процессы

Тип огнеупора, который используется в каждом конкретном случае, зависит от критических требований процесса. Например, процессы, требующие устойчивости к газовой или жидкостной коррозии, требуют низкой пористости, высокой физической прочности и стойкости к истиранию. Условия, требующие низкой теплопроводности, могут потребовать совершенно других огнеупоров. Действительно, обычно используются комбинации нескольких огнеупоров. Не существует четко установленной границы между огнеупорными и неогнеупорными материалами, хотя способность выдерживать температуры выше 1,100°C без размягчения упоминается как практическое требование к промышленным огнеупорным материалам.

Технические цели производства данного огнеупора воплощаются в его свойствах и эксплуатационных характеристиках по назначению. Инструменты производства состоят из выбора сырья, методов и параметров обработки. Требования к производству связаны с особенностями фазового состава и микроструктуры, которые в совокупности называются свойствами материала, которые развиваются в процессе обработки и сами отвечают за свойства и поведение продукта.

API

В прошлом огнеупорное сырье выбиралось из множества доступных месторождений и использовалось в качестве добываемых полезных ископаемых. Выборочная добыча давала материалы с желаемыми свойствами, и только в случае дорогого сырья, такого как магнезит, требовался процесс обогащения. Однако сегодня все более востребованным является натуральное сырье высокой чистоты, а также синтетически приготовленное огнеупорное зерно, изготовленное из комбинаций высокочистого и обогащенного сырья. Материал, полученный при обжиге сырых полезных ископаемых или синтетических смесей, называется зерном, клинкером, соклинкером или грогом.

Огнеупоры обычно подразделяют на четыре типа: алюмосиликатные, кремнеземные (или кислотные), основные и прочие.

Материалы, обычно используемые в четырех типах огнеупоров, включают:

1. Алюмосиликатные огнеупоры. Шамоты состоят в основном из минерального каолинита [CAS 1318-74-7] (Al₂0₃  2 SiO₂ 2H₂О) с небольшими количествами других глинистых минералов, кварцита, оксида железа, диоксида титана и примесей щелочей. Глины можно использовать в сыром виде или после обжига. Необработанные глины могут быть грубого или тонкого помола для включения в огнеупорную смесь. Некоторые высокочистые каолины суспензируют, классифицируют, сушат и флотируют на воздухе для достижения постоянного высокого качества. Классифицированные глины также можно смешивать и экструдировать или гранулировать, а затем кальцинировать для получения обожженного синтетического каолинитового шамота, или грубо измельченный необработанный каолинит можно обжечь для получения шамота. При прокаливании или обжиге каолинит разлагается на муллит и кремнистое стекло, включающее минеральные примеси, связанные с отложениями глины (например, кварцит, окись железа, диоксид титана и щелочи), и при высоких температурах уплотняется в плотный, твердый зернистый грог.
2. Кремнеземные или кислотные огнеупоры используют в основном кремнезем в виде измельченного и измельченного кварцита (ганистер) (92-98%), к которому добавляют подходящее связующее вещество, например известь (СаО). Силикатный кирпич обычно нагревают дважды, потому что он расширяется при нагревании (шамотный кирпич дает усадку), и желательно, чтобы расширение было завершено до возведения стены или облицовки.
3. Основные огнеупоры используйте доломит, магнезит (MgO), оксид хрома, железо и алюминий.
4. Разные огнеупоры. Из большого разнообразия используемых в настоящее время материалов наиболее распространенными являются карбиды, такие как карбид кремния, графит, оксид алюминия, бериллий, торий, оксид урана, асбест и оксид циркония.

 

Произошло несколько революций в отрасли. Эти революции включают в себя дальнейшие механизированные методы обработки многотоннажных твердых частиц, расширенные возможности и автоматизацию технологического оборудования и методов для быстрого сбора и анализа данных контроля в процессе. Эти достижения изменили практику производства огнеупоров.

На рис. 17 показано, как изготавливаются различные виды огнеупоров. Рисунок нарисован в стиле «дерева решений» с расходящимися ветвями, обозначенными цифрами для идентификации. Существуют различные пути, каждый из которых позволяет получить огнеупорный продукт определенного типа.

Рисунок 17. Технологическая схема производства огнеупоров

Эти общие блок-схемы представляют тысячи конкретных процессов, различающихся, например, списками исходных материалов, способом подготовки, калибровкой и дозированием (имеется в виду взвешенное количество) каждого, последовательностью и способом смешивания и так далее. Допускаются пропуски — например, некоторые неформованные огнеупоры смешиваются всухую и никогда не смачиваются до установки.

Огнеупоры или изделия могут быть предварительно отформованы (формованы) или отформованы и установлены на месте, но, как правило, они поставляются в следующих формах:

Кирпич. Стандартные размеры огнеупорного кирпича: длина 23 см, ширина 11.4 см, толщина 6.4 см (кирпич прямой). Кирпич может быть экструдирован или подвергнут сухому прессованию на механических или гидравлических прессах. Сформированные формы можно обжечь перед использованием или, в случае пека, смолы или химически связанного кирпича (отвердить).

Литые формы. Огнеупорные композиции плавятся в дуговой печи и отливаются в формы (например, флюсовые блоки для стеклянных резервуаров размером 0.33, 0.66, 1.33 м). После литья и отжига блоки точно шлифуются для обеспечения точной подгонки.

Литые и формованные вручную огнеупоры. Крупные формы, такие как горелочные блоки и флюсовые блоки, и сложные формы, такие как детали устройства подачи стекла, тарелки и т.п., изготавливаются методом шликерного или гидравлического литья цемента или методом ручного формования. Поскольку эти методы трудоемки, они зарезервированы для изделий, которые не могут быть удовлетворительно сформированы другими способами.

Изоляционные огнеупоры. Изоляционные огнеупоры в виде кирпича намного легче обычного кирпича того же состава за счет пористости кирпича.

Литейные и торкрет-массы. Литейные изделия состоят из огнеупорных зерен, к которым добавляется гидравлическое вяжущее. При смешивании с водой гидравлический агент вступает в реакцию и связывает массу. Торкрет-массы предназначены для распыления через форсунку под давлением воды и воздуха. Смесь можно смешать перед выстрелом через пистолет или смешать с водой у сопла.

Пластмассовые огнеупоры и набивные смеси. Пластмассовые огнеупоры представляют собой смеси огнеупорных зерен и пластичных глин или пластификаторов с водой. Смеси для трамбовки могут содержать или не содержать глину и обычно используются с формами. Количество воды, используемой с этими продуктами, варьируется, но сведено к минимуму.

Профессиональные опасности и меры предосторожности

В Таблице 5 представлена ​​информация о многих потенциальных опасностях, встречающихся в этом промышленном секторе.

Таблица 5. Потенциальные опасности для здоровья и безопасности, возникающие при производстве стекла, керамики и связанных с ними материалов

 

Проблемы безопасности и здоровья и модели заболеваний

В этом разделе представлен обзор общеотраслевых задокументированных или предполагаемых проблем с безопасностью и здоровьем. Международные данные о травмах и заболеваниях в этом секторе бизнеса не были обнаружены при поиске в литературе и Интернете (в 1997 г.). Информация, собранная Министерством труда США, Управлением по безопасности и гигиене труда (OSHA) и Бюро трудовой статистики (BLS), использовалась для выявления общих опасностей на рабочем месте и описания характеристик травм и заболеваний. Эти данные должны отражать ситуацию во всем мире.

Опасности, обнаруженные в ходе проверок

Проверки соблюдения нормативных требований компаниями по производству изделий из камня, глины, стекла и бетона (код 32 Стандартной отраслевой классификации (SIC), эквивалентный коду ISIC 36) выявляют некоторые распространенные опасности в этом секторе. Ссылки на соответствие нормативным требованиям, выданные OSHA, указывают на то, что общие проблемы со здоровьем и безопасностью можно сгруппировать следующим образом:

• сообщение об опасности физической и медицинской опасности химических веществ на рабочем месте

• контроль опасной энергии— процедуры блокировки и маркировки для контроля действий рядом с машинами или оборудованием, где непредвиденное включение питания или высвобождение накопленной энергии может привести к травмам. К опасной энергии относятся электрические, механические, гидравлические, пневматические, химические, тепловые излучения и другие источники.

• Электробезопасность, включая конструкцию электрооборудования или системы, способы подключения, безопасные методы работы и обучение

• разрешить вход в замкнутое пространство- процедуры идентификации, оценки и безопасного входа

• средства индивидуальной защиты- оценка, выбор и использование средств защиты глаз, лица, рук, ног и головы.

• охранные машины, оборудование и инструменты для защиты операторов и смежных рабочих от опасностей в месте работы, в местах защемления, а также от вращающихся частей, летящих стружек или искр; включает стационарное оборудование, переносное оборудование и переносные электроинструменты, а также регулировку ограждений и рабочих упоров на абразивно-шлифовальных станках (шлифовальных станках) (см. рис. 18)

 

Рисунок 18. Ограждение машины защищает операторов

• защита органов дыхания— выбор, использование, техническое обслуживание, обучение, медицинское освидетельствование и проверку пригодности респираторов.

• воздействие профессионального шума— контроль облучения инженерными, административными средствами или средствами защиты органов слуха, а также выполнение программ по сохранению слуха.

• предотвращение пожаров и аварийная готовность и реагирование, включая огнетушители, пути эвакуации, планы и хранение или использование легковоспламеняющихся/горючих материалов

• прогулочные и рабочие поверхности, в том числе ограждающие проемы и отверстия в полу и стенах; домашнее хозяйство; и поддержание проходов и проходов в местах, где существует опасность поскользнуться, споткнуться или упасть (см. рис. 19).

 

Рисунок 19. Опасности споткнуться и поскользнуться

• механические промышленные грузовики- проектирование, техническое обслуживание, использование и другие требования безопасности к вилочным погрузчикам, тележкам с платформой, тракторам, моторизованным ручным тележкам или другим специализированным промышленным тележкам, приводимым в действие электродвигателями или двигателями внутреннего сгорания.

• стационарные и переносные лестницы, лестницы и подмости- проектирование, проверка или техническое обслуживание и безопасное использование

• защита от падения-использование средств защиты от падения и страховочного оборудования при работе на высоте.

• резка и сварка- безопасное использование и процедуры для кислородного/ацетиленового или топливного газа или оборудования для дуговой резки или сварки.

• погрузочно-разгрузочное оборудование— включая мостовые и козловые краны, тали, цепи и стропы

• контроль воздействия токсичных или опасных веществ, включая загрязнители воздуха или специально регулируемые химические вещества (например, диоксид кремния, свинец, асбест, формальдегид, кадмий или мышьяк).

 

Профиль травм и заболеваний

Показатели заболеваемости травмами

Согласно данным Министерства труда США, производители изделий из камня, глины и стекла (SIC 32) имеют общий «учетный» уровень несмертельных производственных травм и заболеваний, равный 13.2 случая на 100 штатных работников в год. Этот уровень заболеваемости выше, чем соответствующие показатели для всей обрабатывающей промышленности (12.2) и всей частной промышленности (8.4). Около 51% случаев «учетных травм» в секторе производства изделий из камня, глины и стекла не приводят к потере рабочих дней (отсутствию на работе).

Показатели заболеваемости «общей потерей рабочего дня», основанные на количестве инвалидизирующих травм или заболеваний, приведших к пропуску рабочего дня работником, на 100 работников, занятых полный рабочий день, также доступны в Министерстве труда США. Общий коэффициент потери рабочего дня включает случаи, когда рабочие дни были потеряны, а работник не в состоянии выполнять работу в полном объеме (с ограниченным или облегченным режимом работы). У производителей изделий из камня, глины и стекла общий коэффициент потери трудоспособности составляет 6.5 случаев на 100 рабочих в год. Это выше соответствующих показателей по всей обрабатывающей промышленности (5.5) и по всей частной промышленности (3.8). Около 93% случаев потери рабочего времени в секторе производства изделий из камня, глины и стекла являются результатом травм, а не профессиональных заболеваний.

В таблице 6 представлена ​​более подробная информация о показателях заболеваемости травмами и болезнями (в совокупности) или травмами (отдельно) для различных типов производственных процессов в секторе производства изделий из камня, глины и стекла (код 32 КИЦ). Показатели заболеваемости и демографические данные могут не отражать глобальную информацию, но это наиболее полная доступная информация.

 

---

Таблица 6. Показатели несмертельного производственного травматизма и заболеваемости¹ на 100 штатных работников для компаний США в SIC Code 32, частная промышленность и производство, 1994 г.

 

nec = не классифицированный в других рубриках
- = данные недоступны

¹ Показатели заболеваемости представляют собой количество травм и заболеваний на 100 работников, занятых полный рабочий день, и были рассчитаны как число травм и заболеваний, деленное на количество часов, отработанных всеми работниками в календарном году, умноженное на 200,000 100 (базовый эквивалент для 40 работников при 52 часах в неделю). в течение XNUMX недель в году).

² Руководство по стандартной отраслевой классификации, издание 1987 г.

³ Занятость выражается в виде среднегодового показателя и была получена в основном из программы BLS State Current Employment Statistics.

⁴ Общее количество случаев включает в себя случаи, связанные только с ограниченной рабочей деятельностью, в дополнение к случаям отсутствия на работе с ограниченной рабочей деятельностью или без нее.

⁵ Случаи нерабочих дней включают те, которые возникают в результате нерабочих дней, с ограничением трудовой деятельности или без такового.

Источник = Источник: На основе национального обследования производственных травм и заболеваний в частном секторе, проведенного Министерством труда США, Бюро статистики труда.

---

 

Демография травм и случаев заболевания

На рабочих в возрасте от 25 до 44 лет приходилось около 59% из 23,203 45 случаев травм или заболеваний с потерей трудоспособности в секторе производства изделий из камня, глины и стекла в США. Следующей наиболее пострадавшей группой были рабочие в возрасте от 54 до 18 лет, на долю которых пришлось 20% случаев травм или болезней с потерей трудоспособности (см. рис. XNUMX).

Рисунок 20. Травмы и болезни с временной потерей трудоспособности по возрасту; НАС

Около 85% случаев травм и болезней с потерей трудоспособности в SIC Code 32 приходится на мужчин. В 24% случаев потери рабочего времени (оба пола) работники имели стаж работы менее 1 года. Рабочие со стажем работы от 1 до 5 лет составили 32% случаев. На долю опытных сотрудников со стажем работы более 5 лет приходилось 35% случаев потери рабочего времени.

природа. Анализ профилей происшествий с потерей трудоспособности характеризует природу инвалидизирующих травм и заболеваний и помогает объяснить причинные или способствующие факторы. Деформации и вывихи являются ведущей причиной травм и заболеваний в секторе производства изделий из камня, глины и стекла. Как показано на рисунке 23, деформации и вывихи составляют около 42% всех случаев потери рабочего времени. Порезы и проколы (10%) были вторым по распространенности видом инвалидизирующих травм или заболеваний. Другими основными категориями травм были ушибы (9%), переломы (7%) и боль в спине/другие боли (5%). Тепловые, химические ожоги и ампутации были менее распространены (1% и менее).

Рисунок 21. Производственные травмы и заболевания

События или разоблачения. Рисунок 22 показывает, что перенапряжение при поднятии тяжестей приводит ко всем другим инвалидизирующим травмам или воздействиям. Перенапряжение при поднятии тяжестей было причинным фактором примерно в 17% случаев потери трудоспособности; повторяющиеся движения были экспозицией еще в 5% инвалидизирующих случаев. Следующим наиболее распространенным событием было столкновение с предметом, которое привело к 16% случаев. События, связанные с ударом об объект, вызвали 10% случаев. Другие важные события были зафиксированы в объекте (9%), падения на том же уровне (9%), падения на более низкий уровень (6%) и скольжения/спотыкания без падения (6%). Воздействие вредных веществ или окружающей среды было причинным фактором только в 5% случаев.

Рисунок 22. Событие или воздействие при производственном травматизме

Часть тела. Наиболее часто поражалась спина (24% случаев) (см. рис. 23). Повреждения верхних конечностей (палец, кисть, запястье и рука вместе взятые) встречались в 23% случаев, с повреждением пальца в 7% случаев. Повреждения нижних конечностей были аналогичными (22% случаев), колено было поражено в 9% случаев.

Рисунок 23. Часть тела, пораженная травмой с потерей трудоспособности

Источники. Наиболее частыми источниками инвалидизирующих случаев травм или заболеваний были: детали и материалы (20%); рабочее положение или движение (16%); полы, проходы или грунтовые поверхности (15%); контейнеры (10%); техника (9%); автомобили (9%); ручной инструмент (4%); мебель и приспособления (2%); и химикаты и химические продукты (2%) (см. рис. 24).

Рисунок 24. Источники производственного травматизма

Профилактика и контроль заболеваний

Совокупная травма, связанная с повторяющимися движениями, перенапряжением и чрезмерными усилиями, является обычным явлением в этом производственном секторе. В некоторых случаях доступны роботизированные устройства, но по-прежнему преобладают методы ручной обработки. Компрессоры, воздуходувки, центрифуги, пневматические вибраторы и упаковочное оборудование могут создавать шум, превышающий 90–95 дБА. Защита органов слуха и программа сохранения здорового слуха предотвратят необратимые изменения слуха.

Эта промышленность потребляет большое количество кристаллического кремнезема. Воздействие должно быть ограничено во время обращения, технического обслуживания и очистки. Надлежащая уборка с использованием надлежащей вакуумной системы или методов влажной уборки снизит потенциальное воздействие. Следует проводить периодический скрининг с использованием тестов функции легких и мазков грудной клетки, если произошло чрезмерное воздействие кремнезема. Воздействие тяжелых металлов, присутствующих в сырье, глазури или пигментах, также должно быть сведено к минимуму. Использование заменителей тяжелых металлов, содержащихся в глазури, также устранит проблемы со здоровьем, связанные с выщелачиванием металлов в пищу или напитки. Для предотвращения неблагоприятных последствий используются надлежащие методы ведения домашнего хозяйства и средства защиты органов дыхания. Может потребоваться медицинское наблюдение, включающее биологический мониторинг.

Использование связующих, содержащих формальдегид, эпоксидные смолы и силаны, широко распространено при производстве стекловолокна. Необходимо принять меры для сведения к минимуму раздражения кожи и дыхательных путей. Формальдегид считается канцерогеном во многих странах. Респирабельные волокна производятся при производстве, изготовлении, резке и монтаже изделий из стекла, камня, шлака и огнеупорных керамических волокон. Хотя воздействие переносимых по воздуху волокон, как правило, было довольно низким (менее 1 волокна на кубический сантиметр) для большинства этих материалов, применение выдувания рыхлого наполнителя, как правило, намного выше.

Камень, шлак и стекло являются одними из наиболее широко изученных коммерческих изоляционных материалов, используемых сегодня. Эпидемиологические исследования показали, что курение сигарет оказывает большое влияние на смертность от рака легких среди производственных рабочих. Хорошо проведенные поперечные исследования не показали, что волокна вызывают избыточную легочную смертность или заболеваемость. Недавние исследования хронических ингаляций у крыс показали, что долговечность волокон стекловидного тела является критическим фактором, определяющим биологический потенциал этих волокон. Состав, определяющий долговечность этих волокон, может значительно различаться. Чтобы избежать проблем со здоровьем населения, Технический комитет Европейской комиссии недавно предложил проверить биостойкость волокон стекловидного тела с помощью кратковременного вдыхания. В качестве эталонного волокна предлагается изоляционная шерстяная композиция, которая была тщательно испытана при максимально переносимой дозе путем хронического вдыхания на крысах и не вызывала необратимых заболеваний.

Вопросы окружающей среды и общественного здравоохранения

Основным загрязнителем воздуха, выбрасываемым при производстве стекла, керамики, глиняной посуды и кирпича, являются твердые частицы. Максимально достижимая технология контроля, состоящая из рукавных фильтров и мокрых электрофильтров, позволяет при необходимости сократить выбросы. Опасные загрязнители воздуха, образующиеся в процессе смешивания, нанесения и отверждения вяжущего, находятся под пристальным вниманием. К таким веществам относятся стирол, силаны и эпоксидные смолы, используемые в непрерывной стеклянной нити, а также формальдегид, метанол и фенол, используемые при производстве горных пород, шлаков и стекла. Формальдегид является опасным загрязнителем воздуха, который определяет стандарты контроля для последних производственных линий. Опасные загрязнители воздуха тяжелыми металлами, такие как хром, определяют стандарты стекловаренных печей, в то время как NO_x и так_x остаются проблемами в некоторых странах. Выбросы фтора и бора вызывают озабоченность при непрерывном производстве стекловолокна. Бор также может стать проблемой для окружающей среды, если в некоторых странах потребуются хорошо растворимые волокна стекловаты.

Из-за высокого расхода воздуха и характера формовки и варки стекла в промышленности испаряется значительное количество воды. Многие объекты, как, например, в США, имеют нулевой сброс сточных вод. Повторно используемые сточные воды, содержащие органические вещества, могут создавать биологическую опасность на рабочем месте, если не проводится очистка для предотвращения биологического роста (см. рис. 25). Отходы, образующиеся в этом промышленном секторе, включают тяжелые металлы, коррозионные вещества, некоторые связующие вещества и отработанные растворители. Производство стекловолокна стало основным пунктом переработки стеклянных бутылок и листового стекла. Например, современные изделия из стекловаты содержат от 30 до 60% переработанного стекла. Отработанные огнеупоры также утилизируются и повторно используются.

Рисунок 25. Аэрозоли повторно используемых сточных вод

Благодарности: Особая благодарность Дэну Димасу, CSP, Libbey-Owens-Ford, за предоставление фотографий и Мишелю Субейрану, Libbey-Owens-Ford, за предоставление информации о химическом осаждении из паровой фазы для раздела, посвященного стеклу.

 

Назад

Оптические волокна представляют собой тонкие нити стекла, предназначенные для передачи световых лучей вдоль своей оси. Светодиоды (LED) or лазерные диоды преобразовывать электрические сигналы в оптические сигналы, которые передаются через внутреннюю цилиндрическую жилу оптоволоконного кабеля. Более низкие преломляющие свойства внешней оболочки позволяют световым сигналам распространяться за счет внутреннего отражения вдоль внутренней цилиндрической сердцевины. Оптические волокна спроектированы и изготовлены для распространения либо в виде одного светового луча, либо в виде нескольких световых лучей, одновременно передаваемых по сердцевине. (См. рис. 1.)

Рис. 1. Одномодовые и многомодовые оптические волокна

Одномодовое волокно в основном используется для телефонии, приложений кабельного телевидения и магистралей кампуса. Многомодовое волокно обычно используется для передачи данных и в локальных сетях.

Производство оптического волокна

Для производства оптических волокон, отвечающих основным критериям проектирования, требуются специальные материалы и процессы: (1) сердцевина с высоким показателем преломления и оболочка с низким показателем преломления, (2) низкое затухание сигнала или потери мощности и (3) низкая дисперсия или расширение светового луча.

Кварцевое стекло высокой чистоты в сочетании с другими стеклянными материалами (например, стеклами из фторидов тяжелых металлов, халькогенидными стеклами) являются основными материалами, используемыми в настоящее время для изготовления оптических волокон. Применяются также поликристаллические материалы, монокристаллические материалы, полые волноводы и полимерные пластмассы. Сырье должно быть относительно чистым с очень низким содержанием переходных металлов и гидроксильных групп (ниже уровня частей на миллиард). Методы обработки должны защищать формующее стекло от примесей в производственной среде.

Оптические волокна изготавливаются с использованием нетрадиционной парофазной подготовки стеклянной заготовки, которая затем вытягивается в волокно. Летучие соединения кремнезема превращаются в SiO₂ гидролизом в пламени, химическим осаждением из паровой фазы (CVD) или высокотемпературным окислением. Затем к стеклу добавляют другие примеси, чтобы изменить свойства стекла. Вариации в процессе осаждения из паровой фазы начинаются с одного и того же материала, но различаются методом, используемым для преобразования этого материала в кремнезем.

Для изготовления оптических волокон на основе диоксида кремния используется один из следующих методов осаждения из паровой фазы: (1) модифицированное химическое осаждение из паровой фазы (MCVD), (2) плазмохимическое осаждение из паровой фазы (PCVD), (3) внешнее парофазное осаждение (OVD), и (4) осевое осаждение из паровой фазы (VAD) (см. рис. 2). Тетрахлорид кремния ( SiCl₄), тетрахлорид германия (GeCI₄) или другие летучие жидкие галогениды превращаются в газ при небольшом нагревании из-за высокого давления паров. Газообразный галогенид подается в зону реакции и превращается в частицы стекла (см. также главу Микроэлектроника и полупроводники.)

Рисунок 2. Технологическая схема производства оптического волокна

МКВД и ЦВЗ Процессы. Высококачественная трубка из плавленого кварца прикрепляется к токарному станку для обработки стекла, оснащенному водородно-кислородной горелкой, которая проходит по всей ее длине. К одному концу стеклянной трубки присоединен источник галогенидного материала, а к противоположному концу - скруббер для удаления избытка галогенидного материала. Поверхность стеклянной трубки сначала очищают огневой полировкой по мере того, как факел проходит по всей длине трубки. В паровую систему добавляются различные реагенты в зависимости от производимого продукта. Химическая реакция происходит, когда галогениды проходят через нагреваемое сечение трубки. Галогениды превращаются в частицы «сажи» кремнезема, которые оседают на внутренней стенке стеклянной трубки ниже по потоку от горелки. Осажденные частицы спекаются в слой стекла. Процесс PCVD аналогичен MCVD, за исключением того, что галогениды подаются с помощью барботерной системы, а микроволны используются вместо горелки для преобразования галогенидного материала в стекло.

ВОП и ВАД Процессы. На первом этапе производства волокна ядро и покрытие стекла осаждаются из паровой фазы вокруг вращающегося стержня-мишени, образуя заготовку «сажи». Сначала наносится сердцевина, а затем оболочка. Вся заготовка должна быть очень чистой, так как и сердцевина, и оболочка напыляются. Геометрия волокна определяется на этапе укладки при производстве. После удаления целевого стержня заготовку помещают в печь, где она затвердевает в твердое прозрачное стекло, а центральное отверстие закрывается. Через преформу пропускается газ для удаления остаточной влаги, отрицательно влияющей на затухание волокна (потеря оптического сигнала при прохождении света вдоль оси волокна). Затем преформы промывают плавиковой кислотой для обеспечения чистоты стекла и удаления загрязнений.

Консолидированная стеклянная заготовка помещается в вытяжную колонну для формирования непрерывной нити стекловолокна. Сначала преформа загружается в верхнюю часть вытяжной печи. Далее кончик заготовки нагревается и начинает падать кусок расплавленного стекла. Когда этот кусок вытягивается (вытягивается), он проходит через встроенный монитор диаметра, чтобы убедиться, что волокно соответствует точно указанному диаметру (обычно измеряется в микронах). Диаметр оболочки волокна должен соответствовать точным спецификациям, чтобы поддерживать низкие потери сигнала в соединениях. . Внешний диаметр оболочки используется в качестве ориентира для выравнивания волоконных сердцевин во время конечного использования. Сердечники должны быть выровнены, чтобы передача света происходила эффективно.

Акрилатные полимерные или другие покрытия наносятся и отверждаются ультрафиолетовыми лампами. Покрытия предназначены для защиты оптического волокна от окружающей среды во время конечного использования. Оптические волокна тестируются на соответствие производственным стандартам прочности, затухания и геометрии. Волокна определенной длины наматываются на катушки в соответствии с требованиями заказчика.

При производстве оптического волокна возникает ряд потенциальных опасностей. К ним относятся: (1) воздействие плавиковой кислоты (при очистке стеклянных заготовок), (2) лучистая энергия и тепловой стресс, связанные с рабочей средой вблизи токарных станков и процессами осаждения из паровой фазы, (3) прямой контакт с горячими поверхностями или расплавленным материалом (стеклянные заготовки). ), (4) воздействие акрилатных полимерных покрытий (кожных сенсибилизаторов), (5) проколы и порезы кожи при работе с волокном и (6) различные физические опасности, описанные ранее.

 

Назад