Технологический процесс получения конденсаторных ситаллов с высокой диэлектрической проницаемостью

Кристаллизация стекла это процесс при котором рост кристаллов начинается одновременно из большого количества центров кристаллизации, равномерно распределенных в стекле, которому уже придана форма изделия.

В области низких температур стеклообразное состояние метастабильно. При нагревании стекло стремится перейти в термодинамически устойчивое состояние, что может быть достигнуто в результате фазового разделения. Фазовое разделение может осуществляться путем кристаллизации или ликвации стекла. Вследствие высокой вязкости стекломассы процессы фазового разделения не достигают полного завершения и в материале обычно после фазового разделения сосуществуют по меньшей мере две фазы: кристаллическая и стекловидная - при кристаллизации; и две стекловидных - при ликвации.

Фазовое разделение приводит не только к ухудшению или потере прозрачности и прочности изделий, но и к нарушению технологических режимов выработки и формования.

Управляя процессом ликвации или кристаллизации, удается получать разнообразные материалы на основе стекла с регулируемой прозрачностью, вплоть до непрозрачных стекол молочно-белого цвета. Склонность расплавов и стекол к кристаллизации определяется их составом, положением состава на диаграмме состояния (в случае простых систем), температурой и давлением.

Механизм кристаллизации стекол включает две стадии: образование центров кристаллизации (зародышей) и рост кристаллов на них.

2.6.1 Образование центров кристаллизации (зародышей)

Центры кристаллизации представляют собой микрочастицы с упорядоченным составом и структурой, имеющие границу раздела фаз с окружающей средой. Центры кристаллизации могут зарождаться гомогенно в результате локальных флуктуации состава или структуры. В случае гомогенной кристаллизации состав выделяющихся кристаллов соответствует составу центров кристаллизации. Гетерогенная кристаллизация происходит на примесных центрах инородной фазы. Состав кристаллов в этом случае не соответствует составу центров кристаллизации.

Скорость образования центров кристаллизации и линейная скорость роста кристаллов зависят от температуры. По мере увеличения степени переохлаждения растет скорость образования центров кристаллизации и таким образом их число. После достижения максимального значения в некотором температурном интервале, определяемом составом стекла, вязкостью стекломассы, а также природой выделяющейся кристаллической фазы, скорость образования центров кристаллизации уменьшается до нуля.

В области высоких температур подвижность частиц велика, возникающие центры кристаллизации не устойчивы. С понижением температуры повышается стабильность центров, особенно после достижения ими критических размеров. Скорость зародышеобразования при этом резко возрастает.

2.6.2 Рост кристаллов

Параметрами, определяющими кристаллизационную способность стекол, являются температурный интервал кристаллизации, верхняя температура кристаллизации (равная температуре ликвидуса) и скорость роста кристаллов. В технологии стекла важно, чтобы кристаллизационная способность расплава и стекломассы была низкой, т.е. температурный интервал кристаллизации должен быть узким, скорость кристаллизации мала, а верхняя температура кристаллизации лежать ниже температуры выработки стекломассы. На рисунке 2.2 представлена технологическая схема получения ситаллов по стекольной технологии.

Наиболее опасными с точки зрения возможной кристаллизации стекла являются температурные зоны студки и выработки.

Границы раздела фаз - поверхность стекла - воздух, участки соприкосновения с огнеупорами, газовые пузыри в стекломассе, свили, инородные твердые включения и т. п. - способствуют кристаллизации стекла.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.2 - Технологическая схема получения ситаллов по стекольной технологии

В зависимости от соотношения различных параметров процесс кристаллизации может развиваться различно. Например, при высокой скорости роста кристаллов и низкой скорости зародышеобразования в стекле наиболее вероятно образование крупных кристаллов или сферолитов. Наоборот, при низкой скорости роста кристаллов и высокой скорости образования центров кристаллизации в стекле образуются многочисленные кристаллические включения примерно одинаковых размеров

Кристаллизация стекол может быть поверхностной и объемной. Объемная кристаллизация развивается, как правило, после того, как прошла поверхностная кристаллизация. Низкая вязкость стекол в температурной области кристаллизации способствует их объемной кристаллизации.

Даже незначительно изменяя соотношение компонентов в составе стекла, удается влиять на склонность стекол к кристаллизации.

3. Контроль параметров

3.1 Контроль стекольной шихты

Контроль стекольной шихты заключается в проверке тщательности перемешивания сырьевых материалов и соответствия весового количества компонентов шихты установленному рецепту. Химический контроль осуществляется на стекольных заводах обычно несколько раз в сутки (2-3 раза).

Для проверки однородности шихты берут три (или более) местные пробы. Качество приготовления шихты оценивают по ее однородности и по величине отклонений результатов ее химического анализа от рецепта шихты.

Каждую из взятых проб в отдельности подвергают химическому анализу; на основании сопоставления результатов этих анализов делают вывод о степени однородности шихты. Хорошая сходимость результатов анализов отдельных проб указывает на тщательность смешивания компонентов шихты и отсутствие ее расслоения в процессе хранения или транспортирования. Для анализа берут навеску шихты около 5 г. В пятикомпонентной шихте для характеристики ее однородности необходимо определить содержание не менее трех компонентов.

3.2 Диэлектрическая проницаемость стекла

стекло ситалл шихта диэлектрический

Величина диэлектрической проницаемости диэлектрика оценивается как отношение емкости конденсатора С_х, между обкладками которого находится данный диэлектрик, к емкости конденсатора С, обкладки которого разделены воздухом. Следовательно,

Диэлектрическая проницаемость стекол зависит от температуры, частоты переменного поля и химического состава стекла. В интервале температур 20-130°С диэлектрическая проницаемость стекол увеличивается на 3-10%, а при температурах свыше 250-300°С резко возрастает. С увеличением частоты тока диэлектрическая проницаемость стекол уменьшается, особенно при повышенных температурах.

Увеличение в составе стекла щелочных окислов ведет к росту его диэлектрической проницаемости. Другие исследования подтвердили это для силикатных стекол, причем наибольшей диэлектрической проницаемостью обладают стекла, содержащие значительное количество окиси свинца.

Поляризация в стеклах складывается из электронной, ионной и структурной поляризации. Электронная поляризация характерна для всех диэлектриков и, будучи вполне упругой, практически не связана с потерей энергии, она происходит путем смещения электронов упруго связанных ионов. Электронная поляризация возрастает с повышением температуры, так как при этом ослабляются упругие силы связи и увеличивается расстояние между частицами диэлектрика в результате его расширения. Ионная поляризация диэлектрика устанавливается обычно за 10^-13сек и сопровождается весьма малым рассеиванием энергии. Структурная поляризация обусловлена тепловым движением слабо связанных ионов.

Для того чтобы определить значение диэлектрической проницаемости исследуемого диэлектрика, необходимо дважды измерить емкость какого-либо конденсатора - вначале при наличии между его обкладками данного диэлектрика, а затем воздуха. Следовательно, определение диэлектрической проницаемости сводится по существу к измерению емкости диэлектрика, которая может быть определена различными методами.

Диэлектрическую проницаемость определяют обычно одновременно с диэлектрическими потерями, на одной и той же установке, которая рассматривается ниже.

3.3 Диэлектрические потери в стекле

Если к диэлектрику приложено постоянное электрическое напряжение, то потери энергии обусловлены только его проводимостью. Переменное напряжение электрического поля вызывает в диэлектрике дополнительные потери, которые часто значительно превышают потери, связанные с проводимостью диэлектрика.

Диэлектрическими потерями называют ту часть электрической энергии, которая при прохождении переменного тока через диэлектрик теряется в нем, превращаясь в тепло. Вследствие этих потерь диэлектрик в сильных высокочастотных электрических полях разогревается и нарушает нормальную работу того или иного электрического прибора. Конденсатор с идеальным диэлектриком обладает только емкостным сопротивлением, поэтому в нем тепло не выделяется. Конденсатор с диэлектриком из стекла обладает не только емкостным, но и активным сопротивлением, поглощая некоторое количество энергии, составляющей диэлектрические потери.

Величину диэлектрических потерь определяют по уравнению:

,

где Q_п - мощность, поглощаемая конденсатором; Е - напряжение на обкладках конденсатора; I - сила переменного тока; - угол сдвига фаз между током и напряжением.

Диэлектрические потери в стеклах складывается из потерь проводимости, релаксационных и структурных.

Потери проводимости обусловлены электропроводностью стекла. Эти потери преобладают в основном при технической частоте тока при высоких же частотах они очень малы и зависят от температуры, частоты тока и состава стекла.

Релаксационные потери связаны с тепловым движением слабосвязанных ионов. Величина этих потерь особенно возрастает в области температуры размягчения стекла, а также с увеличением частоты тока; при высоких частотах этот вид потерь является преобладающим.

Структурные потери обусловлены особенностями строения диэлектрика и зависят от степени упаковки элементарных частиц. Эти потери не связаны с тепловым движением и не зависят от температуры. При технических и низких частотах тока структурные потери ничтожны; они значительно возрастают только в области частот, соответствующих собственным колебаниям ионов..

Твердые неорганические диэлектрики - кристаллы, стекла и керамические материалы - имеют сравнительно малые диэлектрические потери, которые сильно зависят от состава и структуры диэлектрика. В стеклах высокочастотные потери значительно превышают омические.

Влияние химического состава стекла на величину диэлектрических потерь подобно влиянию его на электропроводность стекла, т.е. компоненты, увеличивающие электропроводность, повышают и диэлектрические потери в стекле. Соответственно, стекла, содержащие малоподвижные ионы имеют малую электропроводность и малые диэлектрические потери. Чистое кварцевое стекло имеет очень малые потери и проводимость, а также небольшую диэлектрическую проницаемость. Обычные стекла, содержащие щелочные и щелочноземельные окислы, наоборот, имеют значительные потери и проводимость, а также повышенную диэлектрическую проницаемость.

Термическая обработка стекла заметно влияет на величину диэлектрических потерь. Так, закалка стекла почти удваивает угол диэлектрических потерь по сравнению с нормально отожженным стеклом.

3.4 Определение диэлектрических потерь и проницаемости

Угол диэлектрических потерь и диэлектрическую проницаемость измеряют в основном при помощи мостов переменного тока и резонансных схем. Для испытания используют плоские и трубчатые образцы таких же размеров, как при определении удельного сопротивления. Берут не менее трех образцов. Электроды можно применять такие же, как и при определении электропроводности стекла.

Наиболее надежными являются ртутные электроды, которые следует применять при условии, что поверхность ртути свободна от пленок окислов и пыли, а температура окружающей среды не превышает 30-40° С. При работе с ртутными электродами необходимо тщательно соблюдать правила безопасности, так как ртуть ядовита. Электроды из серебра, золота или других металлов, полученные методом катодного нанесения, а также возгонкой в вакууме, достаточно надежны только при большой толщине слоя металла, в противном случае они обладают заметным сопротивлением, а при высокой частоте значительно увеличивают диэлектрические потери. Надежны также электроды, полученные по методу вжигания, так как в этом случае их контакт с диэлектриком почти идеален, а сопротивление серебряного слоя легко может быть сделано малым. Для стекол при низких температурах можно применять ртутные электроды, а при высоких температурах - серебряные, нанесенные вжиганием или пришлифованные.

Для измерения диэлектрических потерь и емкости применяют куметр.

Куметр измеряет емкость в пределах от 30 до 450 пФ, а добротность - от 10 до 600 единиц (с использованием множителя <3). Погрешность при измерении емкости обычно не превосходит ± 1 пФ, или ± 1% при емкости образца С_х, равной 100 пФ. При измерении добротности погрешность не превосходит 5%. Диапазон рабочих частот прибора - от 50 кГц до 35 МГц. На основании полученных данных рассчитывают тангенс угла диэлектрических потерь образца[6].

4. Техника безопасности при производстве стекла

Правила техники безопасности и производственной санитарии в стекольной промышленности. При эксплуатации стекловаренных печей, работающих на природном газе, обслуживании и ремонте газопроводов должны соблюдаться требования Правил безопасности в газовом хозяйстве и Правил устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов для горючих, токсичных и сжиженных газов.

4.1. Помещения, в которых расположены ванные стекловаренные печи, должны быть оборудованы системой естественной вентиляции (аэрации) в соответствии с требованиями СНиП П-33-75 * «Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха».

4.2. Вентиляционное оборудование ванной стекловаренной печи должно быть размещено в отдельном или огражденном помещении, на вход в которое необходимо повесить запрещающий знак безопасности 1.5 по ГОСТ 12.4.026-76 с изм. с надписью: «Вход посторонним лицам воспрещен»; помещение должно запираться на замок, ключ от которого должен находиться у начальника или мастера смены,

4.3. Нижний этаж или подвал должны иметь аварийное освещение в соответствии с требованиями СНиП II-4-79 «Естественное и искусственное освещение» и сообщаться с помещением машинно-ванного цеха лестницами и иметь не менее двух выходов в разных концах здания.

4.4. На входах в помещение под ванной печью должен быть вывешен запрещающий знак безопасности 1.5 по ГОСТ 12.4.026-76 с изм. с надписью: «Вход посторонним лицам воспрещен».

4.5. Высота от пола до основания донных балок стекловаренной печи не должна быть менее 2,5 м; при наличии под печью трубопроводов расстояние от пола до них не должно быть менее 2,2 м.

4.6. Вдоль бассейна ванной печи под горелками при низких регенераторах не должны быть проходы высотой менее 1,7 м, шириной менее 1,2 м.

Между бассейном и регенератором, верх которого находится на уровне свода ванной печи, должен быть проход высотой не менее 2,2 м и шириной не менее 2 м; регенераторы и горелки должны быть экранированы.

4.7. Вдоль огнеупорной кладки верха бассейна (окружки) ванная печь должна быть оборудована системой охлаждения.

4.8. Вентиляторы, используемые для охлаждения окружки печей, должны быть расположены вне рабочих помещений.

4.9. Для уменьшения тепловыделения в цех швы свода стекловаренной печи после выхода ее на эксплуатационный режим (выводки) должны быть тщательно заделаны.

4.10. Колонны обвязки ванной стекловаренной печи должны быть соединены двойными (из двух прутков) поперечными связями. За состоянием связей должно следить ответственное лицо, назначаемое администрацией предприятия.

4.11. Площадки обслуживания связей и свода стекловаренных печей должны соответствовать требованиям пп. 4.54 и 4.55 первой части Правил.

Настил площадок для обслуживания связей и свода печей должен быть выполнен из просечно-вытяжной стали по ГОСТ 8706-78 с изм. или из металлических прутков диаметром 12-16 мм с шагом не более 50 мм.

4.12. Опорные конструкции стекловаренных печей должны обеспечивать возможность осмотра нижнего строения и должны быть оборудованы площадками для обслуживания оборудования (термопар, донных электродов и воздухопроводов сжатого воздуха), соответствующими требованиям п. 4.55 первой части Правил.

4.13. Свод стекловаренной печи необходимо не реже двух раз в месяц очищать от пыли вакуумным способом; сдувать пыль сжатым воздухом запрещается.

4.14. Ванные печи в рабочих местах их обслуживания должны быть экранированы. Вновь проектируемые и реконструируемые печи, а также печи во время капитального ремонта должны быть полностью теплоизолированы каолиновым волокном, фосфат-цементом или другими эффективными теплоизоляционными материалами в соответствии с утвержденной технической документацией.

4.15. На постоянных рабочих местах в машинно-ванных цехах должно быть воздушное душирование по п. 4.9 настоящих Правил.

4.16. Забор воздуха для воздушного душирования должен производиться с соблюдением требований СНиП 11-33-75 * «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха», утвержденных Госстроем СССР.

4.17. Загрузка шихты и боя в ванные печи должна быть механизирована.

4.18. Загрузочные карманы ванных печей должны быть экранированы и оборудованы укрытиями, подсоединенными к аспирационным системам, с очисткой отсасываемого воздуха.

4.19. Загрузочные бункера шихты стеклобоя должны быть перекрыты металлической решеткой с размером ячейки не более 150Х Х150 мм.

4.20. Транспортировка боя стекла к бункерам загрузочных карманов ванной печи должна быть механизирована.

НАОП 1.6.10-1.01-77 Правила техники безопасности и производственной санитарии в промышленности строительных материалов.

Правила техники безопасности и производственной санитарии в стекольной промышленности. Места открытого хранения боя должны иметь твердую ровную поверхность и по периметру сплошное металлическое ограждение высотой не менее 1 м.

4.21. Хальмовка (очистка верхнего слоя) стекломассы ванной печи должна производиться гребками с металлической ручкой длиной не менее 3 м. Операция должна выполняться с использованием средств индивидуальной защиты (очки защитные со светофильтрами по ГОСТ 12.4.003-80, рукавицы специальные по ГОСТ 12.4.010-75 с изм. от повышенных температур).

4.22. Отбор проб стекломассы должен производиться в установленных местах ложкой с металлической ручкой длиной не менее 3 м. Операция должна выполняться с использованием средств индивидуальной защиты (очки защитные со светофильтрами по ГОСТ 12.4.003-80, рукавицы специальные по ГОСТ 12.4.010-75 с изм. от повышенных температур).

4.23. Инструмент, применяемый при хальмовке и отборе проб стекломассы, перед укладкой на стеллаж должен быть охлажден.

4.24. Вновь устанавливаемые шиберы в боровах и газовых каналах печей должны изготовляться из жаропрочного металла и применяться без водяного охлаждения.

При применении на предприятиях водоохлаждаемых шиберов, а также холодильников в печах должны быть обеспечены следующие меры безопасности:

а) устройство в системе водоснабжения шиберов (холодильников) питательного бака, оснащенного сигнализацией нижнего уровня воды; видимый слив воды из шибера (холодильника) в водоотводящую трубу, расположенную ниже уровня слива, доступный для визуального контроля;

б) контроль за работой питательных насосов, их ревизией и ремонтом в соответствии с требованиями инструкции, утверждаемой главным инженером предприятия совместно с комитетом профсоюза.

4.25. Устройство и эксплуатация электроустановок ванной стек, доваренной печи, оборудованной системой электрообогрева стекломассы, должны соответствовать требованиям Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей и Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей.

4.26. При техническом обслуживании ванных стекловаренных печей, оборудованных системой электроподогрева стекломассы, а также системой ее бурления, должны выполняться требования инструкций по безопасному ведению работ, утверждаемых главным инженером предприятия.

НАОП 1.6.10-1.01-77 Правила техники безопасности и производственной санитарии в промышленности строительных материалов. Раздел 4. Правила техники безопасности и производственной санитарии в стекольной промышленности. Ремонты печей, регенераторов, горелок и выработочных каналов необходимо производить по проекту производства работ (ППР) и наряду-допуску в соответствии с требованиями п. 13.46 и при л 15 первой части Правил Работы по ремонту печей следует производить при температуре воздуха в них не выше 40 ⁰С в одежде специальной по ГОСТ 124045-78 с изм., ГОСТ 12.4.044-78 с изм. и обуви специальной по ГОСТ 12.4.050-78 с изм. Рабочие места должны быть оборудованы вентиляторами. Непрерывная работа при температуре воздуха 40 ⁰С и тепловом излучении 4,2-103 Вт/м² и выше не должна превышать 15 мин с последующим 10-минутным перерывом для отдыха в специально отведенных помещениях с местами для лежания.

4.27. Разогретые огнеупорные детали необходимо подвозить к месту их установки на специальных теплоизолированных тележках. извлеченный из печи или канала отработанный горячий огнеупор должен быть охлажден и удален из цеха.

4.28. В цехе на видном месте должен быть вывешен план ликвидации аварий ванной печи, утвержденный главным инженером предприятия,

4.29. Персонал, обслуживающий печь, должен быть проинструктирован о порядке действий в случае аварий ванной печи.

4.30. Состояние брусьев печи и дна бассейна, металлических креплений стеновых брусьев, связей главного свода необходимо контролировать в порядке, установленном Правилами технической эксплуатации заводов по производству листового стекла и Правилами технической эксплуатации заводов по производству тарного стекла и сортовой посуды[7].

Заключение

Целью данного курсового проекта было изучение технологического процесса изготовления конденсаторных ситаллов с высокой диэлектрической проницаемостью.

В первой части были рассмотрены общие сведения о структурных параметрах, определяющие структуру стекла. Подробно изучены стеклокристаллические материалы (ситаллы) их классификация и методы получения.

Во второй части курсового проекта установили требования, предъявляемые к стеклу на основе которого получаем ситалл, рассчитали шихту для стекла. Составили технологическую схему получения конденсаторных ситаллов с высокой диэлектрической проницаемостью, у которой компонентами является глинозем, карбонад бария, кварцевый песок, и так же вводится катализатор рутил.

Произвели контроль параметров синтезированного материала. Контролируемыми параметры при изготовлении стекла, являются диэлектрические проницаемость и потери в стекле.

Изучили технику безопасности при варке стекла.

Список использованных источников

1. Бережной, А.И. Ситаллы и фотоситаллы/ А.И. Бережной - М.: Машиностроение, 1966 - 149с.

2. Пасынков, В.В. Материалы электронной техники/ В.В. Пасынков, В.С. Сорокин - Санкт Петербург: Издательство «Лань», 2001 - 368с.

3. Павнушкина, Н.М. Химическая технология стекла и ситаллов/ Н.М. Павнушкина - М.: Стройиздательство, 1983 - 432с.

4. Богородинский, Н.Г. Электротехнические материалы/ Н.Г. Богородинский, В.В. Пасынков - М.: Энергоатомиздательство, 1985 - 308с.

5. Китайгородского, Н.Н. Справочник по производству стекла/ Н.Н.Китайгородского - М.: Госстройиздательство, 1963г - 1026с.

6. Павлушкин, Н.М. Практикум по технологии стекла и ситаллов/ Н.М. Павлушкин, Г.Г. Сентюрик, Р.Я Хадовская - М.: Литература по строительству, 1970 - 512с.

7. НАОП 1.6.10-1.01-77 Правила техники безопасности и производственной санитарии в промышленности строительных материалов, 1977г.

Приложение

Размещено на Allbest.ru