автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Электроизоляционные стеклокристаллические покрытия на стальных подложках пленочных электронагревателей

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

РГ8 ОД 2 ОНТ *

БШИИ ОЛЕКСАНДР ЯКОВИЧ

УДК 666.266.6:621.315.612.7/8

ЕЛЕКТРОІЗОЛЯЦІЙНІ СКЛОКРИСТАЛІЧНІ ПОКРИТТЯ НА СТАЛЬНИХ ПІДКЛАДКАХ ПЛІВКОВИХ ЕЛЕКТРОНАГРІВАЧІВ

Спеціальність 05.17.11 - технологія тугоплавких неметалічних матеріалів

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі хімічної технології кераміки та склг Українського державного хіміко-технологічного університету Міністерств* освіти і науки України, м. Дніпропетровськ

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент Голеус Віктор Іванович Український державний хіміко-технологічний університет, (м. Дніпропетровськ), професор кафедри хімічної технології кераміки та скла

доктор технічних наук, професор Брагіна Людмила Лазарівна Харківських державний політехнічний університет (м. Харків) професор кафедри технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей

кандидат технічних наук, доцент

Бурак Микола Петрович

Харківська державна академія міського

господарства, (м. Харків)

доцент кафедри технології будівельного

виробництва і будівельних матеріалів

Провідна установа:

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, кафедра хімічної технології кераміки і скла. Міністерства освіти і науки України (м. Київ)

Захист відбудеться « /3 » 2000 р. о годині на засіданн

спеціалізованої вченої ради Д 64.050.03 при Харківському' державном; політехнічному університеті за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державног< університету (м. Харків, вул. Фрунзе, 21)

Автореферат розісланий «/У» 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Сахненко МД

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В сучасних економічних умовах України іжливою є проблема енергозбереження, одне з рішень якої - створення ясокоефективних конкурентноспроможних електроприладів. Найбільш іергопотребуючими складовими таких приладів є різноманітні ієктронагрівачі, серед яких плівкові нагрівачі являються значно ерспективними, тому що відрізняються високим коефіцієнтом корисної ії. їх широке впровадження може забезпечити зниження іектроспоживання на 30-35%. Проте масштаби застосування існуючих цівкових електронагрівачів обмежуються відносно їх електробезпекою і изькою температурою експлуатації (до 200°С).

Засобом підвищення технічних характеристик цих нагрівачів є істосування спеціальних електроізоляційних жаростійких покриттів, які ззволяють використовувати провідники, що забезпечують ■їсокотсмпсратурний нагрів.

У зв'язку з відсутністю зазначених покриттів актуальним є розробка спадів і технології їх одержання на сталевих підкладках плівкових нагрівачів.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота жонувалась за приоритетним напрямком НАН України (доповнення до аказу ДКНТ України №39 від 05.03.94 р., тема 07.03.03/117-92 “Фізико-імічні основи проектування складів та розробка технології одержання ових оксидних стекол і скломатеріалів різного функціонального ризначення”; наказ Міносвіти України №37 від 13.02.97 р., тема Розвиток наукових засад розробки складів нових стекол, емалей і окриттів для виробів побутового та технічного призначення за орошково-випалювальною технологією”) та госпдоговірної теми «03.96.6025 “Розробка складу скла та технології нанесення іектроізоляційного покриття на стальних підкладках плівкових агрівачів”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи було ^слідження закономірностей зміни властивостей стекол і шокристалічних матеріалів в оксидних системах ІізО-МеО-БіОч і [еО-АЬОз-ВгОз-БіОг та розробка наукових основ проектування складів і ;хнології одержання електроізоляційних склокристалічних покриттів на аростійких сталях для виробництва плівкових електронагрівачів.

Для досягнення поставленої мети передбачено вирішити такі задачі:

- встановити загальні закономірності зміни властивостей розплавів гекол в оксидних системах Іл20-Ме0-8і02 і МеО-АЬОз-ВгОз-БЮг в шежності від їх складу і температури, а також узагальнити їх і кількісно шсати відповідними математичними моделями;

- експериментально дослідити властивості стекол і

склокристалічних матеріалів системи Іл20-Ме0-8Ю2 і на їх основі зробити обгрунтований вибір базового складу скла для одержання

електроізоляційних покриттів на легованих сталях;

- виконати науково обгрунтований вибір базового складу скла в оксидній системі Ме0-А120з-В20з-8Ю2 для одержання електроізоляційних покриттів на легованих сталях;

- дослідити і встановити основні технологічні параметри електрофоретичного способу одержання електроізоляційних покриттів на сталевих підкладках плівкових електронагрівачів;

- провести виробничі випробування і впровадити електроізоляційні покриття і технологію їх одержання у виробництво плівкових електронагрівачів.

Об’єкт досліджень - стекла оксидних систем 1л20-Ме0-8і02 і Мє0-В203-8і02.

Предмет досліджень - вплив на фізико-хімічні властивості складу стекол та одержаних на їх основі склокристалічних покриттів на стальних підкладках плівкових електронагрівачів.

Наукова новизна отриманих результатів.

- Удосконалені і уточнені методи розрахунку в’язкості, поверхневого натягу' і густини розплавів стекол в залежності від їх хімічного складу і температури, які відрізняються від раніше відомих більшою кількістю компонентів, розширеними межами їх утримання і підвищеною точністю;

- вперше визначені фактори аддитивності Сг203, Мо03, У20<

для розрахунку7 поверхневого натягу розплавів боросилікатних стекол;

- доведено принципову можливість проектування складів нових склокристалічних матеріалів з заданим комплексом технологічних і експлуатаційних властивостей з використанням встановлених залежностей властивостей стекол;

- розроблені електроізоляційні склокристалічні покриття на основі стекол оксидної системи Ме0-А120з-В20з-8і02 на сталевих підкладках для плівкових нагрівачів із боридонікелевими провідниками з температурою їх випалу 830°С, які відрізняються підвищеною жаростійкістю і поліпшеними електроізоляційними властивостями. Новизна складу безлужногс скла для цих покриттів підтверджена рішенням про видачу патенту

з

"країни, згідно з заявкою №97094537 від 09.09.97 р.;

- встановлено закономірності зміни температурного коефіцієнту інійного розширення, температури початку розм’якшення і питомого центричного опору стекол і склокристалічних матеріалів в оксидній истемі ЬігО-МеО-БіО: в залежності від вмісту в них оксидів БеО, МпО, 1§0. ZnO та ВаО;

- розроблені електроізоляційні склокристалічні покриття на основі гекол оксидної системи ІЛгО-МеО-БЮг для плівкових нагрівачів із икористанням провідників, для яких температура випалу' рекомендується не шце 750°С;

- розроблені склад суспензії та основні технологічні параметри держання високоякісних склокристалічних покриттів електрофоретичним пособом.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновані іетоди розрахунку властивостей силікатних стекол дозволяють, з остатньо високою точністю вирішувати технологічні задачі по роектуванню складів емалей, полив та склокристалічних покриттів ізноманітного функціонального призначення і прогнозуванню емпературного режиму їх випалу.

Отримані на основі розроблених стекол жаростійкі електроізоляційні окриття на сталі 04X17Т впроваджені на ВАТ ’’Завод Континент” и. Зеленодольськ, Дніпропетровської обл.) у виробництво плівкових агрівальних елементів з широким діапазоном потужності. Скло, яке екомендується може бути використано для одержання покриттів як рафаретним друком, так і електрофоретичним способом.

Особистий внесок автора в отримані наукові результати, які икладені в друкованих працях.

- Участь у постановці задач, розв’язаних у дисертаційній роботі; истематизація і математичне опрацювання на ПЕОМ експериментальних аних при розробці математичних моделей властивостей стекол; вибір кладів, приготування і визначення фізико-хімічних властивостей стекол і клокристалічних матеріалів на їх основі;

- підготовка публікацій і матеріалів для заявки на винахід;

- проектування і виготовлення лабораторної електрофоретичної становки, формулювання рекомендацій до створення виробничої;

- підготовка й участь в проведенні виробничих випробувань і провадження діелектричних покриттів у виробництво.

Внесок співавторів спільних публікацій складався в загальному науковому керівництві, участі в постановці й обговоренні результатів лабораторних і виробничих експериментів, а також підготуванню результатів досліджень до опублікування.

Апробація результатів дисертації. Жаростійкі електроізоляційні покриття на основі розроблених стекол пройшли виробничі випробування і впроваджені у виробництво конфорок побутових електроплит, обігрівачів і інших нагрівальних елементів, що виробляються на ВАТ ’’Завод Континент” м. Зеленодольськ Дніпропетровської обл.

Матеріали дисертації доповідались і обговорювалися на Міжнародній науково-технічній конференції “Энерго- и ресурсосберегающие технологии в производстве стекла” (м. Костянтинівка, 1995 р.), на III Міжнародній конференції-виставки “Проблеми корозії та протикорозійного захисту- конструкційних матеріалів” (м. Львів, 1996 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції “Прикладные исследования в технологии производства стекла и стеклокристаллических материалов” (м. Костянтинівка, 1997 р.), на міжкафедральних науково-технічних семінарах в Українському державному хіміко-технологічному університеті.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи відображені в 7 публікаціях, в тому числі 4 статтях у науково-технічних журналах і 3 тезах доповідей, виголошених на міжнародних науково-технічних конференціях,

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. !

Дисертація викладена на 161 сторінках машинописного тексту, у які входять 40 таблиць (12 сторінок) і 28 рисунків (16 сторінок), список літературних джерел включає 161 найменування (17 сторінок), 5 додатків (13 сторінок).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В вступі обгрунтована актуальність теми роботи, висвітлено наукове і практичне значення розв'язуємих задач, які складають предмет дослідження, подана загальна характеристика дисертації.

Перший розділ присвячено аналітичному огляду літератури. У >му показано, що сучасний технічний прогрес нерозривно пов'язаний із ширенням галузей використання різноманітних виробів, виготовлених застосуванням нових стекол і емалей. Серед склопокритів томанітного функціонального призначення особливе місце займають ктроізоляційні, які зокрема є одним з основних елементів плівкових •рівачів.

Покриття для таких нагрівачів, крім високих показників ктроізоляційних властивостей, повинні характеризуватися виїденими жаростійкістю і термостійкістю, а також стійкістю до дії ссивних середовищ.

Аналіз відомих складів емалей показав, що цим вимогам можуть іовольняти склокристалічні покриття, отримані в оксидних ;темсіх МеО-АЬОз-ВіОз-ЗіСЬ і ЬігО-МеО-БіО;. На основі даних про »бливості одержання склокристалічних покриттів зроблено висновок ) те, що для науково-обгрунтованого вибору складів цих покриттів, а :ож режиму випалу необхідні дані про закономірності зміни іерхневого натягу, в’язкості, густини та інших властивостей стекол і іплавів у зазначених оксидних системах від їх складу і температури. У ературі таких даних є недостатньо. Викладене послужило основою для юру мети і задач, розв'язуємих у дисертаційній роботі і які зрмульовані вище.

Другий розділ присвячено опису об’єкту та вибору напрямків ;ліджень.

Властивості стекол і склокристалічних матеріалів визначали годами, що є стандартними в хімічній технології скла та ситалів. Для ¡лідження процесів, що перебігають при спіканні порошків стекол, а ;ож для визначення фазового складу склокристалічних матеріалів ;тосовували диференційно-термічний аналіз (ДТА) (дериватограф 15000) і рентгенофазовий аналіз (ДРОН-3).

Третій розділ присвячений розробці математичних моделей для ¡рахунку властивостей розплавів безлужних і луговміщуючих стекол.

Однією з фундаментальних проблем науки про скло є пошук ономірних зв'язків між складом і властивостями стскол. Тому ¡лідження багатьох вчених були спрямовані на встановлення цих ізків і розробці методів розрахунку властивостей стекол. Найбільш ;то в основу цих методів було покладено формули адитивності, які є

компактною формою узагальнення і кількісного опису загальних закономірностей зміни властивостей стекол від їх складу.

У даній роботі для опису властивостей стекол використовували математичні моделі, отримані експсримснтально-статистичними методами, які були подані як у вигляді формул адитивності, так і у вигляді більш складних рівнянь регресії.

Математичні моделі для розрахунку в'язкості розплавів стекол Для опису в’язкості розплавів стекол як основна була обрана модель:

” с

І87 = *в+5>Г*/+~ (0

і=\ 1

де 1 е,гі - розрахункове значення десяткового логарифма в’язкості (сіПа-с); а0, я,, с - коефіцієнти рівняння регресії;

Хі - вміст оксидів, мол. частки;

Т - температура, К;

п - число компонентів.

Результати розрахунку коефіцієнтів регресії в рівнянні (1) наведені в табл. 1.

Таблиця 1 - Значення коефіцієнтів у рівнянні (1) для розрахунку десяткового логарифма в’язкості ((1Па-с) луговміщуючих (а) і безлужних (б) боросилікатних розплавів

Компоненти розплавів Незалежні змінні Розплави типу “а” Розплави типу “б”

- Ло -9,62±1,4 -12,24±1,8

8іО: -Тя 7,49±1,4 9,30±1,8

В2О3 Хв 1,85±1,4 4,03±1,8

АЬОз Хлі 18,42±2,2 14,76±1.8

Хг02 х2г 11,17±1,6 -

Ьі2 0 Хи -2,11± 1.4 -

N3:0 ХЫа -0,05±1,4 -

К20 Хк 1,37±1,4 -

МвО Хм% 4,59±1,5 6,69±1,8

СаО ХСа 0,69±1,5 4,84±1,8

БгО 1,68±1,4 2,84±1,7

ВаО ХВа -0.14±1,8 5,84±1,8

ІпО %2п -2,95±3,1 -0,69±1,9

1 100026±170 9911±211

т

Встановлено, що середньоквадратичне відхилення розрахункових начень в’язкості по рівнянню (1) щодо експериментально знайдених (0,33.35 <1Па-с), значно менше інтервалу значень в’язкості розплавів (102-104 Па-с), при яких завершується формування склопокритгів. Тому зазначені івняння можуть бути використані для прогнозування складу та емператури випалу покриттів.

Математичні моделі для розрахунку поверхневого натягу розплавів

стекол

Поряд з в’язкістю, властивістю, що істотно впливає на механізм юрмування склопокриттів, є поверхневий натяг.

Відомо ряд систем факторів адитивності для розрахунку цієї ластивості. їх недоліком є те, що вони пристосовані до стекол, обмежених к по оксидному складу, так і кількісним утриманням компонентів. Тому озрахунок поверхневого натягу емалей по відомих формулах часто не гожна виконати.

У роботі поверхневий натяг розплавів описували рівняннями:

сг • 103 = • х, (2)

і=і

сг-103 =£йг, •*, +Ь*7 (3)

і=1

е сг - поверхневий натяг, Н/м;

- температура, °С;

, - утримання оксидів, мол. частки.

Запропонована нова система значень адитивних коефіцієнтів для озрахунку поверхневого натягу розплавів, що можуть вміщувати у своєму кладі такі оксиди: 8і02, В20з, А120з, 1л20, Ка20, К20, М§0, СаО, БгО, ІаО, ХпО, МпО, РЬО, Сг20з, МоОз, WOз, У205. Точність розрахунку цінюється середньоквадратичним відхиленням, рівним ±11,6-10'3 Н/м.

Результати розрахунку коефіцієнтів регресії в рівняннях (2) та (3) риведені в табл. 2.

Таблиця 2 - Значення коефіцієнтів для рівнянь (2) і (3) для розрахунку __________________поверхневого натягу розплавів стекол_______________________

Компоненти розплавів Незалежні змінні Для рівняння 2 Для рівняння 3

Si02 Хщ 257,3+3,3 265,3±8,8

В1О3 Хв 20,8+14,0 23,4+14,0

А120з Хлі 525,5±80,8 534,5+78,5

Li20 Хи 436,7±7,8 446,0±10,7

Na20 Хно 325,9+7,2 330,9±9,5

К20 Хк 75,3+10,4 84,4±12,3

MgO ХМя 605,7±24,3 612,3+25,4

CaO Хсо 540,0±24,0 547,0±25,0

SrO Хїг 528,8+25,8 536,7+26,7

BaO ХВа 545,7+14,9 551,3±16,7

ZnO ХХп 520,6±25,1 526,8±26,0

MnO ХМп 331,8±23,0 337,9±23,2

PbO Хрь 62,3±7,6 165,6±9,0

Сг20з ХСг -1790,2+222,3 -1800,0+222,3

Mo03 Хмо -266,0+210,4 -1263,0+07,4

W03 Х\у -1314,71212,4 -1326,71206,4

V205 Ху -1352,4±88,2 -1481,4198,9

t - - 0,00556310,006326

Математичні моделі для розрахунку густини, питомого та молярного

об'ємів розплавів стекол При випалі покриттів, на його дегазацію, крім в’язкості і поверхневого натягу істотний вплив має густина скла, що оплавляється. Густину склорозплава описували рівнянням:

П

Р=ао + % аі 'хі +с’і ^

/=1

де р - густина розплаву скла, г/см3; і - температура, °С.

Поряд з густиною розплавів скла знаходили ще й її похідні - питомий та молярний об’єми, для опису яких користувались слідуючим рівнянням:

” с

у=ао + ИаґХі+--, (з;

і=і 1

де у - питомий чи молярний об’єми склорозплаву;

Т температура, К.

Встановлено, що серед моделей найбільш точною є модель, яка іисує залежність питомого об’єму склорозплавів від їх складу' та :мператури (табл. 3).

аблиця 3 - Значення коефіцієнтів у рівнянні (5) для розрахунку питомого об’єму луговміщуючих (а) і безлужних (б) боросилікатньїх розплавів

Компоненти розплавів Незалежні змінні Розплави типу “а” Розплави поту “б”

- а0 (const) - 0,4110,01

Si02 xSi 0,492810,0041 0,043 8Ю,01

В20з Хъ 0,4890+0,0099 0,143910,03

Li20 Xu 0,565510,0053 -

Na20 Xffa 0,510310,0055 -

К20 Хк 0,544210,0065 -

MgO Xfvig 0,381710,0195 -

CaO Xca 0,322210,0084 -0,033810,01

SrO XSr 0,046610,0196 -0,126910,02

ВаО Хва -0,017910,0196 -0,347210,01

ZnO Xzn 0,103610,0223 -

- \IT -72,4715,72 -73,6714,19

Четвертий розділ присвячено експериментальним дослідженням тастивсетей стекол і склокристалічних матеріалів у системах Іл20-Мс0-8Ю2 МеО-ВіОз-БіОг та розробці на їх основі електроізоляційних покриттів.

У роботі було досліджено вплив добавок оксидів МпО, БеО, ZnO, І§0 і ВаО на властивості базового скла складу (мас. %): ЬьО - 10,0; Ю2 - 88,0; Р2О5 - 2,0. При проведенні експериментів використовувалося імплєкс-рсшітчате планування експерименту.

Дослідженнями порошків стекол методом ДТА встановлено, що ;рмограми всіх стекол характеризуються двома екзотермічними ефектами ри температурах 580-660°С і 675-845°С. Перший ефект обумовлений ^металізацією дисилікату літію, другий - кристалізацією кремнезему. З гляду на дані ДГА, а також на те, що найбільш прийнятною ;мпературою випалу покриттів є 850-870°С, склокристалічні матеріали держували термообробкою дослідних стекол при 650°С і 860°С.

З використанням результатів виконаних експериментів розроблені атематичні моделі, що описують залежність температурного коефіцієнта

лінійного розширення, температури початку розм’якшення та питомого електричного опору стекол і склокристалічних матеріалів при температурі 200°С, від утримання в їх складі оксидів типу' МеО.

Експериментально встановлено, що кристалізація стекол приводить до збільшення їх температурного коефіцієнту лінійного розширення (ТКЛР) із (68-88)-10‘7 град'1 до (100-170)-10'7 град1. По ступеню впливу на підвищення ТКЛР склокристалічних матеріалів досліджувані оксиди розташовуються в ряд: МпО>ВаО>МдО>РеО>2пО.

Введення до складу базового скла добавок оксидів типу МеО сприяє зниженню значень їх дилатометричної температури початку розм’якшення з 485 до ~420°С. '

Термообробка стекол при 860°С викликає підвищення температури початк\г розм’якшення (ТПР) одержуваних стекол із 420-485°С до 800-880°С;. найбільшою мірою сприяє збільшенню ТПР склокристалічного матеріалу' добавка оксиду М§0. Поряд з відзначеним кристалізація стекол сприяє також зменшенню електричної провідності склокристалічного матеріалу. По ступеню впливу на ріст питомого електричного опору ситалів досліджувані оксиди розташовуються в такому порядку: Ва0>2п0>М£0>Ре0>Мп0. В цілому можна укласти, що на підвищення жаростійкості і значень ТКЛР склокристалічного матеріалу найбільш сприятливий вплив робить добавка до складу базового скла оксиду ZnO, а на поліпшення його електроізоляційних властивостей - оксиду ВаО. Оптимізація методом лінійного програмування дозволила рекомендувати для одержання жаростійких електроізоляційних покриттів такий склад базового скла (мол. %): 70,0±3 ЗіОі; 21,5±2 Ьі20; 2,5±0,5 N320; 1,0+0,5 К20; 3,9±1 глО; 1,0+0,5 ВаО.

Недоліком покриттів, отриманих на основі цього скла є відносно невисока їх жаростійкість (ТПР » 700°С). Для поліпшення цієї властивості до складу скла було введено оксид міді (0,5-2,0 мас. %), а до складу' композиції на його основі - добавку кварцового піску (10-30 мас. %). Це дозволило підвищити ступінь закристапізованості покриттів і відповідно їх температуру початку розм’якшення (до 750°С). Проте зазначена температура все ж таки нижче, чим та, яка необхідна для випалу боридонікелевих провідників (830°С). Зазначені покриття можуть використовуватися для виготовлення нагрівачів з провідниками, температура яких не перевищує 750°С.

У зв'язку з відзначеним у роботі були проведені дослідження, прямовані на розробку покриттів на основі стекол системи MgO-CaO-Л20з-В20з-8Ю2.

Оптимізація методом лінійного програмування дозволила екомандувати для одержання жаростійких електроізоляційних покриттів умісних з боридо-нікелевими провідниками стекла такого складу (мол. %): Ю2 35,0±2,0; В20з 5,2±2,0; А1203 2,0±0,5; CaO 27,8±3,0; MgO 30,0+3. Для держання покриттів з максимальним ступенем закристалізованості і ідвишеною міцністю зчеплення зі сталлю в зазначений базовий склад кла додатково були введені оксиди: Zr02, Fe203 і СоО. Модифіковане аким способом скло (Б1) має слідуючий хімічний склад (мол. %): Ю2 35,25; В203 7,06; А1203 1,97; СаО 30,88; MgO 24,11; Zr02 0,18; е20з 0,17; СоО 0,37.

TKJIP склоіфисталічного матеріалу на основі модифікованого скла, триманого випалом при 850°С протягом 20-25 хв., в інтервалі температур 0-400°С, складає 85,2-10'7 град1. Отриманий склокристалічний матеріші іає уявну густину 3,29 г/см3, низьку відіфиту поруватість ~1,0% і смпературу початку розм’якшення більш 850°С.

Рентгенофазовий аналіз дозволив встановити, що основною ристалічною фазою склокристалічного матеріалу' є диопсід.

Д

20, град

д - диопсід (Ca0•Mg0•Si02) г - геленіт (2Са0-А120з-8Ю2 Рис. 1 - Рентгенограма склокристалічного матеріалу на основі скла Б1

Приведені значення властивостей дають підставу вважати, що скло складу Б1 можна використовувати для одержання склокристалічних покриттів за порошково-випалювальною технологією, які задовольняють вимогам до діелектричних покриттів для плівкових нагрівачів із боридонікелевими провідниками. Це підтверджується виробничими випробуваннями і впровадженням його у виробництво.

У п’ятому розділі виконані дослідження, спрямовані на вибір основних технологічних параметрів одержання електроізоляційних покриттів методом електрофорезу. На відміну' від трафаретного друку електрофоретичний метод є значно продуктивніший і забезпечує одержання більш якісних покриттів.

Електрофоретичні покриття одержували на основі безлужного скла. При виготовленні суспензій використовували в якості дисперсійного середовища ізопропиловий спирт. Для стабілізації негативного заряду на частках скла до складу’ суспензії вводили добавку' рідини ГКЖ-94. Дисперсійну фазу (скло і кварцовий пісок) подрібнювали до одержання порошку з питомою поверхнею 5000-6000 см2/г.

Експериментально встановлене, що стійке елекгроосадження твердої фази на позитивно зарядженому електроді можливо в слаболужному середовищі (рН=7,5-8,5). Необхідне рН середовища досягається введенням до суспензії добавки КаОН. При цьому’ відзначено, що величина електрофоретичного осадку, головним чином, залежить від часу нанесення (т), величини подаваємої на електроди напруги (Ц) і концентрації дисперсної фази (с) в суспензії.

На основі експериментальних даних методом множинної кореляції була отримана адекватна математична модель (6), що описує залежність маси електрофоретичного осадку (Р) від зазначених технологічних параметрів:

Р=6,9+4,85с+3,43т+1,58-и-1,43-с2+2,84-ст+1,54-с-и+1,17-т-и-0,42-и2 (6)

Встановлено, що зі збільшенням часу елекгроосадження, напруги на електродах і концентрації твердої фази в суспензії маса покриттів збільшується. Щільні покриття з рівномірною товщиною (200 мкм) можуть бути отримані при таких технологічних параметрах (табл. 4).

Таблиця 4 - Технологічні параметри електрофоретичного осадження

№ суспензії Концентрація твердої фази, г/л Напруга на електродах, В Час нанесення, сек

1 310 400 75-80

2 310 500 55-60

3 260 400 85-90

4 260 500 75-80

5 210 400 120-130

6 210 500 95-100

У шостому розділі надаються умови промислової варки безлужного Зоросилікатного скла Б1 та результати його виробничих випробувань як електроізоляційного покриття на підкладках зі сталі марки 04X17Т. За результатами випробувань зазначені покриття впроваджені у виробництво глектроконфорок та інших електронагрівачів з боридонікелевими провідниками. Наведена технічна характеристика виробляємих глектроконфорок. Надані результати порівняльної експертизи стальних плівкових (ЭКПл-180-1,2-220) та чавунних трубчастих (ЭКЧ-180-1,5-220) чагрівачів. Економічна ефективність використання плівкових нагрівачів эбумовлена зменшенням витрат електроенергії на 30-35%.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Аналіз технічної літератури показав, що плівкові глектронагрівачі є значно більш ефективними ніж трубчасті. Необхідним елементом плівкових нагрівачів на сталевих підкладках є електроізоляційні покриття. Ці покриття можуть бути отримані за порошково-випалювальною технологією з використанням стекол, які кристалізуються та одержані в системах ЬігО-МеО-віОг і МеО-АЬОз-ВіОз-§І02.

2. Проаналізовано процеси, що відбуваються при формуванні покриттів на металах і встановлені основні властивості розплавів [в’язкість, поверхневий натяг і густина розплавів), від яких залежить їх якість.

3. Для розробки складів і технології одержання електроізоляційних та інших функціональних покриттів необхідні дані про закономірності зміни властивостей розплавів досліджуваних систем. Методами регресивного і кореляційного аналізів на основі експериментальних даних розроблені адекватні математичні моделі для луговміщуючих і безлужних боросилікатних стекол, які описують залежність в’язкості, поверхневого натягу’ і густини розплавів від їх складу' і температури. Точність розрахункових значень властивостей за цими моделями є достатньою для вирішення різноманітних технологічних задач, у тому числі і пов'язаних з науково обгрунтованим вибором складу’ і температури випалу’ склокристалічних покриттів.

4. Вивчено вплив оксидів М§0, ВаО, ZnO, РеО і МпО на властивості літіевосилікатного скла (Ьі20 10,0; Р2О5 2,0; 8і02 88,0 мас. %), близького за складом до найбільш легкоплавкої евтектики системи Ьі20-28Ю2. Встановлено, що оксиди цинку і барію забезпечують одержання на основі досліджуваного скла, по порошковій технології при температурі 840-870°С, склокристалічних матеріалів, які відрізняються підвищеною жаростійкістю (температура разм'якшення більше 850°С), електроізоляційними властивостями (ТКюо>300°С) і значеннями ТКЛР, близькими до значень ТКЛР легованих хромонікелевих сталей (130-160)-10-7 град1.

5. З використанням розроблених математичних моделей методом лінійного програмування в системі 1л20-Ме0-8і02 виконано оптимізацію складу скла, яке забезпечує одержання електроізоляційних покриттів з температурою розм’якшення до 750°С.

6. Для склокристалічних матеріалів, отриманих на основі скла

(віОз 72,25; Р205 1,06; ВаО 5,37; 5,68; Ьі20 10,94; Ка20 1,39; К20 3,3;

СиО 1,0 мол. %), вивчено вплив температури їх випалу' на температурний коефіцієнт лінійного розширення, температуру початку розм’якшення, відкриту' поруватість та уявну’ густину'. Математичне опрацювання експериментальних даних дозволило встановити оптимальний склад склокристалічного матеріалу і тепловий режим його одержання (температура випалу покриття 850-950°С, а температура початку’ розм’якшення покриттів ~750°С).

7.3 використанням розроблених математичних моделей методом ійного програмування оптимізовано в системі MgO-CaO-AbCb-tbCVSiCh ад скла (Si02 35,0±2,0; В203 5,2+2,0; А1203 2,0±0,5; СаО 27,8±3,0;

О 30,0+3 мол.%), який забеспечує одержання електроізоляційних риттів, що задовольняють вимогам до плівкових нагрівачів з идонікелевими провідниками. На розроблений склад отримане рішення патенту У країни про видачу патенту на винахід.

8. Експериментальними дослідженнями доведена принципова кливість одержання електрофоретичним методом з використанням робленого безлужного скла електроізоляційних покриттів на сталевих кладниках плівкових нагрівачів. Визначені при цьому раціональний ад суспензії, а також основні технологічні параметри одержання ктрофоретичних покриттів.

9. Розроблені склади стекол і покриттів випробувані і впроваджені у обництво електроконфорок та інших плівкових нагрівальних елементів ЗАТ ‘"Завод Континент” (м. Зеленодольськ, Дніпропетровської обл.)

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Голеус В.И., Белый А.Я. Расчет поверхностного натяжения плавов боросиликатных стекол // Стекло и керамика. - 1996. - №8. -50-31.

2. Голеус В.И., Белый А.Я. Расчет вязкости расплавов эмалей // кло и керамика. - 1997. - №8. - С. 30-31.

3. Голеус В.И., Белый А.Я. Расчет вязкости расплавов бесщелочных осиликатных стекол // Вопросы химии и химической технологии. -9. - №2. - С.25-26.

4. Голеус В.И., Белый А.Я., Носенко A.B. Электроизоляционные рытия для стальных подложек пленочных нагревателей // Труды »айнского института стекла. - Константиновна. - 1998. - №4. - С. 119-124.

5. Свойства расплавов эмалевых стекол / Голеус В.И., Белый А.Я // . докл. Междунар. науч.-техн. конф. “Энерго- и ресурсосберегающие яологии в производстве стекла”. - Константиновка. - 1995. - С. 55.

6. Реакционноспеченные стеклокристаллические покрытия и материалы / Белый Я.И., Голеус В.И., Носенко A.B., Ильченко Н.Ю., Козырева Т.И., Белый А.Я. // Тези допов. Ш Міжнар. конф.-виставки “Проблеми корозії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів”. - Львів. - 1996. - С. 193-194.

7. Голеус В.И., Белый А.Я., Носенко A.B. Электроизоляционные покрытия для стальных подложек пленочних нагревателей // Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. “Прикладные исследования в технологии производства стекла и стеклокристалических материалов”. -Константиновна. - 1997. - С. 58-59.

АНОТАЦІЇ

Білий О.Я. Електроізоляційні склокристалічні покриття на стальних • підкладках плівкових електронагрівачів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.11 - технологія тутоплавких неметалевих матеріалів. -Харківський державний політехнічний університет, Харків, 2000.

Дисертація присвячена розробці електроізоляційних жаростійких склокристалічних покриттів для плівкових електронагрівачів, технологічним параметрам нанесення зазначених покриттів электрофоретичним методом, а також розробці наукових засад проектування стекол, емалей і полив різноманітного функціонального призначення.

Встановлені загальні закономірності зміни в’язкості, поверхневого натягу і густини розплавів стекол в залежності від їх хімічного складу і температури, які відрізняються від відомих методів розрахунку більшою кількістю компонентів і широкими межами їх утримання.

Розроблено електроізоляційні жаростійкі покриття на основі кристалізуючихся стекол систем LijO-MeO-SiCh і MgO-CaO-AljCb-BiCb-SiCb.

Встановлено оптимальний склад суспензії на основі безлужного скла

і визначені основні технологічні параметри одержання покриттів електрофоретичним методом.

Ключові слова: склокристалічний матеріал, в'язкість, поверхневий натяг, електрофоретичне осадження, плівковий електронагрівач.

Bely A.Y. Electrical-insulating glass-crystal of coatings on steel substrates f film electric heaters. - Manuscript.

Thesis for a Candidate of technical degree, profession 05.17.11 -ichnology of heat-resistant nonmetallic and silicate materials, Kharkov State olytechnics University, Kharkov, 2000.

The thesis is dedicated electrical-insulating temperature-resistant glass-rystal to coatings for steel substrates of film electric heaters, technological arameters of their deposition by an electrophoretic method, and also mining of le scientific fundamentals of designing of glasses, enamels and glazes.

Established most general regularity’ of change of viscosity, surface tension nd density of melts of glasses depending on their elemental composition and emperature, which one differ from known computational methods by a plenty f components and broad limits of their contents.

The electrical-insulating temperature-resistant coatings are designed on the asis of crystallizing glasses of systems Li20-Me0-Si02 and Mg0-Ca0-Al203-i203-Si02.

The optimum structure of a suspension on the basis non-alkali of a glass is stablished and the main technological parameters of obtaining of coatings by an lectrophoretic way are determined.

Keywords: glass-cry stal a stuff, viscosity, surface tension, electrophoretic eposition, film electric heater. :

Белый А.Я. Электроизоляционные стеклокристаллические покрытия ia стальных подложках пленочных электронагревателей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических [аук по специальности 05.17.11 - технология тугоплавких

[еметаллических материалов. - Харьковский государственный юлитехнический университет, Харьков, 2000.

Диссертация посвящена разработке электроизоляционных жаростойких теклокрйсталлических покрытий для пленочных электронагревателей с юридоникелевыми проводниками, технологическим параметрам их [анесения электрофоретическим методом, а также разработке научных юнов проектирования стекол, эмалей и глазурей.

Установлены общие закономерности изменения вязкости, юверхностного натяжения и плотности расплавов стекол в ависимости от их химического состава и температуры, отличающиеся

от известных методов расчета большим содержанием наиболее часто используемых компонентов и широкими пределами их содержания.

Впервые определены значения факторов аддитивности для Сг20з, Мо03, \У03, \МЭ5 для расчета поверхностного натяжения расплавов стекол.

Объектом исследований являются кристаллизующиеся стекла систем 1л20-Ме0-5Ю2 и МдО-СаО-АЬОз-ВгОз-БЮг и электроизоляционные стеклокристаллические покрытия на их основе.

Полученные результаты экспериментов по изучению влияния наиболее часто используемых в электроизоляционных стеклах добавок МпО, РеО, 2п0, М£0 и ВаО на свойства литийсиликатного стекла позволили установить его качественный состав, а применение методов линейного программирования, с использованием разработанных математических моделей для расчета свойств расплавов - количественный состав стекол. Полученные на основе этих стекол диэлектрические стеклокристаллические покрытия хотя и имеют более высокую температуру начала размягчения (до 750°С по сравнению со стеклами ~470°С), но не могут удовлетворять требованиям к пленочным электронагревателям с боридоникелевыми проводниками. Такие покрытия могут успешно применяться для производства пленочных нагревателей с проводниками, температура вжигания которых не превышает 700°С.

Покрытия с температурой начала размягчения более 830°С получены на основе бесщелочных стекол системы Л^О-СаО-А^Оз-ВгОз-ЗЮз, обладают повышенной электрической прочностью, жаро- и термостойкостью. Промышленные испытания показали пригодность

покрытий для производства более мощных пленочных

электронагревателей с боридоникелевыми проводниками, температура вжигания которых (830°С).

Применение установленных в работе математических зависимостей свойств стекол от их химического состава, при проектировании электроизоляционных покрытий, позволило достичь полученных

результатов при минимальном количестве экспериментов, что

подтверждает их научную и практическую значимость.

В настоящее время нанесение разработанных покрытий осуществляется методом трафаретной печати. Для перехода на более производительную

жнологию электрофоретического нанесения покрытий проведены ¡^следования по установлению состава суспензии, времени нанесения и одаваемого на электроды напряжения и других технологических араметров процесса осаждения.

Разработанные электроизоляционные покрытия внедрены в роизводство пленочных электронагревателей на ОАО “Завод Континент” '. Зеленодольск, Днепропетровской обл.).

Ключевые слова: стеклокристаллический материал, вязкость,

оверхностное натяжение, электрофоретическое осаждение, пленочный тектронагреватель.

Підписано до друку 30.08.2000. Формат 60x84 1/16. Папір друк. №2. Друк офсетний. Ум.-друк. арк. 0,97. Облік.-вид. арк. 0,94. Тираж 100 прим. Зам. № 94S

УДХТУ, 49005, м. Дніпропетровськ-5, пр. Гагаріна, 8

Дільниця оперативної поліграфії ІнКомЦентру