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Verfahren zur Herstellung von Fasern aus in der Wärme erweichbarem, glasigem Material
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zugeführtlicher Wärme für das Glas nach der Umbildung in Ströme und nach dem Verlassen des ringförmigen um- laufenden Körpers überflüssig. Statt dessen stellt es eine der Verbesserungen der Erfindung dar, die Bil- dung in Fäden, in die die Ströme durch die Zentrifugalkraft ausgeschleudert werden, so zu steuern, dass während des Durchganges durch das System zwar der Wärmeverlust des Glases anhält, jedoch mit gerin- gerer Geschwindigkeit vor sich geht, als es die Wärmeverlustgeschwindigkeit ist, die auftritt, wenn die
Umgebung nicht gemäss der vorliegenden Erfindung gesteuert würde.
Diese Steuerung kann man als eine
Verzögerung der Geschwindigkeit des Wärmeverlustes der Ströme oder eine Verzögerung des Wärmever- lustes mit gesteuerter Geschwindigkeit durch Erwärmung der gasförmigen Umgebung ansprechen, die in solcher Weise vor sich gehen, dass die Temperatur der Umgebung auf solcher Höhe bleibt, dass dem Glas während seines Durchganges durch die Umgebung keine weitere Wärme zugeführt wird, noch das Glas an die Umgebung Wärme mit solcher Geschwindigkeit abgibt, dass die Temperatur der Glasströme so weit absinkt, dass sie unter die Ausziehtemperaturen des verwendeten Glases vor dem Ausziehen der Ströme in Fasern durch die kinetische Energie der Blasstrahlen eines gasförmigen Mediums fällt.
In Fig. 1 sind die Elemente einer zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten
Vorrichtung wiedergegeben. Mit 20 ist allgemein eine Schleuder bezeichnet, die eine obere konische
Wandung 21 aufweist, die zu einer nicht gezeichneten, senkrechten Welle führt, welche die Schleuder 20 aufnimmt und beispielsweise durch einen Elektromotor mit hoher Umlaufgeschwindigkeit angetrieben wird. Die Schleuder 20 besitzt ausserdem eine oder mehrere Glasverteilungsvorrichtungen, so dass ein durch die Welle nach unten geführter und in sie eingeführter Glasstrom über die Innenfläche einer Rand- wandung 22 verteilt wird. In Fig. 1 sind diese schweren Glasströme bei 23 angedeutet.
Sie werden von einem nicht gezeichneten Glasverteiler nach aussen geschleudert und sammeln sich in einem ringförmigen Körper 24, der gegen die Innenfläche der Wandung 22 und die Umkehrlippe 25 der Schleuder 20 anliegt.
Mit der umlaufenden Schleuder 20 läuft auch der ringförmige Körper 24 aus Glas um, wobei die Zentrifugalkräfte das Glas nach aussen durch eine Vielzahl von Ströme bildenden Öffnungen 26 auszutreten zwingen, die in der im allgemeinen zylindrischen Wandung 22 der Zentrifuge 20 eingebohrt sind. Selbstverständlich dient die wiedergegebene besondere Form der getrennten Glasströme 23, des Körpers 24 und der durch die Öffnungen ausgeschleuderten Glasströme 27 lediglich zur Illustration und ist nicht massstäblich.
Die durch die Öffnungen 26 ausgeschleuderten Ströme 27 werden im Durchmesser ausgezogen, obwohl sie gemäss dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung noch aussergewöhnlich stark flüssig bleiben.
Eine erste ringförmige Heizvorrichtung 28 nach Fig. 1 befindet sich oberhalb des Randes der Schleuder 20. Mit Rand soll sowohl die Wandung 22 als auch die Schulter 29 auf der konisch nach einwärts gebogenen Wandung 21 der Schleuder 20 bezeichnet werden. Die ringförmige Heizvorrichtung 28 nach Fig. 1 ist beispielsweise ein Gasbrenner und besitzt eine Vielzahl konzentrischer Reihen von Austrittsöffnungen 30, durch die eine brennbare Mischung aus Brennstoff, Gas und Luft aus einem Verteiler 31 fliesst, welcher von einer von dem Ventil 33 gesteuerten Zuführungsleitung 32 versorgt wird.
Wie man aus Fig. 1 erkennt, ist die von der ersten ringförmigen Heizvorrichtung 28 kommende Wär- me, die durch eine entsprechende Flammenlinie angedeutet ist, nach unten auf die Schulter 29 und die Aussenfläche der Wandung 22 der Schleuder 20 und auf eine erste, die Schleuder 20 umgebende Zone gerichtet, durch die die Ströme 27 durch die Zentrifugalkraft hindurchgeschleudert werden. Obwohl die Begrenzungslinie der vom ersten Brenner 28 kommenden Flamme nach Fig. 1 als genaue Begrenzung wiedergegeben ist, verläuft die Begrenzung selbstverständlich nicht exakt nach dieser Linie, sondern die Linie soll nur allgemein die Zone anzeigen, in der die Wärme aus der ersten Heizvorrichtung 28 aufgebracht wird.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist ferner eine zweite ringförmige Heizvorrichtung 34 vorgesehen. Die zweite ringförmige Heizvorrichtung 34 ist ebenfalls ein Flammenbrenner und im wesentlichen identisch mit der inneren ringförmigen Heizvorrichtung 28, obwohl sie einen grösseren Radius aufweist und im Abstand ausserhalb der ersten ringförmigen Heizvorrichtung 28 angeordnet ist. Entsprechend der ersten oder inneren ringförmigen Heizvorrichtung 28 besitzt die zweite oder äussere Heizvorrichtung 34 eine Vielzahl von Austrittsöffnungen 35, die von einem gemeinsamen Verteiler 36 gespeist werden, welcher von einem gesonderten Ventil 37 gesteuert wird, so dass sich die beiden Heizvorrichtungen 28 und 34 unabhängig voneinander regeln lassen.
Diese unabhängige Regelung der beiden konzentrischen und im radialenAbstand angeordneten ringförmigenHeizvorrichtungen 28 und 34 bildet einen wichtigen Bestandteil des erfindungsgemässen Verfahrens und macht es möglich, die Umgebung, durch die die Ströme 27 ausgeschleudert werden, sowohl in der ersten Zone oder in unmittelbarer Nachbarschaft der Schleuder 20, als auch in einer zweiten oder radial ausserhalb der ersten Zone liegenden Zone, die die Ausziehzone enthält,
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in der die Ströme 27 in Fasern ausgezogen werden, zu regeln. Genauso wie bei der Flammenbegrenzung derHeizvorrichtung28 ist auch die Flammenbegrenzung der Heizvorrichtung 34 lediglich zur Illustration, nicht aber zur genauen Fixierung der Lage der Flamme angegeben.
Während sich die Wärme der beiden
Heizvorrichtungen 28 und 34 im Mittelteil des ringförmigen Raumes, durch den die Ströme 27 ausge- schleudert werden, mischen kann, ist trotzdem jede der beiden konzentrischen Heizvorrichtungen 28 und
34 unabhängig regelbar und die Temperaturbedingungen in den beiden Zonen oder Raumbereichen lassen sich somit getrennt einstellen und getrennt aufrechterhalten.
Ein mit dem Bezugszeichen 38 in Fig. 1 angegebener rmgtormlger Blasstrahl tritt aus einer ringför- migen Öffnung 39 eines Gebläses 40 nach unten aus. Das dargestellte Gebläse wird beispielsweise mit un- ) ter Druck stehendem Gas versorgt. Die ringförmige Öffnung 39 kann sich ununterbrochen um das ganze
Gebläse 40 fortsetzen oder aus einer Vielzahl getrennter kleiner Öffnungen bestehen, die als kurze Schlit- ze betrachtet werden können. In jedem Falle setzt sich der Blasstrom in Umfangsrichtung kontinuierlich fort.
Der Blasstrom wird im folgenden als Ausziehblasstrom oder Ausdehnblasstrom bezeichnet, wobei sich der erste Ausdruck auf seine Funktion und der zweite auf seine physikalischen Eigenschaften bezieht. Im allgemeinen muss der Blasstrom so grosse kinetische Energie besitzen, dass er imstande ist, das Glas aus- zuziehen. Dies ist natürlich durch den im Gebläse 40 vorhandenen Druck und den Bereich der Öffnungen
39 bestimmt, durch die der Blasstrom austritt. Der Ausziehblasstrom muss ferner eine Temperatur auf- weisen, die auf einem im wesentlichen oberhalb der Umgebungstemperatur liegenden Wert, jedoch im wesentlichen niedriger als die Temperatur liegt, die im Raum zwischen der Schleuder 20 und dem Ge- bläse 40 aufrechterhalten wird.
Die Temperatur des Blasstromes darf das System als solches nicht abküh- len, muss jedoch so niedrig sein, dass das Glas nach dem Ausziehen in Fasern rasch abkühlt.
Beim Arbeiten mit einem solchen Blasstrahl, beispielsweise in Form eines Dampfstrahles oder eines
Strahles aus einem andern, aus der verengten Öffnung 39 austretenden gasförmigen Medium ergibt sich zwangsläufig ein Eduktoreffekt, durch den grosse Gasmengen in das System eingeführt werden. Die vor- liegende Erfindung umfasst die bewusste Induktion von Gasen und ihre Verwendung beim Betrieb und bei der Erzielung einer verbesserten Ausziehung feiner langer Fasern. Bei der in Fig. 1 dargestellten Kon- struktion induziert der Eduktionseffekt des Blasstromes 38 Umgebungsluft über den Oberteil des Gebläses
40 durch einen Raum, der als Öffnung angesprochen werden kann und allgemein mit dem Bezugszeichen
41 versehen ist, in den ringförmigen Raum, durch die die Ströme 27 durch Zentrifugalkraft geschleudert werden.
Das vorliegende Erfindung umfassende Verfahren enthält unter anderem auch eine Vervollstän- digung der Steuerung des Prozesses durch die Regelung der induzierten Gase. Bei der in Fig. 1 wiederge- gebenen Vorrichtung handelt es sich bei den Gasen lediglich um mitgerissene Luft. Die äussere oder zwei- te ringförmige Heizvorrichtung 34 ist bezüglich des Gebläses 40 so angeordnet, dass sie mit dem Gebläse
40 zusammen die Einsaugöffnung 41 definiert. Die von der Heizvorrichtung 34 kommende Wärme wird über die Bahn der eingeführten Gase geleitet, um deren Temperatur vor dem Eintritt in das System zu steigern.
Obwohl man bei der Flammenbegrenzung nach Fig. 1 von Flammenaussenlinien spricht, handelt es sich bei dem durch diese Linie umgrenzten Raum nicht um eine Flamme allein oder um einen Bereich, in dem das Glas durch eine Flamme mit üblicher Flammentemperatur erhitzt wird. Es mischt sich beispielsweise im Flammenbereich der zweiten oder äusseren Heizvorrichtung 34 die über das Gebläse 40 eingesaugte Umgebungsluft mit den aus der Heizvorrichtung 34 austretenden brennenden Gasen über diese
Zone, so dass an dieser Stelle der Verfahrensführung die gesteuerte Umgebung vorhanden ist.
In beiden Flammenbereichen ist die Temperatur so gewählt, dass die Glastemperatur während des Durchganges der Ströme nicht erhöht wird.
Der Eduktoreffekt gehört zu dem Blasstrahl 38 und die Einstellung der zweiten ringförmigen Heizvorrichtung 34 in der Stellung nach Fig. 1 ermöglicht eine quantitative Regelung dieser eingeführten Gase.
In der vorliegenden Beschreibung soll die Regelung der eingeführten Gase erläutert werden und umfasst einen Teil der Erfindung von zwei Gesichtspunkten her, nämlich einmal a) ihrer Temperatur und b) ihrer Menge.
Die Regelung der Temperatur und/oder Menge der eingeführten Gase führt zu einer Regelung der Dichte der eingeführten Gase und da die kinetische Energie der Gase mit der Formel mvl wiedergegeben werden kann, erkennt man, dass die Masse der eingeführten Gase eine wesentliche Rolle in diesem Ver- fahren spielt.
Da die Menge der eingeführten Gase von ihrer Temperatur und ihrem Volumen abhängt, folgt daraus, dass die Regelung der Temperatur und/oder Menge zu einer Regelung der kinetischen Energie und der dem System durch die eingeführten Gase gemäss der Erfindung zugeführten Wärme führt.
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erstenMäntel, beispielsweise Kaltwassermäntel zu umgeben, um eine Beschädigung der Lager zu verhindern, in denen sie gelagert sind, wodurch sich ein wesentlicher Wärmeabfluss von der Schleuder ergibt. Wenn keine Wärmekontrolle im System ausgeübt wird, verliert man grosse Wärmemengen vom Glas auf die
Schleuder und eventuell auf die Wassermäntel.
Somit ersetzen die gemäss der vorliegenden Erfindung vorgesehenen inneren ringförmigen Heizvorrichtungen 28 und 28a die Wärmeverluste vom Glas auf die
Schleuder und die angeschlossenen Vorrichtungen und regeln somit die Geschwindigkeit der Wärmeverluste des Glases in den ringförmigen Körpern 24 und 24a, wobei die Wärmeverluste von diesen Körpern auf einen Wert reduziert werden, der wesentlich kleiner ist als derjenige, der vorhanden sein würde, wenn die ersten ringförmigen Heizvorrichtungen 28 und 28a nicht vorgesehen wären.
Gleichzeitig bringen die ersten ringförmigen Heizvorrichtungen 28 und 28a Wärme auf den inneren
Teil des Ringraumes zwischen der Schleuder 20 bzw. 20a und dem Blasstrom 38 bzw. 38a in der ersten
Zone auf, so dass die erste Zone, in die die Ströme ausgeschleudert werden, erwärmt und ihre Tempera- tur auf einem solchen Wert gehalten wird, dass der Wärmeverlust der Ströme ebenfalls verzögert wird.
Der
Temperaturpegel, auf dem die erste Zone gehalten wird, hängt natürlich von dem gesamten Betrieb ab, lässt sich jedoch bestimmen als unterhalb einer Temperatur, bei der Wärme übertragen, d. h. die Tem- peratur der Ströme gesteigert würde und oberhalb einer Temperatur, bei der Wärmeübergang von den
Strömen auf die Umgebung die Ströme so weit abkühlen würde, dass die Temperatur unter die Auszieh- temperatur des besonderen, zu zerfasernden Glases fällt, bevor die Ströme durch die Ausziehblasstrahlen
38 und 38a ausgezogen sind.
Die zweite ringförmige Heizvorrichtung 34 bzw. 34a, die im radialen Abstand ausserhalb der ersten
Heizvorrichtung liegen, wirkt gemäss der Erfindung derart, dass sie die Geschwindigkeit der Wärmever- luste an den äusseren Teilen des Stromes durch Steuerung der Umgebungstemperatur der zweiten oben be- schriebenen Zone regelt und ausserdem die induzierten Gase wenigstens teilweise steuert. Wenn diese
Gase mit Raumtemperatur induziert würden, würden sie Wärme vom System und von den Strömen auf- nehmen, wodurch die Temperatur der Ströme möglicherweise so weit herabgesetzt wird, dass das Aus- ziehen der Ströme in sehr feine und lange Fasern,'wie es durch die Erfindung ermöglicht werden soll, verhindert wird.
Zusätzlich dehnt das äussere ringförmige Heizelement die induzierten Gase aus und re- duziert so die Masse pro Volumeneinheit und damit die kinetische Energie dieser Gase auf einen bestimmten Wert, so dass sie den sauberen Eintritt der Ströme 27 und 27a in die sich ausdehnenden Ausziehblas- strahlen 38 und 38a nicht nachteilig beeinflussen. Die Steuerung der induziertenGase, die nach der vorhergehenden Darstellung entweder zu einer Reduktion ihrer Dichte, einer Steigerung ihrer Temperatur oder einer
Reduktion ihres Volumens oder ihrer Masse führt, kann zu der Auffassung führen, dass die Anwesenheit der induzierten Gase vollständig unerwünscht ist und infolgedessen zu dem Vorschlag, dass man die Einführung der Gase in das System wenn möglich vollständig verhindern sollte. Dies ist jedoch beim erfindungsgemä- ssen Verfahren nicht der Fall.
Jeder sich ausdehnende Strahl ist von einem Eduktoreffekt begleitet, welcher, wenn er nicht teilweise aufgefangen wird, zur Folge hat, dass sich die Blasstrahlen wesentlich schneller ausdehnen als es der Fall sein würde, wenn die Gase des Strahlwirbels nach oben strömen, um das durch den Blasstrahl erzeugte Vakuum auszufüllen. Man erkennt aus den Fig. 1 und 2, dass, wenn die Blasstrahlen nicht mit wenigstens einem zur Befriedigung des Eduktoreffektes erforderlichen Teil von Gasen versorgt werden, die Gase der Blasstrahlen 38 und 38a nach innen und oben schlagen würden, wodurch Turbulenz und Wirbelströme entstünden, die noch wesentlich unangenehmere unerwünschte Wirkungen besässen.
Da die Bewegungsrichtung dieser Wirbelströme entgegengesetzt zur Austrittsrichtung der Ströme 27 und 27a ist, würden sie sich erstens mit dieser Richtung überschneiden, zweitens würde durch die übermässige Ausdehnung der Blasstrahlen ihre kinetische Energie reduziert, die für das Ausziehen erforderlich ist, u. zw. würde dies wesentlich schneller erfolgen, als wenn man die Blasstrahlen verhältnismässig frei von Wirbelströmen halten würde. Drittens muss die Temperatur der Gasströme beim Eindringen in die mittlere Zone hoher Geschwindigkeit der Blasstrahlen 38 bzw. 38a unbedingt derart sein, dass die Blasstrahlen die Ströme wirksam in feine Fasern ausziehen können.
Wenn die Ströme bei ihrem Eintritt in die Ausziehblasstrahlen übermässig abgeschreckt sind, wie es beispielsweise durch übermässiges Abschrecken durch kalte induzierte Gase oder durch ein übermässiges Volumen induzierter Gase erfolgen kann, sind sie nicht so weit ausziehbar, als wenn Temperatur und Masse der induzierten Gase richtig geregelt worden wären.
Die Diskussion der Wirkung dieser verschiedenen Merkmale des erfindungsgemässen Verfahrens beruht auf der Beobachtung von Experimentalvorgängen einer Vorrichtung, die so konstruiert war, dass man die Erfindung ausführen konnte, wobei sich die verschiedenen Umstände regelbar ändern liessen. Eine noch wirksamere Produktion von feinen Glasfasern erhält man, wenn man sämtliche Lehren der vorliegenden
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Erfindung zur Anwendung bringt. Wenn man nur einige dieser Lehren in die Tat umsetzt, ergeben sich trotzdem wesentliche Verbesserungen hinsichtlich der erzielten Ausziehlänge und der Qualität der Fasern im Vergleich mit früheren Verfahren und Vorrichtungen erzielbaren Fasern. Jedoch führt jede zusätzliche Massnahme der Erfindung, die in der Praxis angewendet wird, zu weiteren Verbesserungen.
So ist beispielsweise eine Vorrichtung, die in ihren hauptsächlichen Teilen mit der Vorrichtung nach den Fig. 1 bzw. 2 übereinstimmt, jedoch keine Vorrichtungen für die Steuerung der umgebenden induzierten Gase enthält, in der Lage, Fasern mit einem Durchschnittsdurchmesser in der Grössenordnung von zirka 6, 25. 10-3 mm aus Strömen eines bestimmten Durchmessers und einer bestimmten Temperatur zu erzeugen, die mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausgeschleudert sind. Wenn die Menge der induzierten Gase dann so herabgesetzt wird, dass sich die Gasmasse und damit ihre kinetische Energie vermindern, fallen dieFaserdurchmesser auf 6, 0. 10' mm.
Wenn weiter die äussere ringförmige Heizvorrichtung die Temperatur der induzierten Gase auf annähernd die Temperatur der Ausziehblasströme steigert, fällt der Durchmesser der erzeugten Fasern auf beispielsweise 4, 0. 10-3 bis 4, 5. 10-3 mm. Der Wunsch nach solchen feinen Fasern ergibt sich unmittelbar, wenn die sich ergebende Isolationsfähigkeit einer Masse aus derart hergestellten Fasern bestimmt wird. Im allgemeinen kann man feststellen, dass für eine gegebene Dicke und Dichte von Glasfasermatten die Isolationsqualität steigt, wenn der Durchschnittsdurchmesser der Fasern, aus denen die Matte besteht, abnimmt. Es ist deshalb in der Produktion wichtig, die Fasern so fein als möglich und insbesondere auch so gleichmässig als möglich herzustellen.
Diese Ziele lassen sich durch das erfindungsgemässe Verfahren ohne weiteres erreichen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Fasern aus in der Wärme erweichbarem, glasigem Material, wobei die aus umlaufenden ringförmigenKörpern herausgeschleuderten Materialströme von einem mit hoher Geschwindigkeit strömenden, ringförmigen Blasstrom zu Fasern ausgezogen werden und Wärme den Glasströmen in der äusseren Zone des rotierenden Körpers lediglich in der Menge zugeführt wird, die ausreicht, denWärmeverlust der Mineralströme bei ihrem Durchgang durch diese Heizzone zu mindern, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse des Wärmeverlustes der Mineralströme durch Begrenzung der Menge von durch den Eduktoreffekt des mit hoher Geschwindigkeit strömenden Blasstromes in die Heizzone eingeführter und durch diese hindurchgeführter Umgebungsluft zusätzlich gesteuert wird.