CN1029953C - 玻璃纤维的制备方法和装置 - Google Patents

Abstract

通过利用离心力制备玻璃纤维的方法，其中压缩气体是从靠近成纤燃烧器的火焰出口机架的内部，朝着该燃烧器的喷料口的颈部以与从喷料口喷出的火焰束的方向成一锐角处喷射，以便该压缩气体在该颈部的进口处与燃烧排出气体混合，将混合的气体从该燃烧器的喷料口处与周边壁的外周边表面的基线基本平行的方向喷出，从而将一次纤维拉制成为二次纤维。

Description

本发明涉及通过利用离心力制备玻璃纤维的方法和装置。

利用离心力制备玻璃纤维的传统方法和装置将参照图5进行描述。

更准确地说，由玻璃熔化炉I的供料通路J的喷嘴K流出的熔融态玻璃B被连续地输送到空心的圆筒形旋转装置A中，该旋转装置A是通过驱动装置H以高速旋转的。输送到装置A中的熔融态玻璃，在离心力的作用下，从旋转装置A的周边壁C中的小孔D中以小的圆锥形喷出。将圆锥状熔融玻璃的末端部形成的一次纤维送入到一个火焰束G中，这个火焰束是由纤维成型室E的火焰喷口F喷出的，以便将一次纤维拉细成二次纤维。

为了使用这种传统方法形成的玻璃纤维的直径小并具有高的热绝缘特性，在现有技术中已提出了各种装置。

为了提高火焰束G流速，第一种装置采用了同类玻璃使用的那些装置。但是，使用这种装置，由于成纤燃烧器E的燃烧量必须增加，在火焰喷口F处的火焰温度过分地升高，使形成的一次纤维变成球状或环状的非纤维型材料的比例增大，因而对絮凝特性造成不利的影响。

为了避免这种现象，现有技术中（正如美国专利US3，785，791描述的）采用了一种装置来增加用于燃烧的空气量，但是，当空气-燃料比超过某一值时，燃烧变得不稳定，产生了未燃烧的燃料，振荡燃烧等等，这样火焰温度变得很不稳定，其结果造成了不能得到直径均匀的二次纤维。

第二种装置是要减小周边壁C中的小孔D直径，以减小一次纤维的直径，从而减小所获得的二 次纤维的直径。但是，当小孔D的直径被减小时，该熔融态玻璃不容易流出，因此需要附加以下装置：（a）降低熔融态玻璃供给量的装置;（b）增加旋转装置A旋转次数的装置;（c）升高旋转装置A中熔融态玻璃温度以降低玻璃液粘度的装置。装置（a）降低了产品的产量，而装置（b）和（c）大大地缩短了旋转装置A的使用寿命。因此，这些装置都是不合乎要求的。

作为第三种装置，可以考虑降低每单位时间（从每个小孔流出的熔融态玻璃的流量有时被定义为一个传输锥的流量）从每个小孔D（该小孔是在旋转装置A的周边壁C上形成的）流出的熔融玻璃的流量;但是，这就降低了将要得到的二次纤维的产量。为了避免这种产品的降低，可以考虑增加周边壁C的高度，以增加小孔D的数目;但是，如果增加了周边壁C的高度，那么周边壁C的较低端部分远离成纤燃烧器的火焰喷口F，通过火焰束G的二次拉丝变的不充分，这样在较低端部分附近处难以形成二次纤维。因此，周边壁C的高度受到了限制。

如果降低以上描述的一个传输锥的流量，那么该一次纤维对火焰束G的温度变的灵敏，如果温度高，二次纤维易于变成球状或环状的非纤维材料，二次纤维彼此间易于粘结，削弱了絮凝特性。因此，该火焰束温度需要比通常的低，可是，正如以上所描述的，火焰温度的降低受到了限制，如果降低一个传输锥的流量，这就必须通过降低成纤燃烧器E的燃料的燃烧量，以便降低热能，这样火焰束G达到的距离变短。结果，从这一方面考虑，周边壁C的高度也受到了限制，带来了值得注意的产量减少问题。

有许多种玻璃纤维，和许多不同直径的玻璃纤维（其直径范围从小到大）需要生产。但是，用传统的方法和装置，采用一个普通装置制造许多种玻璃纤维是不令人满意的。这是因为这使得产量降低，热能增加，产品质量下降等等。

当然，分别提供形成不同种类玻璃纤维的专用生产线是不合乎需要的，因为这增加了生产成本。

根据以上传统技术的现状，本发明的一个目的是提供一种形成玻璃纤维的方法和装置，其中通过成纤燃烧器形成的火焰束的温度低于一个不产生未燃烧的燃料和不稳定的燃烧的预定的温度，而可以提高火焰束的流速，因此可以增加旋转装置的周边壁高度，既使从周边壁的每个小孔（即，一个传输锥的流量）流出的熔融玻璃的流量减少，但在旋转装置周边壁的整个高度上，可以将熔融玻璃的一次纤维令人满意地形成二次纤维，而不会造成一次纤维的热损失，并且可以在增加流量的条件下产生高质量的细玻璃纤维，在不增加成纤燃烧器中燃料的燃烧量的情况下，能节省制纤中的能量。

为了实现以上提到的目的和其它目的，按照本发明（正如权利要求1中要求的），提供了一个利用离心力制造玻璃纤维的方法，其中将压缩气体从靠近成纤燃烧器的火焰喷口机架的内侧位置朝着该燃烧器喷料出口的颈部，以与喷料出口的火焰束喷出方向成一锐角的方向喷出，以便该压缩气体在颈部的入口处与燃烧排出气体混合，该混合的气体从燃烧器的喷料出口处喷出，其方向基本上与周边壁的外周边表面的基线平行，从而将形成的一次纤维转变成细的二次纤维。

按照本发明（正如权利要求2中要求的），提供了一个用于形成玻璃纤维的装置，其中许多用于喷入压缩气体的孔被设置在成纤燃烧器内火焰喷口机架的上部，该孔是朝着喷料出口颈部的入口处打开的，该孔与所提供的压缩气源连通。进一步说，在一个特殊的结构中，从该孔中喷入压缩气体的方向与从成纤燃烧器的喷料出口喷出燃烧排出气体的方向成一锐角。更进一步地说，在一个特殊的结构中，许多用于喷入压缩气体的孔是设置在成纤燃烧器的火焰喷口的机架上。再进一步说，在一个特殊的结构中，许多用于喷入压缩气体的孔是设置在成纤燃烧器内火焰喷口机架上的压缩气体室中。

本发明的方法和装置具有以上结构。所需量的燃料通过成纤燃烧器燃烧，当燃烧喷出的气体从该燃烧器的喷料口喷入时，压缩气体从许多靠近火焰喷口机架的内侧的孔中朝着喷料口的颈部喷入。喷入压缩气体的方向与从排料出口喷入燃烧喷出气体的方向成一锐角。由于该压缩气体是直接朝向喷料口颈部的，因此，在颈部的入口部分，燃烧喷出的气体与喷入的压缩气体在颈部的进口处混合。由于这种混合是在喷料口颈部的进口部分进行的，因而将不影响成纤燃烧器内燃料的燃烧，也不改变燃烧条件。

通过将燃烧排出气体与不带热量的压缩气体混 合，降低了燃烧排出气体的温度，由于喷入压缩气体的方向与喷入燃烧排出气体的方向成一锐角，所以在喷入方向上增加了压缩气体的动能。其结果，所产生的火焰束在与周边壁的外周边表面基本平行的方向喷入，其温度比燃烧排出气体（由成纤燃烧器产生并已达到排料出口）的温度低，喷射压力变大。

因此，既使旋转部件的周边壁的高度比传统的技术有所增高，既使各个小孔所具有的熔融玻璃锥的流量变小，该火焰束具有足够的热量和速度到达周边壁的最低端。而且，通过加入压缩气体，火焰束的温度被降低，因此，既使由于熔融玻璃的一个圆锥的流量降低而使一次纤维的直径比传统技术的小，也将使一次纤维不遭到损坏。由于考虑到周边壁高度增加而增加小孔的数目，所生产的二次纤维的总量并没有减少，由于通过加入压缩气体增加了火焰束的喷射压力，将不增加燃料的消费。

进一步的，通过选择和调节压缩气体的喷入量和喷入压力，压缩气体的热量等等，可以用单个的装置生产各种玻璃纤维。

图1是（如权利要求2，3和4中要求的）本发明的一个具体方案的纵向横截面示意图;

图2是构成图1的一个重要部分放大的横截面示意图;

图3是（如权利要求5中要求的）另一具体方案的一个重要部分放大的示意图;

图4是温度和形成玻璃纤维的玻璃粘度之间的关系曲线;和

图5是一个传统装置的纵向横截面示意图。

图1和图2示出了如权利要求2、3和4中要求的本发明装置的一个实施例。图3示出了如权利要求5中要求的本发明的一个实施例。我们首先描述这些装置的结构，然后再描述权利要求1中要求的方法。

参照图1和2，设置在玻璃熔炉1供料通路2的熔融玻璃排料喷嘴3的正下方的是一个与驱动装置5连接的空心圆柱形旋转装置4。

驱动装置5支承在机架（未示出）上，并且包含有由皮带6带动的旋转轴7。旋转装置4被固定地连接到旋转轴7的最低端。

旋转装置4上有许多小孔9，它们在周边壁8的整个周边上穿过周边壁8。从熔融玻璃排料喷嘴3排出的熔融玻璃10向下流动，由旋转装置4的底部壁11接受。熔融玻璃12通过由驱动装置5带动以高速旋转的旋转装置8的作用，沿着周边壁8的周边表面上升，在离心力的作用下从小孔9中以小圆锥形喷出，从而连续地送入该熔融玻璃，并在离心力的作用下径向地向外拉丝，以提供一次纤维。

成纤燃烧器13被安装在旋转装置4上方，围绕在旋转装置4的外壁周围。这个成纤燃烧器的排料出口14在与周边壁8的外周边表面15的基线平行的方向打开，由成纤燃烧器13的燃烧室16产生的燃烧喷出的气体作为火焰束17沿着周边壁8的外周边表面15喷出。该火焰束17将从小孔9排出并在离心力作用下形成的一次纤维玻璃制成为的二次纤维。

喷料口14由一个外火焰出口机架18和一个内火焰出口机架19来确定，在外火焰出口机架18的上部靠近成纤燃烧器13燃烧室16处有许多用于喷射压缩气体的小孔20。

每个小孔20是朝着喷料口14的颈部21的进口打开的，该小孔的喷射方向x-x与喷料口处14的火焰束17（即：喷射燃烧气的方向y-y）之间的夹角α为锐角。

小孔20是与外火焰出口机架18的内空腔22相连接。内腔22通过提供压缩气体的通路23与提供压缩气体的气源连通，该压缩气体例如为空气和惰性气体（如氮气和二氧化碳气体）。

在图1和2所示的实施例中，提供压缩气体的小孔20以及内空腔22被设置在外火焰出口机架18处，而在图3所示的第二个实施例中，用于喷射压缩气体的小孔24是在气体室26中的，气体26被设置在外火焰出口机架25的上方，气体室26通过压缩气体传输通路27与所提供的压缩气源（未示出）接通。除了这些特点以外，第二个实施例在结构上与第一个实施例是相同的。

既在图1和图2的第一实施例又在图3的实施例中，虽然小孔20、24只被设置在外火焰出口机架18、25中，但同样的小孔也可以设置在内火焰出口机架19、28中，以便该压缩气体可以从内外两侧喷到喷料出口颈部的进口处。

以下将描述用以上所述的玻璃纤维制造装置制备玻璃纤维（如权利要求1中所要求的）的方法。

燃料在成纤燃烧器13的燃烧室16中完全燃烧，高温燃烧的喷出气体从喷料口14喷出，由压缩空气或惰性气体得到的压缩气体也朝着喷料口14的颈部21的进口喷出，其喷射方向与从喷料口喷出的燃烧喷出气体的方向成一锐角，以便压缩气体在进口部分与燃烧喷出气体混合。通过这种混合，从喷料口14喷出的燃烧喷出气体的温度比预定温度低，同时也增加了喷射的压力。

燃烧喷出气体（由此而温度降低和速度加快）作为火焰束17从喷料口14喷出，其方向基本上与旋转装置4的周边壁8的基线方向平行。

同时，将熔融玻璃10从熔融玻璃排料喷嘴3连续地输送到高速旋转的旋转装置4中。

由此输送的熔融玻璃10从旋转装置4的周边壁8上的小孔9中以小圆锥形排出，在离心力的作用下，不断地拉制成一次纤维，该一次纤维则径向地朝旋转装置4的外部分别从上述的小圆锥形熔融玻璃的顶部送入到火焰束17中，通过火焰束17制成细的二次纤细。该二次纤维被向下抛出，并由收集装置（未示出）收集。

正如以上所描述的，由于喷射压缩气体，火焰束17的温度被降低到比燃烧室16中产生的燃烧喷出气体的温度低。因此，与旋转装置4的周边壁8的上边缘部分接触的火焰束17的温度可以被降至预定的较低的温度，既使从各个小孔9（即一个圆锥的流量）排出的熔融玻璃的量小，也可以将温度保持在这样一个程度，以防止形成一次纤维的热损失。同样的，由于上述压缩气体的喷射，可以增加火焰束17的喷射压力，该火焰束17可以进一步达到火焰束17的热能没有损失，因此，可以增加周边壁8的高度，以便增加小孔9的数目。因而，通过增加小孔的数目来补偿在一个圆锥中流量的减少。

如权利要求1要求的本发明的玻璃纤维制备方法包括以上所述的步骤。

本发明和传统技术之间的比较将通过参照具体的实施例作如下描述。

[Ⅰ]成纤燃烧器喷料口最低端和旋转装置周边壁最低端之间的温度差（℃）（L代表两个最低端之间的距离）。

压缩气体流量    燃料气体流量

（米³/小时） （18米³/小时）

L＝65mm    L＝83

传统技术    0    105℃    -

本发明    110    76℃    105℃

压缩气体流量    燃料气体流量

（米³/小时） （22米³/小时）

L＝65mm    L＝83

传统技术    0    91℃    -

本发明    180    70℃    95℃

从这个表中可以清楚的看出，按照本发明在旋转装置周边壁的最低端，火焰束的温度降低的较少。

[Ⅱ]如图4所示特性的用于制备玻璃纤维的硬质玻璃和标准玻璃的成纤实例。

（1）硬质玻璃（表1、2见文后）

（2）标准玻璃（表3见文后）

从表1的数值可以清楚地看到，在燃料消耗相同的情况下，用本发明所生产的玻璃纤维的产量比用传统技术生产的大，而且用本发明获得的絮凝性非常好。因此，根据本发明可以清楚地看出，本发明可以大幅度地降低能量参数，增加玻璃纤维的产量。

从表2和表3我们可以清楚地看到，当我们分别用本发明的方法和传统技术的方法生产相同产量的普通玻璃纤维时，本发明所消耗的燃料比传统技术的少，而本发明玻璃纤维的絮凝性非常好。我们也可以看出，与传统技术比较，既使不大量地增加燃料消耗，也可以生产热绝缘性高的高质量玻璃纤维。

正如表2和表3所示，可以得到高质量玻璃纤维的原因之一是，正如以上所述在本发明的方法和装置中，一次纤维都已纤维化（即没有出现一次纤维的损坏）。另一方面，在传统技术中，周边壁中间区域的温度比周边壁的上下部分高，因此，从周边壁的上部区域排出的一次纤维形成二次纤维，而当该二次纤维穿过一次纤维的末端时（该一次纤维是处在二次纤维形成区域内从周边壁的中间部分排出的），该一次纤维与其二次纤维交叉。故此，就降低了质量。

本发明的方法和装置特征是压缩气体的喷射及 喷射位置，而压缩气体的喷射方向与火焰束喷射方向之间的角度、喷射速度分布、气体流量和气体压力是重要的因素。

关于压缩气体的喷射位置，该气体不是二次燃烧气，因此，该位置必须处于在成纤燃烧器内燃料已完全燃烧的位置，该位置还应该靠近该燃烧器的喷料口，该位置也应该处在燃烧喷出的气体与压缩气体混合，然后形成一个平稳流作为火焰束从喷料口喷出的位置。这个位置是设在该喷料口颈部的进口处。

为实现上述的平稳流，上述的位置应该设在喷料口的颈部处，且该喷料口与内圆周表面平行。

关于喷射角度，从有效地使用喷射的压缩气体能量和使燃烧喷出气体平稳喷出的观点出发，压缩气体喷射束的中心线相对于从喷料口喷出的火焰束的中心线30～60°的角度倾斜。这个角度越小越好。如果这个角度是钝角，则将会阻碍燃烧气体的排出。燃烧变得不稳定。在以上的实施例中，这个角度为45°。

在旋转装置周围的方向上，压缩气体的速度分布应该是平稳的。如果这个分布不平稳，则从成纤燃烧器的喷料口喷出的火焰束的温度和速度变得不稳定，这就降低了所生成的二次纤维的质量。

基于这个原因，孔的直径最好小一些，且在圆周方向上以相等的距离间隔排列。该孔的直径最好为1-3mm，距离间隔最好为5-10mm。

在以上的实施例中，直径为2mm，间隔为6.5mm。

压缩气体喷射量的确定取决于旋转装置的直径，旋转装置周边壁的高度，所需形成的玻璃纤维的直径，和成纤燃烧器燃烧喷出气体的流量。旋转装置的直径越大，周边壁的高度越高，所生产的玻璃纤维越细，成纤燃烧器的燃烧喷气量越大，则压缩气体的喷射量就越大。

压缩气体的压力只需要达到高于成纤燃烧器的内部压力即可。在以上的实施例中，所提供的压缩气体的压力为5kg/cm²。

本发明的方法和装置具有以上提到的结构和操作步骤，按照权利要求1中要求的本发明，可以将从成纤燃烧器喷料口处喷出的火焰束的温度降低到不影响燃烧器内的燃烧，同时也可以增加火焰束的速度。因此，具有这样的一个优点，即不增加燃料的消耗而生产出大量的质量高的细玻璃纤维。

根据权利要求2至5所要求的本发明，使压缩气体在喷料口的颈部与燃烧喷出气体混合，以降低燃烧排出气体的温度，并使之形成一个平稳流，当其通过喷料出口时，速度也增加。因此，具有这样的一个优点，既使增加了周边壁的高度，有效的火焰束可以到达周边壁的最低端。

与传统的技术比较，即使其周边壁的高度更大既使各个小孔的直径变小，从而降低了一个传统圆锥的流量，细的一次纤维将不受到破坏，因而具有这样的一个优点，即可以生产高质量的玻璃纤维而不降低其产量。

通过喷射压缩气体降低了成纤燃烧器燃烧喷出气体的温度，并且通过压缩气体的喷射能量也增加了火焰束的喷射压力。因此具有不增加燃料消耗的优点。

按照本发明的方法和装置，通过选择和调整压缩气体的喷射量，喷射压力，气体的热量等等，可以有利地用单一的方法及装置生产各种玻璃纤维。

表1

本发明    传统技术

成纤量（千克/小时    400    320

周边壁高度（毫米）    71    58

燃料气体流量（米³/小时） 21 21

压缩气体流量（米³/小时） 140 0

纤维平均直径（微米）    6    6

絮凝性    好（有光泽    一般（有轻

且强度大）    微的缠结）

能量参数

（燃料气体流量/成纤量）    52.5    65.6

（米³/吨）

表2

传统

本发明

技术

高绝热    普通    普通

产品    产品    产品

成纤量（千克/小时）    400    400    400

周边壁高度（毫米）    71    71    58

燃料气体流量（米³/小时） 21 14 17

纤维平均直径（μm）    6.0    7.5    7.5

好（有光    好（有光

絮凝性    泽，强    泽强力    一般

力丝）    丝）

压缩复原率（%）    115    120    105

能量参数（米³/吨） 52.5 35.0 42.5

压缩空气流量（米³/小时） 140 70 0

表3

传统

本发明

技术

高绝热    普通    普通

产品    产品    产品

成纤量（千克/小时）    400    400    400

周边壁高度（毫米）    71    71    58

燃料气体流量（米³/小时） 23 14 17

纤维平均直径（微米）    4.5    7.0    7.0

好（有光    好（有光

絮凝性    泽，强    泽，强力    一般

力丝）    丝）

压缩复原率（%）    120    130    110

能量参数（米³/吨） 57.5 35.0 42.5

压缩空气流量（米³/小时） 260 140 0

Claims (5)

1、制备玻璃纤维的方法，包括步骤：

(a)将熔融玻璃输送到一个空心圆柱形旋转装置中，在所述的旋转装置的周边壁上有许多小孔穿过；

(b)在通过所述的旋转装置高速旋转所产生的离心力作用下，该熔融玻璃从所述的周边壁上的小孔中以小的圆锥形喷出；

(c)在围绕所述周边壁的一个外周边区域，从成纤燃烧器的喷料口处喷出火焰束，其方向基本上平行于所述周边壁的一个外周边表面的基线；

(d)将压缩气体从靠近排料出口的位置和所述的成纤燃烧器内，朝着所述喷料口的颈部，以与从所述喷料口喷出的所述火焰束的方向成一锐角的方向喷射；

(e)将所述的压缩气体在所述颈部的进口处与所述的火焰束混合；

(f)从所述燃烧器的喷料口处以与所述周边壁的外周边表面的基线基本上平行的方向喷射所述的混合气体；和

(g)将有圆锥形熔融玻璃末端形成的一次纤维，在离心力的作用下输送到所述的混合气体中，以便所述的一次纤维拉制成细的二次纤维。

2、制备玻璃纤维的装置，包括：

一个空心圆柱形旋转装置，在所述的旋转装置的周边壁上穿过许多小孔;

用于熔融玻璃原料和将熔融玻璃输送到所述空心圆柱形部件中的装置，安置以上所述的空心圆柱形旋转装置的装置;

用于旋转所述的旋转部件的装置，该装置连接到所述空心圆柱形旋转装置上;

一个成纤燃烧器被设置在围绕所述旋转装置所述周边壁的一个外周边的区域上，所述的燃烧器有一个喷料口，该喷口是在与所述周边壁的一个外周边表面的基线平行的方向上打开的;

通过许多小孔用于喷射压缩气体的装置，该装置靠近所述的喷料口，并在所述的成纤燃烧器内，所述的孔是朝着所述喷料口颈部的进口处打开的，并且与压缩气源连通。

3、根据权利要求2的装置，其中从所述孔中喷出的压缩气体的方向与从所述成纤燃烧器的所述喷料口喷出的燃烧排出气体的方向成一锐角。

4、根据权利要求2的装置，其中所述的成纤燃烧器包括用于固定所述喷料口的火焰出口的机架，和所述的孔设置在所述成纤燃烧器的所述火焰出口的机架上。

5、根据权利要求2的装置，其中所述的成纤燃烧器包括用于固定所述喷料口的火焰出口的机架，所述的孔设置在所述成纤燃烧器内的所述火焰出口的机架提供的压缩气体室内。

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