CN104010978B - 用于由可玻璃化的材料制造纤维的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造无机纤维的方法，包括：将原料（4）引入具有电极（9）的圆形熔炉（1），然后在所述熔炉（1）中将原料（4）熔融以便形成熔化的可玻璃化的材料（8），然后在熔炉中的熔化的可玻璃化的材料（8）通过侧向出口从熔炉流出，使得供给分配通道（11），然后，通过在分配通道的熔炉底部中的孔（12），熔化的可玻璃化的材料（8）流出使得供给成纤设备，然后，通过所述成纤设备将熔化的可玻璃化的材料（8）转变为纤维，在熔炉（1）和分配通道（11）之间的熔化的可玻璃化的材料（8）流在金属围堰（10）下通过，所述金属围堰在高度上是可调整的，包括借助于冷却流体流来冷却的壳。围堰（10）的高度的调整允许待被形成为纤维的玻璃的温度改变使得使其到达对于成纤过程来说期望的粘度范围。

Description

用于由可玻璃化的材料制造纤维的方法

本发明涉及一种制造无机纤维的方法，包括在具有电极的圆形熔炉（fourcirculaire）中熔融(fusion)可玻璃化的材料，将这些熔化的(molten)材料提供给分配通道（canal de distribution），然后它们转变为纤维。

在本发明的范围中使用的熔炉被称为冷-顶部熔炉（un four dit à voûtefroide），其允许可玻璃化的材料借助于由使用浸于可玻璃化的材料中的电极的焦耳效应（effet Joule）产生的热量来熔化。由顶部（le dessus）携带可玻璃化的材料的固体组合物并且该固体组合物形成了完全覆盖熔化的材料的浴的上层。根据现有技术，通过熔炉底部或者在侧面通过流槽（gorge）来提取熔化的材料并且该熔化的材料被送入经过供给成纤设备的分配通道。成纤是直接在熔融可玻璃化的材料后的连续过程。当在熔炉和分配通道之间使用流槽时，观察到形成流槽的耐火材料的快速耗损，特别地在流槽的上部（la partiesupérieure）。实际上，尽管使用冷却系统来使得由熔化的材料在高温下对于耐火材料的侵袭受到限制，但是这些耐火材料通常必须早于由熔炉的耐火材料制成的其它构件被替换。这样的替换此外需要熔炉的停车。此外，简单的流槽既不是用于调节流速的装置，也不是用于调节熔化的材料的温度的装置。熔化的材料的温度实际上是用于获得高质量成纤过程的必需参数。在成纤过程中熔化的材料的恰当的温度首先通过调节电极所输送的电流来获得。分配通道的设计如它的长度、它的热绝缘性和它的特定的加热装置也可对这个温度有影响。调节整个成纤过程是特别困难的并且可能需要长期的不断摸索。这种困难是更大的，因为这种类型的熔炉通常操作较短期的制造（ce type de four fonctionne généralement pour des campagnes de facrication relativement courtes en durées）并且相比于连续方式的操作时间具有因此长的过渡时间(从开始起稳定制造的时间段)。这种类型的制造通常以5-100吨/日的产量（tirée）操作。它是成纤模具（filières）中玻璃的通过，这限制了产量。转变为纤维因此是玻璃流通过整个过程(产量)的决定步骤。这是为什么围堰的高度仅仅调节温度而非流量的原因。这种类型的具有较适度的尺寸的熔炉(炉底内表面积为1-30平方米)是非常柔性的并且可以容易地根据情况在任何时刻被停车。它通常能够在没有停车达24小时至6个月，或甚至更长的情况下来运转。本发明涉及制造无机纤维的方法，包括：将原料引入具有电极的圆形熔炉，然后在所述熔炉中将原料熔融以便形成熔化的可玻璃化的材料，然后在熔炉中的熔化的可玻璃化的材料通过熔炉侧向出口流出，使得供给分配通道，然后，通过在分配通道的底部上的孔，熔化的可玻璃化的材料流出以供给成纤设备，然后，通过所述成纤设备将熔化的可玻璃化的材料转变为纤维，其特征为在熔炉和分配通道之间的熔化的可玻璃化的材料流在金属围堰下通过，所述金属围堰在高度上是可调整的，包括借助于冷却流体的流动来冷却的壳套，

其中电极自上浸没在可玻璃化的材料中，

其中转变为纤维是决定产量的步骤，使得围堰的高度调节温度而非熔化的可玻璃化的材料的流量。

US6314760公开了一种圆形熔炉，其具有电极和向分配通道给料的圆锥形熔炉底部（sole），玻璃流经过由壳套围绕的钼管在熔炉和通道之间流动，其中冷却水流过所述壳套。这篇文件没有提供任何用于调节玻璃流和从熔炉离开的玻璃的温度的方案。

US3912488公开了一种圆形熔炉，其具有电极和圆锥形熔炉底部，后者包括用于从熔炉底部的圆锥形顶点提取熔化的材料的孔，所述孔通过水循环来冷却。

本发明的贡献在于通过提供调节熔化的可玻璃化的材料的温度的另外的可能性克服了上述的问题。实际上已经观察到，在这种类型的圆形熔炉中，在可玻璃化的材料中存在垂直温度梯度，较热的材料处于恰在尚未熔化的可玻璃化的材料的表层（croûte）下的顶部，并且越接近于熔炉底部，它们越冷。还已经观察到，有可能通过利用在熔炉和分配通道之间的相对于熔炉位于侧面的纵向可移动的围堰的深度，影响从熔炉来到分配通道的熔化的材料流的温度。围堰越低，在其下通过的熔化的材料的温度越低，并且反之亦然。

因而，本发明涉及一种制造无机纤维的方法，包括：将原料引入具有电极的圆形熔炉，然后在所述熔炉中将原料熔融以便形成熔化的可玻璃化的材料，然后在熔炉中的熔化的可玻璃化的材料通过熔炉侧向出口流出，使得供给分配通道，然后，通过在分配通道的底部（sole）上的孔，熔化的可玻璃化的材料流出，供给成纤设备，然后，通过所述成纤设备将熔化的可玻璃化的材料转变为纤维，在熔炉和分配通道之间的熔化的可玻璃化的材料流在金属围堰下通过，所述金属围堰在高度上是可调整的，包括借助于冷却流体的流动来冷却的壳套。

可玻璃化的材料吸收红外辐射越强，熔炉中的熔化的材料中的垂直温度梯度将越高。熔化的组合物中铁氧化物的存在有助于红外吸收。因而，当熔化的材料包含大于2wt%的铁氧化物(所有形式的铁氧化物的总和)并且甚至大于3wt%并且甚至大于4wt%的铁氧化物时，本发明的方法是特别非常合适的。一般而言，熔化的材料包含小于20wt%的铁氧化物。当熔化的材料包括1-30wt%的氧化铝，并且甚至15-30wt%的氧化铝时，本发明的方法是非常特别适合的。例如，其可以用于熔化具有文献WO99/57073，WO99/56525，WO00/17117，WO2005/033032，WO2006/103376中的一个或其它中所述的组成的纤维所用的玻璃，上述文献作为参考引入本文。

成纤的理想温度取决于熔化的材料的组成。一般而言，理想的是对于它的粘度，使其为25Pa.s至120Pa.s。因而，根据本发明，可以调整围堰的高度，使得熔化的可玻璃化的材料的粘度被包括在这个范围中。实际上，围堰的高度对可玻璃化的材料的温度并且因此对它的粘度具有直接影响。因此确定(即，调整)围堰的高度使得在成纤设备中熔化的可玻璃化的材料的粘度是25Pa.s-120Pa.s。

本发明适于由玻璃或由岩石（roche）形成纤维。

在围堰下通过的熔化的可玻璃化的材料的温度被选作高于可玻璃化的材料的反玻璃化温度。一般而言，在围堰下通过的可玻璃化的材料的温度是850-1700℃。对于包括至少15wt%的氧化铝，特别地15至30%的氧化铝的可玻璃化的材料，在围堰下通过的可玻璃化的材料的温度通常是1200-1700℃。因此调整围堰的高度，使得在其下通过的熔化的材料处于恰当的温度范围。根据本发明的围堰因此允许根据本发明方法进行真正的调节。

本发明适于所有类型的玻璃或岩石。然而，可玻璃化的材料吸收红外辐射(IR)越容易，对本发明越有利。实际上，可玻璃化的材料吸收IR越大，热传递受限制越大，从熔炉底部到浮在熔化的可玻璃化的材料的顶部上的原料的表层的所观察到的热梯度越大。熔炉底部因此更冷，可玻璃化的材料吸收IR更多。这对于熔炉底部的总使用期（la durée dans letemps de la sole）是有利的。吸收较少的IR的可玻璃化的材料例如是硼硅酸盐类型的玻璃。吸收较多IR的玻璃例如是在可开天窗（toits ouvrants）应用中用作日光屏的汽车用玻璃。

围堰由金属制成并且是中空的，使得冷却流体可以流过其内部。围堰可以由焊合的金属板建构。有利地，焊缝在围堰内部。围堰的金属可以是钢如AISI 304。围堰的浸渍部分可以完全由这样的钢制成。管道通过围堰的顶部连接以便允许冷却流体的进出。有利地，冷却流体是液态水。其在围堰中通过前的温度通常是5-50℃，优选地20-40℃(具有低于10°的温度的太冷的水会有风险，这引起水冷凝到设备上)。冷却流体可以是空气。围堰通常具有这样的高度，其足以任选地完全阻断熔化的材料在熔炉和分配通道之间的流动。有利地，围堰的横截面具有梯形形状，即，其两个大面可以朝底部靠拢。因此较容易地将围堰收回，如果围堰陷入固化的可玻璃化的材料。围堰的宽度基本上相应于朝分配通道流动的熔化的组合物的通道的宽度，其基本上相应于分配通道的宽度。在围堰下的熔化的可玻璃化的材料的通道的宽度和围堰本身的宽度通常为20-60cm(宽度沿与可玻璃化的材料的流动方向横向的方向测量)。

熔炉是圆形的。熔炉的底部可以是平的或可以包括倾斜面。熔炉底部的倾斜面允许熔化的可玻璃化的材料，当其开始熔化时，朝熔炉底部的最低的点流动。实际上，有利的是在填充熔炉的开始的时候，将小体积的熔化的可玻璃化的材料汇集在一起以便形成积聚热量的热点。这允许在填充的开始时使得所述方法更快地被策动,和，可以说启动熔炉的运作（fonctionnement）。倾斜面可以倒置锥形的倾斜面，其顶点是熔炉的底部的最低的点。它也可采取倾斜面(inclined plan)的形式，其与熔炉的圆柱状壁的相交部分形成曲线，其具有熔炉底部的最低的点。其它形状是可能的，理想的是熔炉底部包括向上取向的凹角，在熔炉的填充的开始的时候，熔化的可玻璃化的材料朝其流动以便积聚。这个角可以在熔炉底部与熔炉的侧壁相遇处形成。原料因此优选地被导向朝这个角，至少在熔炉的填充的开始时候。如果这个角不在熔炉底部中的中央位置中，最初，固体原料可以朝这个角引导，然后当足够量的熔化的可玻璃化的材料达到时，固体原料更多地被引导至熔炉底部的中央。固体原料也可被朝熔炉底部的这个凹角引导，当期望将熔炉置于待机(产出（tirée）停止，不供应组合物并且保持熔炉是热的)时。优选地，电极接近其中引入原料的位置。因而，如果原料在若干位置被依次引入的话，其将有利的是能够移动电极以便使其跟随引入原料的位置。

熔炉的内部在熔炉底部和侧壁上衬有与可玻璃化的材料接触的耐火材料。侧壁通常包括与环境空气接触的外部的金属壳套。一般说来，这种金属壳套包括两个部分，冷却水在其之间流动(在附图中未示出的系统)。电极从顶部被浸渍在可玻璃化的材料中。这些电极通常包括浸于可玻璃化的材料中的由钼制成的部分和连接到电压的在可玻璃化的材料之上的由钢制成的部分。因而，与可玻璃化的材料接触的电极部分通常由钼制成。会看出来由钼制成的电极逐渐地与存在于可玻璃化的材料中的铁氧化物反应，这促使FeO的存在而损耗Fe₂O₃，所述FeO特别地吸收IR，其沿从熔炉底部到原料表层下面的温度梯度增加的方向进行。相对于根据电极通过熔炉底部的配置，自上引入电极具有若干优点。实际上，经熔炉底部的通道将需要形成电极块，这建立电极和熔炉底部之间的连接，所述块特别难以制造，因为熔炉底部还借助于金属壳套来冷却。熔炉中的电极构成了较热的区域并且由陶瓷耐火材料制成的电极块会被特别快速地腐蚀。另外，从顶部浸渍电极有利于从底部向顶部上升的温度梯度的形成，这是由于电极在顶部加热，另外结合了优先地围绕电极形成FeO，这因此也是在顶部。根据尺寸和熔炉的产量（tirée），匹配电极的数目。熔炉通常未装备有用于搅拌可玻璃化的材料的装置(无机械搅拌器，也无被浸渍的喷嘴(burner))，任选例外是鼓泡型的装置。熔炉装备有用于引入可玻璃化的材料的装置。这些通常是粉末形式，或者颗粒化的形式，通常至多10mm的直径。在熔炉的整个内表面上均匀地分配可玻璃化的材料，以便形成覆盖熔化的材料的表层。作为引入可玻璃化的材料的装置，可以使用在熔炉的内表面上方旋转的锥体。迫使可玻璃化的材料落到旋转的锥体上，所述锥体的旋转将其均匀地投射到熔炉的整个内表面。尚末熔化的可玻璃化的材料在熔化的可玻璃化的材料上的表面上形成表层。这种表层形成热屏蔽，其限制由顶部的热损失。鉴于此，熔炉的顶部可以简单地由锅炉钢（acier chaudronné）制成，而没有任何特别的冷却装置。熔炉的内部表面面积通常为1-25平方米。在操作中，可玻璃化的材料的深度(熔化+非熔化)通常是20-60cm。熔化的可玻璃化的材料的产量通常可以是5-100吨/日。

分配通道在其熔炉底部中包括至少一个孔。它可以包括它们中的2或3或更多个，这取决于待同时供给的成纤设备的数目。通过这种孔落下的熔化的可玻璃化的材料的丝线（filet）随后朝着成纤机取向。

借助于被称为内离心设备的设备可以进行纤维的转变。内离心方法的原理本身是本领域技术人员熟知的。示意地，这种方法在于将熔化的无机材料的丝线引入离心机，也称为成纤板，其以高速旋转并且围绕其周缘具有非常多的孔，通过这些孔在离心力的作用下熔化的材料以长丝的形式被投射出。这些长丝然后在高温和沿离心机的壁运动的高速下经受环形挤出流（courant annulaire d'étirage）的作用，所述环形挤出流使其变薄并且将其转变为纤维。所形成的纤维由这种气态挤出流朝着接收设备的方向驱动，所述接收设备通常由可以透气的条带形成。这种已知的方法已经是许多改进的主题，特别地在以下欧洲专利申请中公开的那些：N° EP0189534、EP0519797或EP1087912。

图1显示了若干构件，其允许本发明的方法从熔融直至成纤以连续方式运转。圆形熔炉1被供给可玻璃化的材料4，所述可玻璃化的材料4落到围绕垂直轴6旋转的金属锥体5上，所述圆形熔炉1包括熔炉底部2，所述熔炉底部2包括倾斜面和圆柱类型的侧壁15。这种旋转允许可玻璃化的材料围绕中心轴6在较大表面面积上被分配。倾斜面是锥体的一部分，其顶点3朝下，形成朝上的凹角。尚末熔化的可玻璃化的材料在熔化和供给熔化的材料的浴8前在表面上形成表层7。电极9产生熔融可玻璃化的材料所需要的热量。熔化的材料通过在具有可调整的高度的围堰10下通过而离开熔炉1并且通过水的循环来冷却。它们随后到达分配通道11，所述分配通道11具有孔12(显示了单个孔，其中沿着通道的右侧其它的孔可以进一步存在)。它们流过孔12，使得形成丝线14并且落到槽13中使得随后供给未显示的成纤设备。围堰10具有梯形的横截面(梯形与图中的平面平行，该平面可以在图中被看到)，即，其的最大侧面16和17朝底部靠拢。

图2显示了若干构件，其允许本发明的方法从熔融直至成纤以连续方式运转。全部与图1中相同的构件被看到，例外是这里的熔炉底部2采取倾斜面的形式。这种熔炉底部2与圆柱状壁15的相交形成了曲线交叉，其包括最低的点23。熔炉底部和侧壁的汇合点，在这个最低的点处，形成了向上凹的角（angle concave vers le haut），该向上凹的角能接收熔化的可玻璃化的材料。旁路系统20允许原料朝着管道21取向，或者朝着管道22取向，所述管道21使原料在锥体5上方进行中央分配，所述管道22将这些可玻璃化的材料分配在熔炉底部2的最低的点23的附近。由管道22的分配发生在填充熔炉的开始的时候，这样的方式使得最大量的熔化的材料尽快地积聚在拐角23处。在方法的开始时这种少量的熔化的材料的积聚允许熔炉被启动。当原料通过管道22被加入(engaged)接近于经过熔炉底部的最低的点23的某个垂直位置(vertical)时，电极9也被水平地移动，使得位于靠近经过最低的点23的该垂直位置。当需要时，放泄塞24允许熔炉被排干。

图3以上视图的方式对于图2中的熔炉显示了用于分配原料的设备和电极的相对位置。可以看见熔炉的圆柱状壁15和分配通道11。在填充开始的时候(图3a))，原料通过在最低的点23上面的尽可能最接近的管道22被引入(参见图2)。电极9位于在这个最低的点23上面的尽可能接近的位置。在连续生产过程(图3b))中，原料通过在熔炉中央的管道21而被引入。电极9已经被移动使得围绕熔炉的中央。

实施例

氧化物类型的粉末化原料被引入图1中所示类型的熔炉中使得形成玻璃组合物，所述玻璃组合物包括：

二氧化硅：43%

氧化铝：21%

铁氧化物：6%

CaO+MgO：17%

Na₂O+K₂O：11%

TiO₂：0.7%。

通过电极提供630千瓦的功率。改变围堰的高度并且对连续方式中的各种高度和 对于10吨/日的恒定产量，测量温度。下表1提供了熔炉底部和围堰的最低的点之间的各种 距离的结果。

围堰下的高度	恰在围堰后的玻璃的温度
		120mm	1350℃
140mm	1410℃
		150mm	1450℃

表1。

Claims (15)

1.一种制造无机纤维的方法，包括：将原料引入具有电极的圆形熔炉，然后在所述熔炉中将原料熔融以便形成熔化的可玻璃化的材料，然后在熔炉中的熔化的可玻璃化的材料通过熔炉侧向出口流出，使得供给分配通道，然后，通过在分配通道的底部上的孔，熔化的可玻璃化的材料流出以供给成纤设备，然后，通过所述成纤设备将熔化的可玻璃化的材料转变为纤维，其特征为在熔炉和分配通道之间的熔化的可玻璃化的材料流在金属围堰下通过，所述金属围堰在高度上是可调整的，包括借助于冷却流体的流动来冷却的壳套，

其中电极自上浸没在可玻璃化的材料中，

其中转变为纤维是决定产量的步骤，使得围堰的高度调节温度而非熔化的可玻璃化的材料的流量。

2.前述权利要求1的方法，其特征为熔化的可玻璃化的材料包括大于2wt%的铁氧化物。

3.前述权利要求2的方法，其特征为熔化的可玻璃化的材料包括大于3wt%的铁氧化物。

4.前述权利要求1-3中任一项的方法，其特征为熔化的可玻璃化的材料包括小于20wt%的铁氧化物。

5.前述权利要求1-3任一项的方法，其特征为在围堰下通过的熔化的可玻璃化的材料具有大于其反玻璃化温度的温度。

6.前述权利要求1-3任一项的方法，其特征为在围堰下通过的熔化的可玻璃化的材料具有850-1700℃的温度。

7.前述权利要求1-3任一项的方法，其特征为熔化的可玻璃化的材料包括1-30wt%的氧化铝。

8.前述权利要求7的方法，其特征为熔化的可玻璃化的材料包括15至30wt%的氧化铝。

9.前述权利要求8的方法，其特征为在围堰下通过的熔化的可玻璃化的材料具有1200-1700℃的温度。

10.前述权利要求1-3中任一项的方法，其特征为围堰具有20-60cm的宽度。

11.前述权利要求1-3中任一项的方法，其特征为熔炉的底部具有1-25平方米的表面面积。

12.前述权利要求1-3中任一项的方法，其特征为熔炉的产量是5-100吨/日。

13.前述权利要求1-3中任一项的方法，其特征为调节围堰的高度使得在成纤设备中熔化的可玻璃化的材料的粘度是25Pa.s-120Pa.s。

14.前述权利要求1-3中任一项的方法，其特征为与可玻璃化的材料接触的电极部分由钼制成。

15.前述权利要求2的方法，其特征为熔化的可玻璃化的材料包括大于4wt%的铁氧化物。