CN1103821A - 快速冷凝法制取纤维的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速冷凝法制取纤维的装置 和方法。主要特征是处于熔融体液面上的轮盘高速 旋转，附在轮盘外棱上的熔融体快速冷凝成一定形状 和尺寸的纤维，并在离心力作用下被抛甩出去。其关 键是设计了一套轮盘跟踪熔融体液面下降的装置，以 及控制轮盘下降速度与熔融体液面下降速度同步的 方法。使之能够连续地稳定地抛制纤维，可以获得性 能优异的非晶或微晶的金属纤维及非金属纤维。

Description

本发明属于由金属熔融体连续铸造成型领域。主要适用于金属或非金属纤维的制取。

采用快速冷凝法由金属熔融体连续地、直接制取纤维已广为应用。该方法是通过一道工序即可得到所要求形状的产品，不仅设备简单、能耗少、成本低，而且随着冷却速度的不同，可使制品获得非晶态或微晶的金属结构，获取优异的物理、化学和力学性能，制品质量大大提高。

随着对纤维制品形状和材质的发展及不同要求，快速冷凝法制取纤维在技术上的难度也不断增加，特别是要求达到连续高效率的工业化生产，难度更大。

日本专利平2-190407提供了一种金属纤维的制造方法及装置。该装置由中间包、喷咀、流槽和滚轮等组成。其方法是：先将需喷甩的金属在熔炼炉中炼制成熔融金属，随后将熔融金属注入中间包中，再经喷咀将熔融金属注入到一边开口的方形流槽中，熔融金属从流槽的开口边流出，与高速旋转的滚轮接触，流入滚轮的外棱表面，再抛制出一定长度的纤维。

该专利虽能达到预期的目的，但仍存在如下缺点：

（1）结构复杂，除了熔炼炉外，还有中间包、喷咀、流槽和滚轮。

（2）抛制高熔点的金属纤维较困难。因为熔融金属从熔炼炉出来，经中间包、喷咀、流槽，再进入滚轮，流程及时间较长，温降大，对于高熔点金属，此时已处于半凝固状态，难于喷抛。

（3）流槽与滚轮之间的间隙难于较准确地控制，使之控制制品的形状和尺寸较困难。

本发明的目的在于提供能连续生产异形横截面的金属或非金属纤维的快速冷凝法制取纤维的装置及方法。

针对上述目的，本发明的实施方案如下：

首先将熔炼炉与中间包合为一体，即称为容器，也就是说，在容器内盛满了待抛甩的金属或非金属熔融体；一个高速旋转的轮盘处于容器内熔融体液面的上方，轮盘下部的外棱与熔融体接触，使熔融体粘附在轮盘的外棱上，由于轮盘是高速冷却体，附在轮盘外棱上的熔融体将快速冷凝成一定形状和尺寸的纤维状固体，随着轮盘的继续转动，在离心力的作用下，已凝固的纤维被抛离轮盘的外棱表面，成为一定长度的纤维。

随着纤维的继续形成和抛出，熔融体液面逐渐下降，轮盘在熔融体中的“吃水深度”将逐渐变小，直至最后使轮盘离开熔融体而中止纤维的形成。欲想达到连续生产的目的，必需使轮盘跟随熔融体液面的下降而下降，而且轮盘的下降速度与液面的下降速度同步，以致达到“吃水深度”恒定的目的。

除了生产连续性的要求，更重要的是轮盘的“吃水深度”与制取纤维的形状、尺寸及其工艺稳定性有着极大的关系。所以为了控制纤维的形状、尺寸及工艺稳定性和生产连续性，控制轮盘的“吃水深度”是本发明的关键所在。

为了解决轮盘的下降速度与液面的下降速度同步，保持轮盘恒定的“吃水深度”，本发明设计了一套轮盘跟踪熔融体液面下降的控制装置。该装置由轮盘轴、上平板、下平板、升降柱、变速传动系统、变速箱和调速电机组成。轮盘固定在轮盘轴上，轮盘轴又固定在上平板上，上平板又固定在四根升降柱的上顶端，四根升降柱通过传动系统与高速电机相连。通过电机和传动系统可以操纵和控制四根升降柱的升降，即操纵和控制轮盘升降。升降柱为螺纹结构，螺距为d。包括变速箱在内的传动系统，分三级变速，其变速比分别为i₁、i₂、i₃。

通过轮盘跟踪熔融体液面下降的控制装置，本发明设计了控制轮盘下降速度与容器内熔融体液面下降速度同步的方法。

设容器内熔融体液面的等效面积为A（厘米²）,轮盘的半径为r（厘米），轮盘的转动速度为w（转/分），需抛制纤维的等效横截面面积为s（厘米²），由此可得出熔融体液面的下降速度V₁为：

V₁= (2πrswn)/(A) （厘米/分）…………（1）

式中n是与轮盘形状有关的系数，n≥1，且为整数。

根据上述的控制轮盘下降速度的装置，轮盘的下降速度与上平板台的下降速度相同，上平板台的下降速度与变速箱的变速比i₁和另两级变速比i₂、i₃有关，轮盘的下降速度V₂为：

V₂=Xi₁i₂i₃d （厘米/分）…………（2）

式中X为调速电机的转速（转/分），d为升降柱的螺距（厘米/转）。

为了纤维连续地、稳定地生产，必须保持熔融体液面下降速度与轮盘下降速度相同，即（1）=（2），也即

V₁=V₂

由此得出调速电机转速X为：

X= (2πrswn)/(i₁i₂i₃dA) （转/分）…………（3）

由（3）看出，一旦控制轮盘升降的装置设定，则变速比i₁、i₂、i₃、升降柱螺距d都为已知数，轮盘转速w可通过轮盘轴驱动电机的转速求出，轮盘半径r和熔融体液面的等效面积A也是可测出的，因此，根据（3）式和需制取纤维的等效面积s以及系数n，就可得出需控制的调速电机转速。即控制调速电机转速，就可控制轮盘下降速度与液面下降速度同步。

如果将上述有关的参数输入电脑，则可通过电脑控制轮盘下降速度与液面下降速度同步。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）由于四根升降柱为主动力传动控制升降，所有传动系统也是主动力传动，而不是滑动，因此上平板台升降平稳，使轮盘“吃水深度”平稳，达到连续稳定地生产。

（2）能够控制轮盘下降速度与液面下降速度同步，不仅能提高生产效率，而且能保护纤维质量。

（3）结构简单，易于进行大规模生产。

（4）适用面广，既适用于一般的金属和非金属纤维的制取，也适用于高熔点的金属或非金属纤维的制取。

现结合附图对本发明作进一步说明。

附图为本发明快速冷凝法制取纤维的装置的结构示意图。

图中，1为轮盘，2为轮盘的外棱，3为熔融体（熔融池），6为容器（也为熔炼炉）；5为纤维；7为上平板台；8为手控传动系统的伞齿轮；9为传动齿轮；10为电动主传动系统的伞齿轮；11为主轴；12为传动链条；13为装配在四根升降柱上的齿轮；14、15为升降柱；16为调速电机；17为下底板；18为滚轮；19为导轨；20为轮盘轴；21为轮盘轴的驱动电机；22为手控传动系统的手轮；23为变速箱；24、25为伞齿轮轴。

轮盘1固定在轮盘轴20上，轮盘轴20又固定在上平板台7上，轮盘轴20由电机21带动旋转；升降柱14、15互以螺纹相配，螺距为d；上平板台7固定在四根升降柱14的顶端上，升降柱14套装在升降柱15内，其中升降柱14为外螺纹，升降柱15为内螺纹，它可绕自身轴线旋转；四根升降柱15装配在下底板17上；下底板17下装有四个滚轮18，滚轮18可在导轨19上运动；传动齿轮8、9、10套装在主轴11上，主轴11可绕自身轴线旋转；装配在四根升降柱15上的四个齿轮13通过传动链条12与传动齿轮9封闭相连；伞齿轮轴24与伞齿轮10相配组成变速比为i₂，传动齿轮9与齿轮13组成的变速比为i₃，变速箱23内的变速比i₁。伞齿轮轴25、伞齿轮8和手轮22组成手控传动系统。一旦调速电机16出了故障，则可通过手控传动系统控制轮盘升降，继续生产。

本发明的工作过程如下：

先将容器（冶炼炉）6中的金属或非金属进行冶炼或熔炼，同时根据容器的半径或熔池液面面积A、轮盘1的半径r和轮盘的转速w、需抛制纤维的等效横截面面积s、升降柱14、15的螺距d以及三个变速比i₁、i₂和i₃，再根据公式（3），得出调速电机的转速x。根据这一转速启动电机16，电机带动变速箱23，变速箱按设定的变速比i₁，带动伞齿轮轴24，伞齿轮轴24通过伞齿轮10带动主轴11转动，并得变速比i₂，主轴11的转动带动传动齿轮9转动，传动齿轮9又通过传动链条12带动四个固定在升降柱15上的四个齿轮13转动，并得变速比i₃。四个齿轮13的转动促使四根升降柱15的转动，由于升降柱14与升降柱15是螺纹连结，所以升降柱15的转动，促使升降柱14下降，上平板台7也随之下降；轮盘轴20固定在上平板台7上，所以轮盘和轮盘轴也下降，当轮盘接近液面时，启动轮盘轴的驱动电机21，使轮盘1转动，轮盘的外棱2也转动，在转轴的驱动电机21，使轮盘1转动，轮盘的外棱2也转动，在转动的同时，由于轮盘1是高速冷却体，与外棱2接触的熔融体快速冷凝成一定形状和尺寸的固体，在轮盘1离心力的作用下，这些固体脱离轮盘外棱表面而抛出成一定长度和形状的纤维5。随着纤维的继续形成和抛出，熔融体液面逐渐下降，通过控制装置，轮盘1也同步下降，使纤维的形成和抛出得以继续，保证连续稳定生产。当一炉熔融体被抛到死角，不能抛出时，停止抛甩，并反向启动调速电机16，使升降柱14、上平板台7上升，即轮盘轴20和轮盘1也随之上升，处于容器之上，这时再进行第二炉的冶炼，冶炼完毕，同样继续抛甩。

实施例

采用本发明所述的快速冷凝法制取纤维的方法，在所述的装置上，制取了三炉不锈钢纤维和一炉碳钢纤维。

在所设计的装置中，轮盘1的半径r、轮盘1的转速w、熔池液面的等效面积A、升降柱螺纹的螺距d、变速比i₁、i₂、i₃和系数n列入了表1。根据轮盘形状，n取值为8。需抛甩的纤维的等效横截面面积s列入表2。根据说明书中的公式（1）、（2）和（3）以及有关参数，得出了熔融体液面下降速度V₁、轮盘下降速度V₂和调速电机的转速X，按求出的调速电机转速X控制电机转速，其结果轮盘1的下降速度与液面下降速度保持同步，达到连续稳定地抛甩纤维。另外，实测的液面下降速度与由公式（1）求出的V₁相等。纤维等效横截面面积s、V₁、V₂及电机转速等列入表2。

试验结果表明，四炉纤维的抛甩稳定、连续。而且质量优异。所抛甩的纤维尺寸与设计一致。

Claims (7)

1、一种快速冷凝法制取纤维的装置，包括可作为冶炼炉或中间包的容器、轮盘、轮盘轴和电机，其特征在于：

(1)控制轮盘下降速度与容器内熔融体液面下降速度同步的控制装置；

(2)该控制装置由上平板台(7)、升降柱(14、15)、主轴(11)、传动齿轮(9)、伞齿轮(8、10)、传动链条(12)、四个齿轮(13)、下底板(17)、滚轮(18)、导轨(19)、伞齿轮轴(24、25)、手轮(22)、调速电机(16)和变速箱(23)组成；轮盘轴(20)固定在上平板台(7)上，上平板台(7)固定在四根升降柱(14)的顶端，升降柱(14)套装在升降柱(15)内，两者螺纹配合，四根升降柱(15)装配在下底板(17)上，下底板(17)下装有四个滚轮(18)，传动齿轮(8、9、10)套装在主轴(11)上，装配在四根升降柱(15)上的四个齿轮(13)通过传动链条(12)与传动齿轮(9)封闭相连，伞齿轮轴(24)与齿轮(10)相配，伞齿轮轴(25)与齿轮(8)相配。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于升降柱（14）与升降柱（15）相配时，升降柱（14）为外螺纹，升降柱（15）为内螺纹。

3、根据权利要求1和2所述的装置，其特征在于四根升降柱（15）可绕自身轴线旋转。

4、根据权利要求1所述的装置，其特征在于主轴（11）可绕自身轴线旋转。

5、根据权利要求1所述的装置，其特征在于由伞齿轮轴（25）、伞齿轮（8）和手轮（22）组成手控传动系统。

6、一种快速冷凝法制取纤维装置中，控制轮盘（1）下降速度与容器（6）内熔融体（熔池）（3）液面下降速度同步的方法，其特征在于：

（1）熔池液面下降速度V₁为：

V₁= (2πrswn)/(A) …………（1）

（2）轮盘的下降速度V₂为：

V₂=Xi₁i₂i₃d…………（2）

（3）熔池液面下降速度V₁等于轮盘下降速度V₂，即（1）式=（2）式，得出调速电机（16）的转速X为：

X= (2πrswn)/(i₁i₂i₃dA)

式中r为轮盘半径（厘米），s为所抛制纤维等横截面面积（厘米²），w为轮盘转速（转/分），A为熔池液面的等效面积（厘米²），d为升降柱的螺纹螺距（厘米/转），i₁、i₂和i₃为变速比，n为与轮盘形状有关的系数。

7、根据权利要求5所述的方法，其特征在于n≥1，且为整数。