CN114031289A - 一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置及工作方法，包括坩埚窑体和布设在坩埚窑体内的分隔墙、粘液泵、坩埚流液洞和漏板。所述分隔墙底部固定在坩埚窑体底面上；所述粘液泵布设在分隔墙一侧的坩埚窑体底面上；所述坩埚流液洞布设在分隔墙另一侧的坩埚窑体底面上，坩埚流液洞穿过坩埚窑体，坩埚流液洞底部设置有漏板。本发明科减少纤维发生断裂闪飞的影响，生产适用特种成分、特殊用途、对纤维性能要求很高的特种玻璃纤维和纳米级玻璃纤维。

Description

一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置及工作方法

技术领域

本发明涉及玻璃纤维生产制造领域，具体地说是一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置及工作方法。

背景技术

现在世界生产玻璃纤维通用方式是将熔融的玻璃液从铂铑合金属板的漏嘴中流出，再通过高速牵引将流股拉制成为纤维。纤维最细直径为3μm左右（称β纱）。众所周知，玻璃纤维的细度（直径）与纤维强度成反比。细纤是纤维增强复合材料的发展方向，在超细过滤离子交换生物的培育药物提纯等高新技术中，对细玻璃纤维的需求量也在增加，而纳米级连续玻璃纤维至今没有报道的信息，同时现在产生对高强度、高弹性、高模量纤维，耐烧蚀纤维，耐磨防腐纤维，高介电或低介电纤维的需求，常规生产工艺无法满足进一步提高纤维性能要求。

常规熔体拉丝过程中单根纤维直径会有很大波动（波动范围在公称直径±20%，甚至更多）。在成纤过程中，惯性力和重力有助于稳定，提高了拉丝过程中的稳定性和单丝纤维质量（单丝稳定性）也为生产更细纤维开创道路。粘滞性阻止拉丝牵引速度进一步提高。同时拉丝过程中气流波动漏板丝根处微小溶液流淌，熔体中微小颗粒和微小气泡都会造成微细纤维的断裂，而一根纤维的断裂会立刻波及整个拉丝过程，造成作业中所谓的断头飞丝。而拉丝过程一旦停止，堆积在坩埚（池窑）漏板漏嘴附近的玻璃溶液，因为已接触到空气，由1000℃以上温度迅速降低，造成玻璃折晶清除困难。试验证明，熔体表面张力和粘度是毛细波可能发生断裂的量度，对于玻璃熔体，从漏嘴流出时有一短暂的局部过热，这时就易形成毛细波断裂性形成所谓“闪流”或“闪飞”现象。

针对现有技术的局限，急需一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置及工作方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置及工作方法，该发明减少纤维发生断裂闪飞的影响，生产适用特种成分、特殊用途、对纤维性能要求很高的特种玻璃纤维和纳米级玻璃纤维。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置，包括坩埚窑体和布设在坩埚窑体内的分隔墙、粘液泵、坩埚流液洞和漏板。

所述分隔墙底部固定在坩埚窑体底面上，分隔墙顶部靠近坩埚窑体顶面但不与坩埚窑体顶面接触。

所述粘液泵布设在分隔墙一侧的坩埚窑体底面上；所述坩埚流液洞布设在分隔墙另一侧的坩埚窑体底面上，坩埚流液洞穿过坩埚窑体，坩埚流液洞底部设置有漏板。

所述分隔墙上设置有连通分隔墙两侧的分隔墙流液洞。

所述粘液泵包括芯件、套筒和粘液泵基座。

所述芯件布设在固定于坩埚窑体底面的粘液泵基座上。

所述芯件中心轴线位置竖直设置有贯通芯件的中心通道腔室。

所述芯件侧面开设有若干组腔室，每组腔室皆竖直贯通芯件，且绕芯件中心轴旋转对称布设；每组所述腔室包括第一腔室和第二腔室；所述第一腔室的容积大于第二腔室的容积；所述第一腔室和第二腔室之间布设有短泵臂；第二腔室与相邻组的第一腔室之间布设有长泵臂；所述长泵臂与套筒侧壁的缝隙距离小于短泵臂与套筒侧壁的缝隙距离。

所述第二腔室内布设有连接至中心通道腔室的回液通孔。

所述套筒套设在芯件外周，且可绕芯件中轴线自转；所述套筒顶部中轴线位置设置有连接件，连接件通过肋形臂与套筒侧面连接固定，肋形臂上固定有倾斜一定角度的扇叶；连接件内设有凹槽，凹槽内套设转动轴；转动轴穿过坩埚窑体，与驱动电机相连接。

作为本发明进一步优选地，所述坩埚窑体使用铬刚玉砖和锆刚玉砖堆砌而成，坩埚窑体外周布设有用于加固和维持加压稳定的钢架结构。

作为本发明进一步优选地，所述分隔墙将坩埚窑体内部空间分为两部分，分别为粘液泵所在的熔融区和坩埚流液洞所在的成纤区，两个分区容积之比为2:1。

作为本发明进一步优选地，所述熔融区和成纤区玻璃液位高度均低于分隔墙墙体高度，两个分区通过分隔墙流液洞联通。

作为本发明进一步优选地，所述坩埚窑体上还布设有进球阀和加压装置；所述进球阀布设在熔融区坩埚窑体的顶部；所述加压装置布设在成纤区坩埚窑体的顶部。

作为本发明进一步优选地，熔融区一侧分隔墙墙体上和熔融区坩埚窑体侧壁上布设有钼电极。

作为本发明进一步优选地，成纤区内设置有用于加热玻璃液的电丝发热体。

作为本发明进一步优选地，所述粘液泵可设置为圆筒形、盘形、球形、锥形。

一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置的工作方法，具体包括以下步骤：

S1、通过加球阀向坩埚窑体添加玻璃纤维的制作原料，玻璃球在熔融区熔化成玻璃液；

S2、启动加压装置，向坩埚窑体内加压；启动钼电极和电丝加热器，保持玻璃液的温度；

S3、启动粘液泵，套筒绕芯件转动；玻璃液从芯件顶部进入第一腔室和第二腔室，在套筒转动的过程中，玻璃液通过短泵臂和套筒的缝隙，从第一腔室进入第二腔室，并通过回液通孔回流至中心通道腔室，然后再次从芯件顶部进入第一腔室和第二腔室，如此循环往复；

S4、玻璃液通过长泵臂和套筒的缝隙时，由于此缝隙极窄，玻璃液会从粘液泵挤出，经过分隔墙流液洞进入成纤区；

S5、成纤区的玻璃液通过坩埚流液洞流入漏板，并从漏板拉丝析出。

本发明具有如下有益效果：

1.在本发明减少了熔体流股的粘度，增加了挤出速度，减少了纤维快速变形时的轴向变形梯度，从而减少了纤维的脆性断裂。即使纤维发生断裂闪飞，采用本发明的装置纤维仍可继续从漏嘴中挤出，再牵引上丝。流股不会再漏板上堆集成玻璃熔体，不需要费时费工进行清理，也不需要在漏板下设慢拉棍等装置。

2.本发明可适用于挤压法拉丝，同时能够使玻璃液通过高效率的混合得到均化并除去玻璃液中的气泡。

3.本发明使用的粘液泵的只有一个转动部件，利用玻璃液作润滑剂，其磨损极少。

4.本发明适用特种成分、特殊用途、对纤维性能要求很高的特种玻璃纤维。因为采用了加压技术，以及坩埚拉丝部分的改进，根据液体压力传播特性，可同时生产5～9μm直径的玻璃纤维也可同时生产工艺复杂的纳米级玻璃纤维。

附图说明

图1是本发明一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置的结构示意图。

图2是本发明一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置的粘液泵机构示意图。

图3是本发明一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置的粘液泵芯件剖面图。

图4是本发明一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置的粘液泵套筒结构图。

图5是本发明一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置的粘液泵展开图。

其中有：

10.坩埚窑体；11.钢架结构；12.熔融区；13.成纤区；14.进球阀；15.加压装置；16.钼电极；17.电丝发热体；

20.分隔墙；21.分隔墙流液洞；

30.粘液泵；31.芯件；311.中心通道腔室；312.第一腔室；313.第二腔室；314.短泵臂；315.长泵臂；316. 回液通孔；32.套筒；321.连接件；322.转动轴；323.肋形臂；324.扇叶；33.粘液泵基座；

40.坩埚流液洞；50.漏板。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

下面结合附图和和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置，其特征在于：包括坩埚窑体10和布设在坩埚窑体10内的分隔墙20、粘液泵30、坩埚流液洞40和漏板50。

所述坩埚窑体10使用铬刚玉砖和锆刚玉砖堆砌而成，坩埚窑体10外周布设有用于加固和维持加压稳定的钢架结构11。

所述分隔墙20底部固定在坩埚窑体10底面上，分隔墙20顶部靠近坩埚窑体10顶面但不与坩埚窑体10顶面接触。

所述分隔墙20将坩埚窑体10内部空间分为两部分，分别为粘液泵30所在的熔融区12和坩埚流液洞40所在的成纤区13，两个分区容积之比为2:1。所述熔融区12和成纤区13的玻璃液位高度均低于分隔墙20墙体高度。

所述分隔墙20上设置有连通分隔墙20两侧的分隔墙流液洞21，熔融区12和成纤区13通过分隔墙流液洞21联通。

所述坩埚窑体10上还布设有进球阀14和加压装置15；所述进球阀14布设在熔融区12坩埚窑体10的顶部；所述加压装置15布设在成纤区13坩埚窑体10的顶部。

常规熔体拉丝过程中单根纤维直径会有很大波动（波动范围在公称直径±20%，甚至更多），在本发明中因为采用了加压装置，加压措施比惯性和重力更有效地改善了在成纤过程中的流体力学不稳定现象，在成纤过程中，惯性力和重力有助于稳定，提高了拉丝过程中的稳定性和单丝纤维质量（单丝稳定性）也为生产更细纤维开创道路。

由于采用了加压措施，变相的减少了熔体流股的粘度的影响，增加了挤出速度，减少了纤维快速变形时的轴向变形梯度，从而减少了纤维的脆性断裂。退一步说，即使纤维发生断裂闪飞，采用本发明的装置纤维仍可继续从漏嘴中挤出，在牵引上丝。流股不会再漏板上堆集成玻璃熔体，不需要费时费工进行清理，也不需要在漏板下设慢拉棍等装置。

熔融区12一侧分隔墙20墙体上和熔融区12坩埚窑体10侧壁上布设有钼电极16。成纤区13内设置有电丝发热体17。钼电极16和电丝发热体17用于对玻璃液加热，保持熔融状态。

所述粘液泵30布设在分隔墙20一侧的坩埚窑体10底面上；所述坩埚流液洞40布设在分隔墙20另一侧的坩埚窑体10底面上，坩埚流液洞40穿过坩埚窑体10，坩埚流液洞40底部设置有漏板50。

所述粘液泵30可设置为圆筒形、盘形、球形、锥形。

如图2所示，所述粘液泵30包括芯件31、套筒32和粘液泵基座33。

所述芯件31布设在固定于坩埚窑体10底面的粘液泵基座33上。

所述芯件31中心轴线位置竖直设置有贯通芯件31的中心通道腔室311。

如图3所示，所述芯件31侧面开设有若干组腔室，每组腔室皆竖直贯通芯件31，且绕芯件31中心轴旋转对称布设；每组所述腔室包括第一腔室312和第二腔室313；所述第一腔室312的容积大于第二腔室313的容积；所述第一腔室312和第二腔室313之间布设有短泵臂314；第二腔室313与相邻组的第一腔室312之间布设有长泵臂315；所述长泵臂315与套筒32侧壁的缝隙距离小于短泵臂314与套筒32侧壁的缝隙距离。

所述第二腔室312内布设有连接至中心通道腔室311的回液通孔316。

如图4所示，所述套筒32套设在芯件31外周，且可绕芯件31中轴线自转；所述套筒32顶部中轴线位置设置有连接件321，连接件321通过肋形臂323与套筒32侧面连接固定，肋形臂323上固定有倾斜一定角度的扇叶324；扇叶324可使用在某些粘度很高的液体增加轴向流量；连接件321内设有凹槽，凹槽内套设转动轴322；转动轴322穿过坩埚窑体10，与驱动电机相连接。

本发明所采用的粘液泵30最适用于从液体中清除气泡。因为除了极细小的气泡以外，一般的气泡都倾向于停留或回到第一腔室312的低压区中。套筒32旋转时，使第一腔室312内的液体快速旋转，所产生的离心力使短泵臂314和长泵臂315所排除的气泡聚集在第一腔室312的中心位置，然后从粘液泵30的中心通道腔室311逸出到熔融区12中去。由于从粘液泵30流至成纤区13的熔融玻璃的气泡减少乃至消失，从而减少了纤维拉丝的脆性断裂。

一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置的工作方法，具体包括以下步骤：

S1、通过加球阀14向坩埚窑体10添加玻璃纤维的制作原料玻璃球，玻璃球在熔融区12熔化成玻璃液；

S2、启动加压装置15，向坩埚窑体10内加压；启动钼电极16和电丝发热体17，保持玻璃液的高温温度；

S3、启动粘液泵30，套筒32绕芯件31转动；玻璃液从芯件31顶部进入第一腔室312和第二腔室313，在套筒32转动的过程中，玻璃液通过短泵臂314和套筒32的缝隙，从第一腔室312进入第二腔室313，并通过回液通孔316回流至中心通道腔室311，然后再次从芯件31顶部进入第一腔室312和第二腔室313，如此循环往复；

S4、玻璃液通过长泵臂315和套筒32的缝隙时，由于此缝隙极窄，玻璃液会从粘液泵30挤出，经过分隔墙流液洞21进入成纤区13；

S5、成纤区13的玻璃液通过坩埚流液洞40流入漏板50，并从漏板50拉丝析出。

下面结合优选实施例作进一步说明。

本发明采用的坩埚窑体10要求密封，能承受1～2大气压的压力。坩埚窑体10高20～50㎝。长、宽30～60 ㎝，坩埚窑体10内部由分隔墙20分离成熔融区12和成纤区13两部分，熔融区12供玻璃球熔化，均化及消除微气泡、微颗粒，成纤区13供澄清玻璃液经漏板控制成纤维，两者体积比2:1。坩埚窑体10回壁和底部使用铬刚玉砖和锆刚玉砖制成，砖的四周加工成插孔或开沟槽砌筑时用耐火泥后便于密闭配合。坩埚窑体10外围用钢架（5×5角钢）加固定，20～30㎝加横档，以确保在加压后坩埚稳定。

本发明中的粘液泵30呈圆筒形（也可为盘形、球形、锥形），具有光滑内表面。套筒32套设在芯件31外周，且可绕芯件31中轴线自转，芯件可用圆柱铂、钼材料加工而成。

玻璃溶液由芯件31上部流入，经过旋转后被搅拌均化，去除气泡。这种粘液泵结构简单，只有一个转动部件，又无阀门和其他滑动构件，不存在磨损。

粘液泵10的尺寸根据需要的流量和压力设计，有效高度在20～300 mm，尺寸增加套筒32转速相应减少。时套筒转速可达3转/秒，套筒内径和高度25 mm，每日处理玻璃液100㎏/d以上，可以满足一台拉丝坩埚产能需要。

本发明的粘液泵的工作原理为：如图5所示，玻璃液从芯件31顶部进入第一腔室312和第二腔室313，在套筒32转动的过程中，玻璃液通过短泵臂314和套筒32的缝隙，从第一腔室312进入第二腔室313，并通过回液通孔316回流至中心通道腔室311，然后再次从芯件31顶部进入第一腔室312和第二腔室313，如此循环往复。

由于玻璃液有较高的粘度，大部分玻璃液被留在第一腔室和第二腔室，以及通过回液通孔316回流至中心通道腔室311，只有很少的玻璃液通过长泵臂315和套筒32之间的缝隙挤压而被挤出粘液泵，经过分隔墙流液洞21进入成纤区13。

当第二腔室313没有反压力时，通过短泵臂314与套筒32缝隙的玻璃液流各层之间的流速有很大的不同，与套筒32侧面接触的玻璃液速度最大，而与第一腔室312表面接触的玻璃液流速等于零。通过通过短泵臂314与套筒32缝隙，玻璃液的平均流速为套筒32侧壁速度的1／2。因此用内表面速度的1／2乘以短泵臂314与套筒32缝隙的截面积即等于通过玻璃液流量。同理，也可以计算通过长泵臂315和套筒32缝隙的玻璃液流量，两者流量之差，即等于从粘液泵30挤出的玻璃液的流量。

假定中心通道腔室311完全封闭，过剩的玻璃液就会经短泵臂314与套筒32缝隙回流，而在第二腔室313处产生压力。当短泵臂314与套筒32缝隙高为0.15mm，宽为3.2mm，长泵臂315和套筒32之间的缝隙高为0.025毫米，宽为1.6毫米，玻璃液粘度为300泊，内表面速度为254毫米／秒，则中心通道腔室311处的压力为42公斤／厘米²。如果中心通道腔室311部分封闭，流量与压头的关系从无反压时的最大流量到最大反压时的无流量是以直线比例关系连续变化的，当设计粘液泵时，应使泵在出口封闭时的最大压力为实际使用时所需压力的两倍，这样可获得最高的效率，由于在流量固定情况下的压力值与在反压固定情况下的流量值都与二个构件的相对运动速度成直线或正比关系，因此可以用来表示流量或压力对速度的关系。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置，其特征在于：包括坩埚窑体（10）和布设在坩埚窑体（10）内的分隔墙（20）、粘液泵（30）、坩埚流液洞（40）和漏板（50）；

所述分隔墙（20）底部固定在坩埚窑体（10）底面上，分隔墙（20）顶部靠近坩埚窑体（10）顶面但不与坩埚窑体（10）顶面接触；

所述粘液泵（30）布设在分隔墙（20）一侧的坩埚窑体（10）底面上；所述坩埚流液洞（40）布设在分隔墙（20）另一侧的坩埚窑体（10）底面上，坩埚流液洞（40）穿过坩埚窑体（10），坩埚流液洞（40）底部设置有漏板（50）；

所述分隔墙（20）上设置有连通分隔墙（20）两侧的分隔墙流液洞（21）；

所述粘液泵（30）包括芯件（31）、套筒（32）和粘液泵基座（33）；

所述芯件（31）布设在固定于坩埚窑体（10）底面的粘液泵基座（33）上；

所述芯件（31）中心轴线位置竖直设置有贯通芯件（31）的中心通道腔室（311）；

所述芯件（31）侧面开设有若干组腔室，每组腔室皆竖直贯通芯件（31），且绕芯件（31）中心轴旋转对称布设；每组所述腔室包括第一腔室（312）和第二腔室（313）；所述第一腔室（312）的容积大于第二腔室（313）的容积；所述第一腔室（312）和第二腔室（313）之间布设有短泵臂（314）；第二腔室（313）与相邻组的第一腔室（312）之间布设有长泵臂（315）；所述长泵臂（315）与套筒（32）侧壁的缝隙距离小于短泵臂（314）与套筒（32）侧壁的缝隙距离；

所述第二腔室（312）内布设有连接至中心通道腔室（311）的回液通孔（316）；

所述套筒（32）套设在芯件（31）外周，且可绕芯件（31）中轴线自转；所述套筒（32）顶部中轴线位置设置有连接件（321），连接件（321）通过肋形臂（323）与套筒（32）侧面连接固定，肋形臂（323）上固定有倾斜一定角度的扇叶（324）；连接件（321）内设有凹槽，凹槽内套设转动轴（322）；转动轴（322）穿过坩埚窑体（10），与驱动电机相连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置，其特征在于：所述坩埚窑体（10）使用铬刚玉砖和锆刚玉砖堆砌而成，坩埚窑体（10）外周布设有用于加固和维持加压稳定的钢架结构（11）。

3.根据权利要求1所述的一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置，其特征在于：所述分隔墙（20）将坩埚窑体（10）内部空间分为两部分，分别为粘液泵（30）所在的熔融区（12）和坩埚流液洞（40）所在的成纤区（13），两个分区容积之比为2:1。

4.根据权利要求1所述的一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置，其特征在于：所述熔融区（12）和成纤区（13）的玻璃液位高度均低于分隔墙（20）墙体高度；熔融区（12）和成纤区（13）通过分隔墙流液洞（21）联通。

5.根据权利要求3所述的一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置，其特征在于：所述坩埚窑体（10）上还布设有进球阀（14）和加压装置（15）；所述进球阀（14）布设在熔融区（12）坩埚窑体（10）的顶部；所述加压装置（15）布设在成纤区（13）坩埚窑体（10）的顶部。

6.根据权利要求3所述的一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置，其特征在于：熔融区（12）一侧分隔墙（20）墙体上和熔融区（12）坩埚窑体（10）侧壁上布设有钼电极（16）。

7.根据权利要求3所述的一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置，其特征在于：成纤区（13）内设置有用于加热玻璃液的电丝发热体（17）。

8.根据权利要求1所述的一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置，其特征在于：所述粘液泵（30）可设置为圆筒形、盘形、球形、锥形。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种用于生产高性能和纳米级玻璃纤维的装置的工作方法，具体包括以下步骤：

S1、通过加球阀（14）向坩埚窑体（10）添加玻璃纤维的制作原料玻璃球，玻璃球在熔融区（12）熔化成玻璃液；

S2、启动加压装置（15），向坩埚窑体（10）内加压；启动钼电极（16）和电丝发热体（17），保持玻璃液的高温温度；

S3、启动粘液泵（30），套筒（32）绕芯件（31）转动；玻璃液从芯件（31）顶部进入第一腔室（312）和第二腔室（313），在套筒（32）转动的过程中，玻璃液通过短泵臂（314）和套筒（32）的缝隙，从第一腔室（312）进入第二腔室（313），并通过回液通孔（316）回流至中心通道腔室（311），然后再次从芯件（31）顶部进入第一腔室（312）和第二腔室（313），如此循环往复；

S4、玻璃液通过长泵臂（315）和套筒（32）的缝隙时，由于此缝隙极窄，玻璃液会从粘液泵（30）挤出，经过分隔墙流液洞（21）进入成纤区（13）；

S5、成纤区（13）的玻璃液通过坩埚流液洞（40）流入漏板（50），并从漏板（50）拉丝析出。

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