CN114945538A - 漏板和相应的衬套 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于接收高温熔体的衬套的漏板，其漏板包括若干个不同类型的区段，同时本发明进一步包括相应的衬套以生产玻璃纤维。
Description
本发明涉及用于接收高温熔体的衬套的漏板和相应的衬套。术语“接收”包括各种制备、储存和处理熔体。特别地，衬套及其漏板旨在用于生产纤维比如玻璃纤维、矿物纤维、玄武岩纤维等。
现有技术和发明将参考包括纺织玻璃纤维在内的玻璃纤维的生产和生产设备在下文更详细地描述，但不限于这种用途。
玻璃纤维由玻璃熔体通过衬套进行制造已超过100年。一般性综述可来源于与glasstec 2006 exhibition (Düsseldorf)有关的由HVG Hüttentechnische Vereinigungder Deutschen Glasindustrie (Offenbach)公开发表的“Design and Manufacture ofBushings for Glass Fibre Production”。
通用衬套其特征可为箱状熔化容器(坩埚)，通常提供立方体空间，并且包括底部(所谓的漏板)以及周围的壁。
通用漏板包括上表面和与上表面呈一定距离的下表面之间的主体，以及在上表面和下表面之间延伸并穿过所述主体的多个喷嘴，在大多数情况下，在重力的影响下，熔体可通过这些喷嘴(也称为端头(tips))离开衬套。
尽管喷嘴的内径通常为l-4 mm和长度为2-10 mm，但一个漏板的喷嘴数量可多达数千。通用漏板中喷嘴的布置各不相同，并且取决于玻璃纤维厂的当地条件。
玻璃纤维从喷嘴向下喷出的速度可为约1000米/分钟，并且使得能够形成直径甚至小于50 μm，通常为4-35 μm的非常细的连续玻璃纤维丝。
为实现所需的熔化温度(其可高达1700℃)，同时在衬套中实现基本上均匀的熔化温度，已经开发了各种加热方法，其中所谓的直接电阻加热[也称为焦耳加热]已证明是成功的。为此，衬套设计包括在相对的壁段处的电连接法兰，而电能通常通过水冷铜夹引入。
尽管对于这些衬套可使用各种材料，但铂合金由于其耐高温、低氧化和相对良好的强度而证明是成功的。
然而，很明显，在连续操作下，在非常高温度下(因为其在玻璃纤维生产中普遍存在)，以及在连续的机械载荷下(由漏板顶部的玻璃熔体引起)，漏板的强度可能会降低。
本发明的目的为尽可能克服已知缺点，并且特别是提供使用寿命延长和/或使得能够生产高均匀性和品质的玻璃纤维的漏板和相应衬套。
本发明基于以下发现：
以上提及的缺点基于机械和/或热问题，两者均源于漏板的通用设计，其特征为切割(冲压)的金属板材提供有通孔(端头)，这些通孔(端头)具有喷嘴功能或用于集成离散的喷嘴。所述已知漏板的实心部分，即完整的漏板，分别除通孔或喷嘴之外，具有均匀的材料、密度、大小和化学组成。
初看，所有这些似乎有利于实现均匀的熔化条件和机械稳定性，但事实恰恰相反。
表示现有技术的图1以非常示意性的方式公开了在生产一定时间之后，具有玻璃纤维衬套喷嘴NO的通用漏板TP上的典型温度分布。
在图1中，添加有x-y-z坐标系，以便更好地说明漏板和相关构造元件各部分的位置和方向。该坐标系也适用于本文中的其他附图。
图1a表示片状漏板在其操作位置(基本上为水平的)的垂直横截面。至此，漏板在坐标系的x-y方向延伸。壁W从漏板TP向上延伸(在z方向)。板材在z方向及在其上表面US和其下表面LS之间具有基本上恒定的厚度(d)(忽略生产公差)。布置在相对的壁部分W1、W2处的电接触法兰标记为F1、F2。
图1b为所述漏板TP的示意性俯视图。一些喷嘴用圆圈NO代表。虚线确认漏板左右端E1、E2 (在壁部分W1、W2处)之间的5个区段A、B、C、D和E，其中区段A和E特征为具有最低主体温度(图1c：T.A)，区段B和D具有中等温度分布，而中间区段C其特征为具有所有区段A-E的最高平均温度(图1c：T.C)。端部E1、E2之间的温度分布和温度差异表示于图1c中，其中在该实施方案中，最大温差为约30-40开尔文。
这些温度变化导致：
- 中间区段C的强度损失，在玻璃熔体的载荷下，漏板的此区段存在过度弯曲的危险
- 区段A-E中玻璃熔体的粘度不同，并因此
- 从区段A-E的喷嘴NO中抽出的玻璃纤维丝的直径和品质发生变化。
本发明以不同的方式提供具有不同区段的漏板，所述漏板具有不同物理特性和/或不同化学组成。术语“物理特性”是指所有结构变化，包括大小、尺寸、几何形状、孔隙、孔隙分布以及强度变化。术语“化学组成”是指制造漏板的所有材料变化，特别是合金变化。
这使得能够在需要时构造具有有不同机械强度和/或不同电阻和/或不同热导率的区段的漏板。不同特性的区段在坐标系的x-y方向彼此相邻地布置；换言之：在相对的端部之间，或分别在从一端到另一端的方向，漏板提供具有不同物理和/或化学特性的相邻区段。此设计包括相邻区段之间的明确边界(二维面)以及不同特性的相邻区段之间的平滑过渡区(三维)，以避免漏板小区域内的极端(突然)变化。术语“区段”不是指渐近的小区域也不仅指制造公差。
从图1的通用漏板开始，例如区段C (所谓的热点区段)可通过以新的方式重新设计来降低这个区段的温度和/或增加其机械强度。
例如，通过相应漏板(主体)区段的格子结构(例如网格状或蜂窝结构)和所述相应区段厚度的变化，可实现更高的机械强度。一种选项为对漏板的至少一个区段使用不同机械特性(与在x-y方向的相邻区段相比较)的材料。
另外或者，至少一个区段可由不同热导率的材料制成，以通过技术人员本身已知的所谓的焦耳加热效应改变这个区段的相应温度。
类似地，在已知构造中以较低温度为特征的漏板区段(如图1中的区段A和E)可设计为减小厚度(在金属熔体通过喷嘴的流动方向即z-方向看)以增加这个区段产生的热量。
这些特征可组合以产生定制设计的漏板和相应衬套。
在其最一般性实施方案中，本发明涉及用于接收高温熔体的衬套的漏板，其在其操作位置包括在坐标系的x-y方向延伸的上表面、与上表面呈一定距离的下表面和之间的主体，以及多个至少在上表面和下表面之间延伸的喷嘴状通孔，熔体可通过所述通孔在坐标系的z方向离开衬套，其中在坐标系的x-y方向彼此邻接的漏板的至少两个区段具有不同的物理特性、不同的化学组成或两者皆有之。漏板的单个区段可为离散的或以逐渐过渡到彼此为特征。
术语“主体”限定上表面和下表面之间的漏板区段，但不包括通孔(喷嘴、喷嘴区域)。类似地，上表面和/或下表面表示漏板的另外区段(除主体之外)。
根据一个实施方案，漏板的上表面为“闭合”表面(除通孔区域以外)，以将玻璃熔体保持在衬套内，除非经所述通孔/喷嘴排出。换言之，并且从上面看：上表面为连续的并且包括许多通孔，用作或提供以集成 (离散的)喷嘴，其在其下端可伸出漏板的下表面。
漏板的下表面(衬套底部)不一定是闭合的(如之前关于上表面所限定的意义上)。这使得能够以新的和有利的模式设计漏板其上表面下方的任何区段，即与“实心”现有技术设计相比较具有不同的结构特征。
实施方案提供漏板，其中至少一个区段通过增材制造(也称为3D打印)生产。增材制造使得能够实现几乎无限的结构特征，例如来适应一个或多个相应区段的物理(特别是结构)特性，在下文将对其进行更详细描述。
漏板可以使其体积的至少50%、或至少70%、或至少85%，也可为100%通过增材制造生产的方式来设计。可单独制造一个或多个区段，并然后将其组装为一个普通漏板(例如通过焊接)。也可以一种普通的增材制造方法生产漏板(其所有区段)，从而获得一种普通的整体漏板。两者实施方案均使得能够以如上公开的定制方式在邻接的漏板区段之间提供过渡区。
本发明的另一个实施方案特征为上表面下方的至少一个区段具有至少一个中空空间。该中空空间可为闭合孔隙、从下方向上表面延伸的袋状孔隙(凹陷)、基本上平行于上表面在漏板主体和/或任何其他结构装置中或内部延伸的狭缝。该实施方案包括其中中空空间布置在闭合的上表面和闭合的下表面之间的设计。
根据另一个实施方案，上表面下方的至少一个(另外)区段特征为格子结构，比如网格状结构，例如蜂窝结构。同样，该实施方案还可通过闭合的下主体表面来实现。增材制造允许使得能够为特定应用定制设计相应漏板的结构。可存储相应的软件程序，并在以后的任何时间再次使用，以产生区段或漏板的1:1副本，从而实现非常恒定的制造条件，制造公差接近零，即使经非常长的生产时间，而且独立于将任何旧的漏板更换为新的。
上述选项导致相应区段的良好强度，尽管需要的材料显著减少。
具有密度降低的结构(如网格状结构)的区段导致减少材料和成本，或者可用于在该区段增加漏板总厚度(与实心的现有技术构造相比较不需要更多材料)，这也会导致机械强度的增加。
通用漏板的使用寿命通常受到在玻璃熔体载荷下衬套底部变形的限制。在这种情况下，衬套必须更换为新的，从而中断生产线，增加成本和增加用新的衬套生产不同性能玻璃纤维的风险。新的设计使得能够延长使用寿命和提高所生产纤维的品质。
另一种选项为与在坐标系x-y方向的至少一个邻接(相邻的)区段相比较，使至少一个区段的上表面和下表面之间的距离变化。换言之：该实施方案其特征在于漏板，其中至少一个区段的上表面和下表面之间的距离不同于至少一个邻接区段的上表面和下表面之间的距离。
邻接区段可基本上彼此平行，或作为基本上同心环形布置，可具有遵循渐开线轮廓或椭圆形或任何其他设计的边界线，每种情况下均取决于当地条件。
主体的下表面可为物理闭合表面(与上表面一样)或虚拟(假想)表面，如果为所公开的中空结构(网格状结构、蜂窝结构等或特征为从下方向上表面凹陷的结构)。
根据本发明的所有这些选项均导致材料成本降低相当多，这是重要的，因为昂贵的材料如铂和铑用作所述衬套及其部件的初级金属。
至少两个邻接区段可由不同的金属合金和/或不同热导率的金属合金制成以达到类似的结果，即在需要的区段具有不同的导热率和/或不同的结构完整性(例如强度)。例如，一个区段可由含有90m%铂和10m%铑的PtRh合金制成，而相邻区段则由80m%铂和20m%铑的PtRh合金制成。
尽管根据现有技术不可能以金属板材实现漏板的结构和/或化学组成变化，但新的概念可通过增材制造(也称为3D打印技术或3D激光打印)易于实现。
即使是极端结构(咬边、最薄的分隔壁等)也可以增材制造实现，因为最终形状随后(逐步地)在许多单个“打印”步骤中构建，使得能够在后续的制造序列之间修改布局(物理结构)。对于用于所述类型的衬套的优选金属和金属合金也是如此。
增材制造使得具有以下进一步的优势：
• 精度高于根据现有技术的金属板材制造(铸造、冲压)
• 较高的精度导致制造期间较少的材料损失
• 所需材料较少，从而降低总成本
• 3D打印机可安装于任何地方，甚至在玻璃纤维制造商的场地
• 衬套及其部件的外部设计无需变化，即根据本发明的漏板和衬套可1:1替代现有技术的漏板和衬套
• 增材制造期间不同的激光强度使得能够进一步变化漏板的物理特性(结构)
• 通孔和/或喷嘴可在增材制造期间原位集成，即无需另外的制造步骤，没有焊接等，从而节省时间、成本并提高精度
• 高精度的尺寸，并且特别是通孔(喷嘴)的横截面，导致改善玻璃纤维尺寸和玻璃纤维特性。
本发明进一步涉及用于接收高温熔体的衬套，包括如之前所述的漏板和壁，壁从所述漏板延伸到一个共同方向，即在其使用(操作)位置向上，基本上对应于如之前所述的z方向。
漏板在俯视图中可具有矩形形状和4个壁段，所述壁段由此在相同方向延伸，从而限制熔体的立方体空间，其中壁段紧密地连接于漏板，例如通过焊接或最好是以普通的增材制造方法。尽管理论上也可通过切割等实现结构修改，但可通过增材制造来设计漏板的至少一个区段或整个漏板。
衬套的至少两个壁段，彼此呈一定距离布置，被设计为连接于或可连接于电源供应，以使得能够加热衬套中的玻璃熔体，一般地通过直流电，尽管其他加热方法并不至关重要。
本发明的其他特征将从子权利要求以及剩余的提交文件中变得显而易见。如果没有明确排除或在技术上无效，这些特征可组合。
现将参考所附的示意性附图更详细地描述本发明，其特征如下：
图2：根据本发明的衬套的垂直横截面，包括根据本发明的漏板的实施方案F-J
图3：根据本发明的漏板的根据图1的侧视图和俯视图
图4：以横截面展示的根据本发明的漏板的另一个实施方案。
在附图中，相同的部件或具有基本上等同功能或性能的部件由相同的数字表示。
图2展示衬套BU，衬套BU包括矩形(底部)漏板TP，漏板TP具有上表面US和下表面LS，漏板TP在上表面US和下表面LS之间限定主体BO和设计为相应喷嘴NO的通孔，以及4个侧壁，展示了其中两个(W1、W2)，一起限定用于玻璃熔体GM的空间，熔体存在于上表面US上，并经所述喷嘴NO从中提取(通过重力的流动和流动方向基本上对应于z方向，参见所附的坐标系)。
侧壁W1、W2和漏板TP由PtRh合金(90m%Pt、10m%Rh)制成，并焊接到彼此。
漏板TP通过增材制造设计，即在3D激光打印机中，通过以连续制造步骤在一层的顶部形成另一薄层细合金粉末(颗粒<100 μm)，并根据预定义的模式通过激光束熔化粉末材料，直至达到最终设计。
图2示意性地展示漏板TP的4种可能设计的实施方案(命名为F-J)，其可单独或以任意组合实现，取决于具体的玻璃熔体、电源和衬套的总体尺寸。
区段F的特征如下：
在“闭合的”上表面US下方为特征为格子结构的区段，区段由以之字形模式排列的薄的分隔壁PW限定，并且基本上向下 “打开”，即在该实施方案中，漏板的下表面LS由假想表面IS (通常平行于上表面US)限定，凹陷由此在z方向向上表面US向上延伸。
尽管区段F其机械强度非常高，但与实心区段相比较，其需要的合金材料少约30%。与实心板构造相比较，区段F的热性能使得实现更高的温度。
例如，此设计可用于类似于图1的漏板TP的热点区域(C)。
区段G与区段F的不同之处在于基本上闭合的下表面LS，使得可在上下表面US、LS之间限定厚度dG。区段G的主体材料其特征为闭合孔隙CP，与如现有技术(图1)中使用的全实心主体材料相比较，闭合孔隙CP降低该区段G的密度和重量。所述孔隙的数量和大小仅为示意性的，并且可根据当地需要进行选择。
区段H与区段G相似(区段H的厚度=dG)，但其结构特征为孔隙彼此融合，因此赋予该区段海绵状结构。
区段J从实心漏板设计开始，但厚度显著减小(dJ=0.7 dG)，使得与厚度为dG的实心漏板区段相比较，材料减少30%和成本降低以及温度升高。
图2漏板的所有区段均可通过增材制造单独地或以一种共同的制造方法来生产。
通常：不同特性的区段不仅可在显示的x方向，而且或者或另外还可在y方向彼此紧接。
图3展示外部尺寸与图1大致相同的漏板TP，但图3的漏板通过增材制造(3D激光打印)生产，并且在不同的区段(A-E)具有不同的结构特征。
如图3a所示，区段A和E已被修改，并且现在特征为具有相对大的孔隙以降低密度，从而提高该区段中的温度(在与根据图1的实施方案相同的电源条件下)。这些区段A、E的总(闭合)孔隙度为按体积计约20%。
图3中的邻接区段B、D与图1中的区段B、D再次不同之处在于内部孔隙，但与区段A、E相比较内部孔隙更小和更少，使得区段B、D的总(闭合)孔隙度为按体积计约10%。
在图1和图3的实施方案之间，中间区段C没有变化。
与图1的漏板TP相比较，图3漏板TP的不同结构特征显示，图3的漏板TP特征为在端部El和E2 (壁W1，W2)之间具有基本上恒定的温度分布(在图3c中表示为T.A-E)，即温度与图1中的区段C相似。
为降低该温度(如果需要)并因此增加图3漏板的寿命，现可以减少电源，这再次节省了成本。
图4a展示相对于根据图1现有技术的非常基本的改进，其中在W1、W2相对的端部之间仅漏板TP的厚度变化。尽管漏板上表面US的形状对应于根据图1的形状，但图4中实施方案的下表面LS被设计呈弯曲方式。区段A的厚度dA最低并且向区段C连续大幅增加，在该实施方案中厚度dC最大(dC为约1.5 dA)，并然后向区段D和E再次减小，其中dD比dA稍大(约15%)。仅通过这些手段，其可通过增材制造以定制的方式毫无问题地实现，漏板TP内的温度分布可均匀化，如图4b所展示。
一般来说，该实施方案由在坐标系的任何/所有方向的漏板下表面和/或上表面的凸面形状(弯曲、拱形、弧形形状)表示。换言之：漏板特征也可为在y方向(而不仅是所示的x方向)具有弯曲的上表面。优选的是没有梯级的光滑表面以在该实施方案的由其厚度变化限定的漏板内实现最均匀的温度分布和强度。如结合图2、3公开的本发明其他特征也可集成到该实施方案中。
所有附图中的喷嘴NO均以高度示意性的方式显示，以便更好地说明。一般地，在一个漏板内布置多达8000个喷嘴(端头)。
新设计的优势如下：
• 其需要的材料少得多，并因此便宜得多
• 其导致在完整的表面区域上的温度分布基本上均匀
• 其尺寸精确得多
• 喷嘴NO可在增材制造期间原位形成，并具有更高的精度，而且因此
• 每个表面区域可集成更多喷嘴，导致每个表面积区域的生产速度更高
• 漏板的机械强度增加，并因此仅在延长使用时间之后才需要更换衬套
• 品质恒定。
Claims (15)
1.用于接收高温熔体(GM)的衬套(BU)的漏板(TP)，其在其操作位置包括在坐标系的x-y方向延伸的上表面(US)、与上表面(US)呈一定距离(d)的下表面(LS)和之间的主体(BO)，以及多个至少在上表面(US)和下表面(LS)之间延伸的喷嘴状通孔(NO)，熔体(GM)可通过所述通孔(NO)在坐标系的z方向离开衬套(BU)，其中在坐标系的x-y方向彼此邻接的漏板(TP)的至少两个区段(A-B、B-C、C-D、D-E、F-G、G-H , H-J)具有不同的物理特性、不同的化学组成或两者皆有之。
2.根据权利要求1所述的漏板(TP)，其中至少一个区段(A…J)为通过增材制造产生。
3.根据权利要求2所述的漏板(TP)，其中其体积的至少50%通过增材制造产生。
4.根据权利要求1所述的漏板(TP)，其中上表面(US)为闭合表面，除通孔(NO)区域以外。
5.根据权利要求1所述的漏板(TP)，其中至少一个凹陷(DE)从至少一个区段(F)的下表面(LS)延伸到主体(BO)中。
6.根据权利要求1所述的漏板(TP)，其中上表面(US)下方的至少一个区段(A、B、D、E、G、H)特征为至少一个中空空间(CP)。
7.根据权利要求1所述的漏板(TP)，其中上表面(US)下方的至少一个区段(F)特征为格子结构。
8.根据权利要求1的所述漏板(TP)，其中至少一个区段(J)的上表面(US)和下表面(LS)之间的距离(dJ)不同于至少一个邻接区段(H)的上表面(US)和下表面(LS)之间的距离(dH)。
9.根据权利要求1所述的漏板(TP)，其中至少两个邻接区段由不同的金属合金制成。
10.根据权利要求1所述的漏板(TP)，其包含至少90质量%的PtRh合金。
11.用于接收高温熔体(GM)的衬套(BU)，其包括根据权利要求1所述的漏板(TP)和从所述漏板(TP)延伸到z方向的至少一个壁(W1、2)。
12.根据权利要求11所述的衬套(BU)，其中漏板(TP)在俯视图中具有矩形形状和4个壁段(W1、W2)，所述壁段由此在相同方向延伸，从而限制熔体(GM)的立方体空间，其中壁段(W1、W2)紧密地连接于漏板(TP)。
13.根据权利要求11所述的衬套(BU)，其中至少两个壁段(W1、W2)彼此呈一定距离布置并连接于电源供应(F1、F2)。
14.根据权利要求10所述的衬套(BU)，其中漏板(TP)的至少一个区段(A…J)为通过增材制造产生。
15.根据权利要求10所述的衬套(BU)，其具有通过增材制造生产的漏板(TP)。
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