CN1175934A - 对用自由离心法制造矿物纤维的装置的改进 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制纤转筒,它装备一种机器以用于以外部离心方法制造矿物纤维,此转筒包括一个轮缘,欲制纤维的材料以熔融状态从分配转筒或者从另一个制纤转筒供给到轮缘的外侧,转筒包括一个带有用于排放液体的洞口的内部液体回路,这些洞口位于轮缘上,在此转筒内洞口位于轮缘的欲制纤材料被供给的那部分。这样排列冷却洞口使得能减小在最热点的基体的温度。因此减小了相应的温度梯度。本发明的装置借助于减小在熔融制纤材料下的离心转筒轮缘上的温度梯度,使得制造条件被显著地改善,这表现在两个方面,其一是生产质量(纤维的长度增加并延缓了由于转筒磨损造成的质量下降),其二是条件的稳定性(尤其是具有窄工作范围的组合物)或在设备的磨损方面。

Description

对用自由离心法 制造矿物纤维的装置的改进

本发明涉及一种用离心法由可拉制材料制造矿物纤维的装置。

称作自由离心法的技术是已知的，在此技术中欲被制成纤维的材料以熔融状态从外面导向制纤转筒的周边并被这些转筒驱动以便由于离心力的作用以纤维的形式与转筒分离。

在这些技术中，一般使用3或4个彼此靠近排列的离心转筒。熔融的材料浇注在第一转筒上，并被加速且转送到下一个转筒上。这样，可拉制的材料从一个转筒传递到另一个转筒，每个转筒都将部分熔融材料转变为纤维并将余下的材料转送到下一个转筒上。

这些技术更特别用于由玄武玻璃、高炉炉渣或更普通地由任何具有高熔点的材料在工业上生产石棉。

对于这些技术已经提出了许多改进，而在这里应特别提到构成了欧洲专利EP-B2-0,059,152主题的那些改进。

离心转筒由于接触熔融材料而承受高温。然而，这些高温必须不会导致不利于这些转筒定位的转筒变形和/或磨损。这就是为什么在前述的申请中叙述的常规装置包括冷却装置的原因，此冷却装置特别包括所提供的流过转筒轴和远至转筒周边部分内表面的水流。

已知两种类型的冷却，即：使液体循环或者使液体流失。也就是说，在后一种情况下，液体、一般是水在流经转筒后经孔隙从转筒中喷出。本发明的方法属于该第二种冷却类型。

在文献EP-B-0,295,725中，冷却水在它与离心转筒的轮缘接触之后，经过排列在转筒两侧的孔隙(可能以蒸汽形式)被排出。一方面冷却水排出而另一方面接近离心转筒的最热点完成这个工作的事实有许多优点。首先，液体在一个方向的流动由此被大大简化；第二，排出水可被蒸发，借助于非常高的蒸发潜热将导致更有效的冷却。

欧洲专利EP-B-0,195,725详细介绍了离心转筒的冷却水供给系统，此系统在转筒内也具有粘合剂供给，拟用于保证各纤维在它们形成的编织品中相互粘合。在供水情况下，提供了与转筒轴线同心的水管，此水管供给水而终止在转筒的对称平面内，在一个扩大的腔内水从腔中经孔逸出以便到达转筒内的内部空间并被离心力引向暴露在每侧的位于侧向面的喷孔上。

对前述两个文献通用的冷却系统完美地实现了它的作用并能显著地延长离心转筒的寿命。然而，虽然冷却是全面整体有效的，但在沉积了易玻璃化的液体材料的轮缘上存在大的温度梯度。这是因为此材料在以纤维形式或以投射到下一个转筒上的滴状物形式被排出之前，其沉积并保持在具有一定宽度的带上。在熔融部件发射射流和各转筒的相对位置保持不变的情况下，在很热的这个带的中心处的基体与带子边缘下方的基体之间形成大的温度差；在熔融材料较薄的地方，因为质量较大，故它保持较凉，而与外界热交换的表面实际上是相同的。减小这个温度梯度是有利的，因为它是磨损源，由于它将应力引入制纤转筒内。

专利申请WO 95/07243介绍一种拟生产矿物纤维的离心转筒，此转筒本身在设计上与先前的转筒很不同。它具有鼓的形状比轮的形状多，其沿轴线的厚度显著地大于它的最大直径。另外，由欲制纤维材料覆盖的区域的直径可以改变。熔融的材料沉积在鼓的其中一个端部上的小直径的位置，并沿轴线前进远至直径较大的另一端处的纤维形成区。在后者的区域内设置洞口，它们位于鼓的周边，此洞口使得水以水蒸汽形式逸出。整个装置的目的是得到纤维直径从一根到另一根变化很小的纤维。

关于在WO 95/07243的鼓的外套筒上的温度梯度，与现有技术比较，它是增大而不是减小的，因为熔融的材料在它从套筒的一端向另一端前进的过程中基本冷却了。经其排出蒸汽的洞口的功能看起来并没有优选地被冷却，因为最热的区域，即熔融材料沉积的位置没有任何洞口，但所陈述的目的是避免在相对置的每个洞口与金属接触，并因此在熔融材料中局部地产生各种小突起，每个小突起都是纤维的起源。

虽然这不是它们的主要功能，但允许蒸汽逸出的这些洞口促进了欲制成纤维的材料的冷却，在这个区域该材料覆盖了洞口及套筒本身。因为正是在这个位置欲制纤维的材料是最冷的，蒸汽经洞口逸出的作用增加了在套筒上的热梯度。

本发明拟达到的目的是减少在离心转筒轮缘轴向上的热梯度。

本发明提供一种离心转筒，此转筒装备一种通过外部离心作用制造矿物纤维的机器，此转筒包括一个轮缘，从分配转筒或从另一个制纤转筒将熔融状态的欲制纤维的材料供给到该轮缘的外侧上。转筒包括一个带有洞口的内部液体回路以便排出位于轮缘上的液体，在此制纤转筒内洞口位于轮缘上的欲制纤维材料被供给的那部分。

冷却洞口的这种排列使得可以降低基体在最热点的温度。因此也降低了相应的温度梯度。

优选地是将洞口以至少处于平行平面的两排排列在轮缘上，并且有利的是，该转筒包括对于轮缘的对称平面对称排列的两排洞口。

这种以平行排的排列、特别是当它们以本发明的转筒中心对称的时候，能有效地冷却熔融材料沉积区域的中心。

本发明还提供液体分配装置，此装置能供给洞口排中的每一排，并且有利的是，供给一排洞口的分配装置是一排分配孔，该分配孔所处的平面与洞口排的平面平行。

这样做的结果是所有排的洞口肯定被供给。取得这一结果的一种办法在于准备用连续隔板使各排洞口彼此分离，于是每排孔供给一排洞口而并不影响向邻近排的洞口。

本发明的转筒的优选实施方案为此采取措施使其包括一个两部分的液体供给室，即一个供给隔间和一个分配隔间，然后这两个隔间经由一些分配孔连接。通常，各分配孔的总横截面小于轮缘上各洞口的总横截面。一般而言，相对于两个隔间选择好一个速率，在此速率下液体供给到将被调节的电动机，以便在供给隔间内形成液体的储存。

为保证转筒内的最佳冷却，对于分配孔有利的是以位于平面上的两排被分配，此平面位于轮缘上各排洞口所在平面的每一侧，分配孔的排数也是两个。同样地，对转筒的内壁采取措施，内壁的一面位于纤维被抽出的这侧而其另一面位于相对的一侧，两壁从转筒的内壁向其周边逐渐地靠拢，以便从分配孔射出的液体在其朝向轮缘上的洞口前进时遍及两壁传播出去。

这样，在液体逸出之前，它已从转筒中吸取了最大可能的热量。

关于纤维抽取侧在鼓吹空气加热转筒的位置的冷却情况，由于空气通过熔融材料的上方被加热，该鼓吹空气离开转筒时加热转筒，为此对转筒采取措施在侧向提供直接的逸出孔，这些孔分布在以转筒轴线为中心的圆环上，这些孔位于纤维被抽出的转筒那侧，并且优选的是将直接逸出孔供向较大半径的环形沟槽中。在此情况下，有利的是直接逸出孔的总横截面积和分配孔的总横截面积大约是相同的，后者优选地较大些。这些直接的侧向逸出孔一般位于形成转筒侧壁的凸缘上。

流动速率的选择显示出在最热点的本发明主冷却系统的有效性。该流动速率的选择在从轮缘逸出的液体和从转筒侧边逸出的液体之间大约相同，然而后者被熔融材料加热得少得多。

下面的叙述和附图将能理解本发明并领会它的优点。

在这些图中，图1示出一个带有两个制纤转筒的制纤机，图2示出本发明的离心转筒的断面，图3示出在同一转筒的轮缘表面上的温度估计分布曲线。

图1描述一种按照本发明使用类型的制纤装置，它包括三个离心转筒1、2、3，两个连续的转筒彼此以相反方向旋转。通常也使用带有四个离心转筒的相同类型的装置。欲制纤维的材料4以熔融状态经挡板5或从一个稳定储存器的洞口浇注到第一离心转筒1上，第一离心转筒1也称作分配转筒，因为它实际并不生产纤维而它的功能基本上是加速和分配欲制纤维的材料4去覆盖下一个转筒2，欲制纤维的材料被送到转筒2上并在那里部分地粘附。粘附的熔融材料由于离心力的作用而从转筒2上分离然后形成丝状物，此丝状物由鼓吹环6的洞口和/或由拉拔唇状物产生的气流带走，而未粘附的材料被送到下一个离心转筒3上以便以同样方式生产纤维的补足部分。

载带纤维的气流横向地对准纤维从转筒上伸出的方向。借助于伸出部件7，粘合剂化合物以小滴的形式离心式地射入气流中，气流将它分得更细以便形成的纤维被均匀地涂层。

这些离心转筒是水冷式的，优选地使用冷却水的流动速率，这些速率是取决于欲得到的平衡温度而为每个转筒设定的。正常情况下，与熔融材料接触的转筒的温度从开始的转筒1至最后的转筒3依次减小。

本发明涉及离心转筒及其液体循环冷却系统。

常规的离心转筒、象在欧洲专利EP-B-0,195,725中叙述的那些，通常包括一个衬套、一个轮缘和两个凸缘，通过此衬套供给流体-冷却水和粘合剂，欲制成纤维的材料以熔融状态被分配在轮缘的周边，这两个凸缘在转筒的两侧，它们一面与衬套相连而另一面与轮缘相连，以便形成一种内室(转筒是空心的)，冷却剂在经过通常位于凸缘上的洞口喷射之前在此内室里流动。此外，制纤转筒在纤维抽取侧的转筒的中心部分一般还包括一个部件7，以用于喷射液体粘合剂(见欧洲专利EP-B-0,059,152)，这些将不在此讨论。

它是用于冷却上述类型离心转筒的系统，本发明能对该系统加以改进。

本发明的离心转筒并不象先有系统，它在轮缘自身周边上设置许多洞口以用于逸出冷却剂-大多数情况下是水。这样的洞口可在图2中以8、9示出，这些洞口是在已经被特别弄薄的区域10、11钻透轮缘而成的。这种构型能在由熔融的欲制纤维材料提供热量最多的地方很有效地冷却轮缘的中心部分。这些洞口以其通常的结构暴露在轮缘的表面上。在图中，轮缘以位于垂直于转筒轴线的平面内的环形凸肋12表示，但任何其他有利于制纤的结构与本发明是相容的。

图2描述了本发明的优选实施方案，也就是说，一方面，洞口的排是被一种隔板30分开，此隔板使每排能被单独供料，另一方面，在转筒内空心部分被分成两个隔间，一个供料隔间13和一个分配隔间14。两隔间13、14经连接孔15、16连通。供料隔间13常规地经过转筒的衬套(图中未示出)接收冷却剂。由于离心力的作用，液体射向隔间13周边的孔15、16所在的位置。冷却剂供给流动优选地使得隔间13中产生液体储存，借此保证从孔15、16和19有恒定的流动并保证在隔间13的整个周边上也有恒定的流动。在离开孔15、16时，由于离心力的作用液体沿这些孔的轴线射出并优选地冲击分配隔间的各个壁17、18，它们向上靠近转筒的周边并因此能使冷却剂-再次依靠离心力的作用-向洞口8、9前进，“冲洗”壁17、18，冷却剂在离开转筒内部到轮缘上之前冷却该壁17、18。在两排洞口之间的“隔板”30保证每一排都被供料。在图中两个隔间被示出好象它们形成了密封的盒子。这是不必要的，因为离心力对称地以平行于转筒的对称平面沿径向驱动水。

在直径为350mm的样机转筒中，洞口8、9形成120个孔的两个环形排，每个孔的直径1.2mm。第一排8位于转筒的对称平面的一侧，另一排9对称地位于纤维抽取侧。分离两个隔间13、14的壁本身被钻成带有10个孔的两个环形排，每个孔的直径为0.9mm。这样人们发现在轮缘上这组洞口的总横截面积为271mm²，而它们借助于具有小得多的总横截面积，即12.7mm²的连接孔15、16供料。这样选择各自的横截面积防止了冷却剂停滞在分配室，在那里冷却剂将冒着加热和可能蒸发的危险而由此可能出现各种问题。在供料隔间液体储存量的形成，借助于液体流速的调节使得能保证恒定的供料。

两个隔间，即供料隔间13和分配隔间14，构成本发明的一个实施方案。也可以通过设置供给孔从被隔板30分开的区域10、11直接供给两排洞口8、9，所设置的供给孔以与孔15、16相同的方式起作用，但它们位于与转筒轴线同心的管道上(参看文献EP-B-0,195,725)。

利用位于轮缘上的与转筒的对称平面不对称排列的各排洞口完成其他的试验。结果是同样满意。

图2示出孔19，它形成直接逸出孔的环形排的一部分，并在纤维抽取侧的制纤转筒侧壁的外部提供附加的冷却。在样机中孔19的直径是0.9mm，总共是10个孔。因此它们的总横截面积是6.4mm²，比连接孔15、16的总横截面积(12.7mm²)小但差别不太大。如在图中可见，在孔19的上面做成一个环形沟道32，此沟道32收集从孔19射出的液体并在一较宽的扇形区上分配它。同样地，孔19相对于沟道32且最重要的是相对于轮缘的边缘退后露出，使得液体在离开转筒的侧面大面积之前从其上吸收热量。

与常规的冷却系统(使用的孔位于离心转筒每侧的凸缘内)比较，本发明的系统如刚刚所述是更加有效的，并且使它能每小时仅使用250升水来代替通常的350-400升水。

图3描述了轮缘表面温度的可能分布。在熔融材料下面的轮缘表面上测量金属温度的实际分布是很困难的。在这里这是一种估计，最可能的一种是它与生产中按照本发明提供的离心转筒上的实验结果完全一致，结果稍后将予以讨论。

描绘出两条曲线：

22：在常规的离心转筒的情况下处于运行条件下的温度分布曲线；

23：在按照本发明的转筒轮缘上的温度分布曲线。

使用老的系统，在轮缘的中心，在界限20、21之间的冷却效果较差，在此界限内熔融材料被沉积。另一方面，在发生周边鼓吹的轮子侧(机器侧)冷却效果较好而在纤维抽取侧冷却效果实际上是相同的。

在区域20、21的温度梯度用24和25分别对现有技术和对本发明作了描述，后者的温度梯度明显地比前者平缓。

采用例如正常情况下用于制造石棉纤维的常规组合物和更易流动的、具有较陡粘度曲线和/或较窄“工作范围”的特别组合物进行比较试验。

常规的用于制造石棉的制纤物质以重量计有以下组成：

SiO₂          50％

Al₂O₃        12％

CaO             28％

MgO             6％

Fe₂O₃        2.5％

各种氧化物     1.5％

上面类型的可制纤维的组合物在作为温度函数的粘度上显示出相当缓慢的变化。因此粘度从温度为1493℃时的1og₁₀η＝1变化到log₁₀η＝3的温度差约为380℃。假定工作范围是将粘度相当于log₁₀η＝1处的温度与透明开始消失时的液相温度分开的温度区域。在此情况下的第二温度是1230℃，也就是说，工作范围是260℃。这样，可制成纤维的组合物依靠本发明的离心转筒使其能得到基本上比用常规转筒更长的纤维。更具体地说，在试验持续40小时的过程中，在按照本发明的转筒以每分钟6000转的旋转速度驱动的情况下，观察到的纤维延伸率是这样的，即对一给定的细度指数(“fasonaire”)采用同样的粘合剂量能使初级编织品的表面致密度从300g/m²降至220g/m²。纤维的延伸还将降低粘合剂的水平。

“fasonaire”是被所有石棉生产者使用的一个量，它能评价纤维的总细度和长度。这个量是用所谓的“fasonaire”仪器测量的，例如从德国的AVIATEST NIEBERDING公司买到的。测试条是一束给定质量的矿物纤维、无粘合剂或油类，它可以包括由某些制纤方法规定的非纤维组分(废料、粗矿石等)。它在一预定体积的圆柱体室中被挤压。气流-干空气或氮气-在试件上通过。气体流速保持恒定，用一个以常规单位刻度的水柱来测量经过该试件的压降。

当以两步骤制造此编织品时，初级编织品是制造中的一步，形成初级的纤维和液体粘合剂的第一纤维网(此网尽可能薄)，随后以垂直于最终编织品轴线的盘旋弯曲方式沉积几层初级纤维网。最终编织品的表现特征是比初级网的数量多些较好，也就是说，所有条件相同的情况下，单体的表面致密度较低。正常生产被限制靠近初级纤维网的低表面致密度的端部(低于最小值，网易撕破且出现孔洞)，本发明自身使其可能在同样生产条件下易于达到低值，因此基本上改进了最终编织品的质量。也可以指出，对于给定的质量，也就是说对于一个在最终编织品中给定层数的初级纤维网，可以减少粘合剂的量，因为它是能保证初级纤维网的粘合力的液体粘合剂。

采用在熔融状态下更具流动性的组合物进行了其他试验。这是一种包括具有低铁含量的高比例高炉/炉渣的产品，使得能得到在某些应用中特别是喷涂中所要求的光亮纤维。例如，一般的组合物按重量计是：

SiO₂         44％

Al₂O₃       11％

CaO           38％

MgO           5％

Fe₂O₃      ＜1％

各种氧化物    ＞1％

对应于粘度η，log₁₀η＝1和液相线的温度差在此情况下是90℃，相应于一个窄的“工作范围”。为了获得好的工作，需要在制造纤维的过程中将熔融材料保持在一个很窄的温度范围内。使用本发明的离心转筒，人们发现很容易将设备保持在合适的生产条件下。

某些石棉组合物特别难于制造纤维。特别是对于那些在生物液体中更加快速溶解的组合物。

因此，一般的组成

SiO₂    52％

Fe₂O₃  0.5％

Al₂O₃  2％

CaO      31.5％

MgO      9.5％

Na₂O    4％

其他     0.5％具有一个特别窄的工作范围，使得用常规的转筒很难控制制造纤维的条件。这是因为对log₁₀η＝1的温度是1360℃而液相线在1340℃，给出的工作范围是20℃。在利用具有从侧面凸缘逸出的冷却剂的转筒的设备中，实际上不可能稳定此设备，该设备在太冷或太热以致不能制纤的失去透明的可制纤材料之间不断摆动。本发明的转筒使得可以稳定此设备并在数小时内不中断制造纤维。因此对于对健康和环境有影响的主要问题提供了解决办法。

此外，在上述三种情况下，无论是常规制纤组合物或是难于制纤的组合物，观察到离心转筒的磨损较小，转筒仅需在工作时间超过约20％的情况下予以更换。

因此可以看到，本发明的装置借助于减小在熔融制纤材料下的离心转筒轮缘上的温度梯度，使得制造条件明显地改善，这表现在两个方面，其一是生产质量(纤维的长度加长并延缓由于转筒磨损造成的质量降低)，其二是生产条件的稳定性(特别是具有窄工作范围的组合物)或设备的磨损方面。

Claims (14)

1、制纤转筒，它装备有一台机器以利用外部离心作用制造矿物纤维，该转筒包括一个轮缘，欲制纤维的材料以熔融状态从分配转筒或者从另一个制纤转筒供给到该轮缘的外侧，转筒包括一个带有用于排放液体的洞口的内部液体环路，这些洞口位于轮缘上，其特征在于，洞口(8、9)位于轮缘的欲制纤维材料被供给的那部分。

2、按照权利要求1的制纤转筒，其特征在于，洞口(8、9)至少以处于平行平面的两排排列在轮缘上。

3、按照权利要求2的制纤转筒，其特征在于，它包括相对于轮缘的对称平面对称设置的两排洞口。

4、按照权利要求2或权利要求3的制纤转筒，其特征在于，液体分配装置能供给两排洞口中的每一排。

5、按照权利要求4的制纤转筒，其特征在于，供给一排洞口的分配装置是一排分配孔，这些分配孔位于与该排洞口的平面平行的平面内。

6、按照权利要求5的制纤转筒，其特征在于，两排洞口(8、9)被连续的隔板(30)彼此分开。

7、按照权利要求5或权利要求6的制纤转筒，其特征在于，它包括两部分的液体供料室、即一个供料隔间(13)和一个分配隔间(14)；并且，它们经分配孔(15，16)相连接。

8、按照权利要求5-7中任一项的制纤转筒，其特征在于，分配孔的总横截面积小于轮缘上洞口的总横截面积。

9、按照权利要求7的制纤转筒，其特征在于，向转筒供给液体的速率被调节，使得在供给隔间内形成液体(31)的储存。

10、按照权利要求2-9中任一项的制纤转筒，其特征在于，分配孔以两排分布在两个平面上，这两个平面处于轮缘上两排洞口所处平面的每一侧，洞口的排数也是两个。

11、按照权利要求10的制纤转筒，其特征在于，转筒内壁(17、18)中的一面壁位于纤维被抽取的那侧而另一面壁在相对侧，两面壁从转筒内部向其周边逐渐靠拢；并且从分配孔射出的液体在向轮缘上的洞口前进时遍及两面壁扩散开。

12、按照权利要求1-11中任一项的制纤转筒，其特征在于，转筒在侧向包括一些分布在以转筒轴线为中心的环上的直接逸出孔(19)，这些孔位于抽取纤维的转筒的那一侧。

13、按照权利要求12的制纤转筒，其特征在于，直接逸出孔(19)供入较大半径的环形沟槽(32)中。

14、按照权利要求12或权利要求13的制纤转筒，其特征在于，直接逸出孔(19)的总横截面积和分配孔的总横截面积差不多相同，后者优选地较大一些。

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