CZ20032648A3

CZ20032648A3 - Spinneret for drawing endless fiber of silicate melt

Info

Publication number: CZ20032648A3
Application number: CZ20032648A
Authority: CZ
Inventors: Petr Jakeš Phd.; Michal Burda
Original assignee: Mdi Technologies, S. R. O.
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2005-05-18

Abstract

Použití trysek z refřaktomího keramického materiálu nebo kovu, vybraného ze skupiny zahrnující oxidy Al, Mg, Cr, Zr, silicidy, zejména Mo, a nitridy Si, W, Ti, Al, pro tažení nekonečného vlákna z křemičitanové taveniny. Refraktomím keramickým materiálemje s výhodou slinutý korund A1203. Vláknem může být minerální bazaltové nebo skleněné vlákno. Trysky mohou být tvořeny trubičkami o vnitřním průměru v oblasti 4 mm. Mohou být opatřeny prostředkempro jejich přihřívání na teplotu v rozsahu od 1250 do 1700 °C.Use of nozzles from refractory ceramic material or a metal selected from the group consisting of Al, Mg, Cr, Zr, silicides, especially Mo, and Si, W, Ti, Al nitrides for drawing filament of silicate melt. Refraktomím the ceramic material is preferably sintered corundum Al 2 O 3. The fiber may be a mineral basalt or glass fiber. The nozzles may be formed by tubes of inside diameter 4 mm. They can be provided with their means heating to a temperature ranging from 1250 to 1700 ° C.

Description

Oblast technikyTechnical field

Vynález se týká použití trysek z refraktorního keramického materiálu nebo kovu, vybraného ze skupiny zahrnující oxidy Al, Mg, Cr, Zr, silicidy, například Mo, a nitridy Si, W, Ti, Al, pro tažení nekonečného vlákna z křemičitanové taveniny.The invention relates to the use of refractory ceramic or metal nozzles selected from the group consisting of oxides of Al, Mg, Cr, Zr, silicides, for example Mo, and nitrides of Si, W, Ti, Al, for drawing a filament of silicate melt.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Nekonečné minerální, s výhodou bazaltové vlákno je pro nízkou tepelnou vodivost a velký rozsah teplot, za kterých může být použito, i pro snadnou zpracovatelnost a dostupnost a nenákladnost surovin, velice vhodným a perspektivním materiálem.The endless mineral, preferably basalt fiber, is a very suitable and promising material for its low thermal conductivity and the wide range of temperatures at which it can be used, as well as for easy processing and availability and inexpensive raw materials.

Tradičním způsobem se bazaltové vlákno vyrábí z roztaveného nerostného materiálu vhodného složení tažením přes platinové trysky (Pt90 - Rh10 až Pt75 - Rh25) vhodného průměru, obvykle v rozsahu od 1 do 3 mm. V jednom rozvlákňovacím zařízení je umístěno více než 100 trysek. Z každé trysky se táhne a na buben navíjí vlákno. Hmotnost platinových trysek je přibližně 2 kg. Tavení se provádí v klasické odporové nebo plynem ohřívané šachtové peci, teplota tažení bazaltu se pohybuje na likvidem, to je přibližně v rozmezí 1200 až 1400°C.Traditionally, basalt fiber is produced from molten mineral material of suitable composition by drawing through platinum nozzles (Pt90-Rh10 to Pt75-Rh25) of suitable diameter, usually in the range of 1 to 3 mm. More than 100 nozzles are located in one pulper. Fiber is drawn from each nozzle and wound on the drum. The weight of the platinum nozzles is approximately 2 kg. The melting is carried out in a conventional resistance or gas-heated shaft furnace, the basalt drawing temperature being in the range of approximately 1200 to 1400 ° C.

Výhodou použití platiny pro trysky je její schopnost odporového přihřívání a odolnost za vysokých teplot, výsledkem je snadné protékání bazaltové taveniny tryskami. Technologie tažení bazaltového vlákna je velmi podobná a je založena na technologiích výroby vlákna skleněného (například E-glass). Ve srovnání s tažením skleněného vlákna je však bazaltová tavenina vůči platině „agresivnější“, zejména pro obsah siderofilních prvků, jakými jsou v bazaltové tavenině železo a nikl. Tyto prvky se snadno s platinou slučují, rozpouštějí se v ní, platina ve slitině se železem i sama o sobě za vysokých teplot rekrystalizuje a stává se kruchou a křehkou. Z tohoto důvodu má platinové licí zařízení - trysky - v zařízení na výrobu bazaltových vláken poměrně nízkou životnost, přibližně 40 až 60 dnů. Poté se musí platina přepracovat a vyrobit nové trysky. Při výrobě taveniny v prostředí mikrovlnného záření je obtížné používat platinu, a to vzhledem k její absorpci mikrovlnného záření. Jsou li platinové trysky umístěny mimo oblast mikrovlnného záření, mohou být bez problému použity, aie je zřejmé, že jejich zhotovení a obnova prodražují výrobu jinak levného bazaltového vlákna.The advantage of using platinum for the nozzles is its resistance to reheating and high temperature resistance, resulting in easy flow of basalt melt through the nozzles. The technology of drawing basalt fiber is very similar and is based on glass fiber production technologies (for example E-glass). However, compared to glass fiber drawing, basalt melt is more aggressive to platinum, especially for the content of siderophilic elements such as iron and nickel in the basalt melt. These elements readily merge with, dissolve in the platinum, and the platinum in the alloy recrystallizes itself at high temperatures, becoming iron and brittle. For this reason, the platinum die-casting device in the basalt fiber plant has a relatively low lifetime of about 40 to 60 days. The platinum must then be reworked and new nozzles produced. In the production of a melt in a microwave environment, it is difficult to use platinum because of its absorption of microwave radiation. If the platinum nozzles are located outside the area of microwave radiation, they can be used without difficulty, and it is clear that their fabrication and renewal make the production of otherwise cheap basalt fiber expensive.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Podstata vynálezu spočívá v použití trysek z refraktomího keramického materiálu nebo kovu, vybraného ze skupiny zahrnující oxidy Al, Mg, Cr, Zr, silicidy, např. Mo, a nitridy Si, W, Ti, Al, pro tažení nekonečného vlákna z křemičitanové taveniny. Refraktorním keramickým materiálem je s výhodou slinutý korund AI₂O₃. Vláknem může být minerální např.bazaltové nebo skleněné vlákno.The invention is based on the use of refractory ceramic or metal nozzles selected from the group consisting of oxides of Al, Mg, Cr, Zr, silicides such as Mo, and nitrides of Si, W, Ti, Al for drawing a filament from a silicate melt. The refractory ceramic material is preferably Al ₂ O ₃ sintered corundum. The fiber may be a mineral such as basalt or glass fiber.

Použití trysek zhotovených z výše uvedených materiálů nabízí řešení, které je podstatně levnější než dosud používaná platina - rhodium. Trvanlivost keramických trysek je ve srovnání s platinou kratší, avšak cena oxidu hlinitého a ostatních keramických kovů je v porovnání s cenou platiny až o pět řádů nižší. Keramické trysky se tak stávají při tažení minerálního vlákna spotřebním materiálem.The use of nozzles made of the above materials offers a solution that is considerably cheaper than the platinum-rhodium hitherto used. The durability of ceramic nozzles is shorter compared to platinum, but the cost of alumina and other ceramic metals is up to five orders of magnitude lower than that of platinum. Ceramic nozzles thus become consumables when drawing the mineral fiber.

Trysky pro tažení nekonečného vlákna z křemičitanové taveniny mohou být tvořeny trubičkami o vnitřním průměru v oblasti 4 mm. Při výrobě minerálního vlákna se umisťují do rozvlákňovacích nádob, případně se z nich odlévají dna rozviákňovacích a stabilizačních nádob.The silicate melt filament drawing nozzles may consist of tubes having an inner diameter in the region of 4 mm. In the production of mineral fibers, they are placed in the fiberizing vessels or the bottoms of the expansion and stabilization vessels are cast from them.

Trysky mohou být opatřeny prostředkem pro jejich přihříváni na teplotu v rozsahu od 1250 do 1700°C. Tím, že trysky zůstávají horké a nechladnou (jejich teplota se udržuje vyšší než je teplota taveniny), zůstává původní viskozita například bazaltu zachována a bazalt jimi lépe protéká. Zvyšuje se tak rychlost tažení vlákna a produktivita celého výrobního procesu.The nozzles may be provided with means for heating them to a temperature in the range of 1250 to 1700 ° C. By keeping the nozzles hot and non-cooling (their temperature being maintained above the melt temperature), the original viscosity of, for example, basalt is maintained and basalt flows better through them. This increases the fiber drawing speed and the productivity of the entire manufacturing process.

Předmětem vynálezu je rovněž použití refraktomího keramického materiálu nebo kovu, vybraného ze skupiny zahrnující oxidy Al, Mg, Cr, Zr, silicidy např. Mo a nitridy Si, W, Ti, Al, pro zhotovení rozvlákňovacích nádob a jejich ukončení tryskami při výrobě nekonečného vlákna z křemičitanové taveniny.The invention also provides the use of refractory ceramic material or metal selected from the group consisting of oxides Al, Mg, Cr, Zr, silicides such as Mo and nitrides of Si, W, Ti, Al to make fiberizing vessels and terminate them by nozzles in continuous filament production. of silicate melt.

Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Způsob kontinuální výroby nekonečného minerálního nebo skleněného, s výhodou bazaltového vlákna, probíhá následovně. Rozdrcený bazalt sypké štěrkovité konzistence o velikosti 4 až 20 mm, který je předehřátý na teplotu 200 až 600°C, se přidává do tavící komory. Tato komora je umístěna v mikrovlnné peci se dvěma generátory o výkonu 3,5 kW (na každý generátor). Zde je bazalt vystaven po dobu přibližně 20 až 30 minut mikrovlnnému zářeni o frekvenci 2450 MHz, čímž se roztavuje. Roztavený materiál se nad oblastí sedimentace neroztavených zbytků horniny průběžně přepouští do odděleného • · • ·The process for the continuous production of an endless mineral or glass, preferably basalt fiber, proceeds as follows. Crushed basalt of loose gravel consistency of 4 to 20 mm, which is preheated to a temperature of 200 to 600 ° C, is added to the melting chamber. This chamber is placed in a microwave oven with two 3.5 kW generators (per generator). Here, basalt is exposed to microwave radiation at a frequency of 2450 MHz for about 20 to 30 minutes, thereby melting. The molten material is continuously transferred over the sedimentation area of the non-molten rock residue into a separate • • • ·

prostoru, do přehřívací komory (která může být samostatná), situovaná odděleně od tavící komory, případně může být alespoň ve své části usazena na samostatné přehřívací komoře; v alternativním provedení mohou být obě komory součástí integrálního celku.a space in the overheating chamber (which may be separate) situated separately from the melting chamber, or may be seated at least in part on a separate overheating chamber; alternatively, both chambers may be part of an integral assembly.

V přehřívací komoře se opět působením mikrovlnného záření o frekvenci 2450 MHz bazaltová tavenina přihřívá na teplotu nejméně o 200°C vyšší než je teplota liquidu taveniny. Dochází zde k roztavení všech nukleárních center v tavenině, bez úlomků horniny či krystalů. Z tohoto prostoru pak přes přepadovou hranu tavenina průběžně odtéká do prostoru ve tvaru sloupce v rozvlákňovací nádrži, uspořádaného pod ním, mimo oblast působení mikrovlnného záření, ve kterém se elektrickým nebo vysokofrekvenčním ohřevem tavenina dohřívá a její teplota se stabilizuje na teplotu odpovídající požadované viskozitě, vhodné pro tažení. Ve dně rozvlákňovací nádrže jsou umístěny trysky ve tvaru válce o délce asi 2 cm a vnitřním průměru přibližně 4 mm. Jsou z refraktorního keramického materiálu nebo keramického kovu, vybraného ze skupiny zahrnující oxidy Al, Mg, Cr, Zr, silicidy např. Mo a nitridy Si, W, Ti, Al a jsou přitmeleny k nádobě rozvlákňovací nádrže. Tavenina se působením hydrostatického tlaku, úměrného celkové výšce taveniny nad dnem rozvlákňovací nádrže, protlačuje tryskami do vnějšího prostoru (přitom velká plocha hladiny taveniny v přehřívací komoře, spojené s rozvlákňovací nádrží, umožňuje eliminovat rozdíly v hydrostatickém tlaku na dně rozvlákňovací nádrže ). Po protlačení taveniny do vnějšího prostoru se zde zachycují a tažením se vytvářejí jednotlivá vlákna, která na vzduchu okamžitě chladnou a tuhnou, načež se navíjejí. Před navinutím se vlákna mohou apretovat. Zachycená kapka bazaltu tažením vytváří vlákno, které se navíjí na otáčející se buben. Oblast otvorů u dna prostoru ve tvaru sloupce v rozvlákňovací nádrži se přihřívá na teplotu v rozsahu od 1250 do 1700°C. Původní viskozita bazaltu je tak zachována a bazalt lépe protéká tryskami (ve dně rozvlákňovací nádrže může být přibližně 200 trysek, i více). Zvyšuje se rychlost tažení vlákna a produktivita celého výrobního procesu.In the overheating chamber, the basalt melt is reheated to a temperature at least 200 ° C above the melt liquidus temperature by microwave radiation at a frequency of 2450 MHz. All nuclear centers in the melt are melted, without rock fragments or crystals. From this space, over the overflow edge, the melt continuously flows into the column-shaped space in the spinning tank located below it outside the microwave exposure area in which the melt is reheated by electric or high-frequency heating and its temperature stabilizes to a temperature corresponding to the desired viscosity. for towing. At the bottom of the pulping tank are cylindrical nozzles having a length of about 2 cm and an internal diameter of about 4 mm. They are of refractory ceramic material or ceramic metal selected from the group consisting of oxides of Al, Mg, Cr, Zr, silicides such as Mo and nitrides of Si, W, Ti, Al and are bonded to the spinning vessel. The melt is forced through the nozzles into the outer space by the hydrostatic pressure proportional to the overall height of the melt above the bottom of the pulping tank (whereby the large surface area of the melt in the superheating chamber associated with the pulping tank allows to eliminate differences in hydrostatic pressure at the bottom of the pulping tank). After the melt is forced into the outer space, the individual fibers are collected and pulled to form individual fibers, which immediately cool and solidify in the air and are then wound up. The fibers may be sized before winding. The captured drop of basalt by dragging creates a filament that winds on a rotating drum. The area of the openings at the bottom of the column-shaped space in the pulping tank is preheated to a temperature in the range of 1250 to 1700 ° C. The original viscosity of the basalt is thus maintained and the basalt flows better through the nozzles (there may be approximately 200 nozzles in the bottom of the pulping tank, or more). The fiber drawing speed and the productivity of the entire manufacturing process are increased.

Pokud jde o trysky, základním problémem je nalezení takového materiálu, který není resorbován křemičitanovou taveninou. To znamená, že s takovou taveninou nereaguje a že se za vysokých teplot v křemičitanové tavenině nerozpouští. Takovým materiálem jsou kovy platinové skupiny. Rozpouštění většiny ostatních materiálů, kovů nebo i keramických materiálů, vede ke kontaminaci taveniny a opotřebení vnitřních částí výtokových trysek.With respect to the nozzles, the basic problem is to find such a material that is not absorbed by the silicate melt. That is, it does not react with such a melt and does not dissolve in the silicate melt at high temperatures. Such a material is a platinum group metal. Dissolution of most other materials, metals or even ceramic materials, leads to contamination of the melt and wear of the internal parts of the discharge nozzles.

Touto kontaminací se mění zejména rheologické vlastnosti taveniny uvnitř trysky, případně do taveniny vstupují drobné krystalky (nukleační centra), které způsobují pokles pevnosti resp. tažitelnosti vláken.This contamination changes in particular the rheological properties of the melt inside the nozzle, eventually small crystals (nucleation centers) enter the melt, which cause a decrease in the strength or resp. fiber yield.

Trysky jsou tvořeny keramickými tělísky nebo tělísky z keramických kovů, procházejícími s vnějším přesahem dnem rozvlákňovací nádrže. Mohou být z refraktorního keramickéhoThe nozzles consist of ceramic bodies or ceramic metal bodies extending with the outer overlap of the pulping tank bottom. They can be made of refractory ceramic

materiálu nebo kovu, vybraného například ze skupiny zahrnující oxidy AI, Mg, Cr, Zr, silicidy Mo a nitridy Si, W, Ti, Al. Toto řešení je podstatně levnější než dosud používané trysky z materiálu na bázi platina - rhodium (např. slitiny Pt 90% Rh 10% nebo Pt 80% Rh 20%). Trvanlivost keramických trysek je ve srovnání s platinou kratší, avšak cena oxidu hlinitého a ostatních keramických kovů ve srovnání s cenou platiny je o pět řádů nižší. Keramické trysky se tak stávají „spotřebním“ materiálem. Navíc, při použití korundových trysek (AI2O3) dochází v trysce reakcí MgO,Cr2O3, FeO s korundem k vytvoření nové minerální fáze nerostu ze skupiny spinelu. Refraktorní povaha spinelu brání další reakci roztaveného bazaltu s korundem a v trysce se vytváří ochranná vrstva spinelu tloušťky přibližně 10 až 100 mikronů, která výrazně prodlužuje životnost trysky (taková reakce není u skleněných vláken možná, protože žádné ze skel neobsahuje komponenty, které v reakci s korundem tvoří spinel). S oběma komponentami, to je s korundem a bazaltem, je spinel v rovnováze. Nedochází tedy ke kontaminaci, ani ke změně rheologických vlastností, tryska se neopotřebovává, nemění se její průměr. Trysku je možno zahřát až do bodu tavení korundu, případně bodu tavení spinelu, do teplot okolo 1800°C.a material or metal selected, for example, from the oxides of Al, Mg, Cr, Zr, Mo silicides and Si, W, Ti, Al nitrides. This solution is considerably cheaper than the previously used nozzles made of platinum-rhodium material (eg Pt 90% Rh 10% or Pt 80% Rh 20% alloys). The durability of ceramic nozzles is shorter compared to platinum, but the cost of alumina and other ceramic metals is five orders of magnitude lower than that of platinum. Ceramic nozzles thus become a "consumable" material. In addition, using corundum (Al2O3) nozzles, the reaction of MgO, Cr2O3, FeO with corundum creates a new mineral phase of the mineral from the spinel group. The refractory nature of the spinel prevents further reaction of molten basalt with corundum, and a spinel protective layer of approximately 10 to 100 microns is formed in the nozzle, significantly extending the nozzle life (such reaction is not possible for glass fibers because none of the glasses contain components that corundum forms a spinel). With both components, corundum and basalt, the spinel is in equilibrium. Therefore, there is no contamination or change in rheological properties, the nozzle does not wear out, its diameter does not change. The nozzle can be heated up to the melting point of corundum or the melting point of spinel to temperatures around 1800 ° C.

Pro snadný tok křemičitanové taveniny keramickými tryskami (z keramických kovů) je vhodné, jak již bylo uvedeno, konce trysek přihřívat na vyšší teploty než je teplota vlastní taveniny. Přihřívání se uskutečňuje superkantalovými nebo kantátovými drátovými smyčkami okolo jednotlivých trysek. Tyto smyčky se zahřívají odporově, a protože se jedná o malé zvýšení teploty v již horkém prostředí (nad liquidem bazaltu), je spotřeba energie na přihřívání trysek poměrně malá.For ease of silicate melt flow through ceramic nozzles (of ceramic metals), it is appropriate, as already mentioned, to heat the nozzle ends to higher temperatures than the temperature of the melt itself. The reheating takes place by means of supercantal or cantate wire loops around the individual nozzles. These loops heat up resistively, and since this is a small increase in temperature in an already hot environment (above the basalt liquid), the energy consumption for reheating the nozzles is relatively low.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Vynález je určen pro oblast přípravy homogenní křemičitanové taveniny, zejména kontinuální výrobu nekonečného bazaltového vlákna. Pro snadnou dostupnost surovin a zejména pro lepší vlastnosti, než mají v některých aplikacích skleněná vlákna, mají nekonečná bazaltová vlákna široké použití jako bazaltové kompozity, armování v betonech, isolační panely, filtry sítě pro roztavený hliník, nosiče katalyzátorů v chemických procesech a podobně. Vlastnosti bazaltových tavenin, a tedy vlastnosti vlákna bazaltu, lze snadno měnit, jak chemicky, tak i teplotními podmínkami. Do značné míry tak lze přizpůsobit vlastnosti vlákna potřebám uživatele, například refraktorní vlákna pro výfuky automobilů. Navíc poskytují bazaltová vlákna stínění proti elektromagnetickému záření.The invention is directed to the field of preparation of a homogeneous silicate melt, in particular the continuous production of continuous filamentous basalt fiber. For easy availability of raw materials and especially for better properties than glass fibers in some applications, filamentous basalt fibers have wide application as basalt composites, reinforcement in concrete, insulation panels, mesh filters for molten aluminum, catalyst supports in chemical processes and the like. The properties of the basalt melts, and hence the properties of the basalt fiber, can be easily varied, both chemically and by temperature conditions. Thus, the fiber properties can be largely adapted to the user's needs, for example refractory fibers for car exhausts. In addition, basalt fibers provide shielding against electromagnetic radiation.

Claims

PATENT CLAIMS

Use of nozzles from a refractory ceramic material or a metal selected from the group consisting of Al, Mg, Cr, Zr, silicides, in particular Mo, and Si, W, Ti, Al nitrides, for drawing a silicate melt filament.

Use according to claim 1, characterized in that the refractory ceramic material is sintered corundum Al 2 O 3.

Use according to claim 1 or 2, characterized in that the fiber is mineral basalt or glass fiber.

Use according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the nozzles are formed by tubes having an inner diameter in the region of 4 mm.

Use according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the nozzles are provided with means for heating them.

Use according to claim 4, characterized in that the nozzles are heated to a temperature ranging from 1250 to 1700 ° C.

Use of a refractory ceramic material or metal selected from the group consisting of Al, Mg, Cr, Zr oxides, Mo silicides and Si, W, Ti, Al nitrides for the production of spinning vessels and their termination by nozzles according to any one of claims 1 to 6 at producing a filament of silicate melt.