DE102009051067A1

DE102009051067A1 - Spinndüsenanordnung

Info

Publication number: DE102009051067A1
Application number: DE102009051067A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Singer
Original assignee: Umicore AG and Co KG
Current assignee: Umicore AG and Co KG
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2011-05-05
Also published as: CN102596834A; JP2013509345A; WO2011050965A1; JP5689132B2; US20130125594A1; TW201139312A; EP2493825A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düsenanordnung zur Herstellung von Glasfasern.

Description

Bei der Herstellung von Glasfasern, insbesondere von Glasfasern, die für den Einsatz in glasfaserverstärkten Kunststoffen vorgesehen sind, werden die Ausgangsstoffe für das Glas in einem Ofen aufgeschmolzen, die entstandene Glasschmelze wird verschiedenen Spinnstellen zugeführt, in denen die Glasmasse durch Glasfaserdüsen, sogenannte Bushings, austritt. Die aus den Düsen austretenden Glasfäden werden abgezogen, abgekühlt, z. B. durch Luftkühlung oder Besprühen mit Wasser, und zu einem oder mehreren Faserbündeln zusammengeführt. Die Faserbündel werden gegebenenfalls mit einer Präparation versehen und anschliessend auf Spulen gewickelt oder einer Schneidvorrichtung zugeführt. Dieses Material dient zur weiteren Verarbeitung z. B. in der Produktion von glasfaserverstärkten Thermoplasten.
In der Offenlegungsschrift EP 229 648 A1 ist eine typische Spinndüse zum Spinnen von Glasfasern wiedergegeben. Die Spinndüse weist Reihen von Spitzen in einer Bodenplatten auf, die entlang einer Geraden von Endplatte zu Endplatte der Düse angeordnet sind. An den Endplatten befinden sich je zwei separate Stromzuführungen. Über die Stromzuführung wird durch die Spinndüse ein elektrischer Strom geleitet, der die Heizung der Glasschmelze bewirken soll. Obwohl diese Geometrie gegenüber älterem Stand der Technik Vorteile hinsichtlich der Gleichmässigkeit der Beheizung der Glasschmelze bringen soll zeigt die Praxis der Verwendung solcher Bushings Abweichungen in der Temperaturverteilung und daraus folgend in der Gleichmässigkeit des Glasfaserdurchmessers.
In der Patentschrift JP 1 333 011 wird ein Herstellungsverfahren für Glasfaserspinndüsen beschrieben. Bei diesem Verfahren werden die Spitzen für die Spinndüse an der Spinndüse dadurch angebracht, dass vorgefertigte konische Spitzenelemente mit Hilfe einer Platinunterlegscheibe in vorbereitete Bohrungen der Spinndüse eingelötet werden. Die Spitzen sind dabei jeweils zu Zweierreihen zusammengefasst, die quer zur Richtung des Heizstroms durch die Bodenplatte der Spinndüse laufen. Bei der Benutzung treten jedoch zahlreiche Probleme auf.
Die Spinnleistung an den Spinnstellen wird u. a. durch die Gesamtzahl bzw. Anzahl pro Fläche der Düsenspitzen, im folgenden kurz als Spitzen bezeichnet, auf der Spinndüse bestimmt. Die Anzahl der Spitzen auf einer Spinndüsenanordnung ist aber begrenzt. Dies liegt einerseits an der begrenzten Anzahl der Öffnungen pro Fläche. Um größere Zahlen an Öffnungen bzw. Düsen zu erreichen kann die Spinndüsenanordnung theoretisch unbegrenzt vergrößert werden, allerdings treten zahlreiche allgemein bekannte Probleme auf, insbesondere wenn die Breite in Bezug auf die Länge stark vergrößert wird. Das häufigste Problem ist eine Verkürzung der Lebensdauer der Spinndüsenanordnung. Die mit den Düsen bzw. Öffnungen versehene Bodenplatte ist in Draufsicht üblicherweise rechteckig, wobei die vier Seitenkanten direkt an die gegenüberliegenden Seiten- und Stirnwände des rechteckigen Körpers geschweißt sind. Nimmt die Breite der Bodenplatte zu, so fungiert die Bodenplatte als Balken, der ohne Stütze in der Mitte an den Seiten und Enden gestützt wird. Erhebliche Biegespannungen, die infolge des längeren Kontaktes mit dem schweren geschmolzenen Material mit der Zeit auf die Bodenplatte einwirken führen zu einem Durchbiegen infolge einer zeitabhängigen plastischen Verformung oder eines zeitabhängigen Kriechens („Sagging”). Diese Durchbiegen ist schädlich, weil es zu einer ungleichmäßigen Wärmeverteilung führt, der gleichzeitigen Erzeugung von Fasern mit unterschiedlichen Durchmessern über die Bodenplatte. Eine Verkleinerung der Fläche wäre daher erforderlich um die Folgen des Kriechens zu begrenzen und so die Lebensdauer zu erhöhen, was jedoch zu einer unerwünschten Verringerung der Ausstoßleistung führt.
Diese Probleme wurden in DE 19638056 , EP 1399393 und EP 1193225 adressiert, wobei Bleche als Versteifungselemente im Inneren der Spinndüsenanordnung auf die Bodenplatte geschweißt wurden, um so eine erhöhte Steifigkeit der Bodenplatte zu bewirken. In US 594813 wird stattdessen gezeigt, dass dieser Effekt auch durch eine Sicke in der Bodenplatte bewirkt werden kann.
Diese Ansätze sind jedoch alle nicht vollständig befriedigend, da auf diese Weise einerseits der gewünschte vorteilhafte Effekt begrenzt ist, andererseits aber ein Teil der Fläche der Bodenplatte nicht mehr zur Verfügung steht um Öffnungen bzw. Düsen anzubringen, was wiederum eine Verringerung der Ausstoßleistung bewirkt. Die könnte mit einer weiteren Vergrößerung ausgeglichen werden, allerdings wird das Problem des Sagging hierdurch weiter verschärft, wodurch weitere Verstärkungsmaßnahmen erforderlich sind die letztlich den Produktivitätszuwachs bei einer Vergrößerung letztlich unattraktiv machen.
Ein weiteres Problem liegt darin, dass durch das Einfließen der flüssigen Glasschmelze in die Spinndüsenanordnung ein hydrodynamischer Druck aufgebaut wird, der auch auf die übrigen Seiten der Spinndüsenanordnung wie die Seitenwände, Endplatten und vor allem und die Deckplatten wirkt, welche bei einer Vergrößerung der Bodenplatte eine immer größere Fläche aufweisen. Obwohl diese in einer Anlage zur Glasfaserproduktion eingebaut von der Außenseite abgestützt werden, so treten hierdurch dennoch Spannungen in der Spinndüsenanordnung auf, welche die Lebensdauer weiter verkürzen.
Aufgabe der Erfindung war es, eine Spinndüsenanordnung bereitzustellen, eine Vergrößerung und damit eine Verbesserung der Produktivität ohne die genannten Nachteile ermöglicht und eine möglichst homogene Temperaturverteilung im Bereich der Düse zeigt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Spinndüsenanordnung (10) zur Herstellung von Glasfasern mit einem Schmelzraum (11), der gebildet wird durch Seitenwände (12, 12'), Deckplatten (14, 14'), Endplatten, einer Bodenplatte (1), die mit einer Vielzahl von Öffnungen bzw. Düsen (2) versehen ist, welche parallel zu den Seitenwänden (12) der Spinndüse (10) ausgerichtet sind, und eine Zuleitung (13) für die Glasschmelze (17), dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (1) auf ihrer Oberseite mit zusätzlichen Versteifungselementen (4) versehen ist, welche mit den Deckplatten (14, 14') verbunden sind.
Kern der Erfindung ist es, sich den hydrodynamischen Druck zunutze zu machen und die auftretenden Kräfte auf die den Deckplatten gegenüberliegende Bodenplatte abzuleiten, um dort wiederum das Sagging zu reduzieren und somit die Lebensdauer der Spinndüsenanordnung zu erhöhen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Versteifungselemente stangenförmig ausgebildet sind.
Diese können rechtwinklig oder geneigt gegenüber der Bodenplatte angebracht sein, je nach Bauform der Spinndüsenanordnung.
Vorteilhaft weisen die Versteifungselemente eine Dicke von 1 mm bis 3 mm aufweisen.
Um die Kräfte in die Deckplatte und/oder die Bodenplatte besser zu verteilen werden die Versteifungselemente durch verstärkende Elemente angebracht. Dies können z. B. verstärkende Scheiben mit der vorteilhaft 1,5 bis 10-fachen Dicke des Versteifungselementes sein, also z. B. im Fall von Stangen als Versteifungselementen Scheiben mit entsprechendem Durchmesser. Die Öffnungen bzw. Düsen (2) sind vorteilhaft in zwei und mehr, vorzugsweise 3 bis 5 Reihen in Hauptreihen zusammengefasst.
Stromanschlüsse (6) sind vorteilhaft und wie oft üblich über Endplatten (5) bzw. (5') verbunden.
Die Versteifungselemente (4) können auch als Profile oder Bleche bzw. Blechabschnitte ausgebildet sein, welcher I-V-, U-, T- oder Doppel-T- förmige Profile ausgebildet besitzen und bei entsprechender Größe gegebenenfalls Durchbrüche für den Durchgang der Glasschmelze aufweisen, ähnlich wie dies u. A. in DE 19638056 beschreiben ist um einerseits den Glasfluß nicht zu behindern, gleichzeitig können diese dann auch zur Kontrolle der Glasströmung wirken. Die Bohrungen in den Versteifungselementen weisen Durchmesser von bevorzugt 5 bis 15 mm auf.
Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung einer Spinndüsenanordnung gemäß der Erfindung zur Herstellung von Glasfasern, eine Vorrichtung zur Herstellung von Glasfasern enthaltend eine Spinndüsenanordnung gemäß der Erfindung.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung von Glasfasern, wobei die Ausgangsstoffe für das Glas aufgeschmolzen werden, die entstandene Glasschmelze einer Spinndüsenanordnung zugeführt wird, in denen die Glasmasse durch Öffnungen, austritt und die aus den Düsen austretenden Glasfäden abgezogen, abgekühlt und zu einem oder mehreren Faserbündeln zusammengeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Spinndüsenanordnung gemäß der Erfindung eingesetzt wird.
Die Hauptreihen der Spitzen der Spinndüsenanordnung sind dabei meist parallel zu den Seitenwänden der Spinndüsenanordnung ausgerichtet.
Die Versteifungselemente werden bevorzugt aus dem gleichen Material gefertigt wie die übrigen Bestandteile der Spinndüsenanordnung, üblicherweise eine Platin/Rhodium-Legierung oder Platin/Iridium-Legierung mit einem Rhodium- bzw. Iridiumanteil von 10 bis 35 Gew.-%, oder Platin, RHodium oder Iridium selbst, wobei besonders vorteilhaft diese Metalle als oxiddispergierte, feinkornstabilisierte Werkstoffe verwendet werden.
Werden Bleche, oder Profile, insbesondere V-Profilen verwendet, so werden diese soweit wie möglich auch mit den Endplatten verbunden (z. B. verschweisst). Der Einbau der Versteifungselemente bewirkt eine schnelle und homogenere Temperaturverteilung auf der Bodenplatte, wodurch ein homogener gleichmässiger Fadenabzug möglich ist. Durch die verbesserte Temperaturverteilung verbessert sich die Standardabweichung des Faserdurchmessers um bis zu 20%. Die Versteifung der Bodenplatte bewirkt ausserdem eine Verbesserung der Langzeitstabilität der Bodenplatte, so dass die Lebensdauer der Spinndüsenanordnung signifikant erhöht wird.
In einer weiteren bevorzugten Variante der erfindungsgemässen Vorrichtung sind unterhalb der Bodenplatte zwischen den Hauptreihen der Spitzen besondere Kühlelemente, wie z. B. Kühlrohre oder Kühlfahnen, angebracht, die zur Verbesserung des Wärmeaustauschs gegebenenfalls zusätzliche Kühlfahnen an ihrer Oberseite und/oder Unterseite aufweisen.
Die Spitzen der Düsenplatte sind je nach Herstellungsverfahren zylindrisch oder kegelförmig und weisen insbesondere einen Bohrungsdurchmesser von 1 bis 2,5 mm auf. Der kleinste Abstand zwischen den Spitzen innerhalb der Spitzenhauptreihen beträgt insbesondere >/= 2,5 mm, bevorzugt von 2,5 bis 6 mm.
Die Dicke der Stromanschlüsse beträgt bevorzugt von 2,5 bis 7 mm und wird in Abhängigkeit von der Breite gewählt.
Die Abzugsgeschwindigkeit der Glasfasern beträgt oft etwa 600 bis 3000 m/min, bevorzugt von 600 bis 1500 m/min.
Die Versteifungselemente haben bevorzugt eine Dicke von 0,5 bis 3 mm, insbesondere von 0,5 bis 1,6 mm.
Die Kontaktflächen der Stromanschlüsse weisen meist eine Breite von 20 bis 100 mm auf und schliessen eine Aussparung von im Allgemeinen 15 bis 30 mm zwischen sich ein. Die erfindungsgemässen Spinndüsen werden zur Herstellung von Glasfasern mit einem Durchmesser von insbesondere 8 bis 30 μm, bevorzugt von 9 bis 24 μm eingesetzt.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1 einen Querschnitt durch das Innenteil einer erfindungsgemässen Spinndüsenanordnung mit Versteifungselementen.
2 den Querschnitt durch eine bekannte Spinndüsenanordnung mit einer Sicke als Versteifungselement. Der Flächenverluct hierdurch ist offensichtlich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 229648 A1 [0002]
JP 1333011 [0003]
DE 19638056 [0005, 0016]
EP 1399393 [0005]
EP 1193225 [0005]
US 594813 [0005]

Claims

Spinndüsenanordnung (10) zur Herstellung von Glasfasern mit einem Schmelzraum (11), der gebildet wird durch Seitenwände (12, 12'), Deckplatten (14, 14'), Endplatten, einer Bodenplatte (1), die mit einer Vielzahl von Öffnungen bzw. Düsen (2) versehen ist, welche parallel zu den Seitenwänden (12) der Spinndüse (10) ausgerichtet sind, und eine Zuleitung (13) für die Glasschmelze (17), dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (1) auf ihrer Oberseite mit zusätzlichen Versteifungselementen (4) versehen ist, welche mit den Deckplatten (14, 14') verbunden sind.
Spinndüsenanordnung (10) gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungselemente stangenförmig ausgebildet sind.
Spinndüsenanordnung (10) gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungselemente rechtwinklig oder geneigt gegenüber der Bodenplatte angebracht sind werden.
Spinndüsenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Versteifungselemente eine Dicke von 1 mm bis 3 mm aufweisen.
Spinndüsenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Versteifungselemente in die Deckplatte, die Bodenplatte oder beide durch verstärkende Elemente angebracht sind.
Spinndüsenanordnung (10) gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen bzw. Düsen (2) in zwei und mehr, vorzugsweise 3 bis 5 Reihen von eng benachbart in Hauptreihen zusammengefasst sind
Spinndüsenanordnung (10) gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Stromanschlüsse (6) über mit den Endplatten (5) bzw. (5') verbunden sind.
Spinndüsenanordnung gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 1 oder 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungselemente (4) als I-V-, U-, T- oder Doppel-T-förmige Profile ausgebildet sind, die gegebenenfalls Durchbrüche für den Durchgang der Glasschmelze (17) aufweisen.
Verwendung einer Spinndüsenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung von Glasfasern.
Vorrichtung zur Herstellung von Glasfasern enthaltend eine Spinndüsenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren zur Herstellung von Glasfasern, wobei die Ausgangsstoffe für das Glas aufgeschmolzen werden, die entstandene Glasschmelze einer Spinndüsenanordnung zugeführt wird, in denen die Glasmasse durch Öffnungen, austritt und die aus den Düsen austretenden Glasfäden abgezogen, abgekühlt und zu einem oder mehreren Faserbündeln zusammengeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Spinndüsenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 eingesetzt wird.