DE10239418B4 - Vorrichtung zur Beheizung von Spinnerscheiben für Glasfasern - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Beheizung von Spinnerscheiben für die Herstellung von Glasfasern nach dem Schleuderverfahren, zugeordnet einer Spinnerscheibe mit am Umfang angeordneten Austrittsöffnungen und einem Faserblasring für die Zerfaserung von Glasströmen, dadurch gekennzeichnet, dass sie als mehrschichtiger Keramikkörper (6; 7; 8) aufgebaut, als Abdeckring über der Spinnerscheibe (1) angeordnet und an einer Halterung (3) befestigt ist und dass der Keramikkörper (6; 7; 8) eine Einlaufdüse (9) und mehrere unterschiedliche, im Umfangs-, Boden- und Düsenbereich angeordnete Heizsysteme (10; 11; 12) sowie mehrere Temperaturfühler (13; 14; 15) für die Messung und Regelung der Temperatur des Glases besitzt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beheizung von Spinnerscheiben für die Herstellung von Glasfasern, insbesondere von Glaswoll-, Mikrofaser- oder ähnlichen Produkten nach dem Schleuderverfahren.
• Es ist bekannt, dass die Herstellung von Glaswoll- oder Mikrofaserprodukten nach dem Schleuderverfahren durch den sog. „Spinnerprozeß" erfolgt. Das geschmolzene Glas fließt aus dem Schmelzofen in eine rotierende zylindrische Spinner – bzw. Schleuderscheibe, die vorzugsweise aus Edelmetall besteht und die in ihrer Umfangswandung Austrittsöffnungen aufweist.
• Durch die rotierende Spinnerscheibe werden aufgrund der Zentrifugalkraft mehrere horizontale Glasströme hergestellt, die sofort nach ihrem Austritt aus der Spinnerscheibe durch mit hoher Geschwindigkeit nach unten gerichtete Prozessluftströme zerfasert werden. Um die gewünschten Fasereigenschaften (z.B. Faserlänge) und die Prozessparameter (z.B. Durchlaufmenge des Glases) schnell und genau einstellen zu können, ist vor allem die Temperatur des Glases vor dessen Austritt aus der Spinnerscheibe wichtig. Diese bestimmt nämlich wesentlich die Viskosität und damit auch die Faserstruktur und -eigenschaften.
• Bei den bekannten Rotary – Faserverfahren erfolgt die thermische Prozessführung für die Fasererzeugung zum Teil durch Verbrennung von fossilen Brennstoffen (Gas) und zu einem geringen Teil unter Verwendung von induktiv erzeugter Wärme. Die für das Ausziehen der Fasern auf die Endfeinheit benötigte Prozessluft wird in einem Verbrennungsprozess erzeugt, bei dem ein aufwendig aufbereitetes Gas – Luft – Gemisch in einer Brennkammer bei hohen Temperaturen verbrannt wird. Die dabei entstehenden heißen Prozessluftströme werden mit hoher Geschwindigkeit senkrecht aus der Brennkammer über den gesamten Umfang der Spinnerscheibe abgeleitet. Diese Prozessluft muss zum einen die benötigte Ausziehenergie für die Zerfasserung der aus der Spinnerscheibe austretenden Glasströme liefern, gleichzeitig aber auch durch Wärmeübertragung die erforderlichen Prozesstemperaturen des Glases erzeugen und stabil halten. Bei Spinnmaschienen mit z.B. 400 mm – 600 mm Durchmesser großen Spinnerscheiben gelingt dies von der Außenseite der Spinnerscheiben nur unzueichend. Deshalb ist es erforderlich, den Innenbereich der Spinnerscheibe durch zusätzliche Beheizungssysteme (Gas – Luft – Brenner, induktiv erzeugte Wärme) so zu beheizen, dass das in der Spinnerscheibe befindliche Glas die erforderliche Viskosität besitzt und in den benötigten Zerfaserungszustand gebracht bzw. in diesem gehalten wird.
• Nach einem entsprechend der DE 1496394B bekannten Verfahren zur Herstellung von Glasfasern werden einem beheizten radial umlaufenden Spinnläufer, der einer Schleuderscheibe mit Auslauföffnungen entspricht, feste Glasteilchen im Innenbereich zugegeben. Der horizontale rotierende Spinnläufer besitzt im oberen inneren Bereich Gasbrenner zu seiner direkten Erhitzung, im Mantelbereich die Austrittsöffnungen und im unteren Bereich die Zufuhreinrichtung für die Glasteilchen. Diese werden durch die direkte Beheizung des Spinnläufers erhitzt, geschmolzen und aus den Austrittsöffnungen geschleudert.
• Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß sich die Einhaltung sowohl kontrollierter Temperatur- und Viskositätsbedingungen des Glases in der Spinnerscheibe als auch kontrollierter Fasererzeugungsbedingungen beim Austritt des Glases aus der Spinnerscheibe mit einem Prozessmedium als äußerst schwierig erweist und die erforderliche Flexibilität des Prozesses begrenzt.
• Zusätzlich benötigte Energiezuführungssysteme beanspruchen großen räumlichen Platz, da sie zur Energieübertragung einen großen Feuerraum (Brenner) benötigen. Induktive Erwärmung ist wenig wirtschaftlich, da die Energieumsetzung in Wärme verlustreich ist. Außerdem belasten die durch die fossile Verbrennung erzeugten Abgase die Spinnmaschine. Die Abgase müssen entgegen ihrer natürlichen Ausbreitungsrichtung nach unten abgezogen werden. Nach der DE 3810782 A1 ist eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Beheizung von Spinnschmelzen bekannt, bei der ein Spinnschmelzbehälter aus einem Vorherd gespeist wird. Im Spinnschmelzbehälter oder im Vorherd sind zur Vergleichmäßigung der Temperatur der Spinnschmelze mehrere parallelgeschaltete und durch geringe Abstände voneinander getrennte Blechlamellen eingebaut. Dies werden beheizt und halten somit die Spinnschmelze auf einer gleichmäßigen einheitlichen Temperatur für den weiteren Spinn – Prozess.
• Der Nachteil dieser Beheizungsvorrichtung besteht darin, daß sie aufgrund ihres platzaufwendigen Aufbaus nur eine geringe Schmelz – Durchgangsmenge zuläßt und eine aufwendige Wartung erfordert.
• Weitere Nachteile der bekannten Schleuder – Spinnverfahren und ihres Vorrichtungsaufbaus bestehen darin, dass die Prozesssteuerungseinrichtungen für die zusätzliche Beheizung technisch und platzmäßig aufwendig sind (Gas – Luft – Regel- und Mischstrecken, Sicherheitseinrichtungen, Mittelfrequenzgeneratoren) und dass eine genaue Messung und Steuerung der Temperatur des Glases nach dem Schleuderverfahren mit den bekannten Spinnerscheiben nicht möglich ist. Erhebliche Qualitätsmängel der erzeugten Glasfasern sind die Folge.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Spinnerscheiben für die Herstellung von Glasfasern nach dem Schleuderverfahren den erhöhten Forderungen nach gezielter Temperaturführung und bestimmter Viskosität des Glases anzupassen und eine Vorrichtung zur Beheizung von Spinnerscheiben zu entwickeln, die durch ihren Aufbau und ihre Konstruktion die Beheizung sowie die genaue Messung und Regelung der Temperaturen und Viskositäten des Glases beim Einlauf in die Spinnerscheibe sowie beim Austritt aus der Spinnerscheibe ermöglicht.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Beheizungsvorrichtung, die einer bekannten Spinnerscheibe mit Austrittsöffnungen für die Zerfaserung von Glasströmen zugeordnet ist, als mehrschichtiger Keramikkörper aufgebaut und über der Spinnerscheibe als Abdeckring angeordnet und befestigt ist. Dieser vorzugsweise dreischichtig aufgebaute Keramikkörper besitzt eine Einlaufdüse für das aus der Schmelze auf die Spinnerscheibe laufende flüssige Glas sowie mehrere unterschiedliche, im Umfangs-, Boden- und Düsenbereich angeordnete Heizsysteme und mehrere Temperaturfühler für die Messung und Regelung der Temperatur des Glases.
• Der erfindungsgemäße Keramikkörper besteht aus einer hochtemperaturwechselbeständigen Keramikschicht im Schleuderbereich der Spinnerscheibe, aus einer tragfähigen belastbaren Keramikschicht im Mittelbereich und aus einer hoch isolierenden Keramikschicht im Abdeckbereich der Spinnerscheibe.
• Eine vorzugsweise Ausführungsform der temperaturwechselbeständigen Keramikschicht besteht aus einer Zirkon – Mullitmasse, die tragfähige Keramikschicht kann aus einer keramischen Isoliermasse bis 1200°C und die hoch isolierende Keramikschicht aus einer keramischen Isoliermasse bis 800°C aufgebaut sein.
• Die Einlaufdüse für den Zulauf des Glases auf die Spinnerscheibe besteht vorzugsweise aus Edelmetall, ist konusförmig aufgebaut und verläuft senkrecht durch die Keramikschichten. Für einen gleichmäßigen Glaszufluß besitzt die Einlaufdüse am oberen Einlauf ein Siebblech sowie am unteren Auslauf ein perforiertes Bodenteil. Entlang der Wandung der Einlaufdüse ist ein Heizsystem als Düsenheizung angeordnet.
• Auch eine direkte Beheizung der Edelmetall – Einlaufdüse bewirkt eine genaue Temperatur – und Viskositätsbeeinflussung des Glases.
• Ein weiteres Heizsystem des Keramikkörpers ist am Boden der temperaturwechselbeständigen Keramikschicht angeordnet und vorzugsweise als Heizspirale ausgebildet.
• Ein drittes Heizsystem für die Beheizung des Glases beim Austritt aus der Spinnerscheibe ist am Umfang der unteren und mittleren Keramikschicht als Heizblech installiert.
• Die Heizungssysteme sind als selbstständige Systeme mit eigenen Anschlüssen aufgebaut und einzeln schalt- und steuerbar.
• Für die genaue Temperatureinstellung, -überwachung und -steuerung des Glases und damit für die genaue Einhaltung der erforderlichen Viskosität des Glases für den Zerfaserungsprozess besitzt der Keramikkörper mehrere Temperaturfühler.
• Vorzugsweise sind Temperaturfühler im Bereich der Einlaufdüse, Temperaturfühler im Schleuderbereich der Spinnerscheibe und Temperaturfühler an den Austrittsöffnungen der Spinnerscheibe angeordnet.
• Mit der erfindungsgemäßen Beheizangsvorrichtung der Spinnerscheibe als mehrschichtiger Keramikkörper sind wesentliche Vorteile verbunden.
• Durch die Abdeckung der Spinnerscheibe mit dem Keramikkörper wird erreicht, dass die Abkühlung der Glasmasse durch Abstrahlung in der Spinnerscheibe minimal ist.
• Die durch die Energieverluste zusätzliche Energiezufuhr, z.B. durch Erhöhung der Glaseinlauftemperatur oder durch zusätzliches Heizen der Spinnerscheibe, verringert sich.
• Die Anlagenteile der Spinnmaschine in der Nähe der Spinnerscheibe sind nicht mehr stark thermisch zu isolieren.
• Die Temperaturgradienten in der Glasmasse auf der Spinnerscheibe sind relativ klein und damit die Glasmasse thermisch homogen.
• Durch den Einbau unterschiedlicher Heizelemente und Edelmetallkonstruktionen auf dem Keramikkörper wird erreicht, dass die Spinnerscheibe vor der Zerfaserung auf die entsprechende Betriebstemperatur gleichmäßig aufgeheizt werden kann und die geringen Abstrahlverluste während des Betriebes abgedeckt werden.
• Durch die gezielte Anordnung der Heizelemente bzw. die spezielle Dimensionierung der Edelmetallkonstruktionen auf dem Keramikkörper wird erreicht, dass
• – sich für den jeweiligen Prozess relevante abgestufte oder fließend sich ändernde Energieabgabemengen an die Spinnerscheibe einstellen und realisieren lassen,
• – schnelle Prozessänderungen möglich werden, da die Energieüberiragungskapazität von Strahlungsheizelementen hoch ist,
• – die Eigenschaften des Glases konstant gehalten werden können, da die Prozesstemperatur sehr konstant gehalten werden.
• Unterschiedliche Heizsysteme können kombiniert und unterschiedlichen Spinnerscheiben angepaßt werden.
• Durch den Einbau von Messsonden, wie z.B. Thermoelemente oder optische Messsysteme in den Keramikkörper werden die für die Prozessführung notwendigen sehr genaue Messsignale erhalten.
• Der Abstand zwischen Keramikkörper und Spinnerscheibe ist stufenlos einstellbar.
• Durch Änderung des Abstands zwischen Spinnerscheibe und Keramikkörper kann bei Veränderung der Durchsatzmenge dúrch die Spinnmaschine oder bei Änderung dies Zustandes der Spinnerscheibe direkt Einfluss auf die Prozessführung genommen werden und die Temperaturen dem neuen Zustand angepasst werden.
• Da nur geringe Energiemengen bei der elektrischen Beheizung des Keramikkörpers benötigt werden, ist der Einsatz von kleinen, wenig aufwendigen bekannten Systemen möglich.
• Die elektrischen Zuleitungen sind aufgrund der geringen Übertragungsleistung klein.
• Der von der Glaswanne auslaufende Glasstrahl wird in der Einlaufdüse gesammelt. Durch das Sammeln des Glases in der Düse wird erreicht, dass der durch die Abkühlung des Glases im freien Fall entstandene Temperaturgradient im Strang ausgeglichen wird. Die Glasmasse in der Düse ist homogener, und durch die Beheizung der Düse ist die erforderliche Prozesstemperatur einstell- und regelbar.
• Insgesamt ist erkennbar, daß durch die erfindungsgemäße Beheizungsvorrichtung optimale Bedingungen für die Zerfaserung von Glas mittels Spinnerscheibe geschaffen sind und Veränderungen im Gesamtprozeß, z.B. bei Änderung der Glaszusammensetzung, gezielt steuerbar sind.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben.
• In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
• 1: Spinnerscheibe mit erfindungsgemäßer Vorrichtung im Schnitt;
• 2: Heizsysteme der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Draufsicht.
• 1 zeigt eine bekannte rotierende Spinnerscheibe (Schleuderscheibe) 1, die an ihrem äußeren Umfang Austrittsöffnungen 2 für das viskose Glas besitzt und an einer Halterung 3 befestigt ist.
• Die zur Zerfaserung der austretenden Glasströme notwendigen Prozessluft ströme werden in einem Faserblasring 4 mit einem Gasgemisch 5 erzeugt. Ein Keramikkörper 6, 7, 8 deckt die Spinnerscheibe 1 von oben ab ohne dass es zu einer Beeinträchtigung der Funktion des Antriebs dieser Schleuderscheibe 1 oder des Faserblasrings 4 kommt. Der Keramikkörper 6, 7, 8 ist schichtförmig aufgebaut. Die der Spinnerscheibe 1 zugewandte untere Seite des Keramikkörpers besteht aus einer hochtemperatur- und temperaturwechselbeständigen Keramikschicht 6, vorzugsweise einer Zirkon – Mullit Masse. Die Mittelschicht ist eine tragfähige, belastbare Keramikschicht 7, vorzugsweise bestehend aus einer Isoliermasse bis 1200°C. Die Oberseite des Keramikkörpers ist aus einer hoch isolierenden Keramikschicht 8, vorzugsweise einer Isoliermasse bis 800°C, aufgebaut.
• Im Keramikkörper befindet sich eine Einlaufdüse 9 aus Edelmetall. Sie ist durch ein im Keramikkörper befindliches Heizsystem, der sog. Düsenheizung 10 auf eine gewünschte Temperatur beheizbar.
• Die Einlaufdüse 9 ist konusförmig ausgebildet und verläuft vorzugsweise durch die Keramikschichten 6, 7, 8. Am oberen Einlauf des Glases besitzt sie ein Siebblech 9a und am unteren Auslauf ein perforiertes Bodenteil 9b, um ein Durchlaufen eventl. in der Schmelze vorhandener Glasinhomogenitäten auf die Spinnerscheibe zu vermeiden.
• An der Unterseite des Keramikkörpers sind weitere Heizsysteme angeordnet, mit denen das Glas auf der Spinnerscheibe 1 und die Spinnerscheibe 1 selbst auf die vorgesehene Temperatur gebracht werden. Dies erfolgt vorzugsweise mit bekannten oder speziellen Heizelementen, vorzugsweise einer Heizspirale 11 oder mit einer Heizblech – Konstruktion 12 oder mit einer Kombination beider Heizsysteme 11, 12. Diese Heizsysteme 11, 12 sind mit bekannten Verankerungen im Keramikkörper befestigt. Durch verschiedene Formen von Heizelementen 11, 12, vorzugsweise der Heizspirale 11 und verschiedene Konstruktionen der Heizbleche 12 aus Edelmetall mit unterschiedlichen Abmessungen und Heizleistungen sind gleichmäßige oder abgestufte Energieabgaben an die Abstrahlflächen des Keramikkörpers 6, 7, 8 einstellbar und können den jeweiligen Erfordernissen bezüglich Temperatur und Viskosität des Glases angepasst werden. Die Heizelemente 11 und die Edelmetallheizbleche 12 sind mit Hochstromtransformatoren, Transduktoren, Stufen- oder Drehtransformatoren beheizbar. Sie sind entsprechend der Widerstandsverhältnisse der Heizstrecken ausgelegt. Verschiedene Programme für die Prozessführung, das An- und Abfahren des Prozesses sowie verschiedene Sortenprogramme sind installierbar.
• Die Heizelemente 11 und Heizbleche 12 können über luft – oder wassergekühlte Hochstromkabel mit wassergekühlten speziellen Kupferanschlussklemmen und speziellen Trageelementen mit Hochstromtransformatoren verbunden werden.
• 2 zeigt in schematischer Darstellung die Heizsysteme des Keramikkörpers mit der Anschlussfahne 17 für das Heizblech 12 sowie mit dem Anschluss 18 für die Heizspirale 11. Um eine genaue Messung und gezielte Regelung der Temperaturen des Glases und damit der Glasviskosität in unterschiedlichen Verfahrensstufen des Schleuderprozesses und somit an unterschiedlichen Stellen der Spinnerscheibe 1 durchzuführen, besitzt der erfindungsgemäße Keramikkörper Temperaturfühler oder Thermoelemente, die an verschiedenen Stellen im Keramikkörper angebracht sind. Durch die Anbringung der Temperaturmessgeräte am Keramikkörper an den kritischen Verfahrensstufen des Schleuderprozesses ist eine genaue Messung und Regelung möglich.
• Als verfahrenskritische Bereiche sind Temperaturfühler 13 im Bereich der Einlaufdüse 9, d. h. beim Einlauf des Glases in die Spinnerscheibe 1, Temperaturfühler 14 im Bereich der Spinnerscheibe 1, d. h. beim rotierenden Strömen des Glases auf der Spinnerscheibe 1 und Temperaturfühler 15 im Bereich der Austrittsöffnungen 2, d. h. beim Austritt des Glases aus der Spinnerscheibe 1, angeordnet. Als Temperaturfühler 13, 14, 15 sind Messsonden, vorzugsweise Thermoelemente oder optische Messsysteme einsetzbar.
• Um bei sich ändernden Produktions – bzw. Prozessbedingungen direkt und einfach Einfluss auf die aktuellen Zerfaserungsbedingungen des Glases zu nehmen, besitzt der Keramikkörper eine Verstellvorrichtung 16 zur stufenlosen Verstellung des Abstands des Keramikkörpers 6, 7, 8 von der Spinnerscheibe 1. Durch diese Änderung des Abstands zwischen Keramikkörper 6, 7, 8 und Spinnerscheibe 1 ist es möglich, die Durchsatzmenge des Glases durch die Spinnmaschine zu verändern oder bei Änderung des Zustands der Spinnerscheibe 1 direkt Einfluß auf die Prozessführung zu nehmen und die Beheizung und damit die Temperaturen einem veränderten Zustand anzupassen.

1

Spinnerscheibe/Schleuderscheibe

2

Austrittsöffnungen

3

Halterung Keramikkörper

4

Faserblasring

5

Gasgemisch

6

Keramikschicht}

7

Keramikschicht} Keramikkörper

8

Keramikschicht}

9

Einlaufdüse

9a

Siebblech

9b

perforiertes Bodenteil

10

Heizsystem Keramikkörper/Düsenheizung

11

Heizsystem Keramikkörper/Heizspirale

12

Heizsystem Keramikkörper/Heizblech

13

Temperaturfühler Einlaufdüse

14

Temperaturfühler Spinnerscheibe

15

Temperaturfühler Austrittsöffnungen

16

Verstellvorrichtung Keramikkörper

17

Anschluß Heizblech

18

Anschluß Heizspirale

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Beheizung von Spinnerscheiben für die Herstellung von Glasfasern nach dem Schleuderverfahren, zugeordnet einer Spinnerscheibe mit am Umfang angeordneten Austrittsöffnungen und einem Faserblasring für die Zerfaserung von Glasströmen, dadurch gekennzeichnet, dass sie als mehrschichtiger Keramikkörper (6; 7; 8) aufgebaut, als Abdeckring über der Spinnerscheibe (1) angeordnet und an einer Halterung (3) befestigt ist und dass der Keramikkörper (6; 7; 8) eine Einlaufdüse (9) und mehrere unterschiedliche, im Umfangs-, Boden- und Düsenbereich angeordnete Heizsysteme (10; 11; 12) sowie mehrere Temperaturfühler (13; 14; 15) für die Messung und Regelung der Temperatur des Glases besitzt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper (6; 7; 8) dreischichtig aufgebaut ist und aus einer hochtemperaturwechselbeständigen Keramikschicht (6) im Schleuderbereich der Spinnerscheibe (1), aus einer tragfähigen belastbaren Keramikschicht (7) im Mittelbereich und aus einer hoch isolierenden Keramikschicht (8) im Abdeckbereich der Spinnerscheibe (1) besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (6) aus einer Zirkon – Mullitmasse, die Keramikschicht (7) aus einer keramischen Isoliermasse bis 1200°C und die Keramikschicht (8) aus einer keramischen Isoliermasse bis 800°C bestehen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufdüse (9) für den Zulauf des Glases auf die Spinnerscheibe (1) konusförmig durch die Keramikscheiben (6; 7; 8) des Keramikkörpers verlaufend ausgeführt ist, am oberen Einlauf ein Siebblech (9a) sowie am unteren Auslauf ein perforiertes Bodenteil (9b) besitzt und aus Edelmetall besteht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizsystem des Keramikkörpers entlang der Wandung der Einlaufdüse (9) an den Keramikschichten (6; 7; 8;) angeordnet ist und als Düsenheizung (10) ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizsystem des Keramikkörpers am Boden der Keramikschicht (6) angeordnet und als Heizspirale (11) mit dem Anschluss (18) ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizsystem des Keramikkörpers am Umfang der Keramikschichten (6; 7) angeordnet und als Heizblech (12) mit dem Anschluss (17) ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper (6; 7; 8) Temperaturfühler (13) im Bereich der Einlaufdüse (9), Temperaturfühler (14) im Schleuderbereich der Spinnerscheibe (1) und Temperaturfühler (15) an den Austrittsöffnungen (2) der Spinnerscheibe (1) besitzt.