DE2237884B2

DE2237884B2 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von fasern aus schmelzbaren stoffen

Info

Publication number: DE2237884B2
Application number: DE19722237884
Authority: DE
Inventors: Alfred Prof. Dr.-Ing. 7830 Emmendingen; Hahn Paul-Jürgen Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Walz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-08-02
Filing date: 1972-08-02
Publication date: 1976-03-11
Also published as: US4001357A; DE2237884A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Fasern aus Schmelzen mit vorzugsweise niedriger Viskosität, wie z.B. Metallschmelzen, wobei die Schmelze in einem vorzugsweise rotationssymmeirischen, Überschallströmung erzeugenden Kanal (LAVAL-Düse) mittels eines gasförmigen Mediums zerfasert wird und durch Temperaturabsenkung des gasförmigen Mediums erstarrt.

Bei der Durchführung eines derartigen Verfahrens hat sich gezeigt, daß ein großer Teil oder das gesamte Endprodukt Kugelform aufweist. Es wird dabei angenommen, daß die faserförmigen, jedoch noch flüssigen Gebilde, durch eine hydrodynamische Instabilität unter dem Einfluß der Oberflächenspannungen in eine große Zahl von Tröpfchen zerfallen.

Die Erzeugung von Fasern endlicher Länge aus anorganischen Hochtemperatur-Schmelzen gelingt nach einem bekannten Düsenblasverfahren (DT-PS 11 90135) nur dann, wenn die Schmelzen eine ausreichende Viskosität bzw. ein genügend großes Verhältnis Viskosität zur Oberflächenspannung aufweisen. Schmelzen aus anorganischen, wie z. B. metallischen Materialien, die einen sehr kleinen Wert dieses Verhältnisses Viskosität zur Oberflächenspannung aufweisen, was in der Regel mit einem sehr engen Temperaturbereich der geschmolzenen Faser, d. h. mit einem definierten Schmelzpunkt, identisch

ίο ist, werden bei Anwendung dieses bekannten Düsenblasverfahrens im wesentlichen zerstäubt. Das bei der Abkühlung während des Prozeßablaufes erstarrte Endprodukt weist dabei im wesentlichen Kugeiform auf.

Die Verwendung einer LAVAL-Düse zum Ausziehen von Fasern aus Glas und anderen Mineralstoffen ist an sich bekannt (DT-PS 8 83 800).

Dieses bekannte Verfahren zum Erzeugen von Fasern aus Glas und anderen Mineralstoffen durch Ausziehen dünner Ströme der geschmolzenen Masse mittels eines im wesentlichen in der Fließrichtung der Ströme wirkenden gasförmigen Druckmittels ist dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Energie des Druckmittels als Geschwindigkeit ausgenutzt wird.

indene es an den Ausflußöffnungen des Spinnbehälters vorbei, die Masseströme unmittelbar bei ihrem Austritt erfassend und mitnehmend, durch einen konvergierend-divergierend verlaufenden Blaskanal geleitet wird, in dem es ohne Stoßwellen eine fortschreitend wachsende Geschwindigkeit erlangt, wobei zweckmäßig oberhalb der Schmelze ein beliebig regelbarer, den Austritt der geschmolzenen Masse aus dem Spinbehälter unterstützender Überdruck hergestellt wird, der von dem Druck des gasförmigen Ziehmittels; unabhängig ist.

Normalerweise sollen Fasern während des Ziehprozesses keinesfalls abkühlen, sondern möglichst lange heiß gehalten werden, um möglichst feine Fasern zu erhallen. Bei der bekannten Vorrichtung muß oberhalb des Bades stets ein bestimmter statischer Druck aufrechterhalten werden. Dies bedingt auch, daß die Speisevorrichtung für den Spinnbehälter mit einer Schleuseneinrichtung versehen sein muß. In dem bekannten Verfahren wird also Energie aus dem Luftstrahl zurückgewonnen, nicht aber aus den Fasern.

Es hat sich gezeigt, daß zwischen der Stelle des Austritts der Schmelze aus dem Schmelze-Tiegel und der Stelle des. Auftretens des kugelförmigen erstarrten Endproduktes bei genügend hohem Temperaturniveau zwei Zwischenphasen auftreten, nämlich ein Schmelzc-(Flüssigkeits-)Film und faserförmige, jedoch noch flüssige Gebilde, die später durch eine hydrodynamische Instabilität unter dem Einfluß der Oberflächenspannungen in eine große Zahl von Tröpfchen zerfallen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren dahingehend zu verbessern, daß das Auftreten von kugelförmig erstarrten Tröpfchen vermieden wird und daß auch Materialien, die einen sehr kleinen Wert des Verhältnisses der Viskosität zur Oberflächenspannung aufweisen, einwandfrei zu Fasern ausgezogen werden können.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung bei einem Verfahren der eingangs erläuterten Art im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Temperaturabsenkung des gasförmigen Mediums innerhalb eines so kurzen Zeitabschnittes herbeigeführt wird, daß die Fasern

erstarren, bevor ein Zerfallen der Tröpfchen eintreten kann.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der zur Erzeugung der Überschallströmung erforderliche Druck am Ende des Kanals durch einen Injektor erzeugt, der durch Uberschallströmung eines an seinem äußeren Umfang zugeführten Treibmediums betrieben wird.

Die, Erfindung umfaßt auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einem beheizbaren Tiegel, der in seinem Boden mindestens eine öffnung aufweist und mindestens einen Uberschallströmung erzeugenden Kanal (LAVAL-Düse) unterhalb der öffnung im Tiegelboden besitzt. Erfindungsgemäß ist der Querschnittsverlauf des Kanals so gewählt, daß die Temperaturabsenkung des gasförmigen Mediums innerhalb einer so kurzen Strecke auftritt, daß die Fasern erstarren, bevor ein Zerfall in Tröpfchen eintritt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind im Boden des Tiegels mehrere Schmelzeaustrittsöffnungen angeordnet, wobei jeder öffnung ein Kanal zugeordnet ist.

Nach einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist dem Kanal ein Überschallinjektor mit einer Ringkammer zur Zuführung des Treibmediums nachgeordnet. Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 schematisch eine erfindungsgemäß ausgebildete LAVAL-Düse und

F i g. 2 schematisch eine Vorrichtung zum Herstellen von Fasern mit einer erfindungsgemäßen LAVAL-Düse und einem daran angeschlossenen Injektor.

Als strömungstechnische Einrichtung, die sowohl die Forderung nach einem optimalen Düsenblasprozeß erfüllt als auch die erfindungsgemäßen Maßnahmen der Durchführung eines Temperaturschocks in einer kurzen Zeitspanne ermöglicht, ist eine an sich bekannte LAVAL-Düse besonders geeignet. In Fig. 1 ist in X-Richtung die Eintrittsöffnung einer LAVAL-Düse 10 mit 1 bezeichnet, die Stelle des en asten Querschnittes mit 2, der Bereich der Temperaturabsenkung mit 3 und die Austrittsöffnung mit 3'. DerQuerschnittsverlauf ist mit F(x) bezeichnet. Wenn zwischen der Eintrittsöffnung 1 der Strömung mit der Geschwindigkeit U₁ = 0, die das zu zerfasernde Medium zunächst noch in flüssiger Monofil-Form mit sich führt, und der Stelle 3 ein Druckverhältnis P₃Ip_x etwa 0,53 eingestellt wird, ist an der engsten Stelle 2 die Strömungsgeschwindigkeit U₂ genau gleich der Schallgeschwindigkeit a. Dabei beträgt das Temperaturverhältnis

= 0,83.

Auf Überschallgeschwindigkeit kann das Strömungs-Blasmedium hinter dieser engsten Stelle nur dann gebracht werden, wenn das DruckverhältnL P₃Ip₁ kleiner als 0,53 und der Querschnitt der LAVAL-Düse iö hinter dieser engsten Stelle 2 wieder vergrößert wird, wobei bekanntlich an der engsten Stelle 2 stets U = a, wie klein auch P₃Ip₁ gewählt wird.

Der Querschnittsverlauf F(x) hinter der engsten Stelle 2 der LAVAL-Düse 10 bestimmt nach an sich bekannten Gesetzen der Gasdynamik den Verlauf der Geschwindigkeit U, des Druckes ρ und nach den Zustandsgesetzen der Thermodynamik auch die Temperatur T. So ergibt sich ein Temperaturverhältnis T(x)/T_z als Funktion

F₂ \ a

M = Mach-Zahl, (lokal);

Durch einen dem gewünschten Temperaturverlauf von der Stelle 2 zur Stelle 3 angepaßten Querschnitts-Verlaufs F (x) kann somit die Temperatur-Absenkung des Blasmediums auf einer vorgebbaren kurzen Strecke Δ χ und in einer dazugehörigen kurzen Zeit At

. Δχ . Δχ At = =» 2 ·

Ut* ~\- U't

erzwungen werden.

Die Schmelzetemperatur folgt der Blasmitteltemperatur mit einer gewissen Zeitverzögerung, da ein

Wärmeübergang zwischen beiden Medien erfolgen muß. Da die Faseroberfläche verglichen mit dem Faserquerschnitt jedoch bei den in Betracht kommenden sehr geringen Faserdurchmessern (von der Größenordnung 1 um) sehr groß ist, kann diese Zeitver-

zögerung als vernachlässigbar klein angesehen werden.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Schmelzeaufbereitung durch Direktbeheizung eines Edelmetall-Tiegels, der aus ko-

axialen Zylindern S' und 5" und einem Tiegelboden6 gebildet ist. Der Edelmetall-Tiegel kann dabei aus Iridium, Platin, Rhodium oder aus Legierungen solcher Edelmetalle mit ausreichend hohem Schmelzpunkt bestehen. Die ohmsche Verlustwärme der von

elektrischem Strom durchflossenen koaxialen Zylinderwänder 5', 5" und des Tiegelbodeiis 6 mit den Schmelzaustrittsöftnungen 7 wird dem Schmelzmaterial 8 zugeführt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Schmelzmaterial ein keramischer

Stoff sein. Im Abstand unter den Schmelzeaustrittsöffnungen 7 ist eine Düsenplatte 9 angeordnet, wobei jeder Schmelzeaustrittsöffnung 7 des Tiegels ein Kanal (LAVAL-Düse) 10 in der Düsenplatte 9 zugeordnet ist. Durch eine LAVAL-Düse 10 wird jeweils der Schmelzestrahl hindurchgesaugt und dabei stark beschleunigt. Nach Durchlaufen der Phase des Schmelzefilms wird der Faserzustand durch den gezielten Temperatur-Schock eingefroren. Die Erzeugung des Unterdruckes p₃' in dem für alle Einzel-

LAVAL-Düsen nach F i g. 1 gemeinsamen Unterdruck-Raum erfolgt durch einen Überschall-Injektor 11. Dabei bildet die Düsenplatte 9 den oberen Abschluß eines Saugraums 10', der mit dem Injektor 11 zusammenwirkt. Der Injektor 11 weist eine Ringkammer 12 auf, in die mittels Treibmediumzuführungen 13' ein Druckmedium, beispielsweise Preßluft, zugeführt wird. Der Injektor 11 weist eine ringspaltförmige LAVAL-Düse 16 auf. Auch hier gilt, mit k = 1,4 für Luft,
T₃IT₁ = (P₃Ip₁) o·²⁸⁶ und T₃VT₁ = (P₃Ip₁) ».«se.

Im Bereich der Überschallverminderung 4' zwischen Treibmedium und dem angesaugten Medium

aus den Einzel-LAVAL-Düsen 10 wird der Druck p_i mindestens gleich oder niedriger als p₃'. Hierzu erhält die ringspaltförmige LAVAL-Düse 16 nach der Erfindung einen solchen Querschnittsverlauf, entsprechend den gleichen an sich bekannten gasdynamischen Bedingungen, daß p₄' < p₃' wird. Außerdem wird der Druck des Treibmittels p_t so hoch gewählt, daß die Energieverluste in der Mischzone 4 gedeckt werden.

Mit einem Druck P₄ = 6 kg/cm² kann an der Stelle 3' eine Mach-Zahl von etwa 1,7 erreicht werden.

Ein anschließender Unterschalldiffusor 15 ermöglicht durch übliche Querschnittserweitcrung einen erheblichen Rückgewinn an kinetischer Strömungsenergie, so daß der aufzuwendende Treibmitteldrucl· P₄ verhältnismäßig niedrig bleibt und damit der Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr günstig wird. Es ist möglich den Druck arr Austritt des Diffusors 15' durch ausreichende Querschnittserweiterung und Länge nach an sich bekannten Gesetzen der Strömungsmechanik auf etwa Atmosphärendruck P₁ anzuheben.
Es ist auch möglich, die gesamte Vorrichtung ir

ίο einer inerten Schutzgas-Atmosphäre zu betreiben, un z. B. Molybdän als billiges, unedles aber hochschmelzendes Tiegelmetall verwenden zu können, wöbe Vorrichtungen vorgesehen werden müssen, mittel: derer die erzeugten Fasern bzw. Vliese taktweise ab geführt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Fasern aus Schmelzen mit vorzugsweise niedriger Viskosität, wie z. B. Metallschmelzen, wobei die Schmelze in einem vorzugsweise rotationssymmetrischen, Überschallströmung erzeugenden Kanal (LAVAL-Düse) mittels eines gasförmigen Mediums zerfasert wird und durch Temperaturabsenkung des gasförmigen Mediums erstarrt, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturabsenkung des gasförmigen Mediums innerhalb eines so kurzen Zeitabschnittes herbeigeführt wird, daß die Fasern erstarren, bevor ein Zerfall in Tröpfchen eintreten kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Erzeugung der Überschallströmung erforderliche Druck am Ende des Kanals durch einen Injektor erzeugt wird, der durch Überschallströmung eines an seinem äußeren Umfang zugeführten Treibmediums betrieben wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem beheizbaren Tiegel, der in seinem Boden mindestens eine öffnung aufweist und mindestens einem Überschallströmung erzeugenden Kanal (LAVAL-Düse) unterhalb der Öffnung im Tiegelboden, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnittsverlauf F(x) des Kanals (10) so gewählt ist, daß die Temperaturabsenkung des gasförmigen Mediums innerhalb einer so kurzen Strecke (Δχ) auftritt, daß die Fasern erstarren, bevor ein Zerfall in Tröpfchen eintritt.

4. VoiTichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schmelzeaustrittsöffnungen (7) im Boden (6) des Tiegels angeordnet sind, wobei jeder öffnung (7) ein Kanal (10) zugeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kanal (10) ein Überschallinjektor (11) mit einer Ringkammer (12) zur Zuführung des Treibmediums nachgeordnet ist.