DE2237884C3

DE2237884C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Fasern aus schmelzbaren Stoffen

Info

Publication number: DE2237884C3
Application number: DE19722237884
Authority: DE
Inventors: Alfred Prof. Dr.-Ing. 7830 Emmendingen; Hahn Paul-Jürgen Dipl.-Ing. 7500Karlsruhe Walz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Filing date: 1972-08-02
Publication date: 1976-11-04

Description

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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 rotationssymmetrischen, Überschallströmung erzeugenden Kanal (LAVAL-Düse) mittels eines gasförmigen Mediums terfasert 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

1190135) 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 dtr geschmolzenen Faser, d. h. mit einem definierten Schmelzpunkt, identisch ist, werden bei Anwendung dieses bekannten Diisenblasverfahrens im wesentlichen zerstäubt. Das bei der Abkühlung während des Prozeßablaufes erstarrte Endprodukt weist dabei im wesentlichen Kugelform

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, indem 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 erhalten. 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 Schlleuseneinrichtung 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 Schmelze-(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 ^emäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der zur Erzeugung d;r Überschallströmung erforderliche Druck am Pnde des Kanals durch einen Injektor erzeugt, der durch Überschallströmung

iSÜSif ^{UmImS ZU8efmirten Treib}" Τ(χ)/Γ₂ als Funktion

F(x) ₌ , /£W\
_Fg \ a )

Die Erfindung umfaßt auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, io mit einem beheizbaren Tiegel, der in seinem Boden M -

M = — · ^a

so kurzen Strecke auftritt, daß die Fasern erstarren, bevor ein Zerfall in Tröpfchen eintritt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Er- ao findune 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 überschalhnjektor mit *5 einer Ringkammer zur Zufuhrung des Treibmediums nachgeordnet. Die Erfindung wird nachstehend an SJ der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt

₃o Zeit At

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_Qt„ mit einer

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folgt der Blasmitteltempe-Zeitverzögerung, da ein beiden Medien erfolgen

. Betracht kommen- ^νοη der Grö-"anniese Zeitver-

AVA?-mseund

schematisch eine Vorrichtung zum Herstellen von Fasern mit einer erfindungsgemäßen LAVAL-Düse und einem daran angeschlossenen Inwerden.

r sti-ömungstechnische Einrichtung, die sowohl die Forderung nach einem optimalen Dusenblasprozeß erfüllt als auch die erfindungsgemaßen Maßnahmen der Durchführung eines Temperaturschocks in einer kurzen Zeitspanne ermöglicht, ist eine an sich bekannteLAVAL-Düse besonders geeignet IriFig.l ist in X-Richtung die Eintrittsöffnung einer LAVAL-Düse 10 mit 1 bezeichnet, die Stelle des engstenQuerschnittes mit 2, der Bereich der Temperaturabsenkung mit 3 und die Austrittsöffnung mit 3'. Der Querschnittsverlauf ist mit F(x) bezeichnet. Wenn zwisehen der Eintrittsöffnung 1 der Strömung mit der Geschwindigkeit V₁ = 0, die das zu zerfasernde Medium zunächst noch in flüssiger Monofil-Form mit sich führt, und der Stelle 3 ein Druckverhaltnis ρ /p, etwa 0,53 eingestellt wird, ist η_? der engsten Stelle 2^ die Strömungsgeschwindigkeit U genau gleich^ der

ä:* *^{DabB b51ra8t das Tempera}" Ausfülirungsbei-

S^ durch Direkt-

Edelmetall-Tiegels, der aus ko-

punkt

45 _{oder aus} Legierungen sole tnit ausreichend hohem Schmelz* «* _Verlustwämie der von l« koaxialen ZyIm-

^^^d _des Tiegelbodens 6 mit den deman^J; ⁵^ ^ _{dem Schmelzmate}.

Schmelzau tnttsonnii g _1Uen Ausführungs"^J ^zu|™_daf_Schmelzmlterial ein keramischer beispiel 1kann aas a Schmelzeaustritts-

Stoffsem. ta^ ^^a _D^_{slatte 9} angeordnet, wobei

^I^J^^ttsöffMng 7 des Tiegels ein Kajeder Schmeizeausin^ _der ⁶ _{Diisenplatte 9} zugeord-

na laval ^; _LAVAL-Düse 10 wird jeweils der ^Shindurchgesaugt und dabei stark be- ^d^,^ der Phase des Faserzustand durch den ge-

_T/Ti _

LAVAL-Düse 10 hinter di

Stelle

Α auf. Auch hier gilt, mit

^er^Querschnittsverlauf F(x) hinter der engsten e_{5 r}^ _β (p^M« und T₃Vr₁ = (P₃ZP₁)⁰²⁸⁶-Stelle 2 der LAVAL-Düse 10 ^besti^_n ⁿ^_rl^_f ^s^ _Im Bereich der überschallverminderung 4' zwi-

ÄSS^^ «Ä 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 p_t' < ρ_Λ' wird. Außerdem wird der Druck des Treibmittels p_f so hoch gewählt, daß die Energieverluste in der Mischzone 4 gedeckt werden.

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

Ein anschließender Unterschalldiffusor 15 ermöglicht durch übliche Querschnittserweiterung einen erheblichen Rückgewinn an kinetischer Strömungsenergie, so daß der aufzuwendende Treibmitteldruck P₄ verhältnismäßig niedrig bleibt und damit der Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr günstig wird. Es ist mögüch den Druck am 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 in

ίο einer inerten Schutzgas-Atmosphäre zu betreiben, um z. B. Molybdän als billiges, unedles aber hochschmelzendes Tiegelmetall verwenden zu können, wobei Vorrichtungen vorgesehen werden müssen, mittels derer die erzeugten Fasern bzw. Vliese taktweise abgeführt 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 Tropfchen eintreten kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Erzeugung der Überschallsfrömung 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 (dx) auftritt, daß die Fasern erstarren, bevor ein Zerfall in Tröpfchen eintritt.

4. Vorrichtung 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. *o

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

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