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Verfahren und Vorrichtung zur Zerteilung von Schmelzen
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Zerteilung von Schmelzen durch aufeinanderfolgendes Einwirkenlassen von Fliehkräften,
Druckgradienten des die Schmelze umgebenden Gases sowie Schleppkräften strömender
Gase. Erfindungsgemäß können alle Arten von Schmelzen, wie Mineralschmelzen, Oxidschmelzen,
Schmelzen organischer Polymerer und Metallschmelzen zerteilt werden. Als Zerteilungsprodukte
können erfindungsgemäß eindimensionale Gebilde, d.h.
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Fasern, oder nulldimensionale Gebilde, wie Pulver, erhalten werden.
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Die kombinierte Anwendung von Schleuderkräften und aerodynamischen
Kräften ist bei der Herstellung von Mineralwollefasern bekannt. Nachteilig bei diesen
bekannten Verfahren ist, daß die Zentrifugalkräfte und anschließend die aerodynamischen
Kräfte im Winkel zueinander an der entstehenden Faser angreifen, so daß die Faser
in ihrer Entstehungsphase eine Richtungsänderung
erleidet. Eine
solche Richtungsänderung wirkt sich nachteilig auf die Qualität der Fasern aus,
indem Fasern mit relativ breitem Faserdicken- und Faserlängen-Spektrum erhalten
werden. Bei den bekannten Verfahren zur Mineralfaserherstellung tritt der vom Schleuderkörper
(Rotor) abgeschleuderte Primärschmelzefaden seitlich in eine im Winkel zur Bewegungsrichtung
des Fadens gerichtete Gasströmung ein. An dem Schmelzefaden greifen demnach zumindest
vorübergehend Reibungskräfte der Gas strömung an, die im rechten Winkel zur Bewegungsrichtung
des Fadens gerichtet sind.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es für den
Faserziehprozeß vorteilhaft ist, eine Richtungsänderung der noch flüssigen Schmelzefäden
zu vermeiden. Ferner ist es für den Faserziehprozeß wesentlich, daß die Gasströmung
an den Primärschmelzefäden unmittelbar nach dem Abschleudern vom Rotor parallel
zu diesen angreift.
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Erfindungsgemäß gelingt dies, wenn die unmittelbar am Rand des Rotors
angreifende Gas strömung durch die Einlaufströmung in eine Ringschlitzdüse dargestellt
wird.
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Eine solche Ringschlitzdüse hat den Vorteil, daß sie wegen ihrer Kreissymmetrie
mit hoher Präzision hergestellt werden kann, so daß die Schlitzbreite so gering
wie möglich ausgeführt werden kann. Dadurch wird über den Umfang des Rotors eine
sehr gleichmäßige Gas strömung erzeugt, und ferner die in die Ringschlitzdüse eintre-
tende
Gasmenge pro Zeiteinheit begrenzt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber nicht auf die Herstellung
von Fasern beschränkt, sondern ist ebenso anwendbar auf die Herstellung von feinteiligen
Pulvern.
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Die Herstellung der Pulver erfolgt dabei über die Zwischenstufe der
Faser. Werden nämlich Schmelzen geringer Viskosität und hoher Oberflächenspannung,
wie z.B. Metallschmelzen, eingesetzt, dann stellt die Faserstruktur eine hydrodynamische
Instabilität dar, die in Tröpfchen zerfällt, wenn nicht für eine hinreichend schnelle
Abkühlung vor dem Zerfall in Tröpfchen gesorgt wird. Bei Schmelzen mit geringerer
Instabilität kann die Temperatur der Schmelze zur Herabsetzung der Viskosität entsprechend
hoch gewählt werden und/oder Gasströme mit hoher Temperatur zum Ausziehen eingesetzt
werden.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Verfahren zur Zerteilung
von Schmelzen durch Aufbringen der Schmelze auf eine rotierende Scheibe, Abschleudern
von Primär-Schmelzfäden von der Scheibe aufgrund der Zentrifugalkraft und Verfeinern
der Primär fäden durch Gase hoher Geschwindigkeit, das dadurch gekennzeichnet ist,
daß die Primär-Schmelzfäden nach dem Abschleudern von der rotierenden Scheibe zunächst
von der Einlaufströmung in eine zur rotierenden Scheibe konzentrischen Ringschlitzdüse
und danach von einer bezüglich der Drehachse der rotierenden Scheibe radialen Überschallgasströmung
ausgezogen werden und in Form von Fäden oder Pulvern erstarrt werden.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur
Zerteilung von Schmelzen, wobei die Vorrichtung aus einer rotierbaren Scheibe, einer
Zufthreinrichtung von Schmelze auf die Scheibe, sowie Mitteln zur Erzeugung von
Gasstromungen mit einer radialen Stromungskomponente aufweist, wobei die Vorrichtung
dadurch gekennzeichnet ist, daß die rotierbare Scheibe konzentrisch innerhalb einer
kreissymmetrischen, radial nach außen gerichteten Ringschlitzdnse angeordnet ist,
die Ringschlitzdüse an ihrer der rotierbaren Scheibe zugewandten Seite eine engste
offene Querschnittsfläche aufweist und Mittel vorgesehen sind zur Erzeugung eines
solchen Druckgefälles zwischen Umgebung der rotierbaren Scheibe und der Stelle der
engsten Querschnittsfläche der Ringschlitzdüse, daß sich in der Ringschlitzdüse
eine radial gerichtete Überschallgasströmung ausbildet.
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Verfahren und Vorrichtung werden nachfolgend anhand der beigefügten
Figuren näher erläutert: Fig. 1 zeigt eine Schnittzeichnung durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung.
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Fig. 2-5 zeigen Gestaltungsmöglichkeiten für die rotierbare Scheibe.
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Fig. 6 zeigt eine alternative Möglichkeit für die Beheizung der rotierbaren
Scheibe.
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Fig. 7 zeigt die Häufigkeitsverteilung der Faserdicke der gemäß Beispiel
hergestellten Glaswolle.
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Fig. 8 zeigt in vergrößerter Darstellung Erzeugung und Ausführung
der Oberschallgasstrdmung.
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In Fig. 1 ist ein Schmelzevorratstiegel 1 dargestellt, der elektrisch
beheizt sein kann. Dabei kann der Tiegel aus einem gegen die Schmelze resistenten
Material ausgeführt sein und die Beheizung über Wiederstandsbeheizung der Tiegelwand
erfolgen. Hierzu sind elektrische Anschlußklemmen 2 vorgesehen. Im Falle des Einsatzes
von Mineralschmelzen kann die Wiederstandsbeheizung auch direkt unter Ausnutzung
der Ionenleitfähigkeit der Schmelzen erfolgen.
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Bei metallischen Schmelzen wird als Tiegelmaterial vorzugsweise ein
hochtemperaturbeständiges anorganischoxidisches Material, wie z.B. Quarz oder Keramikmaterial
eingesetzt. Die Beheizung bei metallischen Schmelzen kann z.B. durch Induktionsheizung
erfolgen. Der Tiegel 1 weist auf seiner Unterseite einen Schmelzezufuhrkanal 3 auf,
der gleichzeitig der Dosierung der Schmelzezufuhr dient. Durchmesser und Länge des
Kanals werden so gewählt, daß aufgrund der Viskosität der Schmelze und des hydrostatischen
Drucks der Schmelze die gewünschte Menge Schmelze auf die rotierende Scheibe 4 gefördert
wird.
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Zur Beheizung des Kanals 3 und der rotierenden Scheibe 4 können z.B.
Gasbrenner 5 vorgesehen sein.
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Die rotierende Scheibe 4 wird durch einen Elektromotor 7 angetrieben,
wobei die Motorachse über thermisch isolierende Zwischenstücke gegen die Achse der
rotierenden Scheibe 4 isoliert ist. Zusätzlich kann eine Isolationsschicht 6 z.B.
aus Aluminiumoxidfaservlies vorgesehen sein.
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Die Umdrehungsgeschwindigkeit der rotierenden Scheibe 4 und die Zuflußmenge
der Schmelze durch das Rohr 3 werden für einen gegebenen Radius der rotierenden
Scheibe 4 so aufeinander abgestimmt, daß sich vom Rand der rotierenden Scheibe 4
Fasern ablösen. Bei zu hoher Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe und bei zu geringer
Schmelzezufuhr erfolgt die Ablösung der Schmelze vom Rand der Scheibe in Form von
Tröpfchen. Bei zu geringer Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe und zu hoher Schmelzezufuhr
auf die Scheibe erfolgt die Ablösung der Schmelze vom Rand der Scheibe in Form von
Lamellen. Die einzustellenden Bedingungen sind durch die Viskosität und die Oberflächenspannung
der Schmelze, sowie deren Dichte bestimmt. Die für die Schmelzezufuhr und Umdrehungsgeschwindigkeit
der rotierenden Scheibe zu wählenden Parameter sind demnach in Abhängigkeit von
dem Material der Schmelze, die zerteilt werden soll, zu wählen. Bei Schmelzen mit
starker Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur kann ferner die Temperatur
so gewählt werden, daß bei gegebener Umdrehungsgeschwindigkeit und Schmelzezuflußmenge
eine Ablösung der Schmelze vom Rand der rotierenden Scheibe in Form von Fasern erfolgt.
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Der Radius und die Umdrehungsgeschwindigkeit der rotierenden Scheibe
werden vorzugsweise so gewählt, daß die Zentrifugalbeschleunigung am Rand der Scheibe
2.000 bis 4.000 m/s2, d.h. die etwa 200- bis 400-fache Erdbeschleunigung beträgt.
Im Prinzip können auch höhere Zentrifugalbeschleunigungen verwirklicht werden, jedoch
soll
vorzugsweise die Umfangsgeschwindigkeit der rotierenden Scheibe 1/10 der Schallgeschwindigkeit
des Umgebungsgases nicht überschreiten.
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Der Rotor kann als glatte Scheibe mit glattem Rand ausgebildet sein.
Zur gleichmäßigen Verteilung der aus dem Kanal 3 austretenden Schmelze wird jedoch
vorzugsweise ein Verteilungskäfig für die Schmelze vorgesehen. Solche Käfige sind
in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt. Der Verteilungskäfig gemäß Fig. 2 besteht aus
einem auf dem Rotor 4 befestigten konzentrischen Ring 41, der in regelmäßigem Abstand
gleichmäßige Durchtrittsöffnungen 42 für die Schmelze aufweist. Der Verteilungskäfig
gemäß Fig. 3 weist zusätzlich einen radialen Ring 43 auf, der in geringem Abstand,
z.B. 2 mm oberhalb der Oberfläche der Scheibe 4 angeordnet ist. Die aus den Durchtrittsöffnungen
42 austretende Schmelze wird zwischen Scheibenoberfläche und Unterkante des Rings
43 festgehalten und läuft in dem Maße über die Oberfläche der Schmelze radial ab,
wie durch die Durchtrittsöffnungen 42 Schmelze nachgeliefert wird. In konsequenter
Weiterbildung der Ausführungsform gemäß Fig. 3 kann sich der konzentrische Ring
43 auch über die ganze Fläche der Scheibe 4 erstrecken, so daß die Schmelze auf
der gesamten Rotoroberfläche abgedeckt ist. Rotoroberfläche und Abdeckfläche werden
dann nicht parallel ausgeführt, sondern verlaufen konvergent zum Rand der Scheibe,
so daß die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze zum Rand zumindest nicht abnimmt.
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Die Regelmäßigkeit und Gleichmäßigkeit der vom Rand des Rotors abgeschleuderten
Primärfäden kann dadurch stabilisiert werden, daß der Rand des Rotors gemäß Fig.
4 mit Zacken 44 versehen wird. Dabei können die Zacken wie in Fig. 4 gezeichnet
als Strömungshindernisse wirken, wobei die Schmelze zwischen den Zacken austritt.
Der Abstand der Zacken 44 auf der Umfangslinie der Scheibe 4 kann 2 mm oder weniger,
vorzugsweise etwa l mm, betragen, so daß pro mm Umfangslinie ein Primärfaden erzeugt
wird.
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Eine noch höhere Dichte der abgeschleuderten Fäden wird bei einer
Ausbildung gemäß Fig. 5 erreicht. Dabei weist die Scheibe 4 am Umfang einen konzentrischen
Ring 45 auf, der in zwei übereinander liegenden Ebenen senkrecht zur Achse der Scheibe
4 auf Lücke versetzte Bohrungen 46 enthält.
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Fig. 6 zeigt eine alternative Ausführungsform für die Beheizung der
rotierenden Scheibe 4, indem nämlich auch unterhalb der Scheibe Heizelemente 51,
die als Gasbrenner ausgeführt sein können, angeordnet sind. Diese Anordnung hat
den Vorteil, daß sowohl oberhalb als auch unterhalb der rotierenden Scheibe 4 Heizgas
zugeführt wird Der Motor 7 zum Antrieb der rotierenden Scheibe 4 wird durch die
thermische Isolierung 6 gegen Überhitzung geschützt.
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Konzentrisch (Fig. 1) um die rotierende Scheibe 4 herum befindet sich
die Ringschlitzdüse 8 in der Ebene, in der die Schmelzefäden von der rotierenden
Scheibe 4 abgeschleudert werden, so daß die abgeschleuderten Fäden ohne Umlenkung
in die Ringschlitzdüse 8 eintreten. Radial
außerhalb der Ringschlitzdüse
wird ein solcher Unterdruck erzeugt, daß sich in der Zylinderebene der engsten Querschnittsfläche
der Ringschlitzdüse Schallgeschwindigkeit ausbildet. Der Unterdruck muß nach bekannten
Gesetzen der Strömungslehre so gewählt werden, daß sich in der Zylinderebene mit
dem engsten Querschnitt ein Druck von etwa der Hälfte des Umgebungsdrucks der rotierenden
Scheibe 4 einstellt. Vorzugsweise wird daher radial außerhalb der Ringschlitzdüse
8 ein Druck von weniger als 0,4 bar, vorzugsweise weniger als 0,3 bar erzeugt, wenn
in der Umgebung der rotierenden Scheibe Atmosphärendruck herrscht.
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Der Unterdruck wird vorzugsweise durch in die Ringschlitzdüse 12 aus
Treibstrahldüsen 9 eintretende Treibstrahlen erzeugt. Hierzu ist radial außerhalb
des Eintritts 8 zur Ringschlitzdüse 12 sowohl oberhalb als auch unterhalb der Ebene,
in der die Schmelzefäden von der rotierenden Scheibe 4 abgeschleudert werden, ein
Treibgasverteilungskanal 11 vorgesehen. Der Kanal 11 wird über die Leitung 10 mit
Druckgas versorgt. Das Druckgas tritt aus dem Kanal 11 durch die als Ringschlitze
ausgebildeten Treibstrahldüsen 9, die als Lavaldüsen ausgebildet sind, unter Entspannung
mit Überschallgeschwindigkeit aus. Die Geschwindigkeit der Treibstrahlen soll vorzugsweise
die 2- bis 3-fache Schallgeschwindigkeit betragen.
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Aufgrund der Saugwirkung der aus den Treibstrahldüsen 9 austretenden
Treibstrahlen wird durch die Ringschlitzdüse 8 Gas aus der Umgebung der rotierenden
Scheibe 4 eingesaugt.
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Der Abstand zwischen rotierender Scheibe 4 und Ringschlitzdüse 8 wird
vorzugsweise so eng gewählt, daß die Einlaufgasströmung unmittelbar am Rand der
rotierenden Scheibe auf die abgeschleuderten Fäden einwirkt.
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Die in die Ringschlitzdüse 12 eintretenden Schmelzefäden werden durch
die hier herrschende Überschallgasströmung so stark beschleunigt, daß die Schmelzefäden
praktisch radial vom Rand der rotierenden Scheibe 4 nach außen bewegt werden. Die
Tangentialgeschwindigkeit bezüglich der rotierenden Scheibe 4 der Fäden kann lediglich
geringfügige Abweichungen von der radialen Bewegung bewirken. Die radiale Ausdehnung
der Ringschlitzdüse 12 soll so gewählt werden, daß die zerteilte Schmelze an ihrem
Ende erstarrt ist. Eine radiale Ausdehnung von 20 bis 40 mm ist im allgemeinen ausreichend.
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Die Geschwindigkeit der Gas strömung und der von ihr mitgeführten
Faser oder Pulver wird zunächst durch Druckumsetzung durch Stoß in den Unterschallbereich
herabgesetzt und danach weiter in dem anschließenden divergierenden Strömungskanal
13. Dabei kann der Strömungskanal 13 gekrümmt sein, um die Fasern oder Pulver aus
der radialen Transportrichtung in eine lineare Transportrichtung umzulenken. Hierzu
werden die Begrenzungsflächen 14 und 15 des Kanals 13 als-einfach gekrümmte, im
wesentlichen rotationssymmetrische Flächen ausgebildet, an die sich die Gasströmung
anlegt.
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Pig. 8 zeigt eine Seite (von der Rotationsachse nach links) der Darstellung
aus Fig. 1 in vergrößerter Darstellung. Die Schmelze 31 wird über das Schmelzezufuhrrohr
3 auf den Teller 4 gefördert und fließt hier unter der Wirkung der Zentrifugalkraft
nach außen. Die rotierende Scheibe ist analog zu Fig. 4 mit Zacken als Strömungshindernisse
ausgebildet, wobei die Breite der Zacken 0,5 mm und die Breite der freien Durchtrittsöffnung
zwischen den Zacken ebenfalls 0,5 mm beträgt.
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Die Backen 81 der schlitzförmigen Einlaufdüse 8 weisen einen Abstand
in axialer Richtung von 1 bis 2 mm auf.
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Der Rand der rotierenden Scheibe befindet sich ebenfalls in einem
Abstand von 1 bis 2 mm von der schlitzförmigen Düse 8. In der Umgebung der rotierenden
Scheibe 4 befindet sich Luft auf Umgebungsdruck. Der Umgebungsdruck fällt aufgrund
der Einlaufströmung bis zur engsten axialen Ausdehnung der Einlaufdüse 8 auf 0,5
bar, d.h.
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die Einlaufströmung erreicht an dieser Stelle Schallgeschwindigkeit.
Die Einlaufgasströmung greift radial und gleichmäßig an den an der rotierenden Scheibe
abgeschleuderten Fäden an. Aufgrund des starken Durckgefälles von 0,3 bis 0,4 bar
pro mm platzt der in die Einlaufdüse 8 eintretende Primär-Schmelzefaden in eine
Vielzahl von Sekundär-Schmelzefäden auf, die in der Ringschlitzdüse 12 von der Überschallgasströmung
unter ständiger Beschleunigung weiter ausgezogen werden. Die Überschallgasströmung
wird durch Treibstrahldüsen 9
erzeugt, die als Lavalldüsen ausgeführt
sind. Der engste Abstand der kreis symmetrischen Begrenzungsteile der Treibstrahldüsen
9 beträgt zwischen 0,3 und 1 mm, vorzugsweise etwa 0,3 bis 0,5 mm. Die Backen 81
der Eintrittsringschlitzdüse 8 und die Begrenzungsflächen der Ringschlitzdüse 12
sind aus Hartmetall gefertigt und können ausgewechselt werden. Als Umgebungsgas
der rotierenden Scheibe 4 und Treibgas kann im Falle, daß nicht oxidierbare Schmelzen
eingesetzt werden, Luft dienen.
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Für den Fall, daß oxidierbare Schmelzen zerteilt werden, können als
Umgebungsgas der rotierbaren Scheibe und als Treibgas nichtoxidierende Gase eingesetzt
werden.
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Hierzu kann die Umgebung der rotierbaren Scheibe mit dem Fachmann
geläufigen Mitteln gegen die Umgebungsluft gekapselt und mit entsprechender Inertgaszuführung
versehen werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber bekannten Verfahren
eine Reihe von Vorteilen auf.
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1. Die Zerteilung der Schmelze bis zu ihrer Erstarrung erfolgt ohne
Richtungsänderung der Bewegung.
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2. Das Verfahren arbeitet ohne aufwendige Tiegel und/ oder Schleuderkörper.
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3. Die Gasströmung, die das Ausziehen bewirkt, greift unmittelbar
an der rotierenden Scheibe an und wirkt gleichsinnig zum Ausziehen durch Fliehkraft.
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4. Durch die geringe Abmessungen der Eintrittsringschlitzdüse 8 wird
die zum Ausziehen zu beschleunigende Gasmenge gering gehalten.
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5. Die rotierende Scheibe selbst wird nicht von eventuell kälterem
Treibstrahlgas angeströmt, so daß die Schmelze nicht vorzeitig abgekühlt wird. Das
als Kaltgas zuführbare Treibgas kommt mit der rotierenden Scheibe nicht in Berührung.
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6. Die gewünschte Faserdicke bzw. Pulverteilchengröße läßt sich allein
durch Einstellung des in der Verteilerkammer 11 herrschenden Treibgasdruckes in
weiten Grenzen steuern.
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7. Zur Kühlung der Backen 81 der Eintrittsringschlitzdüse 8 reicht
das zugeführte Treibgas aus.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt ferner die Zerteilung von Lösungen.
In diesem Falle entfällt die Beheizung der rotierbaren Scheibe. Zur Verdampfung
des Lösungsmmittels innerhalb der Ringschlitzdüse 12 werden bei der Zerteilung von
Lösungen vorzugsweise heiße Gase als Treibgas eingesetzt. Erfindungsgemäß soll daher
der Begriff "Schmelze" auch Lösungen umfassen, aus denen unter
Verdampfung
des Lösungsmittels feinteilige feste Pulver oder Fasern hergestellt werden können.
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AusfAhrungsbeispiel In einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 und Fig. 6 wurde
eine rotierende Scheibe mit einem Durchmesser von 40 mm eingesetzt, die am Rand
122 Zacken gemäß Fig. 4 aufwies.
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Der Radiusabstand der Backen 81 von dem äußeren Rand der rotierbaren
Scheibe betrug 1,5 mm. Der engste axiale Abstand der oberen und unteren, die Eintrittsringschlitzdüse
8 bildenden Backen, betrug 1,7 mm. Der Ringschlitzkanal 12 hatte innen eine axiale
Ausdehnung von 4 mm und außen eine axiale Ausdehnung (axial = parallel zur Achse
der rotierenden Scheibe) von 5 mm. Die radiale Ausdehnung der Ringschlitzdüse 12
vom Eintritt der Treibstrahlen bis zur Einmündung in den Kanal 13 betrug 35 mm.
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Im übrigen gibt Fig. 6 die geometrische Gestaltung etwa maßstabgerecht
wieder. Die engste Breite des Treibstrahlkanals 9 betrug 0,3 mm. In der Treibgaskammer
11 herrschte ein Treibgasdruck von 3,5 bar. Die Geschwindigkeit der Treibstrahlen
am Ausgang betrug ca. 2,5-fache Schallgeschwindigkeit.
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Es wurde eine E-Glasschmelze bei einer Temperatur von ca. 1.4000C
mit einer Viskosität von ca. 15 Pa.s eingesetzt.
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Die Umdrehungsgeschwindigkeit der rotierenden Scheibe betrug 3.500
U/min. Es wurden-80 kg Schmelze pro Stunde auf die rotierbare Scheibe gefördert.
In die Einlaufringschlitzdüse 8 wurden ca. 100 kg Luft pro Stunde ein-
gesaugt.
Die zugeführte Treibluftmenge betrug etwa 200 kg pro Stunde.
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Es wurden E-Glasfasern von einer Länge zwischen 10 und 50 mm mit einem
mittleren Durchmesser von 3,3 pm erhalten. Fig. 7 zeigt die erhaltene Faserdickenverteilung.