HUT66662A - Method and apparatus for processing fibres - Google Patents

Description

A találmány tárgya eljárás szálak előállítására nagy olvadáspontú termoplasztikus anyagokból, mint például üvegből vagy bazaltból. Pontosabban a találmány tárgya szálképző eljárás tökéletesítése, amelynél a szálképzés belső centri73664-1526 KH fugálással történik, amikor az anyagot olvadt állapotban nagy sebességgel forgó centrifugába öntik, amely centrifuga kerületén nagyszámú nyílás van, és az anyag ezeken keresztül filamentek alakjában szökik meg, amely filamenteket azután a centrifuga forgástengelyével párhuzamosan kibocsátott koncentrikus gázáramok széttörik és kihúzzák.

A találmány tárgya azonkívül a fenti szálképző eljárás alkalmazása viszonylag kemény üvegek esetében, amelyeknél a szálképzéshez megfelelő viszkozitáshoz tartozó hőmérséklet közelebb van a devitrifikácós hőmérsékletükhöz.

Kivéve néhány gyártó egységet, ahol kizárólag aerodinamikus szálképzési technikát alkalmaznak, az ásványgyapot előállítása általában centrifugálással történik. A század elején kifejlesztett első technika szerint az olvadt anyagot nagy sebességgel forgó eszközre öntötték, az olvadt anyag elszabadult a forgó eszközről és részben szállá alakult. Ezek a szálképző módszerek, amelyeket külső centrifugálásos eljárásoknak neveztek, minden fajtájú anyagnál alkalmazhatók, különösen rendkívül nagy olvadáspontú anyagoknál, mint például a bazaltos üvegeknél is, mert a forgó eszközt hűteni lehet egy belső vízkeringtetéssel, vagy megvalósítható tűzálló anyagból, amelyen nincsenek fúrt lyukak. Másrészt, a szálhúzás gyakorlatilag pillanatnyi, ami lehetővé teszi, hogy olyan anyagokat is alkalmazzanak, amelyeknek a devitrifikációs sebessége nagyon nagy a szálképzés hőmérsékletéhez közel lévő hőmérsékleteken. Azonfelül az olvadt üveg kondicionálása nem lehet nagyon bonyolult, más szóval ez az el járás lehetővé tesz egy olvadást tisztítás nélkül, azaz néhány meg nem olvadt résszel és az idő folyamán nem szigorúan állandó összetétellel. Meg kell azonban jegyezni, hogy ennek a szabadságnak az ára, hogy a szálak minősége romlik és ezért nem használhatók fel olyan széles körben, mint kívánatos volna. Azonkívül az olvadt anyagáram, amely a centrifugára esik, a szálképzés körülményeit olyan mértékben zavarja meg, hogy a kezelés, amelyet két egymással szomszédos filament kap, erősen változik, ami természetesen megmutatkozik a végtermékben, amelyben nagyon eltérő szálak vannak.

Egy másik hiányosság, hogy a külső centrifugálás mindig jelentős mennyiségű nem-szálas anyaghoz vezet, ami a termék hőszigetelő és akusztikai szigetelő hatását csökkenti és egy adott szigetelés esetén tömörebb termékek gyártását teszi szükségessé, mert jelentős mennyiségű olyan részecskét tartalmaz, amely nem járul hozzá a szigetelő hatáshoz. Azonkívül ezek a nem-szálas anyagok az ásványgyapotot tapintásra kellemetlenné és porfogóvá teszik. Ebből következik, hogy a külső centrifugálást ma már nem használják csak nagyon nagy olvadáspontú üvegösszetételek esetében, amelyeket kemény üvegnek neveznek, és amelyeknél a szálképzés tartománya rendkívül szűk.

A nemesebb és lágyabb üvegek esetében ma már a belső centrifugálásos szálképzést alkalmazzák, amelynél a nem-szálas anyagok gyakorlatilag elmaradnak, a hosszabb szálak a végterméknek nagyobb rugalmasságot adnak, ami a szálak jobb egymásba akaszkodásának és a pontosabb szálátmérőknek követ-

kezménye.

Ahhoz azonban, hogy ilyen belső centrifugálással lehessen dolgozni, okvetlenül szükség van arra, hogy az üvegnek megfelelő reológiai viselkedése legyen. Elsősorban az üvegnek olyan állapotban kell jelen lennie, hogy nyújtható legyen, a centrifuga nyílásainak átmérője milliméter nagyságrendű, vagy a legfinomabb esetekben néhány tized milliméter nagyságrendű, ugyanakkor a kapott szálak átmérőjének néhány mikron nagyságrendűnek kell lennie. A centrifugából kijövő filamenteknek tehát le kell vékonyodni legalább 1:100 arányban. Ha az üveg hőmérséklete túl nagy, azaz más szóval, ha az üveg túl folyékony, akkor a szálakat nem lehet kihúzni és végül, a felületi feszültség miatt, cseppek fognak képződni, nem pedig szálak.

Ehhez az első problémához jön még a devitrifikáció problémája. Az üveget nem szabad olyan körülmények közé helyezni, ahol kristályossá válik elég nagy sebességgel, tekintettel a centrifugában való tartózkodási idejére, amely időtartamnak nincs közös mértéke az üveg és a forgó szálképző eszköz érintkezési idejével. Az üzemi hőmérséklet tartományokat a cseppfolyósodási hőmérséklete határolja, (az a hőmérséklet, amely a kristályosodás 0 sebességének felel meg termikus egyensúlyban lévő üveg esetében). Vagy méginkább ennek az alkalmazása a devitrifikációnál nagyobb hőmérsékleten, (amely hőmérséklet megfelel a kristályok teljes feloldódásának 30 perc alatt, előzőleg devitrifikált üvegen mérve). Következésképpen, a kifejezést, hogy üzemi tartomány alatt • « • ·· • · arra fogjuk használni, hogy meghatározzuk azt a hőmérséklet tartományt, amelyen belül a szálképzés lehetséges.

A jelenleg alkalmazott üvegek esetében belső centrifugálásnál a devitrifikáció felső hőmérséklete kisebb a szálképzésnél még elfogadható legnagyobb viszkozitásnak megfelelő hőmérsékletnél, és így az üzemi hőmérséklet tartományát nem vagy csak nagyon kevéssé csökkenti a devitrifikáció problémája.

Teljesen más a helyzet bazaltos üvegek vagy más rendkívül nagy olvadáspontú üvegek esetében. Ezeknél a devitrifikáció hőmérséklete jóval nagyobb, mint a legnagyobb viszkozitásnak megfelelő hőmérséklet, úgy hogy az üzemi tartományt a devitrifikáció hőmérséklete és a cseppképződés létrejövése határolja. Azonkívül e két hőmérséklet közötti eltérés gyakran sokkal kisebb néhány száz foknál, például 50°C, míg a lágy üveg üzemi tartománya 200-250°C-nál több.

Mivel az üveg megolvadt az üzemi tartománynál nagyobb hőmérsékleten, egy eltéréssel, amely annál nagyobb, minél keményebb az üveg, ami a problémát egyre bonyolultabb irányba vezeti, az üvegnek le kell hűlnie azon műveletek alatt, amelyek alatt a kemencéből a centrifuga faláig jut. Ennek a ténynek a következtében gyakorlatilag lehetetlen pontosan egy adott hőmérsékleten tartott üveggel dolgozni a centrifugában való egész tartózkodása alatt, úgy hogy az ilyen típusú üvegnél mind a mai napig nem lehetett a külső centrifugálást a belső centrifugálással helyettesíteni, annak ellenére, hogy a külső centrifugálás hiányosságait régóta is-

merik.

Ezenfelül ehhez az alapvető reológiai viselkedéssel kapcsolódó problémához még más technológiai problémák is járulnak. Valójában ezek az üvegek rendkívül korrózióra hajlamosak, és így a centrifuga gyártásánál olyan anyagot kell találni, amely ennek a kémiai hatásnak ellenáll, annál is inkább, mert ez a hatás csak erősödik, ha a hőmérséklet és a mennyiség nő. Azonkívül a centrifugák mérete általában akkora, hogy átmérőjük 200-1000 mm között van, és a nagyszámú kilépőnyílás, valamint az alak, amely úgy van tervezve, hogy a forgásból adódó mechanikai erőknek és a tartós folyásból adódó erőknek hosszú ideig tartó használat közben ellen tudjon állni, nem teszik lehetővé, hogy a centrifugát tűzálló ötvözetekből, például platinából készítsük. Ismeretesek különböző hőálló acélok az irodalomban, de mindazok, amelyek mechanikai szempontból megfelelnek, maximális használati hőmérsékletük 1000°C nagyságrendű, akkor amikor 1100-1200°C-ra lenne szükség.

A találmány feladata, hogy az ásványi szálak előállításának technológiáját tökéletesítse belső centrifugálással, a nyújtásra kerülő szálak tartományának megnövelésével, kielégítő ipari körülmények között. A találmány célja továbbá a találmány szerinti eljárás foganatosításához alkalmazható centrifuga létrehozása. Ezt a feladatot a találmány értelmében azáltal oldjuk meg, hogy olyan eljárást hozunk létre, amelynél az anyagot olvadt állapotban centrifuga belsejébe öntjük, amely centrifuga kerületi sávja nagyszámú kiömlőnyí-

lássál van átlyukasztva és a kerületi sáv belső felületét lényegesen nagyobb hőmérsékleten tartjuk, mint a külső hőmérsékletet. A találmány szerinti eljárás belülről kifelé ilymódon nagy hőmérséklet gradienssel dolgozik.

Az alkalmazott üvegeknél a hőmérséklet különbséget előnyösen 50-300°C-ra, célszerűen 100-200°C-ra választjuk, néhány milliméteres falvastagság esetén, amely általában közel 5 mm.

Ez a hőmérsékletesés előnyösen olyan, hogy a belső hőmérséklet sokkal nagyobb annál a hőmérsékletnél, amelynél a szálképzésre kerülő anyag devitrifikálódni kezd, míg a külső hőmérséklet elegendően alacsony ahhoz, hogy az üveg viszkozitása elég nagy legyen a szálképzés pillanatában.

Bazaltüveg vagy minden más olyan üveg esetében, amelynek az üzemi hőmérséklet tartománya rendkívül szűk, a centrifuga belsejében olyan üveggel dolgozunk, amelynek hőmérséklete általában nagyobb a cseppképződés hőmérsékleténél. De abban a pillanatban, amikor az üvegfilament feltűnik a centrifuga egyik kiömlőnyílásában, hőmérséklete éppen abban az üzemi hőmérséklet tartományban lesz, ahol a viszkozitás megfelelő a szálképzéshez. Feltéve, hogy a centrifuga hőtanilag nagyon pontosan kondicionálva van, amit a gyűrű alakú égők segítségével bevitt külső és belső hővel érünk el, a találmány révén mód van arra, hogy a bazaltüvegek hőkondicionálásának problémáját megoldjuk.

A találmány szerinti eljárásban a filamentek szálképzése éppen a centrifuga kerületén történik, azaz egy olyan pilla4 · • · · • · ·♦· • · · * ·· *·

- 8 natban, amikor a megfelelő viszkozitást elérték. Ilymódon mindenféle fajtájú üvegből lehet szálat képezni, még ha üzemi tartományuk, azt mondhatjuk, nem is létezik, anélkül, hogy attól kellene félni, hogy a centrifuga belsejében dugó képződik egy devitrifikált üvegtömeg megkötése révén, és az sem játszik szerepet, hogy az üveg viszkozitása hirtelen megnő, miután a filament előbukkant a nyílásban.

A találmány szerinti eljárás egyik előnye ahhoz a tényhez kötődik, hogy az üveg a nyílásokon keresztülmenő pályájának legnagyobb részén még nagyon folyékony és ennek következtében nagy a folyási sebessége és ezt egész pályája folyamán megőrzi. így nemcsak kiküszöbölhető a devitrifikáció veszélye a centrifuga belsejében, hanem ezenkívül az üveg tartózkodási ideje a nyílásokban nagyon rövid, ami ugyancsak rendkívül előnyös a devitrifikáció szempontjából.

A találmány lehetővé teszi például, hogy természetes kőzetekkel, például bazalttal dolgozzunk, amelyhez nem kell salakosító anyagot hozzáadni, és ennek következtében az előállítási költsége kisebb, mint a szódaüvegé, és azonkívül hőállósága jobb, és olyan üveggyapotot eredményez, amelynek viselkedése nagy hőmérsékleten jobb és ezért nagy hőmérsékletek esetén szigetelésként vagy pedig tüzet megfékező termékként alkalmazható.

A szálképzés történhet kizárólag centrifugálással és ebben az esetben a centrifugát gázáram veszi körül, amely kis sebességgel áramlik és amely a külső kerületi sáv és a filamentek termikus kondicionálására szolgál. Ehhez a levegő• · «

- 9 áramhoz nagyobb távolságban további légáramok adódnak hozzá, amelyeket gyűrű alakú test bocsát ki és amelyek arra valók, hogy a szálakat eltörjék és a szálképző fej felé vigyék. Alkalmazhatunk gázzal történő szálképzést is, amely hozzáadódik a centrifugálási erőhöz és amely egy nagy sebességgel folyó gázáramnak a következménye, amely gázáram ekkor a hőkondicionáló szerepén kívül a szálképzését is betölti.

Meg kell jegyezni, hogy bár sugárirányban nagy termikus gradiensre van szükség, ez nem jelenti azt, hogy nem előnyös, ha a külső és belső falakat, amennyire csak lehet izoterm állapotban tartjuk. Azokból a filamentekből származó szálaknak, amelyek a kerületi sáv alján lévő nyílásokból jönnek ki, ugyanolyan jellemzőkkel kell rendelkezniük, mint a kerületi sáv felső részénél kilépő szálaknak.

A találmány tárgyát képezi azonkívül a találmány szerinti eljárás foganatosítására szolgáló centrifuga, azaz egy olyan centrifuga, amely nagy hőmérséklet-gradiennsel tud dolgozni a kerületi sáv falának vastagságában. Ezt a célkitűzést olyan centrifuga valósítja meg, amelynél a kerületi sáv olyan anyagból készül, amelynek hővezető képessége kisebb mint 20 Wm^-1C^-1 1000°C-on, előnyösen kisebb mint

Wm^-1C^_1 és amelynek hődiffúziós képessége, mindig egy sugárral párhuzamosan mérve és 1000°C-on, kisebb mint

10”⁶M²s^_1. Ez az anyag azonkívül olyan, hogy egy nagyon nagy belső hőmérsékletet is el tud viselni, amely megfelel az üveg, például a természetes bazaltok olvadási hőmérsékletének. Mivel ezek a hőmérsékletek 1000°C-nál nagyobbak, azaz

a hőálló acélok jelenlegi felhasználási határán felül vannak, ezért a kerámiai anyagok felé irányítottuk figyelmünket.

Amikor azokat az anyagokat tanulmányoztuk, amelyek erre a célra megfelelők lehetnének, több kritériumot kellett figyelembevenni. Elsősorban elengedhetetlenül szükséges, hogy a kerámia ne korrodeáljon az olvadt anyag oxidációja következtében, bármilyen legyen is ez az anyag, még akkor sem, ha rendkívül korrózióra hajló anyagról, például bazaltüvegről és/vagy nagykohók salakjáról van szó. Az anyag mechanikai szilárdságának is a lehető legnagyobbnak kell lennie, még akkor is, ha köztudott, hogy a kerámiák általában tízszer kisebb szilárdsággal rendelkeznek, mint a fémek. Végül, a hőlökésekkel szembeni ellenállásnak is nagynak kell lennie, más szóval az anyag hőtágulási együtthatójának a lehető legkisebbnek kell lennie.

Ez utóbbi pont felhívja a figyelmet a centrifuga kerámiából lévő részei és a fémből lévő részei közötti kapcsolatok jó megválasztására, mint például a centrifugát forgásba hozó motor tengelyének csatlakozódarabjai, amelyek szükségszerűen felmelegednek és így hőtágulásuk van, még akkor is, ha hőmérsékletüket néhány száz fokon lehet tartani.

Számos kísérletet végeztünk ezekkel a kerámiai anyagokkal, amelyek mind 1000°C-nál nagyobb üzemi hőmérsékletet tudnak elviselni és összehasonlítottuk a viselkedésüket különböző különleges kritérium esetében, amelyek kritikusak a szálképző centrifuga esetében, és amelyek nevezetesen a hő- 11 lökésekkel szembeni ellenállásra való készség (az olvadt üveg folyásának leállítása néha előre nem látható módon következhet be és a hőbevitelt hirtelen lecsökkenti), nagyobb mechanikai szilárdság (a centrifuga nagyon intenzív mechanikai erőknek van kitéve a forgási sebesség következtében, amely azonkívül még hosszú ideig tart) és mint már előzőleg említettük, az üveg által bekövetkező korrózióval szembeni kielégítő ellenállóképesség.

A monolit kerámiák között, amelyeknek alapvető előnye, hogy frittelni lehet, amely technika jól ismert a szakterületen, elkülönítettük a krómoxid alapú kerámiákat, amelyeket általában használnak az üvegolvasztóknál, amelyek azonban a hőlökésekkel szembeni előnytelen viselkedésük miatt nem felelnek meg. Más kerámiák, mint például a mullit és kordierit vagy titánsavas alumínium, nagyon rossz mechanikai szilárdsági tulajdonságokat mutatnak. A szilícium-karbid sem ad kielégítő eredményt, mert hőlökésekkel szembeni ellenállása nem kielégítő. Bár sok jellemzője tekintetében a szilíciumnitrid család a szilícium-karbidhoz nagyon hasonló, mégis a szilícium-nitrid vonta magára a figyelmet, mivel ez az egyedüli megfelelő monolit darabok esetében, feltételezve, hogy egy sor óvatossági intézkedést kell figyelembe venni, amelyeket az alábbiakban fogunk ismertetni.

Az alkalmazott szilícium-nitrid kerámiák szürke színűek. Újabban olyan szilícium-nitrideket vagy azok leszármazottjait alkalmaztuk, mint például a SIALON-t, amely az alábbi • · kémiai összetételnek felel meg, térfogatszázalékban kifejezve:

Si	49,4 %
Al	4,2 %
Y	7,25 %
0	4 %
N	35 %
Fe	< 2000 ppm

Ca + Mg < 1000 ppm

Más szilícium-nitrideket is alkalmazhatunk

A darabot fritteléssel nyerjük. Előnyösen nem porózus kerámiákat alkalmazunk, amelyeknek sűrűsége olyan közel van az elméleti maximális sűrűséghez, amennyire csak lehet, ami kevésbé korrodeáló darabokhoz vezet. Ilyen kerámia ellenáll a levegő oxigénjével létrejövő oxidációnak. Ez a viselkedés annak a következménye, hogy a kerámiai darab felületén szilícium-dioxidból védőréteg képződik a felületi oxidáció következtében. Olvadt üvegek esetében rendkívül előnyös, ha olyan olvadt anyaggal dolgozunk, amelynek összetétele viszonylag savas, azaz viszonylag nagy mennyiségű savas elemet tartalmaz, mint például alumínium-oxidot, bort, szilícium-dioxidot és foszfort, hogy a korrózió jelenségét kiküszöböljük.

A vizsgált kerámiai anyagok egy másik kategóriája az, amely kerámiai mátrixból és szálakból álló megerősítésből áll. Ezeknek a szilárdsága jóval nagyobb, mint a monolit kerámiáké. A választás különösen a SiC-SiC kerámiákra vagy a Sic kerámiákra esett, amelyeknek szilícium-karbid mátrixa van és ez ugyancsak szilícium-karbid (SiC-SiC) vagy szén (SiC-C) szálakkal van megerősítve. Ezek az anyagok részletesen megismerhetők pl. Alain LACOMBE Les matériaux céramiques á matrice céramique (Kerámiai mátrix alapú kerámiai anyagok) c. cikkéből, amely a Matériaux et Techniques újság 1989. júniusi számában jelent meg. A darab úgy készül, hogy gázzal impregnáljuk, krakkolás útján, amikor behelyezzük egy előformába, amelyet úgy nyerünk, hogy felhalmozzuk egymásra a szilícium-karbidból vagy szénből lévő szálakból álló anyagrétegeket. Hasonló technológiák, amelyeket a polimer összetételekre fejlesztettek ki, lehetővé teszik ilyen darabok ipari előállítását, beleértve a viszonylag nagy átmérőket, amelyek pl. 600 mm-nél nagyobbak.

Megfigyelhető, hogy ez a kerámiai anyag az itt alkalmazott hőmérsékleteken kevésbé hajlamos a tartósfolyásra, mint a fémes anyagok, így a centrifuga alakja kissé egyszerűbb és lekerekítettebb lehet, mert még nagyon nagy forgási sebesség esetén is általában olyan feszültség! szinten marad, amely nem lépi túl az anyag rugalmassági határát. Az erősítő szálak energiaabszorbeáló mechanizmust hoznak létre, amely korlátozza a mikrorepedések terjedését és bizonyos rugalmas deformációt tesz lehetővé. Ez a kerámia nem oxidáló körülmények között 1200°C-nál nagyobb hőmérsékleteken üzemelhet SiC-SiC esetében és 1400°C-nál nagyobbon SiC-C esetében. A nyílások, amelyeken keresztül az üveg távozik, létrehozhatók lézersugárral történő fúrással.

SiC-SiC kerámia esetében olyan anyagunk van, amelynek szilárdsága 30 MPa/m², ami jó viselkedést biztosít számára hőlökésekkel szemben. Ha egy üveggel kerül érintkezésbe, oxigénben vagy a levegő oxigénjében, a szilícium-karbid oxidálódik és éppúgy, mint a szilícium-nitrid esetében, szilícium-dioxidból passzív védőréteg képződik.

Meg kell jegyezni, hogy ez a passzivizálódási jelenség nem teljesen semleges és hogy különleges üvegképződmények kiválasztódásához vezet. Elsősorban a szilícium-dioxidot az üveg oldani tudja, és ezért meg kell akadályozni, hogy ez a centrifuga mentén áramoljon.

Fentebb említettük a lézersugárral való átfúrás lehetőségét. Azt tapasztaltuk, hogy ez a fúrási mód teljesen sima felületet eredményez úgy, hogy nagyon kis számú szál marad szabadon, amelyeknek megsérülése az üvegszál áthaladása során meglepő módon korlátozott mélységben, bár a szálaknak sokkal kisebb a korrózióval szembeni ellenállása, mint a mátrixnak. Ezért elég, ha kezdetben olyan nyílásokkal dolgozunk, amelyeknek átmérője kissé kisebb, mint a kívánt átmérő, majd bővítjük a nyílások átmérőjét, az olvadék kiömlésének első pillanataiban. Megállapítható, hogy a nyílások átmérője állandó marad és ezért a centrifuga kopása nem következik be gyorsan.

Egy másik fontos jellemzője a SiC-SiC kerámiáknak a hővezetőképességük, amely sokkal kisebb, mint a hőálló acélé, amihez még hozzáadódik egy nagyon kis diffuzivitási együttható, amely a kis hőinercia kísérőjelensége, ez pedig annak következménye, hogy a sűrűség is alacsony, csupán 2,5 nagy- 15 ságrendű. A vastagságban, azaz az anyagrétegek síkjára merőleges síkban a hővezetési tényező 4-5 Wm^-1C^-1 nagyságrendű, míg ugyanezen 1000°C-on ez a hővezetési tényező 22 Wm^-1C^_1 nagyságrendű hőálló acél esetében, amilyent a szokásos centrifugáknál alkalmaznak, pedig ezek a hőálló acélok hővezetés szempontjából nagyon előnytelenek, a normál acélokkal összehasonlítva. Ez a kis sűrűség azt jelenti, hogy az így felépített centrifugák nagyon könnyűek, így a motor tengelyét és az összeszerelő elemeket kisebb erők terhelik. Ha azonban a hőtani viselkedést nézzük, megállapítható, hogy a SiC-SiC kerámia rendkívül előnyösen alkalmazható a találmány szerinti eljárásnál, ahol nem kívánják hőmérsékletét homogenizálni még viszonylag hosszú idő után sem. így tehát nagy hőmérséklet gradienssel lehet dolgozni, amely kevéssé változik, és amelyet fenn lehet tartani anélkül, hogy a centrifuga belső részei túlmelegednének.

Ennek a hőtani viselkedésnek egy negatív jelensége, hogy rendkívül nehéz előmelegíteni a centrifugát, amikor a szálképzés folyamatát be akarjuk indítani. Azt tapasztaltuk, hogy egy izoterm melegítés a kerületi sáv teljes magassága mentén, de nem annak vastagságában, gyűrű alakú égő segítségével valósítható meg, amelynek több széttartó sugara van és ezek a kerületi sáv belső fala felé vannak irányítva, valamint külső égők segítségével, amelyeket adott esetben egy vagy több oxiacetilén fáklyával lehet kiegészíteni. A fűtést folyamatosan szabályozni kell, például optikai pirométer segítségével, hogy a túlmelegedést meggátoljuk. A belső égők-lókéi történő előmelegítéssel csökkenteni lehet azoknak a zónáknak a számát, amelyek húzás alatt vannak, különösen valamennyi átfúrt nyílás szintjén.

A szilícium-karbid mátrixból álló és karbonszálakkal megerősített kerámiák is előnyösen alkalmazhatók. Viselkedésük a nagy hőmérsékletekkel szemben, szilárdságuk, hővezető képességük és alkalmazásuk nagyon hasonló vagy még jobb is, mint a szilícium-karbid szálakkal megerősített kerámiáké. A karbonszálakkal megerősített kerámiák ezenfelül még jó villamos vezető tulajdonsággal rendelkeznek, ami lehetővé teszi az elektromágneses indukcióval történő melegítést. Előnyös mindenesetre, ha gondoskodunk a centrifuga védelméről, például egy vékony szlícium-karbid réteggel vagy más hasonló réteggel történő kerámia bevonat útján, amely réteg előnyösen védeni fogja a szabaddá vált szálakat. Ha a választott üveg eléggé redukáló hatású, akkor esetleg ezt a védőkezelést el lehet hagyni, de ekkor a centrifuga előmelegítését redukált gázt kibocsátó égők segítségével végezzük.

Az utolsó vizsgált pont a centrifuga kerámiából lévő részei és az okvetlenül fémből készítendő részek közötti kapcsolat, mivel a centrifugát egyik vagy másik módon a motor hajtótengelyéhez kell csatlakoztatni. Ez a csatlakozás biztosítható úgy, hogy a kerámiai darab sík peremét két fém kengyel közé szorítjuk be, amelyek egymáshoz vannak erősítve, fém a fémhez és a kerámiából lévő darab és a fém kengyelek közé rugalmas kapcsolatot helyezünk el, például alumínium szálból vagy más hőálló szálból lévő nemez vagy grafittal fóliázott papír alakjában. Ez a rugalmas rögzítés lehetővé teszi a csúszást a fémrészek között, amelyeknek nagy hőtágulása van és a kerámia rész között, amely szinte egyáltalán nem tágul. Ezt az összekötés! módot még kiegészíthetjük egy központosító elemmel, amely előnyösen három kerámia csapból áll, amelyeket a fém kengyelek egyike hord. Ezeket a csapokat a kerámiai darab peremében kialakított sugárirányú, hosszúkás ágyakban helyezzük el, amelyek egymástól szabályosan 120°-ra vannak kialakítva.

A találmányt részletesebben a rajzok alapján ismertetjük.

Az 1. ábra a különböző üvegek viszkozitás-hőmérséklet görbéit mutatja.

A 2. ábrán a találmány szerinti szálképzés vázlatos folyamata látható.

A 3. ábra a találmány szerinti centrifuga felének vázlatos hosszmetszete.

A szigetelőszálakat előállító ipar lényegében két típusú terméket gyárt, az üveggyapotot és a kőzetgyapotot. Mindegyik típusnak igen sok változata van. olyan üvegösszetételből nyerjük, elemek vannak:

SiO2	61-66
Na2O	12-17
Α12θ3	2-5
κ2ο	0-3
CaO	6-9
b2°3	0-7,

Az üveggyapotot, tipikusan, amelyben a következő alkotó(súlyszázalék)

- 18 MgO 0-5

Fe2C>3 kisebb, mint 0,6

Ezek a határok nem mindig nagyon szigorúak és más alkotóelemek is szóba jöhetnek, különösen nyomokban. A viszonylag nagy szilicium-dioxid tartalom a többi, a leírásban említett üveghez képest a salakosító anyagok nagy tartalmára utal, úgymint a szódára vagy a borra. Bár a szóda, és még inkább a bór egy viszonylag költséges összetevő, a vegyület költsége még tovább nő, ha olyan összetevőt alkalmazunk, mint a bór-oxidok. Ezenfelül egy ilyen összetételű üveg 400-500°C felett képlékeny, ami felhasználási lehetőségeit korlátozza .

Ezzel ellentétben, ha megfigyeljük egy ilyen üveg viszkozitás-hőmérséklet görbéjét, amely az 1. ábrán 1-es számmal van jelölve, akkor azt állapíthatjuk meg, hogy a viszkozitás 300 és 3000 poise között van, ha a hőmérséklet 1050 és 1300°C között van. Ezen az ábrán bevonalkáztuk azokat a hőmérséklet tartományokat, amelyek kisebbek, mint az adott üvegek felső devitrifikációs hőmérsékletei. Másrészt a devitrifikációs hőmérséklet ezen a tartományon kívül van (960°C). Az üzemi tartomány tehát rendkívül kiterjedt, és ezek az üvegek rendkívül alkalmasak a szálképzésre, mivel viszonylag hosszú ideig megmunkálhatok optimális szálképző feltételek mellett, ami rendkívül jó minőségű szálakat eredményez, figyelembe véve a hőtani és mechanikai tulajdonságokat, amely tulajdonságok lényegesek a szigetelőanyagok gyártásánál.

A másik típus a kőzetgyapot, amit azért neveznek így, mert kiinduló anyagként gyakran bazalt típusú természetes sziklákat alkalmaznak, míg hasonlóképpen más vegyületeket is alkalmaznak, nevezetesen olyan termékeket, amelyek a vasiparból származnak, mint például a nagyolvasztók üvegsalakját. Ezek az üvegösszetételek, amelyeket szóda hozzáadása nélkül nyerünk és ennek következtében kevésbé költségesek, a következő vegyületeknek felelnek meg, amelyeket súlyszázalékban fejezünk ki, és amelyeknél a 2, 3 és 4 hivatkozási szám az 1. ábra megfelelő számú görbéire utal, ahol az abszcisszán a hőmérsékletek és az ordinátán a viszkozitások decimális logaritmusai poise-ban vannak ábrázolva (1 poise = = 1 dPas).

	általános eset	(2)	(3)	(4)
sio2	40-54	52,0	44,5	46,6
Na2O	0-5	4,4	4,2	3,2
ai2o3	8-18	16,9	14,7	13,7
k2o	0-2	0,6	0,9	1,5
CaO	7-42	7,6	10,5	10,3
MgO	3-11	7,3	8,9	9,1
Fe2°3	0-17	10,1	12,5	12,6
Különféle		1,3	3,8	3

Ezek az értékek viszonylag tűzálló üvegekre vonatkoznak, amelyeket előnyösen lehet alkalmazni nagy hőmérsékleteket igénylő helyeken vagy olyan építőelemeknél, amelyeknek fel20 adata, hogy a tűz terjedését késleltessék az épületben. Ennek a tűzálló jellegnek az ára azonban egy nagyon magas olvadási hőmérséklet, amely nagyobb mint 1400°C, ami azt eredményezi, hogy gyakran nagyon durva olvasztási eljárásokat kell alkalmazni, például kúpolókemencét koksz tüzelőanyaggal, ami azt jelenti, hogy az üveg hőkezelése gyakran nagyon pontatlan.

Mielőtt a reológiai viselkedésre térnénk át, hangsúlyozni kell, hogy ezeknél az üvegeknél a kémiai korrózió speciális problémája is felvetődik és hogy egy adott üveg megválasztásánál a szálképzésnél alkalmazott szerszámok korrózióját is figyelembe kell venni. Szilícium alapú anyagok esetében, mint amilyenekről az előzőekben szó volt, tudjuk, hogy az üveg hajlamos lesz a szilícium-dioxid képződésre. Ezért különösen előnyös olyan üvegösszetételeket alkalmazni, amelyeknek szilícium-dioxid tartalma nagyobb, mint 45%, előnyösen nagyobb, mint 50% és salakosító anyag (MgO-CaO) tartalma kisebb, mint 20%, előnyösen kisebb, mint 15%. Ez olyan összetétel, amely bizonyos szilícium-dioxidban gazdag bazaltokban van jelen, de amely szilícium-dioxidban szegény marad, összehasonlítva a szokásos üvegekkel, az ára viszont kisebb, mint azoké. Következésképpen ilyen relatíve kis szilícium-dioxid tartalom mellett kis alkálin tartalmat, azaz kis salakosító anyag tartalmat lehet alkalmazni. Egyébként az oxidálóanyag tartalomnak, mint például ferri- vagy ferrooxidoknak vagy kénnek, olyan csekélynek kell lennie, amilyen csak lehet, hogy lehetőleg minél redukálóbb és savasabb üve• ·

- 21 get kapjunk, amelynek egyrészt kis hajlama van arra, hogy a szilícium-dioxid oldja, alacsony bázikus jellege következtében, másrészt nem segíti elő a szilícium-karbiddá történő oxidációt, ami valóban hasznos, ha védőréteget akarunk képezni a felületen, amely azonban mégiscsak a centrifugát érő támadás eredménye és ezért nem akarjuk, hogy annak belseje felé tovább hatoljon.

Ez utóbbi megállapításnak a fontossága kitűnik a következő vizsgálatból. Egy első kísérletet végeztünk bazalttal, amelynek 45% szilícium-dioxid tartalma és 15% vas-oxid tartalma volt. A kísérlet azt mutatta, hogy a szilícium-nitrid rúd 80% súlyveszteséget szenvedett 48 óra után 1300°C hőmérsékletű olvadt üvegfürdőben, a súlyveszteség kisebb volt 5%nál, ugyanilyen idő után, hasonló rúd esetében, amelyet olvadt bazaltfürdőbe merítettünk be, amelynek összetétele az előzőekben említett Meilleraie bazalttal azonos volt. Normál üveggel, amelynek szilícium-dioxid tartalma például 63% és Na₂O tartalma 15%, 125 óra után 1100°C hőmérsékleten 5%-nál kisebb súlyveszteséget állapítottunk meg, 1100°C hőmérsékleten. Ez az a hőmérséklet, amelynél a normál üveg már folyékony, ezért nincs értelme e fölé a hőmérséklet fölé menni. Hasonló eredményeket értünk el szilicium-karbid alapú kerámiákkal is.

A korróziós vizsgálatok is azt mutatták, hogy előnyös olyan üvegösszetételeket alkalmazni, amelyekben nincsen kén, vagy olyan összetevő, amely az üveg lúgosságát növelné.

Térjünk át most magára a szálképzés problémájára. Ha összehasonlítjuk a 2, 3 és 4 görbéket az 1 görbével, akkor rögtön megállapíthatjuk, hogy a bazaltüvegek üzemi tartománya észrevehetően szűk és sokkal nagyobb hőmérsékleteken helyezkedik el. Ha a devitrifikáció felső hőmérséklete által meghatározott elméleti határhoz tartjuk magunkat és egy minimális 100 poise-s viszkozitást rögzítünk, akkor egyedül a 2 görbének megfelelő Meilleraie bazaltot lehet alkalmazni, mégpedig egy alig 30°C-os tartományban, 1330-1360°C között.

Valójában ez a határ csak az egyik, ami az üvegnek a centrifugában való tartózkodására vonatkozik, mivel a szálképzés sebessége és az a hűtés, amelyet akkor a szálra kifejtünk olyan, hogy elképzelhető a szálképzés anélkül, hogy a devitrifikáció bekövetkezne. Ebből az alkalomból meg kell jegyeznünk, hogy a szálképzés az üvegből a hűtés során megy végbe, míg a devitrifikáció felső hőmérsékletét a devitrifikéit üvegből kiindulva mérjük. így tehát nem áll fenn a hőmérséklet határok tökéletes egybeesése, de minél közelebb van az üzemi hőmérséklet a devitrifikáció felső hőmérsékletéhez, annál nagyobb a veszélye annak, hogy nem lehet dolgozni. Mindenesetre okvetlenül szükséges, hogy a megfelelő viszkozitást elérjük a szálképzés pillanatában és hogy az üveg a centrifuga belsejében ne legyen kisebb hőmérsékleten, mint a devitrifikáció felső hőmérséklete.

A Meilleraie bazalt a találmány szerinti megoldásnál a legjobb, mert a legelőnyösebb reológiai viselkedésén kívül a kerámiai centrifugákra nézve a legkevésbé agresszív.

Ha szálképzést akarunk végezni belső centrifugálással • · · · · • · ··· ··· • · · · · · egy ilyen bazaltüvegből a fém centrifugáknál szokásos feltételek mellett, azaz olyan centrifugában, amelynek gyakorlatilag vastagságában izoterm fala van, a kísérlet, amelyet egy képzeletbeli üveggel lehet elvégezni, azaz olyan üveggel, amelynek a viszkozitás-hőmérséklet görbéje a bazaltra szuperponálható, de amelynek alakítási tartománya alacsonyabb hőmérséklet tartományba esik, azért, hogy fém centrifugával lehessen dolgozni, akkor cseppképződést kapunk, nem pedig szálat.

Ahhoz, hogy egy ilyen összetételből szálat képezzünk, átlyuggatott centrifuga segítségével, a találmány értelmében azt javasoljuk, amint azt a 2. ábrán vázlatosan ábrázoltuk, hogy a fal belsejétől a külseje felé haladva hőmérséklet gradienssel dolgozzunk. A Meilleraie bazalt esetében ilymódon olvadt anyagsugarat tudunk kibocsátani, az adott esetben 1470°C-on. Az anyagot az olvadás magjától például egy tölcséren keresztül vezetjük, ami megmagyarázza a viszonylag alacsony hőmérsékletet az olvadási hőmérséklethez képest. Az üveg folytatja lehűlését az esése folyamán, míg eléri a centrifugát.

Olyan centrifuga segítségével, amelynek belső fala például kb. 1300°C-ra van előmelegítve, olyan üveggel lehet dolgozni, amelynek a hőmérséklete ugyancsak 1350°C körül van, amely kizár minden olyan veszélyt, hogy az üveg a centrifugán belül devitrifikálódjék és amelynél az anyag fluiditása túl nagy ahhoz, hogy pontos szálképzés jöjjön létre és így cseppképződést eredményez, nem pedig szálkép• * ·· · · · ··· · ······ · ·· ·· ·· ···

- 24 zést. Ezzel szemben a külső fal, amelyen keresztül a szálak kijönnek, 1140°C körüli hőmérsékleten van, amely olyan viszkozitásnak felel meg, amely valójában lehetővé teszi a szálképzést akár kizárólag a centrifugális erő hatására, akár a centrifugális erő és a gáz kombinált hatására.

Általánosabban a találmány szerinti eljárás lehetővé teszi nagyon sokféle üvegből a szálképzést, amely üvegek Teológiai viselkedése különösen kritikus, szűk üzemi tartományuk következtében, legyen az határolva a devitrifikáció problémái által, mint a bazaltos üvegek esetében, vagy kizárólag a viszkozitás problémái által, mivel ez utóbbi igen gyorsan csökken a hőmérséklet függvényében. Szűk üzemi tartomány alatt azt értjük, hogy a tartomány kisebb, mint 100°C, valójában kisebb, mint 50°C.

A találmány szerinti eljárás foganatosításához új típusú centrifugát fejlesztettünk ki, amely hőmérséklet gradienssel tud működni úgy, hogy ez a hőmérséklet gradiens a külső és belső fala között 200°C-t érhet el. Magától értetődik, hogy a találmány szerinti centrifuga nincs kizárólag a találmány szerinti szálképző eljárás alkalmazására korlátozva, hanem még jobb izoterm körülmények között is működhet, kevésbé tűzálló üvegösszetételek esetében, és amellyel számos előny jár együtt, amelyeket a későbbiekben fogunk ismertetni.

Ahhoz, hogy jelentős hőmérséklet különbséget hozzunk létre 5 mm-t nem meghaladó falvastagságon, okvetlenül szükség volt arra, hogy olyan anyaggal dolgozzunk, amely nagyon jó hőszigetelő és kis hőinerciája van, amely a hődiffúziónak • · • ··

- 25 ellenáll. Egy másik kívánalom, hogy attól a pillanattól kezdve, ahol az olvadt üvegnek át kell haladnia a centrifuga falán, a szigetelő nem rakódhat le egyszerűen vékony burkolóréteg alakjában, hanem az egész darab létrehozásában részt kell vennie. Ez a feltétel a gazdaságossági feltételeket a darabok alakítási szintjére és az átlyukasztás szintjére helyezi. Ezen túlmenően az anyagnak elég tűzállónak kell lennie és folyamatosan el kell tudni viselnie olyan hőmérsékleteket, amely 1200 és 1300°C körül van és végül a legutolsó, de nem legcsekélyebb követelmény, hogy az anyag üvegek korróziójával szemben ellenálló legyen.

Az első kiválasztott anyagtípus szilícium-nitrid, például az RBSN típusú szilícium-nitrid, amelyet szilícium por nitrogén alatti frittelésével kapunk, vagy S13N4 típusú vagy SIALON típusú szilícium-nitrid. A frittelt anyagok jó termikus tulajdonságot mutatnak egészen 1300°C körüli hőmérsékletekig, ami viszonylag könnyen létrehozható. Mechanikai ellenállásuk 1000°C-on 450 MPa és lineáris dilatációs együtthatójuk 20-1000°C között 3 10“⁶ C^-1. Ennek az anyagnak a hővezető képessége 20 Wm¹ °C^-1 1000°C-on, ami nagyon jó szigetelő. Azonkívül ennek az anyagnak a sűrűsége 3,2 nagyságrendű, ami nagyon kis sűrűség és ehhez egy nagyon kis diffúziós képesség tartozik. A frittelés technikája lehetővé teszi, hogy nagyon bonyolult alakú darabokat is elő tudjunk állítani. A nyílások már a kiinduláskor elkészíthetők a nyersdarabban, rudacskák formájában, és ha a darab egyszer már alakra van hozva, akkor a rudacskákat visszahúzzuk és a • · ♦ i. · · ·· ··· ··« · • · « <1 · · *

- 26 nyílások átmérőjét gyémánttal csiszoljuk.

Meg kell jegyezni, hogy az alkalmazott kerámiai anyag porozitása nagyon csekély, sűrűsége előnyösen nagyobb, mint a maximális elméleti sűrűség 97%-a. Ez a feltétel, amelyet elég egyszerűen meg lehet kísérletileg állapítani, ha teljesül, a darab minőségének nem destruáló vizsgálatát képezi és azt jelenti, hogy majdnem tökéletesen hiányoznak azok a hibák, amelyek a folyás jó lefolyását és a hajlékonysággal szembeni jó ellenállást biztosítják.

A hőlökésekkel szembeni viselkedés és a keménység szempontjából nagyon kielégítő eredményeket ad a szilícium-nitrid, amely azonban viszonylag gyenge tartósságot (5,4 MPa Vm nagyságrendűt) mutat, ami nagyon megnehezíti nagy átmérőjű centrifugák megvalósítását, amelyeknek átmérője 400 mm vagy annál több. A centrifugákat nagy sebességgel hajtjuk, amikoris a centrifuga gyorsulása 4000-20000 m/s^ lehet, ha az EP-B1 91 381 sz. szabadalom által javasolt, a szálak minősége szempontjából előnyös feltételeket kívánjuk megvalósítani.

Ezért előnyösen összetett kerámiákat alkalmazunk, amelynek szilícium-karbid mátrixa van és ez szilícium-karbid szálakkal vagy karbonszálakkal van megerősítve. Ezeknek a kerámiáknak a tartóssága 25-30 ill. 45-52 MPa Vm között van, ez utóbbi értékek jól megközelítik a fémek értékeit. Ezek az összetett kerámiák gyakorlatilag többé nem rendelkeznek az ilyen típusú anyagokra általában nagyon jellemző törékeny karakterrel.

Ezeket az összetételeket előfonnák kimunkálásával nyerjük úgy, hogy szilícium-karbid vagy karbon szálakból álló anyagrétegeket halmozunk egymásra olyan tömören, ahogy csak lehet. A szálakból álló hálót azután egy vagy előnyösen egy sorozat impregnálásnak vetjük alá, gőzzel való infiltrálás útján nagy hőmérsékleten, hogy az előjelző gáz pirolitikus krakkolást szenvedjen. Az előjelző gáz általában triklór-metoxi-szilán. Miután a mátrixot a szálak körül helyére tettük, a nyersdarabot általában készre munkáljuk és a nyílásokat például lézer fúrással létrehozzuk.

Ezeknek az anyagoknak a mechanikai szilárdsága annál inkább figyelemre méltó, mivel a szilícium-karbid önmagában kevésbé ellenálló, mint a szilícium-nitrid, ami megmagyarázza, hogy ezt az anyagot miért nem választottuk frittelt darabok előállításához. így tehát egy törékeny-törékeny típusú összetételünk van, amelynek rendkívüli mechanikai szilárdsága a szálak jelenlétének köszönhető, amelyek megakadályozzák a repedések terjedését. A lökési energiát a sok mikro-repedés nyeli el és a szál-mátrix érintkezőfelület abszorbeálja anélkül, hogy a primer repedések túlzottan szétterjednének.

Sic kerámia esetében a mechanikai jelenségek a következők: nyújtási szilárdság 200 MPa 1000°C-on. Ez a szilárdság 150 MPa-ban van korlátozva 1400°C-on, (innen származik a gyakorlatban adódó hőmérséklethatár 1200 és 1300°C között), Young-modul 1000°C-on 200 GPa és 1700°C-on 170 GPa, nyomással szembeni szilárdság a vastagságban az anyag rétegeire merőlegesen 380-250 MPa, az anyag rétegeiben 480-300 MPa.

SiC-C kerámia esetében még jobb értékeket kapunk,

Az adatok 1000 és 1400°C esetében: húzási szilárdság 350 MPa (330 MPa), Young modul 100 GPa (100 GPA), nyomószilárdság a vastagság irányában 450 MPa (500 MPa) és a síkban 600 MPa (700 MPa).

Az összetett kerámiából készült darabok nem izotrópok, tulajdonságaik különbözők aszerint, hogy az anyagrétegekkel párhuzamosan, vagy azokra merőlegesen mérjük. Az anyagrétegek párhuzamosan helyezkednek el a centrifuga kerületi falával, ami rendkívül előnyös, ha a találmány szerinti eljárást foganatosítjuk, mert akkor pontosan a vastagságban, az anyagrétegekre merőlegesen a legnagyobb a hővezetés, mivel a szálakból álló háló nem tud hővezető szerepet betölteni. Meg kell jegyezni ezzel szemben, hogy a nagy hővezetés az anyagrétegek síkjában igen előnyös, mert hozzájárul ahhoz, hogy ne képződjön hőmérséklet gradiens a sáv magassága mentén.

Pontosabban, 40 %-os száltartalom esetén a SiC-SiC kerámia 1000 és 1400°C közötti hőmérsékleten 5·10^-6 M² s^-1 nagyságú állandó hődiffúziós képességet mutat az anyagrétegekkel párhuzamos síkban és 2·10^-6 M² s^-1-t az erre merőleges irányban. Ez a jelenség még erőteljesebben kitűnik olyan kerámia esetében, amely vezető karbonszálakkal van megerősítve, ahol a hődiffúziós képesség 1000 és 1400°C között 7-8·10^-6 M² s”l a párhuzamos síkban és 2·10^-6 M² s^-1 a vastagságban, míg a hővezetés 17 WmK a vastagságban és 33 WmK a síkban. Ez a nagyon csekély hődiffúziós képesség a nagyon alacsony sűrűségű szilícium-nitrid következménye és következésképpen ez a sűrűség 2,5 SiC-SiC kerámia esetében és 2,1 SiC-C kerámia esetében. Ez a sűrűség nagyon könnyű darabok megvalósításához vezet, amelyek ezért rendkívül könnyen forgásba hozhatók.

Mechanikai és hőtani szempontból a SiC-C kerámiáknak jobb tulajdonságai vannak, mint a SiC-SiC kerámiáknak. Mégis a tisztán szilícium-karbid kerámiából lévő centrifugák előállítása egyszerűbb. A Sic szálak, amelyek a lyukak átfúrásakor szabaddá válnak, érintkezésbe kerülhetnek az olvadt üveggel, ami nem áll fönn a szén szálak esetében, amelyek szén-dioxiddá alakulnának át, míg a szilícium-karbid szálak elpusztulnak, mint a mátrix. A leépülési reakció kissé gyorsabb lehet a szálak finomsága miatt és a szilícium-karbid átalakulhat szilíciummá, amely rögtön egy védőréteget képez. Ahhoz, hogy SiC-C kerámiát alkalmazzunk, arra van szükség, hogy a falon keresztül fúrt lyukak védelmére kezelést végezzünk, például keramizálást szilícium-karbiddal vagy más vékony rétegben lehelyezett kerámiával, amely az üveg által okozott korróziónak ellenáll.

A 3. ábrán a találmány szerinti centrifuga metszetét ábrázoltuk. Ebben a különleges esetben a kerámiát SiC-SiC kerámiából készítettük. Kerámiából készült centrifuga alatt a centrifuga azon részét értjük, amely közvetlenül érintkezni fog az olvadt üveggel, vagy amelyet a nagyhőmérsékletű gáznemű környezet fog veszélyeztetni. A centrifuga minden egyéb része előnyösen fémből készül, gazdaságossági és meg• · • ·

- 30 valósíthatási okokból. A kerámiából lévő darab így tehát kúpos 5 részből áll, amely három részre van osztva: a tulajdonképpeni kerületi 6 sávra, amely kb. 20000 nyílással van átfúrva, amelyeknek átmérője 0,2-0,7 mm, előnyösen 0,5 mm egy 400 mm átmérőjű centrifuga esetében, ahol a 6 sáv magassága 50 mm nagyságrendű. A kúpos 5 szakasznak visszahajló 7 pereme van, amely a darabnak jó mechanikai merevséget ad, továbbá egy sík 8 feneke, amely befogadja az olvadt üvegáramot, és ahol gyakorlatilag egy olvadt üveg tömeg raktározódik fel. A centrifuga 8 feneke fémből lévő 9 agyra van erősítve. A rögzítés módját később ismertetjük. Az ábrázolt vázlat nem felel meg teljesen egy valóságos darabnak, amelynek a szögei előnyösen le vannak gömbölyítve, de ebből a vázlatból megállapítható, hogy a találmány szerinti szerkezeti elemek elég egyszerű vonalvezetésűek és helyi megerősítő elemekre nincsen szükség, annak következtében, hogy a kerámiából lévő darab hőtágulása gyakorlatilag zérus. így tehát nincs szükség arra, hogy mint a fém centrifugák esetében egy tulipán alakú meghajlított részt alkalmazzunk, nem figyelhető meg a tartósfolyás jelensége, és nem lépnek fel jelentős deformációk.

A találmány szerinti kerámiai centrifuga nem függ attól, hogy hogyan megy végbe a szálképzés, és hogy milyen az alkalmazott üveg összetétele, és még a klasszikus szálképzés és klasszikus üvegösszetétel esetében is alkalmazható. Tudjuk, hogy a fém centrifugák tartósfolyása a szálképzés körülményeinek módosítását vonja maga után, például az égőkhöz

közelebb kibocsátott filamentek esetében, pedig a szálképzés körülményeinek minden módosítását a szál minőségének csekély módosítása követi, például átmérőjének változása, amit a gyártó negatív jelenségként értékel, mert célja általában, hogy a minőséget állandó értéken tartsa.

Az előzőekben azt említettük, hogy a kerületi sáv magas sága 50 mm nagyságrendű, azonban ezt a magasságot meglehető sen nagymértékben lehet emelni. Valójában itt olyan magasságról van szó, amelyet fém centrifugával nagyon nehéz túlhaladni, mivel ahhoz, hogy minden nyílást tápláljanak a centrifugális erőt kellene növelni, azaz a centrifuga forgássebességét és ezzel összefüggésben a feszültségeket, amelyek a centrifugára hatnak, aminek következménye lenne, hogy bizonyos szinten az anyag rugalmassági határát túllépnék és irreverzibilis deformációk jönnének létre. Világos, hogy olyan centrifugával, amely nem deformálódik, a forgási sebességet jelentős mértékben növelni lehet. Ezenfelül a találmány szerint kiválasztott kerámiák esetében azok sűrűsége igen csekély és így a többi darabra, különösen a tengelyre és az agyra csekély erőt fejtenek ki.

A hagyományos szálképzés ezen szempontjait összegezve megállapíthatjuk, hogy a találmány szerinti centrifuga nagyobb hőmérsékleteket képes elviselni, mint a fém centrifugák és választhatunk üvegösszetételként szokásos összetételeket, de kissé melegebb, és ezért jobban folyó összetételeket, amelyekhez a szálképzésnél kevesebb energia szükséges és amelyeknél a szálképzésben a centrifugálás játssza a légI • · • * • ·· · · • · · • · · nagyobb szerepet.

Térjünk vissza most a 3.

ábrához, és különösen a tengely által forgatott, fémből lévő 9 agy és a 8 fenék kapcsolatához. A rögzítésnél három fontos dolgot kell szem előtt tartani. Egy engedékeny kapcsolatot kell teremteni, amely számításba veszi a fém darab és a kerámia darab hőtágulása közötti különbséget, a centrifuga tökéletes központosítását, amelynek kerületi sebessége nagyobb mint 50 ms^-1, előnyösen 50-90 ms^-1, hogy az EP-B 91 866 sz. szabadalomban ismertetett előnyös feltételeket megkapjuk, továbbá, hogy a kerámia soha ne üzemeljen húzóigénybevétel, hanem mindig csak nyomóigénybevétel alatt.

Ezeket a követelményeket elégíti ki a javasolt összekötés, de természetesen más rögzítéseket is alkalmazhatunk, ha ezeket a feltételeket kielégítjük. A rajzolt kivitelnél legalább három hosszúkás 11 ágyat alakítunk ki, egymástól szabályos távolságban, a 8 fenék alsó felületén. Ezekbe a hosszúkás 11 ágyakba 12 csapokat helyezünk be, amelyek szintén kerámiából vannak és a fémből lévő 9 agyba melegen be vannak préselve. Ez a bepréselés egy nagyon pontos beállítást tesz lehetővé. Ezek a 12 csapok sugárirányban elmozdulnak, amikor a 9 agy kitágul és így a centrifuga jó központosítását biztosítják. Ezenkívül a 8 feneket kör alakú, fémből lévő 13 kengyel fogja közre, amely a 9 agyhoz van erősítve pl. a 14 csapok segítségével, fém-fém rögzítéssel. A 8 fenék és a 13 kengyel, valamint a 9 agy és a 13 kengyel közötti játékot egy tűzálló tömítés tölti ki, amely a kerámiai részt • ·· rögzíti szorítás nélkül, beékelés révén úgy, hogy az erő nagyon nagy felületen oszlik meg. Ennek megvalósításához alkalmazhatunk alumínium szálból vagy más tűzálló szálból lévő nemezt, előnyben részesítjük azonban a grafit tömítést, nevezetesen a grafit fóliával bevont papírt, amely rugalmas és ilymódon reverzibilisen tudja követni a darab deformációit. A grafitot itt alkalmazhatjuk, mert be van zárva egy zárt térbe, levegőcsere nélkül.

A centrifugát égők veszik körül, amelyek az előmelegítést, valamint a hőmérséklet fenntartását és a meleg környezet létrehozását és/vagy a kerületi fal mentén áramló szálképzésben résztvevő gázáramok létrehozását szolgálják. A kerületi sáv belső falát belső 15 égők melegítik, amelyek gyűrű alakban vannak felszerelve. Ezek a 15 égők előnyösen széttartó sugarú égők, hogy a fal teljes magasságát beborítsák. A külső falat gyűrű alakú 17 égő 16 szájnyílása melegíti. Azonkívül alkalmazhatunk külső égőkből álló, mozgó 18 égőmezőt, amelyet az előmelegítés alatt alkalmazunk és visszahúzzuk, mihelyt az olvadt üvegáram megindul kifelé.

Az előmelegítést úgy végezzük, hogy figyelembe vesszük a hőmérsékletemelkedés görbéjét, figyelembevéve a kerámia hőlökésekkel szembeni szilárdságát. Legalább 1000°C-nál nagyobb falhőmérsékletet kell például elérni az öntés kezdete előtt, ha a szálképzésnél a centrifuga hőmérsékletét 1200 és 1300°C között választjuk meg. Annak érdekében, hogy a túl nagy hőmérséklet gradiensek megjelenését elkerüljük, az előmelegítést a lehető legjobban izoterm körülmények között • · · kell végezni, a vastagságban vett keresztmetszeteket tekintve, azaz az anyagrétegekkel párhuzamosan, összetett kerámia esetében. A problémát itt az jelenti, hogy a kerámiáknak nagyon alacsony a hődiffúziós képessége, ami azt jelenti, hogy gyakorlatilag nem adja át az egy ponton kapott hőt a szomszédos részeknek. Tekintettel a meglévő nyílásokra, amelyeken keresztül az égő gázai helyileg a falon keresztül utat törnek, előnyös ha a centrifugát mind kívülről, mind belülről előmelegítjük és a belső előmelegítés például akkor kezdődik, amikor az 500-600°C hőmérsékletet elértük. Azonkívül a belső előmelegítés csökkenti a hővezetésből származó hűtőhatást.

A szálképzés szakaszában a külső gyűrű alakú 17 égőnek előnyösen képesnek kell lennie arra, hogy olyan gázáramokat bocsásson ki, amelyeknek hőmérséklete a kerületi sáv külső fala részére kívánt hőmérsékletnek felel meg, és amelynek sebessége legalább egyenlő a centrifuga kerületi sebességével, azaz az előbb említet példában legalább 50 ms^-1. Ezek a kibocsátott áramok, amelyek lényegében merőlegesek az üvegfalámentekre, hozzájárulnak a szálak kihúzásához, és azokat magukkal viszik a szálakat fogadó berendezéshez. Annak elkerülésére, hogy a filamentek egy része ne kövesse a vízszintes pályát a gázáramok által határolt szakaszon túl, a szálképző berendezést kiegészítjük többek között 18 égőmezővel, amely a 19 nyíláson keresztül viszonylag hatékonyabb sugarakat bocsát ki, a gázzal történő szálképzéshez szükséges hőmérsékletnél kisebb hőmérsékleten és amely jól ismert módon • · · « · ·· ··· ··· • · · · · · elszakítja a filamenteket és elősegíti esésüket a fogadó berendezés felé.

Egy ilyen berendezéssel az üvegek széles skálájából lehet szálat képezni, amely megfelel olyan összetételeknek, amelyeknek szilicium-dioxid tartalma 50 és 70% között változhat, ami nagyon széles skálájú termék létrehozását teszi lehetővé, emellett alkalmazható a természetes kőzet, szóda hozzáadása nélkül, méghozzá olyan szálminőség mellett, amely legalább egyenlő a belső centrifugálással kapott szálak jelenlegi minőségével.

Azonfelül a találmány szerinti centrifuga a vastagság mentén, azaz az anyagrétegekre merőlegesen, olyan hőmérséklet gradiennsel működhet, ami elérheti pl. a 200°C-t. Ilyen hőmérsékletesés lehetővé teszi, hogy nehézség nélkül megvalósítsuk az 1. ábrán bemutatott hőmérséklet profilt. Ez a hőmérséklet profil lehetővé teszi, hogy jó feltételek mellett végezzük el a szálképzést a Meilleraie bazaltból, amelynek összetételét az előzőekben már megadtuk. A nagyobb átmérőjű (30-35 μ átmérőjű) szálakat 30 kg/nap/nyílás hozammal érjük el, gyakorlatilag zérus nem-szálas tartalommal, ami rendkívüli eredmény bazaltüveg esetében. A kisebb átmérőjű szálak hozama 0,1 kg/nap/nyílás volt, és olyan üveget, amelynek a viszkozitás hőmérséklet görbéje az 1 görbének felel meg, nagyon finom szálakból nyertük, amelyeknek átlagos átmérője 1,75 μ. Minden közbenső értéket el lehet érni, ha a napi és nyílásonként! hozamot a megadott értékek között változtatjuk.

Claims (17)

1. Szabadalmi igénypontok

   1. Eljárás ásványi szálak előállítására belső centrifugálással, amelynek során az anyagot, amelyből szálat kívánunk képezni, olvadt állapotban centrifuga belsejébe öntjük, amely centrifuga kerületi sávja nagyszámú kiömlőnyílással van átlyukasztva, azzal jellemezve, hogy a kerületi sáv belső felülete és külső felülete között hőmérséklet gradienst

   Az m e tartunk fenn.

   1. igénypont szerinti eljárás, azzal j e 1 1 e zve , hogy a belső és a külső falak közötti hőmérsék let
2. 3. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal j e 1 1 e hogy a külső és belső falak közötti hőmérséklet különbséget gyobb annál olyanra választjuk, hogy a belső hőmérséklet na a hőmérsékletnél, amelynél az anyag elkezd de vitrifikálódni, és hogy a külső hőmérséklet elég kicsi ahhoz, hogy az üveg viszkozitása elég nagy legyen a szálképzés pillanatában.
3. 4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, az zal jellemezve, hogy a belső és külső falakat a kerületi sáv teljes magassága mentén izoterm állapotban tartjuk.
4. 5. Berendezés ásványi szálak előállítására, amely centrifugát tartalmaz, azzal j ellemezve , hogy a centrifuga kerületi sávjának hővezető képessége kisebb, mint • <t • · ··· ··· · ······ · ·· ·· ·· ·· ·

   - 37 20 Wm^-1C^-1 1000°C-on, előnyösen kisebb, mint 10 Wm^-1C^_1 1000°C-on.
5. 6. Az 5. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve , hogy a centrifuga kerületi sávjának hődiffúziós képessége kisebb, mint 5 10^-6 M² s^-1, 1000°C-on.
6. 7. Az 5. vagy 6. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a kerületi sáv frittelt szilícium-nitrid kerámiából van kialakítva.
7. 8. Az 5. vagy 6. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a kerületi sáv összetett kerámiából van kialakítva, amely szilícium-karbid mátrixból áll és ez szilícium-karbid szálakkal van megerősítve.
8. 9. Az 5. vagy 6. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a kerületi sáv összetett kerámiából van kialakítva, amely szilícium-karbid mátrixból áll és ez karbonszálakkal van megerősítve.
9. 10. A 9. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve , hogy a centrifuga szilícium-karbid alapú védőréteggel van ellátva.
10. 11. Az 5-10. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy belső és külső égői vannak.
11. 12. A 11. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve , hogy a belső égők széttartó sugarú égők.
12. 13. A 7-12. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a centrifuga kerületi sávja a motor tengelyének agyára fémkengyellel van ráérő- ·· t

    sítve és az agyban zsugorított kerámia szorítókkal van központosítva, amelyek a kerületi sávban kialakított hosszúkás ágyakban csúszóan vannak elhelyezve.
13. 14. Az 5-13. igénypontok bármelyike szerinti berendezés alkalmazása üvegszál képzésnél, amelynél az üzemi tartomány szélessége kisebb, mint 100°C.
14. 15. Az 5-13. igénypontok bármelyike szerinti berendezés alkalmazása üvegszál képzésnél, amelynél az üzemi tartomány szélessége 1100°C fölött van.
15. 16. Az 5-13. igénypontok bármelyike szerinti berendezés alkalmazása üvegszál képzésnél, amelynél a szilícium-dioxid tartalom nagyobb, mint 45 súly%, előnyösen 50 súly%, és a mésztartalom kisebb, mint 20 súly%, előnyösen 15 súly%.
16. 17. Az 5-13. igénypontok bármelyike szerinti berendezés alkalmazása bazaltüvegekből végzett szálképzésnél.
17. 18. Az 5-13. igénypontok bármelyike szerinti berendezés alkalmazása Meilleraie bazaltok esetében.