JP2010521397A - 複合合金成形炉アセンブリ - Google Patents

Abstract

フィラメント形成装置（５）は、構造的要素と非構造的要素とを含む成形炉を有する。少なくとも一つの穴あき底チッププレート（１４）を含む構造的要素は、高クリープ強さ及び溶融無機材料に対する高い耐腐食効果を有する第１の材料で形成されている。成形炉の端壁（５０）及び側壁（４０）の上方に配置された少なくとも一つのスクリーン（１６）を含む非構造的要素は、第１の材料とは異なる第２の材料で少なくとも形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、概略的には、連続フィラメントを製造するための装置またはその製造方法に関し、詳細には、フィラメント形成装置における成形炉アセンブリに関するものである。本発明は、ガラス連続フィラメントや無機連続フィラメントの製造に有益である。

繊維製品は、長年にわたり、貴金属で作られた成形炉つまりフィーダを用いて製造されてきた。そのようなフィーダは、当該技術分野において一般的にチッププレートと呼ばれ溶融無機材料を貯留する穴あき底プレートまたは穴あき底壁を含んでいる。溶融無機材料の流れは、成形炉底部壁にある開口またはノズル端から流出する。その後、材料の流れは、適当な手段によって、繊細化され、繊維形態に収束される。

材料のフィーダまたは成形炉は、溶融無機材料の作用に対して化学的な耐性がなければならず、さらに、高い動作温度において寸法が安定していなければならない。現在のところ、そのような成形炉は、例えば、白金や白金ロジウム合金などの、元素金属である貴金属あるいは二元合金から製造されている。貴金属はたいへん高価である。そのような貴金属のより少ない量で成形炉を形成すること、すなわち、より少ない高価な材料で成形炉を形成することができれば、大きな経済的利益が生じることになる。

貴金属成形炉の使用において直面する別の問題は、ある期間がすぎると、稼働中に貴金属成形炉がクリープや変形をおこす傾向があるという事実から生じる。そのようなクリープや変形は、繊維の性質に悪影響を及ぼす。材料の腐食作用や浸食作用が成形炉に損失を与えていたならば、より早期に、成形炉は変形によって使用できなくなってしまう。貴金属のフィーダには寿命があるので、寿命が改善された成形炉を提供するための技術のニーズが存在する。

一態様において、フィラメント形成装置は、穴あき底チッププレートと、対向するエンドプレートと、対向する側壁と、スクリーンとを備えた成形炉アセンブリを有する。スクリーンは、側壁及び端壁の上方に配置され、溶融無機材料はスクリーンを通って流れる。成形炉アセンブリは、構造的要素及び非構造的要素の両方を有する。ある実施の形態において、構造的要素には、穴あき底チッププレートと、選択的に、少なくとも対向する側壁の下部とが含まれる。構造的要素は、少なくとも、高クリープ強さを有する第１の材料で形成されている。非構造的要素には、少なくともスクリーンが含まれる。非構造的要素は、第１の材料よりも少なくともクリープ強さが低い第２の材料で形成されている。

ある実施の形態においては、構造的要素は、高クリープ強さを有する第１の材料で形成されており、且つ、溶融無機材料に対する耐腐食効果が高いという能力を有する。ある実施の形態において、構造的要素には、少なくとも側壁の一つの下部と、穴あき底チッププレートとが含まれる。第１の材料は、白金または白金合金を備えうる。

非構造的要素は、第１の材料とは異なる少なくとも一つの第２の材料で形成されている。ある実施の形態においては、非構造的要素には、スクリーンと、少なくともエンドプレートの上部とが含まれる。第２の材料は、Ｐｄを０〜１００％、Ｐｔを０〜１００％、Ｒｈを４０％以下、Ｒｕを１０％以下、Ｉｒを１０％以下備えていてもよい。ある実施の形態においては、第２の材料は、Ｐｄを４０〜５０％、Ｐｔを４０〜５０％、Ｒｈを５〜１５％備えている。

また、ある実施の形態においては、非構造的要素には、さらに、一又は二以上の両側端子と、少なくともエンドプレートの上部とが含まれ、その両側端子とエンドプレートの上部とは、第１及び第２の材料とは異なる第３の材料を備えている。

本発明の前述の又は他の、目的、特徴及び利点は、以降に続く詳細な説明の考察において、より十分に現れるであろう。しかしながら、明確にしておきたい点は、図面は、説明のための例示図であり、本発明を限定するように解釈されるものでないことである。

本発明の利点は、以下の本発明の詳細な開示の考察とくに添付図面と併せた考察により明らかであろう。

成形炉アセンブリを有するダイレクトメルトガラス繊維形成装置の一部分を断面とした部分正面図である。 成形炉アセンブリの一部分を破断した斜視図である。

以下、例えばガラス繊維や無機繊維のような溶融無機材料を製造するためのフィラメント形成装置について説明する。本装置は、繊維へと形成される材料に対し有益である。以下、説明を容易にするため、フィラメントは、ガラス繊維またはガラスフィラメントと一般に称されているものとし、また、従来公知の技術については説明しないこととする。成形炉の形状は、総括的に図示しただけであり、技術的に普通に使用される形状であれば如何なる形状でもよい。

成形炉（bushing）は、例えばリメルト成形炉またはダイレクトメルト成形炉である。リメルト成形炉は、その上部において、マーブル状または他の状態の常温ガラス（cold glass）を溶融し、その後、溶融状態を調整しつつ、溶融したガラスを、ブッシングノズルを通過させて繊細化する。ダイレクトメルト成形炉には、フォアハース（forehearth）と称される樋内にある、成形炉上方の連続的な供給流から、所望の温度で、液状ガラス（ケイ酸ナトリウム）が供給される。ダイレクトメルト成形炉は、溶融したガラスを繊細化する前に、その温度を均一に調整するだけである。

図１に、炉７やフォアハース８を有するフィラメント形成装置５の一例を示す。電気加熱成形炉アセンブリ１０は、フォアハース８の下方に配置されてフォアハース８と連通しており、フォアハース８は、精製、加熱軟化または溶融されたガラスを、炉７から受ける。電気加熱成形炉アセンブリ１０は、フォアハース８の底部における開口またはスロート９と連絡するように設けられている。

電気加熱成形炉アセンブリ１０は、典型的には、電気的に加熱されるものであり、そのために、例えば、径方向に対向した両側端子（ears）１３のような適当な端子を備える。両側端子１３は、図示しない適当な電源に接続されており、それによって、電流が電気加熱成形炉アセンブリ１０を通して流される。

図２に示す実施の形態においては、電気加熱成形炉アセンブリ１０は、概略的には、溶融されたガラスが流通するスクリーン１６と穴あき底チッププレート１４とを含んでいる。穴あき底チッププレート１４は、ノズルプレートとも呼ばれている。ある実施の形態においては、ノズルまたはチップ１２が、穴あき底チッププレート１４の底面から延びている。穴あき底チッププレート１４は、何個かのノズルを含んでいてもよく、好ましくは、ノズル全てが均一な温度であるかその温度付近となっている。また、スクリーン１６は、概ねＶ字状の断面を有するように示されているが、スクリーン１６は、その他の適当な断面形状、例えば、Ｗ字状の断面、あるいは、その他の傾斜された又は方向付けされたような折り畳み形状を備えてもよい。また、スクリーン１６は、図２に示されるように、そこから延びるような一又は二以上のフランジ１７を備えてもよい。

ガラスのフィラメント２０は、ノズル１２を通る溶融されたガラスから繊細化される。フィラメント２０は、電気加熱成形炉アセンブリ１０から引き出され、収束部材２３によってストランド２２へと収束される。フィラメント２０をコートするために、サイズアプリケータ２６によってサイズ決定がなされる。往復動装置３２はストランド２２を案内し、ストランド２２は、回転コレット３４に巻かれてパッケージ３６が形成される。

また、ある実施の形態では、電気加熱成形炉アセンブリ１０は、チッププレートガセットと呼ばれる一又は二以上の補強材１８を含んでいる。補強材１８は、チッププレート１４の上面に取り付けられ、チッププレート１４に追加的な支持を与え、チッププレート１４が早い段階でたるんでしまうことを防止する。図２に示されるように、ガセット１８は、チッププレート１４の上面を幅方向に延びており、チッププレート１４の上面にわたって間隔をあけておかれる。

電気加熱成形炉アセンブリ１０は、対向する側壁４０及び対向する端壁（エンドプレート）５０を備えた概ね矩形のボディを有する。側壁４０のそれぞれは、穴あきチッププレート１４に隣接する下部４２を有する。側壁４０のそれぞれは、また、下部４２とスクリーン１６とに隣接する上側側壁部４４も有する。図示の実施の形態においては、側壁４０は、成形炉アセンブリ１０をフィラメント形成装置５内のフレーム（図示せず）に固定するために有用な一又は二以上の支持レール４６及び支持ブラケット４８を含んでいてもよい。

図示の実施の形態においては、端壁５０のそれぞれは、穴あきチッププレート１４に隣接する下部５４を有する。端壁５０のそれぞれは、また、下部５４とスクリーン１６とに隣接する上側側壁部５２も有する。

ある実施の形態においては、少なくとも下部５４が両側端子１３に隣接されている。図示の実施の形態では、両側端子１３は、上側部分５６と下側部分５８とを含む。

使用においては、成形炉アセンブリ１０は、溶融されたガラスを均一な温度に調整し、フィラメントは、均一な径に繊細化される。溶融されたガラスの温度は、ガラスを液体状態に維持するために十分な高温でなければならない。したがって、成形炉は、その動作期間中、高温にさらされる。成形炉アセンブリ１０は、溶融されたガラスに対して化学的な耐性がなければならず、寸法的に安定していなければならない。具体的には、成形炉の耐用年数の間に、重力による曲げ応力、繊維の張力及び溶融ガラスの重量によって、また、温度上昇によって、チッププレート１４のたるみが引き起こされる。そのたるみは、チッププレート１４の有効性を減少させ、その結果、成形炉アセンブリ内に不均一な温度分布をもたらすので、一様でない熱移動に起因した不均一な径の繊維が作られる。また、近年では、ワインディング装置に供給する繊維の数を増加するため、成形炉のサイズが増加してきた。しかしながら、より大きな成形炉は、そのサイズに起因した数々の問題に直面する。大きな成形炉のチッププレートを均一な温度に維持し、フィラメントの均一な直径をなお達成することは困難である。また、チッププレート上方の成形炉内にある溶融ガラスの重量や高い作動温度に起因した当該チッププレートの歪みを制御し最小にすることは困難である。より大きなチッププレートは、小さいチッププレートよりも、大きな総荷重を受け、早めにたるみやクリープを起こす。また、現在の工程では、より高い作動温度が、チッププレートをなす合金の高温クリープを加速させる。このような問題は、チッププレートのクリープや歪みにつながり、成形炉の耐用年数を制限する。クリープは、荷重下でのチッププレートの変形であり、プレートの応力や温度の関数である。プレートの熱膨張に対する許容量が十分でないとき、成形炉の温度が増加するときに、変形は起こる。

成形炉の何らかの変形は、成形炉アセンブリ１０のオリフィスを含むようなチッププレート１４にわたる不適切な熱変形、溶融無機材料が通過するオリフィスの拡がりや不整列を起こすので、成形炉の寸法安定性、特にクリープ速度に関する寸法安定性は、特に重要である。また、成形炉アセンブリにおける少なくとも溶融ガラスに直接接触する部分は、溶融ガラスの腐食効果に耐えることができることが望ましい。溶融ガラスに対する耐腐食性や耐酸化性から白金が有用な材料である。白金合金は、昇温時のクリープに対しても耐性がある。しかしながら、純白金は軟らかく高温によってすぐに変形し、また、近年のガラス繊維化の技術開発は、従来からある固溶体の補強によって白金族金属において実現可能な強さの限界に取り組んでいる。

成形炉アセンブリは、各部の耐クリープ性が特定の構造的な要求を満たすように合わせられ、さらに耐酸化性や耐ガラス変形性をも有するように開発されている。そのような成形炉アセンブリ１０は、それぞれが独自の性質を備えた構造的要素及び非構造的要素の両方を有する。

成形炉アセンブリ１０の構造的要素は、望ましい高クリープ強さ及び耐腐食性の両方を有する第１の材料で形成されている。構造的要素は、大抵、少なくとも、側壁４０の下部４２と、穴あき底チッププレート１４とを含み、現状ではノズル１２も含む。ある実施の形態において、成形炉アセンブリ１０が、さらに、補強材１８、支持レール４６及び／又は支持ブラケット４８を含むときには、その側方のレール４６及び／又はブラケット４６も第１の材料からなる構造的要素とされる。

ある実施の形態においては、第１の材料は、白金材料、白金合金、または、分散強化白金合金を備えている。具体的な実施の形態においては、第１の材料の白金合金は、白金ロジウム合金を含んでいてもよい。また、具体的な実施の形態においては、分散強化白金合金は、McGarryによる米国特許4,274,852号に記載されたようなものでもよく、当該特許を本明細書に援用する。分散強化白金合金の適切な例は、効果的な分散強化量をもつような、分散媒（dispersing mediun or matrix）、金属酸化物、金属炭化物、金属ケイ化物、金属窒化物、金属硫化物または金属ホウ化物の分散質としての白金を含んでいてもよい。通常、そのような分散強化量は、０．１〜５％である（体積において）。ある実施の形態においては、分散質は酸化物である。分散質として用いられうる典型的な金属化合物は、グループIIＡ，IIIＡ，IIIＢ（アクチノイドクラス及びランタノイドクラスの非危険金属を含む），IVＢ，ＶＢ，VIＢ，VIIＢの金属である。より具体的には、典型的な適当な金属は、以下のように、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｂａ，Ｙ，Ｌａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｇｄ，Ｔｈ，Ａｌである。分散強化合金は、分散質がジルコニアである白金合金を含んでいてもよい。ジルコニアは、体積において０．５％の量である。

分散強化貴金属あるいは貴金属合金を製造するための方法は、周知のものであり、湿式化学の技術だけでなく、粉末冶金の技術も含む。分散強化貴金属合金を製造するためのそうした一つの方法は、当該技術において内部酸化法と称されるプロセスによる。この技術においては、貴金属または貴金属合金は、上述した材料の一つと合金化され、その後、例えば酸素アセチレンスプレーガンによる噴射によって、粉末形態に加工される。その後、乾燥粉末が粉砕されてフレークが作られ、次には、そのフレークがこのましくは空気または酸素などの適当なガスで処理され、金属が上述したような分散質の一つに変えられる。その後、そのようなフレークは、圧縮工程によって固められ、続いて、焼結される。その後、焼結体は、熱機械的な処理がされ、その処理には、適切なサイズのシートまたはプレートへの圧延工程が含まれる。

成形炉アセンブリ１０の非構造的要素は、少なくとも、第１の材料とは異なる第２の材料から形成される。非構造的要素を作る望ましい第２の部材は、耐腐食性を有する一方、前記の構造的要素のために用いられる第１の部材のような高クリープ強さは要しない。非構造的要素は、大抵、スクリーン１６、フランジ１７、側壁４０の上側側壁部４４及び端壁５０の上側側壁部５２を含んでいる。ある実施の形態において、第２の部材は、Ｐｄを０〜１００％、Ｐｔを０〜１００％、Ｒｈを４０％以下、Ｒｕを１０％以下、Ｉｒを１０％以下含んでいる。例えば、第２の部材は、一実施の形態では、Ｐｄを４０〜５０％、Ｐｔを４０〜５０％、Ｒｈを５〜１５％含んでおり、具体的な実施の形態においては、Ｐｄを４０％、Ｐｔを５０％、Ｒｈを１０％含んでいる。

また、ある実施の形態においては、成形炉アセンブリ１０の非構造的要素の一つとして、両側端子１３が含まれていてもよい。具体的な実施の形態においては、非構造的要素はさらに、一又は二以上の両側端子１３と、少なくともエンドプレート５０の下部５４とを含む。

加えて、ある実施の形態においては、両側端子１３（例えば上側部分５６及び下側部分５８を包含する）と、端壁５０の下部５４とは、第１及び第２の材料と異なる第３の材料から作られうる。その第３の材料は、中間的な強さの材料からなり、そのような強さの材料は、少なくとも、多少の望ましい高い強さ及び耐腐食性を依然として備える一方、第１の材料ほど高コストではない。ある実施の形態においては、そのような中間的な強さの第３の材料は、Ｒｈが１０％以下の合金材料を含んでいてもよい。ある実施の形態においては、そのＲｈ合金は、Ｐｄを４０〜５０％、Ｐｔを４０〜５０％、Ｒｈを１０％含んでいる。

別の態様として、長期間トラブル点検修理を不要とできるガラスフィラメントの形成方法を提供する。その方法は、大抵、構造的要素及び非構造的要素を有する成形炉の内部に溶融ガラスを提供することを含む。溶融ガラスが穴あきチッププレートを通過し、ガラスの流れが形成される。穴あきチッププレートを流通するガラスの流れは、ガラスフィラメントを形成するように繊細化される。

本発明は、様々な好適な実施の形態を参照して記載されているが、本発明の本質的な範囲を逸脱することなく様々な変更がされその構成要素に関する均等置換がされうることが当業者には理解される。加えて、多くの改変は、本発明の本質的な範囲を逸脱することなく、具体的な事情、条件及び材料を本発明の教示に合わせて適応させるように実施することができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために本明細書に開示された具体的な実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲に含まれる全ての実施の形態を包含するものである。

Claims (30)

1. 溶融無機材料が通過する成形炉アセンブリ（１０）を有するフィラメント形成装置（５）であって、
   前記成形炉アセンブリは、穴あき底チッププレート（１４）と、対向する側壁（４０）と、対向するエンドプレート（５０）と、前記側壁及びエンドプレートの上方に配置され且つ溶融無機材料が流通するスクリーン（１６）とを含む構成要素を備え、
   前記成形炉アセンブリの前記構成要素は、少なくとも一つの構造的要素と、少なくとも一つの非構造的要素と有し、
   前記構造的要素には、前記穴あき底チッププレートと、選択的に少なくとも前記対向する側壁の下部とが含まれ、該構造的要素は、高クリープ強さを有する第１の材料で形成され、
   前記非構造的要素には、前記スクリーンが含まれ、該非構造的要素は、少なくとも、前記第１の材料よりもクリープ強さが低い第２の材料で形成されている、
   フィラメント形成装置。
2. 前記第１の材料は、前記第２の材料よりも、溶融無機材料に対する耐腐食効果が高いという能力をさらに有する、請求項１のフィラメント形成装置。
3. 前記非構造的要素には、少なくとも前記側壁（４４）の上部がさらに含まれる、請求項１のフィラメント形成装置。
4. 前記第２の材料は、Ｐｄを０〜１００％、Ｐｔを０〜１００％、Ｒｈを４０％以下、Ｒｕを１０％以下、Ｉｒを１０％以下含む、請求項１のフィラメント形成装置。
5. 前記第２の材料は、Ｐｄを４０〜５０％、Ｐｔを４０〜５０％、Ｒｈを５〜１５％含む、請求項１のフィラメント形成装置。
6. 前記第２の材料は、Ｐｄを４０％、Ｐｔを５０％、Ｒｈを１０％含む、請求項１のフィラメント形成装置。
7. 前記第１の材料は、白金、白金合金、または、分散強化白金合金を含む、請求項１のフィラメント形成装置。
8. 前記第１の材料は、白金ロジウム合金を含む、請求項１のフィラメント形成装置。
9. 前記構造的要素は、前記穴あき底チッププレートの上面に取り付けられる一又は二以上の補強材（１８）をさらに含む、請求項１のフィラメント形成装置。
10. 前記構造的要素は、前記側壁の外面に取り付けられる一又は二以上の補強材をさらに含む、請求項１のフィラメント形成装置。
11. 前記構造的要素は、前記穴あき底チッププレートの底面から延びる複数のノズル（１２）をさらに含む、請求項１のフィラメント形成装置。
12. 前記非構造的要素は、前記側壁（４４）の上部から延びる一又は二以上のフランジ（１７）と、少なくとも前記対向するエンドプレート（５０）の一部とをさらに含む、請求項１のフィラメント形成装置。
13. 前記成形炉アセンブリは、前記エンドプレートに隣接する対向する両側端子（１３）をさらに含み、前記非構造的要素が、該対向する両側端子及び少なくとも前記対向するエンドプレートの一部をさらに含んでいる、請求項１のフィラメント形成装置。
14. 前記成形炉アセンブリは、前記エンドプレートに隣接する対向する両側端子をさらに含み、前記非構造的要素が、該対向する両側端子及び少なくとも前記対向するエンドプレートの一部をさらに含み、前記両側端子及び少なくとも前記エンドプレートの一部は、前記第１及び第２の材料とは異なる第３の材料を備えている、請求項１のフィラメント形成装置。
15. 前記第３の材料は、Ｒｈが１０％以下である、請求項１２のフィラメント形成装置。
16. 無機フィラメントを形成する方法であって、
    ａ） 成形炉アセンブリ内部に無機フィラメントを供給するステップを備え、
    該成形炉アセンブリは、穴あき底チッププレート（１４）と、対向する側壁（４０）と、対向するエンドプレート（５０）と、前記側壁及びエンドプレートの上方に配置され且つ溶融無機材料が通過するスクリーン（１６）とを含む構成要素を備え、前記成形炉アセンブリの前記構成要素は、少なくとも一つの構造的要素と、少なくとも一つの非構造的要素と有し、
    前記構造的要素には、前記穴あき底チッププレートと、選択的に少なくとも前記対向する側壁の下部とが含まれ、該構造的要素は、高クリープ強さを有する第１の材料で形成され、
    前記非構造的要素には、前記対向する側壁の上方に配置された前記スクリーンが少なくとも含まれ、該非構造的要素は、少なくとも、前記第１の材料よりもクリープ強さが低い第２の材料で形成されており、
    ｂ） 前記穴あき底チッププレートに溶融無機材料を通過させて材料の流れを形成するステップを備え、
    ｃ） 前記穴あき底チッププレートを通過する流れを繊細化しフィラメントを形成するステップを備える、
    方法。
17. 前記第１の材料は、前記非構造的要素を構成する前記第２の材料よりも、溶融無機材料に対する耐腐食効果が高いという能力をさらに有する、請求項１６の方法。
18. 前記非構造的要素には、少なくとも前記側壁（４４）の上部がさらに含まれる、請求項１６の方法。
19. 前記第２の材料は、Ｐｄを０〜１００％、Ｐｔを０〜１００％、Ｒｈを４０％以下、Ｒｕを１０％以下、Ｉｒを１０％以下含む、請求項１６の方法。
20. 前記第２の材料は、Ｐｄを４０〜５０％、Ｐｔを４０〜５０％、Ｒｈを５〜１５％含む、請求項１６の方法。
21. 前記第２の材料は、Ｐｄを４０％、Ｐｔを５０％、Ｒｈを１０％含む、請求項１６の方法。
22. 前記第１の材料は、白金、白金合金、または、分散強化白金合金を含む、請求項１６の方法。
23. 前記第１の材料は、白金ロジウム合金を含む、請求項１６の方法。
24. 前記構造的要素には、前記穴あき底チッププレートの上面に取り付けられる一又は二以上の補強材（１８）がさらに含まれる、請求項１６の方法。
25. 前記構造的要素には、前記側壁の外面に取り付けられる一又は二以上の補強材がさらに含まれる、請求項１６の方法。
26. 前記構造的要素には、前記穴あき底チッププレートの底面から延びる複数のノズル（１２）がさらに含まれる、請求項１６の方法。
27. 前記非構造的要素には、前記側壁（４４）の上部から延びる一又は二以上のフランジ（１７）と、少なくとも前記対向するエンドプレート（５０）の一部とがさらに含まれる、請求項１６の方法。
28. 前記成形炉アセンブリは、前記エンドプレートに隣接する対向する両側端子（１３）をさらに含み、前記非構造的要素には、該対向する両側端子及び少なくとも前記対向するエンドプレートの一部がさらに含まれる、請求項１６の方法。
29. 前記成形炉アセンブリは、前記エンドプレートに隣接する対向する両側端子をさらに含み、前記非構造的要素には、該対向する両側端子及び少なくとも前記対向するエンドプレートの一部がさらに含まれ、前記両側端子及び少なくとも前記エンドプレートの一部は、前記第１及び第２の材料とは異なる第３の材料を備えている、請求項１６の方法。
30. 前記第３の材料は、Ｒｈが１０％以下である、請求項２６の方法。

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