JPS5834565B2 - ムキブツセンイノセイゾウホウホウ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高速で回転する回転円盤を用いて岩石、鉱滓、
ガラス、炭素物質等の各種無機物質を繊維化する新規な
方法に関する。

この回転円盤法によって無機物繊維を製造する方法はす
でに古くから提案され、実施されている技術であるがこ
の方法の実施において特に重要となる課題として回転円
盤に対して落下供給される原料溶湯の温度及び流動性の
制御に関する問題があり、この制御を確実に行ない原料
の適切な温度と流動性（あるいは粘度）を保持しなけれ
ば高品質な繊維を得ることが困難であると共に所謂極細
の長繊維を製造することが不可能となる。

従来この問題の解決策として原料溶湯の落下流をバーナ
ーによって加熱したり、あるいは高温排ガスを供給して
保温する方法等が知られているが、これらの方法はいず
れも熱効率が非常に悪く、また落下流の全域に対する均
一な加熱が困難である等の欠点を有しており、実際的な
制御手段として満足し得るものとは言えなかった。

本発明は上述した従来技術の欠点を解消し、品質の優れ
た長繊維を得ることをその目的としてなされたもので、
具体的には無機物の原料溶湯を落下供給するタンディシ
ュとその直下に配置された回転円盤との間に電圧を印加
せしめこのタンディシュ内の原料溶湯及び回転円盤に落
下する原料溶湯を通電加熱しながら繊維化を実施すると
ころに特徴を有するものである。

先ず、本発明を第１図を参照しながらその概要を説明し
て行くことにする。

なお、本発明のより具体的な構成については後述する。

第１図は本発明の実施に適用される製造装置の一例を示
した断面説明図であるが、ここで１は無機物の原料溶湯
２（以下、単に溶湯と称す。

）を溶製するための溶解炉であって通常１５００℃前後
の温度に保持され、原料２の排出はその傾動装置３によ
って炉体を傾けることにより行なわれる。

溶解炉１から排出された溶湯２は一旦その下の補助タン
ディシュ４に受けられ、次いでタンディシュ（主タンデ
ィシュ）５に落下流入される。

そしてさらにその直下に配設された回転円盤１０上に落
下供給され、この回転円盤１０は駆動モーター１１によ
り回転軸１２を介して高速で回転されているためその遠
心力によって溶湯２は放射状に周辺に排出されて繊維１
３となり、集綿室１５下方に落下して回収される。

なお、１８は回転軸１２の軸受である。

タンディシュ５及び回転円盤１０は外部の加熱電源１６
にそれぞれ導線１７及び導線１９，２１によって接続さ
れ、電極としての役割を果すように構成されており、タ
ンディシュ５内の溶湯並びにタンディシュから回転円盤
１０上に落下供給されている溶湯が通電加熱され、溶湯
の温度及び流動性の適切な状態が確保されている。

またタンディシュ５の外周部には気体導入源２６に接続
された環状ノズル２８が設置されており、回転円盤周囲
から発生した溶湯繊維流に対してその上方から適当な角
度で噴射され、繊維流の冷却と引き伸ばしが効率良〈実
施されるように構成されている。

さて本発明により高品質の長繊維を得るための基本的か
つ重要な条件として原料溶湯の流量、温度、流動状況、
及び冷却引伸ばし状況等が挙げら※※れるが、これらの
条件を中心にして本発明をより具体的に説明することに
する。

（１）溶湯の流量制御 平面状の回転円盤１０の上方より液体（溶湯）をその中
心部に供給落下させた場合にその周辺から飛散する流体
の状況は滴状、繊維状あるいは膜状となることが知られ
ているが、本発明者等の実験、研究によればそれらの限
界流量は以下のように定量的に把握された。

（１）滴状分裂が起る液体の流量をｑｌｌ、限界流量を
ｑｌ とすれば （１１）繊維状分裂が起って、繊維流れが円盤周辺から
極小ピッチとなって均一な繊維状となる最＊＊ 滴流量を９２ とすれば であって、繊維状分裂は、粘い液が回転円盤の周辺から
飛び去る液体の切線方向の運動量によって発生する張力
によって引張られ、安定な繊維流れとなるために起る。

☆（ｉｉｉ） 膜状分裂が起る液体の流
量をｑ′３、限界流量なｑ３ とすれば、通常繊維状分
裂が起る流量ｑ′２は であって、回転円盤上を流れる液体の運動量がある限度
を越えると膜状分裂を起し、粘度が大きいほど膜を発生
し易いことが判明した。

なお、ここにｑは流量（ｃｌ／ ｓ ）、Ｄは回転★円
盤直径（ｃｒｒＬ）、ｎは回転数（ｒｐｍ）、σは表面
張力（ｄｙｎ／ｃｒｒＬ）、ρは密度（Ｓ’／ＣｗＬ）
、μは粘性係数（ｄｙｎ−８／ｃｒｒ＆、）である。

上述した、（１）、（１１）、（ｉｉｉ）を表に統める
と、分裂を起こし、高品質な長繊維を得るためには溶湯
の流量を９２の近傍となるように制御すれば良いことが
容易に理解される。

第２図Ａ−Ｃは本発明者等が実験によって得た代表的な
各分裂の模様を示す写真であり、Ａ図は滴状分裂、Ｂ図
繊維状分裂、Ｃ図は膜状分裂をそれぞれ現わしている。

そして、本発明ではこの研究結果によって把握された適
切な溶湯の流量を常に安定して維持するための特に望ま
しい制御手段として第１図に示すような補助タンディシ
ュ４をタンディシュ５と溶解炉１の中間に配設し、その
下部流出ロアからの溶湯の流出量が湯溜り部に貯溜され
た溶湯の湯面高さに比例して変化することを利用して適
切な流量ｑ２と湯面高さＨの関係をもとに、操業中の湯
面高さＨを適当な測定手段によって測定し、この測定値
を溶解炉１に自動的にフィードバックして流量制御を実
施する方法を採用するものである。

同図にはその具体的手段として導電性でかつ下部先端の
高さが異る複数個（この場合２個）の探針６が補助タン
ディシュ４の内部上方に設置されており、これらの探針
６は制御装置８を介して溶解炉１の傾動装置３に電気的
に接続されていて、各探針の湯面との接触によって湯面
高さを測定し、その測定値に応じて溶解炉１の傾動を自
動的に行ない溶解炉から排出落下される溶湯の量を調節
して補助タンディシュ４内に貯溜する溶湯の湯面高さが
常に一定の範囲となるように制御される。

また、湯面高さの測定手段は上記した例に勿論限られる
ものでなく、光電管や熱電対等を利用するものでも良く
、さらに溶解炉１かもの排出量の調節についてもその傾
動によらず、例えば底部に開口割合を変動し得る摺動ノ
ズルを設置する手段を採用しても良い。

（２）溶湯の温度及び流動性の制御 溶湯の温度及び流動性は冒頭で述べたように品質の良好
な繊維を製造する上で極めて重要なファクターとなる。

溶解炉１によって１５００°Ｃ以上の高温に溶製された
溶湯は補助タンディシュ４、タンディシュ５を順次繰て
回転円盤１０上に落下到達する過程において多量の熱放
散のために数１００°Ｃの温度降下が生じる。

このような大幅な温度降下は必然的に溶湯自体の著しい
流動性の低下（粘度の増加）をもたらすことになり、こ
のため前述した（１）、（２）、（３）式における限界
流量が変動し、膜状分裂が起りやすくなり、また後述す
るように回転円盤上の流れが不均一となって波動流が生
じやすく場合によっては円盤の周辺近傍で溶湯の一部が
凝固４着してそのスムーズな流れを阻害する結果を招き
、目的とする繊維を得ることは到底困難となる。

さらにタンディシュ５の流出口１４からの流出も円滑性
が損われ、ノズル閉塞を起しやすくなるなどして、操業
面及び製品面において多大な不利を生じる原因となる。

そこで、これを防止する手段として本発明にあっては先
ず、タンディシュ５及び補助タンディシュ４内の溶湯並
びに回転円盤１０上に落下供給される溶湯を外部より加
熱を実施する。

その手段として、第１図に示す如く、タンディシュ５及
び補助タンディシュ４０本体内部にシリユニットのよう
な適当な発熱抵抗体９，９をあらかじめ挿設しておき、
これに電流を通じて炉体を１０００℃以上、望しくは溶
解炉１において溶製された溶湯と同程度に加熱を行なう
。

しかもタンディシュ５は例えばカーボンのような熱伝導
性及び電気伝導性の良好な材料によって構成されており
、炉体の加熱によって溶湯の温度降下を防止すると同時
にタンディシュ本体の下面からの輻射熱によってその直
下の回転円盤１０表面が常時加熱される。

このことは溶湯自体の保熱とはまた別に重要な意味を有
する。

というのは、回転円盤の周辺からの溶湯の繊維流が極小
ピッチとなって均一な繊維状となる流量は前述した（２
）式によって決定されるわけであるが、これは溶湯が均
一かつ滑らかに放射状の層流を生成することを前提とし
たものである。

これには勿論回転円盤の直径、回転数等が関係し、その
流量に対応する適切な条件が選定されなげればならない
ことはいうまでもないが、さらに実操業において重視す
べきことは回転円盤上の流れが他の要因によって均一か
つ滑らかな層流状況を確保できなくなる事態がしばしば
発生することである。

そしてこの大きな要因の一つに円盤表面の温度が挙げら
れ・モジ常温０まま０円盤表面上に高温（１５００℃前
後）の溶湯が流出された場合、溶湯の一部がその表面に
付着、凝固する現象が生じ、円盤表面上の溶湯の流れに
著しい凹凸ができて不均一かつ不安定な流れや波動流を
生成することになったり、あるいは特に冷却し易い円盤
の周辺部で凝固して円盤外へ張り出すことになるため、
こうしたことは不良繊維の発生原因となるもので絶対に
避けられなげればならないのである。

ところが、本発明ではタンディシュ５の加熱に伴なう下
面からの輻射熱によって回転円盤１０の表向が適切な温
度に保持されるため上述した不利が避けられ、またタン
ディシュよりの放熱が有効に利用され、経済的にも非常
に有利である。

次に、このタンディシュ５及び補助タンディシュ４の外
部からの加熱は本発明において重要なことではあるが、
こうした手段の採用だけではタンディシュ内の溶湯及び
タンディシュから回転円盤上に落下供給されつつある溶
湯の温度と流動性を最適な状態に保持するためには未だ
不十分であってやはり相当の温度降下が生じる。

特に長さが５〜１０關程度の短繊維を製造する上では前
手段によっても比較的容易に安定した品質の製造を得る
ことも可能ではあるが、さらに品質の優れた極細の長繊
維（長さ１ＯＯ１ｎ認上、径１０μ以下）を得ることは
ほとんど不可能といって良い。

従って、本発明者等はこの点に最大の着眼をもって検討
を重ねた結果、タンディシュ５と回転円盤１００間に適
当電圧を印加せしめ、タンディシュ内及び回転円盤上に
流下する溶湯に直接通電せしめた状態で操業を実施すれ
ば溶湯自体の抵抗熱によって極めて効率的にしかも溶湯
全域にわたって均一に加熱保持され、上述の長繊維を得
るに十分な最適の温度と流動性を確保し得る事実を見出
したのである。

以下、この本発明の骨子たる通電加熱手段について詳述
する。

第１図においてタンディシュ５は前述したようにカーボ
ンのような導電性の良好な材料で構成され、その一端が
適当な加熱電源１６（交流でも直流でも良い。

）の一方の端子に導線１７を介して接続されていて、タ
ンディシュ本体は電極として形成されている。

また、回転円盤１０はその下層部が熱伝導率の低く耐熱
性の高い材料、例えば高アルミナ、炭化硅素、窒化硅素
、炭素（カーボンレンガ）等の耐火物で構成され、その
表面上層部は耐熱性、耐酸化性、電気伝導性及び熱伝導
性に優れた、例えばタングステン、モリブデン、チタン
等の金属製材料によって構成される。

ここで表面上層部はその全体を同一の材料で構成する必
要はなく、その条件が異る中心部と周辺部を別種の材料
とした複合形態とすることも良い。

その場合は例えば中心部をモリブデンに、周辺部を特に
耐酸化性に富んだチタンを使用することが好ましいとい
える。

そして、この回転円盤１００表面上層部はタンディシュ
５と同様にやはり電極となるものであって加熱電源１６
と接続されている。

つまり、加熱電源１６の他方の端子に接続された導線１
９と、回転円盤１０の電極部（表面上層部）に接続され
、回転軸１２の中空部２１に導設された導線２０とが装
置下方に設けられた円盤側電極外部取出口２２において
回転軸の外周に固定された銅製のスリップリング２３と
これに対して弾性材２４により抑圧接触された固定側の
カーボンブラシ２５とによって通電可能に連結されてい
る。

なお、図示していないが回転軸１２の内面及び銅製のス
リップリングと導線２１の接続部は合成樹脂（ベークラ
イト、テフロン）や陶磁器等の適当な絶縁材料により絶
縁が施されている。

かかる構成に基づいて、タンディシュ５及び回転円盤１
００両電極間に数１０Ｖの電圧を印加すればタンディシ
ュから回転円盤上に溶湯が連続的に流下する状態で溶湯
内に電流が流れ（一般に溶解原料は凝固状態では電気の
不良導体と言うよりは、むしろ絶縁体であるが、高温溶
融状態では比較的電気の良導体となる）、自己の固有抵
抗によって自ら発熱し、その全域にわたって均一に積極
的な加熱が行なわれるわけである。

一方、この通電加熱をさらに有利に実施するためには補
助手段を必要とする。

つまり、高電圧を印加せしめる場合には比較的容易に溶
湯に電流が流れるが通常使用される２００Ｖ程度以下の
低電圧では電流が流れない状況が生じ、加熱が不能とな
る。

この原因は調査の結果、回転円盤の表面の電極部（モリ
ブデン）が溶湯の温度よりかなり低い上に熱の良導体で
もあるために、操業（ホットラン）開始時に溶湯が円盤
上に流下しその電極部に到達して製膜が電極を覆った瞬
間に、電極表面に触れた極く薄い製膜が凝固してしまう
ことによることが明らかとなった。

すなわち電極部は極薄の絶縁膜で落下する溶湯と遮断さ
れたことになり、この膜が如何に薄い場合でも低電圧で
は絶縁を破ることができず、非通電状態持続の止むなぎ
にいたるのである。

そこで、この困難を解決するために本発明では操業開始
前にタンディシュ５と回転円盤１００間の空間に電離し
易いガス例えばアルゴン、ヘリウム等のガスを供給して
封じ込め、ここに高周波電圧を印加せしめる手段を併用
することを提案するものであって、このようにするト上
記の空間が放電現象によって一種のプラズマ状態が現出
し、回転円盤並びにタンディシュが共に１５００°Ｃ程
度の高温に加熱されるため、溶湯の流下と同時に両電極
間で電流が円滑に流れ、操業開始と共に溶湯の通電加熱
が実施継続され本発明が意図する十分な加熱が遂行され
るのである。

なお、通電加熱の実施に際してはその操業をさらに円滑
に継続するためにさらに注意しなげればならないことが
ある。

それは長時間の操業を続ける場合、回転軸１２、軸受１
８、ブラシ２５、スリップリング２３、駆動モーター１
１の熱的な影響が大きな問題となる。

特に、ブラシ２５とスリップリング２３との摺動接触部
においてはその摩擦熱及び電気抵抗熱により損耗が著し
くなることはいうまでもなく、操業開始前に前述のアル
ゴン等のガスを封入して高周波電圧を印加せしめるとそ
の際瞬間的に過大な電流が流れるためその接触部におい
てカーボン製のブラシがスリップリングに溶着する所謂
焼き付き現象を起し、回転軸の回転及び通電操業を不能
にすると共に大事故の原因ともなる。

そこで、本発明では第１図の如く、回転軸１２に液体冷
却装置２７を取付け、これに冷却用液体供給源３０から
冷却液（通常水）を供給循環させると共に、さらに円盤
側電極外部取出口２２の近傍に冷却気体供給源３１に接
続された気体冷却装置２６を設置し、これから冷却気体
（通常空気）を前記ブラシ２５及びスリップリング２３
に対して噴射供給せしめて十分な冷却を施している。

（３）溶湯繊維流の伸長冷却制御 前述の如く、流量その他の条件が適正に保持された場合
、粘性の高い溶湯は回転円盤の周辺から放出される溶湯
の接線方向の運動量によって発生する張力のために引き
伸ばされ、極小ピッチとなって均一な繊維流が生じる。

しかし、こうした単純な繊維化条件では本発明が狙う極
細な長繊維の製造はやはり困難である。

そこで、本発明では高速の気流を上方より適切な角度で
、回転円盤１０周辺から発生する繊維流に衝突させ、繊
維流をすみやかに冷却してその粘度を向上させると同時
に、繊維流表面と気流の表面摩擦力によって繊維流を強
制的に引き伸し、極細化、長繊維化する特異な手段を採
用する。

すなわち、第１図、及び第３〜５図に示されるように回
転円盤１０の上方に位置するタンディシュ５の外周部に
はその全周を取囲む状態で下向きの適切な角度を保持し
た環状ノズル２８が配設されていて、同ノズルは気体導
入源２６に接続され、回転円盤の側周に高圧気流を噴射
できるように構成されている。

高圧気流として使用される気体は空気、不活性気体（Ｎ
２、Ａｒ等）あるいは燃焼排ガス等であるがこのうち不
活性ガスは設備、材料の酸化、侵食等はよる影響が全く
ないため望しいといえるが通常の空気でも十分である。

また、常温〜２０００℃の温度範囲のものが自由に選択
されるが、望しくは１ｏｏｏ〜１５ｏＯ℃に予熱された
ものを使用するのが良い。

この温度範囲の上限を超えたものでは繊維同志が溶着、
凝集しやすく、また下限未満では繊維の引き伸ばしが不
十分となりやすい。

また、環状ノズル２８の先端噴出部Ａは外方に適切な角
度で傾斜させる必要があり、同先端噴出部Ａと回転円盤
１０のなす角度αの望しい範囲は５〜６ｏ０であって、
その中でも特に１０〜３０°の範囲を適用することが最
も望しい。

高圧気流の噴射速度Ｖも適切な範囲を選定しなげればな
らず、発明者等の経験によれば５０〜３４０ ｒｒＬ／
ｓｅｅの範囲が望しいものである。

さらに前述した通電加熱手段に関連するがりンデイシュ
５の底面と回転円盤１０の表面との距離りも本発明の実
施に当って重要となるもので、望しくは３〜１００ｍｍ
、特に望しくは１０〜２０ｍｍに設定する必要がある。

すなわち、これらの上限を超えると通常の低電圧では通
電し難く、操業が困難となるし、タンディシュ下面から
の輻射熱も十分に利用できなくなる。

一方、下限未満の場合では久遠するがタンディシュ下面
、円盤表面並びに環状気流による密室的空間の形成の影
響が犬となると同時に、タンディシュ底面と円盤間の絶
縁破壊が生じ、運転不能の原因となる。

この、タンディシュと回転円盤との距離り選定に当って
実際の操業では熱効率の面で、できる限り上記範囲内で
小さい値が好しいが、しかしそうした場合は第３図のよ
うにタンディシュ５の下面と回転円盤１０及び環状ノズ
ル２８からの気流Ｇによって包囲形成される密室的空間
Ｓの影響を無視することができない。

つまり、密室的空間Ｓ内に閉じ込められた気体は高速の
噴出気流Ｇの伴流効果によって負圧となり、図示の如く
二次渦流を生ずる。

この二次渦流は繊維流を前記空間Ｓ内に巻き込み、粗悪
綿や凝集玉の発生を促し、良質繊維の製造を困難にする
のである。

この対策として、本発明では第４図あるいは第５図に示
される方法を用いる。

つまり、第４図の方法は空間Ｓの外側から繊維流の間隙
をぬって侵入発生する上記渦流を阻止するために、環状
ノズル２８の内側にさらに副層状ノズル２８’を設け、
その先端噴出部ａを外側の環状ノズル２８のそれとはｇ
平行に配置し、同様な気流ｇを適当な速度Ｖで回転円盤
１００周端をかすめるようにして補助噴射せしめ、この
気流の連間効果によってその目的を達成するものである
。

一方、第５図の方法は環状ノズル２８をタンディシュ５
との間に一定の環状空間を形成した状態で設置し、適量
の二次気流Ｇ′を密室的空間Ｓの中に補給せしめ負圧の
発生を抑制することによって、同様に二次渦流の消滅を
計るものである。

さて、以上品質の優れた長繊維を製造するための３点の
基本的条件を中心に本発明が採用する手段を具体的に述
べたが、以下に本発明の効果を明らかにするため実施例
を挙げることにする。

実施例 原料；高炉滓 化学成分 ５ｉ０２３２．７％、Ａｌ２０３１８．２％
、Ｃａ０３９．８％、Ｔｉｅ２１．９７％、ＭｇＯ２，
４０％、Ｍｎ０１．０５％、８０．８５％溶解炉；高周
波電気炉 溶解温度 １５００℃ タンディシュ；炭素製、シリユニット加熱回転円盤；形
状 平面状 構成材料 上層部中央 モリブデン 〃 周辺 チタン 下層部 高Ａ １２０３レンガ 直径 １００朋 回転数 １５０ Ｏｒｐｍ 溶湯の流量；４０グ／ ｓｅｅ 溶湯の通電加熱； 操業（ホットラン）開始前篭０９０００９１１．□ＯＯ
Ａ流（アルゴンアーク） 操業（ホットラン）開始前型００００００００９９０．
７ｏＶ圧 操業開始後電流・・・・・・・・・・−・・・・・・・
・・・・・・７０〜８０Ａ〃 電圧・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・７０Ｖ環
状ノズル； 先端噴出部の回転円盤とな、−１−−−−１−３００す
角度 噴射気流・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・常温空気噴射気流の流速・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２００ ｒｒ
ｔ／ ｓｅｃタンディシュ下面と回転円＝−６１ｎ１ｎ
盤表面との距離 以上、諸条件に基づき、本発明を実施した結果、得られ
た繊維はそのほとんどが直径１０μ以下、長さ１００ｍ
ｍ以上の品位を有する優れた極細の長繊維であった。

なお、一部５０ｍｍ以下の短繊維の発生も認められたが
、これは流量、温度、回転数、気流流速等の全ての条件
の組合せが必ずしも最適な範囲に入っていなかったため
である。

以上を要するに、本発明によれば従来その製造が極めて
困難であった極細の長繊維を比較的簡単な設備構成のも
とに容易に、かつ効率良く安定して製造することができ
、また、高炉滓等の廃棄物を積極的に品質の良好な繊維
製品として有効利用することを可能にする等の優れた効
果が得られるのであって、総合的価値の誠に高い発明で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施に使用される製造装置の一例を示
した断面説明図、第２図は回転円盤の周辺から放出され
る繊維流の代表的な分裂状況を示した写真、第３図〜第
５図はタンディシュと回転円盤の中間付近の拡大半断面
図であり、第３図は密室的空間における渦流の発生を説
明し、第４図及び第５図はこの渦流の発生を防止する具
体的な手段を説明するものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 無機物の原料溶湯をタンディシュを通して回転円盤
   上に落下せしめて無機物繊維を製造する方法において、
   タンディシュと回転円盤の間に適当な電圧を印加せしめ
   タンディシュ内の原料溶湯及びタンディシュから回転円
   盤上に落下供給される原料溶湯を通電加熱しながら繊維
   化を計ることを特徴とする無機物繊維の製造方法。