KR100187924B1 - 광물모의 제조방법 및 장치 그리고 그것에 의해 생산된 광물모 - Google Patents

Abstract

현무암 같은 물질로부터 광물모를 제조하기 위해 지금까지 이용 가능한 유일한 방법들은 정지노즐(송풍연신법) 또는 외부 원심분리를 이용하므로, 만족스럽지 못한 수율 및/또는 완전히 만족스럽지 못한 섬유 품질, 특히 섬유화 되지 않은 성분들의 고함량이 얻어진다. 본 발명에 의한 섬유화 방법은 현무암 같은 용융 광물질의 높은 유동성에도 불구하고 낮은 비이드 조성을 가진 고품질 섬유를 좋은 수율로 얻는 것을 제안한다. 이것은 특정한 물질의 선택 및 특정한 조건에서의 섬유화에 의해 이루어질 수 있다. 이러한 유동성 물질의 섬유화는 수십 포아즈의 점도에서 외부 원심분리로 수행되지만, 본 발명에 따르면 낮은 비이드 함량을 갖는 절연용 광물모를 얻기 위하여 100 포아즈 이상의 점도에서 내부 원심분리에 의한 섬유화가 필요하다.

Description

광물로의 제조방법 및 장치 그리고 그것에 의해 생산된 광물모

본 발명은 고융점 또는 높은 액상온도를 열가소성 광물성 재료로부터 섬유를 제조하는 방법, 그러한 광물모(mineral wool)로부터 만든 광물모 매트, 및 그 방법을 수행하는데 적합한 섬유화 장치에 관한 것이다.

상기 광물성 재료는 현무암, 용광로 슬래그(광재)와 같은 철강공업의 부산물로부터 얻어지는 글래스류, 또는 광물모의 제조에 사용되는 글래스류와 비교해 볼 때 상당히 높은 융점 또는 액상온도 및 훨씬 낮은 점도를 모두 갖춘 비슷한 원료를 포함한다. 이하 이들 원료물질들을 간단히 재료라고 기재한다.

이들 재료들은 특히 열전연성 및 방음을 요구하는 광물모를 대규모로 생산하는데 사용되고 있다.

이들 재료들이 선택되는 이유는, 한편은 그들이 저가라는 점과 다른 한편은 그 특성, 특히 고온에 대한 내성이 우수하다는 점에서 찾을 수 있다. 그러나 이들을 제조함에는 특이한 문제점을 발생한다. 이들 문제점은 특히 이들 원료들이 작용할 수 있는 조건에서 비롯된다.

그들의 높은 용융온도는 이미 그 자체로 어려움을 나타낸다. 이 용융온도는 원료물질들이 녹을 때까지 가열해야 하는 온도이다. 더우기 제조공정에 있어서는 이 용융온도 이상에서 섬유화 장치를 통해 흐를 수 있도록 원료를 유지시켜야 한다.

섬유 제조에 전통적으로 사용되는 글래스류와 이들 원료를 구별하는 또 다른 특이성은 대개 이들 원료는 액상온도에 매우 근접한 온도에서 유동성이 높다는 것이다. 이로 인한 난점들은 후술된다.

또한 고온을 필요로 하기 때문에, 섬유화될 원료와 접촉하는 장치들은 매우 강력한 부식을 받기 쉽다. 이들 장치의 작동 수명은 전통적인 글래스류 조차도 문제점을 나타낸다. 이 문제점은 고온 액성 원료의 경우 훨씬 더 심각해진다.

종전까지는 상술한 난점들은 단지 특정된 섬유화 기술만이 이들 재료에 적용할 수 있다는 것을 의미했다. 여기에서 필수적으로 두 종류의 기술, 즉 용융된 광물질을 원심분리 또는 방사하는 기술 및 원료를 고정된 노즐을 통해 공급하고, 흔히 초음속까지 가속화시킨 가스 흐름에 의해 섬유상으로 가늘게 만드는 기술(송풍 연산법)이 있다.

고정된 노즐을 이용하는 기술에서는, 용융된 광물질의 통과시에 견딜 수 있는 노즐을 사용할 필요가 있다. 대개 이들은 이러한 높은 온도에서 조차도 이들의 통과시에 견딜 수 있는 플라티늄 노즐이다. 그러나, 각 노즐의 생산능력은 한정되어 있다. 그 외에 이 섬세화(attenuating) 가스 흐름에는 비교적 높은 에너지 비용이 든다.

원심분리나 방사를 이용하는 기술은 단위당 상당한 생산량을 얻을 수 있다. 이들 기술은 용융된 광물질이 스피너(spinner) 밖에 남아 있다는 것을 표시하기 위해 일반적 용어로 외부 원심분리(external centrifuging)로 약술된다. 용융 광물질은 디스크의 앞표면이나 원통형 로우터 또는 여러 개의 원통형 로우터의 주연표면에 적용한다. 이들 기술의 장점은 용융된 광물질과 접촉하며 들어간 장치 부품들이 간단하다는 것이다. 이와 관련하여, 장치 부품, 특히 스피너 림(spinner rim)이 비교적 저렴하므로 상대적으로 단시간 간격으로 교체할 수 잇다. 전 생산비용 중에서 재료가격이 차지하는 비율은 상대적으로 낮다. 따라서 이들 장치 부품이 용융된 광물질과의 접촉에 의해 강력하게 마모되기 쉽다는 사실은 장애요인이 되지 않는 것으로 나타났다.

외부 원심분리에 의한 광물섬유 생산에 있어서의 주요 단점은 최종 생산품의 성질이, 같은 섬유량에서 소위 내부 원심분리에 의해 주로 생산되는 글래스모의 성질보다 열등하다는 것이다.

외부 원심분리에 있어서는 재료가 방사 휠(wheel)로 유입되어 많은 액적으로 유출된다. 섬유는 유출되는 즉시 스피너의 표면과 그 후 섬유를 연신하는 액적 사이에서 형성하는 것처럼 보인다. 이러한 섬유화 메카니즘의 경우 방사된 물질의 상당부분이 비섬유화 된 입자의 형태로 남게 되는 것이 분명하다. 그 비율은 출발원료의 100㎛ 이상의 입자 크기에 대해 40중량% 정도로 높일 수 있다. 비섬유화된 입자를 분리하기 위해서 여러 가지 방법을 사용할 수 있지만 최종 광물모는 아무래도 아무 쓸모 없고 특정한 적용에 있어서는 매우 큰 방해 요인이 되는 입자들을 완전히 제거할 수 없다.

액적 형성은 전적으로 외부적 원심분리로 인한 것이 아니라 재료의 유동학적 특성에 따라 달라진다는 것이 지적되어야 한다. 본 발명에 따라 가공된 재료는 단지 액상온도 보다 약간 높은 온도에서 조차도 비교적 낮은 점성을 갖는다. 상대적으로 유동성인 용융된 광물질은 필라멘트가 절단되어 액적이나 비이드(bead)를 형성하는 경향이 있기 때문에 섬유화 되기 어렵다. 그러나 이 단점이 제거되지 않는 한 어떤 의미로는 외부 원심분리 기술은 이러한 경향에 의존한다. 본 발명의 한 가지 필수적인 목적은 비섬유화 된 입자가 거의 없이 광물모를 높은 수율로 생산할 수 있는 저점도 및 상승도 액상온도를 가진 재료로부터 섬유를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 방법에 의해, 주연벽에 다수의 소직경의 오리피스가 있는 스피너 밖으로 용융된 광물질을 방사하며, 이 때 상기 용융된 광물질이 원심력의 영향을 받아 필라멘트 형태로 이들 오리피스를 통해 스피너 밖으로 방사되는 식으로 광물섬유를 제조할 수 있음을 보여준다. 본 발명에 따르는 방법에서 스피너에 의해 방사된 필라멘트는 섬세화 가스 흐름을 사용하지 않고 내부 원심분리 공정에 의한 상이한 섬유화 방법이 사용되지 않는 한 필라멘트를 보충적으로 섬세화 하는 가스 흐름과 마주친다. 내부 원심분리 기술을 당해 재료에 적용하는 것은 지금까지 검토된 바 없었다. 내부 원심분리 기술이 이러한 재료에 부적합하다는 의견을 뒷받침하는 여러 가지 이유가 있다. 문제는 주로 섬유의 만족스러운 섬세화 조건에 관한 것이다.

위에 언급된 바와 같이, 당해 재료는 동시에 비교적 높은 액상온도 및 매우 낮은 점도에 의해 특정화된다. 이들 재료는 이미 그들 각각의 용융온도에서 상당히 유동적이며, 용융점에서 3,200 포아즈 이하의 점도를 갖는다. 이 점에서 그들은 내부 원심분리 방법에 의해 일반적으로 처리되는 글래슬와 구별된다. 이러한 글래스의 점도는 액상온도에서 5,000 포아즈 정도로 높으며, 그들의 액상 온도 이상에서 별개로 섬유화 되었을 때 조차도 1,000 포아즈 또는 그 이상이다. 그러나 본 발명에 따르면 그들의 액상온도에서 매우 낮은 점도를 갖는 재료도 섬유화 될 수 잇다. 작업범위 내에서, 특히 1200℃ 내지 1400℃ 사이의 범위에서 적어도 100 포아즈의 점도를 갖는 재료가 선택된 후 이 재료가 100 포아즈 이상의 점도에서 섬유화 되는 경우, 놀랍게도 비이드 함량이 낮은 재료의 섬유화가 내부 원심분리에 의해 성공적으로 이루어짐이 밝혀졌다.

본 발명에서 이용되는 재료는 일반적으로 1200℃ 이상에서 용융 상태로 전환되며, 그들 각각의 용융온도에서 매우 유동적이다. 특히 액상온도에서 그들의 점도 μ는 일반적으로 3200 포아즈 이하이고 (1g μ 3.5), 더욱 특히 1000 포아즈 이하이다(1g μ 3)

선행기술에 기재된 글래스 섬유의 제조를 위한 내부 원심분리 기술은 가공온도를 비교적 정확히 표시하고 있다. 그들은 통상적인 유리 조성이 시험온도에서 섬세화 공정에 적합한 점도를 보여준다는 사실을 감안하면 유동학적 관점에서 정확하지 않다. 실제로는 항상 액상온도 이상인, 보통유리의 섬유화 온도에서의 점도는 지나치게 높지 않으므로 비교적 적은 힘에 의해 섬유의 섬세화가 가능하다. 감소된 섬유직경에서의 점도에 의해 점점 더 작게 보충되는 표면장력의 영향하에서는 통상적인 유리의 경우 액상온도에서의 점도 및 약간 그 이상인 점도도 지나치게 낮지 않으므로 액적 및 비이드들 절단 및 형성한다. 통상적인 글래스 조성물의 점도는 내부 원심분리에 의한 섬유화 중에 적당한 점도, 예를 들면 1000 포아즈 또는 그 이상이 제공되도록 당연히 액상온도 이상의 범위내로 부터 용이하게 선택될 수 있다.

앞서 설명된 바와 같이 당해물질은 유리와 비교할 때 용융 물질의 만족스러운 섬세화가 내부 원심분리로는 기대되지 않을 정도로 액상온도에서 이미 충분히 유동적이다.

본 발명은 당해 물질 전부 중에서, 액상온도에서의 그들의 점도에 관한 선택이 행해지고 그 물질의 섬유화가 특정의 조건하에서 행하여지는 경우, 내부 원심분리에 의해 높은 액상온도에서 매우 유동적인 물질을 처리할 수 있다는 놀라운 사실을 나타낸다.

먼저, 본 발명에 따라 당해 물질로부터 광물섬유를 제조하기 위한 방법은, 1400℃ 이하의 액상온도 및 100 포아즈 이상의 점도, 특히 1200℃ 내지 1400℃ 사이의 온도범위에서 100 내지 3000 포아즈로 물질을 선택하고, 이 용융 광물질을 스피너 속으로 공급하며, 이 스피너의 주연벽에는 용융 광물질 방사용 구멍이 많이 있어서 거기에서 100 포아즈 이상으로 점도가 조절된 용융 광물질 필라멘트가 생산되며, 경우에 따라서는 섬유를 형성하기 위해 가스 흐름을 약화시킬 수도 있다. 이 때, 섬유화는 점도가 100 포아즈 이상이고 1200℃ 및 1400℃ 사이의 작업범위 내에서 수행된다; 온도 상한은 스피너의 수명 문제를 고려한 것이다.

본 발명에 이르기 위한 시험 중에, 실질적인 조건하에서 당해 물질이 내부 원심분리에 적용될 때의 점도범위가 100 포아즈 이상이 되지 않으면 이 물질은 필연적으로 수십 포아즈 더 낮은 점도에서 외부 원심분리에 의해 섬유화 된다는 것이 밝혀졌다. 3000 포아즈 이상의 점도에서는 스피너 오리피스를 통한 물질의 방출 및 섬유 형태로의 섬세화가 방해된다. 100 포아즈 이하에서는 필라멘트가 끊어지고 액적이나 비이드를 형성하는 것과 같은 부적당한 섬유형성의 위험이 어려움을 초래한다.

스피너 내의 용융 광물질은 고화를 방지하는 온도로 유지된다. 거의 조절할 수 없는 부분적인 온도 변동을 피하기 위하여 이론적으로 추정된 온도보다 더 높은 온도를 유지하는 것은 한층 더 필수적이다. 스피너 내의 최초 고화 위험을 피하기 위하여 수십도의 온도 변동범위를 갖는 것이 적당하다. 약 50℃ 정도의 안전 여지가 바람직하며, 1200℃ 및 1400℃ 사이의 전체범위 내에서 - 적어도 50℃의 폭을 갖는 온도영역 내에서 - 100 포아즈 이상의 점도를 지닌 물질의 바람직한 선택이 이루어진다. 그 결과, 이러한 온도 영역 내의 온도 변동에 따라 점도가 100 포아즈 이하로 떨어지는 일은 결코 없다.

본 발명에 따라 이용 가능한 물질은 특히 천연 현무암, 또는 그 성질 중 어떤 것에 영향을 줄 목적으로 합성물을 현무암에 가하여 수득되는 것과 같은 유사한 조성물이다. 또한 이용 가능한 것은 현무암의 주요 성질, 특히 그들의 열반응 및 일반적으로 1200℃ 이상의 온도에서 녹는 성질을 갖는 물질의 결합에 의해 얻어지는 것과 같은 조성물이다. 또한 이들은 용광로 광재 또는 소위 암면의 생산에 사용되는 모든 조성물과 같은 광물 조성물이다. 또한 본 발명에 따른 공정단계는 유리의라는 용어의 의미를 갖는 조성물에도 적용될 수 있다. 이러한 후자는 액상온도에서 유사한, 극도로 낮은 점도를 갖는 소위 경질유리인데, 용어 경질이란 비교적 높은 온도에서 적용하기에 적합한 유리를 만드는 비교적 높은 액상온도를 가리킨다.

본 발명의 실시에 이용되는 현무암 및 광물은 글래스 조성물에 비해 알카리 토금속을 비교적 적게 함유한다는 것이 기본적으로 특징이다. 이 함유량은 보통 10중량%를 초과하지 않으며, 대부분 알칼리 산화물의 5중량% 이하이다. 알칼리 금속 함유량이 적은 것은 비교적 높은 온도에서만 용융이 일어나는 이유 중의 하나가 된다. 반면에 알칼리 토금속, 특히 CaO 의 함유량은 글래스 조성물에서 보다 더 크다. 그것은 보통 9중량% 이상이다. 알칼리 토금속의 총 함유량은 35 중량% 또는 그 이상이 된다. 가장 일반적으로 사용되는 당해 종류의 물질에 있어서는 9 내지 30중량% 사이의 범위를 함유한다.

SiO₂또는 Al₂O₃구조의 성분에 대해서 말하면, 현무암은 보통 글래스 조성물에 비해 알루미늄 산화물이 많고 이에 대응하여 실리카는 적다. 또한 현무암을 많이 함유하고 있으므로 글래스 조성물과 상당히 다르다. 순수한 현무암의 경우 이 산화물 함유량은 3중량% 이상이며, 보통 6중량%를 초과한다.

본 발명에 따라 이용 가능한 현무암 및 광물은 다음의 주요 합성물로 이루어진 조성을 갖는다.

본 발명에 따른 바람직한 조성물로서, 특히 현무암 타입의 것은 하기 표에 나타낸 조성을 갖는다. 숫자는 중량% 단위이며, 물론 하기의 구체적인 숫자와의 사소한 차이는 보통 아무런 부정적 영향을 주지 않는다.

본 발명에 따라, 마이크로네어 수치가 6 이하 F/5g, 바람직하게는 2.5 내지 4 사이이고, 100㎛ 보다 큰 비이드 또는 섬유화 되지 않은 입자의 비율이 10 중량% 이하에 달하고 더우기 5중량% 이하인 종류로서 비이드 함유량이 지나치게 낮은 조성물의 내부 원심분리에 의해 섬유 매트가 수득될 수 있다. 이미 언급된 바와 같이 경질 유리조차도 그들의 액상온도에서 매우 낮은 점도를 가지고 있고 그 결과 섬유화에 동일한 조건을 필요로 하므로 본 발명에 따른 진행단계에 의해 유리하게 제조될 수 있다.

이러한 글래스 조성물의 일례는 다음과 같다:

암석 모섬유 제조에 통상적으로 이용되는 조성물과 유사한 다른 조성물도 다소 까다로운 조건하에서 동일하게 사용될 수 있다; 이 때, 예를 들어 10중량% 정도로 높은 비이드 함유량도 허용될 수 있다. 그럼에도 불구하고 본 발명에 따라, 마이크로네어 수치가 6/5g 이하이고 100㎛ 이상의 크기를 갖는 섬유화 되지 않은 입자의 비율이 10중량%인 광물모가 얻어질 수 있는데, 여기서 조성물은 중량 퍼센트로 주어진 아래 조성물중 하나와 근접하다.

통상적인 스피너는 종종 본 발명에 따라 이용되는 높은 액상온도로 매우 유동적인 물질은 처리하는데 적합하지 않다. 앞서 언급된 바와 같이 니켈-크로뮴 합금과 같은 보통의 열 저항 합금은 1100℃ 또는 1050℃를 초과한 온도에 대한 저항성이 너무 약하다.

적용 한계는 여러 종류이다.

첫 번째 한계는 열의 영향하의 변형에 관계된다. 통상적인 열저항 합금의 크리프 저항은 1100℃ 이상에서 불충분하다. 스피너의 작동 조건을 고려할 때, 불충분한 저항은 특히 주연벽의 변형을 야기한다. 그것은 점점 더 부풀어 오르고 섬유가 형성되는 조건을 현저히 변화시키므로 그 결과 최종 생성물의 규칙성 및 균질성에 역효과를 준다. 보통의 스피너는 1050℃ 정도의 온도에서 수백시간 동안 손상되지 않은 채 작동할 수 있지만, 1100℃를 초과하거나, 1200℃ 보다 훨씬 높은 온도에서는 몇시간 내에 마손될 것이다.

스피너에 관한 또 다른 중요한 인자는 부식에 견디는 능력이다. 여기서 중요한 것은 부식이 온도에 비례하여 증가된다는 것이다.

본 발명의 실시 과정 중에, 스피너용 합급의 적절한 선택은, 높은 액상 조성물을 처리함으로써 야기된 심한 조건하에서 조차도 대규모로 이 물질의 저항능력에 대한 요건을 만족시키는 것으로 밝혀졌다.

산화물 분산 강화된(oxide dispersion strengthened)- 약술하여 ODS - 합금에 의해 크리프 저항, 부식 저항이 동시에 증가될 수 있고 이 모든 것이 본 발명에 따른 물질의 섬유화에 필요한 온도에서 조차도 증가될 수 있는 것으로 밝혀졌다.

지금까지 ODS 합금은 통상적인 글래스모 섬유 제조에서와 같은 작업 조건하의 작업기간을 증진시키기 위한 견지에서 공업용 스피너를 위해 이용되어 왔다. 그러나 알려져 있는 한 공업상 적용은 추구되지 않았다. 유리조성물을 처리하기 위한 스피너의 이용을 통해 실현되는 이점은 ODS 합금의 선택을 통한 부가비용이 들지 않는다는 것으로 생각된다.

또한 ODS 합금만을 선택하는 것으로는 내부 원심분리에 의한 당해 물질의 만족스러운 섬유화에 필요한 모든 요구조건을 충족시키기에 충분치 못하다. 그러므로 고 액상 조성물로 처리하는데 ODS 합금 스피너를 이용하는 것은 용이하게 검토되지 않는 방법이다.

본 발명에 이르는 연구 과정 중에, 높은 온도에서 최적 크리프 저항을 얻기 위하여, 또한 일반적으로 최적 열저항 성질을 얻기 위하여, 페리틱(ferritic) ODS 합금을 사용할 필요가 있다는 것이 최초로 밝혀졌다.

또한, 본 발명에 이르는 연구과정 중에, ODS 합금을 선택하는데 있어서 처리되어야 할 조성물의 종류를 고려할 필요가 있는 것으로 밝혀졌다. 조성물 종류면에서의 주된 차이는 높은 철 함유량의 존재 또는 부존재에 있다. 특히, 페리틱 합금은 비교적 높은 산화제일철 함유량을 갖는 조성물에 의해 쓰여질 때는 부식에 강한 반면에, 동일한 합금이 실제적으로 철을 함유하지 않는 유리 조성물에 의해서는 급속히 부식된다.

실제 조건하에서, 3중량% 이하의 철 산화물을 함유하는 조성물 처리에 있어서는 페리틱 합금이 유리하지 않다.

일반적으로 현무암 및 돌과 같이 철을 많이 함유한 조성물에 있어서는, 페리틱 ODS 합금이 부식에 대해 강하고 좋은 기계적 운전의 이점을 제공하므로, 여전히 열에 매우 강한 것으로 평가되는 다른 ODS 합금이 작동될 수 있는 온도보다 80 내지 100℃ 정도 더 높은 온도에서도 작동될 수 있게 한다. 예를 들어 페리틱 ODS 합금은 1400℃ 만큼 높은 온도에서 만족스럽게 처리할 수 있게 한다.

예를 들어 극도의 처리 온도를 필요로 하지 않고 섬유화 되는 조성물, 즉 1300℃ 내지 1350℃ 또는 그 이하에서 처리될 수 있는 것에 있어서는 열에 강하지 않은 ODS 합금도 선택될 수 있다. 이런 의미에서 니켈-크로뮴에 기초한 오오스테나이트(austenitic) 합금도 유리하게 이용될 수 있다. 또한 이러한 합금은 철의 함량이 많거나 적은 조성물에 대해서와 마찬가지로 부식에도 강하다.

본 발명에 따라 통상적으로 최고 온도에서 처리하기 위한 페리틱 ODS 합금은 철 함유량이 65 중량% 이상이다. 이들 합금은 보통 철 이외에도 크로뮴 및 알루미늄을 함유한다.

ODS 합금에 분산되는 바람직한 산화물은 이트륨(yttrium) 산화물이다. 이러한 물질 내의 산화물 함유량은 보통 매우 작다. 보통 그것은 합금의 1중량% 미만이다.

특히 철을 많이 함유한 조성물을 섬유화 하기 위한 스피너 제조에 이용되는 페리틱 ODS 합금은 이러한 주성분으로 된 조성을 갖는다:

바람직한 합금은 다음 성분으로 이루어진다:

이용되는 오오스테나이트 합금에는 실제로 철이 없다. 또한 그들은 실제로 알루미늄도 함유하지 않는다. 이트륨 산화물 함유량은 페리틱 합금과 동일한 범위에 있다.

예를 들어 적합한 오오스테나이트 합금은 다음의 조성을 갖는다.

ODS 합금의 생산 및 이러한 합금에 기초하여 작업편을 만드는 것은 그 자체로서 공지된 기술에 따른다.

세라믹 물질은 또 다른 범주의 이용 가능한 스피너 재료이다. 예를 들어 이용 가능한 이질분자가 없는 세라믹 물질, 특히 RBSN 타입(질소 대기 중에서 실리콘 파우더를 소결 반응시킴으로써 수득되는 반응 결합된 실리콘 질화물), Si₃N₄또는 SIALON 타입의 실리콘 질화물은 다음의 화학적 조성을 갖는다.

다른 실리콘 질화물도 동일하게 사용될 수 있다. 예를 들어 작업편은 소결에 의하여 수득될 수 있는데, 이러한 작업절차는 또한 비교적 복잡한 모양의 작업편을 수득할 수 있게 하고, 작업편이 형성된 후 뽑아낸 로드에 의해 그것들을 비어있게 함으로써 처음부터 오리피스를 제조할 수 있으며, 마지막으로 오리피스의 직경은 다이아몬드 도구로 마무리된다. 바람직한 것은 비다공성 세라믹 물질로서, 대체적인 밀도가 가능한 한 그들의 이론적인 최고치에 근접한 것을 사용함으로써 쉽게 부식되지 않는 작업편을 만든다. 이러한 종류의 물질은 1300℃에 근접한 온도까지 사용가능하다.

본 발명의 범위 내에서 이용 가능한 세라믹 물질의 또 다른 범주는 상당히 향상된 강도 및 경도를 지닌 섬유보강재 및 세라믹 매트릭스의 합성물이다. 특히 여기에 적합한 것은 실리콘 탄화물 매트릭스를 가지고 있고, 역시 실리콘 탄화물(SiC-SiC) 또는 탄소(SiC-C)로 이루어진 섬유로 보강된 세라믹 물질 SiC-SiC 또는 SiC-C이다. 예를 들어 작업편은 처음에 실리콘 탄화물 또는 탄소섬유로된 많은 인접한 직물층을 혼입시킴으로써 생산된 예비 성형품 내에서 세라믹화 한 기체상태의 전구물질을 침전물과 분리시키고 주연벽의 오리피는 바람직하게는 레이저 빔 투과에 의해 제조된다. 이러한 세라믹 물질은 비-산화조건하에서 SiC-SiC 에 대해서는 1200℃ 이상 및 SiC-C에 대해서는 1400℃ 이상의 온도에서 이용가능하다.

섬유화 응집물에 관하여 내부 원심분리에 의해 고액상 및 저점도 물질을 처리하는데 있어서 달성되는 최적의 결과는 어떤 합금의 선택에만 의존하는 것은 아니다. 요구되는 처리조건은 용해된 광물질의 통로 및 열적조건을 보호하는 장치에 관한 모든 것에도 영향을 준다.

당해물질은 처음부터, 예를 들면 원료물질이 용융하는 점으로부터 특별한 설비를 필요로 한다. 여기서의 목적은 본 발명의 범위 내에 있지 않은 용융 기술의 설명에 들어가는 것은 아니다. 이러한 기술은 문헌에 아주 상세하게 설명되어 있다. 그럼에도 불구하고 용융 광물질의 제조에 있어서 조차, 도달 가능한 온도는 용융 또는 정제로를 형성하는 재료의 저항에 의해 특히 제한된다는 것이 강조되어야 한다. 이러한 이유로 해서 용융 광물질은 일반적으로 변형에 요구되는 온도보다 그리 높지 않은 온도에서 준비된다. 이것은 변형에서 섬유로 이르는 진행과정 중에 용융 광물질의 열손실이 억제되어야만 한다는 것을 의미한다. 실제 조건에서는 결과적으로, 용융로 및 스피너 사이의 거리를 짧게 함으로써 용융 광물질이 열적으로 절연된다.

스피너가 그 작동 온도를 유지하기에 필요한 에너지를 공급받지 못한다면 결국 열손실은 스피너와의 접촉에서도 발생한다. 과도한 열전달을 피하기 위하여 장치에 시동을 걸고 계속해서 작동되는 동안 다양한 수단이 사용된다.

스피너의 바깥부분에는 주연벽의 윗부분 가까이에 특히 내부 연소 및 상승된 온도의 환상 기체 흐름을 만들어 내는 환상 외부 버너가 있다. 바람직하게는, 뜨거운 기체 흐름이 수동 수단의 주연벽을 따라 통과할 뿐 아니라 연결밴드의 일부분, 또는 주연벽을 스피너를 지지 축대에 고정시키는데 사용되는 플랜지와 연결시키거나(바닥 없는 스피너의 경우), 위의 보강 접관과 연결시키는(바닥면을 통해 가동되는 스피너의 경우)튜울립(tulip)의 일부분을 감싸도록 함으로써 이러한 부분도 가열되도록 한다.

이러한 목적으로 보조 버너의 불꽃이 연결밴드 또는 튜울립을 향하도록 하여 사용할 수도 있다. 또 다른 해결방법은 외부 버너를 주연벽의 윗부분에서 멀리 떨어지도록 배열하여 가스 흐름이 스피너에 접근하여 튜울립의 현저한 부분에 도달하기 전에 이미 다소 팽창시키는 것이다. 그러나 여기에서 그 거리는 충격흐름의 정확성이 유지될 정도로 짧아야만 한다. 본 발명의 세 번째 변형예에 따르면 환상 외부 버너가 사용될 수 있는데, 그것의 내부 채널벽 직경은 스피너의 외경보다 작다.

예를 들어 이 경우에, 뜨거운 기체의 활활 타는 제트(jet)의 한계를 정하기 위해 연장되고 경사진 방출 립(lip)을 지닌 버너가 설치될 수 있다.

또한, 바람직하게는 스피너의 바깥부분에 높은 또는 종종 중간 높이의 전류통로에 환상 자석이 장착되어 있는 유도 가열기가 설치된다.

그 자체로서 공지된 바와 같이 환상자석은 스피너 바로 밑에 배열되어 거기에 집중할 수 있다. 이러한 두 가지 가열장치의 결합은 본래 스피너의 열적 균형에 기여하며, 이러한 가열장치의 효율은 그들이 스피너에 더 가까와질수록 좋아지고, 이런 방법으로 외부 버너는 주로 원심분리기 또는 스피너의 윗부분을 가열하는 반면에 환상 자석은 주로 스피너의 바닥부분을 가열하게 됨을 주목해야 한다. 특히 뜨거운 기체 흐름에 둘러싸인 다른 모든 근처의 금속 부분에 대한 가열 없이 주연벽의 윗부분을 가열하는 것은 매우 어렵다는 것이 발견되었으므로, 기술된 이중 가열 시스템은 기술적 문제를 제거한다.

이러한 가열장치들간의 또 하나의 중요한 상이점은 스피너 주위의 온도에 대한 영향이다. 유도 가열기는 이 점에 대해 실제적인 영향이 없으며, 조사에 의한 소량의 가열을 제외하고는 주위 환경 가열에 기여 하지 않는다. 반면에 환상 외부 버너의 경우에는, 방사기의 회전 운동에 의해 흡인되는 이차 대기(secondary air)와 고속의 환상기류가 환상 외부 버너에 의한 주연부로의 열 유입을 억제하고는 있지만, 불가피하게 주연부를 상당한 정도로 가열하게 된다. 최적의 섬유 품질, 특히 기계적 저항의 관점에서 볼 때, 섬유가 스피너로 부터 방사된 직후에 과열된 환경에 노출되는 것은 바람직하지 못하다. 이러한 견지에서, 환상 외부 버너로부터 기체의 온도는 제한되는 것이 좋다.

또한 상대적으로 높은 스피너 속도에서 작업하는 것이 바람직하다. 액적이나 비이드 형성에 관여하는, 점성 변형에 대한 저항력과 표면 장력과의 관계는 무단위수인 μ/xV/σ의 함수인 것으로 알려져 있는데, μ는 물질의 점도를 나타내고, V는 그 속도를, σ는 표면 장력을 나타낸다. 점도를 높이기 위해 온도를 낮추거나 물질의 운동 속도를 높임으로써 μxV의 곱을 증가시키면 액적이나 비이드 같은 비섬유 입자의 생성 경향이 감소한다.

스피너 주위가 가열되지 않도록 주의하는 것이 바람직하나 이러한 요구는 외부가열기가 스피너의 열적 균형을 만족스럽게 유지하지 못한다는 결과를 초래할 수 있다.

그러한 경우에는, 가열장치를 스피너 안에 내장시킬 수 있다. 이러한 열의 보조적 유입은 발산 내부 버너를 스피너의 지지축을 향해 집중적으로 배열함으로써 그 불꽃이 주연벽의 내부를 향하게 하여 바람직하게 달성된다. 연료/공기 비율은 불꽃심이 내벽의 바로 부근에 위치하도록 함으로써 바람직하게 조정된다. 또한 불꽃 보유수단으로 작용하는 몇 개의 돌기는 튜울립의 내벽에서 바람직하게 설치된다. 발산 내부 버너는 그것이 용융 광물질로부터 파생된 것이 아닌 한, 계속되는 작동 중에 3 내지 15% 사이의 열 유입에 기여한다. 이것은 별로 중요하지 않은 기여인 것으로 보이지만, 놀라운 정확성을 갖고 발생하는 이러한 열유입은 요구되는 위치에 정확히 배열됨으로써 매우 효과적이다.

섬유화 중에 이용되는 발산 내부 버너는 선행기술로부터 공지된 중앙 내부 버너를 바람직하게 보완하는데, 이 중앙 내부 버너는 시동 중에 배타적으로 사용되고 원칙적으로 방사기의 바닥 또는 바닥 대용 분배 수단을 가열하는데 이용되며 보통 컵으로서 또는 좀 더 일반적으로 스피너의 중앙지역으로서 인용된다. 중앙 내부 버너는 용융 광물질을 주입하기 전에 컵 또는 바닥을 예열한다. 본 발명에 따른 바람직한 중앙 버너는 불꽃이 수렴되고 스피너 지지축과 분산형 중앙 내부 버너 사이에 배열된 환상버너이다.

초기 단계에서는 외부 가열장치도 또한 사용되는 것으로 이해된다. 필요에 따라 불꽃 렌스 또는 유사한 장치도 보조 가열장치로 이용될 수 있다. 용융된 광물질의 열투입이 아직 이용될 수 없지만, 중요한 초기 단계에서는 분산형 내부 버너도 물론 이용될 수 있다. 초기 단계에서 내부 및 외부 버너는 함께 아주 유용하게 이용된다. 내부 버너는 아마도 재래식 글래스 섬유 생산을 위한 섬유화 부재에서 발견되는 종류이다. 이러한 공지된 섬유화 부재에 있어서 버너는 스피너의 지지축 쪽에 동심으로 배열된다. 다른 종류의 내부 버너도 또한 이용될 수 있는데, 특히 구체적인 실시태양에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 특수 스피너 구조를 보완하기 위해서 이용될 수 있다.

어떤 경우에는 처리된 물질이 보통 내부 원심분리에 의해 처리되는 글래스 섬유에 비해 낮은 점도를 가지기 때문에, 각 오리피스의 직경을 알맞게 선택함으로써 각 스피너 오리피스의 생산능력을 조정하는 것이 필요하다. 그러므로 오리피스는 보통 1000 포아즈 정도의 점도를 갖는 글래스 섬유의 생산능력을 하루에 오리피스 약 1㎏으로 유지하기 위해, 보통 0.7 내지 1.2㎜의 직경을 갖는다. 500 포아즈 이하의 점도를 갖는 물질의 경우, 오리피스 직경이 0.1㎜ 이상, 바람직하게는 0.15 ㎜ 이상 및 특히 0.2㎜ 이상, 단 0.7㎜ 이하, 바람직하게는 0.5㎜ 이하 및 특히 0.4㎜ 이하인 스피너를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 상세한 설명, 특징 및 효과는 도면과 관련하여 바람직한 실시 태양을 다음에 구체적으로 설명한다.

제1도 내지 7도는 다양한 조성물에 대한 점도/온도 그래프이다.

제8a도는 선행기술로부터 알려진 글래스 섬유 생산용 섬유화 장치를 나타내는 개략적인 수직 단면도이다.

제8b도는 제8a도에 대응하는 것으로, 본 발명에 의한 섬유화 장치의 구체예를 나타낸다.

제9도는 제8b도에 대응하는 것으로 본 발명에 의한 섬유화 장치의 다른 구체예를 나타낸다.

광물섬유의 생산에 유용한 다수의 조성물이 이 명세서에 첨부된 표에 나타나 있다. 보통 내부 원심분리에 의해 섬유화된 통상적인 글래스 섬유 조성물을 나타내는 조성물 0을 제외하고는 다른 물질은 모두 상승된 액화온도와 낮은 점도를 갖는다. 조성물의 주성분 외에도 액화온도, 즉 결정이 평형상태에서 검출되지 않는 최저 온도에 상당하는 열 평형값이 표에 나타나 있다. 이 온도를 결정하기 위해서 평형상태를 얻기 충분한 시간 동안(실제 조건하에 16시간) 백금 도가니 안에서 분쇄된 물질의 샘플을 측정온도까지 가열한 다음, 도가니에서 꺼내 환경 온도로 급냉하고 분쇄하여 가는 칩을 형성하고 이것을 현미경으로 검사한다. 액화온도는 결정이 발견되지 않는 최고온도와 결정의 존재가 주지되는 최저 온도 사이의 임계온도에 해당한다.

글래스 조성물에 해당하는 조물 26을 제외하고는, 본 발명에 따라 사용되는 표에 나타난 조성물은 모두 높은 용융점, 대표적으로 1200 내지 1400℃의 액화온도를 가지는 물질로 되어 있다. 이러한 다양한 조성물에 대한 점도/온도 그래프는 도면 제1도 내지 7도에 나타나 있다. 각각의 조성물에 상세한 설명과 관련하여 도면 제1도 내지 7도의 기재내용은 본 발명의 필수요소를 설명하는 본 명세서에 참고로 인용된다. 그 다이아그램에서 Y축은 점도 μ의 상용대수(1g μ)로 단위가 포아즈이고, X축은 온도를 나타낸다. 그래프(글래스 0을 제외함)의 왼쪽 정점은 동심관을 갖는 점도계에 의해 측정될 수 있고, 이 때 샘플은 서서히 냉각되는 최저 온도를 나타낸다.

다이어그램에서 파선은 본 발명에 대한 적용한계를 나타낸다. 최대로 적용할 수 있는 온도는 스피너 합금의 내성에 의해 결정된다. ODS 타입의 합금의 허용될 수 있는 자동 수명의 경우 상한은 1400℃이다.

하한을 나타내는 1200℃ 값은 분명한 경계선이 아니고, 다른 단점 외에 스피너의 매우 짧은 작동수명이 허용되는 경우, 공지된 통상의 내부 원심분리 기술에 의해 얻을 수 있는 최후의 한계가 1200℃ 라는 사실에 근거한다. 공업적 조건하에서 이 값은 공지된 통상의 내부 원심분리 기술에 의해서는 어떠한 경제적인 방법으로도 결코 얻을 수 없다.

300 포아즈(1g μ = 3.47)를 넘는 경우, 필요한 방법으로 물질이 오리피스를 통하여 더 이상 흐를 수 없기 때문에, 당해 기술로는 더 이상 만족스럽게 조성물을 처리할 수 없다. 조사된 조성물이 본 발명에 의해 고려되는 온도 범위 내에서 매우 낮은 점도를 갖는 한에서는 상한값은 실제적으로 중요한 한계를 나타내는 것은 아니다. 100 포아즈의 하한값은 매우 중요하다. 앞서 언급한 바와 같이 어떠한 경우에도 이 점도 이하는 실제적으로 불가능하나, 오리피스로부터 섬유형태로 방출되는 필라멘트를 성공적으로 섬세화 하기 위해서는 점도가 200 포아즈 (1g μ = 약 2.3) 또는 350 포아즈(1g μ = dir 2.5) 아래로 되는 경우가 있다. 내부 원심분리에 의한 섬유화를 방지하는 이들 낮은 점도에 대한 적절한 안정성을 얻기 위해서 300 내지 350 포아즈의 점도에서 조성물을 처리하며 작업하는 것이 바람직하다.

저점도 글래스 제조과정에서의 문제점을 더 잘 예시하기 위하여 1250℃ 에서 현무암 조성물 번호 25의 점도에 해당하는 950℃ 에서 점도를 가지며 또한 점도/온도 그래프가 조성물 번호 25의 그래프와 유사한 대조용 글래스를 가지고 실험을 행하였다. 하루에 오리피스당 0.2 내지 0.65㎏ 범위의 방출된 글래스 용량으로 프랑스 특허문헌(FR-A-2 443 436호)으로 알려진 200㎜ 스피너를 사용하여 실험을 행하였다. 환형 외부 버너에 의해 발생된 가스 흐름은 700 내지 1000℃의 송풍온도와 20 내지 100㎜ 물기둥의 송풍압력을 가진다. 얻어진 결과는 다음 표에 나타냈는데, 여기서 점도 단위는 포아즈이고, 스피너의 회전 속도 단위는 분당 회전수(rpm)이다. 비이드(beads) 란에서, 첫 번째 항목에서 백분율은 100㎛ 이상의 섬유화되지 않은 입자의 중량% 이고 괄호안은 40㎛ 이상의 입자의 중량%이다. 섬유 섬도는 5g 이하의 마이크로네어(Micronaire) 값으로 표현된다.

위 표에서 알 수 있듯이, 350 포아즈 이상으로 조정된 점도에서 비이드 비율은 스피너 회전속도에 관계 없이 5중량% 이하임이 분명하다.

이 경우에 스피너의 회전속도 및 /또는 외부 버너 입력 및/또는 섬세화 가스 온도를 높임으로서 섬유 섬도를 증가시킬 수 있다. 100 포아즈 이하의 점도에서는 스피너의 높은 회전속도에서 조차 비이드 함유량이 매우 많아지는 반면, 얻어진 섬유는 섬도가 충분치 못하여 절연용으로 부적당하다.

70 내지 360 포아즈에서는 고회전 속도를 이용하고, 5 내지 10중량%의 비이드 함량이 허용되는 경우에 높은 품질의 섬유를 얻을 수 있다.

본 발명의 범위에 속하는 조성물을 이용할 수 있도록 하기 위해서는, 점도/온도 그래프의 최대 길이가 상술한 한계에 의해 한정되는 영역 내에 놓이도록 하여야 한다.

그러므로 본 발명에 의하여도 실제로 섬세화할 수 없는 조성물의 예로서 목록된 조성물 22 및 23은 제외된다. 더구나 조성물 21은 점도/온도 그래프의 아주 작은 부분만이 한정된 면적내에 있어서 섬유화 하기가 아주 어렵다는 것을 알 수 있다. 조성물 17, 18, 20, 24 및 25는 본 발명에 따라 선택하는데 필요한 조건의 경계 면적안에 있고, 350 포아즈 이상의 점도에서 처리될 수 없어서 비이드 함량이 예를 들어 10중량% 이상인 비교적 불만족스러운 제품을 산출한다.

조성물 3, 10, 11 및 14에 있어서, 300/350 포아즈 이상의 더 바람직한 점도의 면적 내에 점도/온도 그래프의 매우 작은 부분만이 들어 있는데 이 때문에 연속적인 작동과정에서 스피너의 주연벽 전체에 걸쳐서 적어도 50℃ 범위 내에서 일정한 온도를 유지하기 어렵다.

조성물 8 및 12의 경우, 1300℃를 초과하는 작동온도를 허용하는 고성능 스피너를 필요로 한다는 것에 주의해야 한다.

나머지 조성물은 350 내지 3500 포아즈 사이에서 섬유화 될 수 있는 물질의 점도에서 적어도 50℃의 안정성 여유를 갖고 1200 내지 1300℃의 면적에서 작동범위를 제공한다. 이들 조성물은 매우 넓은 작업범위를 나타내므로, 수십 단계에 걸쳐 편리하게 이용할 수 있게 하며, 앞서 기술된 조성물 보다 더 쉽게 이용할 수 있다.

조성물 26은 비교적 낮은 액화 글래스에 해당하므로 한정된 작업범위에 들어가지도 못한다(비록 1050 내지 1100℃ 이상이 상승 액화온도로서 관습적으로 이미 언급되고 있더라도, 조성물 0처럼 전형적으로 사용되는 글래스 조성물은 단지 920℃의 액화온도를 갖는다). 그러나 이 조성물은 액화온도에서 3200 포아즈 이하의 점성을 갖고, 아직도 100 포아즈 이상의 점도에서 내부 원심분리에 의해 섬유화 될 수 있기 때문에 본 발명에서 유리하게 이용할 수 있다.

본 발명의 적용 예는 섬유화 부재의 개략도를 나타내는 도면 제8도 및 9도에 의해 더욱 자세히 설명될 것이다.

도면 제8a도 및 8b도는 절연 목적으로 특별히 고안된 글래스 섬유의 생산을 위해 선행기술에서 지금까지 사용된 타입과 주요 구조상 일치하는 부재를 나타낸다. 이러한 타입의 섬유화 장치는 많은 선행 문헌에서, 예를 들면 프랑스 특허문헌 FR-A-2 443 436호 및 유럽 특허출원 EP-A-0 091 381호에서 상세히 설명되어 있으며, 이들 내용은 더욱 상세히 설명하기 위해 여기에서 참고로 인용한 것이다.

통상의 방법에 있어서, 도면 제8a도에 상세히 예시된 바와 같이 섬유화 장치는 필수적으로 스피너(1), 많은 방출 오리피스를 가지고 있는 주연벽(2)으로 구성된다. 주연벽(2)의 그의 형상으로 인해 튜립(tulip)이라 불리우는 연결 밴드(4)를 경유하여 플랜지(3)와 연결된다. 도면에서 도시된 바와 같이 주연벽(2), 튜립(4), 및 플랜지(3)를 대체로 하나의 단위부분을 형성한다.

플랜지(3)는 도시된 실시태야에서 구멍이 있는 지지축(5)위에 설치되며, 이 캐비티를 통해 용융 광물질이 공급된다.

지지축(5) 또는 플랜지(3)는 보통 컵(cup)이라고 불리는 집중 분산장치(concentric distributing means) 6을 지지한다. 비교적 큰 직경과 비교적 적은 수의 오리피스를 가진 주연벽을 구비한 분산컵(6)은 스피너(1)의 하부벽으로 작용하며, 중앙에 공급된 용융 광물질 흐름이 여러 개의 흐름으로 분리되고 주연벽(2)의 안쪽 경계선 위에 분산하는 방식으로 용율 광물질을 분산시킨다.

스피너(1)는 다양한 가열장치에 의해 둘러싸여 있다. 즉 스피너(1)의 회전에 의해 흡입된 상당한 양의 공기에 의해 또한 수냉각된 환형 외부 버너(8)에 의해서 강하게 냉각되는 주변공기와 접촉할 때 냉각시키기 위해 특히 스피너(1)의 바닥부분을 가열하는 유도 히터의 환상자석(7)에 의해 둘러싸여 있다. 외부 버너(8)의 채널벽(9) 및 (10)의 단부는 스피너(1)로부터 약간 수직거리 h, 예를 들면 도면 제8a 도의 왼쪽 꼭대기 부분에 간단한 방법으로 스케치하여 도시한 바와 같이 5㎜ 정도로 배열된다.

환상 외부버너(8)은 실제적 수직 하방으로 향해서 주연벽(2)을 따라 통과하는 고온 및 고속도 가스흐름을 발생한다. 가스흐름은 한편으로는 주연벽(2)를 가열하거나 온도를 유지시키는 작용을 하며 다른 한편으로는 방사된 용융 광물의 필라멘트를 섬유형태로 섬세화 하는 작용을 한다.

도면에 나타낸 바와 같이, 외부버너(8)는 바람직하게는 냉풍, 예를 들면 압축공기를 위한 송풍링(11)에 의해 둘러싸여 있는데, 송풍량의 주목적은 뜨거운 가스흐름의 방사성 팽창을 막고, 그것에 의해 형성된 섬유가 환상자석(7)과 접촉하지 못하도록 하는 것이다.

스피너(1)의 외부 히터들은 지지축(7)의 안쪽에 위치하고 컵(6)을 미리 가열하기 위해 섬유화 공정의 초기 단계에서만 이용되는 내부의 환상버너(12)에 의해 내측으로 보완된다.

도면 제8b도에 도시된 것처럼 본 발명에 의한 섬유화 장치는 동일 성분으로 되어 있고, 단지 그 차이는 다음에서 설명된다.

가장 큰 차이는 채널벽(14) 및 (15)를 갖는 13으로 도시된 환상 외부버너의 위치와 관계가 있는데 이들 채널벽의 선단이 19로 도시된 주연 벽위로 거리 h' 부분에 위치하며, 이것은 명백히 도면 제8a도에 의한 거리 h 보다 더 크다. 이들 관계는 도면 제8b도의 오른쪽 꼭대기 부분에 스케치에 의해 간단히 도시되어 있다. 예를 들면, 15 내지 30㎜ 범위, 특히 20 내지 25㎜ 범위의 거리 h'가 바람직하다. 그 이유는 이러한 거리가 정확한 양의 가스흐름을 허락하기 때문이다. 더구나, 내부 채널벽(14)은 주연벽(19)의 꼭대기 부분의 직경보다 명백히 더 작은 직경을 갖는다. 방출할 때 가스 흐름을 안내하기 위해 외부 버너(13)의 방출 오리피스는 서로 직각인 경사진 (예를 들어 바깥쪽과 약 45℃로 경사진) 두 개의 경사 표면(16)과 (17)에 의해 제한된다. 외부 버너(13)로부터 뜨거운 기체의 방사상 팽창과 관련된 문제를 줄이기 위해서 바깥쪽 경사표면(17)은 단지 안쪽 경사 표면(16)의 길이의 반이며 거의 수직벽(18)에서 끝난다. 경사진 표면(16) 및 벽(18)은 통상적인 외부 버너(8)의 채널벽(9) 및 (10)의 수직거리 h에 실질적으로 상응하는 높이만큼 스피너 위에서 끝난다(제8a도 참조).

이러한 배령의 외부버너(13)와 함께 스피너(1)의 주연벽(19) 뿐만 아니라 (20)으로 도시된 튜립도 가열되고 있다. 그러나 가스 흐름은 튜립(20)을 따라 올라가서 1'로 도시된 스피너(22)로 도시된 지지축을 가열해서는 안된다. 이것을 피하기 위해서 환상 돌출부(21) 또는 다른 회전 밀봉요소가 예를 들면 튜립(20)의 높이의 절반 위치에 배치될 수 있는데, 이 위치는 환상 가스 흐름에 의해 가열되는 튜립(20)의 길이를 결정한다. 지지축(22)와 주연벽(23)간의 간격에 압축할 수도 있다.

이것을 위해 예를 들면 냉풍이 지지축(22)의 꼭대기 부분에 주입될 수 있고, 이 주입은 흐름을 차단하도록 회전축과 수직방향으로 주입되어 냉풍의 흐름이 튜립(20)으로 가지 않는다.

도면 제8a도와 8b도를 비교해 보면 더욱 중요한 차이를 보여 주는데 그것은 26으로 도시된 중앙 내부 환상 버너 주위에 동심적으로 배치되고, 보통 컵을 가열하는 작용을 하는 제2의 내부 버너(25)가 있다는 점이다. 제2버너(25)는 주연벽(19) 및 튜립(20)의 내면으로 유도되는 분산 불꽃을 갖는 환상버너이다. 불꽃 보유수단으로 작용하는 튜립(20) 안쪽 위에 돌출부(29)는 불꽃의 배열을 바람직하게 조절한다.

도면 제8b도의 실시태양의 경우, 컵(27)은 용융 광물질에 의한 신속한 부식을 피하기 위해서, 예를 들면 세라믹판 또는 내열성 콘크리트로 구성되어 있는 비교적 두꺼운 벽(28)을 갖고 있다. 그 외에, 두꺼운 바닥면(28)은 열 절연재로서 작용하며, 이것에 의해 스피너(1')의 회전에 의해 유도 또는 흡입된 가스 또는 공기의 흐름 때문에 바닥벽의 안쪽이 냉각되는 것을 막을 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 장치의 작동원리를 더욱 상세히 설명한다.

제조를 시작하기 전에, 용융 광물질이 스피너(1')의 오리피스에서 방출되기 전에 고화하지 않는 온도에 도달할 때 까지 컵(27) 및 스피너(1')를 가열한다. 용융 광물질이 실제로 냉각되지 않고 가능하면 빨리 고정된 공정조건에 도달할 수 있도록 계속 진행되는 공정 중의 온도와 아주 적게 차이가 나는 적당한 온도에 도달했을 때, 스피너(1')안으로 용융 광물질을 통과시킬 수 있다.

용융 광물질은 컵(27)의 바닥벽(28)에 부딪히고, 컵(27)의 오리피스를 통하여 그의 주연벽으로 방출되어 스피너(1') 주연벽(19)의 안쪽으로 분포된다.

컵(27)에 의한 용융 광물질의 분산은 두 가지 상반되는 요건에 의해 결정한다. 한편으로는 용융 광물질이 컵(27)부터 스피너(1')의 주연벽(19)까지 가는 도중에 현저하게 냉각되지 못하도록 컵(27)의 오리피스 수를 비교적 적게 하는 것이 바람직하다. 그러나 용융 광물질이 컵(27)의 적은 수의 오리피스에 집중되는 경우는 스피너(1')의 주연벽(19)의 안쪽 표면 위에 국부적으로 한정된 충돌점을 유도함과 동시에 이 위치에 스피너(1')의 물질이 빠르게 부식될 위험이 있다. 이러한 위험은 스피너(1') 내의 용융 광물질의 더욱 정확히 한정된 역류(reserve)에 의해 다음에 더 상세히 도시되는 바와 같이 더욱 증가하는데 그것은 쿠션처럼 작용하는 이 역류가 충돌을 덜 완화시키기 때문이다.

스피너(1')를 통한 용융 광물질의 통과는 고화 위험성을 극소화 하기 위해 가능하면 짧게 유지한다. 여기서 스피너(1') 안쪽에 용융 광물질의 통로를 짧게 하고 오리피스를 통과하기 전에 주연벽(19)의 내측을 따라 남아 있는 용융 광물질의 양을 가능하면 적게 하여야 한다.

용융 광물질의 이러한 역류는 공급된 용융 광물질의 흐름, 온도, 보다 작거나 큰 유동성에 의해 또한 원심 가속도에 의해 간접적으로 결정된다. 예를 들면, 스피너(1') 안쪽에 남아 있는 용융 광물질의 평균량은 1분간 생산량, 바람직하게는 30초간 생산량을 초과해서는 안된다.

용융 광물질이 스피너로부터 방출될 때까지 용융 광물질의 적당한 온도를 유지시키는 경우, 필라멘트가 섬유형태로 섬세화되고 섬세화된 섬유가 고화되도록 하는 식으로 추가의 열조절, 특히 스피너 주위환경의 열조절이 필요하다.

용융 광물질의 온도는 섬유가 고형으로 남아 있는 온도 아래로 신속하게 내려야 한다. 그럼에도 불구하고 충분한 섬세화가 불가능한 경우처럼 고체화가 즉시 일어나서는 안된다.

이 단계에서 온도조절은 섬유의 섬세화가 일어나는 영역에서 스피너의 주위에 영향을 주는 가열장치를 사용하여 조절한다. 온도를 선택할 때 실제로 물질이 섬세화 될 수 있고 고화될 수 있는 값을 고려해야 한다. 더구나, 버너에서 방출되는 기체가 주위환경에서 흡입되는 공기와 혼합된다는 사실을 고려해야 한다.

실제 조건하에서, 섬유의 섬세화는 스피너를 떠난 후에 짧은 거리 내에서 실행된다.

기체의 방출량은 섬유가 섬세화되는 주위 대기의 전 영역에서 선택된 조건을 유지하기에 충분해야 한다.

도면 제9도에 나타난 배열은 도면 제8도에 의한 배열과 다른데, 특히 용융 광물질을 축방향으로 공급하는 것이 아니고 분포 컵을 통과하지 않고 스피너 안으로 직접 공급한다는 점에서 다르다.

도면 제9도에 의한 배열에는 체계적으로 도시된 방식에서 축 칼러(shaft collar)와 플랜지(33)를 경유하여 지지축(32)에 결합되어 있는 스피너(31)가 있다. 이러한 결합수단은 상세히 도시되어 있지 않다.

스피너(31)은 꼭대기 부분이 열려 있다. 용융 광물질(35)는 중력에 의해 공급되며, 난로에서 연속적으로 흘러나온다. 용융 광물질(35)은 스피너(31)에 들어갈 때 까지 부싱(bushing)(36)에 의해 보호된다.

도면 제8도에서와 같은 배열에는 용융 광물질의 온도를 조절하는 몇가지 설비와 여러 단계의 작업시 필요한 장치가 있다.

특히, 유도 가열을 위하여 스피너의 외측부분(31)에 환상 외부 버너(37) 및 환상 자석(38)이 있다. 각각의 경우에 있어서 요구되는 바에 의하여 보조 버너는 용융 광물질이 스피너(31)안으로 들어가기 전에 스피너(31)가 충분한 온도를 갖도록 생산 초기단계에서 일시적으로 이용할 수 있다. 이 보조 버너는 상세히 도시되어 있지 않다.

스피너(31) 내측에는 도면 제8도에 의한 실시태양에서와 같이 내부 버너(39)가 제공되며, 이는 지지축(32)에 대하여 동심으로 배열된다. 스피너(31)의 바닥벽에는 가스를 방출시키기 위하여 오리피스가 설치되어 있다.

용융 광물질(35)이 스피너(31)의 오리피스를 통과하기 직전에 가열되어야 하는 경우에, 도면 제9도에 40으로 도시된 것처럼 버너를 사용할 수 있으며, 이는 스피너(31)의 주연벽 안쪽 표면에 불꽃이 향한다.

도면 제9도에서 제안된 것과 다르게 버너(40)가 용융 광물질의 유입을 방해할 수 없도록 버너(40)를 용융 광물질의 흐름으로부터 상당한 거리를 두어 위치시키는 것이 더 바람직하다.

도면 제8도에 의한 실시태양의 경우처럼 분산 버너(40)에 중앙 내부 버너(39)를 추가할 수 있다.

도면 제9도에 체계적으로 도시된 벽(41)은 스피너(31)의 내부 공간을 주위 온도에 대항해서 적당히 보호할 수 있도록 배열할 수 있다.

용융 광물질(35)은 스피너(31)의 바닥면을 구성하는 면적내에서 스피너(31)와 부딪친다. 용융 광물질은 원심력에 의해 그 곳으로부터 42로 도시된 스피너(31)의 주연벽의 안쪽 표면 전체를 덮는다. 이 배열에서 용융 광물질(35)의 통로가 스피너(31)와 접촉하는 동안에 매우 짧다는 것이 강조되어야 한다.

도면 제8b도에 의한 실시태양과 같이, 스피너(31)의 주위 환경 내에서 열조건을 조정하는 것이 주기능인 내부 연소를 하는 환상 외부버너(37)는 스피너(31)의 주연벽(42)을 특히 그의 최상부에서 상당히 냉각시키는 것을 방지한다. 전술한 실시태양처럼 환상자석(38)에 의한 유도 가열은 스피너(31)의 바닥 부분을 가열하는 것을 돕는다.

상술한 바와 같이 실험에 의하여 섬유는 순수 ODS 강철로 만든 스피너를 이용하여 제조했다. 이 경우에 스피너는 200㎜의 직경을 가지며, 스피너 주연에 9,000 개의 방출 오리피스를 설치하였다.

오리피스의 직경은 0.5㎜이다. 오리피스는 20 열로 배열하였다. 이러한 배열은 제8b도에 예시된 유형이며, 이의 설명은 반복을 피하기 위해 여기서 참고로 인용된다.

다양한 조성물에 대한 실험조건은 약간씩 차이가 난다. 예를 들어 상술한 조성물(2)에 좋은 결과를 주는 조건들은 뒤에서 설명된다.

스피너에 공급되는 도중 용융 광물질의 초기 온도는 1550℃ 이다. 그 방출량은 3000 ㎏/일이다. 첫 째로, 외부 버너는 345㎜ 물칼럼의 송풍 압력하에서 1400℃ 에서 섬세화 가스흐름을 제공하도록 조정한다. 스피너의 회전속도는 3000rpm 이다.

이러한 조건하에서 마이크로네어값이 3/5g 또는 파코네어값이 400/5g인 섬유 섬도를 갖는 현무암 모를 제조하였다(마이크로네어 및 파코네어 값의 결정은 광물모 제조업자들이 현재 사용하고 있는 섬유 섬도를 평가하는 통상적인 수단이다). 상세한 내용에 관해서는 여기서 참고로 인용되는 독일 공업규격(DIN) 53941 Bestimmung des Micronaire (Micronaire reading) 및 ASTM D 1448 Micronaire reading of cotton fiber에서 알 수 있다. 100㎛ 또는 그 이상의 직경을 갖는 섬유화 되지 않는 물질의 함량은 0.8 중량% 이하이며, 이것은 외부 원심분리의 결과에 비하여 아주 낮은 값이다. 섬유의 품질은 모두 아주 만족스럽다.

일반적으로 작업조건의 적당한 선택으로 본 발명에 의한 방법은 100㎛ 이상의 직경을 가진 섬유화 되지 않는 입자(비이드)가 5% 미만인 현무암, 암석 등을 기본으로 하는 광물매트를 얻는다고 말할 수 있다.

그럼에도 불구하고 온도분포를 잘 조절하는 것이 아주 중요하다.

이미 앞서 언급된 바와 같이 온도의 두드러진 증가, 예를 들면 버너온도를 1600℃로 증가시킴에 의해 섬유화 되지 않는 입자의 비율이 크게 증가하게 된다.

이와는 달리, 스피너 온도를 낮추면 스피너 주연의 방출 오리피스가 막힐 수도 있다. 다른 조성물을 가지고 수행한 실험은 상기 결과를 확인해준다.

Claims (56)

1. 직경이 작은 다수의 오리피스를 포함하는 주연벽을 구비한 스피너에 용융된 광물질을 주입하고 상기 용융된 광물질이 원심분리되어 필라멘트를 형성하고 상기의 스피너의 주연벽을 따라 가스 흐름을 추가로 섬세화 시킬 수 있음을 특징으로 하는 상승된 액상온도에서 유동성이 높은 재료로 구성된 광물모를 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 섬유화 될 재료의 액상온도가 1200℃ 이상인 방법.
3. 제1항에 있어서, 섬유화 될 재료가 그의 점도가 100 포아즈 이상인 사용범위를 가지며, 또한 적어도 이점도에서, 재료를 섬유화 시키는 방법.
4. 제3항에 있어서, 재료를 200 포아즈 이상인 점도에서 섬유화 시키는 방법.
5. 제3항에 있어서, 사용범위가 적어도 50℃의 온도 간격에 걸쳐 연장하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기한 스피너 오리피스의 직경이 0.15㎜ 이상이 되게 선택되는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 스피너 오리피스의 직경이 0.7㎜ 이하가 되게 선택하는 방법.
8. 제1항에 있어서, 스피너 재료로서 산화물 분산 강화(ODS) 합금을 선택하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 스피너 재료로서 세라믹 물질을 선택하는 방법.
10. 100㎛를 넘는 크기의 비섬유화된 입자의 함량이 10 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 상승된 액상온도를 가지며 이 온도에서 낮은 점도를 갖는 재료로 만든 광물모 매트.
11. 제10항에 있어서, 상기 재료가 적어도 9중량%의 알칼리 토금속 산화물 함량을 갖는 광물모 매트.
12. 제10항에 있어서, 상기 재료가 다음 조성을 가지는 광물모 매트:
13. 제10항에 있어서, 상기 재료가 다음 조성 중 한 가지를 가지는 광물모 매트:

    또는
14. 제10항에 있어서, 상기 재료가 다음 조성 중 한 가지를 가지는 광물모 매트:
15. 제10항에 있어서, 섬유 섬도가 6/5g 이하의 마이크로네어 값을 갖는 광물로 매트.
16. 제15항에 있어서, 100㎛를 초과하는 입자크기를 갖는 비섬유화된 입자 함량이 5중량% 이하인 광물로 매트.
17. 스피너의 주연벽이 직경이 작은 다수의 오리피스를 포함하고 용융된 광물질이 이 오리피스를 통해 원심분리되어 필라멘트를 형성하며,스피너의 주연벽을 따라 흐르며, 상기 스피너에 동심으로 배열된 환상의 외부 버너에 의해 발생하는 가스 흐름을 추가로 섬세화시킬 수 있으며, 상기 스피너(1', 31)의 내부 가열장치(25,40)가 섬유화 중에 작동하는 것을 특징으로 하는 내부 원심분리에 의한 섬유화 장치.
18. 제17항에 있어서, 내부 가열장치(25)가 분산 환상버너인 장치.
19. 제18항에 있어서, 분산된 내부 환상 버너의 불꽃이 상기한 스피너(1')의 튜립 모양의 스커트(20)의 내부 표면에 위치한 불꽃 보유 장치(27)에 의해 상기 스피너(1')의 주연벽(19)의 내부 표면 근처에 유지되도록 하는 장치.
20. 스피너의 주연벽이 직경이 작은 다수의 오리피스를 포함하고 이 오리피스를 통해 용융된 광물질원심분리되어 필라멘트를 형성하며, 상기 스피너에 동심적으로 위치하는 환상의 외부 버너에 의해 발생하는 상기 스피너의 상기 주연벽을 따라 흐르는 가스 흐름을 추가로 섬세화 시킬 수 있으며, 상기 환상의 외부 버너(13,37)는 상기 스피너(1', 31)의 주연벽(19) 위에 일정한 거리(h)를 두고 위치하며, 상기 거리는 15 내지 20㎜ 정도인 것을 특징으로 하는 스피너를 사용하는 내부 원심분리에 의한 섬유화 장치.
21. 제20항에 있어서, 환상 외부 버너(13,37)가 상기한 스피너(1', 31)의 주연벽(19,42)의 상부측면의 직경보다 작은 직경을 가진 방출 채널벽(14)을 포함하는 장치.
22. 제17항에 있어서, 환상 외부 버너(13)가 뜨거운 가스의 플레어 방출 흐름을 한계 짓는 경사벽(16,17)에 의해 연장되는 열가스 흐름용 방출 채널벽(14,15)을 포함하는 장치.
23. 제22항에 있어서, 상기 스피너(1')의 지지축(22)을 따라 열가스의 역류가 밀봉 돌출부(21) 또는 회전 밀봉부에 의해 방지되는 장치.
24. 제22항에 있어서, 상기 스피너(1')의 지지축(22)을 따라 열가스의 역류가 상기 지지축(22)의 자유 선단에서 발생하는 유체 밀봉에 의해 방지되는 장치.
25. 제17항에 있어서, 상기 스피너(1',31)가 환형 유도 가열기(7,38)에 의해 더욱 가열될 수 있는 장치.
26. 제17항에 있어서, 상기 용융된 광물질을 분배장치(분배컵(27))로 인도하며, 이의 바닥면은 내열성 절연물질의 판(28)에 의해 보호되는 장치.
27. 제17항에 있어서, 상기한 스피너(1',31)의 오리피스의 직경이 0.15㎜ 내지 0.4㎜인 장치.
28. 제17항에 있어서, 상기한 스피너는 산화물 분산 강화(ODS) 합금으로 구성된 장치.
29. 제28항에 있어서, 상기한 스피너는 다음의 주성분으로 오스테나이트 합금을 구성하는 장치:
30. 제28항에 있어서, 스피너가 이하의 주성분으로 페리나이트 합금을 구성하는 장치:
31. 제17항에 있어서, 상기한 스피너가 세라믹 물질로 구성된 장치.
32. 제31항에 있어서, 상기한 스피너가 실리콘 질화물형의 세라믹 물질로 구성된 장치.
33. 제31항에 있어서, 상기한 스피너가 SiC-SiC형 또는 SiC-C 형의 세라믹 물질로 구성된 장치.
34. 제1항에 있어서, 액상온도에서 광물질의 점도가 3,200 포아즈 이하인 방법.
35. 제3항에 있어서, 섬유화 될 재료가 1,200℃ 내지 1,400℃의 사용 범위를 가지는 방법.
36. 제3항에 있어서, 물질이 350 포아즈 이상의 점도에서 섬유화되는 방법.
37. 제1항에 있어서, 상기한 스피너 오리피스의 직경이 0.2㎜ 이상이 되게 선택되는 방법.
38. 제1항에 있어서, 상기한 스피너 오리피스의 직경이 0.5㎜ 이하가 되게 선택되는 방법.
39. 제1항에 있어서, 상기한 스피너 오리피스의 직경이 0.4㎜ 이하가 되게 선택되는 방법.
40. 제10항에 있어서, 광물질이 액상온도에서 3,200 포아즈 이하인 점도를 가지는 광물모 매트.
41. 제10항에 있어서, 100㎛를 넘는 크기의 비섬유화 된 입자 함량이 5중량% 이하인 광물모 매트.
42. 제11항에 있어서, 상기 재료가 적어도 3중량%의 철함량을 갖는 광물모 매트.
43. 제26항에 있어서, 상기 내열성 절연물질이 세라믹 물질 또는 내열성 콘크리트에 기초한 물질인 장치.
44. 제20항에 있어서, 환상 외부 버너(13)가 뜨거운 가스의 플레어 방출 흐름을 한계짓는 경사벽(16,17)에 의해 연장되는 열가스 흐름용 방출 채널벽(14,15)을 포함하는 장치.
45. 제44항에 있어서, 상기 스피너(1')의 지지축(22)을 따라 열가스의 역류가 밀봉 돌출부(21) 또는 회전 밀봉부에 의해 방지되는 장치.
46. 제44항에 있어서, 상기 스피너(1')의 지지축(22)을 따라 열가스의 역류가 상기 지지축(22)의 자유 선단에서 발생되는 유체 밀봉에 의해 방지되는 장치.
47. 제20항에 있어서, 상기 스피너(1',31)가 환형 유도 가열기(7,38)에 의해 더욱 가열될 수 있는 장치.
48. 제20항에 있어서, 상기 용융된 광물질을 분배장치(분배컵(27))로 인도하며, 이의 바닥벽은 내연성 절연물질의 판(28)에 의해 보호되는 장치.
49. 제48항에 있어서, 상기 내열성 절연물질이 세라믹 물질 또는 내열성 콘크리트에 기초한 물질인 장치.
50. 제20항에 있어서, 상기한 스피너(1',31)의 오리피스의 직경이 0.15㎜ 내지 0.4㎜인 장치.
51. 제20항에 있어서, 상기한 스피너는 산화물 분산 강화(ODS) 합금으로 구성된 장치.
52. 제51항에 있어서, 상기한 스피너는 다음의 주성분으로 오스테나이트 합금을 구성하는 장치:
53. 제51항에 있어서, 스피너가 이하의 주성분으로 페리나이트 합금을 구성하는 장치:
54. 제20항에 있어서, 상기한 스피너가 세라믹 물질로 구성된 장치.
55. 제54항에 있어서, 상기한 스피너가 실리콘 질화물형이 세라믹 물질로 구성된 장치.
56. 제54항에 있어서, 상기한 스피너가 SiC-SiC 형 또는 SiC-C 형의 세라믹 물질로 구성된 장치.