RU2068814C1

RU2068814C1 - Method for manufacturing filaments from melt of rocks and device

Info

Publication number: RU2068814C1
Application number: RU93035216A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Медведев; Валентина Давыдовна Горобинская; Михаил Абавич Соколинский; Анатолий Васильевич Кравченко; Юрий Львович Цыбуля; Анатолий Александрович Ежов
Original assignee: Александр Александрович Медведев; Валентина Давыдовна Горобинская; Михаил Абавич Соколинский; Анатолий Васильевич Кравченко; Юрий Львович Цыбуля; Анатолий Александрович Ежов
Priority date: 1993-07-07
Filing date: 1993-07-07
Publication date: 1996-11-10

Abstract

FIELD: building industry; mechanical engineering; electronics. SUBSTANCE: filaments are manufactured from melt of rocks by way of melting rocks, feeding melt into shaping zone, and drawing filaments. Ratio of input of melt toward filament formation zone to utilization of melt in that zone is 10-50, and specific input per single opening in the same zone is 0.2-1.0 g/min. Device contains a tub made of refractory material for preparing melt having producing aperture and heated draw plate. Ratio of producing aperture area to total area of openings on draw plate is 10-50. Area of an opening is 1.0-5.5 sq.mm. EFFECT: improved operating process. 2 cl, 2 dwg, 3 tbl

Description

Изобретение относится к технологии получения волокон из расплавов горных пород, а именно к способу изготовления волокон из расплава горных пород и устройству для его осуществления, и может быть использовано в строительстве, машиностроении, электронике и других отраслях промышленности. The invention relates to a technology for producing fibers from rock melts, and in particular to a method for producing fibers from a rock melt and a device for its implementation, and can be used in construction, engineering, electronics and other industries.

Известен способ изготовления волокон из горных пород (Джигирис и др. "Основы технологии получения базальтовых волокон и их свойства", с. 25-30), заключающийся в следующем. Дробленую горную породу подают с помощью загрузочного устройства в плавильную печь, где происходит плавление. Из печи расплав подают в выработочную часть фидер, с установленным в донной части струйным питателем, с помощью которого расплав подают в фильерные сосуды. Из расплава, вытекающего из фильерного сосуда через фильеры с помощью специального механизма, вытягивают волокна. A known method of manufacturing fibers from rocks (Dzhigiris and others. "Fundamentals of the technology for producing basalt fibers and their properties", S. 25-30), which consists in the following. Crushed rock is fed by a charging device to a melting furnace where melting takes place. From the furnace, the melt is fed into the working part of the feeder, with a jet feeder installed in the bottom part, with the help of which the melt is fed into spunbond vessels. From the melt flowing from the spinneret vessel through the spinnerets using a special mechanism, the fibers are drawn.

Однако этот способ не предусматривает оптимального дозирования расплава, подаваемого в фильерный сосуд. Это приводит к нестабильности диаметра волокон и высокой их обрывности, что снижает качество получаемого волокна. However, this method does not provide for optimal dosing of the melt supplied to the spinneret vessel. This leads to instability of the diameter of the fibers and their high breakage, which reduces the quality of the resulting fiber.

Известен фидер печи для выработки непрерывных нитей из расплавов горных пород (а. с. СССР N 1248967 от 07.02.85), включающий канал для расплава со стенками из огнеупорного материала, расположенную под каналом обогреваемую камеру и расположенный под выработочным очком фильерный питатель, состоящий из электрообогреваемой фильерной пластины и нижнего и верхнего рамочных холодильников, при этом верхний рамочный холодильник образует дно канала и вместе с нижним рамочным холодильником примыкает к печи. A known furnace feeder for generating continuous filaments from rock melts (A.S. USSR N 1248967 dated 02/07/85), including a channel for the melt with walls of refractory material, a heated chamber located under the channel and a die feeder located under the working point, consisting of electrically heated spinneret plate and lower and upper frame coolers, while the upper frame cooler forms the bottom of the channel and, together with the lower frame cooler, is adjacent to the furnace.

Использование рамочных холодильников в устройстве позволяет регулировать и поддерживать температуру в фильерной части в интервале температур необходимом для получения непрерывных волокон. Однако рамочные холодильники не позволяют получить равномерное распределение температур на фильерной пластине, а следовательно, вязкость расплава на фильерной пластине в разных ее частых различна, поэтому вязкость расплава также не стабильна, что приводит к повышенной обрывности нитей их разнотолщинности и снижению качества волокон. The use of frame coolers in the device allows you to adjust and maintain the temperature in the spinneret part in the temperature range necessary to obtain continuous fibers. However, frame refrigerators do not allow to obtain a uniform temperature distribution on the spinneret plate, and therefore, the melt viscosity on the spinneret plate is different in its various frequencies, therefore, the melt viscosity is also not stable, which leads to increased breakage of the filaments of their thickness and lower quality of the fibers.

В основу изобретения положена задача создания способа изготовления волокон из расплава горных пород, который предусматривал бы такое отношение расхода подачи расплава к зоне формирования волокон к расходу через зону формования, которое позволяет получать равномерное распределение температур в зоне формования волокна. The basis of the invention is the creation of a method of manufacturing fibers from a melt of rocks, which would include a ratio of the flow rate of the melt supply to the formation zone of the fibers to the flow rate through the forming zone, which allows to obtain a uniform temperature distribution in the formation zone of the fiber.

Задача решается тем, что в способе изготовления волокон из расплава горных пород, включающем плавление и подачу полученного расплава в зону формования волокон, согласно изобретению, отношение расхода расплава при подаче к зоне формования волокон к расходу расплава в зоне формования волокон составляет от 10 до 50, а удельный расход на единичное отверстие зоны формования составляет от 0,2 до 1,0 г/мин. The problem is solved in that in the method of manufacturing fibers from a melt of rocks, comprising melting and feeding the obtained melt to the fiber forming zone, according to the invention, the ratio of the melt flow rate to the fiber forming zone to the melt flow rate in the fiber forming zone is from 10 to 50, and the specific consumption per unit hole of the molding zone is from 0.2 to 1.0 g / min.

Указанное выше соотношение расходов расплава позволяет поддерживать постоянной температуру, а следовательно, и вязкость расплава в течение всего процесса формования волокна, что обеспечивает высокое качество и значительное снижение обрывности получаемых волокон более чем на 20%
Вышеописанный способ может быть осуществлен с помощью устройства для изготовления волокон из расплава горных пород, содержащего ванну для получения расплава из огнеупорного материала с выработочным очком, под которым расположена обогреваемая фильерная пластина, в котором согласно изобретению отношение площади выработочного очка к суммарной площади отверстий фильер составляет от 10 до 50, а площадь отверстия одной фильеры составляет от 1,0 до 5,5 мм².The aforementioned ratio of melt expenditures makes it possible to maintain a constant temperature and, consequently, melt viscosity throughout the entire process of fiber formation, which ensures high quality and a significant reduction in the breakage of the resulting fibers by more than 20%
The above method can be carried out using a device for producing fibers from a melt of rocks, containing a bath for obtaining a melt from a refractory material with a working point, under which there is a heated die plate, in which according to the invention the ratio of the area of the working point to the total area of the openings of the dies is from 10 to 50, and the hole area of one die is from 1.0 to 5.5 mm ² .

Предлагаемое устройство обладает теми же преимуществами, что и вышеописанный способ. The proposed device has the same advantages as the above method.

Далее изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего настоящее изобретение варианта выполнения. На фиг. 1 изображен продольный разрез устройства с фильерной пластиной; на фиг. 2 продольный разрез устройства с одним фильерным очком. The invention is further illustrated by the description of a specific, but not limiting embodiment of the present invention. In FIG. 1 shows a longitudinal section of a device with a spinneret plate; in FIG. 2 longitudinal section of the device with one die point.

Устройство, изображенное на фиг. 1, представляет собой ванну 1 для получения расплава из огнеупорного материала. В дне ванны 1 имеется выработочное очко 2, под которым расположена фильерная пластина 3 со множеством фильер 4. Фильерная пластина 3 имеет обогрев (не показан). Сверху ванна 1 закрыта крышкой 5 из огнеупорного кирпича. В крышке 5 установлена по меньшей мере одна горелка 6 для поддержания необходимой температуры внутри объема ванны и имеется загрузочное отверстие 7, через которое подается дробленая горная порода для получения расплава 8. The device shown in FIG. 1 is a bath 1 for producing a melt from a refractory material. At the bottom of the bath 1 there is a working point 2, under which there is a die plate 3 with many dies 4. The die plate 3 has heating (not shown). On top of the bath 1 is closed by a lid 5 made of refractory bricks. At least one burner 6 is installed in the lid 5 to maintain the required temperature inside the bath volume and there is a loading hole 7 through which crushed rock is fed to produce the melt 8.

Дробленую горную породу, например базальт, загружают в плавильную ванну 1 из огнеупорного материала и расплавляют при температуре 1450^oC за счет нагрева от газовой горелки 6, установленной в крышке 5 над ванной 1. Расплав базальта 8 тонким слоем 15-20 мм покрывает дно ванны 1, в котором расположено выработочное очко 2. Под выработочным очком 2 расположена электрообогреваемая фильерная пластина 3, по которой дозируемый расплав также растекается слоем толщиной 15-20 мм. После формования волокон фильерой 4 их механически вытягивают для дальнейшей переработки. Согласно заявляемому изобретению отношение расхода, поступающего через выработочное очко 2 к фильерам 4, к суммарному расходу расплава через фильеры 4 должно быть в интервале от 10 до 50. Это обеспечивает оптимальные условия формования луковиц, из которых формируются волокна. Известно, что на объем луковиц оказывают влияние следующие технологические параметры диаметр фильеры, температура фильерной пластины и напор стекломассы в сосуде. Учитывая, что горные породы, в частности базальт, имеют узкий температурный интервал выработки температуры расплава и температура электрообогреваемой пластины фактически одинаковы и вязкость расплава в выработочном очке 2 равна вязкости расплава на фильерной пластине 3, а также из-за низкой теплопрозрачности расплава горных пород толщина его слоя с однородными свойствами в плавильной ванне 1 и над фильерной пластиной 3 не превышает 15-20 мм, поэтому можно считать, что отношение расхода расплава через выработочное очко 2 к суммарному расходу через фильеры 4 пластины 3 (зоны формования волокна) равно отношению площади выработочного очка 2 к суммарной площади отверстий фильер 4. Это отношение согласно изобретению должно быть от 10 до 50. В случае, если указанное отношение будет более 50 верхнего предела, расплав начинает с избытком поступать к фильерам, при этом не происходит образование луковиц, что нарушает стабильность процесса выработки. При переходе за нижний предел 10 отношения расходов выработочное очко не обеспечивает фильеры таким количеством расплава, которое необходимо для стабильного образования луковицы и стабильного истечения струи из фильер. В результате образуется разрыв подачи расплава на выработку, колебание диаметра и отрыв волокна, снижается производительность установки.Crushed rock, such as basalt, is loaded into a melting bath 1 of refractory material and melted at a temperature of 1450 ^o C by heating from a gas burner 6 installed in the lid 5 above the bath 1. The basalt melt 8 with a thin layer of 15-20 mm covers the bottom of the bath 1, in which the working point 2 is located. Under the working point 2 there is an electrically heated spinneret plate 3, along which the dosed melt also spreads with a layer with a thickness of 15-20 mm. After forming the fibers with a die 4, they are mechanically drawn for further processing. According to the claimed invention, the ratio of the flow rate passing through the production point 2 to the dies 4 to the total melt flow rate through the dies 4 should be in the range from 10 to 50. This provides optimal conditions for forming the bulbs from which the fibers are formed. It is known that the following technological parameters influence the volume of the bulbs on the diameter of the die, the temperature of the die plate and the pressure of the molten glass in the vessel. Considering that the rocks, in particular basalt, have a narrow temperature range of melt temperature generation and the temperature of the electrically heated plate is practically the same and the melt viscosity in the working point 2 is equal to the melt viscosity on the spinneret plate 3, and also due to the low thermal transparency of the rock melt layer with homogeneous properties in the melting bath 1 and above the spinneret plate 3 does not exceed 15-20 mm, therefore, we can assume that the ratio of the flow rate of the melt through the production point 2 to the total consumption through the dies 4 of the plate 3 (fiber forming zone) is equal to the ratio of the area of the working point 2 to the total area of the openings of the dies 4. This ratio according to the invention should be from 10 to 50. If the ratio is more than 50 of the upper limit, the melt begins with excess flow to the spinnerets, while the formation of bulbs does not occur, which violates the stability of the production process. When going over the lower limit of the 10 ratio of expenses, the production point does not provide the die with such an amount of melt that is necessary for stable bulb formation and stable outflow of the jet from the die. As a result, a break in the supply of the melt to the production, diameter fluctuation and separation of the fiber is formed, the productivity of the installation is reduced.

Кроме того, согласно предлагаемому решению удельный расход расплава через одну зону формования волокна (фильеру) должен составлять от 0,2 до 1,0 г/мин. Согласно изложенным выше положениям по механизму формования волокон объем луковицы и расход расплава через фильеру определяется площадью последней. Для обеспечения заявляемого диапазона расходов расплава через зону формования волокна необходимо, согласно изобретению, использовать фильеры с площадью от 1,0 до 5,5 мм². При площади фильеры менее 1,0 мм² образование луковицы затруднено, ее объем недостаточен для устойчивого получения волокна, что приводит к росту удельной обрывности волокон. При площади превышающей верхний предел процесс образования луковицы переходит в процесс образования струи расплава. Это увеличивает диаметр первичного волокна, снижает его прочность и приводит к росту обрывности.In addition, according to the proposed solution, the specific melt flow rate through one fiber forming zone (die) should be from 0.2 to 1.0 g / min. According to the above provisions on the fiber forming mechanism, the bulb volume and melt flow rate through the die are determined by the area of the latter. To ensure the claimed range of flow rates of the melt through the fiber forming zone, it is necessary, according to the invention, to use dies with an area of 1.0 to 5.5 mm ² . With a die area of less than 1.0 mm ² , bulb formation is difficult, its volume is insufficient for stable fiber production, which leads to an increase in specific fiber breakage. When the area exceeds the upper limit, the process of bulb formation passes into the process of formation of a melt jet. This increases the diameter of the primary fiber, reduces its strength and leads to an increase in breakage.

Таким образом, при выборе вышеуказанных соотношений технологических параметров выработки волокон из расплавов горных пород можно существенно снизить обрывность волокон, что определяет высшую технологическую устойчивость и производительность процесса выработки волокон из расплавов горных пород. Thus, when choosing the above ratios of the technological parameters of the production of fibers from rock melts, one can significantly reduce the breakage of the fibers, which determines the highest technological stability and productivity of the process of producing fibers from rock melts.

Из вышеописанного следует, что суть предлагаемого способа изготовления волокон из расплава горных пород заключается в плавлении и подаче полученного расплава в зону формования волокон, при этом отношение расхода расплава при подаче к зоне формования волокон к расходу расплава в зоне формования волокон составляет от 10 до 50, а удельный расход на единичное отверстие зоны формования составляет от 0,2 до 1,0 г/мин. From the above it follows that the essence of the proposed method of manufacturing fibers from a rock melt is to melt and supply the obtained melt to the fiber forming zone, while the ratio of melt flow rate to the fiber forming zone to the melt flow rate in the fiber forming zone is from 10 to 50, and the specific consumption per unit hole of the molding zone is from 0.2 to 1.0 g / min.

Примеры выработки волокон в устройстве с указанным соотношением расходов. Examples of fiber production in a device with a specified cost ratio.

Пример 1. Дробленый базальт с размером частиц 5-70 мм загружают в плавильную ванну 1 установки, схема которой приведена на фиг. 1 и расплавляют при температуре 1450±5^o C. Количество расплава 8 в ванне 1 поддерживается таким, чтобы он покрывал дно ванны с выработочным очком 2 слоем 15-20 мм. Под выработочным очком 2 площадью 20000 мм² располагается 200-фильерная пластина 3 (ТУ 300.79. б 000) с внутренним отверстием фильер 4-2,2 мм. Сформованные в фильерах 4 луковицы вытягиваются в волокна с помощью специального механизма, который представляет собой систему вращающихся валков. Из валков волокна поступают в камеру раздува.Example 1. Crushed basalt with a particle size of 5-70 mm is loaded into the melting bath 1 of the installation, a diagram of which is shown in FIG. 1 and melted at a temperature of 1450 ± 5 ^o C. The amount of melt 8 in the bath 1 is maintained so that it covers the bottom of the bath with a working point 2 with a layer of 15-20 mm. Under the working point 2 with an area of 20,000 mm ² there is a 200 spinneret plate 3 (TU 300.79. 000) with an inner hole of the spinnerets 4-2.2 mm. The onions formed in the 4 dies are drawn into fibers using a special mechanism, which is a system of rotating rolls. From the rolls, the fibers enter the inflation chamber.

В описанном выше примере, для которого отношение площади выработочного очка 2 к суммарной площади отверстий фильер 4 составляет 26,3, получают в среднем 50 кг супертонкого волокна в одну смену, что соответствует производительности установки, использующей известный способ изготовления волокон, основанный на применении струйного питателя и фильерного сосуда, который считают наиболее производительным и обеспечивающим лучшее качество волокон. In the example described above, for which the ratio of the area of the production point 2 to the total area of the openings of the dies 4 is 26.3, an average of 50 kg of superthin fiber is obtained in one shift, which corresponds to the performance of the installation using the known method of manufacturing fibers based on the use of a jet feeder and spunbond vessel, which is considered the most productive and providing the best quality fibers.

Пример 2. Для подтверждения заявляемых соотношений нами был проведен эксперимент с помощью устройства, которое изображено на фиг. 2. Устройство содержит печь 9 с резистивным нагревом, в нижней части которой расположен поддон 10 с центральным отверстием. Внутри печи 9 установлен стакан 11 с фильерным очком 12. Фильерное очко 12 расположено соосно с отверстием поддона 10. Для проведения эксперимента на дне стакана 11 соосно с очком 12 устанавливается сменная керамическая вставка 13, выполненная в виде кольца. С помощью сменной вставки 13 можно изменять объем расплава 14, который заполняет внутреннюю часть этой вставки и тем самым изменяет расход расплава подаваемый к зоне формования волокна очку 12. Для контроля температуры расплава 14 в стакан 11 помещена термопара 15. С помощью фильерного очка 12 формируют луковицу 16, из которой вытягивают волокно 17 с помощью наматывающего устройства 18 (показано условно). Example 2. To confirm the claimed ratios, we conducted an experiment using the device shown in FIG. 2. The device comprises a furnace 9 with resistive heating, in the lower part of which there is a pallet 10 with a central hole. A cup 11 with a die plate 12 is installed inside the furnace 9. A die point 12 is located coaxially with the opening of the pallet 10. For the experiment, a replaceable ceramic insert 13 made in the form of a ring is installed at the bottom of the glass 11 coaxially with the point 12. Using the interchangeable insert 13, it is possible to change the volume of the melt 14, which fills the inner part of this insert and thereby changes the melt flow rate supplied to the point 12. To control the temperature of the melt 14, a thermocouple 15 is placed in the beaker 11. A bulb is formed using the die point 12 16, from which the fiber 17 is drawn using a winder 18 (shown conditionally).

Дробленую горную породу, в частности базальт, загружают в тигель и плавят в муфельной печи при температуре 1450^o C в течение 1,5 ч. Затем расплав быстро охлаждают и полученный плавленый базальт 14 в количестве 100-120 г загружают в стакан 11 со сменной керамической вставкой 13, имеющей отверстия различного диаметра. При помощи печи 9 с резистивным нагревателем плавленый базальт 14 вновь расплавляют и, контролируя при помощи термопары 15 температуру в печи, устанавливают последнюю на уровне 1450±2,5^oC. После расплавления базальта 14 и выхода печи на рабочий режим, при помощи наматывающего устройства 18 вырабатывают базальтовое волокно 17. После его обрыва полученное количество волокна взвешивают с точностью ±1 мг. В качестве параметра оптимизации используют удельную обрывность волокон, полученную путем усреднения результатов 5-7 наработок. Результаты измерений приведены в табл.1.Crushed rock, in particular basalt, is loaded into a crucible and melted in a muffle furnace at a temperature of 1450 ^° C for 1.5 hours. Then, the melt is rapidly cooled and the obtained fused basalt 14 in an amount of 100-120 g is loaded into a glass 11 with a replaceable ceramic an insert 13 having holes of various diameters. Using a furnace 9 with a resistive heater, the melted basalt 14 is again melted and, using the thermocouple 15 controlling the temperature in the furnace, the latter is set at 1450 ± 2.5 ^o C. After the basalt 14 is melted and the furnace enters the operating mode, using a winding device 18 produce basalt fiber 17. After its breakage, the obtained amount of fiber is weighed with an accuracy of ± 1 mg. As the optimization parameter, the specific breakage of the fibers obtained by averaging the results of 5-7 developments is used. The measurement results are given in table 1.

Из табл. 1 следует, что заявляемый диапазон отношений площади выработочного очка, соединяющего зону выработки и зону формования волокна, к площади зоны формования волокон является оптимальным. From the table. 1 it follows that the claimed range of ratios of the area of the production point connecting the production zone and the fiber forming zone to the area of the fiber forming zone is optimal.

Пример 3. Изготовление волокон проводим аналогично примеру 2, но при отсутствии керамической вставки и при различных внутренних диаметрах фильеры 4. Результаты измерений приведены в таблице 2. Example 3. The manufacture of fibers is carried out analogously to example 2, but in the absence of a ceramic insert and with different internal diameters of the die 4. The measurement results are shown in table 2.

Из приведенных в табл.2 данных следует, что заявляемые диапазоны расходов расплава через одну зону формования волокна (фильеру) и площади отверстий фильер являются оптимальными. From the data given in table 2 it follows that the claimed ranges of flow rates of the melt through one zone of fiber formation (die) and the hole area of the nozzles are optimal.

Пример 4. Для подтверждения правильности определения диапазона отношений площади отверстия, через которое расплав базальта поступает к зонам формования волокон в заявленном способе производства минеральных волокон проведены следующие контрольные процессы. Example 4. To confirm the correct determination of the range of the ratio of the area of the hole through which the basalt melt flows to the fiber forming zones in the inventive method for the production of mineral fibers, the following control processes were carried out.

Согласно процедуре, описанной в примере 2, изготавливают базальтовые супертонкие волокна при различных суммарных площадях отверстий фильер и постоянной площади выработочного очка 20000 мм². Так, в одном случае использовали 100-фильерную пластину с диаметром отверстий фильер 2,2 мм; в другом случае под выработочном очком располагали две соединенные друг с другом 100-фильерные пластины, а в третьем случае устанавливали две 400-фильерные пластины.According to the procedure described in example 2, produce basalt superthin fibers with different total areas of the openings of the spinnerets and a constant area of the production point of 20,000 mm ² . So, in one case, a 100-die plate with a hole diameter of 2.2 mm was used; in another case, two 100-spinneret plates connected to each other were located under the working point, and in the third case, two 400-spinneret plates were installed.

Результаты экспериментов представлены в табл.3. The experimental results are presented in table.3.

Снижение удельной производительности в вариантах 1 и 3 связано с высокой обрывностью первичных базальтовых волокон. The decrease in specific productivity in options 1 and 3 is associated with a high breakage of primary basalt fibers.

Данные табл.3 также подтверждают, что заявляемый диапазон отношений площади выработочного очка к суммарной площади внутренних отверстий фильер, который составляет от 10 до 50 является оптимальным. ТТТ1 ЫЫЫ1 The data of table 3 also confirm that the claimed range of ratios of the area of the working point to the total area of the internal openings of the dies, which is from 10 to 50, is optimal. TTT1 YYY1

Claims

1. A method of manufacturing fibers from a melt of rocks, comprising melting the rock, feeding the melt into the fiber forming zone and stretching the fiber, characterized in that the ratio of the melt feed rate to the fiber forming zone to the melt flow rate in the fiber forming zone is 10 50, and the specific flow rate per unit hole of the molding zone 0.2 1.0 g / min.

2. A device for the manufacture of fibers from a melt of rocks, containing a bath of refractory material for producing a melt with a working point, under which there is a heated die plate, characterized in that the ratio of the area of the working point to the total area of the holes of the die plates is 10 50, and the area holes of one die 1.0 5.5 mm ² .