RU2395467C2

RU2395467C2 - Spinneret feeder

Info

Publication number: RU2395467C2
Application number: RU2008138300/03A
Authority: RU
Inventors: Андрей Иванович Журавлев (RU); Андрей Иванович Журавлев; Сергей Петрович Оснос (UA); Сергей Петрович Оснос; Владимир Фатихович Ахмадеев (RU); Владимир Фатихович Ахмадеев
Original assignee: ООО "НПО "Вулкан"
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2010-07-27
Also published as: RU2008138300A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to production of continuous basalt fiber from basalt rock melt, namely to spinneret feeder intended for producing basalt jet to make fiber from said melt. Proposed spinneret feeder consists of melt bath, feeder housing, filtration screen, current supply lines, spinneret plate and spinnerets. Note here that spinneret channel crosswise section represents truncated cone with its base making spinneret inlet on the side of the furnace bath feeder and its apex making spinneret outlet. The length of spinneret channel inner surface generatrix makes 1.6-1.8 of the sum of inlet and outlet radii while the latter are related as follows: r²/r¹=(0.35÷0.45).

EFFECT: simple design, high efficiency, high-quality continuous basalt fiber with preset parametres.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области производства непрерывного волокна из расплава базальта и касается фильерного питателя для получения струи расплава базальта для переработки его в волокно.The invention relates to the production of continuous fiber from basalt melt and relates to a spinneret feeder for producing a jet of basalt melt for processing it into fiber.

В предлагаемом изобретении разработан фильерный питатель, имеющий не менее 200 фильер на фильерной пластине питателя, обеспечивающий устойчивую струю расплавленного базальта для переработки расплава в непрерывное прочное волокно без образования каплеобразной поверхности натяжения расплавленного базальта на выходе из фильеры и налипания его на наружной поверхности фильеры.The present invention has developed a spinneret feeder having at least 200 spinnerets on a spinneret feeder plate, providing a stable jet of molten basalt for processing the melt into a continuous strong fiber without forming a drop-like tension surface of the molten basalt at the exit of the spinneret and sticking it to the outer surface of the spinneret.

Технический прогресс вызывает необходимость создания высокотемпературных связующих материалов для получения изделий на основе базальтовых волокон.Technological progress necessitates the creation of high-temperature binder materials to obtain products based on basalt fibers.

Сырье для производства непрерывного базальтового волокна одно из самых дешевых в природе, легкодоступное, добывается карьерами повсеместно. Как правило, это горные породы (попросту «щебенка») для дорожного строительства, только меньшей фракцией (5-10 мм, 10-15 мм, 8-12 мм).The raw material for the production of continuous basalt fiber is one of the cheapest in nature, easily accessible, quarried everywhere. As a rule, these are rocks (simply “gravel”) for road construction, with only a smaller fraction (5-10 mm, 10-15 mm, 8-12 mm).

Известно устройство для подачи стекломассы (см., например, заявку СССР № 1150741/29-3, а.с. 461908 по классу С03В 37/00 за 1975 г.) для получения стекловолокон, технология получения которых близка по сути с производством непрерывного базальтового волокна, и струйный питатель для подачи минеральных расплавов (см., например, заявку СССР № 3698924/29-33 по классу С03В 37/09, а.с. 1211230 за 1986 г.).A device for supplying glass melt is known (see, for example, application of the USSR No. 1150741 / 29-3, and.with. 461908 in class C03B 37/00 for 1975) for producing glass fibers, the production technology of which is similar in essence to the production of continuous basalt fiber, and a jet feeder for supplying mineral melts (see, for example, the application of the USSR No. 3698924 / 29-33 in class C03B 37/09, AS 1211230 for 1986).

Наличие платинородиевой трубки с двумя конусообразными токоподводами между фидером ванны печи и фильерным питателем усложняет эти конструкции, существенно повышает энергозатраты для выработки волокна, значительно повышает стоимость установок из-за наличия достаточно протяженной дорогостоящей платинородиевой трубки.The presence of a platinum-rhodium tube with two cone-shaped current leads between the furnace bath feeder and the die feeder complicates these designs, significantly increases the energy consumption for fiber production, and significantly increases the cost of installations due to the presence of a rather long expensive platinum-rhodium tube.

Известен также струйный питатель неорганическим расплавом (см. заявку СССР на изобретение № 1136410/28-12 по классу 32а, 5/26 за 1969 г.), принятый авторами за прототип.Also known is a jet feeder with an inorganic melt (see USSR application for invention No. 1136410 / 28-12 in class 32a, 5/26 for 1969), adopted by the authors for the prototype.

Струйный питатель выполнен в виде конусного сосуда с калиброванным выпускным отверстием внизу. Питатель вмонтирован в газовую топку, к корпусу которой прикреплены газовые горелки, и при помощи плиты и шпилек прижат к огнеупорному донному брусу фидера. В огневом пространстве топки имеется решетчатая стенка для стабилизации процесса горения.The jet feeder is made in the form of a conical vessel with a calibrated outlet at the bottom. The feeder is mounted in a gas furnace, to the body of which gas burners are attached, and with the help of a stove and pins it is pressed to the feeder's fireproof bottom beam. In the firing space of the furnace there is a lattice wall to stabilize the combustion process.

Для предотвращения вытекания стекломассы из-под крыльев питателя они охлаждаются водяным холодильником. Нижняя стенка корпуса топки имеет водяное охлаждение. Газовоздушная смесь поступает через штуцер в коллектор. Продукты сгорания выходят через щелевое отверстие, образованное нижней стенкой корпуса топки и поверхностью сосуда. Стекломасса через окно в брусе фидера поступает через входное отверстие сосуда и вытекает в виде струи через выпускное отверстие.To prevent the flow of molten glass from under the wings of the feeder, they are cooled by a water cooler. The bottom wall of the furnace body has water cooling. The gas-air mixture flows through the nozzle into the manifold. Combustion products exit through a slit hole formed by the bottom wall of the furnace body and the surface of the vessel. Glass melt through a window in the feeder bar enters through the inlet of the vessel and flows in the form of a jet through the outlet.

Основным недостатком струйного питателя-прототипа является не оптимальная форма канала фильеры, которая не обеспечивает равномерного распределения температуры и скорости потока расплава стекломассы по длине канала фильеры, что может привести к образованию поверхности натяжения расплава на выходном срезе фильеры. Для исключения образования каплеобразной поверхности натяжения на расплаве, отрицательно влияющей на качество стекловолокна, в питателе-прототипе предусмотрена газовая топка наружной поверхности конусного сосуда (фильеры). Это существенно усложняет конструкцию питателя. Дополнительный подогрев расплава стекломассы в сосуде питателя повышает энергозатраты на выработку стекловолокна. Питатель-прототип обладает исключительно малой производительностью из-за наличия только одного выпускного отверстия для получения волокна.The main disadvantage of the prototype jet feeder is not the optimal shape of the die channel, which does not provide a uniform distribution of temperature and flow rate of the molten glass melt along the length of the die channel, which can lead to the formation of a melt tension surface at the exit die section. To exclude the formation of a droplet-like tension surface on the melt, which negatively affects the quality of the fiberglass, a gas firebox on the outer surface of the conical vessel (die) is provided in the prototype feeder. This greatly complicates the design of the feeder. Additional heating of the molten glass in the feeder vessel increases the energy consumption for the production of fiberglass. The prototype feeder has an exceptionally low productivity due to the presence of only one outlet for producing fiber.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и создание простой конструкции фильерного питателя высокой производительности, обеспечивающего качественное изготовление непрерывного базальтового волокна с заданными геометрическими параметрами и физико-механическими характеристиками.The technical task of the present invention is to remedy these shortcomings and create a simple design of a high-capacity die-feeder, providing high-quality production of continuous basalt fiber with predetermined geometric parameters and physico-mechanical characteristics.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в том, что канал фильер в продольном разрезе выполнен в виде усеченного конуса, большое основание которого выполняет роль входного отверстия фильеры со стороны фидера ванны с расплавленной массой базальта, а меньшее основание конуса является выходным отверстием фильеры, при этом длина образующей внутренней поверхности канала фильеры питателя составляет 1,6-1,8 от суммы радиусов отверстий на входе и выходе каналов фильер, а радиусы выходного и входного отверстия фильер соотносятся между собой как r2/r1=(0,35-0,45).The technical result of the invention consists in the fact that the channel of the dies in longitudinal section is made in the form of a truncated cone, the large base of which serves as the inlet of the die from the side of the bath feeder with a molten mass of basalt, and the smaller base of the cone is the outlet of the die, while the length of the generatrix the inner surface of the channel of the die of the feeder is 1.6-1.8 of the sum of the radii of the holes at the inlet and outlet of the channels of the dies, and the radii of the outlet and inlet openings of the dies ezhdu both a r2 / r1 = (0,35-0,45).

На фиг.1 изображен фильерный питатель общий вид. Он имеет верхний корпус 1, заливочную щель 2 в верхнем корпусе по центру, нижний корпус 3, фильтровальную сетку 4, фильерную пластину 5, фланец 6, токоподводы 7, вертикальные ребра 8, фильеры 9 с внутренним каналом 10.Figure 1 shows a spinneret feeder General view. It has an upper case 1, a filling slot 2 in the upper case in the center, a lower case 3, a filter screen 4, a die plate 5, a flange 6, current leads 7, vertical ribs 8, and a die 9 with an internal channel 10.

Продольный разрез канала 10 фильер 9 выполнен в виде усеченного конуса (фиг.2 - разрез А-А на фиг.1), основание которого выполняет роль входного отверстия 11 фильеры 9 со стороны фидера ванны печи, а вершина усеченного конуса является выходным отверстием 12 фильеры 9.A longitudinal section of the channel 10 of the nozzles 9 is made in the form of a truncated cone (FIG. 2 - section AA in FIG. 1), the base of which serves as the inlet 11 of the die 9 from the side of the furnace bath feeder, and the top of the truncated cone is the outlet 12 of the die 9.

Работа предложенного фильерного питателя осуществляется следующим образом.The work of the proposed spinneret feeder is as follows.

Верхний корпус питателя 1 обеспечивает достаточный разогрев расплава базальта по периметру питателя, конструктивно форма заливной щели 2 задает уровень расплава над фильерной пластиной 5. Заливная щель 2 выполнена в теле верхнего корпуса 1 по центру и выглядит подобно лейке, края которой загнуты в середину фильерного питателя. Такая конструкция заливной щели 2 обеспечивает минимальное сопротивление прохождению потока расплава базальта и минимальные тепловые потери при подаче расплава в фильерный питатель.The upper housing of the feeder 1 provides sufficient heating of the basalt melt along the perimeter of the feeder, structurally the shape of the filler slot 2 sets the melt level above the die plate 5. The filler slot 2 is made in the center of the upper housing 1 and looks like a watering can, the edges of which are bent in the middle of the die feeder. This design of the filler slit 2 provides minimal resistance to the passage of the basalt melt flow and minimal heat loss when the melt is fed into the die feeder.

Фильерная сетка 4 обеспечивает фильтрацию расплава базальта, организацию расплава базальта от краев питателя до центра фильерной пластины 5, стабилизацию температуры расплава в заданном интервале температур по всей площади фильерной пластины 5. Для необходимого прохождения тока через верхний и нижний корпусы 1,3 и обеспечения равномерного нагрева элементов фильерного питателя установлены вертикальные ребра 8. Горизонтальное размещение токоподводов 7 позволяет упростить конструкцию фильерного питателя и дает возможность разместить его непосредственно у разлива базальта. Фланец 6 предназначен для крепления фильерного питателя в водоохлаждающий холодильник. Фланец 6 имеет поперечные зигзагоподобные вырезы для снижения теплозатрат и затрат электроэнергии при работе питателя. Фланец 6 имеет малую площадь для теплоподвода. Это позволяет снизить затраты электроэнергии и теплозатраты через фланец 6 при работе фильерного питателя.The die mesh 4 provides filtration of basalt melt, organization of basalt melt from the edges of the feeder to the center of the die plate 5, stabilization of the melt temperature in a given temperature range over the entire area of the die plate 5. For the necessary passage of current through the upper and lower cases 1.3 and to ensure uniform heating vertical ribs 8 are installed of the die elements of the feeder. The horizontal arrangement of current leads 7 makes it possible to simplify the design of the die feeder and makes it possible to place it directly from the flood basalt. Flange 6 is designed to mount the spinneret feeder in a water-cooled refrigerator. Flange 6 has transverse zigzag cuts to reduce heat and energy consumption during the operation of the feeder. Flange 6 has a small area for heat supply. This allows you to reduce the cost of electricity and heat through the flange 6 during operation of the die feeder.

Внутренний канал 10 фильер 9 (см. фиг.2) выполнен в продольном разрезе в виде усеченного конуса, при этом длина 13 образующей внутренней поверхности 14 канала 10 фильеры 9 питателя составляет 1,6-1,8 от суммы радиусов отверстий 15, 16 на входе и выходе канала 10 фильер 9, а сами радиусы 15, 16 выходного 12 и входного 11 отверстий фильер соотносятся между собой как: r2/r1=(0,35÷0,45).The inner channel 10 of the die 9 (see FIG. 2) is made in longitudinal section in the form of a truncated cone, while the length 13 of the generatrix of the inner surface 14 of the channel 10 of the die 9 of the feeder is 1.6-1.8 of the sum of the radii of the holes 15, 16 on the inlet and outlet of the channel 10 of the dies 9, and the radii 15, 16 of the output 12 and the input 11 of the holes of the dies themselves are correlated as: r2 / r1 = (0.35 ÷ 0.45).

На основании многочисленных экспериментальных исследований авторами изобретения было установлено, что на качественное изготовление непрерывных базальтовых волокон, обладающих высокой механической прочностью с малыми отклонениями от заданного диаметра волокна, влияет равномерность распределения скоростей потока и температуры расплавленного базальта по проходным сечениям канала фильеры питателя.Based on numerous experimental studies, the inventors found that the high-quality manufacturing of continuous basalt fibers with high mechanical strength with small deviations from a given fiber diameter is affected by the uniform distribution of flow rates and temperature of molten basalt over the flow sections of the feeder die channel.

Так при длине образующей внутренней поверхности канала фильеры питателя менее 1,6 от суммы радиусов отверстий на входе и выходе из фильеры за счет существенной неравномерности скорости потока расплавленного базальта по длине канала волокно обладает малой прочностью вплоть до его порыва на дальнейших технологических операциях (намотки волокна на бабины).So, when the length of the inner surface of the channel of the die of the feeder is less than 1.6 of the sum of the radii of the holes at the inlet and outlet of the die due to the significant non-uniformity of the flow rate of molten basalt along the length of the channel, the fiber has low strength up to its rupture in further technological operations (winding of fiber on Babin).

При длине образующей внутренней поверхности канала фильеры питателя более 1,8 от суммы радиусов отверстий на входе и выходе из фильеры поверхность канала возрастает и за счет сил вязкого трения расплавленного базальта на поверхности канала фильеры образуется большой пограничный слой расплава базальта и создается большое гидравлическое сопротивление для прохода расплава базальта по каналу фильер, что приводит к неравномерному распределению скорости потока и температуры расплавленного базальта по длине канала и, как следствие, к образованию поверхности напряжения расплава базальта на срезе выходного отверстия канала фильер. Образующаяся поверхность натяжения расплава базальта на срезе выходного отверстия фильеры резко снижает качество вырабатываемой непрерывной базальтовой нити.When the length of the inner surface of the channel of the die of the feeder is more than 1.8 of the sum of the radii of the holes at the inlet and outlet of the die, the channel surface increases and due to the viscous friction forces of the molten basalt, a large boundary layer of basalt melt forms on the surface of the die channel and creates a large hydraulic resistance for passage basalt melt along the channel of the nozzles, which leads to an uneven distribution of the flow velocity and temperature of the molten basalt along the channel length and, as a result, to the image vaniyu surface basalt melt tension on a section of the outlet channel spinnerets. The resulting surface of the tension of the basalt melt at the exit section of the die dramatically reduces the quality of the continuous basalt thread produced.

При отношении радиусов выходного и входного отверстий фильер менее 0,35 расход расплава базальта уменьшается настолько, что возможен не только разрыв нити при накручивании ее на бабины, но и кристаллизация расплава базальта на выходе их канала фильеры.When the ratio of the radii of the outlet and inlet openings of the spinnerets is less than 0.35, the consumption of basalt melt decreases so much that it is possible not only to break the thread when winding it onto the bastards, but also crystallize the melt of basalt at the outlet of their channel of the spinneret.

При отношении радиусов выходного и входного отверстий фильер более 0,45 нарушается равномерность распределения скоростей потока расплава базальта по длине канала фильеры и, как следствие, приводит к образованию поверхности натяжения расплава базальта на срезе выходного отверстия канала фильер.When the ratio of the radii of the outlet and inlet openings of the spinnerets is more than 0.45, the uniformity of the distribution of the basalt melt flow velocity along the length of the spinneret channel is violated and, as a result, leads to the formation of the surface of tension of the basalt melt on the exit section of the spinneret channel.

Предложенная конструкция фильерного питателя успешно прошла испытания при изготовлении непрерывного базальтового волокна диаметром 6-18 мкм на заводе научно-производственного объединения «Вулкан» в режиме круглосуточной выработки расплава базальта (г.Оса, Пермский край, Россия).The proposed design of the spinneret feeder was successfully tested in the manufacture of continuous basalt fiber with a diameter of 6-18 microns at the plant of the scientific and production association "Volcano" in the mode of round-the-clock production of basalt melt (Osa, Perm Territory, Russia).

Claims

Spinneret feeder for the production of continuous fibers from basaltic melts, consisting of a bath for melt pouring, feeder housing, filter screen, current leads, spinneret plate and spinnerets, characterized in that the spinneret channel in longitudinal section is made in the form of a truncated cone, the base of which plays the role the inlet of the die from the feeder side of the furnace bath, and the top of the truncated cone is the outlet of the die, while the length of the forming inner surface of the channel of the die of the feeder 1.6-1.8 wish to set up the sum of the radii of the holes at the inlet and outlet nozzles channel and themselves radii of the inlet and outlet orifices of spinnerets correspond among themselves as: r2 / r1 = (0,35 ÷ 0,45).