RU2433092C2

RU2433092C2 - Device for producing continuous fibre from basalt stock

Info

Publication number: RU2433092C2
Application number: RU2010104328/03A
Authority: RU
Inventors: Сергей Геннадьевич Емельянов (RU); Сергей Геннадьевич Емельянов; Николай Сергеевич Кобелев (RU); Николай Сергеевич Кобелев; Татьяна Васильевна Алябьева (RU); Татьяна Васильевна Алябьева; Александр Вячеславович Моржавин (RU); Александр Вячеславович Моржавин; Александр Семёнович Романченко (RU); Александр Семёнович Романченко
Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2010-02-08
Publication date: 2011-11-10

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to production of continuous fibre from basalt stock. Proposed device comprises feeder including electrically heated spinneret plate with spinnerets at device bottom with preset wall thickness. Note here that spinneret wall is made from bimetal. Note also that heat conductance of wall bimetal material on spinneret inner surface is 2.0-2.5 times higher than that on outer surface. Note also that said electrically heated spinneret plate is convex on basalt melt side while on spinneret side it is flat. Mind that convex surface features cycloid profile as the line of fastest transition of basalt melt from convex surface top point to bottom point.

EFFECT: temperature uniformity over spinneret plate surface.

2 dwg

Description

Изобретение относится к производству непрерывного волокна из базальтового сырья, в частности к конструкции фильерного питателя, и может быть использовано на заводах отрасли по производству волокна.The invention relates to the production of continuous fiber from basalt raw materials, in particular to the design of a spinneret feeder, and can be used in factories of the fiber industry.

Известно устройство для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья (см. патент РФ №2107046, МПК С03В 37/09, 1998), включающее питатель, содержащий электрообогреваемую фильерную пластину с фильерами в его донной части, при этом толщина стенки фильеры находится в пределах 0,4-1,0 мм.A device for producing continuous fiber from basalt raw materials is known (see RF patent No. 2107046, IPC C03B 37/09, 1998), including a feeder containing an electrically heated die plate with dies in its bottom, while the wall thickness of the die is in the range of 0, 4-1.0 mm.

Недостатком устройства является наличие локальной температурной неоднородности поступающего в фильер базальтового расплава, при высокой вязкости и малой теплопроводности способствует кристаллизации с последующим налипанием частиц на внутренней поверхности каналов и, как следствие, наблюдается повышение обрывности вырабатываемого волокна.The disadvantage of this device is the presence of local temperature inhomogeneity of the basaltic melt entering the dies, with high viscosity and low thermal conductivity it promotes crystallization with subsequent particle sticking on the inner surface of the channels and, as a result, an increase in the breakage of the produced fiber is observed.

Известно устройство для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья (см. патент РФ №2366621, МПК С03В 37/09, 2008), включающее питатель, содержащий электрообогреваемую фильерную пластину с фильерами в его донной части, имеющими толщину стенки в заданных пределах, причем стенка фильера выполнена из биметалла, при этом коэффициент теплопроводности материала биметалла со стороны внутренней поверхности фильера в 2,0-2,5 раза превышает коэффициент теплопроводности материала биметалла со стороны его наружной поверхности.A device is known for producing continuous fiber from basalt raw materials (see RF patent No. 2366621, IPC С03В 37/09, 2008), including a feeder containing an electrically heated spinneret plate with spinnerets in its bottom having wall thicknesses within specified limits, and spinneret wall made of bimetal, while the coefficient of thermal conductivity of the material of the bimetal from the side of the inner surface of the die is 2.0-2.5 times higher than the coefficient of thermal conductivity of the material of the bimetal from the side of its outer surface.

Недостатком устройства является практическая невозможность поддержания температурного режима фильерной пластины с фильерами в донной части питателя при электрообогреве из-за постоянства толщины за счет плоского профиля как внутренней поверхности фильерной пластины со стороны расплава базальта, так и наружной поверхности со стороны фильеров.The disadvantage of this device is the practical impossibility of maintaining the temperature of the die plate with dies in the bottom of the feeder during electrical heating due to the constancy of the thickness due to the flat profile of both the inner surface of the die plate from the basalt melt side and the outer surface from the die side.

Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение температурной однородности по поверхности фильерной пластины при электрообогреве путем выполнения ее выпуклой со стороны расплава базальта и прямой со стороны фильеров, при этом профиль выпуклой поверхности выполнен по линии быстрейшего перехода расплава базальта из верхней точки в нижнюю точку фильерной пластины.The technical task of the invention is to ensure temperature uniformity on the surface of the die plate during electrical heating by making it convex from the side of the basalt melt and straight from the side of the dies, while the profile of the convex surface is made along the line of the fastest transition of the basalt melt from the upper point to the lower point of the die plate.

Технический результат по повышению производительности и эксплуатационной надежности устройства, заключающийся в снижении обрываемости вырабатываемого волокна, достигается тем, что устройство для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья, включающее питатель, содержащий электрообогреваемую фильерную пластину с фильерами в его донной части, имеющими в заданных пределах толщину стенки, при этом стенка фильера выполнена из биметалла, причем коэффициент теплопроводности материала биметалла со стороны внутренней поверхности фильера в 2,0-2,5 раза превышает коэффициент теплопроводности материала биметалла со стороны его наружной поверхности, при этом электрообогреваемая фильера со стороны расплава базальта выполнена выпуклой, а со стороны фильеров - плоской, причем выпуклая поверхность выполнена с профилем по циклоиде как линии быстрейшего перехода расплава базальта из верхней точки в нижнюю точку выпуклой поверхности.The technical result of increasing the productivity and operational reliability of the device, which consists in reducing the breakage rate of the produced fiber, is achieved by the fact that the device for producing continuous fiber from basalt raw materials, including a feeder containing an electrically heated spinneret plate with spinnerets in its bottom having wall thicknesses within specified limits wherein the die wall is made of bimetal, and the thermal conductivity of the bimetal material is from the side of the inner surface the die is 2.0-2.5 times higher than the coefficient of thermal conductivity of the bimetal material from the side of its outer surface, while the electrically heated die from the basalt melt is made convex and from the die side is flat, and the convex surface is made with the profile along the cycloid as the fastest the transition of the basalt melt from the upper point to the lower point of the convex surface.

На фиг.1 представлено устройство для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья; на фиг.2 - распределение тепловых потоков и градиентов температур по толщине фильера.Figure 1 presents a device for producing continuous fiber from basalt raw materials; figure 2 - distribution of heat fluxes and temperature gradients along the thickness of the die.

Устройство содержит питатель 1 с фильерами 2 в его донной части 3, охлаждающие элементы 4, волокно 5, формируемое из расплава базальта 6. Фильер 2 имеет стенку 7, выполненную из биметалла, при этом коэффициент теплопроводности материала биметалла стенки 7 со стороны внутренней 8 поверхности фильера 2 в 2,0-2,5 раза превышает коэффициент теплопроводности материала биметалла стенки 7 со стороны его наружной 9 поверхности. Электрообогреваемая фильерная пластина 10 с фильерами 2 в донной части 3 питателя 1 со стороны расплава базальта 6 выполнена выпуклой поверхностью 11, а со стороны фильеров 2 - плоской 12. Причем выпуклая поверхность 11 выполнена с профилем по циклоиде 13 как брахистохрона (см., например, стр.802, Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука), т.е. линии быстрейшего перехода расплава из верхней к нижней точке выпуклой поверхности 11 фильерной пластины 10.The device contains a feeder 1 with dies 2 in its bottom part 3, cooling elements 4, fiber 5 formed from basalt melt 6. The die 2 has a wall 7 made of bimetal, and the thermal conductivity of the bimetal material of the wall 7 is from the inner 8 of the die surface 8 2 is 2.0-2.5 times higher than the thermal conductivity coefficient of the bimetal material of the wall 7 from the side of its outer 9 surface. The electrically heated die plate 10 with dies 2 in the bottom 3 of the feeder 1 is made of a convex surface 11 from the side of the basalt melt 6, and flat 12 from the dies of the side 2. Moreover, the convex surface 11 is made with a profile along the cycloid 13 as a brachistochron (see, for example, 802, M.Ya. Vygodsky, Handbook of Higher Mathematics, Moscow: Nauka), i.e. lines of the fastest transition of the melt from the upper to the lower point of the convex surface 11 of the die plate 10.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Расплав базальта поступает под действием гидростатического давления из варочной части (не показано) в питатель 1, где он распределяется по выпуклой поверхности 11, практически одновременно поступая во все фильеры 2 донной части 3, т.к. выпуклая поверхность 11 имеет профиль, описываемый циклоидой 13, линия которой обеспечивает быстрейшее перемещение расплавленной массы базальта от центра к периферии фильерной пластины 10.Basalt melt flows under the influence of hydrostatic pressure from the cooking part (not shown) to the feeder 1, where it is distributed over the convex surface 11, almost simultaneously entering all the dies 2 of the bottom part 3, because the convex surface 11 has a profile described by cycloid 13, the line of which provides the fastest movement of the molten basalt mass from the center to the periphery of the die plate 10.

Поддержание заданного температурного режима расплава базальта (около 1220°С) по площади фильерной пластины осуществляется посредством ее электрообогрева путем изменения питающего напряжения на токопроводах. Разогрев фильерной пластины 10 по ее ширине при отсутствии расплава также неравномерен вследствие большой теплоотдачи с периферии фильерной пластины 10, поэтому она более разогрета в середине и более холодная по краям. Для компенсации данных температурных градиентов расплава базальта 6 и фильерной пластины 10 толщина ее в центре по предлагаемому техническому решению превышает толщину на периферии, а это при подаче питающего напряжения на токопроводы приводит к изменению температуры по выпуклой поверхности 11 фильерной пластины 10, величина которой определяется экспериментально по количеству выделяемого тепла, зависящего от соотношения толщины фильерной пластины 10 и ее сопротивления прохождению электрического тока (см., например, стр.11-12, Бум Б.К. Основы теории электрических аппаратов М.: Наука, 1970. - 418 стр.).Maintaining a given temperature regime of the basalt melt (about 1220 ° C) over the area of the die plate is carried out by means of its electrical heating by changing the supply voltage on the current leads. The heating of the die plate 10 along its width in the absence of a melt is also uneven due to the large heat transfer from the periphery of the die plate 10, therefore it is more warmed up in the middle and colder at the edges. To compensate for the temperature gradients of the basalt melt 6 and the die plate 10, its thickness in the center according to the proposed technical solution exceeds the thickness at the periphery, and this, when a voltage is applied to the conductors, leads to a temperature change along the convex surface 11 of the die plate 10, the value of which is determined experimentally by the amount of heat generated, depending on the ratio of the thickness of the die plate 10 and its resistance to the passage of electric current (see, for example, pp. 11-12, Boom B.K. theories of electrical apparatuses M .: Nauka, 1970. - 418 p.).

В результате наблюдается стабильная температура расплава базальта 6 по выпуклой поверхности 11 фильерной пластины 10, которая между ее фильерами 2 по периферии и в центре составляет 1220±10°С при автоматизированном изменении питающего напряжения на токопроводах электрообогреваемой фильерной пластины 10.As a result, a stable temperature of the basalt melt 6 over the convex surface 11 of the die plate 10 is observed, which between its dies 2 at the periphery and in the center is 1220 ± 10 ° C with an automated change in the supply voltage on the conductors of the electrically heated die plate 10.

Расплав базальта 6 из донной части 3 поступает в фильеры 2 с температурой (t_рас), отдает часть тепла внутренней поверхности 8 стенки 7, выполненной из биметалла с толщиной стенки заданных параметров (например, 0,4-1,0 мм).The basalt melt 6 from the bottom part 3 enters the nozzles 2 with a temperature (t _races ), gives off part of the heat of the inner surface 8 of the wall 7, made of bimetal with the wall thickness of the specified parameters (for example, 0.4-1.0 mm).

В связи с тем, что коэффициент теплопроводности внутренней поверхности 8 материала биметалла стенки 7 имеет значение, превышающее в 2,0-2,5 раза значение коэффициента теплопроводности наружной поверхности 9 фильера 2, то внутренняя поверхность 8 интенсивно нагревается за время прохода единицы массы базальтового раствора по фильеру 2, чем обеспечивается стабильный процесс передачи теплоты q_рас к стенке 7 фильера 2. При этом градиент температуры

имеет равномерную эпюру распределения.Due to the fact that the thermal conductivity coefficient of the inner surface 8 of the bimetal material of the wall 7 has a value that exceeds 2.0-2.5 times the thermal conductivity coefficient of the outer surface 9 of the die 2, the inner surface 8 intensively heats up during the passage of a unit mass of basalt solution 2 for the die, which ensures the stable process of heat transfer q _races to the wall 7 of the die 2. in this case, the temperature gradient

has a uniform distribution diagram.

Воздействие теплоты окружающей среды q_окр на внешнюю поверхность 9 материала биметалла стенки 7, имеющей значение коэффициента теплопроводности в 2,0-2,5 раза меньше, чем коэффициент теплопроводности внутренней поверхности 8 фильера 2, приводит к резкому снижению величины градиента

. В результате возмущающее воздействие теплового потока окружающей среды q_окр практически не оказывает влияние на эпюру распределения температурного градиента расплава базальтового сырья.The influence of environmental heat q _okr on the outer surface 9 of the bimetal material of the wall 7, which has a thermal conductivity coefficient of 2.0-2.5 times less than the thermal conductivity coefficient of the inner surface 8 of the die 2, leads to a sharp decrease in the gradient

. As a result, the disturbing effect of the heat flux of the environment q _okr practically does not affect the diagram of the distribution of the temperature gradient of the basalt raw material melt.

Кроме этого выполнение материала стенки 7 из биметалла в условиях эксплуатации с встречно-направленных, отличающихся по значению градиентных температур приводит к образованию термовибрации, а это резко снижает возможность кристаллизации расплава по мере его движения при контакте с внутренней поверхностью 8 фильера 2.In addition, the execution of the material of the wall 7 from bimetal under operating conditions with opposite directions, differing in the value of the gradient temperatures leads to the formation of thermal vibration, and this sharply reduces the possibility of crystallization of the melt as it moves upon contact with the inner surface 8 of the die 2.

Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что обеспечение температурной однородности по площади фильерной пластины путем выполнения ее с толщиной, изменяющейся от периферии к центру с профилем в виде циклоиды как линии быстрейшего перехода расплава базальта из верхней точки в нижнюю точку фильерной пластины, приводит к стабильности образования волокна многофильерного питателя вне зависимости от расположения фильер по периферии или в центре. При этом поддержание равномерного температурного режима по площади электрообогреваемой фильерной пластины уменьшает вероятность кристаллизации базальта по толщине донной части питателя и соответственно сокращается обрывность вырабатываемого волокна.The originality of the proposed technical solution lies in the fact that ensuring temperature uniformity over the area of the die plate by performing it with a thickness varying from the periphery to the center with a profile in the form of a cycloid as a line of the fastest transition of basalt melt from the upper point to the lower point of the die plate, leads to stability the formation of multifilter feeder fiber, regardless of the location of the dies on the periphery or in the center. At the same time, maintaining a uniform temperature regime over the area of the electrically heated spinneret plate reduces the likelihood of basalt crystallization along the thickness of the bottom of the feeder and, accordingly, the breakage of the produced fiber is reduced.

Claims

A device for producing continuous fiber from basalt raw materials, comprising a feeder containing an electrically heated die plate with dies in its bottom having wall thicknesses within predetermined limits, the die wall being made of bimetal, and the thermal conductivity of the bimetal material from the inner surface of the die is 2 , 0-2.5 times higher than the coefficient of thermal conductivity of the bimetal material from the side of its outer surface, characterized in that the electrically heated die plate with Torons basalt melt is convex, and the spinneret by - a plane, wherein the convex surface is formed with a profile on a cycloid as lines basalt melt rapid transition from the upper point to the lowest point of the convex surface.