SK280750B6

SK280750B6 - Spôsob výroby vlákien zo skla alebo iných termopla

Info

Publication number: SK280750B6
Application number: SK1905-92A
Authority: SK
Inventors: Yannick Blandin; Daniel Sainte-Foi; Francis Mosnier
Original assignee: Isover Saint-Gobain
Priority date: 1991-06-20
Filing date: 1992-06-19
Publication date: 2000-07-11
Also published as: BR9202334A; ES2081585T3; AU1826592A; KR100238743B1; FI95124B; FI922854A0; FI95124C; SI9200116A; EP0519797A1; FI922854A; NZ243143A; EP0519797B1; HU212585B; IE921954A1; TR27170A; CA2071561A1; AR245960A1; US5277706A; ATE129692T1; DE69205732T2

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka výroby zo skla alebo iných termoplastických materiálov vnútorným odstreďovaním spojeným s vyťahovaním plynom pri vysokej teplote. Vzťahuje sa hlavne na priemyselnú výrobu sklenenej vlny, určenej napríklad na použitie vo výrobkoch na tepelnú a zvukovú izoláciu.

Doterajší stav techniky

Spôsob, ktorého sa vynález týka, spočíva v tom, že sa prúd roztaveného zvlákňovaného materiálu leje do odstredivky, označovanej tiež ako zvlákňovací tanier, otáčajúcej sa veľkou rýchlosťou a perforovanej na obvode veľkým počtom otvorov, ktorým sa sklo vrhá vo forme primárnych vláken účinkom odstredivej sily. Tieto primáme vlákna sú vystavované pôsobeniu prstencového vyťahovacieho prúdu s vysokou teplotou a rýchlosťou, ktorý je vedený pozdĺž steny odstredivky a ktorý sa stcnčuje a premieňa na vlákna. Vysokou teplotou a vysokou rýchlosťou v zmysle vynálezu sa chápe teplota nad 500 °C a rýchlosť prstencovitého prúdu rovnajúca sa alebo vyššia ako 50 m . s'¹. Vytvárané vlákna sú unášané vyťahovacím prúdom plynu do prijímacieho zariadenia, ktoré všeobecne pozostáva z pásu prepúšťajúceho plyny. Tento spôsob sa podrobil radu zlepšení, ktoré sú hlavne opísané v patentovom spise Spojených štátov amerických číslo US-A-2 991 507, vo francúzskych patentových spisoch FR-A-2 147 765, FR-A-2 459 783, FR-A-2 443 436 a v európskych patentových spisoch EP-A-91 381 aEP-A-91 866.

Hoci rýchlosť vyťahovacieho prúdu plynu je veľmi vysoká a systematicky vyššia ako rýchlosť, ktorou sú vrhané vlákna, je kinetická energia vláken dostatočná na to, aby mnoho z vláken preniklo vyťahovacím prúdom plynu, ktorý obklopuje odstredivku v hrúbke iba niekoľko milimetrov. Tento vyťahovací prúd plynu sa potom rozptyľuje bezprostredne pod odstredivkou, čo spôsobí rozptýlenie vláken do veľkej plochy. Nakoniec tieto vlákna zmenia sklon dráhy na zberači pás umiestnený o niekoľko metrov nižšie. Prijímací pás zachytáva vlákna rozptýlené vo valcovom prstenci malého priemeru vzhľadom na šírku prijímacieho pásu, čo sťažuje dosiahnutie rovnomerného rozdelenia vláken na prijímacom páse.

Tepelná rovnováha v odstredivke sa najčastejšie vytvára indukčným ohrevom používajúcim prstencovitý induktor, ktorým prechádza elektrický prúd. Maximálny účinok sa dosahuje, keď je tento prstencovitý induktor veľmi blízko pri odstredivke. Prednostne sa používajú odstredivky bez dna a induktor sa potom môže umiestniť bezprostredne mimo odstredivky a sústredne s ňou. Na prechod vláken sa teda nechá veľmi úzky priestor, ktorý však nutne musí byť zachovaný, aby induktor netvoril prekážku, ktorá by zhoršovala akosť výsledného výrobku, pričom zariadenie by nemohlo dobre pracovať po dlhší čas, pretože by sa upchalo vrhanými vláknami, ktoré by sa tu prilepovali.

Na vyriešenie tohto problému je známe obklopiť vyťahovací prúd plynu chladnou plynovou vrstvou, ktorá ho vhodne smeruje. Táto chladná plynová vrstva plynu sa vytvára fúkacím vencom, obklopujúcim prstencovitý horák. Táto chladná plynová vrstva pomáha ďalej ochladzovať vlákna, ktorých mechanická pevnosť je zvýšená účinkom tepelného vytvrdenia.

Plynová vrstva sa vyvíja napríklad fúkacím vencom podobným tomu, aký je opísaný v patentovom spise Spojených štátov amerických US-A-2 991 507, to znamená tvo reným prstencovitou rúrkou vybavenou obvodovou štrbinou alebo radom otvorov umiestnených blízko od seba, pričom rozbiehanie jednotlivých prúdov zaisťuje spojitosť bariérovej vrstvy tekutiny, ktorá sa vytvára najneskôr vo výške prvého radu otvorov odstredivky, keď sa rady počítajú zhora nadol. Je teda vytvorená tesná bariérová vrstva, ktorou nemôžu vlákna prejsť, takže sú vytvárané vlákna smerovo vedené vnútri tejto bariérovej vrstvy.

Toto obklopenie vrstvy vláken nerieši problém rozdeľovania vláken a najmä problémy tvorenia chumáčov preplietaním vláken. Prv, ako sa bude rozoberať mechanizmus tvorenia chumáčov, je potrebné zdôrazniť, že tieto chumáče sú zdrojom mnohých chýb zisťovaných na výslednom výrobku.

Tieto chumáče predovšetkým spôsobujú miestne nerovnomerné rozdelenie vláken a čím väčšia je dĺžka chumáčov, tým väčší bude sklon chumáčov zvinovať sa, pričom pri následnom ukladaní vláken vznikajú oblasti s nedostatkom vláken. V týchto oblastiach má výrobok menšiu mernú hmotnosť na jednotku plochy, čo miestne zmení vlastnosti výrobku. Zaistenie minimálnej úrovne vlastností je teda potrebné pre tieto oblasti s miestnym nedostatkom vláken kompenzovať zaistením prebytku vláken, čo zvyšuje cenu výrobku.

Orientácia vláken v chumáčoch je okrem toho odlišná od všeobecnej orientácie jednotlivých vláken, ktorá samotná môže byť odlišná od orientácie požadovanej vo výslednom výrobku. Chumáče teda sťažujú riadenie tejto výslednej orientácie, čo ovplyvňuje izolačné vlastnosti, vyvoláva sklon k rozlupovaniu a ovplyvňuje odolnosť proti stlačeniu.

Tieto chumáče sa ďalej tvoria veľmi často vo zvlákňovacom zariadení a pri zbieraní vláken predtým, ako vlákna boli postriekané spojivom. Ak nie sú vlákna vhodne od seba oddelené, keď sa nanáša spojivo, nie je rozdelenie spojiva úplne rovnomerné a vlákna, ktoré nie sú takto spracované, sa prejavujú vo výslednom výrobku vo forme bielych škvŕn, ktoré kontrastujú s vláknami zafarbenými spojivom. Je trochu ovplyvnený vzhľad výrobku, ale predovšetkým sú ovplyvnené niektoré mechanické vlastnosti, ako napríklad pevnosť v ťahu, odolnosť proti trhaniu vláken, tuhosť, tvarová pamäť a spôsobilosť na strihanie sú ovplyvnené celkovo.

Všetky tieto parametre majú väčší alebo menší význam v závislosti od typu výrobkov, ktoré sa všeobecne delia na ľahké výrobky, ktorých merná hmotnosť je menšia ako 25 či dokonca 15 kg . m'³, všeobecne dostupné vo forme zvitkov alebo ťažké výrobky, ktorých merná hmotnosť je vyššia ako 30 kg . m'³ a ktoré sú často vystavené podmienkam použitia, ktoré predpokladajú dobrú mechanickú pevnosť. Ďalej je potrebné uviesť, že hoci vlastnosti požadované pre ťažké alebo ľahké výrobky sa môžu odlišovať len málo, je žiaduce mať mnohoúčelové výrobné linky, to znamená linky majúce možnosť riešenia daných problémov čo najviac na začiatku linky a nielen zmierňujúce, s odstraňovaním iba niektorých chýb, ktoré sú špecifické pre ťažké alebo ľahké výrobky.

V tomto zmysle teda riešenie nespočíva iba v mechanických alebo pneumatických rozdeľovacíeh prostriedkoch, aké sú opísané v európskych patentových spisoch EP-A 69 321 a EP-A 125 963, ktoré navrhujú vyvolať vyvažovací pohyb vo vláknovom prstenci. Takéto prostriedky sú účinné iba z hľadiska konečného rozdelenia povrchových hmôt, ale nie z hľadiska vlastných chumáčov, a sú obzvlášť neúčinné, pokiaľ ide o problémy s chumáčmi veľkej dĺžky.

Ďalej je potrebné uviesť, že takéto prostriedky často vyžadujú zdĺhavé a jemné nastavovanie, ktoré sa môže vykonávať iba školenými pracovníkmi a ktoré sa musí opako2 vať vždy pri zmene typu výrobku. Je potrebné poznamenať, že problematickosť takýchto nastavovacích procesov robí takmer nemožným od seba oddeliť vplyvy uplatňujúce sa v sústave mechanizmov ako celku, pričom hlavne fúkací veniec má zvláštnu a neoddeliteľnú úlohu v procese vytvárania vláken a chumáčov spolu s plnením jeho úlohy pri vymedzovaní vrstvy vláken.

Pri spôsobe vyťahovania vláken, ktorého sa vynález týka, umožňujú rôzne úvahy podrobne rozvedené v európskom patentovom spise EP-B-91 866 predpokladať ako najpravdepodobnejšiu zjednodušenú hypotézu podstaty vyťahovanie, i keď vyťahovanie vláken je zložitý jav, pokiaľ ide o pohyby odstredivky a o správanie horúceho vyťahovacieho prúdu plynu, že spočíva v podstate v mechanickom jave, keď je vlákno jednak „pripojené“ k odstredivke a jednak sa vyťahuje trením vyvíjaným prúdom plynu. Zvýšená teplota tohto prúdu plynu ďalej umožňuje udržiavať vlákno v tekutom stave, vhodnom na jeho vyťahovanie. Táto mechanická hypotéza má samozrejme svoje obmedzenia, pretože stenčené vlákna sa stanú náchylné na lámanie v dôsledku ich zrážok s prúdom plynu i navzájom, lebo hustota zvlákňovacích dýz v odstredivke je asi 15 až 50 dýz na štvorcový centimeter a je teda zrejmé, že zrážky sú početné. Okrem toho plynová bariéra vyvíjaná fúkacím vencom vlákna prudko vyvolá v dôsledku prudkého ochladenia vláken spomalenie vyťahovania. Navyše sa zdá, že sa vlákna od nej odrážajú a sú vrátené späť k primárnym vláknam v priebehu ich vyťahovania, čo podporí premiešanie vláken.

Kvôli lepšiemu pochopeniu úlohy, ktorú má fúkací veniec, môže byť zaujímavé zmieniť sa o iných spôsoboch vyťahovania vláken, ktoré majú rad analogických znakov s tu opisovaným spôsobom, ale ktoré sa však dajú lepšie vysvetliť, lebo neobsahujú vyťahovací horák, takže prstenec pôsobí na primáme vlákna a nie na vlákna alebo na zmes vláken a primárnych vláken.

Prvý z týchto spôsobov je opísaný v patentových spisoch Spojených štátov amerických US-A-4 302 234 a US-A-4 303 430 a spočíva v spôsobe zvlákňovania vnútorným odstreďovaním a vyťahovaním chladným plynom. V tomto prípade sú vlákna vrhané odstredivkou zjavne udržiavané teplé horákom so širokými chlopňami, ktorý vyvíja prúd horúceho plynu, ktorý však nemá príliš veľkú rýchlosť. Prúd plynu udržiava odstreďované vlákna v plastickom stave bez toho, aby sa priamo podieľal na ich vyťahovaní. Tieto vyťahovania sa vykonávajú prostredníctvom zvláštnych prúdov turbulentného plynu vypúšťaných fúkacím vencom, v ktorom sú prostriedky na vyvíjanie prúdov rozmiestnené s rozstupmi asi 50 mm.

Druhý spôsob, ktorý je možné tu uviesť, je opísaný v patentovom spise Spojených štátov amerických US-A-4 058 386 a ktorý predstavuje zvlákňovanie čistým odstreďovaním. V tomto prípade sú vlákna pripravované odstredivkou, v ktorej sú otvory 3- až 10-krát menšie ako v uvedených spôsoboch zvlákňovania, takže odstredivá sila stačí na priame získanie konečného priemeru bez nutnosti prídavného vyťahovania. Tieto vlákna musia byť oproti tomu presmerovávané k prijímaciemu mechanizmu a strihané. Táto operácia sa vykonáva fúkacím vencom obsahujúcim obvodovo usporiadané dýzy. Vlákna prechádzajú pásmami pokoja medzi dvoma prúdmi a potom sú vplyvom otáčania odstredivky zasiahnuté prúdom a pretrhnuté.

V prvom prípade má pri pomerne hrubých primárnych vláknach fúkači veniec v podstate účinok v podobe vyťahovania trením, ktoré je zosilňované turbulentným charakterom prúdov. V druhom prípade má naopak pri vláknach, ktoré boli už stenčené, fúkací veniec v podstate účinok stri hača vláken. Je teda jasné, že úloha fúkacieho venca závisí od procesu zvlákňovania a vyťahovania vláken.

Autori vynálezu si položili za úlohu študovať fúkacie vence s nespojitými prúdmi na spôsob zvlákňovania odstredením a vyťahovaním horúcim plynom kvôli zisteniu, či jednu alebo druhú z výhod prisudzovaných prstencom podľa stavu techniky je možné overiť pri použití v iných zvlákňovacích postupoch.

Najprv je potrebné uviesť, že takáto štúdia sa môže použiť iba teoreticky a nemusí mať priemyselné použitie. V dvoch uvedených spôsoboch totiž pôsobí fúkací veniec na vlákna alebo primáme vlákna, ktoré sú jedným koncom držané v odstredivke, čo môžu byť vlákna podobné nitiam neobmedzenej dĺžky. Pôsobenie prúdov fúkacieho venca je teda priamo závislé od otáčania odstredivky. Pri zvlákňovaní vnútorným odstredením a vyťahovaním ohriatym plynom naopak pôsobí fúkací veniec na vlákna, ktoré väčšinou nie sú spojené s odstredivkou. Stačí okrem toho fúkací veniec na krátku chvíľu vyradiť, aby sa skonštatovalo, že vyťahovací prúd plynu je dostatočný na vytváranie vláken a na ich unášanie k prijímaciemu prostriedku, i keď sa tu rýchlo prejavuje problém rozdeľovania a prechodu prstencovitým induktorom. Za týchto podmienok by bolo možné očakávať, že fúkací veniec s netesnou plynovou vrstvou vo výške odstredivky dovolí veľkému počtu vláken prejsť a že bude celkom neúčinný vo svojej funkcii smerového vedenia vrstvy vláken.

Autori vynálezu však s prekvapením konštatovali, že sa získajú veľmi dobré výsledky, keď sa použije fúkací veniec, v ktorom sú ním vytvárané prúdy jednotlivo od seba oddelené po celej výške perforovanej obvodovej odstreďovacej plochy, ale spájajú sa tesne pod výškou posledného radu otvorov obvodovo odstreďovacej plochy.

Podstata vynálezu

Vynález prináša spôsob výroby vláken zo skla alebo, iných termoplastických materiálov odvodený zo spôsobu známeho z francúzskeho patentového spisu FR-A-2 443 436 alebo z európskeho patentového spisu EP-A-91 866, t. j. zvlákňovaním vnútorným odstreďovaním a vyťahovaním plynom pri vysokej teplote, pri ktorom sa zvlákňovaný materiál leje vo vyťahovateľnom stave do odstredivky, otáčajúcej sa okolo v podstate zvislej osi a ktorej obvodová odstreďovacia plocha je perforovaná množinou otvorov, z ktorých je materiál vrhaný vo forme primárnych vláken, ktoré sa vyťahujú do stenčených vláken a unášajú sa prúdom plynu s vysokou teplotou a vysokou rýchlosťou, smerovaným pozdĺž obvodovej odstreďovacej plochy naprieč na smer odstredivého vrhania vláken a obklopovaným a obvodovo vymedzovaným chladnou plynovou vrstvou, ktorého podstatou je, že chladná plynová vrstva je vytvorená po celej perforovanej výške obvodovej odstreďovacej plochy rozbiehavými jednotlivými prúdmi, ktoré sa spájajú tesne pod najnižšou úrovňou výstupu primárnych vláken z obvodovej odstreďovacej plochy (t. j. v malej vzdialenosti pod touto úrovňou).

Za týchto podmienok chladná plynová vrstva plynov dostatočne obklopuje vyťahovací prúd plynu kvôli zabráneniu tomu, aby sa vrstva vláken príliš rozpínala tesne pod odstredivkou a z tohto hľadiska je spôsob činnosti veľmi blízky spôsobu, aký by sa získal so súvislou tesnou plynovou vrstvou. Tento prekvapujúci spôsob činnosti je overený iba keď vrstva plynu je nespojitá iba vo výške dierovanej odstredivej plochy a stáva sa spojitou bezprostredne pod posledným radom otvorov, napríklad na úrovni spodného okraja obvodovej plochy.

Dva prúdy sú dané ako spojené od miesta, kde sa ich hraničné povrchy dotýkajú, pričom tieto hraničné povrchy sú podľa teórie mechaniky tekutín definované ako povrchy, ktoré vymedzujú priestor zaberaný pohybujúcim sa plynom alebo inými slovami miestom, v ktorom všetky body majú zložku rýchlosti v smere osi prúdu nulovú alebo aspoň zanedbateľnú v porovnaní s rýchlosťou prostredia prúdu, pričom prúdy tu sú dané v ich základnej oblasti, v čase, keď sa môže o nich uvažovať, akoby vychádzali z nekonečne malého bodového zdroja.

V praxi sa získajú dobré výsledky, keď sa prúdy spájajú 20 mm pod najnižšou úrovňou výstupu primárnych vláken z obvodovej odstreďovacej plochy.

Jednotlivé prúdy sú podľa vynálezu výhodne vypúšťané s výstupnou rýchlosťou vyššou ako 250 m/s. Medzi dvoma prúdmi je rýchlosť plynov normálne v podstate nulová, ale záporné hodnoty rýchlosti sú tiež prípustné, čo zodpovedá prítomnosti vratných prúdov.

Podľa ďalšieho znaku vynálezu sa prúdy spájajú vo výške uloženia prstencového indukčného prostriedku na indukčný elektromagnetický ohrev, ktorým sa vyhrieva odstredivka.

Výhodne sa prúdy vypúšťajú s vodorovnou rýchlostnou zložkou odlišnou od nuly.

Mimoriadne pozoruhodný účinok spôsobu podľa vynálezu je ten, že spôsobuje zníženie vzniku chumáčov na úrovni odstredivky, čo sa môže pozorovať vizuálne a je možné overiť meranými vlastnosťami výsledných výrobkov. Je možné formulovať rad hypotéz na vysvetlenie tohto javu, i keď je pravdepodobné, že tieto vysvetlenia nemôžu postihnúť všetky vznikajúce javy, pričom vzájomná závislosť mnohých parametrov, ovplyvňujúcich výsledné výrobky, komplikuje akékoľvek vysvetlenie.

Prvá hypotéza spočíva v tom, že dochádza k skracovaniu vláken. Pri opísanom spôsobe zvlákňovania sú skutočne vlákna stenčované vyťahovacím prúdom plynu a pretrhávajú sa. Môže sa však stať, že sa vytvoria výnimočne dlhé vlákna pred pretrhnutím a že tieto dlhé vlákna, s dĺžkou okolo 10 cm alebo viac, budú mať prirodzený sklon k zvíjaniu do chumáčov. Keď potom tieto chumáče vznikajú, zachytávajú iné jednotlivé vlákna. Pri použití spôsobu podľa vynálezu je pravdepodobné, že môže vzniknúť mechanizmus podobný tomu, aký je opísaný v patentovom spise Spojených štátov amerických US-A-4 058 386 a že týchto niekoľko dlhých vláken môže preniknúť chladnou plynovou vrstvou v oblastiach medzi prúdmi prv, ako sú náhle pretrhnuté lúčom. Na druhej strane vlákna už vytvorené budú z najväčšej časti odnesené vyťahovacím prúdom plynu, čo by vysvetľovalo „utesnený“ charakter nespojitej vrstvy. Okrem toho dovoľuje tento účinok pracovať v podmienkach menej intenzívneho vyťahovania, keď sa teplota vyťahovacieho prúdu plynu a tlak vo vyťahovacom prúde plynu zvoli iba v závislosti od požiadavky dosiahnutia jemnosti vláken nezávisle od ich dĺžok, ktoré sú v podstate riadené fúkacími prúdmi.

Druhá hypotéza nadväzujúca na prvú spočíva v tom, že toto pretrhnutie vláken by nenastalo bez predchádzajúceho ďalšieho vyťahovania následkom ťahu vyvíjaného týmito vláknami pri zrýchľovaní, takže vlákna danej jemnosti by sa mohli získať s pomerne nižším tlakom vo vyťahovacom horáku. Takto by mohli byť obmedzené javy turbulencie spôsobené vyťahovacím horákom a následne obmedzená tvorba chumáčov vláken.

Vynález ďalej prináša zariadenie na výrobu vláken zo skla alebo iných termoplastických materiálov na vykonáva nie uvedeného spôsobu, obsahujúce odstredivku otočnú okolo v podstate zvislej osi, ktorej obvodová plocha je perforovaná množinou otvorov, prstencový vyťahovací horák a sústredný fúkací veniec, ktorého podstatou je, že fúkací veniec obsahuje vyfukovacie prostriedky jednotlivých rozbiehavých plynných prúdov so vzájomnou vzdialenosťou d = 2h . tg a, kde a znamená uhol rozbiehavosti prúdov a h vzdialenosť od jednonásobku do nanajvýš dvojnásobku a výhodne nanajvýš jedenapolnásobku výšky medzi úrovňou výstupu vyfúkovacích prostriedkov plynných prúdov a úrovňou najnižšieho radu otvorov obvodovej plochy na výstup primárnych vláken.

Výhodne je h väčšie o 20 mm ako výšková vzdialenosť medzi úrovňou výstupu vyfúkovacích prostriedkov plynných prúdov a úrovňou najnižšieho radu otvorov obvodovej plochy na výstup primárnych vláken.

Len čo je raz určená vzájomná vzdialenosť prúdov, môže byť fúkací veniec vytvorený rôznymi spôsobmi. V prvom alternatívnom vyhotovení, kde jednoduchosť je jeho hlavná výhoda, je fúkací veniec tvorený trubicovým prstencom (24), vybaveným vyfukovacími prostriedkami plynných prúdov vo forme výstupných otvorov, ktorých priemer sa napríklad rovná 2 až 3 mm. V tomto alternatívnom vyhotovení sa teda fúkací veniec podľa vynálezu neodlišuje od fúkacieho venca podľa doterajšieho stavu techniky opísaného v patentovom spise Spojených štátov amerických US-A-2 991 507, okrem rozstupov medzi otvormi a ich priemeru, ktoré sú o 50 až 100 % väčšie.

V obzvlášť výhodnom vyhotovení je fúkací veniec tvorený trubicovým prstencom, na ktorom sú upevnené vyfúkovacie prostriedky plynných prúdov vo forme nátrubkových výustiek. Nátrubkové výustky môžu byť upevnené privarením a vyrobené z nemagnetického materiálu kvôli zamedzeniu akéhokoľvek rušenia elektromagnetickou indukciou. Umožnením predĺženého vedenia prúdov nátrubkového výustky prispievajú k zvýšeniu stability podmienok, za ktorých sú jednotlivé prúdy vypúšťané, a je teda priaznivo ovplyvnená pravidelnosť pôsobenia fúkacieho venca.

V ďalšom alternatívnom vyhotovení môže byť fúkací veniec tvorený radom vyfúkovacích prostriedkov plynných prúdov vo forme dýz, napríklad napájaných zo zásobnej nádrže umiestnenej odľahlo od odstredivky, kvôli podpore nasávania vonkajšieho vzduchu fúkacím vencom.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález je bližšie vysvetlený v nasledujúcom opise na príkladoch vyhotovenia s odvolaním na pripojené výkresy, v ktorých znázorňuje obr. 1 schematický rez, ukazujúci zostavu hlavných prvkov, uplatňujúcich sa pri zvlákňovaní vnútorným odstreďovaním a vyťahovanie prúdom plynu pri vysokej teplote a vysokej rýchlosti, obr. 2 dve schémy ukazujúce princíp fúkacieho venca, a to podľa patentového spisu Spojených štátov amerických US-A-2 991 507 na obr. 2a a podľa predloženého vynálezu na obr. 2b, obr. 3 schému plynného prúdu, obr. 4 priečny rez fúkacím vencom typu prstencovitej rúrky s otvorom, obr. 5 priečny rez fúkacím vencom s dýzami, obr. 5a zvislý rez týmto fúkacím vencom, obr. 6 priečny rez fúkacím vencom s nátrubkovými výustkami, a obr. 7 diagram znázorňujúci priečne rozdeľovanie výrobku.

SK 280750 Β6

Príklady uskutočnenia vynálezu

Obr. 1 znázorňuje schematicky zvlákňovacie zariadenie na vykonávanie vynálezu a zodpovedajúce zariadenie podľa európskeho patentového spisu EP-A-91 866, s výnimkou vyhotovenia fúkacieho venca. Toto zariadenie pozostáva z odstredivky 1 bez dna, ktorej obvodová plocha je vybavená množinou otvorov a je pripevnená k náboju 2 nasadenom na zvislom hriadeli 3 poháňanom motorom 4. Prúd 5 skloviny napája odstredivku tak, že prúdi dutinou zvislého hriadeľa 3 a do koša 6 s pevným dnom vybaveného valcovou stenou, v ktorej je malý počet pomerne veľkých otvorov s priemerom napríklad 3 mm, ktorými je sklovina rozdeľovaná vo forme primárnych prúdov 7 smerovaných k vnútornej strane obvodovej plochy, z ktorej sú pôsobením odstredivej sily prúdy vypudzované vo forme primárnych vláken 8.

Odstredivka je obklopená prstencovým vyťahovacím horákom 9, ktorý je v tomto prípade vybavený vodou chladeným kovovým puzdrom vymedzujúcim spaľovaciu komoru 10, ktorá je spojená s dýzou 11 tvoriacou vyťahovací prúd. Dýza 11 je tvorená vnútornou chlopňou 12 a vonkajšou chlopňou 13, ktoré sú podobne chladené a sú vyústené bezprostredne nad obvodovou stenou odstredivky.

Bezprostredne pod odstredivkou a sústredne s ňou je uložený prstencovitý indukčný ohrevový prostriedok (ďalej induktor) 14, ktorý pomáha udržiavať tepelnú rovnováhu horáka, hlavne vyrovnávať pomerne chladný stav spodnej oblasti obvodovej plochy, ktorá je menej ohrievaná vyťahovacími prúdom plynu, pretože je viac vzdialená od chlopní 12 a 13 prstencového vyťahovacieho horáka. Ďalšie podrobnosti týkajúce sa prstencovitého induktora 14 je možné nájsť hlavne v patentovom spise Spojených štátov amerických US-A-3 077 092.

Sústredne s prstencovým vyťahovacím horákom 9 je uložený fúkací veniec 15, ktorý vypúšťa chladný vzduch s teplotou v podstate blízkou teplote miestnosti. Obr. 2a znázorňuje geometriu prúdov vypúšťaných fúkacím vencom podľa doterajšieho stavu techniky, napríklad podľa patentového spisu Spojených štátov amerických US-A-2 991 507. Prúdy 16 sú vypúšťané z otvorov, ktoré sú od seba navzájom veľmi málo vzdialené, napríklad s rozstupom 7,4 mm pri priemere otvorov 1,5 mm a v dostatočne veľkej vzdialenosti od prvého radu otvorov obvodovej plochy odstredivky, tu znázornenej schematicky čiarkovanou čiarou 17, takže prúdy sa zmiešavajú na jej výške a potom tvoria spojitú vrstvu. V usporiadaní podľa vynálezu, znázornenom na obr. 2b, je snaha o maximálne zachovanie oddelených prúdov po výške perforovanej obvodovej plochy odstredivky, takže otvory fúkacieho venca môžu byť trochu nižšie a prúdy môžu byť vypúšťané veľmi blízko k prvému radu. Toto usporiadanie vytvára oveľa účinnejšie prúdy, pričom maximálna rýchlosť sa dosahuje v mieste vypúšťania prúdov. Otvory sú ďalej značne viac od seba vzdialené a sú napríklad rozmiestnené s rozstupom e medzi stredmi rovnajúcim sa 25 mm pri priemere otvorov 2,5 mm, takže prúdy sa spájajú až po prejdení dráhy asi 60 mm a sú teda od seba oddelené vo výške posledného radu otvorov v obvodovej ploche odstredivky, čo je schematicky znázornené úrovňou 18. Toto oddelenie naopak mizne v tesnej blízkosti induktora 19 a od tohto miesta je vrstva spojitá.

Na obr. 2a a 2b sú prúdy znázornené schematicky, akoby vychádzali z nekonečne malého bodového zdroja, zatiaľ čo v skutočnosti sú vyvíjané zdrojom, ktorý má prierez niekoľko štvorcových milimetrov. Pretože sa však kľúčový znak vynálezu týka spojenia dvoch prúdov a pretože toto sa odohráva v značnej vzdialenosti od oblasti vypúšťania, nepredstavuje toto zjednodušenie žiaden problém, ako jc zrejmé z obr. 3, ktorý znázorňuje schému prúdu získaného zo zdroja S, vytvárajúceho prúd, majúci osovú súmernosť podľa osi A. Ako vyplýva z mechaniky tekutín, obsahuje tento prúd 3 kužeľovitú oblasť 20, prostrednú oblasť 21 a hlavnú oblasť 22 vymedzenú hranicou prúdu, t. j. miestom bodov nulovej rýchlosti. V základnej oblasti je táto hranica obmedzovaná asymptotickou krivkou 23, takže prúd v tejto môže byť daný ako zhodný s kužeľom s osou A a s uhlom a majúcim vrchol v bode na osi A, ležiacim pri zdroji S. V rámci vynálezu je uhol a definovaný ako uhol rozbiehania prúdu, maximálna rýchlosť lúča je rýchlosť meraná na osi A vo výške zdroja S a dva susedné prúdy sú dané o spojené, keď sa ich vzájomné hranice pretnú.

Fúkací prstenec 15 podľa vynálezu sa skúšal v niekoľkých alternatívnych vyhotoveniach znázornených schematicky na obr. 4 až 6. Obr. 4 zodpovedá fúkaciemu vencu 15 typu dierovanej prstencovej rúrky tvorenej jednoduchým trubicovým prstencom 24 obdĺžnikového priečneho prierezu, ktorého spodná strana je vybavená radom rôznych otvorov 25. Tieto otvory 25 tvoria vyfukovacie prostriedky 40 prúdov. V ďalej uvádzanej tabuľke zodpovedajú vence Cl a C2 tomuto prvému typu. Obr. 5 a 5a znázorňujú fúkací veniec majúci dýzy alebo presnejšie dvojité dýzy, ako je zrejmé z rezu na obr. 5a. Prúd je tu teda vyvíjaný vyfukovacím prostriedkom 40 vo forme dýzy 26 napájanej rúrkou 27. Na rozdiel od vyššie uvedeného prípadu je prívod do každej skupiny dvoch dýz oddelený. Vence označené ako C4 a C5 v nasledujúcej tabuľke zodpovedajú tomuto typu.

Obr. 6 znázorňuje alternatívny tvar vyhotovenia odvodeného z obr. 4, kde proti každému otvoru je osadená nátrubková výustka 28, tvoriaca vyfukovací prostriedok. 40 v danom vyhotovení. Veniec označený ako C3 v nasledujúcej tabuľke zodpovedá tomuto vyhotoveniu. Charakteristické geometrické údaje skúšaných fúkacích vencov sú.uvedené v tabuľke I.

Tabuľka I

Typ	Počet otvorov	Rozstup otvorov (mm)	Priemer otvorov (mm)	Priemer venca (mm)
Cl	280	7,43	1,5	686
C2	86	25	2,5	686
C3	86	25	2,5	686
C4	86	25	2,5	686
C5	43	50,1	3	686

Veniec Cl je štandardný fúkací veniec podľa patentového spisu Spojených štátov amerických US-A-2 991 507. Veniec C2 sa odlišuje od venca Cl iba väčším rozstupom otvorov, čiastočne kompenzovaným zväčšením priemeru otvorov. Veniec C3 je tvorený na základe venca Cl okrem toho, že otvory sú nahradené nátrubkovými výustkami z nehrdzavejúcej ocele alebo iného nemagnetického materiálu privarenými k fúkaciemu vencu a výhodne vedúcimi prúd aspoň po výške okolo 10 mm, zatiaľ čo v prípade prstencovitej rúrky vybavenej otvormi môže byť takéto vedenie vytvorené nanajvýš po výške zodpovedajúcej hrúbke steny rúrky. Ďalej je možné ľahko vytvoriť pomocou nátrubkových výustiek mierny sklon prúdov, aby sa im dodal smer, ktorý nie je rovnobežný s osou odstredivky. Konečne sú vence C4 a C5 fúkacie vence, ktoré pozostávajú z radu dýz s rovnakým rozstupom.

Ak nebude uvedené inak, všetky skúšky boli vykonávané s odstredivkou s priemerom 600 mm s rozmiestnením otvorov podľa francúzskeho patentového spisu FR-A-1 182 917 a pri prevádzkových podmienkach opísaných v európskom patentovom spise EP-A-91 866, hlavne pokiaľ ide o použité sklené kompozície. Prstencový vyťahovací horák 9 vyvíja

SK 280750 Β6 prúd plynu, ktorého teplota pri chlopniach horáka je približne 1 430 °C až 1 450 °C. Jemnosť vláken je určená hodnotou ich micronaire (indexu jemnosti vláken F), na vzorku 5 g. Meranie micronaire, tiež uvádzané ako „index jemnosti“, berie do úvahy merný povrch na základe merania strát aerodynamického tlaku, keď dané množstvo vláken odobratých z rohože bez úpravy sa podrobí pôsobeniu danému tlaku plynu, všeobecne vzduchu alebo dusíka. Toto meranie je zvyčajné v zariadeniach na výrobu minerálnych vláken a je normalizované v norme DIN 53941 alebo ASTM D 1448 a používa tzv. „micronaire prístroj“.

Skúšky podľa vynálezu boli vykonávané so strojom SHEFFIELD typu FAM 60 P. Tento stroj obsahuje vstup na vzduch alebo dusík pod tlakom, ventil na reguláciu tohto tlaku, prietokomer a valcovú komoru so zvislou osou so vstupom plynu pri dne. Zvážené vlákna (najčastejšie 5 g 0,01 g) sa zalisujú do dna komory kalibrovanou zátkou, ktorá dovoľuje únik plynov. Predbežná skúška umožňuje nastaviť rýchlosť vzduchu na danú hodnotu vždy rovnakú pred začiatkom skúšky vláknovej vypchávky. Meranie micronaire alebo indexu jemnosti spočíva v zázname čítania štandardného prietokomeru, keď sú vlákna vložené do zariadenia. Aby sa pracovalo s rovnakým rozsahom strát tlaku, je nutné prispôsobiť množstvo skúšaných vláken tak, že sa zmenší hmotnosť, keď sa zmenšuje priemer. Je teda nutné zmieniť sa o tom súčasne s výsledkom merania prietoku. Čím jemnejšie sú vlákna, tým väčšia je ich schopnosť vzdorovať prúdu plynu (a vo vzťahu stým i izolačná schopnosť) a je o to väčšia, o čo menšia je micronaire.

Najprv boli tieto skúšky vykonávané pri výrobe ťažkých výrobkov, pre ktoré je požiadavka mechanickej pevnosti aspoň rovnako významná ako izolačná schopnosť. Vykonali sa skúšky s dynamickým tlakom 32 500 Pa v úrovni horáka, pre rýchlosť odstredivky 1 450 ot. min'¹vyrábajúcej vlákna majúce micronaire 4 pri vzorke 5 g. Objemová hmotnosť výrobku je 84 kg . m'³ a jeho obsah spojiva je 6,8 %.

Tabuľka II

Typ venca	Prietok vzduchu (m³, h’¹)	Priehyb (mm)	Sila vo vytrhnutí
(N.	Jnť^z)
Cl	932	105	28
	630	101	55
C2	823	107	40
	560	115	42
C3	750	105	67
	550	85	56
C4	750	105	55
	540	102	62
C5	520	120	50
	653	106	25
Typ venca	Stlačenie (Rpa) 25 %	Spôsobilosť na strih	Lambda pri 24 °C	Rozloženie (%)
Cl	32	zlá	32,5	75
	29	dobrá	32,5	84
C2	32	dobrá	32,8	88
	33	dobrá	32,7	97
C3	36	dobrá	32,8	84
	37	dobrá	32,5	97
C4	30	dobrá	32,8	88
	29	zlá	32,7	97
C5	50	stredná	32,9	65
	41	stredná	32,8	59

V tabuľke II „Priehyb“ znamená priehyb 1,2 m dlhej dosky, podopretej iba na koncových okrajoch. Čím je hodnota menšia, o to lepšie sa výrobok správa ako tuhá doska a jeho inštalácia je jednoduchšia. „Sila vo vytrhnutí“ je sila potrebná na vytrhnutie kusa s plochou 1 dm² z dosky. „Stlačenie“ znamená tlak potrebný na zmenšenie hrúbky výrobku o 25 %. „Lambda“ znamená tepelnú vodivosť výrobku meranú vo W/m °C. „Rozloženie“ znamená percento merania, pre ktoré meraná povrchová hmotnosť sa rovnala ±10 % strednej povrchovej hmotnosti, v danom prípade 2 270 g . m’² pre hrúbku 27 mm, pričom každé meranie bolo vykonávané na pozdĺžnom páse výrobku, pričom na rekonštruovanie výrobku v jeho pôvodnej šírke bolo potrebných osem pásov.

Obr. 7 umožňuje jasnejšie znázorniť tento zisk s ohľadom na rozloženie. Tu bol výrobok tiež rozrezaný na osem pozdĺžnych pásov a merala sa povrchová hmotnosť každého pásu. Grafy kreslené čiarkovanými čiarami zodpovedajú výrobkom získaným s vencom Cl. Grafy kreslené plnými čiarami sa získali s vencami typu C3. Nepravidelnosti medzi jednotlivými pásmi sú menšie s vencom podľa vynálezu.

Z tabuľky II vyplýva, že sa vo všetkých prípadoch použitia vencov podľa vynálezu, typu C2 až C4, dosahujú hodnoty, ktoré sa prinajmenšom rovnajú hodnotám získaným so štandardným vencom, značne lepšie výsledky sa získali s vencom, ktorý má nátrubkové výustky typu C3, hlavne s ohľadom na „silu vo vytrhnutí“ a „priehyb“. Naopak, výsledky získané s vencom typu C5, kde prúdy sú oddelené dlho po prechode pod odstredivku, sú zlé. Ďalšou významnou vlastnosťou výrobkov podľa predloženého vynálezu je podstatné zníženie počtu bielych škvŕn, čo ukazuje oveľa rovnomernejší charakter spracovania. Ukazuje sa teda, že spôsobom podľa vynálezu sa získa účinok vystrihovania vláknového prstenca pozdĺž relatívne krátkych chumáčov.

V druhej fáze boli tieto skúšky vykonané pre ľahký výrobok získaný s dynamickým tlakom na úrovni horáka rovnajúcim sa 45 500 Pa pre odstredivku majúcu rýchlosť 1900 ot. min'¹. Povrchová hmotnosť je 880 g . m’², hustota 11 kg . m’³, micronaire F/5g je 3,0 a obsah fenolformaldehydového spojiva je 4,5 %. Tento typ výrobku sa všeobecne vyskytuje na trhu vo zvitkoch a používa sa na tepelnú izoláciu v krovoch alebo zvislých stenách. Výsledky skúšok sú uvedené v tabuľke III.

Tabuľka III

Typ venca	Prietok vzduchu (m’-h·¹)	Pevnosť v ťahu (gs/g)	Obnova hrúbky (T/6)	Lambda	Rozloženie (%)
Cl	480	250	139	45,8	94
C2	602	265	139	45,3	88
C2	334	266	138	45,1	81
C3	557	246	138	45,8	94
C3	317	260	138	45,2	91
C4		232	140	45,8	88
C5		228	131

V tabuľke III „Pevnosť v ťahu“ znamená pevnosť v ťahu tu vyjadrenú vjednotkách gramov sily na gram, to znamená silu potrebnú na pretrhnutie skúšobného pásika zovretého na jeho dvoch koncoch v čeľustiach. „Obnova hrúbky“ znamená obnovenie hrúbky výrobku stlačeného činiteľom 6, vyjadrenej v percentách, kde hodnota 100 zodpovedá menovitej hrúbke výrobku, na jeho efektívnej hrúbke, čo vysvetľuje, že boli získané hodnoty väčšie ako 100. Tepelná vodivosť „Lambda“ a „Rozloženie“ sú vyjad

SK 280750 Β6 rené v rovnakých jednotkách ako v predchádzajúcom príklade.

Hodnoty tu uvedené ukazujú na veľmi malý vplyv fúkacieho venca. Je však potrebné uviesť, že všetky tieto hodnoty sú uspokojujúce okrem prípadu fúkacieho venca, kde prúdy sú pri svojom vzniku vzdialené o 50 mm, a teda sa spájajú ďalej pod induktorom.

Výrobky podľa vynálezu ukazujú podstatné zníženie počtu bielych škvŕn. I keď nie sú v prípade ľahkých výrobkov výsledky jasne zlepšené, ukazuje sa priaznivý jav. Je veľmi výhodné, že výrobky sa získali zmenou iba malého počtu prevádzkových parametrov v porovnaní s predchádzajúcim príkladom, ale s celkom zhodnou výrobnou linkou. Všestrannosť linky je teda podstatne zvýšená v dôsledku zlepšenia nájdeného v prípade ťažkých výrobkov.

Nakoniec je potrebné znova uviesť, že fúkacie vence podľa vynálezu sa môžu podobne použiť pri veľmi dobrých podmienkach napríklad pri teplote vyťahovacieho prúdu plynu okolo 800 °C a pri rýchlosti vyťahovacieho prúdu plynu okolo 50 m.s'¹, pričom odstredivka je v tomto prípade vybavená skôr menšími otvormi ako v predchádzajúcom príklade s cieľom kompenzovať relatívne zníženie vyťahovania prúdom plynu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Spôsob výroby vláken zo skla alebo iných termoplastických materiálov vnútorným odstreďovaním spojeným s vyťahovaním plynom pri vysokej teplote, pri ktorom sa zvlákňovaný materiál leje vo vyťahovateľnom stave do odstredivky, otáčajúcej sa okolo v podstate zvislej osi a ktorej obvodová odstreďovacia plocha je perforovaná množinou otvorov, z ktorých je materiál vrhaný vo forme primárnych vláken, ktoré sa vyťahujú do stenčených vláken a unášajú sa prúdom plynu s vysokou teplotou a vysokou rýchlosťou, smerovanom pozdĺž obvodovej odstreďovacej plochy naprieč na smer odstredivého vrhania vláken a obklopovaným a obvodovo vymedzovaným chladnou plynovou vrstvou, vyznačujúci sa tým, že chladná plynová vrstva je vytvorená po celej perforovanej výške obvodovej odstreďovacej plochy rozbiehavými jednotlivými prúdmi (16), ktoré sa spájajú tesne pod najnižšou úrovňou (18) výstupu primárnych vláken z obvodovej odstreďovacej plochy.
2. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že sa prúdy (16) spájajú 20 mm pod najnižšou úrovňou (18) výstupu primárnych vláken z obvodovej odstreďovacej plochy.
3. Spôsob podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že výstupná rýchlosť prúdov (16) je vyššia ako 250 m/s.
4. Spôsob podľa najmenej jedného z nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že prúdy (16) sa spájajú vo výške uloženia prstencového indukčného prostriedku na indukčný elektromagnetický ohrev, ktorým je vyhrievaná odstredivka.
5. Spôsob podľa najmenej jedného z nárokov 1 až 4, vyznačujúci sa tým, že prúdy (16) sa vypúšťajú s vodorovnou rýchlostnou zložkou odlišnou od nuly.
6. Zariadenie na výrobu vláken zo skla alebo iných termoplastických materiálov na vykonávanie spôsobu podľa najmenej jedného z nárokov 1 až 5, obsahujúce odstredivku otočnú okolo v podstate zvislej osi, ktorej obvodová plocha jc perforovaná množinou otvorov, prstencový vyťahovací horák a sústredný fúkací veniec, vyznaču júce sa tým, že fúkací veniec (15) obsahuje vyfokovacic prostriedky (40) jednotlivých rozbiehavých plynných prúdov (16) so vzájomnou vzdialenosťou d = 2h . tg a, kde a znamená uhol rozbiehavosti prúdov a h vzdialenosť od jednonásobku do nanajvýš dvojnásobku a výhodne nanajvýš jedenapolnásobku výšky medzi úrovňou výstupu vyfukovacich prostriedkov (40) plynných prúdov a úrovňou (18) najnižšieho radu otvorov obvodovej plochy na výstup primárnych vláken.
7. Zariadenie podľa nároku 6, vyznačujúce sa tým, že h je väčšie o 20 mm ako výšková vzdialenosť medzi úrovňou výstupu vyfukovacích prostriedkov (40) plynných prúdov (16) a úrovňou (18) najnižšieho radu otvorov obvodovej plochy na výstup primárnych vláken.
8. Zariadenie podľa nároku 6 alebo 7, vyznačujúce sa tým, že fúkací veniec (15) je tvorený trubicovým prstencom (24), vybaveným vyfukovacími prostriedkami (40) plynných prúdov (16) vo forme výstupných otvorov (25).
9. Zariadenie podľa nároku 6 alebo 7, vyznačujúce sa tým, že fúkací veniec (15) je tvorený trubicovým prstencom, na ktorom sú upevnené vyfukovacie prostriedky (40) plynných prúdov (16) vo forme nátrubkových výustiek (28).
10. Zariadenie podľa nároku 6 alebo 7, vyznačujúce sa tým, že fúkací veniec (15) je tvorený radom vyfukovacích prostriedkov (40) plynných prúdov (16) vo forme dýz (26).