Brevet FR2578273A1 — publié le 19860905

La présente invention concerne un appareil de filage d'une matière fondue. Plus précisément, elle concerne un tel appareil qui permet le filage de nombreux filaments destinés à former des fibres de carbone à base d'un brai. Lors du filage classique à l'état fondu de hauts-polymères, des efforts importants sont consacrés à l'empêchement du dépôt des matières étrangères et de leur accumulation au voisinage de la buse de la filière car ces matières peuvent être la cause principale des problèmes posés par le filage, ainsi qu'à l'empêchement de la rupture des fils filés et de leur irrégularité de diamètre. Par exemple, dans un appareil de filage de matière fondue destiné à des hauts-polymères tels que le polypropylène, le "Nylon" et le polyester, un bloc de filage, une partie de refroidissement retardé et une partie de refroidissement forcé ayant une face de soufflage d'air de refroidissement sont habituellement placés succes- sivement à partir du haut et une colonne de trempe consti- tuant une zone d'étirage du fil, est utilisée sur une zone d'au moins 30 cm.et habituellement de 50 à 100 cm afin que la température, l'humidité et la vitesse de l'air de refroidissement soient uniformes, et les matières volatiles ou fumées contenues dans les hauts-polymères doivent être retirées. D'autre part, les brais de pétrole ou de charbon, par rapport aux hautspolymères précités, ont une masse moléculaire moyenne faible, allant d'environ 600 à 2000, et leur distribution de masse moléculaire n'est pas toujours étroite. On a déjà essayé, afin d'améliorer les propriétés de filage et les caractéristiques d'une fibre de carbone obtenue par carbonisation d'une fibre de brai, de régler la distribution des masses moléculaires par traitement du brai par fractionnement par un solvant puis par extraction de constituants à température d'ébul- lition faible et élevée. Pendant le filage à l'état fondu cependant, il est inévitable que des traces d'un constituant à basse température d'ébullition forment des fumées et taches à proximité de la filière et il est difficile de conserver un filage stable pendant un long temps. En outre, étant donné la faible masse moléculaire moyenne, la variation de la viscosité de la matière fondue avec la température est très grande et une variation de température même faible provoque une variation importante de viscosité. En outre, la température de filage du brai est élevée, car elle n'esten général pas inférieure à 30q C, et la viscosité est très faible puisqu'elle est comprise entre 1000 et 500 000 cP. En conséquence, lorsqu'une force élevée de traction est utilisée pour l'obtention d'un fil fin avec un refroidissement insuffisant, le fil se casse alors que, lorsque le fil est refroidi excessivement, l'obtention d'un fil fin est impossible parce que les fibres de brai se solidifient rapidement avant étirage. En outre, lorsque le refroidissement n'est pas uniforme, le diamètre du fil n'est pas uniforme. La présente invention remédie aux inconvénients des procédés et appareils classiques de filage d'une matière fondue. Selon l'invention, on a.constaté qu'un réglage convenable de la zone de filage d'une fibre de brai obtenue par filage et, à cet effet, un refroidissement uniforme de la fibre de brai par soufflage et évacuation régulière d'un gaz de refroidissement, étaient essentiels pour un filage stable pendant une longue durée. Un appareil de filage d'une matière fondue a alors été mis au point à partir de cette découverte, cet appareil permettant le refroidissement uniforme d'un certain-nombre de filaments filés, et empêchant ainsi à la fois la cassure des fils et les variations de leur diamètre et donnant un filage stable pendant une longue durée. L'invention concerne ainsi un appareil de filage d'une matière fondue dans lequel un organe d'unifor- misation de débit est fixé à une partie centrale d'un côté de filage d'une filière ayant des buses placées circu- lairement ou concentriquement, l'organe d'uniformisation de débit ayant, en coupe, un diamètre inférieur d'au moins 3 mm au diamètre de la rangée interne de buses et ayant aussi une longueur qui n'est pas inférieure à 2 cm, un dis- positif de refroidissement ayant un canal annulaire de soufflage d'un gaz de refroidissement vers les filaments filés et constituant une partie périphérique externe placée sous le bloc de filage, un espace étant formé entre le bloc de filage et le dispositif de refroidissement et étant fermé de manière étanche par un organe d'isolation thermique. Dans les opérations de filage d'une matière fondue, adoptées habituellement, des filaments filés sont refroidis et étirés pendant soufflage d'un gaz de refroidissement contre les filaments. Dans ce cas, le gaz de refroidissement est chauffé par la chaleur de solidification ou chaleur rayonnée et stagne dans une partie centrale au-dessous de la filière si bien qu'il est nécessaire de retirer rapidement vers le bas ce gaz chauffé car le refroidissement uniforme des filaments filés serait sans cela difficile. Selon l'invention, un gaz de refroidissement soufflé contre les filaments filés depuis l'extérieur des filaments est conduit vers l'inté- rieur puis rapidement évacué en direction verticale descen- dante par un organe d'uniformisation d'écoulement fixé à une partie centrale du côté de filage d'une filière. En consé- quence, le refroidissement uniforme des filaments devient possible. L'organe d'uniformisation d'écoulement utilisé selon l'invention, ayant les caractéristiques dimension- nelles précitées, est un élément plein moulé en un matériau convenable tel qu'un métal, l'élément plein moulé étant indéformable dans les conditions de travail. De préférence, il a une forme symétrique. Une forme cylindrique ou en tronc de cône est particulièrement avantageuse. Le diamètre de l'organe d'uniformisation d'écou- lement dépend de la distance aux filaments qui lui sont adjacents. Des buses sont disposées en une ou plusieurs rangées circulairement ou concentriquement. Bien entendu, le diamètre de l'organe d'uniformisation est inférieur au diamètre de la rangée interne de buses (cercle primitif). Dans le filage réel, les filaments sont parfois aussi déviés par perturbation en plus du "fléchissement" provoqué parun gaz de refroidissement si bien qu'il est préférable que cet organe d'uniformisation ait, en coupe, un diamètre inférieur d'au moins 3 mm à celui du cercle primitif de la rangée interne afin que les filaments ne puissent pas être au contact de l'organe d'uniformisation à la suite de ce fléchissement, avec éventuellement une rupture des filaments. Lorsque le diamètre, en coupe, est inférieur de plus de 25 mm au diamètre du cercle primitif, l'inven- tion a moins d'efficacité. En conséquence, le diamètre de l'organe d'uniformisation, en coupe, est réglé à une valeur inférieure de 3 à 25 mm et de préférence de 5 à 20 mm à celui du cercle primitif. La longueur de l'organe d'uniformisation dépend étroitement de la zone d'étirage des fils filés. Lorsque cette longueur est inférieure à celle de la zone d'étirage, la présente invention ne donne pas toute son efficacité. En conséquence, l'organe d'uniformisation n'est pas infé- rieur à 2 cm, par exemple de l'ordre de 2 à 20 cm et de préférence de 3,5 à 20 cm. L'appareil de filage d'une matière fondue selon l'invention a un dispositif de refroidissement sous forme d'une partie périphérique externe placée sous le bloc de filage, le dispositif de refroidissement coopé- rant de façon étanche avec ce bloc de filage par l'intermé- diaire d'un organe d'isolation thermique. Le dispositif de refroidissement a un canal annulaire de soufflage d'un gaz de refroidissement contre les filaments filés depuis l'extérieur des filaments, vers l'intérieur. Lors du filage d'une matière fondue, il est inévitable qu'un constituant de faible masse moléculaire, contenu dans la matière première, se volatilise, alors que le gaz, lorsqu'il a été utilisé pour le refroidissementdes filaments, s'échauffe et a une densité qui diminue si bien qu'il stagne sous la filière sans descendre et diffuse progressivement horizontalement juste au-dessous du bloc de filage. L'organe d'uniformisation utilisé selon l'inven- tion est très efficace pour l'évacuation rapide de ces fumées vers le bas. Cependant, s'il existe un espace entre le bloc de filage et le dispositif de refroidissement, les fumées stagnent dans cet espace. En outre, lorsque le bloc de filage et le dispositif de refroidissement sont directement en contact, une perte de chaleur par conduction existe et affecte la répartition de température à la surface de la filière. Selon l'invention, cet espace est fermé de manière étanche par introduction d'un organe d'isolation thermique entre le bloc de filage et le dispo- sitif de refroidissement si bien que la stagnation des fumées et les pertes de chaleur par conduction sont évitées. On peut utiliser, comme organe d'isolation thermique, par exemple une plaque d'amiante, une plaque de terre à diatoméescontenant de l'amiante, de la laine de roche, de la laine de verre, une plaque de silicate de calcium ou une plaque de "Teflon". Evidemment, l'organe d'isolation thermique n'est pas limité à ces exemples. Le dispositif de refroidissement utilisé selon l'invention a un canal annulaire de soufflage d'un gaz de refroidissement depuis l'extérieur des filaments et vers l'intérieur. Le gaz de refroidissement doit être introduit sous la filière sans être soufflé directement contre la surface de la filière. Cette dernière est main- tenue à une température prédéterminée par un fluide de chauffage placé autour du bloc de filage. La différence de température peut rester minimale. Selon l'invention, on a constaté qu'un soufflage direct d'un gaz de refroidis- sement contre la face de la filière provoque non seulement une augmentation de la différence de température mais aussi une variation de la température de la filière lors d'une variation du volume du gaz de refroidissement ainsi qu'une variation de la quantité du brai extrudé entre les positions des buses. En conséquence, il est important de souffler le gaz de refroidissement sous la filière sans projection directe contre la face de la filière. Une vitesse de soufflage de gaz de refroidis- sement supérieure à 30 cm/s provoque un fléchissement impor- tant des filaments filés et peut provoquer leur rupture. Lorsque la vitesse est inférieure à 1 cm/s, il est impos- sible d'obtenir un effet satisfaisant de refroidissement. Un gaz inerte tel que l'azote ou l'air est utilisé comme gaz de refroidissement. L'organe d'uniformisation d'écoulement utilisé selon l'invention peut comporter lui-même un dispositif de refroidissement. Dans ce cas, un refroidissement très efficace peut être réalisé par introduction du gaz de refroidissement par le fond ou par une face latérale de l'organe d'uniformisation et par soufflage sous la filière par des trous formés dans la face latérale de l'organe d'uniformisation. En même temps que le dispositif précédent de refroidissement souffle le gaz de l'extérieur des filaments vers l'intérieur, un refroidissement uniforme peut être obtenu très facilement. En particulier, lorsque les buses sont placées en au moins cinq rangées de filage de plusieurs filaments, des filaments de brai extrudés par les rangées de buses se comportent comme une sorte de rideau si bien que le gaz de refroidissement provenant du canal annulaire de soufflage formé dans une partie périphérique externe sous le bloc de filage ne peut pas refroidir les filaments internes d'une manière satisfaisante et que le refroidissement uniforme devient difficile. Selon l'invention, lorsque les buses sont disposées en quatre rangées ou moins, un refroidissement suffisamment uniforme est assuré non seulement lorsque l'organe d'uniformisation a un dispositif de refroidis- sement mais aussi lorsqu'il n'en comporte pas. Cependant, lorsque les buses sont disposées en cinqrangées ou plus, il est très efficace que l'organe d'uniformisation possède un tel dispositif de refroidissement. Le dispositif de refroidissement de l'organe d'uniformisation a de préférence un canal d'entrée destiné à l'introduction du gaz de refroidissement par le fond ou une face latérale (de préférence une face latérale infé- rieure) de l'organe d'uniformisation et a aussi de préfé- rence des trous de soufflage formés à sa face latérale, entre 3 et 35 mm au-dessous de la filière, dans la zone qui correspond à la zone d'étirage des fibres de brai. Le gaz de refroidissement est introduit par le canal d'entrée et est éjecté par les trous de soufflage sans être direc- tement soufflé contre la face de la filière. Dans ce cas, la vitesse de soufflage du gaz de refroidissement est comprise entre 1 et 30 cm/s, de préférence entre 1 et 15 cm/s. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe schématique d'un appareil selon un mode de réalisation de l'invention; les figures 2a et 2b représentent des organes d'uniformisation d'écoulement selon l'invention; et les figures 3a à 3e représentent des organes d'uniformisation d'écoulement selon l'invention ayant des dispositifs de refroidissement. Sur les figures, la référence 1 désigne le bloc de filage, la référence 2 un dispositif de chauffage, la référence 3 la filière, la référence 4 l'organe d'uniformi- sation d'écoulement, la référence 5 un organe d'isolation thermique, la référence 6 un dispositif de refroidissement, la référence 7 le canal de soufflage de gaz de refroidis- sement, la référence 8 les filaments formés par filage, la référence 9 une vis de blocage, les références 10 et 10' des canaux d'entrée de gaz de refroidissement, et les références 11 et 11' les sens de circulation du gaz de refroidissement. Les figures 2a et 2b représentent deux exemples d'organe d'uniformisation d'écoulement 4. Sur les figures 3a à 3e qui représentent cinq variantes d'organe d'uniformisation d'écoulement, les références 12 désignent un canal d'entrée de gaz de refroi- dissement et la référence 13 un trou de soufflage de gaz de refroidissement. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux appareils qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil de filage d'une matière fondue, caractérisé en ce qu'il comprend.: un bloc de filage (1), une filière (3) placée dans le bloc de filage et ayant des buses disposées circulairement ou concen- triquement, un organe (4) d'uniformisation d'écoulement, fixé à une partie centrale du côté de filage de la filière, cet organe d'uniformisation ayant, en coupe, un diamètre inférieur d'au moins 3 mm au diamètre de la rangée interne de buses et ayant aussi une longueur qui n'est pas infé- rieure à 2 cm, et un dispositif de refroidissement (6) placé dans une partie périphérique externe sous le bloc de filage, le dispositif de refroidissement ayant un canal annulaire de soufflage d'un gaz de refroidissement vers les filaments filés, le gaz présent entre le bloc de filage et le dispositif de refroidissement étant retenu de manière étanche par un organe d'isolation thermique. 2. Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le diamètre de l'organe (4) d'uniformisation d'écoulement est inférieur de 3 à 20 mm au diamètre de la rangée interne de buses. 3. Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'organe (4) d'uniformisation est sous forme d'un cylindre ou d'un tronc de cône. 4. Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'organe (4) d'uniformisation d'écoulement est formé d'un métal. 5. Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'organe (4) d'uniformisation d'écoulement a un canal d'entrée (12) de gaz de refroidissement, le canal d'entrée étant formé dans une partie inférieure de l'organe d'uniformisation, et plusieurs trous (13) de souf- flage d'un gaz de refroidissement, formés dans une paroi latérale de l'organe.