СТЕКЛОПЛАВИЛЬНЫЕ СОСУДЫ, СОДЕРЖАЩИЕ КЛЕММНЫЕ ВЫСТУПЫ С ВЫЕМКАМИ
GLASS-MELTING CRUCIBLES CONTAINING TERMINAL LEDGES WITH RECESSES

Область техники
Настоящее изобретение относится к оборудованию для производства стекловолокна. В частности, оно относится к клеммным выступам, используемым для создания заданной температуры в стеклоплавильном сосуде при производстве стекловолокна.
Уровень техники
Процесс производства стекловолокна включает в себя плавку стекла в плавильной печи с последующим вытягиванием стеклянных нитей через фильерную пластину стеклоплавильного сосуда, или фильерного питателя. Как правило, стеклоплавильный сосуд имеет форму прямоугольной коробки, периметр которой образован двумя боковыми и двумя концевыми стенками, с отверстием на верхней части, обеспечивающим реализуемое по текучей среде соединение с плавильной печью. Нижняя стенка содержит фильерную пластину с большим количеством отверстий или насадок, обеспечивающих возможность стекания стекломассы с образованием волокон, диаметр которых может быть уменьшен до заданного размера. Для оптимального контроля вязкости необходимо точное поддержание температурного режима фильерной пластины. Температура фильерной пластины зависит от состава стекломассы, однако, как правило, намного превышает 1200°С. Вследствие экстремальных условий производства, различные элементы стеклоплавильного сосуда изготавливают из платины или платиновых сплавов, как правило, платинородиевых сплавов.
Нагрев стеклоплавильного сосуда осуществляется путем пропуска электрического тока через корпус стеклоплавильного сосуда от первого соединителя, закрепленного на первом клеммном выступе, имеющем тепловой контакт с первой концевой стенкой корпуса стеклоплавильного сосуда, ко второму соединителю, закрепленному на втором клеммном выступе, имеющем тепловой контакт со второй концевой стенкой корпуса сосуда, расположенной напротив первой концевой стенки. Защита соединителей, изготовленных, как правило, из меди, от перегрева и деформирования, обычно обеспечена посредством водяного охлаждения. Таким образом, клеммные выступы подвержены значительным перепадам температур между свободным концом, на котором закреплены водоохлаждаемые соединители, и концом, присоединенным к концевой стенке стеклоплавильного сосуда, температура которой намного превышает 1200°С. Такие чрезмерные перепады температур обладают двумя недостатками; во-первых, они создают значительное механическое напряжение в клеммных выступах, расположенных с противоположных сторон корпуса стеклоплавильного сосуда, вследствие различного теплового расширения при изменении температуры, что приводит к деформации этих клеммных выступов. Во-вторых, охлаждение соединителей вызывает также охлаждение концевых стенок стеклоплавильного сосуда, при том, что необходимо поддерживать однородную температуру на уровне фильерной пластины стеклоплавильного сосуда. Для решения данной проблемы в US 2003/0167802 предложено выполнить по меньшей мере одну V-образную выемку на незакрепленном конце клеммного выступа или вблизи него. Подобная конструкция предложена в фиг. 6 по US 6196029. Проблема состоит в том, что при отношении площади поперечного сечения незакрепленного вывода охлаждаемого клеммного выступа к площади поперечного сечения вывода, присоединенного к концевой стенке стеклоплавильного сосуда, даже меньшем, чем в случае клеммного выступа без выемки, плотность проходящего через электроды тока, необходимого для нагрева стеклоплавильного сосуда, выше и, таким образом, электроды требуют дополнительного охлаждения, следовательно, эффект, полученный с одной стороны за счет уменьшения охлаждаемого участка клеммного выступа, с другой стороны, может быть растрачен впустую вследствие необходимости дополнительного охлаждения для поддержания температурного режима электродов меньшего размера. Кроме того, внутренние напряжения имеют тенденцию концентрироваться в вершине V-образной выемки, что приводит к преждевременному выходу клеммного выступа из строя и, следовательно, к прерыванию процесса производства.
В CN 2516548U и US 2006/0218972 предложены клеммные выступы с Г-образными выемками. В последнем документе такие выемки предназначены для размещения болта, крепящего электрический соединитель к клеммному выступу. Конструкция клеммного выступа, раскрытого в CN 2516548U, эквивалентна конструкции, раскрытой в вышеупомянутом документе US 2003/0167802, в которой вместо V-образной выемки выполнен Г-образная. Размер соединителей в Г-образном выемке больше, но концентрация напряжений в вершине выемки по-прежнему очень высока.
Задача настоящего изобретения состоит в создании оптимальной конструкции, обеспечивающей возможность снижения охлаждения концевых стенок стеклоплавильного сосуда с помощью систем охлаждения соединителей, и сопутствующего снижения концентрации напряжений в клеммных выступах, приводящих к их преждевременному выходу из строя. Настоящее изобретение позволяет решить эту и другие задачи.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение охарактеризовано прилагаемыми независимыми пунктами формулы. Предпочтительные примеры осуществления изобретения охарактеризованы зависимыми пунктами формулы изобретения.
В частности, настоящее изобретение относится к стеклоплавильному сосуду, содержащему клеммные выступы для нагревания фильерной пластины сосуда и стенок, присоединенные к противоположным концевым стенкам стеклоплавильного сосуда, при этом каждый из клеммных выступов выполнен в виде электропроводящей пластины, содержащей первую клеммную кромку, присоединенную к первой концевой стенке и проходящую от первой концевой стенки сосуда ко второй, свободной клеммной кромке (1А), подключенной к источнику питания, причем пластина имеет выемку, содержащую:
A
(а) первый, открытый конец шириной W, расположенный на второй, свободной кромке пластины;
B
(б) удлиненный участок, проходящий в направлении указанной первой кромки, с шириной зазора W, и
(в) второй, закрытый конец, отделенный от первой кромки клеммного выступа и имеющий изогнутую форму;
0
0
A
B
отличающемуся тем, что кривизна, 1/(2R), в любой точке изогнутого второго конца паза меньше величины 1/W, обратной наименьшей ширине W первого открытого конца паза, W, или удлиненного участка, W, где R - радиус кривизны изогнутого второго конца в любой его точке.
В настоящем контексте, термины "паз" и "выемка" используются как синонимы.
B
A
В предпочтительном примере осуществления изобретения, выемка выполнена в форме замочной скважины. Например, удлиненный участок выемки может иметь постоянную ширину, W, составляющую от 2 до 50 мм, предпочтительно от 5 до 20 мм, более предпочтительно от 8 до 13 мм. Кроме того, удлиненный участок может быть расширен, при этом ширина открытого конца выемки, W, больше удлиненного участка.
Второй участок выемки с открытым концом предпочтительно имеет круглую форму с радиусом, R, или эллиптическую с малым радиусом R, где R составляет от 5 до 60 мм, предпочтительно, от 7 до 25 мм, более предпочтительно от 10 до 20 мм. Каждый клеммный выступ может иметь одну или больше чем одну таких выемок. В предпочтительном варианте конструкции, клеммный выступ согнут по линии, по существу параллельной первой и второй клеммным кромкам. Удлиненный участок выемки предпочтительно расположен в направлении, по существу перпендикулярном первой и второй клеммным кромкам.
Краткое описание чертежей
Для более полного понимания сущности настоящего изобретения ниже приведено подробное описание со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых;
На фиг. 1 показано перспективное изображение стеклоплавильного сосуда с клеммными выступами согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2 показано перспективное изображение клеммного выступа согласно настоящему изобретению.
На фиг. 3 показаны виды сверху различных примеров осуществления клеммных выступов согласно настоящему изобретению.
На фиг. 4 показан вид сверху клеммного выступа согласно настоящему изобретению с двумя выемками.
Подробное описание изобретения
Как показано на фиг. 1, стеклоплавильный сосуд (2) в целом содержит две боковые стенки (2В) и две концевые стенки (2А), образующие внешние стенки сосуда. Боковые стенки (2В) определяют продольный размер стеклоплавильного сосуда, а концевые стенки (2А) определяют его поперечный размер. Верхняя поверхность сосуда (не показана) является открытой, что обеспечивает возможность реализуемого по текучей среде соединения с источником стекломассы, как правило, с печью. Дно стеклоплавильного сосуда содержит фильерную пластину, в которой выполнено множество отверстий, обеспечивающих возможность стекания стекломассы и ее вытягивания с образованием тонких стекловолокон. В некоторых примерах осуществления изобретения (не показанных на чертежах), дно может быть разделено с образованием двух частей фильерной пластины с помощью расположенной в центре балки, придающей жесткость дну сосуда в продольном направлении. Как правило, несколько ребер жесткости (не показаны) могут быть выполнены по длине каждой части фильерной пластины в поперечном направлении для придания дну сосуда дополнительной жесткости. Электрический нагрев стеклоплавильных сосудов, как правило, может быть осуществлен за счет протекания электрического тока от источника (6), имеющего электрическое соединение (5) с первым клеммным выступом (1), присоединенным (1D) к первой концевой стенке (2А) сосуда, через стеклоплавильный сосуд в продольном направлении, и далее через второй клеммный выступ, присоединенный к противоположной концевой стенке.
Источник электрического тока (6) соединен с клеммными выступами через соединители (5), присоединенные к свободной кромке (1А) каждого клеммного выступа. Соединители (5) обычно выполнены из меди или другого подходящего электропроводящего материала. Ввиду высокой плотности проходящего тока, соединители должны быть охлаждаемыми, как правило, водоохлаждаемыми, для поддержания их температуры в пределах допустимых рабочих значений, например не выше 150-200°С. Температура на противоположной кромке (1D) каждого клеммного выступа, присоединенного к концевой стенке (2А) стеклоплавильного сосуда, составляет порядка 1200-1400°С, создавая, таким образом, огромные перепады температур в продольном направлении клеммных выступов, что способствует их деформированию и нарастанию внутренних напряжений в клеммных выступах, из-за изменяющихся значений теплового расширения клеммного выступа вследствие перепада температур. Интенсивный отвод тепла, выделяемого при охлаждении соединителей, обуславливает снижение указанного перепада температур, обеспечивая возможность охлаждения концевых стенок (2А), к которым присоединены клеммные выступы.
A
B
0
0
A
B
Как указано в US 2003/0167802, тепловой поток, охлаждающий концевые стенки (2А) стеклоплавильного сосуда, может быть несколько ограничен посредством уменьшения площади поперечного сечения клеммных выступов в продольном направлении на расстоянии от концевых стенок (2А) стеклоплавильного сосуда. При этом следует избегать создания резкого перепада температур за счет необходимости дополнительного охлаждения соединителей для поддержания их рабочей температуры, вследствие более высокой плотности тока, проходящего через соединители меньшего размера. Если эта проблема может быть решена путем расчета, предложенного в указанном документе, то наличие V-образной выемки приводит к созданию значительной концентрации внутренних напряжений в вершине V-образной выемки, что может вызвать быстрый выход клеммных выступов из строя. Как показано в US 2006/0218972 или CN 2516548U, то же относится и к вершинам Г-образных выемок. Клеммные выступы по настоящему изобретению сочетают в себе преимущества, создаваемые за счет уменьшения охлаждения концевых стенок (2А), клеммных выступов с выемкой и отсутствие недостатков, вызванных нарастанием внутренних напряжений. Для этого радиус кривизны изогнутой вершины (3С) выемки выбран большим полуширины 1/2 W, 1/2 W паза в любой другой точке выемки. Кривизна, 1/(2R), в любой точке изогнутого второго конца (3С) выемки должна быть меньше величины 1/W, обратной наименьшей ширине паза, W, первого открытого конца (3А), W, и удлиненного участка (3В), W, где R - радиус кривизны изогнутого второго конца (3С) в любой его точке. Такая форма обеспечивает возможность распределения внутренних напряжений, создаваемых перепадом температур, вокруг конца выемки (3С), имеющего малый радиус кривизны, а также снятия внутренних напряжений, за счет деформации двух расположенных по бокам отворотов клеммного выступа, в различных направлениях независимо друг от друга.
Как показано на фиг. 4, клеммный выступ может иметь больше чем одну такую выемку. Он может иметь два, три или большее количество таких выемок, расположенных рядом друг с другом. На фиг. 3 схематически показаны различные примеры формы выемок по настоящему изобретению. Например, как показано на фиг. 3(a)-(d), выемка может иметь форму замочной скважины, в которой изогнутый второй конец (3С) выполнен по существу круглым, а удлиненный участок (3В), проходящий до открытого конца (3А), выполнен с параллельными стенками, как показано на фиг. 3(a) и (b), либо имеет расширение, как показано на фиг. 3(c) и (d). Выемка предпочтительно не имеет никаких острых углов (т.е. никаких разрывов на касательных в каждой точке краев выемки), как на фиг. 3(b) и (d), где выемка выполнена со скругленными углами. На фиг. 3(e) показана выемка в форме замочной скважины, углы которой по существу сглажены. Второй, закрытый конец (3Х) не обязательно должен быть круглым, и может иметь любую изогнутую форму. Например, как показано на фиг. 3(g) и (h), закрытый конец (3С) выемки может иметь по существу эллиптическую форму. Форма, показанная на фиг. 3(f), иллюстрирует, каким образом может быть увеличена длина соединителей для обеспечения возможности снижения плотности проходящего тока, при уменьшении нарастания концентрации внутреннего напряжения на закрытом конце (3В) с малым радиусом кривизны.
Выемка предпочтительно выполнена в продольном направлении клеммного выступа, определяемом боковыми стенками (2В) корпуса стеклоплавильного сосуда. Клеммные выступы по настоящему изобретению предпочтительно выполнены в форме прямоугольной пластины, с одной или большим количеством выемок, имеющих рассмотренную выше форму, и проходящими от второй, свободной кромки клеммного выступа, в перпендикулярном направлении. В предпочтительном варианте примера осуществления изобретения, клеммные выступы согнуты по линии, по существу параллельной первой, присоединенной кромке (1D) и второй, свободной кромке (1А). Такая форма увеличивает жесткость при изгибе клеммного выступа в поперечном направлении, которая существенно снижается при наличии выемки.
Клеммный выступ по настоящему изобретению должен быть изготовлен из подходящего электропроводящего материала и выдерживать высокие температуры порядка 1400°С. При изготовлении таких клеммных выступов предпочтительно могут быть использованы благородные металлы, например, платина, родий, или их сплавы.
Преимущество настоящего изобретения состоит в уменьшении нарастания внутренних напряжений внутри клеммного выступа, подверженного перепадам температур, при обеспечении большей свободы конструкции для уменьшения охлаждения концевых стенок (2А).