ПРЯДИЛЬНЫЙ ДИСК
SPINNING DISC

Изобретение относится к прядильному диску, использующемуся, в частности, для формирования минеральных волокон для получения минеральной ваты, в частности, стекловаты.
Традиционный способ получения стекловолокон, использующихся в области изоляции, сочетает вытягивание посредством центрифугирования и вытягивание газом.
Основу этого способа составляет важная деталь, предназначенная для вытягивания филаментов из расправленного стекла, а именно диск, называемый в данной области также центрифугой или же прядильной машиной. Речь идет о центрифуге без дна, отлитой из жаропрочного сплава, например, на основе хрома, как описано в заявке WO2005/052208. Один пример такого устройства волокнообразования, включающего центрифугу или диск, описан, например, в заявке FR2443436, к которой следует обратиться для получения более подробной информации о функционировании устройства.
Как известно, боковая часть этой детали, называемая также боковой или периферийной стенкой, является перфорированной и содержит множество отверстий, диаметр которых обычно составляет порядка 0,5-3 мм. В процессе получения волокон диск обычно вращается со скоростью вращения примерно 1500-3000 оборотов в минуту. Под действием центробежной силы стекло выталкивается наружу и проходит сквозь отверстия, образуя волокна, которые затем опускаются вниз и вытягиваются струями горячего газа. Диск находится в очень жестких условиях эксплуатации. Во-первых, температура на уровне боковой поверхности диска является высокой, при этом расправленное стекло, когда оно достигает внутренней части волокнообразующего устройства, находится при температуре порядка 1000°C-1200°C. Во-вторых, вращение и наличие градиентов температуры приводит к появлению высоких механических напряжений из-за дифференциального эффекта расширения. Наконец, диск работает в среде, коррозионной для сплавов, что влечет, с одной стороны, эрозию отверстий и, следовательно, механическое ослабление конструкции, а с другой стороны, обеднение сплава хромом вблизи поверхности контакта со стеклом, и в конечном итоге механическое ослабление, связанное с материалом. Все эти разные факторы способствуют ограничению срока службы дисков. Поэтому их необходимо регулярно демонтировать и заменять, что влечет простои или дорогостоящую переналадку производства. Кроме того, каждая из этих деталей из жаропрочного сплава имеет высокую стоимость, что довольно существенно влияет не только на производительность, но и на общую стоимость процесса.
Эти проблемы уже хорошо известны. Существует несколько возможностей повышения срока службы дисков: уже делались попытки модифицировать условия прядения или же оптимизировать состав сплава, чтобы сделать его более стойким, как описано в уже цитированных публикациях.
Согласно другому подходу, патент US 5591459 рекомендует добавить дополнительное устройство, позволяющее уменьшить деформацию дисков.
Кроме того, в соответствии со способом, известным из публикации WO 02/064520, изменяют условия волокнообразования, чтобы повысить производительность и снизить энергопотребление в процессе. В этом контексте конструкция дисков включает больше отверстий в боковой поверхности и, таким образом, увеличивают проходное сечение для стекла. К сожалению, это решение иногда связано с заметным ухудшением механической прочности дисков и, следовательно, со значительным снижением их срока службы, которое может достигать 25%. Чтобы повысить срок службы дисков, необходимо улучшить их механическую прочность. Фотография на фигуре 1 иллюстрирует один вариант ухудшения характеристик из-за появления трещин в чувствительных зонах дисков, в частности, горизонтальных трещин в центре боковой поверхности прядильного диска.
Изобретение заключается в новых формах и конструкциях дисков, позволяющих снизить механические нагрузки на наиболее чувствительную часть, то есть на ту, которая наиболее подвержена трещинам, а именно на перфорированную боковую поверхность. Эта модификация позволяет также сохранить сконфигурированный ранее профиль перфорирования диска, чтобы гарантировать хорошее качество конечного продукта, например, в соответствии с принципами, описанными в публикации WO99/65835. Таким образом, конструкция диска согласно изобретению позволяют улучшить механические характеристики диска и его термомеханическую стойкость в условиях волокнообразования и, в конечном счете, значительно повысить срок службы за счет уменьшения напряжений в боковой поверхности. Более конкретно, уменьшая эти напряжения, уменьшают необратимые вязкопластичные деформации, связанные с явлениями ползучести, что позволяет замедлить появление трещин.
Более точно, в настоящем изобретении сделана попытка изменить форму диска без изменения параметров перфорирования (в частности, числа, концентрации и расположения отверстий в боковой поверхности прядильного диска). Кроме того, диски, разработанные в соответствии с настоящим изобретением, могут использоваться без изменения вытягивания или условий волокнообразования. В то же время, в отличие от концепции, разработанной в патенте US 5591459, оператору не нужно устанавливать дополнительный элемент, чтобы ограничить деформацию диска.
Более точно, настоящее изобретение относится к диску для образования минеральных волокон, в частности, стекловолокон, посредством центрифугирования расплавленного материала, содержащему:
- периферийную стенку, предпочтительно усеченно-коническую, с отверстиями для прохождения расплавленного материала и получения волокон посредством вытягивания во время указанного центрифугирования,
- ступицу, соединяющую указанную периферийную стенку с верхним фланцем для фиксации диска в волокнообразующем устройстве,
- отворот, продлевающий указанную периферийную стенку в нижнюю часть диска и образующий с ней угол β.
Согласно настоящему изобретению, угол β строго меньше 90°.
В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения, которые, разумеется, при необходимости могут комбинироваться друг с другом:
- Отворот имеет угол наклона α к горизонтали меньше или равный 10°.
- Отворот имеет полную длину, составляющую менее 10% полного диаметра диска.
- Отворот имеет на всей его длине по существу одинаковую толщину.
- Диаметр диска составляет от 200 до 800 мм. Под диаметром диска традиционно понимается диаметр, полученный, исходя из самого большого кругового контура.
- Полная длина отворота меньше 15% диаметра диска.
- Периферийная стенка (2) составляет угол γ с вертикалью от 1 до 10°.
- Полная длина отворота меньше 50% длины, измеренной, в плоскости радиального сечения, между внешним краем диска и внутренним краем фланца для крепления диска.
- Угол β строго меньше 87°, в частности, меньше 85°.
- Угол α строго меньше 5°, в частности, меньше 2° и даже равен нулю.
Изобретение относится также к применению вышеописанного диска в процессе образования волокон для стекловаты или минеральной ваты.
Наконец, изобретение относится к способу волокнообразования для получения стекловаты или минеральной ваты с использованием такого диска.
Для лучшего понимания предмета настоящего изобретения ниже с помощью иллюстраций, показанных на прилагаемых чертежах 2 и 3, описываются, соответственно, два диска: первый диск, сконфигурированный в соответствии с современными технологиями, и второй диск, сконфигурированный в соответствии с настоящим изобретением,
На фигуре 2 схематически показана часть прядильного диска 1 согласно современной технологии, в плоскости сечения, поперечной оси вращения указанного диска.
При работе диск 1 закреплен на валу (на фигуре на показан), который приводит его во вращение. Вал и диск приводятся во вращательное движение. Вал является полым, и стекло в расплавленном состоянии течет из средств подачи (не показаны) в вал до корзины (также не показанной на фигуре 1), в которой расплавленное стекло распределяется. Корзина также приводится во вращение, чтобы расплавленное стекло выбрасывалось к внутренней стенке 5 периферийной стенки 2, образуя на этой стенке постоянный запас расплавленного стекла. Этот запас будет питать круглые отверстия 9, проделанные в указанной стенке 5 и выходящие наружу периферийной стенки 2 диска. Обычно эта периферийная стенка 2 наклонена под углом γ примерно 5-10° к вертикали, принимая форму усеченного конуса. Из многочисленных круглых отверстий, размер, концентрация и распределение которых были оптимизированы в соответствии с традиционными методами, в частности, как описано в заявке WO 02/064520, выходят конические течения, превращающиеся в предволокна, выбрасываемые в поток газа, испускаемый горелкой. Под действием этого потока указанные предволокна вытягиваются, а их концевую часть, образующую дискретные волокна (не показаны) затем собирают под диском, например, на конвейере, на котором скапливаются волокна, образуя маты. Разумеется, согласно изобретению можно также предусмотреть и другие средства сбора, в частности, когда конечный изоляционный продукт предполагается продавать без упаковки.
Как указано выше, реализация такого устройства приводит к интенсивным механическим и термическим напряжениям на перфорированной стенке 5.
На фиг. 2 показана только левая часть прядильного диска 1 согласно изобретению. Диск 1 имеет верхнюю часть, состоящую из верхнего крепежного фланца 6, содержащего отверстия 8, предусмотренные для его крепления к опоре, адаптированной соответствующим образом и позволяющей приводить диск во вращение в процессе волокнообразования, описанном выше. Эта верхняя крепежная часть 6 соединена с периферийной стенкой 2, стенка 5 которой перфорирована отверстиями 9, криволинейной частью, называемой ступицей 3 в данной области техники. При этом периферийная стенка 2 соединена на своем нижнем конце с отворотом 4, продлевающим указанную стенку в нижнюю часть диска и образующим с ней угол β.
Отворот 4 проходит радиально по направлению к центру диска 1. Это позволяет собирать и концентрировать расплавленное стекло вблизи стенки 5 перфорированной периферийной стенки, перед тем как из него будет образовано волокно в соответствии с принципами, описанными выше.
Согласно современным технологиям, отворот обычно имеет угол α с горизонталью больше или равный 10°, как показано на фигуре 2. Под горизонталью в контексте настоящего изобретения понимается горизонтальная поверхность отсчета, задаваемая, когда диск установлен в волокнообразующем устройстве. Такая конфигурация была выбрана в данной области техники потому, что она оказалась лучше всего способной ограничивать термомеханические напряжения в месте стыка между нижней частью перфорированной периферийной стенки и отворотом. Так, до сих пор считалось, что проем, связанным с этим углом α, позволяет ограничить напряжения и, таким образом, продлить срок службы диска, в частности, благодаря возможности установки угла β, образованного на стыке между периферийной стенкой 2 и отворотом 4, с указанной плоскостью сечения, на значение, больше или равное 90°.
Длина отворота 4, как правило, достаточно велика, чтобы избежать риска перелива стекла, скопившегося напротив стенки, за пределы диска.
Согласно другой принятой технологии, отворот имеет в своей крайней части, то есть в части, ближайшей к центру диска, армирование материала или элемент жесткости 7. Предполагается, что этот дополнительный материал усиливает сам элемент жесткости на его конце, чтобы также избежать трещин в его наиболее нагруженной части.
На прилагаемой фигуре 3 показан прядильный диск согласно изобретению, в той же плоскости сечения, что и для примера 1.
В отличие от диска с фигуры 2, угол β, образованный на стыке между периферийной стенкой 2 и отворотом 4, имеет на этот раз значение строго меньше 90°, как видно из фигуры 3. В частности, угол β предпочтительно меньше 89°, в частности, меньше 88° и даже меньше 87°, или же меньше 86° или же меньше 85°, или, наиболее предпочтительно, меньше 84°.
Диск согласно изобретению содержит отворот, составляющий угол α с горизонталью меньше 10°, в частности, меньше 9°, даже меньше 8°, или даже меньше 7° или же меньше 6°, или же меньше 5°. В одном возможном и предпочтительном варианте угол α близок или равен 0, то есть отворот расположен почти горизонтально. В таком варианте угол α может быть, например, меньше или равен 4°, 3°, 2° или же меньше 1°.
Кроме того, в отличие от диска согласно уровню техники, на изображении предпочтительного диска, показанном на фигуре 3, элемент жесткости 7 в конфигурации согласно изобретению отсутствует. Действительно, авторами изобретения было обнаружено, что такой элемент жесткости мог бы оказывать вредное воздействие, значительно повышая напряжения в нижней части периферийной стенки 2. Таким образом, в конфигурации, показанной на фигуре 3, предлагается отворот, имеющий по всей его длине по существу одинаковую толщину.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения было также продемонстрировано экспериментально, как это описывается ниже, что лучшие результаты по сроку службы дисков получены для дисков, имеющих значения угла β или угла α, описанные выше в связи с фигурой 3, и у которых длина L отворота уменьшена, в частности, не превышает 10% диаметра диска, не приводя, тем не менее, к риску перелива расплавленного стекла. В частности, предпочтительные диски согласно изобретению имеют следующие характеристики:
- длины отворотов составляют от 5,0% до 9,5% диаметра диска, предпочтительно от 7,0% до 9,0% диаметра диска,
- углы α составляют соответственно от 0 до менее 10°, и/или
- углы β составляют от 80° до менее 90°, в частности, от 80° до 88°, в частности, от 82° до 86°.
Такие диски показали лучшие продолжительности службы в испытаниях на формирование стекловолокон.
Следующие примеры позволяют проиллюстрировать преимущества и превосходные характеристики дисков, выполненных согласно настоящему изобретению, но эти примеры являются чисто иллюстративными и не должны рассматриваться как ограничивающие настоящее изобретение в каком-либо из описанных аспектов.
Диски диаметром D=400 мм отливали в соответствии с конфигурациями, показанными на фиг. 2 (согласно современным технологиям) и 3 (согласно изобретению) из металлического сплава, описанного в примере 2 заявки EP511099, для формирования волокон из композиции стекла боросиликатно-кальциево-известкового типа.
Основные геометрические данные для двух использующихся типов дисков приведены ниже.
Таблица 1
конфигурация согласно уровню техники(фигура 2)
конфигурация согласно изобретению(фигура 3)
Угол β
90°
83°
Угол α
10°
0°
Угол γ
7°
7°
L (см)
40
35
L/D
0,1
0,087
H (см)
50
50
L: длина отворота
D: диаметр диска
H: высота боковой поверхности
Результаты экспериментов, реализованных в реальных условиях волокнообразования, проведенных на совокупности из 30 дисков для каждого из двух типов дисков, показали увеличение срока службы дисков в конфигурации согласно настоящему изобретению в среднем порядка 15% по сравнению с классической конфигурацией.