УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКНА ИЗ РАСПЛАВА
DEVICE FOR PRODUCTION OF FIBER FROM MELT

Изобретение относится к производству волокнистых теплоизоляционных материалов из минерального сырья и может быть использовано при получении супертонкого базальтового волокна дуплексным способом - путем плавления исходного сырья с образованием первичных нитей и последующим их раздувом высокотепературным газовым потоком с образованием элементарных волокон размером в поперечном направлении 1…3 мкм.
Волокнистые теплоизоляционные материалы из минерального сырья находят широкое применение в строительстве и теплоэнергетике. Они имеют малый коэффициент теплопроводности и высокую температуру применения до 900°С. Разновидностью таких материалов является штапельное супертонкое базальтовое волокно получаемое дуплексным способом. Такой способ, в отличие от способа вертикального раздува дутьевыми головками и центробежного способа позволяет получить изделия более высокого качества. Существенным недостатком устройств реализующих этот способ является возможность образования в процессе получения элементарных волокон при раздуве первичных нитей расплавленного сырья неволокнистых включений, которые снижают качество готовых изделий. Одной из причин образования неволокнистых включений является вариативность скорости и температуры потока энергоносителя истекающего из щелевого сопла камеры сгорания в зоне волокнообразования при его взаимодействии с первичными нитями расплавленного сырья. Это возможно при неравномерном прогорании щелевого сопла, когда его сечение, а следовательно и скорость потока оказываются разными по длине сопла, а также при неравномерности расположения первичных нитей по длине сопла. Именно поэтому работы в направлении совершенствования устройств для получения волокна из минеральных расплавов являются актуальными.
Известно устройство [1] для получения штапельного волокна из расплава, преимущественно тугоплавких материалов, содержащее механизм вытягивания первичных нитей расплавленного сырья, камеру с сопловым аппаратом для подачи энергоносителя на раздув волокна и установленный напротив соплового аппарата в виде щелевого сопла направляющий элемент в виде смонтированной в подвижных опорах с возможностью поворота вокруг своей оси и перемещения в двух плоскостях тонкостенной трубки, соединенной по торцам с трубопроводами для подачи и отбора охлаждающей жидкости.
Недостатком устройства является низкое качество получаемого волокна обусловленное содержанием в нем большого количества неволокнистых включений образование которых возможно вследствие неравномерности скорости и температуры потока энергоносителя по длине щелевого сопла и неравномерности расположения первичных нитей расплавленного сырья по длине щелевого сопла.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сути является устройство для получения волокна из расплава [2], содержащее футерованную изнутри огнеупорными плитами камеру сгорания разделенную на рабочую и реакционную зоны с охлаждающей рубашкой, крышкой, патрубком подачи топливной смеси в рабочую зону камеры и сопловой аппарат в виде щелевого сопла, параллельно верхней кромке выходной щели которого установлена волокнонаправляющая пластина с возможностью перемещения в вертикальной плоскости относительно верхней кромки сопла.
Недостатком такого устройства для получения волокна из расплава является низкое качество получаемого волокна обусловленное содержанием в нем большого количества неволокнистых включений образование которых возможно вследствие неравномерности скорости и температуры потока энергоносителя по длине щелевого сопла и неравномерности расположения первичных нитей расплавленного сырья по длине щелевого сопла.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества волокна, получаемого из расплава минерального сырья заключающееся в уменьшении содержания в нем неволокнистых включений.
Поставленная техническая задача решена за счет того, что в известном устройстве для получения волокна из расплава содержащем камеру сгорания в виде футерованного изнутри огнеупором корпуса с реакционной зоной и закрепленного на нем соплового аппарата в виде щелевого сопла с установленной параллельно срезу щелевого сопла напротив его торца волокнонаправляющей пластиной удерживающей первичные нити расплавленного сырья в реакционной зоне корпуса симметрично щелевому соплу с возможностью регулировочных перемещений в продольном направлении размещен клиновидный огнеупорный элемент имеющий сечение в виде равнобедренного треугольника основание которого размером от 0,1 до 0,2 длины щелевого сопла, что обосновано при экспериментальном моделировании устройства, направлено в сторону щелевого сопла, что позволяет частично экранируя щелевое сопло со стороны реакционной зоны уменьшить скорость и температуру газового потока проходящего через щелевое сопло в средней части сопла и увеличить на периферии обеспечив таким образом равномерное прогорание сопла по его длине, равномерность распределения скорости и температуры потока, близкие к одинаковым условия для образования из каждой первичной нити расплавленного сырья элементарных волокон, а следовательно и повышение качества волокна получаемого из расплава минерального сырья заключающееся в уменьшении содержания в нем неволокнистых включений. Возможность регулировочных перемещений клиновидного огнеупорного элемента в продольном направлении позволяет при отладке устройства опытным путем определить рациональное его расположение для получения указанного выше результата. На волокнонаправляющей пластине со стороны щелевого сопла выполнены совпадающие с направлением и количеством первичных нитей расплавленного сырья канавки переменного сечения радиусом 1,1…1,2 радиуса первичных нитей расплавленного сырья и максимальной глубины равной радиусу первичных нитей расплавленного сырья под углом. к обращенной к щелевому соплу плоскости волокнонаправляющей пластины не менее арктангенса отношения радиуса первичных нитей расплавленного сырья к высоте волокнонаправляющей пластины, что позволяет независимо от турбулентных пульсаций газового потока истекающего из щелевого сопла расположить каждую из первичных нитей расплавленного сырья в соответствующей канавке на волокнонаправляющей пластине, исключить контакт первичных нитей расплавленного сырья между собой и повысить таким образом качество волокна получаемого из расплава минерального сырья заключающееся в уменьшении содержания в нем неволокнистых включений. Выполнение канавок переменного сечения радиусом менее 1,1 или более 1,2 радиуса первичных нитей расплавленного сырья может привести, соответственно, либо к защемлению первичных нитей либо к их самопроизвольному выходу из канавок. Выполнение канавок переменного сечения под меньшим углом к обращенной к щелевому соплу плоскости волокнонаправляющей пластины приведет к нарушении геометрической формы нижнего среза волокнонаправляющей пластины, которая должна быть в виде прямой линии, и к снижению качества волокна.
При оценке соответствия комплекса новых признаков установки для производства базальтового волокна критерию "существенные отличия" по доступным авторам и заявителю информационным источникам в известных технических решениях - признаков, сходных с заявляемыми обнаружить не удалось.
На фиг. 1 и фиг. 2 приведена схема устройства для получения волокна из расплава.
Устройство для получения волокна из расплава содержит камеру сгорания в виде футерованного изнутри огнеупором 1 корпуса 2 с реакционной зоной 3 отделенной от зоны смешения 4 горючего газа и воздуха огнепреградительной решеткой 5. На корпусе 1 камеры сгорания закреплен сопловой аппарат в виде щелевого сопла 6. Параллельно срезу щелевого сопла 6 напротив его торца размещена волокнонаправляющая пластина 7 удерживающая первичные нити 8 расплавленного сырья. В реакционной зоне 3 корпуса 1 симметрично щелевому соплу 6 с возможностью регулировочных перемещений в продольном направлении размещен клиновидный огнеупорный элемент 9 имеющий сечение в виде равнобедренного треугольника основание С которого размером от 0,1 до 0,2 длины L щелевого сопла 6 направлено в сторону щелевого сопла 6. Клиновидный огнеупорный элемент 9 закреплен в корпусе 1 имеющем продольные пазы 10 винтами 11. На волокнонаправляющей пластине 7 со стороны щелевого сопла 6 выполнены совпадающие с направлением и количеством первичных нитей расплавленного сырья канавки 12 переменного сечения радиусом 1,1…1,2 радиуса первичных нитей 8 расплавленного сырья и максимальной глубины равной радиусу первичных нитей 8 расплавленного сырья. Канавки 12 расположены под углом к обращенной к щелевому соплу 6 плоскости волокнонаправляющей пластины 7 не менее арктангенса отношения радиуса первичных нитей 8 расплавленного сырья к высоте волокнонаправляющей пластины 7. В известных авторам устройствах для получения волокна из расплавов, например, базальта, радиус первичных нитей составляет 0,1…0,15 мм, а их количество - 300…400. При высоте волокнонаправляющей пластины 7 В=20 мм, указанный выше угол составляет 3…4,3 град. Кроме указанных элементов устройство для получения волокна из расплава содержит агрегаты для плавления исходного сырья и вытягивания первичных нитей расплавленного сырья, которые на фиг. 1 и 2 условно не показаны.
Устройство для получения волокна из расплава работает следующим образом. Горючий газ и воздух подаются в камеру смешения 4 и образовавшаяся горючая смесь через огнепреградительную решетку 5 поступает в реакционную камеру 3. В реакционной камере 3 происходит воспламенение горючей смеси и высокотемпературный газовый поток обтекая клиновидный огнеупорный элемент 9 через щелевое сопло 6 истекает в атмосферу. При этом клиновидный огнеупорный элемент частично экранирует щелевое сопло 6 уменьшая скорость и температуру газового потока в средней части и увеличивая их на периферии щелевого сопла 6. Ослабляя крепление клиновидного огнеупорного элемента 9 к корпусу 2 винтами 11 имеется возможность при отладке устройства перемещать клиновидный огнеупорный элемент 9 в продольном направлении и изменять таким образом эффективность указанного экранирования до получения эффекта равномерности прогорания щелевого сопла 6 по его длине. К зоне выхода газового потока из щелевого сопла 6 с помощью агрегата вытягивания (на фигурах не показан) под углом а к вертикали подаются первичные нити 8 расплавленного сырья. Под действием газового потока, истекающего из щелевого сопла 6 происходит расщепление первичных нитей 8 расплавленного сырья с образованием штапельного волокна размером в поперечном направлении 1…3 мкм. Каждая из первичных нитей 8 расплавленного сырья при этом перемещается в своем продольном движении в соответствующей канавке 12 переменного сечения.
Таким образом, предлагаемое устройство для получения волокна из расплава позволяет повысить качество волокна, получаемого из расплава минерального сырья уменьшив содержания в нем неволокнистых включений путем частичного регулируемого экранирования щелевого сопла со стороны реакционной зоны уменьшив скорость и температуру газового потока проходящего через щелевое сопло в средней части сопла и увеличив их на периферии обеспечив таким образом равномерное прогорание сопла по его длине, равномерность распределения скорости и температуры потока, близкие к одинаковым условия для образования из каждой первичной нити расплавленного сырья элементарных волокон, а также независимо от турбулентных пульсаций газового потока истекающего из щелевого сопла расположив каждую из первичных нитей расплавленного сырья в соответствующей канавке на волокнонаправляющей пластине и исключив контакт первичных нитей расплавленного сырья между собой. Техническая воспроизводимость устройства подтверждена в ходе модернизации действующей установки для производства супертонкого базальтового волокна дуплексным способом.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР SU №1021661. Устройство для получения штапельного волокна. В.Е. Хазанов, И.И. Рувинов, В.М. Цирин и др. С03В 37/06. Опубл. 07.06.1983. Бюл. №21
2. Авторское свидетельство СССР SU №1073188. Устройство для получения волокна из расплава. Ю.П. Чуприянов, В.Е. Вакуленко, А.Г. Варламов. С03В 37/06. Опубл. 15.02.84. Бюл. №6.