ФИЛЬЕРНЫЙ ПИТАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области производства волокна из неорганических расплавов, в частности, непрерывного базальтового волокна (НБВ) и касается фильерного питателя для получения струи базальта для переработки расплава в непрерывное волокно.
В предлагаемой полезной модели разработан фильерный питатель, имеющий не менее 200 фильер на фильерной пластине питателя, обеспечивающий устойчивую струю расплавленного базальта для переработки расплава в непрерывное прочное волокно без образования каплеобразной поверхности натяжения расплавленного базальта на выходе из фильеры и налипания его на наружной поверхности фильеры.
Существует огромный глобальный рынок волокон (см. журнал «Капстроительство», №3, 2002 г., Ветров Ю.И. «Базальтовые вариации»). Это специальные виды стекловолокна, углеволокна, минеральные, асбестовые, кремнеземные и др. Перечисленные волокна различаются по своим свойствам выдерживать механические, химические, температурные воздействия, а также по своей стоимости.
Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что наступает эра базальтовых волокон (см. журнал «Химическая промышленность Украины» №1, 2003 г., Новицкий А.Г. «Особенности получения непрерывного стойкого базальтового волокнам), которые обладают высокими прочностными свойствами: удельная прочность базальтового волокна в 2,5 раза превышает прочность легированных сталей и в 1,5 раза - прочность стекловолокна, температурный диапазон эксплуатации: -200°С-+600°С. Непрерывное базальтовое волокно обладает высокой коррозионной и химической стойкостью к воздействию агрессивных сред: растворов солей, кислот и особенно щелочей.
В соответствии с патенто-информационными исследованиями разработано достаточно большое количество питателей для выработки волокна из минеральных расплавов из фидера плавильной печи, например стекловолокон, технология получения которых близка по сути с производством непрерывного базальтового волокна.
Известен струйный питатель (см. например, заявку СССР №1136410/28-12 по авт. свид. 238737 по классу 32а 5/26 за 1969 г.), который выполнен в виде конусного сосуда с выпускным отверстием. Питатель вмонтирован в газовую топку, в огневом пространстве которой имеется решетчатая стенка для стабилизации процесса горения. Для обеспечения устойчивого и полного горения, а также для подогрева вытекающей струи расплава, топка выполнена со щелевым отверстием, образованным нижней стенкой корпуса топки и поверхностью сосуда, и стабилизаторами горения, расположенными внутри топки.
Основной недостаток данного струйного питателя заключается в том, что он имеет сложную конструкцию и обладает исключительно малой производительностью из-за наличия только одного выпускного отверстия для получения волокна.
Известен также фильерный питатель (см. заявку СССР на изобретение №2944279/29-33 по классу С03В 37/09 за 1983 г.), принятый авторкам за прототип. Фильерный питатель состоит из корпуса, загрузочного патрубка, распределителя расплава с отверстием и краями, равноудаленными от торцов корпуса сосуда, с помощью которого расплав в виде трех потоков направляется на фильтровальную решетку, равномерно распределяясь по длине сосуда. Для обеспечения заданного количества расплава на фильерную пластину задано определенное соотношение живых сечений фильерной пластины и фильтровальной решетки.
Основным недостатком фильерного питателя-прототипа является наличие фильер с цилиндрическим каналом на всю длину фильер. Данная форма канала способствует образованию на кромках выходных отверстий фильер каплеобразной поверхности натяжения, которая за счет сил вязкого трения поднимается по наружной поверхности фильер и покрывает наружную поверхность питателя, что влечет за собой нарушение температурного режима нагрева расплава горных пород и приводит к некачественному изготовлению волокна, а именно:
- возрастает разброс по диаметру волокна;
- ухудшаются прочностные свойства волокна;
- увеличивается расход расплава горных пород на изготовление волокна;
- возникает необходимость периодически чистить питатель со стороны выходных отверстий фильер.
Технической задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков и создание простой конструкции фильерного питателя высокой производительности, обеспечивающего качественное изготовление непрерывного базальтового волокна с заданными геометрическими параметрами и физико-механическими характеристиками за счет исключения поверхности натяжения расплава базальта на выходном отверстии фильеры.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в том, что канал каждой фильеры питателя в продольном разрезе выполнен в виде воронки (конического насадка), расположенной в ванне питателя для заливки расплава и цилиндра (цилиндрической трубки) на выходе из фильерной пластины, при этом длина (высота) конического насадка составляет 0,25-0,35 от длины цилиндрической трубки фильеры, а внутренний диаметр конического насадка фильеры на входе (по большему основанию) составляет 1,9-2,1 от диаметра цилиндрической трубки на выходе фильеры.
На фиг.1 изображен фильерный питатель (общий вид). Он имеет верхний корпус 1, заливочную щель 2 в верхнем корпусе по центру, нижний корпус 3, фильтровальную сетку 4, фильерную пластину 5, фланец 6, токоподводы 7, вертикальные ребра 8, фильеры 9 с внутренним каналом 10.
Внутренний канал 10 фильеры 9 (фиг.2 - разрез А-А на фиг.1) выполнен в виде воронки, при этом длина (высота) конического насадка (hкн) 11 составляет 0,25-0,35 от длины (высоты) цилиндрической трубки (hцт) 12 фильеры, а внутренний диаметр конического насадка (dкн) 13 фильеры на входе (по большому основанию) составляет 1,9-2,1 от внутреннего диаметра цилиндрической трубки (dцт) 14 на выходе фильеры.
На основании многочисленных экспериментальных исследований авторами полезной модели было установлено, что на качественное изготовление непрерывных базальтовых волокон, обладающих высокой механической прочностью с малыми отклонениями от заданного диаметра волокна, влияет равномерность распределения скоростей потока и температуры расплавленного базальта по проходным сечениям канала фильер питателя. Так, при длине (высоте) конического насадка hкн фильеры питателя менее 0,25 от длины цилиндрической трубки hцт фильеры, за счет существенной неравномерности скорости потока расплавленного базальта по длине канала волокно обладает малой прочностью, вплоть до его порыва на дальнейших технологических операциях (намотки волокна на бобины).
При длине (высоте) конического насадка hкн фильеры питателя более 0,35 от длины цилиндрической трубки фильеры hцт поверхность канала возрастает и за счет сил вязкого трения расплавленного базальта на поверхности канала фильеры образуется большой пограничный слой расплава базальта и создается большое гидравлическое сопротивление для прохода расплава базальта по каналу фильер, что приводит к неравномерному распределению скорости потока и температуры расплавленного базальта по длине канала, и, как следствие, - к образованию поверхности натяжения расплава базальта на срезе выходного отверстия канала фильер. Образующаяся поверхность натяжения на срезе выходного отверстия фильер резко снижает качество вырабатываемой непрерывной базальтовой нити.
При внутреннем диаметре конического насадка dкн фильеры на входе (по большому основанию), равном менее 1.91 цилиндрической трубки dцт на выходе фильеры, расход расплава базальта уменьшается настолько, что возможен не только разрыв нити при накручивании ее на бобины но и кристаллизация расплава базальта на выходе из канала фильеры.
При внутреннем диаметре конического насадка dкн на входе (по большому основанию), равном более 2,1 от внутреннего диаметра цилиндрической трубки dцт на выходе фильеры, нарушается равномерность распределения скоростей потока расплава базальта по длине канала фильеры, что, как следствие, ведет к образованию поверхности натяжения расплава базальта на срезе выходного отверстия канал фильер.
Предложенная конструкция фильерного питателя успешно прошла испытания при изготовлении непрерывного базальтового волокна диаметром 6-18 мкм на заводе ООО «Научно-производственное объединение «Вулкана (г.Оса Пермский край, Россия) в режиме круглосуточной выработки расплава базальта.