УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАБОТКИ НЕПРЕРЫВНОГО ВОЛОКНА ИЗ БАЗАЛЬТОВОГО СЫРЬЯ
APPARATUS FOR PRODUCING CONTINUOUS FIBRE FROM BASALT MATERIAL

Изобретение относится к производству непрерывного волокна из базальтового сырья, в частности к конструкции фильерного питателя, и может быть использовано на заводах отрасли по производству волокна.
Известно устройство для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья (см. патент РФ 2107046, МПК C03B 37/09, 1998), включающее питатель, содержащий электрообогреваемую фильерную пластину с фильерами в его донной части, при этом толщина стенки фильеры находится в пределах 0,4-1,0 мм.
Недостатком устройства является наличие локальной температурной неоднородности поступающего в фильеру базальтового расплава, при высокой вязкости и малой теплопроводности это способствует кристаллизации с последующим налипанием частиц на внутренней поверхности каналов и, как следствие, наблюдается повышение обрывности вырабатываемого волокна.
Известно устройство для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья (см. патент РФ 2366621, МПК C03B 37/09, 2009, бюл. №25), включающее питатель, содержащий электрообогреваемую фильерную пластину с фильерами в его донной части, имеющими толщину стенки в заданных пределах.
Недостатком устройства является сложность поддержания стабильности процесса формирования волокон из-за погодно-климатических воздействий наружного воздуха на температуру внутри помещения, в котором расположено устройство, что приводит к изменяющимся тепловым режимам на внешней поверхности фильер, а это, как следствие, способствует локальным их перегревам, а это, в свою очередь, приводит к снижению эксплуатационной надежности устройства.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение эксплуатационной надежности работы устройства в изменяющихся погодно-климатических условиях в течение года путем обеспечения постоянства температуры наружной поверхности фильер за счет образования на ней микрозавихрений наружного потока посредством выполнения винтообразных канавок определенного направления, продольно расположенных от входа к выходу каждой фильеры.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья, включающего питатель, содержащий электрообогреваемую фильерную пластину с фильерами в его донной части, имеющими толщину стенки в заданных пределах, а стенка фильеры выполнена из биметалла таким образом, что коэффициент теплопроводности материала биметалла со стороны внутренней поверхности фильеры в 2,0-2,5 раза превышает коэффициент теплопроводности материала биметалла со стороны ее наружной поверхности, на внешней поверхности каждой фильеры выполнены винтообразные канавки, продольно расположенные от входного отверстия к выходному. При этом на каждой паре рядом находящихся фильер направление вращения образующей винтообразной канавки на поверхности одной фильеры положительно (против стрелки часов), а направление вращения образующей винтообразной канавки на поверхности другой фильеры отрицательно (по стрелке часов).
На фиг.1 представлено устройство для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья; на фиг.2 - распределение тепловых потоков и градиентов температур по толщине фильеры; на фиг.3 - внешняя поверхность пары рядом расположенных фильер с винтообразными канавками с направлением вращения образующих по движению и против движения часовой стрелки.
Устройство содержит питатель 1 и электрообогреваемую фильерную пластину с фильерами 2 в его донной части 3, охлаждающие элементы 4, волокно 5, формируемое из расплава базальта 6. Фильера 2 имеет стенку 7, выполненную из биметалла, при этом коэффициент теплопроводности материала биметалла стенки 7 со стороны внутренней 8 поверхности фильеры 2 в 2,0-2,5 раза превышает коэффициент теплопроводности материала биметалла стенки 7 со стороны ее наружной 9 поверхности. На наружной поверхности 9 каждой фильеры 2 выполнена винтообразная канавка, продольно расположенная от входного 10 до выходного 11 отверстия. При этом каждой паре рядом находящихся фильер 2 направление вращения образующей винтообразной канавки 12 на наружной поверхности 9 одной фильеры положительно (против движения часовой стрелки), а направление вращения образующей винтообразной канавки 13 на наружной поверхности 9 другой фильеры 2 отрицательно (по движению часовой стрелки) (см., например, стр.509 - Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М: 1965 - 872 с., ил.).
Устройство работает следующим образом.
Стабильность процесса формирования волокон на фильерах определяется поддержанием заданного режима теплообмена между внутренней 8 и наружной 9 поверхностями, поэтому необходимо иметь близкую к постоянной температуру наружной поверхности 9 вне зависимости от изменения температуры воздуха внутри помещения, в котором находится устройство, что особенно зависит от отрицательных температур наружного воздуха. Это негативно влияет на теплообмен в фильере и, как следствие, повышает обрывность волокон, т.е. ухудшает эксплуатационную надежность устройства для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья.
Поддержание постоянства температуры наружной поверхности 9 фильер 2 с изменяющим свою температуру воздухом внутри помещения обеспечивается тем, что в зоне контакта достигается интенсификация теплообмена за счет турбулизации пограничного слоя, вместо ламинарного течения воздуха (естественная конвекция).
Воздух, контактирующий с наружной поверхностью 9 фильеры 2, нагревается и из-за разности температур наружной поверхности 9 у входного 10 и выходного 11 отверстий, в связи с движением расплава базальта из донной части 3 питателя 1, перемещается в направлении от входного 11 к выходному 10 отверстию по винтообразным канавкам 12 и 13. Это приводит к образованию вращающихся восходящих потоков (см., например, Меркулов В.П. Вихревой эффект и его применение в технике. Куйбышев. 1969 - 199 с., ил.). При этом выполнение на внешней поверхности 9 фильер 2 винтообразных канавок 12 и 13 таким образом, что в каждой паре на внешней поверхности 9 одной фильеры 2 винтообразные канавки 12 закручивают поток перемещающегося контактирующего восходящего воздуха против движения часовой стрелки, а на другой рядом расположенной фильере 2 на внешней поверхности 9 винтообразные канавки 13 закручивают поток перемещающегося контактирующего восходящего воздуха по движению часовой стрелки. Это приводит к образованию микрозавихрений противоположных направлений, которые, сталкиваясь, разрушаются, что способствует турбулизации пограничного слоя в зоне контакта внешней поверхности 9 каждой фильеры 2 с воздухом внутри помещения. А это стабилизирует теплообмен (см., например, стр.219 - Исаченко В.П. и др. Теплопередача. М.: Энергия, 1965 - 424 с.) без критической зависимости от наблюдаемого в течение воздействия отрицательных температур наружного воздуха изменений температуры воздуха внутри помещения, в котором расположено устройство для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья.
рас
При обеспечении стабилизации данного теплообмена расплав базальта поступает под действием гидростатического давления из варочной части (не показано) в питатель 1, где он распределяется по фильере 2. Расплав, перемещаясь по фильере с температурой (Т) расплава, отдает часть тепла внутренней поверхности 8 биметалла стенки 7 фильеры 2 с толщиной стенки заданных параметров (например, 0,4÷1,0 мм).
pac
oкр
oкр
В связи с тем, что коэффициент теплопроводности внутренней поверхности 8 материала биметалла стенки 7 имеет значение, в 2,0-2,5 раза превышающее значение коэффициента теплопроводности наружной поверхности 9 фильеры 2, то внутренняя поверхность 8 интенсивно нагревается за время прохода единицы массы базальтового раствора по фильере 2, чем обеспечивается стабильный процесс передачи теплоты q к стенке 7 фильеры 2. При этом градиент температуры имеет равномерную эпюру распределения (см., например, Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Высшая школа, 490 с., ил.). Воздействие теплоты окружающей среды q на внешнюю поверхность 9 материала биметалла стенки 7, имеющей значение коэффициента теплопроводности в 2,0÷2,5 раза меньше, чем коэффициент теплопроводности внутренней поверхности 8 фильеры 2, приводит к резкому снижению величины градиента. В результате возмущающее воздействие теплового потока окружающей среды q практически не оказывает влияние на эпюру распределения температурного градиента расплава базальтового сырья. Кроме этого, выполнение материала стенки 7 из биметалла в условиях эксплуатации с встречно направленных, отличающихся по значению градиентных температур приводит к образованию термовибрации (см., например, Дмитриев В.П. - Биметаллы. Пермь: Наука, 1991, 487 с., ил.), а это резко снижает возможность кристаллизации расплава по мере его движения при контакте с внутренней поверхностью 8 фильеры 2.