ФИЛЬЕРНЫЙ ПИТАТЕЛЬ
BUSHING ASSEMBLY

Изобретение относится к области производства непрерывного волокна из расплава базальтовых пород и касается фильерного питателя для получения струи базальта для переработки расплава в волокно.
В предлагаемом изобретении разработан фильерный питатель, имеющий не менее 200 фильер на фильерной пластине питателя, обеспечивающий устойчивую струю расплавленного базальта для переработки расплава в непрерывное волокно без образования каплеобразной поверхности натяжения расплавленного базальта на выходе из фильеры и налипания его на наружной поверхности фильеры.
Технический прогресс вызывает необходимость создания материалов, обладающих малой объемной массой, высокими фильтрующими и поглотительными свойствами, способность выдерживать воздействие высоких температур.
Этим требованиям удовлетворяют различные виды базальтовых волокон, которые в отличие от стеклянных могут быть применены при температурах 600°С и выше. Базальтовые волокна обладают высокой химической устойчивостью, особенно в растворах кислот. Это позволяет значительно расширить область применения базальтовых волокон в народном хозяйстве.
Сырье для производства непрерывного базальтового волокна одно из самых дешевых в природе, легкодоступное, добывается карьерами повсеместно. Как правило, это горные базальтовые породы или базальтподобные породы (попросту «щебенка») для дорожного строительства, только меньшей фракции (5…10 мм, 10-15 мм, 8-12 мм).
В соответствии с патентоинформационными 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.
Известны также устройство для подачи стекломассы (см., например, заявку СССР №1150741/29-33, авт. свид. 461908 по классу С03В 37/00 за 1975 г.) и струйный питатель для подачи минеральных расплавов (см., например, заявку СССР №3698924/29-33 по классу С03В 37/09, авт. свид. 1211230 за 1986 г.). В отличие от предыдущей заявки они имеют питатель большей производительности за счет наличия определенного количества выпускных отверстий для получения волокон. Однако наличие платинородиевой трубки с двумя конусообразными токоподводами между фидером ванны печи и фильерным питателем усложняет эти конструкции, существенно повышает энергозатраты для выработки волокна, значительно повышает стоимость установок из-за наличия достаточно протяженной дорогостоящей платинородиевой трубки.
Известен также фильерный питатель (см. заявку СССР на изобретение №2944279/29-33 по классу С03В 37/09, авт. свид. 990698 за 1983 г.), принятый авторами 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 подымается по наружной поверхности фильер и покрывает наружную поверхность питателя, что приводит к нарушению температурного режима нагрева расплава горных пород. Это приводит к некачественному изготовлению волокна:
- возрастает разброс заданного размера 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 настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и создание конструкции фильерного питателя высокой производительности, обеспечивающего качественное изготовление непрерывного базальтового волокна с заданными геометрическими параметрами и физико-механическими характеристиками.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в том, что канал фильер в продольном разрезе выполнен по экспоненциальной зависимости текущих радиусов канала от его длины, при этом глубина прогиба поверхности канала фильер на половине его длины составляет h=1,0-1,2 от половины суммы радиусов отверстий на входе 16 и выходе 17 канала 10 фильер 9.
На фиг.1 изображен фильерный питатель, общий вид. Он имеет верхний корпус 1, заливную 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.
Продольный разрез фильер 9 с профилированным каналом 10 и истекающей струей 11 расплава базальта представлены на фиг.2, разрез А-А на фиг.1. На фиг.3 представлен продольный разрез фильер с цилиндрическим каналом 12 щелевого фильерного питателя-прототипа с каплеобразной струей 13 расплавленного базальта на срезе выходного отверстия фильер.
Работа предложенного фильерного питателя осуществляется следующим образом.
Верхний корпус питателя 1 обеспечивает достаточный разогрев расплава базальта по периметру питателя, конструктивно форма заливной щели 2 задает уровень расплава над фильерной пластиной 5. Заливная щель 2 выполнена в теле верхнего корпуса 1 по центру и выглядит подобно лейке, края которой загнуты в середину фильерного питателя. Такая конструкция заливной щели 2 обеспечивает минимальное сопротивление прохождению потока расплава базальта и минимальные тепловые потери при подаче расплава в фильерный питатель.
Фильтровальная сетка 4 обеспечивает фильтрацию расплава базальта, организацию расплава базальта от краев питателя до центра фильерной пластины 5, стабилизацию температуры расплава в заданном интервале температур по всей площади фильерной пластины 5. Для необходимого прохождения тока через верхний и нижний корпусы 1, 3 и обеспечения равномерного нагрева элементов фильерного питателя установлены вертикальные ребра 8. Горизонтальное размещение токоподводов 7 позволяет упростить конструкцию фильерного питателя и дает возможность разместить его непосредственно у разлива базальта. Фланец 6 предназначен для крепления фильерного питателя в водоохлаждающий холодильник. Фланец 6 имеет поперечные зигзагоподобные вырезы для снижения теплозатрат и затрат электроэнергии при работе питателя. По такому фланцу проходит электрический ток. Фланец 6 имеет малую площадь для теплоподвода. Это позволяет снизить затраты электроэнергии и теплозатраты через фланец 6 при работе фильерного питателя.
Внутренний канал 10 фильер 9 (см. фиг.2) выполнен в продольном разрезе по экспоненциальной зависимости 14 текущих радиусов канала от его длины, при этом глубина 15 прогиба поверхности канала 10 фильер 9 на половине его длины составляет 1,0-1,2 от половины суммы радиусов отверстий на входе 16 и выходе 17 канала 10 фильер 9.
На основании многочисленных экспериментальных исследований влияние конструкций каналов фильерных питателей на изготовление базальтовых волокон авторами изобретения было установлено, что большое влияние на качественное изготовление волокон высокой прочности и требуемого диаметра 6-18 мкм оказывает форма канала 10 фильер 9 питателя.
При заявленной авторами изобретения формы канала фильер обеспечивается выравнивание скоростей потока расплава базальта по сечению канала 10 фильер 9, а также требуемое распределение температуры расплава по высоте канала 10 фильеры 9 (канал фильер выполняет роль конфузора). Это исключает образование поверхности натяжения на срезе выходного отверстия 17 канала 10 фильеры 9.
При глубине 15 прогиба поверхности канала 10 фильер 9 в продольном разрезе менее 1,0 от половины суммы радиусов отверстий на входе 16 и выходе 17 канала 10 фильер 9 уменьшается действие центробежных сил, воздействующих на поток расплавленного базальта и, как следствие, уменьшается скорость потока расплава на выходе из канала 10 фильер 9, что приводит к образованию каплеобразной поверхности натяжения, отрицательно влияющей на качество получаемого непрерывного базальтового волокна.
При глубине 15 прогиба поверхности канала 10 фильер 9 в продольном разрезе более 1,2 от половины суммы радиусов отверстий на входе 16 и выходе 17 канала 10 фильер 9 поверхность канала возрастает, за счет вязкого трения расплавленного базальта на поверхности канала 10 образуется большой толщины пограничный слой расплава базальта и создается большое гидравлическое сопротивление для прохода расплава базальта по каналу 10 фильер 9, что приводит к неравномерному распределению скорости потока по сечению канала 10 и, как следствие, к образованию поверхности натяжения расплава базальта на срезе выходного отверстия 17 канала 10 фильер 9.
В настоящее время разработанная конструкция фильерного питателя испытана при изготовлении непрерывного качественного базальтового волокна диаметром 6-18 мкм на заводе Научно-производственного объединения «Вулкан» в режиме круглосуточной выработки расплава базальта (г.Оса, Пермский край, Россия).