способ изготовления волокон из расплава горных пород и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ изготовления волокон из расплава горных пород, включающий плавление горной породы, подачу расплава в зону формования волокон и вытягивание волокна, отличающийся тем, что отношение расхода подачи расплава к зоне формования волокон к расходу расплава в зоне формования волокон составляет 10 50, а удельный расход на единичное отверстие зоны формования 0,2 1,0 г/мин.

2. Устройство для изготовления волокон из расплава горных пород, содержащее ванну из огнеупорного материала для получения расплава с выработочным очком, под которым расположена обогреваемая фильерная пластина, отличающееся тем, что отношение площади выработочного очка к суммарной площади отверстий фильер пластины составляет 10 50, а площадь отверстия одной фильеры 1,0 5,5 мм².

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения волокон из расплавов горных пород, а именно к способу изготовления волокон из расплава горных пород и устройству для его осуществления, и может быть использовано в строительстве, машиностроении, электронике и других отраслях промышленности.

Известен способ изготовления волокон из горных пород (Джигирис и др. "Основы технологии получения базальтовых волокон и их свойства", с. 25-30), заключающийся в следующем. Дробленую горную породу подают с помощью загрузочного устройства в плавильную печь, где происходит плавление. Из печи расплав подают в выработочную часть фидер, с установленным в донной части струйным питателем, с помощью которого расплав подают в фильерные сосуды. Из расплава, вытекающего из фильерного сосуда через фильеры с помощью специального механизма, вытягивают волокна.

Однако этот способ не предусматривает оптимального дозирования расплава, подаваемого в фильерный сосуд. Это приводит к нестабильности диаметра волокон и высокой их обрывности, что снижает качество получаемого волокна.

Известен фидер печи для выработки непрерывных нитей из расплавов горных пород (а. с. СССР N 1248967 от 07.02.85), включающий канал для расплава со стенками из огнеупорного материала, расположенную под каналом обогреваемую камеру и расположенный под выработочным очком фильерный питатель, состоящий из электрообогреваемой фильерной пластины и нижнего и верхнего рамочных холодильников, при этом верхний рамочный холодильник образует дно канала и вместе с нижним рамочным холодильником примыкает к печи.

Использование рамочных холодильников в устройстве позволяет регулировать и поддерживать температуру в фильерной части в интервале температур необходимом для получения непрерывных волокон. Однако рамочные холодильники не позволяют получить равномерное распределение температур на фильерной пластине, а следовательно, вязкость расплава на фильерной пластине в разных ее частых различна, поэтому вязкость расплава также не стабильна, что приводит к повышенной обрывности нитей их разнотолщинности и снижению качества волокон.

В основу изобретения положена задача создания способа изготовления волокон из расплава горных пород, который предусматривал бы такое отношение расхода подачи расплава к зоне формирования волокон к расходу через зону формования, которое позволяет получать равномерное распределение температур в зоне формования волокна.

Задача решается тем, что в способе изготовления волокон из расплава горных пород, включающем плавление и подачу полученного расплава в зону формования волокон, согласно изобретению, отношение расхода расплава при подаче к зоне формования волокон к расходу расплава в зоне формования волокон составляет от 10 до 50, а удельный расход на единичное отверстие зоны формования составляет от 0,2 до 1,0 г/мин.

Указанное выше соотношение расходов расплава позволяет поддерживать постоянной температуру, а следовательно, и вязкость расплава в течение всего процесса формования волокна, что обеспечивает высокое качество и значительное снижение обрывности получаемых волокон более чем на 20%

Вышеописанный способ может быть осуществлен с помощью устройства для изготовления волокон из расплава горных пород, содержащего ванну для получения расплава из огнеупорного материала с выработочным очком, под которым расположена обогреваемая фильерная пластина, в котором согласно изобретению отношение площади выработочного очка к суммарной площади отверстий фильер составляет от 10 до 50, а площадь отверстия одной фильеры составляет от 1,0 до 5,5 мм².

Предлагаемое устройство обладает теми же преимуществами, что и вышеописанный способ.

Далее изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего настоящее изобретение варианта выполнения. На фиг. 1 изображен продольный разрез устройства с фильерной пластиной; на фиг. 2 продольный разрез устройства с одним фильерным очком.

Устройство, изображенное на фиг. 1, представляет собой ванну 1 для получения расплава из огнеупорного материала. В дне ванны 1 имеется выработочное очко 2, под которым расположена фильерная пластина 3 со множеством фильер 4. Фильерная пластина 3 имеет обогрев (не показан). Сверху ванна 1 закрыта крышкой 5 из огнеупорного кирпича. В крышке 5 установлена по меньшей мере одна горелка 6 для поддержания необходимой температуры внутри объема ванны и имеется загрузочное отверстие 7, через которое подается дробленая горная порода для получения расплава 8.

Дробленую горную породу, например базальт, загружают в плавильную ванну 1 из огнеупорного материала и расплавляют при температуре 1450^oC за счет нагрева от газовой горелки 6, установленной в крышке 5 над ванной 1. Расплав базальта 8 тонким слоем 15-20 мм покрывает дно ванны 1, в котором расположено выработочное очко 2. Под выработочным очком 2 расположена электрообогреваемая фильерная пластина 3, по которой дозируемый расплав также растекается слоем толщиной 15-20 мм. После формования волокон фильерой 4 их механически вытягивают для дальнейшей переработки. Согласно заявляемому изобретению отношение расхода, поступающего через выработочное очко 2 к фильерам 4, к суммарному расходу расплава через фильеры 4 должно быть в интервале от 10 до 50. Это обеспечивает оптимальные условия формования луковиц, из которых формируются волокна. Известно, что на объем луковиц оказывают влияние следующие технологические параметры диаметр фильеры, температура фильерной пластины и напор стекломассы в сосуде. Учитывая, что горные породы, в частности базальт, имеют узкий температурный интервал выработки температуры расплава и температура электрообогреваемой пластины фактически одинаковы и вязкость расплава в выработочном очке 2 равна вязкости расплава на фильерной пластине 3, а также из-за низкой теплопрозрачности расплава горных пород толщина его слоя с однородными свойствами в плавильной ванне 1 и над фильерной пластиной 3 не превышает 15-20 мм, поэтому можно считать, что отношение расхода расплава через выработочное очко 2 к суммарному расходу через фильеры 4 пластины 3 (зоны формования волокна) равно отношению площади выработочного очка 2 к суммарной площади отверстий фильер 4. Это отношение согласно изобретению должно быть от 10 до 50. В случае, если указанное отношение будет более 50 верхнего предела, расплав начинает с избытком поступать к фильерам, при этом не происходит образование луковиц, что нарушает стабильность процесса выработки. При переходе за нижний предел 10 отношения расходов выработочное очко не обеспечивает фильеры таким количеством расплава, которое необходимо для стабильного образования луковицы и стабильного истечения струи из фильер. В результате образуется разрыв подачи расплава на выработку, колебание диаметра и отрыв волокна, снижается производительность установки.

Кроме того, согласно предлагаемому решению удельный расход расплава через одну зону формования волокна (фильеру) должен составлять от 0,2 до 1,0 г/мин. Согласно изложенным выше положениям по механизму формования волокон объем луковицы и расход расплава через фильеру определяется площадью последней. Для обеспечения заявляемого диапазона расходов расплава через зону формования волокна необходимо, согласно изобретению, использовать фильеры с площадью от 1,0 до 5,5 мм². При площади фильеры менее 1,0 мм² образование луковицы затруднено, ее объем недостаточен для устойчивого получения волокна, что приводит к росту удельной обрывности волокон. При площади превышающей верхний предел процесс образования луковицы переходит в процесс образования струи расплава. Это увеличивает диаметр первичного волокна, снижает его прочность и приводит к росту обрывности.

Таким образом, при выборе вышеуказанных соотношений технологических параметров выработки волокон из расплавов горных пород можно существенно снизить обрывность волокон, что определяет высшую технологическую устойчивость и производительность процесса выработки волокон из расплавов горных пород.

Из вышеописанного следует, что суть предлагаемого способа изготовления волокон из расплава горных пород заключается в плавлении и подаче полученного расплава в зону формования волокон, при этом отношение расхода расплава при подаче к зоне формования волокон к расходу расплава в зоне формования волокон составляет от 10 до 50, а удельный расход на единичное отверстие зоны формования составляет от 0,2 до 1,0 г/мин.

Примеры выработки волокон в устройстве с указанным соотношением расходов.

Пример 1. Дробленый базальт с размером частиц 5-70 мм загружают в плавильную ванну 1 установки, схема которой приведена на фиг. 1 и расплавляют при температуре 14505^o C. Количество расплава 8 в ванне 1 поддерживается таким, чтобы он покрывал дно ванны с выработочным очком 2 слоем 15-20 мм. Под выработочным очком 2 площадью 20000 мм² располагается 200-фильерная пластина 3 (ТУ 300.79. б 000) с внутренним отверстием фильер 4-2,2 мм. Сформованные в фильерах 4 луковицы вытягиваются в волокна с помощью специального механизма, который представляет собой систему вращающихся валков. Из валков волокна поступают в камеру раздува.

В описанном выше примере, для которого отношение площади выработочного очка 2 к суммарной площади отверстий фильер 4 составляет 26,3, получают в среднем 50 кг супертонкого волокна в одну смену, что соответствует производительности установки, использующей известный способ изготовления волокон, основанный на применении струйного питателя и фильерного сосуда, который считают наиболее производительным и обеспечивающим лучшее качество волокон.

Пример 2. Для подтверждения заявляемых соотношений нами был проведен эксперимент с помощью устройства, которое изображено на фиг. 2. Устройство содержит печь 9 с резистивным нагревом, в нижней части которой расположен поддон 10 с центральным отверстием. Внутри печи 9 установлен стакан 11 с фильерным очком 12. Фильерное очко 12 расположено соосно с отверстием поддона 10. Для проведения эксперимента на дне стакана 11 соосно с очком 12 устанавливается сменная керамическая вставка 13, выполненная в виде кольца. С помощью сменной вставки 13 можно изменять объем расплава 14, который заполняет внутреннюю часть этой вставки и тем самым изменяет расход расплава подаваемый к зоне формования волокна очку 12. Для контроля температуры расплава 14 в стакан 11 помещена термопара 15. С помощью фильерного очка 12 формируют луковицу 16, из которой вытягивают волокно 17 с помощью наматывающего устройства 18 (показано условно).

Дробленую горную породу, в частности базальт, загружают в тигель и плавят в муфельной печи при температуре 1450^o C в течение 1,5 ч. Затем расплав быстро охлаждают и полученный плавленый базальт 14 в количестве 100-120 г загружают в стакан 11 со сменной керамической вставкой 13, имеющей отверстия различного диаметра. При помощи печи 9 с резистивным нагревателем плавленый базальт 14 вновь расплавляют и, контролируя при помощи термопары 15 температуру в печи, устанавливают последнюю на уровне 14502,5^oC. После расплавления базальта 14 и выхода печи на рабочий режим, при помощи наматывающего устройства 18 вырабатывают базальтовое волокно 17. После его обрыва полученное количество волокна взвешивают с точностью 1 мг. В качестве параметра оптимизации используют удельную обрывность волокон, полученную путем усреднения результатов 5-7 наработок. Результаты измерений приведены в табл.1.

Из табл. 1 следует, что заявляемый диапазон отношений площади выработочного очка, соединяющего зону выработки и зону формования волокна, к площади зоны формования волокон является оптимальным.

Пример 3. Изготовление волокон проводим аналогично примеру 2, но при отсутствии керамической вставки и при различных внутренних диаметрах фильеры 4. Результаты измерений приведены в таблице 2.

Из приведенных в табл.2 данных следует, что заявляемые диапазоны расходов расплава через одну зону формования волокна (фильеру) и площади отверстий фильер являются оптимальными.

Пример 4. Для подтверждения правильности определения диапазона отношений площади отверстия, через которое расплав базальта поступает к зонам формования волокон в заявленном способе производства минеральных волокон проведены следующие контрольные процессы.

Согласно процедуре, описанной в примере 2, изготавливают базальтовые супертонкие волокна при различных суммарных площадях отверстий фильер и постоянной площади выработочного очка 20000 мм². Так, в одном случае использовали 100-фильерную пластину с диаметром отверстий фильер 2,2 мм; в другом случае под выработочном очком располагали две соединенные друг с другом 100-фильерные пластины, а в третьем случае устанавливали две 400-фильерные пластины.

Результаты экспериментов представлены в табл.3.

Снижение удельной производительности в вариантах 1 и 3 связано с высокой обрывностью первичных базальтовых волокон.

Данные табл.3 также подтверждают, что заявляемый диапазон отношений площади выработочного очка к суммарной площади внутренних отверстий фильер, который составляет от 10 до 50 является оптимальным.