Способ получения минеральных волокон и устройство для его осуществления

 

Сущность изобретения: способ получения минеральных волокон включает подачу расплава внутрь центрифуги и продавливание его за счет центробежных сил через фильеры в боковой стенке чаши при поддержании температурного градиента по ее толщине и равной температуре поля по высоте. Температуру внутренней поверхности боковой стенки центрифуги поддерживают более высокой, чем температуру наружной поверхности. Градиент температур между внутренней и наружной поверхностями боковой стенки центрифуги составляет 50 - 300^oС, преимущественно 100 - 200^oС. Устройство для получения минеральных волокон включает корпус центрифуги с фильерами в боковой стенке, лоток для подачи расплава, установленный в центрифуге, и вне ее горелки. Боковая стенка центрифуги выполнена из материала, теплопроводность которого ниже 20 Втм^-1 с^-1 при 1000^oС или ниже 10 Вт м^-1 с^-1 при 1000^oС, или из материала, коэффициент тепловой диффузии которого менее 5 · 10^-6 м²с^-1 при температуре 1000^oС, или из керамики на основе фриттированного нитрида кремния, или из композиционной керамики с матрицей из карбида кремния, усиленной волокнами из карбида кремния, или из композиционной керамики с матрицей из карбида кремния, усиленной волокнами из углерода. Центрифуга выполнена с защитным слоем на основе карбида кремния. 2 с. и 7 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к развитию технологии и аппаратурному оформлению получения стеклянных волокон методом внутреннего центрифугирования из термопластичного вещества с высокой температурой плавления, например, типа стекла или базальта.

Известен способ получения минеральных волокон путем подачи расплава внутрь центрифуги и продавливания его за счет центробежных сил через фильеры в боковой стенке чаши при поддержании температурного градиента по ее толщине и равной температуре поля по высоте.

Известно устройство для получения минеральных волокон, включающее корпус центрифуги с фильерами в боковой стенке, лоток для подачи расплава, установленный в центрифуге, и вне ее горелки.

Такие традиционные центрифуги выполнены из металлических сплавов, например сплав типа никель-хром. В этих условиях их термическая проводимость является очень большой и стенка является практически изотермической по ее толщине, температура определяется температурой стенки.

Известные центрифуги не могут обрабатывать стекла из указанных камней, таких как базальты, без добавок соды, которые характеризуются очень высокими температурами плавления, например порядка 1500-1600^оС (часто намного выше предельной температуры использования никель-хромовых сплавов), и, главным образом, очень узкой областью переработки, которая просто не представляет времени для волокнообразования.

Целью изобретения является расширение ассортимента вырабатываемых стекол и создание центрифуги для выработки данных стекол.

Цель достигается тем, что в способе получения минеральных волокон путем подачи расплава внутрь центрифуги и продавливания его за счет центробежных сил через фильеры в боковой стенке чаши при поддержании температурного градиента по ее толщине и равной температуре поля по высоте температуру внутренней поверхности боковой стенки центрифуги поддерживают более высокой, чем температуру наружной поверхности.

Градиент температур между внутренней и наружной поверхностями боковой стенки центрифуги составляет 50-300^оС, преимущественно 100-200^оС.

В устройстве для получения минеральных волокон, включающем корпус центрифуги с фильерами в боковой стенке, лоток для подачи расплава, установленный в центрифуги, и вне ее горелки, боковая стенка центрифуги выполнена из материала, теплопроводность которого ниже 20 Втм^-1с^-1 при 1000^оС.

Боковая стенка центрифуги выполнена из материала, теплопроводность которого ниже 10 Втм^-1с^-1 при 1000^оС.

Боковая стенка центрифуги выполнена из материала, коэффициент тепловой диффузии которого менее 5 ˙ 10^-6м²с^-1 при температуре 1000^оС.

Боковая стенка центрифуги выполнена из керамики на основе фриттированного нитрида кремния.

Боковая стенка центрифуги выполнена из композиционной керамики с матрицей из карбида кремния, усиленной волокнами из карбида кремния.

Боковая стенка центрифуги выполнена из композиционной керамики с матрицей из карбида кремния, усиленной волокнами из углерода.

Центрифуга выполнена с защитным слоем на основе карбида кремния.

На фиг. 1 показаны кривые вязкость-температура для различных стекол; на фиг. 2 схема, иллюстрирующая способ получения волокон; на фиг. 3 центрифуга.

Центрифуга выполнена из керамики SiC-SiC. Под керамической центрифугой понимают просто часть центрифуги, способную находиться в контакте с расплавленным стеклом или непосредственно в соприкосновении с газообразной окружающей средой при высокой температуре. Все другие детали являются предпочтительно металлическими. Керамическое изделие образуется кольцеобразной секцией 1, разделенной на три части: собственно периферическая лента 2 с проделанными, например, 20000 отверстиями, диаметр которых составляет 0,2-0,7 мм, а предпочтительно около 0,5 мм, для центрифуги с диаметром 400 мм и для высоты ленты порядка 50 мм. Кольцеобразная секция включает также борт 3, который придает хорошую механическую прочность изделию, и плоский участок 4, который принимает струю расплавленного стекла 5 и где образуется в случае необходимости резерв расплавленного стекла. Участок 4, который образует дно центрифуги, крепится к металлической ступице 6, приводимой во вращение ведущим валом 7. Крепление должно учитывать три обязательных требования: гибкое соединение, учитывающее различие в расширении между металлическими и керамическими деталями; точное центрирование центрифуги, периферическая скорость которой, например, превышает 50 мс^-1 и предпочтительно составляет 50-90 мс^-1; керамика не должна работать при растяжении, а всегда при сжатии. Для этого на внутренней поверхности днища 4 оборудуются по меньшей мере три регулярно расположенные продолговатые канавки 8. Эти продолговатые канавки заполняются зажимами 9 также из керамики, которые в горячем состоянии насаживаются на металлическую ступицу 6, причем насаживание в горячем состоянии позволяет осуществить чрезвычайно точную установку. Эти зажимы перемещаются радиально, когда ступица 6 расширяется, и обеспечивают, таким образом, хорошее центрирование центрифуги. Кроме того, днище 4 схвачено круглым металлическим фланцем 10, прикрепленным к ступице 6, например, при помощи болтов 11 путем крепления металла с металлом. Зазор между днищем 4 и фланцем 10 с одной стороны и ступицей 6 с другой стороны заполняется огнеупорной набивкой, которая поддерживает керамическую часть путем защемления без сдавливания, причем нагрузка распределяется на очень большую поверхность. Чтобы это сделать, можно применять войлок из волокон на основе оксида алюминия или из других огнеупорных волокон; однако предпочтительными являются набивки из графита, в частности из слоеной графитной бумаги, которые являются эластичными и могут обратимо следовать за деформациями деталей, причем графит может здесь использоваться, так как он находится в замкнутом объеме, без обновления воздуха.

Центрифуга окружается горелками, служащими для предварительного нагревания, для поддержания температуры и для создания нагретого окружающего пространства и/или газовых потоков для вытягивания, распространяющихся вдоль периферической ленты. Внутренняя стенка периферической ленты нагревается внутренними горелками 12, смонтированными в виде кольца, которые предпочтительно являются горелками с рассеивающими форсунками так, чтобы покрывать всю высоту стенки. Внешняя стенка нагревается кромкой 13 кольцевой горелки 14. Преимуществом также может быть размещение подвижной площадки 15 с внешними горелками, применяемыми для предварительного нагревания и извлекаемыми как только начинается течение расплавленного стекла.

Предварительное нагревание осуществляется при соблюдении кривой подъема температуры, учитывающей сопротивление керамики тепловым ударам, причем температура стенки, превышающая по крайней мере 1000^оС, должна достигаться, пока не начнется течение, если выбирают способ получения волокон с температурой центрифуги 1200-1300^оС. Чтобы избежать появления слишком значительных температурных градиентов, предварительное нагревание должно осуществляться при как можно более изотермических условиях (в сечениях, сделанных по толщине, а следовательно, параллельно слоям ткани в случае композиционной керамики). Это связано с очень малым коэффициентом тепловой диффузии для керамик, которые практически не передают тепло, полученное в одном месте, соседним частям. Вследствие наличия отверстий, через которые газы из горелки локально проходят сквозь стенку, преимуществом является предварительное нагревание центрифуги и снаружи, и изнутри, причем внутреннее нагревание начинается, например, когда достигается температура 500-600^оС. Вместе с тем внутреннее нагревание позволяет свести к минимуму эффекты охлаждения, обусловленного конвекций.

На стадии получения волокон внешняя кольцевая горелка 14 должна быть в состоянии испускать газовые потоки, температура которых соответствует температуре, желательной для внешней стенки периферической ленты, а скорость равняется периферической скорости центрифуги, т.е. 50 мс^-1. Эти потоки, испущенные в основном перпендикулярно волокнам из стекла, содействуют, таким образом, их вытягиванию и увлекают их по направлению к устройству для приема волокон. Чтобы избежать того, что некоторое число филаментов не продолжают свой горизонтальный путь за зоной, разграниченной газовыми потоками, устройство для получения волокон дополняется кольцом 15 для поддувания, испускающим через отверстие относительно более быстрые потоки с температурой меньшей температуры, требуемой для газового вытягивания, которые хорошо известным для этой техники способом обрывают волокна и направляют их падение в сторону приемника.

При помощи такой установки обеспечивается возможность переводить в волокна очень широкий набор стекол, отвечающих составам, в которых содержание диоксида кремния может колебаться от 50 до 70% что позволяет получать широкую гамму продуктов, допускает возможное применение природной породы без добавок гидроксида натрия, и все это с качеством волокон, равным, по крайней мере, обычному качеству волокон, полученных в результате внутреннего центрифугирования.

Центрифуга в соответствии с изобретением может действовать с температурным градиентом по толщине (т.е. перпендикулярно слоям ткани), который может достигать, например, 200^оС, причем такой диапазон позволяет без труда создавать профиль температур, показанный на фиг. 1. Этот профиль температур позволяет получать волокна в хороших условиях из базальта. Волокна с более большими диаметрами (30 и 35 мкм) были получены с растягиванием 30 кг в день через одно отверстие, причем с практически нулевым содержанием неволоконных частиц, что очень важно для базальтового стекла. Волокна с меньшими диаметрами были получены с растягиванием 0,1 кг в день через одно отверстие и со стеклом, для которого кривая вязкость-температура соответствует кривой 1, причем были получены очень тонкие волокна со средним диаметром 1,75 мкм. Все другие промежуточные значения могут быть получены при варьировании значения растягивания в день через одно отверстие между указанными значениями.

Промышленность изоляционных волокон производит в основном два типа продукции: стеклянное волокно (стекловата) и горный лен (асбест), причем каждый из этих типов имеет отклонения в соответствии с очень большим числом вариантов. В типичном случае стекловата получается исходя из стекольного состава, мас. SiO₂ 61-66 Na₂O 12-17 Al₂O₃ 2-5 К₂О 0-3 СаО 6-9 В₂О₃ 0-7,5 МgO 0-5 Fe₂O₃ меньше 0,6 При исследовании кривой вязкость-температура для такого стекла (кривая 1 на фиг. 1), констатируют, что вязкость составляет 300-3000 Пуаз, когда температура составляет 1050-1300^оС. На фиг. 1 заштрихованы области температур, меньших верхних температур расстекловывания для данных стекол. Верхняя температура растекловывания находится вне этой области (960^оС), Следовательно, рабочий интервал сильно растягивается и эти стекла особенно хорошо поддаются превращению в волокна, так как они могут обрабатываться в течение относительно длительных сроков в хорошо оптимизируемых условиях вытягивания, что приводит к высокому качеству волокон с точки зрения термических и механических свойств, т.е. основных свойств, которые пытаются получить при производстве изолирующего материала.

Формула изобретения

1. Способ получения минеральных волокон путем подачи расплава внутрь центрифуги и продавливания его за счет центробежных сил через фильеры в боковой стенке чаши при поддержании температурного градиента по ее толщине и равной температуре поля по высоте, отличающийся тем, что температуру внутренней поверхности боковой стенки центрифуги поддерживают более высокой, чем температуру наружной поверхности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что градиент температур между внутренней и наружной поверхностями боковой стенки центрифуги составляет 50 - 300^oС, преимущественно 100 - 200^oС.

3. Устройство для получения минеральных волокон, включающее корпус центрифуги с фильерами в боковой стенке, лоток для подачи расплава, установленный в центрифуге, вне ее горелки, отличающееся тем, что боковая стенка центрифуги выполнена из материала, теплопроводность которого ниже 20 Вт · м^-1 с^-1 при 1000^oС.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что боковая стенка центрифуги выполнена из материала, теплопроводность которого ниже 10 Вт · м^-1 с^-1 при 1000^oС.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что боковая стенка центрифуги выполнена из материала, коэффициент тепловой диффузии которого менее 5 · 10^-6 м² с^-1 при 1000^oС.

6. Устройство по пп. 3 и 4, отличающееся тем, что боковая стенка центрифуги выполнена из керамики на основе фриттированного нитрида кремния.

7. Устройство по пп. 3 и 4, отличающееся тем, что боковая стенка центрифуги выполнена из композиционной керамики с матрицей из карбида кремния, усиленной волокнами из карбида кремния.

8. Устройство по пп. 3 и 4, отличающееся тем, что боковая стенка центрифуги выполнена из композиционной керамики с матрицей из карбида кремния, усиленной волокнами из углерода.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что центрифуга выполнена с защитным слоем на основе карбида кремния.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3