Усиленный клеммный выступ для фильеры
Изобретение относится к клеммным выступам для нагревания фильер для вытягивания стекловолокна из расплавленного стекла. Технический результат заключается в улучшении сопротивления тепломеханическим нагрузкам. Фильерный питатель содержит клеммные выступы (1), присоединенные к противоположным концевым стенкам (2) фильерного питателя, для нагревания фильерной пластины и стенок фильеры, каждый из указанных клеммных выступов содержит: (а) электропроводящую пластину, содержащую по меньшей мере первый участок (1А), проходящий по продольной оси (X1) от первого клеммного края (1D), по существу перпендикулярного относительно указанной продольной оси (X1) и присоединенный к концевой стенке (2) фильеры, и дополнительно содержащую второй, свободный, клеммный край (1С), выполненный с возможностью подсоединения к источнику питания, и (b) по меньшей мере один удлиненный усиливающий элемент (1В), присоединенный к указанному по меньшей мере первому участку (1А) указанной пластины для увеличения момента изгиба последнего, причем указанный по меньшей мере один удлиненный усиливающий элемент (1В) проходит от или примыкает к первому клеммному краю (1D) пластины по направлению, непараллельному относительно указанной продольной оси (X1). 9 з.п. ф-лы, 17 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к клеммным выступам для нагревания фильер для вытягивания стекловолокна из расплавленного стекла. В частности, оно относится к усиленному клеммному выступу, выполненному с возможностью сопротивления тепломеханическим нагрузкам, которым он подвергается во время эксплуатации фильеры.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Стекловолокно может быть изготовлено посредством плавления стекольной композиции в устройстве для плавления и его вытягивания через фильерную пластину фильерного питателя. Фильерный питатель обычно имеет форму прямоугольной коробки, имеющей две пары противоположных сторон и концевых стенок, образующих ее периметр, и отверстие сверху с сообщением по текучей среде с устройством для плавления. Дно содержит фильерную пластину, которая представлена пластиной, содержащей множество отверстий или насадков, через которые обеспечена возможность вытекания расплавленного стекла для образования волокон, которые вытягивают для достижения желаемого диаметра. Для обеспечения оптимального управления вязкостью, следует точно управлять температурой фильерной пластины. Температура фильерной пластины зависит от композиции расплава стекла, но обычно составляет более 1200°C. В связи с экстремальными условиями эксплуатации различные компоненты фильерного питателя изготовлены из платины или платиновых сплавов, обычно из родиево-платиновых сплавов.
[0003] Фильеру нагревают электричеством посредством пропускания тока через корпус фильеры от первого соединительного элемента, прикрепленного к первому клеммному выступу, электрически соединенному с первой концевой стенкой корпуса фильеры, ко второму соединительному элементу, прикрепленному ко второму клеммному выступу, термически соединенному со второй концевой стенкой корпуса фильеры, противоположной первой концевой стенке. Известно широкое разнообразие геометрий клеммного выступа. Следует отметить, что в подавляющем большинстве случаев они содержат по меньшей мере тонкую пластину, проходящую в поперечном направлении от концевой стенки фильеры. Для предотвращения перегревания и деформации соединительных элементов, обычно изготовленных из меди, обычно применяют водяное охлаждение. Следовательно, клеммные выступы подвергаются резким температурным градиентам между их свободным концом, на котором прикреплены соединительные элементы с водяным охлаждением, и концом, присоединенным к концевой стенке фильеры, которая находится в условиях температур, превышающих 1200°C. Такие экстремальные температурные градиенты имеют два недостатка; во-первых, охлаждение соединительных элементов также охлаждает концевые стенки фильеры, в то время как на уровне фильерной пластины фильеры требуется однородная температура. Во-вторых, они образуют существенную тепловую нагрузку в клеммных выступах, закрепленных на обоих противоположных концах корпуса фильеры, вследствие различных уровней теплового расширения при разнице температуры, составляющей более 1000°C на расстоянии в несколько дециметров, что приводит к искривлению выступов и образованию существенных внутренних напряжений. Более того, клеммные выступы также подвержены вибрациям, образуемым электрогенератором, подающим электрический ток для нагревания выступов, или потоком расплавленного стекла через фильерную пластину, и передаваемым клеммным выступам через боковые стенки. Сочетание тепловых нагрузок и вибраций со временем приводит к разрушению клеммных выступов в результате усталости на высокой температуре.
[0004] В уровне техники для продления срока эксплуатации выступов были предложены усиленные выступы. Например в US 4026689 предложен Т-образный клеммный выступ, содержащий верхнюю пластину, проходящую по существу горизонтально от концевой стенки фильерного питателя, и нижнюю пластину, по существу перпендикулярную по отношению к верхней пластине и концевой стенке фильеры, выполненную без возможности контакта с последней. Электрический соединительный элемент может быть присоединен к свободному концу нижней пластины. Нижняя пластина также выполняет функцию ребра жесткости верхней пластины, однако сварное соединение между верхней и нижней пластинами достаточно чувствительно к тепловым нагрузкам и нагрузкам усталости, которым подвержен выступ.
[0005] В US 4634460 раскрыт клеммный выступ для нагревания фильерной пластины для использования в запуске стеклоплавильной печи. Клеммный выступ усилен накладкой, обычно представленной U-образной лентой или полосой, имеющей центральный участок и две сужающиеся ножки, проходящие от него по существу под прямыми углами. Накладка присоединена к клеммному выступу, обеспечивая выступ опорой. В отличие от фильер для вытягивания стекловолокна, содержащих фильерную пластину с множеством небольших насадков, фильерная пластина содержит ограниченное количество крупных дренажных отверстий. Для этого выступы и накладки могут быть соединены заодно с нижней стенкой фильеры, например, посредством сварки, что не совместимо с фильерными питателями для изготовления стекловолокна.
[0006] В US 3512948 раскрыт фильерный питатель, содержащий клеммный выступ, имеющий форму обращенной буквы Y, образованный из двух элементов пластин, изготовленных из платино-родиевого сплава, основа которого проходит вверх по центральной линии концевой стенки и через стенку присоединена к внутренней V-образной решетке. Y-образные плечи проходят по концевой стенке и не доходят до краев. Линия и угол плеч определяют для обеспечения желательного распределения тока по стенке и расплавления стекла в подающем устройстве, исключая "участки недогрева" в углах подающего устройства.
[0007] В WO 01/74727 раскрыт клеммный выступ для проведения электрического тока к фильере, содержащий: проводящий участок, имеющий продольную ось, выполненную с возможностью присоединения к фильере на первом конце указанного проводящего участка, и имеющий первое поперечное сечение в плоскости, перпендикулярной относительно указанной продольной оси; и удлиненный опорный участок, присоединенный к указанному проводящему участку, проходящий по существу параллельно относительно указанной продольной оси, и имеющий второе поперечное сечение в плоскости, перпендикулярной относительно указанной продольной оси, момент инерции указанного второго поперечного сечения превышает момент инерции указанного первого поперечного сечения. Хотя клеммный выступ, раскрытый в WO 01/74727, имеет большее сопротивление сгибанию, его сопротивление скручиванию и искривлению не удовлетворительно.
[0008] Остается необходимость в клеммном выступе фильеры оптимизированной конструкции, имеющем улучшенное сопротивление тепловой нагрузке и нагрузке усталости и, следовательно, более длительный срок эксплуатации. Эта и другие задачи решены настоящим изобретением.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] Настоящее изобретение определено в прилагаемых независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты реализации определены в зависимых пунктах формулы изобретения. В частности, настоящее изобретение относится к фильерному питателю, содержащему клеммные выступы, присоединенные к противоположным концевым стенкам фильерного питателя, для нагревания фильерной пластины и стенок фильеры, каждый из указанных клеммных выступов содержит:
(а) электропроводящую пластину, содержащую по меньшей мере первый участок, проходящий по продольной оси (X1) от первого клеммного края, по существу перпендикулярного к указанной продольной оси (X1), и присоединенный к концевой стенке фильеры, дополнительно содержащую второй, свободный, клеммный край, выполненный с возможностью подсоединения к источнику питания, и
(b) по меньшей мере один удлиненный усиливающий элемент, присоединенный к указанному по меньшей мере первому участку указанной пластины для увеличения его момента изгиба,
отличающемуся тем, что указанный по меньшей мере один удлиненный усиливающий элемент проходит от или примыкает к первому клеммному краю пластины по направлению, непараллельному относительно указанной продольной оси (X1).
[0010] В предпочтительном варианте реализации по меньшей мере один удлиненный усиливающий элемент контактирует с концевой стенкой, присоединенной к первому клеммному краю, и изготовлен из проводящего материала, предпочтительно материала, аналогичного материалу первого участка пластины, и предпочтительно присоединен к указанной концевой стенке и первому участку пластины посредством сварки или пайки.
[0011] Каждый клеммный выступ предпочтительно содержит по меньшей мере два или более удлиненных усиливающих элементов. В одном варианте реализации он содержит два усиливающих элемента, сближающихся друг с другом по продольной оси (X1) от первого клеммного края с образованием формы буквы V, предпочтительно, но не обязательно, соединяющихся в вершине формы буквы V, или с образованием формы буквы X. В альтернативном варианте реализации каждый клеммный выступ содержит три удлиненных усиливающих элемента, образующих форму наклонной буквы N, предпочтительно, но не обязательно, соединяющихся в каждой вершине формы буквы N, или содержит четыре или более удлиненных усиливающих элемента, образующих форму буквы W, или нескольких примыкающих букв V, предпочтительно, но не обязательно, соединяющихся в каждой вершине формы буквы W или букв V.
[0012] Усиливающие элементы могут быть представлены балками с различными поперечными сечениями, например, но не ограничиваясь такими формами, как I, Т, Г, П, Λ, ∩, † или ‡. Усиливающие элементы предпочтительно присоединены к одной стороне первого участка верхней пластины, т.е. или к ее верхней стороне или нижней стороне. Проводящая пластина предпочтительно согнута по линии изгиба, по существу параллельной относительно первого и второго клеммных краев, первый участок пластины содержит первый клеммный край, при этом линия изгиба расположена в поперечном направлении относительно второго плоскостного участка, содержащего указанную линию изгиба и второй, свободный, клеммный край. Усиливающие элементы предпочтительно проходят только на первом участке проводящей пластины.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0013] Для более полного понимания сущности настоящего изобретения делается ссылка на нижеследующее подробное описание в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых:
На фиг. 1 изображен клеммный выступ в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2 изображен фильерный питатель, содержащий клеммный выступ в соответствии с двумя вариантами реализации настоящего изобретения.
На фиг. 3 изображены виды сверху клеммных выступов в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 4 изображены различные геометрии усиливающих элементов в соответствии с изобретением.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0014] Как показано на фиг. 1 и 2, фильерный питатель содержит два клеммных выступа (1), выполненных в форме тонких электропроводящих пластин, находящихся в электропроводящем контакте через первый клеммный край (1D) с противоположными концевыми стенками (2А) фильеры (2). Периметр фильеры (2) обычно определен двумя боковыми стенками (2В) и двумя концевыми стенками (2А), как показано на фиг. 2. Каждый клеммный выступ содержит по меньшей мере первый участок (1А), проходящий от указанного первого клеммного края (1D) по продольной оси (X1), по существу перпендикулярной относительно первого клеммного края (1D). Каждый клеммный выступ (1) содержит второй, свободный, клеммный край (1С), противоположный первому клеммному краю (1D). Второй, свободный, клеммный край (1С) может быть расположен на противоположном конце первого участка (1А) пластины, или может составлять часть второго участка выступа, отделенного от первого участка (1А) посредством линии (1F) изгиба, предпочтительно по существу перпендикулярной относительно первого направления (X1), как показано на фиг. 1 и 2. Как показано на фиг. 2, при эксплуатации соединительный элемент (5) присоединен ко второму, свободному, клеммному краю (1С) каждого из двух клеммных выступов (1), а два соединительных элемента подсоединены к источнику (6) питания, пропускающего ток от одного полюса источника питания к одному соединительному элементу (5), через первый выступ (1), через стенки (2А, 2В) фильеры и фильерную пластину, а затем дальше через второй выступ и его соединительный элемент ко второму полюсу источника. Нагревание выступов, стенок фильеры и фильерной пластины достигается посредством эффекта Джоуля.
[0015] Соединительный элементы (5) обычно изготовлены из меди или ее сплава и должны быть защищены от чрезмерного тепла, проходящего от стенок фильеры. Для этого к соединительным элементам обычно применяют водяное охлаждение, в результате чего образуются экстремальные температурные градиенты (около 1000°C) на расстоянии в несколько дециметров, которые приводят к образованию значительных внутренних нагрузок в клеммном выступе. Вероятно, система обеспечила бы сбалансированное состояние, если бы электрогенератор или поток расплавленного стекла через фильерную пластину не образовывали вибрации, передаваемые клеммным выступам через концевые стенки (2А) фильеры и первый клеммный край (1D). Эти вибрации в сочетании с высокими температурами и высокими температурными градиентами приводят к деформации тонких клеммных выступов и постепенно к их разрушению. Было обнаружено, что основные участки нагрузки, образованные на клеммных выступах, не обязательно следовали направлению температурного градиента, а следовали поперечному ему направлению, вероятно под воздействием внутренних нагрузок, накапливаемых в материале. Усиление клеммных выступов посредством усиливающих элементов, проходящих параллельно относительно первого направления (X1), как указанно в WO 01/74727, может улучшить сопротивление клеммного выступа сгибанию по направлению, по существу перпендикулярному относительно указанного первого направления (X1), однако менее эффективно против скручивания и участков нагрузки, проходящих по направлению между продольным направлением (X1) и перпендикулярным ему направлением, например по направлению, образующему угол, составляющий около 45 градусов относительно первого края (1D) клеммного выступа. Для этого клеммные выступы в соответствии с настоящим изобретением содержат один или более удлиненный усиливающий элемент (1В), присоединенный к указанному по меньшей мере первому участку (1А), проходящему от или примыкающему к первому клеммному краю (1D) пластины по направлению, поперечному, т.е. не-параллельному, но и не перпендикулярному, относительно указанной продольной оси (X1). Предпочтительно удлиненные усиливающие элементы (1В) проходят от первого клеммного края (1D) пластины с образованием угла между ними, значение которого составляет от 10 до 80 градусов, предпочтительно от 20 до 70 градусов, более предпочтительно, от 30 до 61 градусов; более предпочтительно значение угла составляет 45±5 градусов.
[0016] В зависимости от того, способствует ли один или более усиливающий элемент (1В) нагреванию фильеры, один конец указанных усиливающих элементов может быть выполнен с возможностью и без возможности контакта с соответствующей концевой стенкой (2А) на уровне первого клеммного края (1D) клеммного выступа. В последнем случае (т.е., без возможности контакта) будет обеспечена передача тока к концевой стенке (2А) фильеры только через первый участок (1А) клеммного выступа, при этом усиливающие элементы выполняют только механическую функцию. В другом случае, если усиливающий элемент (1В) выполнен с возможностью контакта с концевой стенкой (2А) фильеры, он выполняет механическую и термальную функции, так как ток будет также передаваться к концевой стенке фильеры через усиливающие элементы, таким образом увеличивая участок контакта между узлом (1) клеммного выступа и концевой стенкой (2А) фильеры. В области техники известна проблема передачи тока к стенкам фильеры для обеспечения желательного термального рисунка в расплавленном стекле, обрабатываемом через фильерный питатель, которую специалисты в области техники обычно решают посредством моделирования с помощью метода конечных элементов. Предпочтительно усиливающие элементы (1В) изготовлены из проводящего материала, предпочтительно из материала, аналогичного материалу первого участка (1А) пластины, и предпочтительно присоединены к поверхности первого участка (1А) пластины посредством сварки или пайки, и, если применимо, к концевой стенке (2А) фильеры.
[0017] Клеммный выступ в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно содержит по меньшей мере два удлиненных усиливающих элемента (1В). Как показано на фиг. 3, усиливающие элементы могут быть осуществлены в различных геометрических расположениях. Два усиливающих элемента могут сближаться друг с другом по продольной оси (X1) от первого клеммного края (1D), с образованием формы буквы V, или X. Аналогично, два усиливающих элемента могут быть соединены или не соединены на вершине формы буквы V или в месте пересечения формы буквы X (см. также фиг. 3(a), (с), (е). Два усиливающих элемента могут отдаляться друг от друга по продольному направлению (X1) от первого клеммного края (1D) с образованием, например, формы буквы Λ. Сочетание сближения и отдаления усиливающих элементов позволяет образование формы буквы W, формы наклонной буквы N, или формы двойной буквы X, как показано на фиг. 3(b), (d), (f). Эти различные геометрии способствуют наилучшему усилению клеммного выступа по основным участкам нагрузки, образуемым в клеммном выступе, а оптимальная геометрия зависит от каждого конкретного фильерного питателя (например, геометрия стенки фильеры, желательная температура стекла, геометрия клеммных пластин и т.п.). Аналогично, для определения основного направления (основных направлений) следования участков нагрузки преимущественно может быть использован анализ с использованием метода конечных элементов. При необходимости для завершения конструкции жесткости к поперечным усиливающим элементам могут быть добавлены усиливающие элементы, проходящие по направлению, параллельному относительно первого направления (X1), как раскрыто в WO 01/74727. Усиливающие элементы (1В), изображенные на фиг. 3, в некоторых случаях выполнены с возможностью контакта друг с другом или с первым клеммным краем (1D), а в некоторых случаях выполнены без такой возможности, для иллюстрации универсальности настоящего изобретения. Усиливающие элементы предпочтительно выполнены с возможностью контакта с концевой стенкой (2А) фильеры, что таким образом способствует нагреванию стенок фильеры.
[0018] Усиливающим элементом (усиливающими элементами) (1В) увеличен момента изгиба клеммного выступа (1). Как показано на фиг. 1, поперечное сечение клеммного выступа, перпендикулярное относительно продольной оси (X1), содержит первый линейный участок (11А), обеспечивающий способствование моменту изгиба первого участка (1А) клеммного выступа, и поперечных участков (11В), обеспечивающих способствование увеличению момента изгиба клеммного выступа посредством усиливающих элементов. Удлиненные усиливающие элементы могут иметь различные геометрии. Как показано на фиг. 1, 2 и 4(a), усиливающие элементы могут иметь форму балок с профилем в виде двутавра. Альтернативно, удлиненные усиливающие элементы могут содержать ребра жесткости для увеличения их момента изгиба в различных направлениях. Преимущественно клеммный выступ стабилизирован против нагрузок скручивания в различных направлениях. В частности, удлиненные усиливающие элементы могут иметь форму Г, Т, ‡, †, Λ, П или ∩, как показано на фиг. 4(b)-(h). Такие профили с двумя «ножками», как Λ, П или ∩, как показано на фиг. 4(f)-(h), особенно эффективны для усиления и стабилизации клеммных выступов, подверженных высоким моментам изгиба в различных направлениях.
[0019] В предпочтительном варианте реализации, изображенном на фиг. 2(b), клеммный выступ содержит щелевое отверстие (3), содержащее:
- первый, открытый, конец, имеющий ширину WA, на втором, свободном, крае (1С) пластины,
- удлиненный участок, проходящий к указанному первому краю (1D), имеющий ширину WB зазора, и
- второй, закрытый, конец (3С), отдельный от первого края (1D) клеммного выступа, имеющий изогнутую геометрию.
[0020] Также, изгиб 1/(2R) в любом месте изогнутого второго конца щелевого отверстия предпочтительно меньше, чем ответный 1/W0, имеющий наименьшую ширину W0 зазора, первого, открытого конца щелевого отверстия, WA, и удлиненного участка, WB, причем R это радиус в любом месте изогнутого второго конца (3С). Щелевое отверстие (3) обеспечивает возможность освобождения существенной части внутренних нагрузок посредством возможности некоторой деформации половины участка пластины с одной стороны зазора относительно другой половины участка на противоположной стороне щелевого отверстия. Удлиненные усиливающие элементы (1В) обеспечивают возможность усиления каждой половины участка пластины независимо друг от друга. Этот вариант реализации обеспечивает возможность большего продления срока эксплуатации клеммных выступов в фильерном питателе.
1. Фильерный питатель, содержащий клеммные выступы (1), присоединенные к противоположным концевым стенкам (2) фильерного питателя, для нагревания фильерной пластины и стенок фильеры, причем каждый из указанных клеммных выступов содержит:
(a) электропроводящую пластину, содержащую по меньшей мере первый участок (1А), проходящий по продольной оси (X1) от первого клеммного края (1D), по существу перпендикулярного относительно указанной продольной оси (X1), и присоединенный к концевой стенке 2A фильеры, и содержащую второй, свободный, клеммный край (1С), выполненный с возможностью подсоединения к источнику питания, и
(b) по меньшей мере один удлиненный усиливающий элемент (1В), присоединенный к указанному по меньшей мере первому участку (1А) указанной пластины для увеличения момента изгиба последнего,
отличающийся тем, что
указанный по меньшей мере один удлиненный усиливающий элемент (1В) проходит от первого клеммного края (1D) пластины или примыкает к нему по направлению, не параллельному и не перпендикулярному указанной продольной оси (X1).
2. Фильерный питатель по п. 1, в котором указанный по меньшей мере один удлиненный усиливающий элемент (1В) контактирует с концевой стенкой (2А), присоединенной к первому клеммному краю (1D), и изготовлен из проводящего материала, предпочтительно материала, аналогичного материалу первого участка (1А) пластины, и предпочтительно присоединен к указанной концевой стенке (2А) и первому участку (1А) пластины посредством сварки или пайки.
3. Фильерный питатель по п. 1 или 2, содержащий по меньшей мере два удлиненных усиливающих элемента (1В), предпочтительно сближающихся друг с другом по продольной оси (X1) от первого клеммного края (1D) с образованием формы буквы V, предпочтительно, но необязательно, соединяющихся в вершине формы буквы V, или с образованием формы буквы X.
4. Фильерный питатель по п. 3, в котором каждый клеммный выступ содержит по меньшей мере три удлиненных усиливающих элемента (1В), образующих форму наклонной буквы N, предпочтительно, но необязательно, соединяющихся в каждой вершине формы буквы N, и предпочтительно содержит четыре или более удлиненных усиливающих элемента, образующих форму буквы W, или несколько примыкающих букв V, предпочтительно, но необязательно, соединяющихся в каждой вершине формы буквы W.
5. Фильерный питатель по п. 1, в котором усиливающие элементы (1В) имеют форму балок, поперечное сечение которых по существу выполнено в форме I, Τ, Γ, Π, Λ, ∩, † или ‡.
6. Фильерный питатель по п. 1, в котором все усиливающие элементы (1В) присоединены к верхней и нижней стороне первого участка (1А) пластины.
7. Фильерный питатель по п. 1, в котором второй клеммный край (1С) пластины не расположен на плоскости, определенной первым клеммным краем (1D) и продольной осью (X1), а проводящая пластина предпочтительно изогнута по линии (1F) изгиба, по существу параллельной относительно первого и второго клеммных краев (1С, 1D).
8. Фильерный питатель по п. 1, в котором каждый клеммный выступ содержит щелевое отверстие (3), содержащий:
- первый, открытый, конец, имеющий ширину WA, на втором, свободном, крае (1С) пластины, - удлиненный участок, проходящий к указанному первому краю (1D), имеющий ширину WB зазора, и
- второй, закрытый, конец (3С), отдельный от первого края (1D) клеммного выступа, имеющий изогнутую геометрию.
9. Фильерный питатель по п. 8, в котором удлиненный участок щелевого отверстия проходит по существу параллельно относительно продольной оси (X1).
10. Фильерный питатель по п. 8 или 9, в котором изгиб 1/(2R) в любом месте изогнутого второго конца (3С) щелевого отверстия предпочтительно меньше, чем ответный 1/W0, имеющий наименьшую ширину W0 зазора, первого открытого конца щелевого отверстия, WA, и удлиненного участка, WB, где R - радиус в любом месте изогнутого второго конца (3С).
