Фильера для вытягивания стекловолокна

 

1. ФИЛЬЕРА ДЛЯ ВЫТЯГИВАНИЯ СТЕКЛОВОЛОКНА, выполненная в виде пластины с плоской нижней поверхностью со сквозными отверстиями , отличающаяся, тем, что, с целью повышения производительности , на нижней поверхности пластины выполнены по крайней мере две группы параллельных канавок, причем канавки одной группы пересекаются с канавками другой группы с образованием участков, в каждом из которых выполнено одно отверстие . О) со о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(5Р С 03 В 37/09

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ .

Ф ° у,."

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ.3 ( (21) 2762799/29-33. (22 07.05 ° 79 (31 54192/78 .(32) 08.05.78 (33) Япония (46) 15.12.83

Бюл. В 46 (72) Хироаки Соно, Тосно Нодзи и Синзо Исикава (Япония) (71) Нитто БосеКи Ко.i ЛТД (Япония) (53) 666.189.212(088.8) (56) 1. Патент CtdA 9 3905790, кл. 65- 2, опублик. 1977 (прототип).

„„SU „„,1 061696 A (54)(57) . 1. ФИЛЬЕРА ДЛЯ ВЫТЯГИВАНИЯ СТЕКЛОВОЛОКНА, выполненная в виде пластины с плоской нижней поверхностью со сквозными отверстиями, отличающаяся . тем, что, с целью повышения производительности, на нижней поверхности пластины выполнены по крайней мере две .группы параллельных канавок, причем канавки одной группы пересекаются с канавками другой группы с образованием участков, в каждом из которых выполнено одно отверстие.

106

2. Фильера по п. 1, о т л ич а ю щ а я с я тем, что группы канавок пересекаются друг с другом под пряизм углом.

3. Фильера по и. 1, о т л и-. ч а ю щ а я с я тем, что на нижней поверхности выполнены три группы канавок, пересекающиеся друг с другом под углом 60, причем участкитреугольной формы.

4.. Фильера по пп. 1-3, о т л ич а ю щ а я с я тем, что канавки

1696 выполнены с прямоугольным поперечным сечением.

5. Фильера по . пп. 1-3, о т— л и ч а ю щ а я с я тем, что канавки выполнены с треугольным попереч« ным сечением.

6. Фильера по пп. 1-3, о т л ич а ю щ а я.с я тем, что канавки выполнены с перевернутым И-образным поперечным сечением.

Изобретение относится к производству стеклянного волокна, а более конкретно к усовершенствованию фильеры такого типа, которая имеет плоскую нижнюю поверхность.

Фильеры для втулок, предНазначенных для вытягивания стекловолокна, могут быть классифицированы в основном на два типа. Перный тип - это фильеры с множеством отверстий, выходящих на плоскую нижнюю поверхность фильеры. Другой тип - это фильеры, имеющие отверстия с насадкой, т.е. каждое отверстие заканчивается направленным вниз насадком, выступающим от нижней поверхности фильеры.

Первый тип фильеры выгоден тем, то он очень прост в изготовлении, но при его использовании ныработка стекловолокна на одну фильеру не может быть повышена сверх определенного предела, так как при увеличении плотности расположения обыкновенных отверстий выше определенного предела конусы расплавленного стекла, образованные у соседних отверстий на нижней поверхности фильеры, стремятся слиться, затрудняя вытягивание стекловолокна.

Достоинством фильеры второго ти» па является то, что плотность . расположения отверстий может быть увеличена, поскольку отверстия с . насадком предотнращают слияние расплавленного стекла, ныходящего из соседних отверстий, благодаря чему можно избежать заливки нижней поверхности фильеры расплавленным стеклом. Однако и здесь существует предел увеличения плотности расположения отверстий,так как при увеличении плотности расположения отверстий выходящее из отверстия расплавленное стекло поднимается по наружной стенке насадка и соединяется с расплавленным стеклом, вы40 ливает снижение производительности. Обычно разрын происходит вследствие наличия инородных веществ в расплавленном стекле (воздушные пузырьки, полоски или струи, нерасплавленные вещества, частицы огнеупорного материала и .т.п.).

Это относится и к случаю, когда используют фильеры с отверстиями, снабженными насадками. При нытягнтекающим иэ соседних отверстий.

Для предотвращения этого явления между рядами насадков размещают охлаждаемые водой ребра или трубки для циркуляции охлаждающей воды, чтобы охлаждать выходящее иэ отверстий расплавленное стекло. 8 результате шаг отверстий с насадком, т.е. межцентровое расстояние между со10 седними отверстиями, также ограничи° вается. Например, шаг отверстий

3,5-5 мм на участках без охлаждающих ребер и 5,5-10,0 мм на участках с охлаждающими ребрами. Следовательно, известные фильеры с насадками имеют среднее число отверс, тий 400-800 и максимальное 2000. .Кроме того, изготовление фильер с . .насадками янляется сложным, что. обусловливает.их высокую стоимость.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является фильера для вытягивания стекловолокна, выполненная в виде пластины с плоской нижней поверхностью со сквозными отверстиями. Используемая при этом фильера обычно имеет толщину 1,010,0 .мм и 2000-6000 отверстий с шагом 1,50-4,00 мм (17.

З0 Однако несмотря на то, что устройство обеспечивает высокую проиэводительность при получении стекловолокна диаметром более 1 мкм, при вытягивании часто случается разрыв

35 элементарных волокон, что обуслов106 1696 вании стекловолокна одного и того же диаметра из одинакового расплава стекла частота разрывов выше при использовании фильер с тесно расположенными отверстиями, чем при использовании фильер с насадками.

Первая причина состоит в том, что вследствие разницы в температурных условиях расплавленного стекла и .в длине отверстий даже при вытягива-, нии стекловолокна одного и того же диаметра из одного и того же расплава .диаметр отверстий фильер с, тесно .расположенными отверстиями, должен быть сделан, меньшим, чем у фильер с насадками (обычно первый составляет 0,9-1,8 мм, что эквива-, лентно 1/2 — 7/10 последнего). В результате конусы расплавленного стекла при использовании фильеры с. тесно расположенными отверстиями меньше по размеру, чем при использовании фильеры с насадками, так что отношение площади поверхнос ти к объему конуса расплавленного стекла больше при использовании фильеры с тесно расположенными от« верстиями,.чем при использовании фильеры с насадками. Следовательно, вероятность выходящих на поверх". ность инородных веществ в конусах расплавленного стекла выше при использовании фильеры с тесно расположенными отверстиями, чем с насадками. Поскольку разрыв элементарных волокон приписывают влиянию инородных веществ, выходящих на поверхность конуса расплавленного стекла, а не тех, что находятся внутри конуса, частота. разрывов элементарных волокон выше при использовании фильеры с тесно расположенными отверстиями, чем при . использовании. фильеры с насадками.

Вторая причина состоит в том, что струи воздуха, направленные на нижнюю поверхность фильеры, могут обеспечить более эффективное охлаждение, чем охлаждающие ребра,,предусмотренные на фильере с отверстиями, снабженными насадком..То есть, когда струи охлаждающего воздуха обдувают конусы расплавленно=

ro стекла, ойи не только охлаждают. указанные конусы, но и удаляют газы, обволакивающие их, в результате чего может быть повышена эффективность охлаждения. В результате, поверхность конуса расплавленного стекла .может быть покрыта слоем стекла очень высокой вязкости, .так .что при вытягивании конуса расплавленного. стекла в волокно немногие воздушные пузырьки, находящиеся в поверхностном слое, могут стать дефектами и волокно может легко рваться.

Цель -изобретения — повышение производительности.

Поставленная. цель достигается тем в фильере для вытягивания стекловолокна, выполненной в виде плас5. тины с гладкой нижней .поверхностью со сквозными отверстиями, на нижней поверхности пластины выполнены по крайней мере две группы параллельных канавок, причем канав30 ки .одной группы пересекаются с канавками другой Группы с образо- ванием участков, в каждом из которых выполнено одно отверстие.

Группы канавок пересекаются друг

)5 с другом под прямком углом.

На нижней поверхности выполнены три группы канавок, пересекающиеся друг с другом под углом 60, при-. чем участки треугольной формы.

Канавки выполнены с прямоугольным поперечным сечением.

Канавки выполнены с треугольным сечением.

Канавки выполнены с перевернутым

"-образным поперечным сечением.

На фиг. 1.показано устройство, содержащее фильеру для вытягивания стекловолокна, продольный разрез> фиг. 2 — фильера, вид- снизу;

Фиг. 3 — то же, в увеличенном масштабе фиг. 4 — разрез A-A на фиг.3., фиг. 5-7 — виды аналогичные фиг. 4, варианты изобретения.

Расплавленное стекло 1 с высокой температурой, переплавленное и очищенное в форкамере,течет через отверстие в огнеупоре 2 и через сетку 3 во втулку 4. Через втулку 4 с высокой скоростью протекает ток низкого напряжения, нагревая втулку, 40 благодаря чему поддерживается заданная температура расплавленного стекла. Температуру втулки 4 постоян-. но контролируют посредством подходящего датчика температуры (не по45 казан) для обеспечения регулирования с обратной связью электричества, подводимого к втулке 4.

Расплавлейное стекло течет через множество сквозных отверстий 5 в

50 фильере б с плоской нижней поверхностью, которая установлена в нижней части втулки 4, в атмосферу и формируется в конусы.у отверстий на нижней поверхности фильеры б.

55 Вращающаяся бобина 7 обеспечивает приложение к образованным конусам сил натяжения, в результате чего происходит вытягивание стеклянных волокон, которые, пройдя по ролику

8 для нанесения связующего вещества и по.собирающей колодке 9, образуют пучок 10, наматываемый че-. рез нитераскладчик 11 на бобину 7.

На фиг. 2 показан вид снизу (A-A на фиг. 1) одного из вариантов

1061696

40

60 фильеры 6 по изобретению. Фильера

6 сделана из платинового сплава такого, как платинородиевый сплав или платинозолотопалладиевый сплав.

На нижней поверхности фильеры б выполнено много продольных и поперечных параллельных канавок 12, окружающих отверстия 5, причем выход

13 каждого отверстия 5 расположен в центре нижнего торца четырехгранной призмы (фиг. 3 и 4). На фиг. 4 показаны канавки 12 прямоугольного сечения. В соответствии с другим. вариантом канавки могут иметь перевернутое U- или Ч-образное сечение (фиг. 5 или 6).

Фильера выгодна тем, что,даже

rðè очень малом шаге отверстий, который невозможен в традиционных фильерах с плоской нижней поверхностью из-за того, что полученный на выходе каждого отверстия конус расплавленного стекла соединялся бы с соседним конусом и поэтому не мог бы быть сформирован в стекловолокно, каждый конус не может распространяться через канавку 12, благодаря чему предотвращается соединение его с соседним конусом. В соответствии с настоящим изобретением, следовательно, плотность расположения отверстий может быть увеличена до такОй степени, как у известной фильеры с насадками, даже в случае отсутствия дутья охлаждающего воздуха на фильеру. Кроме того, фильера может быть получена очень простым способом: достаточно прорезать канавки на плоской нижней поверхности фильеры. Это преимущество по сравнению с известными фильерами с насадками.

Однако при наличии фильеры с тес-но расположенными отверстиями, нельзя избежать того, что расплавленное стекло, выходящее из выхода 13 каждого отверстия 5, перетекает поверх окружающей кромки 14 (см. фиг. 4) нижнего торца призмы в канавку 12, пройдя канавку 12, течет к соседним призмам и в результате заливает нижнюю поверхность фильеры.

Следовательно, для того чтобы удержать отдельные конусы расплавленного стекла, выходящего иэ всех отверстий, нужно также направлять струи воэдуха на нижнюю поверхность фильеры как и в известном устройстве.

Ряд воздушных сопел 15 для выдувки струй воздуха на нижнюю поверхность фильеры б установлен на стойке 16, которая служит для регулировки их оптимального положения и угла установки. Объем воздушных струй, ударяющих в фильеру, может быть значительно уменьшен по сравнению с известной фильерой с густа расположенными отверстиями, не имеющей канавок на нижней поверхности.

Для получения фильеры с тесно расположенными отверстиями, имеющей указанный шаг отверстий, требуемый результат получают от канавок 12, имеющих ширину 0,3-3,0 мм и глубину 0,4-4,0 мм. При ширине канавок менее 0,3 мм поверхностное натяжение расплавленного стекла преодолевает влияние, оказываемое канавками 12 для разделения отдельных конусов расплавленного стекла.

Например, при разрыве одного из стеклянных волокон, вытягиваемых из отверстий, расплавленное стекло, выходящее из отверстия, соответствующего разорванному, волокну, немедленно разливается к окружающей кромке 14, обращаясь в капельку, которая сразу же входит в контакт и соединяется с соседним конусом расплавленного стекла. Когда ширина канавки превышает 3,0 мм, конусы расплавленного стекла могут удерживаться отдельно друг от друга даже без обдувки нижней поверхности фильеры струями воздуха.

При глубине канавок менее 0,4 мм удовлетворительное разделение конусов расплавленного стекла может быть обеспечено, когда фильера относительно нова. Однако после длительного периода работы канавки 12 деформируются вследствие испарения сплава, составляющего фильеру, в результате чего требуемые результаты не могут быть получены. Когда глубина канавок превышает 4,0 мм, обработка таких глубоких канавок затруднена.

При использовании известной фильеры с тесно расположенными от в ерстиями, не имеющей канавок, с обдувкой нижней поверхности струями воздуха установлено, что.следует поддерживать динамическое давление воздушных струй в пределах

12-25 мм Н О при измерении на нижней поверхности фильеры и общий расход воздуха, например, 1,22,5 м /мин для фильеры с 2000 от3 верстий. При этом устойчивое разделение конусов расплавленного стекла может быть сохранено благодаря сильному охлаждению воздухом, а также направленной вниз силе вытягивания, прилагаемой к каждому конусу расплавленного стекла. При отсутсТВНр..ñèëû вытягивания или уменьшении охлаждения может увеличиться смачивание фильеры из платинового сплава, расплавленным стеклом, в результате конус расплавленного стекла может осесть и распространиться к соседнему конусу, сливаясь с ним, 1061696 причем такое слияние может. распрост+ раняться дальше по фильере„ Следовательно, известную фильеру необходимо сильно охлаждать, чтобы температура поверхности конусов расплавленного стекла была относительно низкой, а их вязкость весьма высокой. Кроме того, в результате сильного охлаждения конусы расплавленного стекла имеюг небольшой размер.

При этих условиях, когда внутри конуса расплава вблизи его поверхности, которая имеет высокую вяз, кость, появятся мелкие пузырьки воздуха и/или струи они, не имея выхода наружу, вызовут поверхностные дефекты, в результате конус. расплавленного стекла имеет тенденцию к легкому оседанию. Чем меньше диаметр получаемого стекловолокна, тем больше увеличивается указанная тенденция и тем чаще происходит разрыв элементарных волокон. По этим причинам невозможно вытягивать тонкие стеклянные волокна диаметром менее 13 мкм через известную фильеру.

В фильере по изобретению, в которой выход 13 каждого отверстия окружен канавками 12, тенденция кону сов расплавленного стекла к слиянию, может быть уменьшена. Когда смачивание фильеры расплавленным стеклом увеличивается и расплавленное стекло распространяется по всей нижней торцовой поверхности каждой призмы, оно не имеет достаточной поверхностной энергии для подъема по вертикальной стенке канавки и слияния с расплавленным стеклом, разливающимся по нижней торцовой поверхности соседней призмы. По этой причине объем охлаждающего воздуха, необходимый для предотвращения

Ь. слияния, может быть значительно. уменьшен по сравнению с известной .фильерой без канавок. Более того, даже когда пропадает сила вытягивания, приложенная к каждому кону- су„ конусы расплавленного стекла можно удерживать отделенными друг от друга с меньшим количеством-охлаждающего воздуха.

С целью сравнения проводят. эксперименты с фильерой по изобретению, имеющей 2000 отверстий, разделенных канавками, при давлении воздушных струй в диапазоне 5-15 мм

Н20. Расход в пределах 0,6=.

1,4 мэ/мин достаточен для удовлетворительного проведения вытягивания .стекловолокна. При использовании известной фильеры расход доЛжен составлять 1,2-2,5 м /мин с тем, чтобы создать динамическое давление 12-25 мм Н О и у нижней

2 поверхности фильеры. Таким образом,, в соответствии с изобретением объем воздуха, необходимого для охлаждения фильеры, может быть уменьшен, температура поверхности конусов расплавленного стекла будет относительно высокой и поверхностная вязкость относительно низкой.

В результате воздушные пузырьки и/или струи могут быть .как следует удалены с поверхности, конус рас10 плавленного стекла будет иметь, гладкую поверхность и частота разрывов элементарных волокон может быть заметно уменьшена. Например, при вытягивании элементарных стеклянных волокон диаметром 13-10 мкм через известную фильеру разрывы элементарных волокон происходили часто и, следовательно, производительность была очень низкой. При использовании фильеры по изобретению частота разрывов элементарных волокон упала до минимума.,Кроме того, элементарные стеклянные волокна могут быть вытянуты до диаметра 7-5 мкм

В отличие От известной фильеры фильеры по изобретению выгодны тем, что в начале операции вытягивания стекловолокна или. в случае разрыва всех вытягиваемых волокон операция разделения расплавленно стекла на отдельные конусы может быть значительно облегчена. Разд ление расплавленного стекла, вых дящего из отдельных отверстий, осуществляют в несколько этапов.

Регулируют температуру расплав ленного стекла во втулке так, чт бы она стала на 20-60ОС ниже темп струями воздуха. При этом в локальной зоне фильеры, где сосредоточены .воздушные струи, начинается раз50 деление расплавленного стекла на отдельные волокна.

Когда произойдет разделение. расплавленного стекла, объем струй воздуха постепенно увеличивают с одновременным увеличением температуры

55 расплавленного стекла внутри втулки.

Направляют сильную воздушную струю, выходящую из воздушной пики, на ту часть расплавленного стекла, которая все еще остается слившей ся в локальной зоне нижней поверхности фильеры, в результате чего

60 разделение з аканчива ется.

65 го еооературы расплавленного стекла, поддерживаемой во время нормальной операции вытягивания. Цель этого этапа — уменьшение степени смачивания между расплавленным стеклом и фильерой.

Вязкую массу расплывшегося по

45 нижней поверхности фильеры расплавленного стекла захватывают клещами и тянут вниз при одновременной обдувке нижней поверхности фильеры

1061696

Шаг Отверстий, мм

2,00

2,30

Ширина канавок мм

0,70

Глубина канавок мм

0,50

Скорость вытягивания, г/мин

906

900

Число разрИвов

Волокон, раэ/ день, диаметром, мкм

4,9 4,5

6,3 ° 6,5

24 10

13

Время разделения при полностью залитой расплавом фильере, мин

4,5

1.,5

Число втулок на оператора

Расход охлаждающего воздуха, м >/мин

2,0

Пример 2.. С использованием фильер, имеющих каждая по 2000 отверстий, вытягивают относительно томские стеклянные волокна.

Пример 3. С использованием фильер, имеющих каждая по 1600 отверстий, вытягивают более тонкие волокна.

Прототип Изобретение

Диаметр отверстий, мм

1,15 1 15

Толщина фильеры, мм

2,00

2,00

Шаг отверстий, 2,30

2,30

Ширина канавок, мм

0,80

Глубина канавок, MM

0 50

Скорость вытягивания, г/мин

750

750

Число разрывов волокон, раз/день диаметром, мкм

9,2

150

1,20

Диаметр отверс ий, мм

То.ишина фильерн, мм

1,20

13,1

Время разделения

65 при полностью эа2,00

2,00

Во время этих этапов невозможно поддержание равномерной эпюры распределения температур по фильере из-за того, что протекающий через втулку электрический ток меняется и полу-чается разница в изменении температуры между несколькими локальными зонами фильеры, и температура в той зоне фильеры, где .Расплавленное стекло, выходящее из отверстий, разделено на волокна, отличается от 30 температуры в другой зоне, в которой расплавленное стекло, выходящее из отверстий, все еще остается слившимся. Такая неравномерная эпюра распределения температур затрудняет разделение расплавленного стекла, потому что расплавленное стекло, выходящее из отверстий с высокой температурой, стремится к слиянию, а расп,лавленное стекло,.выходящее из отверстий, имеющих низкую температуру, имеет тенденцию затвердевать, приводя к закупориванию отверстий.

Таким образом, известная фильера требует много времени и труда на операцию разделения расплавленного стекла. Поэтому необходимо постоянно контролировать процесс формирования стеклянных волокон во время операции вытягивания с тем, чтобы быстро обнаружить разрыв одного иэ стеклянных волокон, прежде чем произойдет разрйв всех .волокон, это облегчит операцию разделения.

Поэтому число втулок, обслуживаемых одним оператором, ограничивают тремя,в случае, если фильера каждой" втулки имеет 2000 отверстий.

Однако при использовании фильеры, имеющей отверстия, отделенные друг от друга продольными и поперечными канавками в соответствии с изобретением, нет нужды изменять температуру втулки и объем воздуха, выдуваемого на нижнюю поверхность фильеры, во время операции разделения расплавленного стекла,и, кроме того, разделение может происходить пО всей нижней поверхности одновременно.

В результате разделение может быть осуществлено просто и за очень ко- 50 роткое время, так что контроль разрыва волокон может быть исключен и число операторов может быть уменьшено.

Пример 1. С использованием 55 фильер, имеющих каждая по 2000 отверстий, вытягивают стеклянные во,локна сравнительно больших диаметров. Прототип Изобретение я) 1061696

12 литой расплавом фильере, мин

Число втулок на оператора

Расход охлаждающего воздуха, м /мин 1,7

1,0

Изобретение

Прототип

Диаметр отверстий, мм

1.10

Толщина фильеры, мм

3,40

Шаг отверстий, мм

2,20

Ширина канавок, юе

0,90 1,50

2,50

1,50

Вытягивание невозмож- но 400 .200

7,8

Время разделе- . ния при полнос- Раэделетью залитой ние нерасплавом воэможфильере, мии но

4 5

Число втулок на оператора

Расход охлаждающего воздуха, м Э/ í

0,7 - 0 5

При использовании известных фи- льер беэ канавок, когда скорость

Глубина- канавок, мм, !

Скорость вытягивания, г/мин

Число разрывов волокон в день диаметром, мкм

1,10 1,05

3,40 5,60

2,20 2, 90 вытягивания уменьшают, соответственно уменьшается количество тепла, переносимого на нижнюю сторону фильеры, расплавленным стеклом, вытягиваемым через отверстия фияьеры, так что даже когда расход охлаждающего воздуха остается неизменным, фильера переохлаждается до такой :степени, что расплавленное стекло затвердевает на фильере, закупоривая ее от10 .верстия. Но при уменьшении расхода не происходит разделения слившегося расплавленного стекла на волокна.

Таким образом, когда скорость вытягивания падает ниже определенного

15 предела, разделение становится невозможным.. Разделение невозможно, если скорость вытягивания на одно отверстие меньше 0,2 г/мин. Но при использовании фильеры с канавками

2р по изобретению даже при низкой скорости вытягивания и при низком расходе охлаждающего воздуха расплавленное стекло в канавках может вы .ходить из канавок на участок нижней поверхности, окружающий выход каждого отверстия, так что разделение расплавленного стекла может быть осуществлено.

Зр При использовании изобретения в плоских фильерах, каждая из которых имеет большое количество густо расположенных отверстий и на которую направлены струи охлаждающего

35 воздуха, разделение и вытягивание становится возможными даже при такой низкой скорости вытягивания, при которой разделение и вытягивание с йспользованием известных

40 фильер невОзможны. Кроме того, время, необходимое для разделения расплавленного стекла,.может быть значительно уменьшено. В случае вытягивания более тонких стеклянных волокон частота рызрывов: элементарных волокон может быть уменьшена до минимума. Кроме того, достигается экономия труда и уменьшение рас"хода охлаждающего воздуха.

1061696

/Р

g)us 5.Филиал ППП "Патент", г. ужгород гул.Проектная 4:

Уие 7

t ! у б.I

t. /Р

Фиа6

ВНИИПИ Заказ 11371

Тираж 486 Подписное