ФИЛЬЕРНЫЙ ПИТАТЕЛЬ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ВОЛОКНА ИЗ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 2005 года по МПК C03B7/09 

Изобретение относится к области строительных материалов, в частности к производству волокнистых строительных материалов, а именно к устройствам для получения волокна из термопластичного материала, в том числе из расплава горных пород, в частности базальтовых.

При использовании в качестве исходного сырья горных пород - базальтов, порфиритов, анфиболитов и других возникают определенные трудности, вызванные их специфическими особенностями, такими как резкое возрастание скорости и полноты кристаллизации с падением температуры расплава, быстрое охлаждение поверхностного слоя расплава, высокая его вязкость.

Известны различные направления в разработке конструкций фильерных питателей требуемой производительности для выработки волокна из расплава горных пород, направленные на более стабильное поддержание важнейших технологических параметров, таких как уровня и температуры расплава горных пород и, как следствие, его вязкости.

Ряд технических решений связан с обеспечением однородности выработочного материала за счет выравнивания температуры расплава, поступающего непосредственно в зону входного канала фильеры питателя, и направлен на усовершенствование фильерных пластин (а.с. СССР №1544729, С 03 В 37/09, пр. 17.05.88; №1573006, С 03 В 37/06, пр. 25.02.88 г.; №990698, С 03 В 37/09, пр. 16.06.80 г.; п.м. №7100, С 03 В 37/09, пр. 15.07.97 г. и др.).

Однако повышение производительности у известных питателей осуществляется за счет влияния на расплав непосредственно в зоне выработки волокна, т.е. в плоскости фильерной пластины, и при наличии в расплаве непроплавленных включений, шликеров, свилей нарушается скорость каплеобразования и, как следствие, снижается скорость вытягивания из нее нити.

Известны фильерные питатели для выработки волокна из горных пород, которые снабжены конструктивными элементами, размещенными над фильерной пластиной, распределяющими расплав в зоне его подачи с подготовкой к последующей выработке в донной части (а.с. СССР №562518, С 03 В 37/02, пр. 03.11.75 г.; №998399, С 03 В 37/09, пр. 03.09.81.; п.РФ №2016854, С 03 В 37/10, оп. 30.07.94 г.).

Однако рассекающие поверхности, разбивающие поток расплава на равные по толщине струи для получения однородного по толщине волокна, или продольные перегородки для выравнивания температуры расплава по длине фильерной пластины расположены на значительном удалении от фильерной пластины и не могут обеспечить одинаковую температуру и, как следствие, однородную вязкость расплава непосредственно на фильерной пластине и во входной зоне канала фильеры.

Известен многофильерный питатель для выработки непрерывного волокна из расплава горных пород, в котором наличие выпуклого перфорированного нагревательного экрана, установленного на большем расстоянии от продольной оси симметрии фильерной пластины и на меньшем расстоянии от крайних фильер, не позволяет равномерно прогревать расплав по ширине фильерной пластины (п. РФ №2087435, С 03 В 37/09, оп. 20.08.97).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является фильерный питатель для выработки волокна из горных пород, включающий электрообогреваемый корпус, образованный боковыми стенками, торцевыми стенками с токоподводами, перекрытием и фильерной пластиной с фильерами, имеющими каналы, загрузочную трубу, размещенный над фильерной пластиной электрообогреваемый перфорированный фильтровальный экран, жестко прикрепленный к корпусу, и электрообогреваемые перфорированные элементы жесткости, жестко прикрепленные к корпусу, фильерной пластине и фильтровальному экрану (п. Рф №9839, С 03 В 37/09, оп. 16.05.99).

Данный фильерный питатель не обеспечивает высокопроизводительную работу и высокое качество нити из-за значительных колебаний ее размеров по диаметру, т.к. не исключается возможность попадания в отдельные фильеры расплава с более низкой температурой, а следовательно, и вязкостью.

Задача, решаемая заявляемым техническим решением, заключается в повышении производительности и качества нити непрерывного волокна, а также увеличении срока службы питателя.

Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемого устройства, заключается в достижении однородной рабочей вязкости расплава у входной зоны канала фильеры, проходящего через него.

Поставленная задача решается следующим образом. В фильерном питателе для выработки волокна из горных пород, включающем электрообогреваемый корпус, образованный боковыми стенками, торцевыми стенками с токоподводами, перекрытием и фильерной пластиной с фильерами, в которых выполнены каналы, загрузочную трубу, размещенный над фильерной пластиной электрообогреваемый перфорированный фильтровальный экран, жестко закрепленный на корпусе, и электрообогреваемые перфорированные элементы жесткости, жестко прикрепленные к корпусу, фильерной пластине и фильтровальному экрану, согласно заявляемому техническому решению, у фильеры входная и средняя зоны поверхности канала образованы криволинейной поверхностью вогнутой формы, сужающейся к выполненному цилиндрическим участку канала на выходе, при этом образующая криволинейной поверхности выполнена по меньшей мере тремя радиусами: R₁ - на входе канала фильеры, R₂ - в средней части криволинейной поверхности и R₃ - на выходе к цилиндрическому участку канала фильеры с плавным переходом между ними, при этом R₃>R₂>R₁, причем высота h криволинейного участка канала составляет 0,48-0,63 высоты Н фильеры, а отверстия в фильтровальном экране выполнены диаметром, равным 0,92-0,96 выходного диаметра фильеры.

Помимо этого, входная и средняя зоны поверхности канала фильеры могут быть образованы по меньшей мере тремя усеченными конусами, обращенными большими основаниями в сторону фильтровального экрана, углы конусности которых составляют: 130 - на входе канала фильеры, 74 - в средней части криволинейного участка канала и 30 - на выходе к цилиндрическому участку канала.

При этом перекрытие питателя выполнено за одно целое с верхней частью боковых стенок и своей верхней плоскостью наклонено к плоскости фильтровального экрана под углом 2,5°-3°, а угол между верхней плоскостью перекрытия и торцевой стенкой составляет 105°-108°.

Кроме того, элемент жесткости выполнен в форме перевернутой равнобедренной трапеции, у которой длина нижнего основания составляет 0,35-0,40 длины верхнего основания.

Кроме всего, фильерная пластина выполнена за одно целое с нижней частью боковых стенок.

Выполнение фильер с каналами, у которых входная и средняя зоны поверхности образованы криволинейной поверхностью вогнутой формы высотой h, равной 0,48-0,63 высоты Н фильеры, сужающейся к цилиндрическому участку канала на выходе, образующая которой может быть выполнена по меньшей мере тремя радиусами определенных размеров, установленных экспериментально, или выполнение входной и средней зон поверхности канала фильеры по меньшей мере тремя усеченными конусами, обращенными большими основаниями в сторону фильтровального экрана, имеющими определенные углы конусности, установленные также экспериментально, необходимо и достаточно для обеспечения на всем протяжении канала параболического распределения скорости движения потока расплава, характерного для ламинарного режима потока вязкой жидкости, что позволяет значительно повысить скорость вытяжки нити и увеличить производительность. Кроме того, параболическое распределение скорости движения потока расплава создает условия для равномерного распределения деформации поверхности канала фильеры и значительно меньшему ее износу, что повышает срок эксплуатации питателя, а также повышает качество нити. При выполнении криволинейного участка поверхности канала h менее 0,48 высоты Н фильеры не будет обеспечено параболическое распределение скорости движения потока расплава, а при его высоте h более 0,63 высоты Н фильеры - малой протяженности цилиндрического участка канала фильеры будет недостаточно для формирования нити высокого качества. Выполнение отверстий в фильтровальном экране диаметром, равным 0,92-0,96 выходного диаметра фильеры, необходимо и достаточно для обеспечения подачи расплава подготовленной рабочей вязкости в зону выработки и во входную зону канала фильеры, поэтому улучшаются условия истечения расплава, что снижает обрывность нитей и повышает производительность питателя.

При этом выполнение перекрытия фильерного питателя за одно целое с верхней частью боковых стенок и экспериментально найденные величины углов наклона его верхней плоскости к плоскости фильтровального экрана, равные 2,5°-3,0°, и угла между верхней плоскостью перекрытия и торцевой стенкой, равного 105°-108°, предотвращает скапливание образовавшихся пузырьков газа в верхней зоне у торцов питателя, в результате чего исключается образование агрессивной среды и перегрев стыков между перекрытием и торцевыми стенками и между перекрытием и боковыми стенками, тем самым обеспечивается равномерная температура по всему корпусу, способствуя равномерному нагреву расплава и стабильному процессу, а следовательно, и повышению производительности и увеличению срока службы питателя из-за отсутствия зон его перегрева.

Помимо этого, при выполнении перфорированных элементов жесткости в форме перевернутой равнобедренной трапеции, у которой длина нижнего основания составляет 0,35-0,4 длины верхнего основания, создается больше условий для перетекания расплава по длине фильерного питателя из одного отсека в другой и обратно, что исключает возможность перегрева расплава в зонах его контакта с элементами корпуса в зоне выработки и возможность попадания расплава различной вязкости в канал фильеры, что положительно влияет на качество нити и на производительность. При меньшем, чем 0,35 соотношении длин оснований элемента жесткости, не будет обеспечена необходимая жесткость конструкции для предотвращения деформации фильтровального экрана, а большее, чем 0,4 соотношение длин его оснований, экономически нецелесообразно из-за перерасхода дорогостоящего металла, а также уменьшения проходного пространства для перетекания расплава из отсека в отсек и обратно.

Выполнение фильерной пластины за одно целое с нижней частью боковых стенок исключает наличие сварных швов и обеспечивает равномерное распределение температуры по всему нижнему объему фильерного питателя, равномерный нагрев расплава и однородную его вязкость, способствуя увеличению производительности питателя и срока его службы.

Наличие отличительных от прототипа существенных признаков позволяет признать заявляемое устройство новым.

Из уровня техники не выявлены технические решения, сходные с отличительными признаками заявляемого устройства, поэтому оно соответствует критерию изобретательского уровня.

Возможность осуществления заявляемого технического решения в промышленности позволяет сделать вывод о его соответствии критерию промышленной применимости.

На фиг.1 представлено заявляемое устройство в разрезе; на фиг.2 - вид сбоку на фиг.1 с разрезом, на фиг.3 - узел I на фиг.1 - выполнение входной и средней зон поверхности канала фильеры криволинейной поверхностью вогнутой формы; на фиг.4 - выполнение входной и средней зон поверхности канала фильеры тремя коническими поверхностями.

Фильерный питатель для выработки волокна из горных пород включает электрообогреваемый корпус, образованный выполненными за одно целое с перекрытием 1 верхней частью боковых стенок 2, торцевыми стенками 3 с токоподводами 4, и фильерной пластиной 5, выполненной за одно целое с нижней частью боковых стенок 2, а также загрузочную трубу 6. В фильерной пластине 5 выполнены фильеры 7 с внутренним каналом, у которого входная и средняя зоны 8 поверхности образованы криволинейной поверхностью вогнутой формы, образующая которой выполнена тремя радиусами: R₁=0,8 мм, R₂=2,4 мм и R₃=6,9 мм, по форме, близкой к поверхности псевдосферы, сужающейся к цилиндрическому участку канала выходной зоны 9 и имеющая минимальный диаметр, равный диаметру цилиндрического участка. Длина цилиндрического участка составляет 0,47 от высоты фильеры. Внутри корпуса над фильерной пластиной 5 размещен обогреваемый перфорированный фильтровальный экран 10, жестко закрепленный на корпусе и жестко соединенный с фильерной пластиной 5 по меньшей мере тремя обогреваемыми элементами жесткости 11, выполнеными в форме перевернутой равнобедренной трапеции, у которой длина нижнего основания составляет 0,38 длины верхнего основания. Элементы жесткости 11 также жестко прикреплены к корпусу. Перекрытие 1 наклонено к плоскости фильтровального экрана 10 под углом 2,5°, а угол между торцевой стенкой 3 и верхней поверхностью перекрытия 1 составляет 106°. Отверстия в фильтровальном экране 10 имеют диаметр, равный 0,93 диаметра выходной зоны канала 9 фильеры 7. Как вариант, входная и средняя зоны 8 поверхности канала фильеры 7 могут быть образованы тремя усеченными конусами, обращенными большими основаниями в сторону фильтровального экрана 10, поверхности которых плавно переходят одна в другую, угол конусности которых составляет 130° - во входной части поверхности 8, 74° - в средней части этих зон и 30° - на выходе поверхности 8 к зоне 9 канала цилиндрической формы.

Устройство работает следующим образом.

Расплав горных пород поступает в корпус через загрузочную трубу 6, попадает на обогреваемый фильтровальный экран 10. За счет фильтровальной способности экрана 10 при прохождении через его отверстия, а затем и между элементами жесткости 11 с частичным перетеканием расплава из отсека в отсек и обратно слой расплава практически не изменяет свою температуру и распределяется равномерно по всей поверхности фильерной пластины 5 и, проходя через обогреваемые входной и средний участки 8 канала, а затем через цилиндрический участок 9 канала фильеры 7 формируется в нить.

В таблице приводим пример показателей работы предлагаемого устройства для выработки волокна из базальта. Технические преимущества заявляемого устройства выявляем по сравнению с известными техническими решениями той же задачи с указанием имеющихся в наличии их конкретных данных, в том числе и с наиболее близким аналогом. Из таблицы видно, что наличие новых конструктивных решений выполнения элементов питателя и нового соотношения их размеров позволяет повысить производительность питателя на 15%-20% и срок эксплуатации на 12%-16%.

Таблица
Показатели заявляемого и известных фильерных питателей для выработки волокна из горной породы - базальта№
п/пТехнические характеристики (ед. измер.)П. РФ 2031867П. РФ
2087435А.с. СССР 990698П. РФ 9839Заявляемый питатель1Тип фильерного питателя (кол-во фильер)400--340260-4202Производительности (кг/сут) при толщине волокна      -54150  220220-350 -120220  250250-3803Обрывность волокна (обр/кг)-менее 432менее
24Срок службы (сутки)125137155182210

Изобретение направлено на повышение производительности, качества нити непрерывного волокна и увеличение срока эксплуатации устройства. Фильерный питатель содержит обогреваемый корпус, образованный выполненными за одно целое с перекрытием боковыми стенками, торцевыми стенками с токоподводами и фильерной пластиной с фильерами, выполненной за одно целое с нижней частью боковых стенок. Корпус снабжен загрузочной трубой. Входная и средняя зоны канала фильеры образованы криволинейной поверхностью вогнутой формы, сужающейся к цилиндрическому участку канала фильеры на выходе, образующая которой выполнена тремя радиусами неравной величины. Внутри корпуса над фильерной пластиной размещен обогреваемый перфорированный фильтровальный экран, жестко закрепленный на корпусе и жестко соединенный с фильерной пластиной тремя обогреваемыми элементами жесткости, жестко прикрепленными к корпусу и выполненными в форме перевернутой равнобедренной трапеции, у которой длина нижнего основания составляет 0,38 длины верхнего основания, а диаметры отверстий в нем равны 0,93 диаметра выходного канала фильеры. Перекрытие наклонено к плоскости фильтровального экрана под углом 2,5°, а угол между торцевой стенкой и верхней плоскостью перекрытия составляет 106°. Входная и средняя зоны поверхности канала фильеры также могут быть образованы тремя усеченными конусами, плавно переходящими один в другой, угол конусности которых составляет 130° - на входе канала, 74° - в средней части этих зон и 30° - на выходе к цилиндрическому участку канала фильеры. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Фильерный питатель для выработки волокна из горных пород, включающий электрообогреваемый корпус, образованный боковыми стенками, торцевыми стенками с токоподводами, перекрытием и фильерной пластиной с фильерами, в которых выполнены каналы, загрузочную трубу, размещенный над фильерной пластиной электрообогреваемый перфорированный фильтровальный экран, жестко закрепленный на корпусе, и электрообогреваемые перфорированные элементы жесткости, жестко прикрепленные к корпусу, фильерной пластине и фильтровальному экрану, отличающийся тем, что у фильеры входная и средняя зоны поверхности канала образованы криволинейной поверхностью вогнутой формы, сужающейся к выполненному цилиндрическим участку канала на выходе, при этом образующая криволинейной поверхности выполнена по меньшей мере тремя радиусами, равными R₁ - на входе канала фильеры, R₂ - в средней части криволинейной поверхности и R₃ - на выходе к цилиндрическому участку канала фильеры, с плавным переходом между ними, при этом R₃>R₂>R₁, высота h криволинейного участка составляет 0,48-0,63 высоты Н фильеры, а отверстия в фильтровальном экране выполнены диаметром, равным 0,92-0,96 выходного диаметра канала фильеры.2. Фильерный питатель по п.1, отличающийся тем, что входная и средняя зоны поверхности канала фильеры образованы по меньшей мере тремя усеченными конусами, обращенными большими основаниями в сторону фильтровального экрана, углы конусности которых составляют 130° - на входе канала фильеры, 74° - в средней части криволинейного участка канала и 30° - на выходе к цилиндрическому участку канала фильеры.3. Фильерный питатель по п.1, отличающийся тем, что перекрытие выполнено за одно целое с верхней частью боковых стенок и своей верхней плоскостью наклонено к плоскости фильтровального экрана под углом 2,5-3,0°, а угол между торцевыми стенками и верхней с плоскостью перекрытия составляет 105-108°.4. Фильерный питатель по п.1, отличающийся тем, что элемент жесткости выполнен в форме перевернутой равнобедренной трапеции, у которой длина нижнего основания составляет 0,35-0,40 длины верхнего основания.5. Фильерный питатель по п.1, отличающийся тем, что фильерная пластина выполнена за одно целое с нижней частью боковых стенок.