УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОЛОКОН Российский патент 2009 года по МПК C03B37/04 

Изобретение относится к производству теплоизоляционных строительных материалов, а более конкретно - к изготовлению минеральных волокон, и может найти применение в производстве ваты из силикатного расплава.

В установках для получения минеральных волокон используются разные способы формирования волокон: дутьевые, фильерные, с использованием эжекционных головок, центробежные, комбинированные. В любом случае, установки должны осуществлять расплав материала до требуемой температуры и обеспечивать достаточную для формирования волокон вязкость, которая является определяющим фактором в получении минеральных волокон высокого качества.

Известно устройство для изготовления волокон из термопластичного материала по патенту РФ на изобретение №2128149. Оно содержит плавильную печь, полый с электроприводом вал, на нижнем конце которого закреплена центрифугальная чаша с фильерным поясом на ее боковой поверхности, камеру сгорания, разделенную кольцевой перегородкой на две изолированные камеры. Для формирования волокон устройство содержит полость и сверхзвуковое сопло, редуцирующий переток в досопловый отсек в виде калиброванных по диаметру отверстий. Живые сечения редуцирующего перетока и сверхзвукового сопла соотносятся между собой как 0,3:1-3:1. Это устройство позволяет интенсифицировать процесс получения минеральных волокон, повысить производительность. Достигается это следующим образом. Под действием центробежных сил часть расплава отжимается к нижним отверстиям фильерного пояса и выдавливается в виде тонких нитей навстречу скоростному потоку высокотемпературных газов, который подвергает нити газодинамической вытяжке - утонению. Другая часть расплава отгоняется к верхним отверстиям фильерного пояса и в виде тонких струек и капель попадает под удар сжатого воздуха или газа, в котором возбуждены акустические ультразвуковые колебания большой интенсивности. Известное устройство позволяет получить из расплава тонкие и супертонкие волокна. Технологический процесс усложнен, поскольку необходимо варьировать многие параметры технологического процесса для получения определенного соотношения тонких и супертонких волокон. Недостатком устройства по патенту РФ на изобретение №2128149 является то, что оно не позволяет изменять и регулировать вязкость струи расплава, истекающей из плавильной печи. Кроме этого для получения рабочей температуры расплава при выходе его из плавильной печи (чтобы обеспечить достаточную вязкость) необходимо осуществлять его разогрев в плавильной печи до очень высоких температур, намного выше этой рабочей температуры, на что требуется очень много энергии.

Известно также устройство для получения минеральных волокон по патенту РФ на изобретение №2053207. Устройство предназначено для получения стеклянных волокон методом внутреннего центрифугирования из термопластичного вещества с высокой температурой плавления. Оно содержит корпус центрифуги с фильерами в боковой стенке, лоток для подачи расплава, установленный в центрифуге, и установленные вне центрифуги горелки. Боковая стенка центрифуги выполнена из материала, теплопроводность которого ниже 20 Втм^-1с^-1 при температуре 1000°С, или из материала теплопроводность которого ниже 10 Втм^-1с^-1 при температуре 1000°С, или из материала, коэффициент тепловой диффузии которого менее 5-10^-6 м²с^-1 при температуре 1000°С. Боковая стенка центрифуги выполнена из керамики на основе фриттированного нитрида кремния или из керамики с матрицей из карбида кремния, усиленной волокнами из карбида кремния или углерода. При этом центрифуга выполнена с защитным слоем на основе карбида кремния. Температура внутренней стенки центрифуги поддерживается более высокой, чем наружной. Устройство содержит также подвижную площадку с внешними горелками для предварительного нагрева расплава. Она извлекается, как только начинается течение расплавленного стекла. Достоинство этого устройства в том, что оно позволяет получить стеклянные волокна с высокой температурой плавления. Однако и это устройство не позволяет регулировать температуру расплава и его вязкость с момента его истечения, что сказывается на качестве получаемых волокон.

За прототип принята известная установка для переработки стеклянного расплава центробежно-фильерно-дутьевым способом (Горяйнов К.Э., Горяйнова С.К. Технология теплоизоляционных материалов и изделий: Учебник для вузов. - М.: Стройиздат, 1982. С.161-162, рис.6.32). Она содержит вращающийся полый вал, внутрь которого поступает расплав стекломассы из летки плавильной печи. На нижнем конце вала укреплено устройство для формирования волокон. Оно выполнено в виде центрифугальной чаши с фильерным на ее боковой поверхности поясом. Чаша выполнена из жаропрочных сплавов (из хромоникелевой стали). Во избежание застывания расплава и для равномерного распределения расплава по высоте фильерного пояса внутренняя полость чаши обогревается газовым факелом и чаша помещена в газовую среду, нагретую свыше 1040°. Для этого установка содержит внутренние горелки, установленные вдоль полого вала, кольцевую камеру сгорания с огнеупорной футеровкой и щелевой, направленной в сторону фильерного пояса дюзой, и внешние горелки, окружающие чашу, которые могут работать в «мягком» режиме со скоростью истечения высокотемпературного энергоносителя 10 м/с или в «жестком» режиме - свыше 30 м/с. Хотя конструкция установки по прототипу позволяет осуществить дополнительное воздействие на расплав с помощью высокотемпературного энергоносителя, она не обеспечивает равномерной температуры расплава с начала истечения его из плавильной печи, а значит и равномерной вязкости на протяжении всего пути от плавильной печи. Это связано с тем, что в прототипе отсутствует регулировка, стабилизация и поддержание необходимой температуры выходящей из плавильной печи струи расплава. Как известно, при выходе из плавильной печи струя расплава охлаждается. Для получения, например, рабочей температуры 1300°С при выходе расплава из плавильной печи, необходимо осуществить его разогрев в плавильной печи до 1800°С. Для разогрева большой массы расплава до такой высокой температуры, а также на постоянный подогрев расплава внутри чаши требуется много энергии.

Задача изобретения - повысить качество получаемых минеральных волокон и снизить энергоемкость процесса.

Технический результат от использования изобретения, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в обеспечении равномерной и достаточной вязкости расплава путем его разогрева, регулирования и поддержания необходимой и одинаковой температуры на всем пути до формирования волокон.

Технический результат достигается следующим образом.

Установка для получения минеральных волокон, содержащая, как и прототип, плавильную печь для получения расплава и устройство для формирования волокон, в отличие от прототипа согласно изобретению дополнительно содержит источник электропитания постоянного тока, выполненный с возможностью регулирования величины подаваемого напряжения, и медную воронку, установленную между плавильной печью и устройством для формирования волокон соосно с леткой плавильной печи, при этом воронка выполнена с наружной и внутренней стенками, между которыми образована кольцевая полость для подачи охлажденной воды, кроме этого воронка соединена с отрицательным полюсом источника электропитания постоянного тока, а корпус устройства для формирования волокон соединен с положительным полюсом источника электропитания постоянного тока и заземлен.

Таким образом, отличительными признаками заявляемой установки от прототипа, подтверждающими новизну устройства, заявляемого в качестве изобретения, являются следующие признаки:

- установка дополнительно содержит источник электропитания постоянного тока, выполненный с возможностью регулирования величины подаваемого напряжения;

- установка снабжена медной воронкой, установленной между плавильной печью и устройством для формирования волокон соосно с леткой плавильной печи;

- воронка выполнена с наружной и внутренней стенками, между которыми образована кольцевая полость для подачи охлажденной воды;

- воронка соединена с отрицательным полюсом источника электропитания постоянного тока;

- корпус устройства для формирования волокон соединен с положительным полюсом источника электропитания постоянного тока и заземлен.

В частных случаях устройство для формирования волокон в заявляемой установке может быть выполнено в виде центрифугальной жаропрочной чаши с фильерным на ее боковой поверхности поясом, как в прототипе, или в виде эжекционного сопла с приемным отверстием для расплава, и трубопровода для подачи под давлением пара или горячих газов, соединенного с полостью эжекционного сопла.

Медная воронка, соединенная с отрицательным полюсом источника электропитания постоянного тока, по сути, является катодом, а корпус устройства для формирования волокон, соединенный с положительным полюсом источника электропитания постоянного тока, - анодом. Поскольку расплав в жидком состоянии является электропроводным, то при включении источника электропитания образуется замкнутая электрическая цепь: воронка - струя расплава - устройство для формирования волокон. Известно, что ток в цепи несет с собой поток энергии. Он является энергоносителем, и прохождение тока через проводник сопровождается тепловыми эффектами. Поэтому, протекая по струе расплава, ток разогревает расплав. Поскольку расплав проходит через воронку, то в устройство для формирования волокон стекает тонкая струя расплава, которую легко разогреть до необходимой температуры. Причем при прохождении тока проводник равномерно разогревается по всей его длине. Следовательно, происходит равномерный разогрев расплава по длине струи расплава. Регулируя подаваемый ток, можно регулировать температуру расплава и изменять его вязкость. Поддержание одинаковой и равномерной требуемой для формования волокон вязкости расплава по длине струи положительно сказывается на качестве получаемых минеральных волокон, повышает их качество. К тому же, обеспечение достаточной вязкости расплава при его истечении из плавильной печи исключает потребность его разогрева в плавильной печи до температуры, намного превышающей рабочую температуру расплава, истекающего в устройство для формирования волокон. Не требуется дополнительной энергии и для разогрева расплава внутри устройства для формирования волокон. Все это снижает энергоемкость технологического процесса в сравнении с прототипом. Поскольку температура плавления меди меньше температуры расплава, воронка выполнена с двойной стенкой с образованием кольцевой полости, а подаваемая в полость между стенками воронки вода предотвращает разъедание воронки горячим расплавом.

В известных технических решениях разогрев расплава до требуемой вязкости осуществляется непосредственно в плавильной печи или с наружной ее стороны. Для этого, например, используется высокотемпературный энергоноситель - сжигаемый газ (аналоги, прототип). Подогрев расплава перед выпуском его на устройство формирования волокон может осуществляться горелками, расположенными перед леткой (Горяйнов К.Э., Горяйнова С.К. Технология теплоизоляционных материалов и изделий: Учебник для вузов. - М.: Стройиздат, 1982. С.141). Заявляемое устройство позволяет поддерживать постоянный температурный градиент по длине струи расплава. При этом энергоносителем в заявляемом устройстве является ток, протекающий по струе расплава. Расплав как бы сам себя разогревает. В результате достигается равномерная одинаковая вязкость по всей длине струи расплава и в устройстве для формирования волокон. К тому же эту вязкость можно регулировать за счет подаваемого тока. Заявитель по новому подошел к решению задачи, направленной на повышение качества минеральных волокон, снижение энергоемкости технологического процесса. Предложен новый путь решения поставленной задачи, не известный из уровня техники. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», поскольку оно явным образом не следует из уровня техники.

На чертеже показан общий вид заявляемой установки.

Установка содержит электрическую плавильную печь 1, воронку 2, устройство для формирования волокон 3, источник постоянного тока 4. Воронка 2 изготовлена из меди и закреплена на корпусе установки под леткой 5 плавильной печи 1. С отрицательным полюсом источника электропитания постоянного тока 4 соединена воронка 2, а с положительным полюсом источника электропитания постоянного тока - корпус устройства для формирования волокон 3. Источник постоянного тока 4 снабжен системой управления для регулирования величины подаваемого напряжения (на чертеже не показана). Воронка 2 имеет наружную стенку 6 и внутреннюю 7, между которыми образована кольцевая полость 8, в которую через отверстие 9 поступает вода для охлаждения воронки, а через отверстие 10 выводится. Устройство для формирования волокон может быть выполнено в виде эжекционного сопла с приемным отверстием для расплава и трубопроводом для подачи под давлением пара или горячих газов, соединенных с полостью эжекционного сопла, или в виде центрифугальной жаропрочной чаши с фильерным на ее боковой поверхности поясом. Возможно и иное выполнение устройства формирования волокон, не выходящее за пределы заявляемого изобретения.

Устройство может быть многократно реализовано с достижением указанного технического результата. Работа устройства заключается в следующем. Устанавливается значение тока, пропорциональное требуемой температуре нагрева истекающего из плавильной печи расплава. Включается источник электропитания 4. Для охлаждения внутренней стенки воронки 2 в полость 8 подается вода, которая постоянно циркулирует в полости. Из летки 5 плавильной печи 1 расплав через воронку 2 поступает в устройство для формирования волокон 3. Если устройство для формирования волокон выполнено как и в прототипе в виде центрифугальной чаши с фильерным на ее боковой поверхности поясом, то под действием центробежных сил поступающий расплав отбрасывается к стенкам чаши и в виде тонких струек выдавливается через фильеры. При использовании в качестве устройства для формирования волокон эжекционного сопла струя расплава в результате возникающего в сопле разряжения полностью засасывается в его приемное отверстие. В полость сопла по трубопроводу поступает пар или горячие газы. Энергоноситель движется в полости сопла с большой скоростью. Происходит раздув расплава на отдельные тонкие волокна.

Установка предназначена для производства минеральных волокон из силикатного расплава для изготовления ваты. Установка содержит плавильную печь для получения расплава, устройство для формирования волокон и источник электропитания постоянного тока. Между плавильной печью и устройством для формирования волокон соосно с леткой плавильной печи установлена водоохлаждаемая воронка. Воронка соединена с отрицательным полюсом источника электропитания постоянного тока, а корпус устройства для формирования волокон соединен с положительным полюсом источника электропитания постоянного тока и заземлен. При включении источника электропитания по расплавленной струе расплава начинает протекать ток, который разогревает ее до требуемой температуры и обеспечивает необходимую вязкость расплава. Техническая задача изобретения - обеспечение равномерной вязкости расплава за счет постоянной температуры на всем пути до формирования волокон. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Установка для получения минеральных волокон, включающая плавильную печь для получения расплава и устройство для формирования волокон, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит источник электропитания постоянного тока, выполненный с возможностью регулирования величины подаваемого тока, и медную воронку, установленную между плавильной печью и устройством для формирования волокон соосно с леткой плавильной печи, при этом воронка выполнена с наружной и внутренней стенками, между которыми образована кольцевая полость для подачи охлажденной воды, кроме этого воронка соединена с отрицательным полюсом источника электропитания постоянного тока, а корпус устройства для формирования волокон соединен с положительным полюсом источника электропитания постоянного тока и заземлен.2. Установка для получения минеральных волокон по п.1, отличающаяся тем, что устройство для формирования волокон выполнено в виде эжекционного сопла с приемным отверстием для расплава и трубопровода для подачи под давлением пара или горячих газов, соединенного с полостью эжекционного сопла.3. Установка для получения минеральных волокон по п.1, отличающаяся тем, что устройство для формирования волокон выполнено в виде центрифугальной жаропрочной чаши с фильерным поясом на ее боковой поверхности.