Устройство для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья
Изобретение относится к производству непрерывного волокна из базальтового сырья, в частности к конструкции фильерного питателя, и может быть использовано на заводах отрасли по производству волокна.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение качественного производства волокна путем снижения его обрывности в процессе вытяжки и намотки при длительной эксплуатации за счет осуществления автоматического контроля температуры на внешней поверхности фильеров и поддержания изменяющейся в разных температурных режимах вытягивающей силы механизма вытяжки и намотки.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья, включающем питатель, содержащий электрообогреваемую фильерную пластину с фильерами в его донной части, имеющими в заданных пределах толщину стенки, а стенка фильеры выполнена из биметалла таким образом, что коэффициент теплопроводности материала биметалла со стороны внутренней поверхности фильеры в 2,0-2,5 раза превышает коэффициент теплопроводности материала биметалла со стороны его наружной поверхности, причем на внешней поверхности каждой фильеры выполнены винтообразные канавки, продольно расположенные от входного отверстия к выходному, при этом на каждой паре рядом находящихся фильер направление вращения образующей винтообразной канавки на поверхности одной фильеры положительно (против часовой стрелки), а направление вращения образующей винтообразной канавки на поверхности другой фильеры, отрицательно (по часовой стрелке), причем устройство снабжено механизмом вытяжки и намотки, включающем привод с регулятором скорости вращения в виде блока порошковых электромагнитных муфт и регулятором температуры с датчиком температуры, при этом регулятор температуры содержит блок задания и блок сравнения, который соединен с входом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, причем выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, выход которого подключен к регулятору скорости вращения привода, кроме того, датчик температуры соединен с наружной поверхностью крайней фильеры и блоком сравнения регулятора температуры.
Полезная модель относится к производству непрерывного волокна из базальтового сырья, в частности к конструкции фильерного питателя, и может быть использовано на заводах отрасли по производству волокна.
Известно устройство для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья (см. патент РФ 2366621, МПК C03B 37/09 опубл. 10.09.2009, Бюл. 
25), включающее питатель, содержащий электрообогреваемую фильерную пластину с фильерами в его донной части, имеющими толщину стенки в заданных пределах, а стенка фильеры выполнена из биметалла, причем коэффициент теплопроводности материала биметалла со стороны внутренней поверхности фильеры в 2,0-2,5 раза превышает коэффициент теплопроводности материала биметалла со стороны ее наружной поверхности.
Недостатком устройства является сложность поддержания стабильности процесса формирования волокон из-за погодно-климатических воздействий наружного воздуха на температуру внутри помещения, в котором расположено устройство, что приводит к изменяющимся тепловым режимам на внешней поверхности фильер, а это, как следствие, способствует локальным их перегревам, а это, в свою очередь, приводит к снижению эксплуатационной надежности устройства.
Известно устройство для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья (см. патент РФ 2445278, МПК C03B 37/09 опубл. 20.03.2012, Бюл. 30), включающее питатель, содержащий электрообогреваемую фильерную пластину с фильерами в его донной части, имеющими толщину стенки в заданных пределах, при этом стенка фильеры выполнена из биметалла таким образом, что коэффициент теплопроводности материала биметалла со стороны внутренней поверхности фильеры в 2,0-2,5 раза превышает коэффициент теплопроводности материала биметалла со стороны ее наружной поверхности, причем на внешней поверхности каждой фильеры выполнены винтообразные канавки, продольно расположенные от входного отверстия к выходному, при этом на каждой паре рядом находящихся фильер направление вращения образующей винтообразной канавки на поверхности одной фильеры положительно (против часовой стрелки), а направление вращения образующей винтообразной канавки на поверхности другой фильеры отрицательно (по часовой стрелке).
Недостатком устройства является высокая обрывность волокна при длительной эксплуатации из-за наличия несогласованности контроля температуры процесса формирования волокна на фильерах и вытяжного усилия механизма вытяжки и намотки при изменяющихся в течение года погодно-климатических воздействиях наружного воздуха на воздух внутри помещения.
Технической задачей предлагаемой полезной является обеспечение качественного производства волокна путем снижения его обрывности в процессе вытяжки и намотки при длительной эксплуатации за счет осуществления автоматического контроля температуры на внешней поверхности фильеров и поддержания изменяющейся в разных температурных режимах вытягивающей силы механизма вытяжки и намотки.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья, включающего питатель, содержащий электрообогреваемую фильерную пластину с фильерами в его донной части, имеющими толщину стенки в заданных пределах, а стенка фильеры выполнена из биметалла таким образом, что коэффициент теплопроводности материала биметалла со стороны внутренней поверхности фильеры в 2,0-2,5 раза превышает коэффициент теплопроводности материала биметалла со стороны ее наружной поверхности, на внешней поверхности каждой фильеры выполнены винтообразные канавки, продольно расположенные от входного отверстия к выходному, при этом на каждой паре рядом находящихся фильер направление вращения образующей винтообразной канавки на поверхности одной фильеры положительно (против стрелки часов), а направление вращения образующей винтообразной канавки на поверхности другой фильер отрицательно (по стрелке часов), причем устройство снабжено механизмом вытяжки и намотки, включающим привод с регулятором скорости вращения в виде блока порошковых электромагнитных муфт и регулятором температуры с дaтчикoм температуры, при этом регулятор температуры содержит блок задания и блок сравнения, который соединен с входом электронного усилители, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, причем выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, выход которого подключен к регулятору скорости вращения привода, кроме того, датчик температуры соединен с наружной поверхностью крайней фильеры и блоком сравнения регулятора температуры.
На фиг.1 представлено устройство для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья; на фиг.2 - распределение тепловых потоков и градиентов температур по толщине фильеры; на фиг.3 - внешняя поверхность пары рядом расположенных фильер с винтообразными канавками с направлением вращения образующих по движению и против движения часовой стрелки.
Устройство содержит питатель 1 и электрообогреваемую фильерную пластину с фильерами 2 в его донной части 3, охлаждающие элементы 4, волокно 5, формируемое из расплава базальта 6. Фильера 2 имеет стенку 7, выполненную из биметалла, при этом коэффициент теплопроводности материала биметалла стенки 7 со стороны внутренней 8 поверхности фильеры 2 в 2,0-2,5 раза превышает коэффициент теплопроводности материала биметалла стенки 7 со стороны ее наружной 9 поверхности. На наружной поверхности 9 каждой фильеры 2 выполнена витообразная канавка, продольно расположенная от входного 10 до выходного 11 отверстия. При этом каждой паре рядом находящихся фильер 2 направление вращения образующей винтообразной канавки 12 на наружной поверхности 9 одной фильеры положительно (против движения часовой стрелки), а направление вращения образующей винтообразной канавки 13 на наружной поверхности 9 другой фильеры 2 отрицательно (по движению часовой стрелки) (см., например, стр.509. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: 1965. 872 с.). Устройство снабжено механизмом вытяжки и намотки 14, включающим привод 15 с регулятором скорости вращения 16 в виде блока порошковых электромагнитных муфт и регулятором температуры 17 с датчиком температуры 18. Регулятором температуры 17 содержит блок сравнения 19 и блок задания 2, при этом блок сравнения 19 соединен с входом электронного усилителя 21, оборудованного блоком нелинейной обратной связи 22, причем выход электронного усилителя 21 соединен с входом магнитного усилителя 23 с выпрямителем, выход которого подключен к регулятору скорости вращения 16 привода 15 механизма вытяжки и намотки 14. Датчик температуры 18 соединен с наружной поверхностью 9 крайней фильеры 2 и соединен с блоком сравнения 19 регулятора температуры 17.
Устройство работает следующим образом.
Известно, что температура плазменного пространства является определяющей в технологии расплава базальтового сырья и колебания температуры фильеров 2 оказывает существенное влияние на обрывность волокна при воздействии на него силы, характеризуемой скоростью вращения механизма вытяжки и намотки. Поэтому для поддержания надежной работы со снижением обрывности волокна осуществляется автоматизированным контролем температурного режима фильеров 2 путем регистрации температуры их наружной поверхности 9 и вытягивающей силы, т.е. скорости вращения механизма вытяжки и намотки.
При возрастании температуры расплава и, соответственно, увеличении температуры наружной поверхности 9 фильера 2, что регистрируется датчиком температуры 18, сигнал от него поступает на блок сравнения 19, при этом значение сигнала от блока задания 20 регулятора температуры 17 превышает значение сигнала от датчика температуры 18 и на выходе блока сравнения 19 появляется сигнал положительной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 21. Туда же поступает сигнал от блока нелинейной обратной связи 22, который вычитается из сигнала блока сравнения 19. За счет этого в электронном усилителе 21 компенсируется нелинейность характеристики привода 15 механизма вытяжки и намотки 14. Сигнал с выхода электронного усилителя 21 поступает на вход магнитного усилителя 23, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на обмотку регулятора скорости вращения 16 в виде блока порошковых магнитных муфт привода 15.
Положительная полярность сигнала электронного усилителя 21 вызывает увеличение тока возбуждения на входе магнитного усилителя 23, в результате чего возрастает момент от привода 15, передаваемый регулятором скорости вращения 16, чем достигается увеличение скорости вытяжки и намотки волокна с обеспечением его непрерывности.
При снижении температуры расплава ниже средненормированной, но в пределе технологических параметров получения волокна, соответственно уменьшается температура наружной поверхности 9 фильеры 2, что регистрируется датчиком температуры 18 и сигнал от него поступает на блок сравнения 19, при этом значение сигнала блока задания 20 регулятора температуры 17 имеет значение меньшее, чем значение сигнала от датчика температуры 18, и на выходе блока сравнения 19 появляется сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 21. Туда же поступает и сигнал с блока нелинейной обратной связи 22, который вычитается из сигнала блока, поступающего от блока сравнения 19, за счет чего в электронном усилителе 21 компенсируется нелинейность характеристики привода 15 механизма вытяжки и намотки 14. Сигнал с выхода электронного усилителя 21 поступает на вход магнитного усилителя 23, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на обмотку регулятора скорости вращения 16 в виде блока порошковых магнитных муфт привода 15
Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 21 вызывает уменьшение тока возбуждения на входе магнитного усилителя 23, в результате чего снижается момент от привода 15, передаваемый регулятором скорости вращения 16, чем достигается уменьшение скорости вытяжки и намотки волокна, т.е. снижается вытягивающая сила при формировании волокна и, соответственно, поддерживается его непрерывность.
Следовательно, процесс автоматизированного контроля теплового режима расплава путем регистрации изменений температуры наружной поверхности 9 фильеры 2 и регулирования скоростного режима механизма вытяжки и намотки 14 снижает обрывность в изменяющихся условиях эксплуатации устройства для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья.
Стабильность процесса формирования волокон на фильерах определяется поддержанием заданного режима теплообмена между внутренней 8 и наружной 9 поверхностями, поэтому необходимо иметь близкую к постоянной температуру наружной поверхности 9 вне зависимости от изменения температуры воздуха внутри помещения, в котором находится устройство, что особенно зависит от отрицательных температур наружного воздуха. Это негативно влияет на теплообмен в фильере и, как следствие, повышает обрывность волокон, т.е. ухудшает эксплуатационную надежность устройства для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья.
Поддержание постоянства температуры наружной поверхности 9 фильер 2 с изменяющим свою температуру воздухом внутри помещения обеспечивается тем, что в зоне контакта достигается интенсификация теплообмена за счет турбулизации пограничного слоя, вместо ламинарного течения воздуха (естественная конвекция).
Воздух, контактирующий с наружной поверхностью 9 фильеры 2 нагревается и из-за разности температур наружной поверхности 9 у входного 10 и выходного 11 отверстий, в связи с движением расплава базальта из донной части 3 питателя 1, перемещается в направлении от входного 11 к выходному 10 отверстию по винтообразным канавкам 12 и 13. Это приводит к образованию вращающихся восходящих потоков (см., например, Меркулов В.П. Вихревой эффект и его применение в технике. Куйбышев. 1969. 199 с.). При этом, выполнение на внешней поверхности 9 фильер 2 винтообразных канавок 12 и 13 таким образом, что в каждой паре на внешней поверхности 9 одной фильеры 2 винтообразные канавки 12 закручивают поток перемещающегося контактирующего восходящего воздуха против движения часовой стрелки, а на другой рядом расположенной фильере 2 на внешней поверхности 9 винтообразные канавки 13 закручивают поток перемещающегося контактирующего восходящего воздуха по движению часовой стрелки. Это приводит к образованию микрозавихрений противоположных направлений, которые, сталкиваясь, разрушаются, что способствует турбулизации пограничного слоя в зоне контакта внешней поверхности 9 каждой фильеры 2 с воздухом внутри помещения. А это стабилизирует теплообмен (см., например, стр.219 Исаченко В.П. и др. Теплопередача. М.: Энергия, 1965. 424 с.) без критической зависимости от наблюдаемого в течение воздействия отрицательных температур наружного воздуха изменений температуры воздуха внутри помещения, в котором расположено устройство для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья.
При обеспечении стабилизации данного теплообмена расплав базальта поступает под действием гидростатического давления из варочной части (не показано) в питатель 1, где он распределяется по фильере 2. Расплав, перемещаясь по фильере с температурой (Трас) расплава, отдает часть тепла внутренней поверхности 8 биметалла стенки 7 фильеры 2 с толщиной стенки заданных параметров (например, 0,4-1,0 мм).
В связи с тем, что коэффициент теплопроводности внутренней поверхности 8 материала биметалла стенки 7 имеет значение, в 2,0-2,5 раза превышающее значение коэффициента теплопроводности наружной поверхности 9 фильеры 2, то внутренняя поверхность 8 интенсивно нагревается за время прохода единицы массы базальтового раствора по фильере 2, чем обеспечивается стабильный процесс передачи теплоты qpac к стенке 7 фильеры 2. При этом градиент температуры имеет равномерную эпюру распределения (см., например, Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 490 с.). Воздействие теплоты окружающей среды qокр на внешнюю поверхность 9 материала биметалла стенки 7, имеющей значение коэффициента теплопроводности в 2,0-2,5 раза меньше, чем коэффициент теплопроводности внутренней поверхности 8 фильеры 2, приводит к резкому снижению величины градиента. В результате возмущающее воздействие теплового потока окружающей среды qокр практически не оказывает влияние на эпюру распределения температурного градиента расплава базальтового сырья. Кроме этого, выполнение материала стенки 7 из биметалла в условиях эксплуатации с встречно направленных, отличающихся по значению градиентных температур приводит к образованию термовибрации (см., например, Дмитриев В.П. Биметаллы. Пермь: Наука, 1991. 487 с.), а это резко снижает возможность кристаллизации расплава по мере его движения при контакте с внутренней поверхностью 8 фильеры 2.
Оригинальность предлагаемой полезной модели заключается в том, что повышение качества готового продукта за счет снижения обрывности волокна при вытяжке и намотке достигается снабжением устройства для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья системой автоматизированного контроля теплового режима расплава сырья и изменения вытягивающей силы механизма вытяжки и намотки с помощью регулятора скорости вращения его привода. При этом контроль теплового режима осуществляется посредством регулятора температуры, включающего блоки задания и сравнения, электронный и магнитные усилители, датчик температуры, расположенный на поверхности фильеры, а регулятор скорости вращения выполнен в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
Устройство для выработки непрерывного волокна из базальтового сырья, включающее питатель, содержащий электрообогреваемую фильерную пластину с фильерами в его донной части, имеющими толщину стенки в заданных пределах, при этом стенка фильеры выполнена из биметалла таким образом, что коэффициент теплопроводности материала биметалла со стороны внутренней поверхности фильеры в 2,0-2,5 раза превышает коэффициент теплопроводности материала биметалла со стороны ее наружной поверхности, на внешней поверхности каждой фильеры выполнены винтообразные канавки, продольно расположенные от входного отверстия к выходному, при этом на каждой паре рядом находящихся фильер направление вращения образующей винтообразной канавки на поверхности одной фильеры положительно (против стрелки часов), а направление вращения образующей винтообразной канавки на поверхности другой фильеры отрицательно (по стрелке часов), отличающееся тем, что устройство снабжено механизмом вытяжки и намотки, включающим привод с регулятором скорости вращения в виде блока порошковых электромагнитных муфт и регулятором температуры с датчиком температуры, при этом регулятор температуры содержит блок задания и блок сравнения, который соединен с входом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, причем выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, выход которого подключен к регулятору скорости вращения привода, кроме того, датчик температуры соединен с наружной поверхностью крайней фильеры и блоком сравнения регулятора температуры.
