CH621826A5 - Method and device for manufacturing fibres of thermoplastic materials - Google Patents

Description

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REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication de fibres à partir d'une matière thermoplastique minérale ou organique, selon lequel on chauffe ladite matière jusqu'à sa fusion, on forme par passage dans une filière des filets continus de matière fondue, on engendre au moins un courant gazeux dans lequel on fait pénétrer le filet de matière fondue, caractérisé en ce que l'on engendre une série de jets gazeux, sensiblement de même direction, espacés latéralement, on dévie l'écoulement de chacun d'eux et on limite latéralement l'épanouissement de chaque jet dévié, formant ainsi dans chacun au moins une paire de tourbillons contrarotatifs encadrant une zone à faible pression, on amène un filet de matière à l'état étirable dans chaque jet vers la zone située entre les tourbillons contrarotatifs de ce jet.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on dispose les jets de façon que l'épanouissement latéral de chaque jet dévié soit limité par impact avec les jets adjacents.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie cinétique par unité de volume de chaque jet gazeux est comprise entre 0,8 et 3,5-105 Pa.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pression des jets gazeux est comprise entre 1 et 4-105 Pa.

5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on dirige transversalement aux jets déviés un courant gazeux principal de dimension supérieure, mais d'énergie cinétique par unité de volume inférieure à celle de chaque jet, le rapport de l'énergie cinétique par unité de volume d'un jet à celle du courant principal étant compris entre 1,6 et 60, et on fait péné-. trer chaque jet dévié dans le courant principal pour y former des zones d'interaction.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on dirige le courant principal selon une trajectoire sensiblement horizontale située au-dessous des jets, les jets déviés en direction dudit courant étant émis en amont des filets de matière par rapport à sa direction d'écoulement, et on amène les filets de matière par gravité dans les jets déviés.

7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'énergie cinétique par unité de volume du courant principal est comprise entre 0,06 et 0,05 • 105Pa.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la pression du courant principal est comprise entre 30 et 250- 105Pa.

9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température des jets gazeux est inférieure à 200° C et de préférence voisine de la température ambiante, la matière étirable étant une matière thermoplastique minérale à l'état fondu.

10. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un émetteur de jets gazeux muni d'une pluralité d'orifices d'émission (21), un déflecteur (40) interposé au moins en partie sur la trajectoire des jets, une source d'alimentation en matière étirable munie d'un orifice de formation de filet (24) pour chaque jet gazeux, les orifices de formation de filet étant disposés et orientés de manière que le filet pénètre dans une zone à faible pression (44b) située en aval du déflecteur, entre les tourbillons d'au moins une paire de tourbillons contrarotatifs.

11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur (15, 16) de courant gazeux principal (18) placé à distance de la source d'alimentation en matière étirable (22, 23) et de l'émetteur de jets (20) et possédant un orifice de sortie (17) de dimension supérieure à celle de l'orifice d'émission (21) des jets, l'axe dudit orifice de sortie étant dirigé transversalement à la direction d'écoulement des jets déviés.

12. Dispositif selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que les axes des orifices d'émission de l'émeteur de jets sont sensiblement parallèles.

13. Dispositif selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que le déflecteur de jets (40) est constitué d'une plaque déflectrice présentant une surface placée angulairement à la direction initiale d'émission des jets.

14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que la plaque déflectrice est fixée sur l'émetteur (19,20) de jets et présente

5 un bord libre (41) situé au voisinage des axes des orifices d'émission de jets et transversalement à ceux-ci.

15. Dispositif selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que la surface déflectrice (40) de la plaque forme un angle compris entre 35 et 55° avec les axes des orifices d'émission io des jets.

16. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les orifices de formation des filets (24) sont situés en aval des orifices (21) d'émission des jets par rapport à la direction d'écoulement du courant principal (18).

20 La présente invention est relative à un procédé de fabrication de fibres à partir d'une matière thermoplastique par étirage au moyen de courants gazeux, selon laquelle on met en œuvre une paire de tourbillons tournant en sens inverse ou tourbillons contrarotatifs.

25 Selon cette technique, décrite dans la publication de brevet française N° 2223318, on engendre un courant gazeux principal et on dirige transversalement à celui-ci un jet gazeux, dit jet secondaire ou jet porteur, de section transversale inférieure et d'énergie cinétique par unité de volume supérieure à celles du courant princi-30 pal. Le jet gazeux secondaire pénètre ainsi dans le courant principal en créant une zone d'interaction dans laquelle se développe une paire de tourbillons contrarotatifs résultant de l'interaction. Entre ces tourbillons s'établit une zone de pression relativement faible située à la limite du courant principal, au voisinage et en aval du 35 point de pénétration du jet. On amène un filet de matière étirable vers la zone de faible pression, le filet entrant ensuite dans la zone d'interaction où il se trouve soumis aux courants de vitesse élevée des tourbillons, ce qui produit son étirage pour aboutir à la formation d'une fibre.

40 On a maintenant découvert le procédé défini dans la revendication 1, qui permet d'obtenir des fibres suffisamment fines pour certaines applications, en supprimant le courant gazeux principal et en produisant les tourbillons contrarotatifs au sein même du jet porteur. Le fait de supprimer l'étape ultérieure de pénétration du 45 jet dans un courant principal plus important simplifie l'appareillage. De plus, on obtient une bonne stabilité de l'alimentation en matière étirable tout en évitant l'influence réciproque des températures des différents éléments du dispositif amenant la matière étirable et les gaz.

50 Selon une première forme d'exécution du procédé selon l'invention, on crée un écoulement gazeux ou jet au sein duquel on engendre, par perturbation dudit écoulement au moyen d'une structure de guidage ou déflecteur, une paire de tourbillons contrarotatifs dits tourbillons de jet. Cette structure est disposée de 55 manière qu'il se crée, entre ces tourbillons de jet, une zone caractérisé à la fois par un écoulement quasi laminaire et par une faible pression, entraînant par conséquent une forte induction d'air. Cette structure de guidage provoque, de façon générale, une déviation du jet gazeux; elle sera désignée dans la suite de la m description par le terme de déflecteur. On doit noter que ces tourbillons contrarotatifs de jet sont engendrés par un déflecteur exerçant une influence sur le jet gazeux et non par la pénétration d'un jet dans un courant principal, comme décrit dans la demande française mentionnée ci-dessus. L'action de ce déflecteur crée non 65 seulement les tourbillons, mais établit aussi la zone d'écoulement quasi laminaire de faible pression située entre ces tourbillons. On amène un filet de matière étirable, par exemple du verre fondu, en une position où il subit l'influence de l'air induit par ladite zone

d'écoulement laminaire. Il en résulte que ce filet est d'abord introduit dans l'écoulement laminaire entre les tourbillons, puis subit l'influence des courants à hautes vitesses de la paire de tourbillons, ce qui provoque son étirage sous forme d'une fibre.

Selon une autre forme d'exécution du procédé selon la présente invention, le procédé d'étirage décrit ci-dessus, comportant la création des tourbillons contrarotatifs au sein d'un jet gazeux, constitue la première étape d'un étirage en deux temps; la deuxième étape consiste à diriger transversalement le jet portant la fibre en cours d'étirage dans un courant principal dont la section transversale est plus grande que celle du jet, ce dernier possédant encore une énergie cinétique par unité de volume suffisante pour pénétrer dans le courant principal et y créer une zone d'interaction semblable à celle décrite dans la demande française citée. Il en résulte que la fibre ayant subi l'étirage primaire est introduite dans la zone d'interaction du jet secondaire et du courant principal où elle subit un étirage supplémentaire.

Lors de ce processus, bien que chaque filet individuel de matière étirable se trouve soumis à deux étapes successives d'étirage comportant chacune l'action de courants de hautes vitesses créés par les paires de tourbillons successivement engendrées, on forme une fibre unique à partir de chaque filet individuel.

On rappellera d'autre part que, selon la publication française mentionnée ci-dessus, pour amener ou introduire le filet de matière étirable dans la zone d'interaction, on dispose l'orifice d'alimentation de ladite matière à la limite du courant principal ou pratiquement à cette limite. Un objet important de la présente invention est de prévoir une séparation entre l'orifice d'alimentation de la matière étirable et la limite du courant principal tout en conservant une bonne stabilité d'alimentation en matière étirable.

Cette dernière forme d'exécution du procédé selon l'invention présente de nombreux avantages. Tout d'abord, il découle de ce qui précède que l'utilisation des tourbillons de jet développés par l'action d'un déflecteur sur le jet dans la première étape de l'opération d'étirage permet du même coup d'introduire la fibre en cours d'étirage dans la zone d'interaction entre le jet et le courant principal (zone d'interaction décrite dans la publication française N° 2223318). De ce fait, cette première étape représente un moyen d'amenée de la matière étirable par rapport à l'opération d'étirage poursuivie dans la zone d'interaction, et il en résulte les avantages présentés ci-dessous.

D'une part, il devient possible de séparer nettement les divers éléments du dispositif, notamment les moyens pour engendrer le courant principal, les moyens pour engendrer les jets secondaires et l'organe d'alimentation de la matière étirable. Or, la séparation des éléments est avantageuse pour plusieurs raisons; en particulier elle réduit l'échange thermique entre les trois éléments du système, ce qui donne plus de souplesse pour le maintien des différences de température entre le moyen pour engendrer le courant principal, le moyen pour engendrer le jet secondaire, l'organe d'alimentation de la matière étirable. En outre, une telle réduction des échanges thermiques permet de fibrer dans de bonnes conditions des substances telles que des verres durs, qui exigent des températures relativement hautes pour être portées à l'état fondu ou à la consistance désirée pour l'étirage.

L'espacement des éléments réduit ou élimine aussi la production de particules infibrées ou mal fibrées résultant du collage de la matière étirable sur des parois chaudes. On peut donc obtenir un fibrage et des produits plus uniformes. De plus, l'utilisation d'un procédé en deux étapes, dans lequel la première sert à amener la matière étirable dans la zone d'interaction du jet et du courant principal, est avantageuse, car cette première étape constitue un moyen pour stabiliser l'amenée de la matière vers la zone d'interaction malgré l'espacement notable entre l'organe fournissant la matière et la limite du courant principal, et cela est un facteur important pour l'obtention d'un fibrage uniforme dans la zone d'interaction. Dans la première étape, considérée comme moyen d'amenée de la matière, la formation de la zone d'écoulement

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quasi laminaire de faible pression permet une alimentation régulière et précise du filet de matière jusque dans la région située entre les tourbillons de jet engendrés par action du déflecteur, précision qui subsiste même en cas d'un défaut d'alignement de l'orifice d'alimentation de la matière étirable par rapport à la zone d'écoulement laminaire.

Par suite de cette compensation automatique des irrégularités relatives à la position du point d'alimentation de la matière étirable, il n'est plus nécessaire de construire certains éléments du dispositif, tels que l'organe d'alimentation d'un filet de verre fondu, avec une haute précision. Cet avantage est considérable, car on sait qu'une haute précision d'usinage est difficilement compatible avec les très hautes températures rencontrées dans la manipulation de verre fondu, en particulier lors du fibrage de verres durs ou autres matériaux tels que des laitiers ou certaines roches.

Cette technique a également l'avantage de pouvoir être mise en œuvre avec une grande variété de matériaux étirables, comprenant non seulement diverses matières minérales, comme il a été précisé ci-dessus, mais aussi certaines matières organiques étirables telles que polypropylène, polystyrène, polyamide ou polycar-bonate.

Il est aussi prévu d'utiliser certaines conditions opératoires plus particulièrement intéressantes, relatives à la température et à la vitesse du jet secondaire par rapport à celles du courant principal. On préfère donner au jet secondaire une vitesse et une température très nettement inférieures à celles prévues dans les exemples de la publication de brevet FR N° 2223318 déjà mentionnée, dans le but d'obtenir des caractéristiques et des avantages supplémentaires qui sont exposés plus loin.

Ce procédé selon la présente invention convient cependant particulièrement à l'étirage de matières thermoplastiques telles que le verre et des compositions similaires chauffées jusqu'à l'état de fusion ou à la consistance convenant à l'étirage. La mise en œuvre représentée et décrite ci-après convient particulièrement à l'étirage de verre ou de compositions similaires et, sauf indication contraire, tout ce qui se rapporte au verre dans la description suivante peut aussi s'appliquer à n'importe quelle autre matière étirable.

La suite de la description en référence aux figures jointes fait apparaître clairement la façon et les moyens d'obtenir les objectifs et avantages décrits précédemment. Ces figures illustrent des réalisations préférées du dispositif selon l'invention et représentent schématiquement les stades importants de l'action du jet, du courant principal et de l'opération d'étirage elle-même.

La fig. 1 est une vue schématique d'ensemble, en élévation, avec quelques sections partielles montrant la disposition générale des principaux éléments d'un dispositif selon la présente invention.

La fig. 2 est une coupe verticale à plus grande échelle des éléments de l'un des centres de fibrage selon la ligne 2-2 de la fig. 4.

La fig. 3 est une vue en détail, en plan, plus agrandie encore, de quelques orifices d'émission des jets et d'amenée du verre selon la ligne 3-3 de la fig. 2.

La fig. 4 est une élévation d'une partie de l'appareillage représentée sur les fig. 1 et 2 prise à partir du côté droit de la fig. 2.

La fig. 5 est une vue, en plan, selon la ligne 5-5 de la fig. 4.

La fig. 6 est une vue agrandie, en perspective, d'une nourrice à jets employée dans le dispositif représenté sur les fig. l à 5.

La fig. 7 est un schéma, en perspective, illustrant le fonctionnement du procédé et du dispositif selon la présente invention.

La fig. 8 est une coupe longitudinale sur un des centres de fibrage de la fig. 2 illustrant certaines phases de l'action du jet et du courant principal dans l'étirage du verre délivré à partir d'un orifice placé dans la partie supérieure de la figure.

La fig. 9 est une vue, en plan, de plusieurs jets et portions du courant principal, correspondant à la fig. 8, mais omettant l'alimentation en verre et la fibre de verre en cours de formation.

La fig. 10 est un schéma transversal sur trois jets voisins illustrant les directions de rotation des tourbillons contrarotatifs de jet.

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La fig. 11 est une section longitudinale, en élévation, des éléments principaux illustrant notamment certaines dimensions dont il faut tenir compte pour établir les conditions opératoires suivant la mise en œuvre préférée de la présente invention.

La fig. 1 la est une section de détail montrant l'espacement entre deux orifices de jets voisins.

La fig. 11b est une section à travers une partie de l'organe d'alimentation en matière étirable.

On se référera tout d'abord à la fig. 1 qui représente d'une manière schématique une disposition typique d'ensemble du dispositif convenant à la mise en œuvre de la technique de la présente invention. Sur la gauche de la fig. 1, on voit schématique-ment en 15 une partie d'un brûleur ou générateur produisant un courant principal 18 et comportant une tuyère 16 munie d'un orifice de sortie 17 de largeur assez grande pour permettre d'associer plusieurs centres de fibrage avec le courant principal 18. Un tube d'alimentation 19 pour un fluide gazeux sous pression est relié aux nourrices à jets 20 qui servent à alimenter en gaz les buses d'émission des jets secondaires dont un orifice est représenté en 21.

Une filière 22 associée à un avant-corps ou autre moyen convenable d'alimentation en verre, indiqué en 23, comporte des organes ou tétons d'alimentation du verre 24 par lesquels un filet de verre est dirigé vers chaque écoulement de jet pour être ensuite amené en aval vers la zone d'interaction dans le courant principal 18. Comme précisé dans la suite de la description, le fibrage intervient dans le jet, mais aussi dans le courant principal, et cé dernier délivre les fibres vers la droite, ainsi qu'on le représente sur la fig. 1, pour former une nappe qui se dépose sur un tapis transporteur perforé ou courroie perforée 26. Sous le brin supérieur de ce tapis se trouve une chambre d'aspiration 27 reliée à un ventilateur d'aspiration schématisé en 28 pour faciliter le dépôt de la nappe de fibres sur la courroie perforée 26.

Les divers organes de fibrage sont montrés de façon plus détaillée dans les fig. 2 à 6 auxquelles on se réfère ci-après; les générateurs de courant principal et de jets secondaires sont avantageusement montés de manière réglable par rapport au bâti schématisé en 29 pour que les positions relatives du courant principal et du jet secondaire puissent être modifiées dans le sens vertical et de préférence aussi dans la direction amont-aval du courant principal 18.

Il apparaît, en particulier sur les fig. 4 et 5, que la tuyère 16 du courant principal est d'une largeur assez grande et possède de ce fait un large orifice de sortie 17. Comme le montre la fig. 4, la filière 22 d'alimentation en verre, placée sous l'avant-corps 23, a de préférence aussi une dimension importante dans la direction perpendiculaire au plan de la fig. 2 pour permettre d'alimenter en verre une multiplicité de tétons d'amenée de verre 24.

Sur les fig. 2 et 3, on voit nettement que chacun des tétons 24 possède un orifice doseur 24a et de préférence aussi un réservoir inférieur 24b de forme allongée placé en aval de l'orifice doseur. Les réservoirs ou cuvettes 24b sont de préférence allongés dans le plan du centre de fibrages, c'est-à-dire dans le plan contenant le téton 24 d'alimentation en verre et l'orifice d'émission 21 du jet associé.

Les orifices 21 sont ménagés dans les parois antérieures inclinées d'une série de nourrices à jets 20 portées par des tiges de support 30 qui sont montées sur le bâti 29 et qui s'étendent sur toute la longueur de la filière 22. Les tiges traversent, d'autre part, les trous 31 pratiqués dans les brides de montage 32 prévues à chaque extrémité de chacune des nourrices à jets (voir aussi fig. 6). Ainsi, les diverses nourrices à jets, au nombre de quatre dans le dispositif représenté, peuvent être déplacées vers la droite ou vers la gauche, comme il apparaît sur les fig. 4 et 5.

Les positions des nourrices à jets sur les tiges de support 30 sont déterminées au moyen de tiges additionnelles 33, 34, 35 et 36 dont chacune est filetée à une extrémité pour s'adapter à un trou fileté dans une des brides 32 des nourrices à jets, de tels trous filetés étant visibles en 37 sur la fig. 6. A son extrémité 38, chacune des tiges 33

à 36 est montée sur un palier qui fixe sa position axiale et elle est munie d'une encoche au moyen de laquelle on peut la faire tourner pour déplacer la nourrice à jets correspondante et régler ainsi la position de cette dernière dans le sens latéral. Cela permet 5 de régler les positions relatives des orifices d'émission 21 de jets par rapport aux tétons 24 d'alimentation du verre, notamment dans le but de compenser les différences de dilatation thermique. La répartition des orifices de jets entre plusieurs nourrices à jets permet d'aligner correctement ces orifices avec les orifices io d'amenée du verre sur des lignes parallèles à l'écoulement du courant principal. L'alignement peut ne pas être parfait, mais cela est acceptable avec un dispositif du type représenté et conforme à l'invention dans lequel les filets de verre sont délivrés dans les zones quasi laminaires comprises entre les tourbillons de jet, zones 15 représentées en 44b dans la fig. 7. En effet, comme précisé précédemment, l'amenée des filets de verre dans ces zones permet une compensation automatique des faibles imprécisions dans les positions relatives des orifices verre et jet.

Chacune des nourrices à jets 20 est reliée, au moyen de deux 20 connexions flexibles 39, au tube 19 alimentant les jets en fluide, ce qui permet de régler sa position indépendamment de celle du tube d'alimentation 19.

Comme indiqué ci-dessus, les jets délivrés à partir des orifices d'émission 21 sont soumis à une déviation ou à un guidage au 25 moyen d'un déflecteur qui coopère avec les jets pour engendrer les paires de tourbillons contrarotatifs utilisés au moins pour l'étirage primaire, mais aussi pour amener les filets partiellement étirés dans les zones d'interaction créées par la pénétration des jets dans le courant principal. Les paires de tourbillons contrarotatifs de jet 30 sont engendrées par un déflecteur tel qu'une plaque déflectrice 40 associée et commune à un groupe d'orifices d'émission de jets. Dans le cas où les jets sont subdivisés en groupes, chaque groupe étant associé à une nourrice 20, chacune de ces nourrices comporte de préférence une plaque déflectrice 40. Comme on le voit en 35 particulier sur les fig. 7 et 8, la plaque déflectrice revêt de préférence la forme d'une tôle pliée dont une partie recouvre la nourrice à jets sur laquelle elle est fixée et dont l'autre partie possède un bord libre 41 disposé sur le trajet de l'écoulement, au cœur des jets émis à partir des orifices 21, et placé avantageusement le long d'une ligne -40 qui coupe les axes de ces orifices jets.

Cette position de la plaque déflectrice 40 et de son bord 41 provoque l'impact de chacun des jets contre la face interne de la plaque 40, ce qui cause un épanouissement desdits jets. Ainsi, on a 45 représenté sur la fig. 7 l'écoulement de quatre des jets émis des orifices a, b, c et d, et on remarquera que chacun d'eux s'épanouit latéralement en s'approchant du bord 41 de la plaque.

Les orifices d'émission 21 des jets sont suffisamment rapprochés les uns des autres et le déflecteur est disposé de telle manière qu'au 50 moment de leur épanouissement latéral, les jets voisins butent les uns contre les autres dans la région du bord 41 de la plaque. De préférence, comme le montre la fig. 7, les jets voisins butent les uns contre les autres aussi près que possible du bord libre 41 de la plaque déflectrice 40. Il en résulte la formation de paires de tourbil-55 Ions contrarotatifs représentées sur la fig. 7 en association avec chacun des trois jets émis par les orifices a, b, c.

Pour analyser la formation des tourbillons de jet, on se réfère en particulier aux tourbillons 42b et 43b associés au jet provenant de l'orifice b. On remarque que ces tourbillons ont leurs sommets 60 situés sensiblement au bord 41 de la plaque déflectrice 40 sur des côtés opposés du jet, au voisinage de la zone dans laquelle le jet en cours d'épanouissement bute contre les jets voisins émis à partir des orifices a et c, eux aussi en cours d'épanouissement. Les tourbillons 42b et 43b sont contrarotatifs, comme schématisé sur la fig. 10, 65 et ils s'agrandissent au fur et à mesure de leur progression, jusqu'à ce qu'ils se rencontrent à distance et en aval du bord 41 de la plaque déflectrice. Ces tourbillons 42b et 43b ont aussi une composante dirigée vers l'aval.

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Du fait de l'espacement entre les sommets ou points de formation des tourbillons 42b et 43b, et compte tenu de leur agrandissement progressif, une zone 44b approximativement triangulaire se forme entre les tourbillons et le bord 41 de la plaque déflectrice; cette zone triangulaire a une pression relativement faible et subit un afflux important d'air induit, mais son écoulement reste cependant quasi laminaire. C'est dans cette zone que le filet de verre fondu ou autre matière étirable est introduit et, en raison de la nature laminaire de l'écoulement dans cette zone triangulaire, le filet de verre n'est pas fragmenté, mais est conduit, sous la forme d'un filet unique en cours d'étirage, dans la région située entre les deux tourbillons.

La titulaire attire l'attention sur le fait que les sens de rotation des courants dans les tourbillons de jet 42b et 43b sont contraires, le tourbillon 42b tournant dans le sens des aiguilles d'une montre dans la représentation de la fig. 7, tandis que le tourbillon 43b tourne dans le sens inverse. Ainsi, les courants dans ces deux tourbillons se rapprochent l'un de l'autre vers leur partie supérieure et s'écoulent ensuite vers le bas en direction de la zone centrale ou zone laminaire 44b.

Pour la paire de tourbillons 45a et 46a associés au jet provenant de l'orifice a, on a indiqué par des flèches les sens de rotation dont il est fait état précédemment. Il est entendu que, pour l'écoulement du jet à partir de l'orifice a, on a représenté une coupe au niveau de l'extrémité aval de la zone d'écoulement laminaire 44a, c'est-à-dire au voisinage de la zone dans laquelle les deux tourbillons, après s'être agrandis, commencent à fusionner et à se confondre, ce phénomène se poursuivant au fur et à mesure que l'écoulement du jet progresse vers l'aval. Dans la figure à laquelle on vient de se référer, on voit aussi clairement que l'écoulement du jet provenant de l'orifice a comporte non seulement la paire de tourbillons 45a et 46a, mais aussi une autre paire de tourbillons 47a et 48a ayant l'un par rapport à l'autre des sens de rotation inverses, comme représenté dans les fig. 7 et 10, mais, dans ce cas, le tourbillon 47a situé à gauche sur la fig. 7 tourne dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, tandis que le tourbillon 48a situé à droite tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. De telles doubles paires de tourbillons sont bien entendu engendrées par chacun des jets et associées à chacun d'eux. L'origine de la formation de la paire de tourbillons de jet inférieure est différente de celle de la paire supérieure, comme on va l'expliquer par la suite en référence à la fig. 8.

En ce qui concerne la fig. 7, on notera encore que, lorsque l'écoulement progresse à partir du plan dans lequel les tourbillons associés à l'orifice a sont représentés, les quatre tourbillons tendent à fusionner et à reformer un écoulement moins caractérisé, comme le montre la section 49c à travers l'écoulement du jet provenant de l'orifice c. Les mouvements tourbillonnaires décroissent en intensité et l'ensemble de l'écoulement, y compris l'écoulement laminaire de la zone centrale du jet, se mélangent dans la région indiquée en 49c, le jet progressant ensuite vers l'aval en direction du courant principal 18.

Dans la représentation de la fig. 7, on a schématisé, par mesure de clarté, la coupe des diverses portions de l'écoulement du jet. Par exemple, dans une zone située un peu en aval de leur origine, les paires de tourbillons qui prennent naissance dans chacun des jets apparaissent légèrement éloignées de la paire de tourbillons naissant dans chaque jet voisin, alors qu'en réalité ces divers tourbillons sont pratiquement contigus.

Sur la fig. 8, le centre de fibrage représenté est le centre dont l'origine correspond à l'orifice d'émission de jet b de la fig. 7. On y voit donc le tourbillon 43b ainsi que la zone laminaire 44b. La paire de tourbillons inférieure prend son origine dans la région située en dessous de la plaque déflectrice 40, la fig. 8 montrant seulement le tourbillon inférieur 48b qui naît derrière la zone 44b. La rotation des tourbillons inférieurs résulte de l'action combinée du jet sur la face interne de la plaque 40 et des courants d'air induit qui se joignent à l'écoulement du jet. Cette rotation ne paraît pas avoir une influence sur l'amenée du filet de matière étirable, alors que la direction des courants des tourbillons supérieurs a une influence prédominante sur le processus d'étirage lors de l'amenée préalable dudit filet, dans la zone laminaire et ensuite dans l'écoulement du jet en aval du point où les tourbillons fusionnent.

En raison de la forme d'écoulement du jet dans la zone laminaire et dans les paires de tourbillons, en particulier dans la paire supérieure de chaque groupe, l'introduction du filet de matière étirable S pour le centre de fibrage comportant l'orifice jet b a pour résultat d'entraîner le filet dans l'écoulement laminaire de la zone centrale. Cela amène le filet dans la zone de hautes vitesses située entre les paires de tourbillons et, par conséquent, celui-ci se trouve étiré comme montré sur la fig. 7. Cet étirage a lieu sensiblement dans une zone correspondant au plan P indiqué sur cette même figure. L'action des paires de tourbillons de jet provoque le fouette-ment de la fibre étirée sensiblement dans la zone du plan P, et de cette sorte l'étirage ne conduit pas à projeter de chaque côté vers les jets avoisinants les fibres en cours de formation.

En aval, l'écoulement du jet conduit celui-ci à pénétrer, en entraînant la fibre en cours d'étirage, dans la limite supérieure du courant principal 18, à condition que cet écoulement conserve encore assez d'énergie cinétique pour cette pénétration. Alors commence une deuxième étape de fibrage qui se déroule selon les principes expliqués en détail dans la publication française N° 2223318 précitée.

Bien entendu dans la région de pénétration des jets secondaires dans le courant principal, l'écoulement et la vitesse de chaque jet restent encore suffisamment concentrés au voisinage de l'axe pour que chacun des jets développe individuellement une zone d'interaction avec le courant. Ainsi, sur la fig. 7, une paire de tourbillons contrarotatifs indiquée en TT est engendrée dans la zone d'interaction, ce qui crée des courants provoquant un étirage supplémentaire de la fibre en cours de formation. Cette fibre est ensuite portée par l'écoulement combiné du jet et du courant principal vers un moyen de réception adéquat, par exemple un convoyeur ou une courroie perforée (portant la référence 26 sur la fig. 1).

On a représenté sur les fig. 7 et 8 l'induction d'air par des flèches orientées dans le sens de l'écoulement du jet, et on voit que de l'air se trouve induit dans la zone laminaire avoisinant le bord de la plaque déflectrice, mais également au fur et à mesure que le jet s'écoule vers l'aval. Pour préciser la description du dispositif et du procédé de la présente invention, on donne ci-après certaines variations permises et quelques plages de conditions de marche plus particulièrement intéressantes.

Tout d'abord, en ce qui concerne les positions relatives des orifices d'émission de jets et du déflecteur 40, il est prévu qu'elles sont réglées de façon à provoquer un épanouissement des jets tel que des jets voisins butent l'un contre l'autre sensiblement au niveau du bord 41 du déflecteur. Cette disposition est celle représentée sur la fig. 7, et on note que, dans un tel cas, les origines ou sommets des paires supérieures des tourbillons de jet sont placés sur le bord 41 de ladite plaque déflectrice 40.

Les jets et la plaque déflectrice peuvent être disposés de manière que les jets butent les uns contre les autres en des points situés sensiblement en amont ou en aval du bord de la plaque, mais on préfère que l'impact de jets voisins entre eux soit maintenu très près de ce bord car, dans ce cas, on réalise une stabilité maximale des tourbillons de jet et, par conséquent, une stabilité maximale de la zone laminaire du jet. A son tour, la stabilité de la zone laminaire est importante pour stabiliser l'alimentation en verre du système.

Une précision absolue n'est pas vraiment nécessaire; cependant, on doit tenir compte des faits suivants :

Si le point d'impact de jets voisins se trouve à une distance notable en aval du bord de la plaque déflectrice, les tourbillons deviennent instables, car ils prennent alors naissance dans un espace libre plutôt qu'au bord de la plaque. Par contre, si les sommets se trouvent au bord ou approximativement au bord de ladite plaque déflectrice, ces tourbillons de jet paraissent s'attacher à son bord en une position stable.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

621 826

6

Si, au contraire, les jets avoisinants butent en un point situé à une distance notable en amont du bord de la plaque déflectrice, la formation des tourbillons est gênée par la plaque elle-même.

Il est également important, pour que la paire de tourbillons supérieurs se forme sur le bord 41 de la plaque déflectrice, de placer ce bord au niveau de l'axe central des jets ou approximativement à ce niveau. Si le bord de la plaque est légèrement plus haut, la déviation diminue de manière correspondante ou peut même disparaître et, dans ce cas, aucun tourbillon ne sera engendré. Par contre, si le bord de la plaque déflectrice est situé trop bas et se trouve par exemple en dessous de la limite inférieure du jet, la formation des tourbillons a tendance à être moins régulière et ceux-ci sont moins organisés.

Lorsque les tourbillons sont créés dans les conditions les plus favorables, c'est-à-dire lorsque leurs sommets sont attachés au bord du déflecteur, ils ont la meilleure stabilité et l'on obtient alors le fonctionnement le plus régulier et le plus stable en ce qui concerne l'alimentation du filet de verre et son étirage dans la zone du plan P décrit ci-dessus.

Un des avantages de la présente invention est de permettre la production de fibres dont les diamètres varient dans une très large gamme. On peut même obtenir un diamètre inférieur à celui des fibres produites selon le procédé de la publication française mentionnée précédemment. Un avantage particulièrement important que présente l'invention par rapport à ce procédé est la possibilité de fabriquer des fibres de diamètre donné à un débit unitaire sensiblement plus élevé. Le débit unitaire auquel on se réfère représente le débit de fibrage par orifice ou par téton l'alimentation en matière étirable et, conformément à la présente invention, ce débit unitaire peut atteindre 150 kg/trou/24 h. On donne dans la suite de la description les valeurs de ce paramètre et des autres facteurs relatifs aux conditions de marche en se référant en particulier aux fig. 11, 1 la et 1 lb et aux renseignements correspondants présentés sous forme de tableaux.

Comme indiqué précédemment, la première étape d'étirage peut être employée, si on le désire, indépendamment de la deuxième étape, et, bien qu'elle ne permette pas d'obtenir des fibres aussi fines que celles produites en utilisant les deux étapes, elle donne néanmoins des fibres suffisamment fines pour certaines applications, ces fibres pouvant être produites à un débit unitaire relativement élevé.

En rapport avec les fig. 11, lia, 1 lb et les renseignements portés dans les tableaux suivants, il convient de signaler tout d'abord que la représentation des divers éléments du système, notamment sur la fig. 11, est donnée de façon à faciliter l'explication des gammes de dimensions et d'angles, mais ne représente pas nécessairement les valeurs préférées dans toutes les gammes.

Sur la fig. 11, les trois éléments principaux, c'est-à-dire le générateur de courant principal, l'organe d'émission du jet et l'organe d'alimentation en matière étirable sont représentés en section comme sur les fig. 2 et 8. Toutefois, les fig. 11, lia et 11b portent des symboles identifiant certaines dimensions et certains angles auxquels se réfèrent les tableaux I à IV.

Tableau I

Filière d'alimentation de la matière étirable

Symbole

Valeur préférée (mm)

Plage df

2

1— 5

1t

1

1— 5

1r

5

0-10

dr

2

1— 5

Dr

5

1—10

Tableau II Emission du jet et plaque déflectrice

Symbole

Valeur préférée (mm, degrés)

Plage dj

2

0,5 — 4

lj

7

1 —

yd près de l'extrémité

environ 3 —environ 4

inférieure de la gamme

1d

4

2—10

ijd

0

-0,06-+1

dj

(mm, degrés)

«jd

45

35 — 55

«jb

10

0—45

Zjd

3

2—5

Ljd

3

2—5

20 En ce qui concerne les valeurs indiquées pour le rapport Ijd

, la valeur zéro représente la position de la plaque déflectrice dj pour laquelle la partie la plus basse du bord de la plaque se trouve 25 sur l'axe des jets, la valeur négative correspondant à toute position du bord du déflecteur au-dessus des axes des jets.

Tableau III Courant principal

Symbole

Valeur préférée

Plage

(mm)

1b

10

5-20

En plus des dimensions et angles ci-dessus qui ont trait aux trois organes principaux du système, il convient de noter certaines relations entre eux, dont les données correspondantes sont fournies par le tableau IV.

40 r

Tableau IV Positions relatives des divers organes

Symbole Valeur préférée Plage

(mm, degrés)

zjf

8

3— 15

zjb

17

12— 30

Xbj

- 5

-12—+13

Xjf

5

3— 8

«db

45

35— 55

En ce qui concerne le symbole Xbj il convient de noter que les 55 valeurs négatives correspondent au cas représenté sur la fig. 11, dans lequel la sortie de la tuyère émettant le courant principal se trouve située en amont de l'orifice d'émission du jet secondaire par rapport à la direction de propagation du courant principal.

Comme indiqué ci-dessus, les jets porteurs ou jets secondaires 60 sont disposés suffisamment près l'un de l'autre pour buter les uns contre les autres de façon à engendrer les paires de tourbillons dans chaque jet secondaire. On peut créer autant de centres de fibrage qu'on le désire, chaque centre comportant un téton d'alimentation en matière étirable et un jet associé et, du fait que 65 chaque jet secondaire doit buter de chaque côté contre un autre jet, on voit qu'il faut ajouter deux jets au nombre total de tétons d'alimentation en matière étirable, les deux jets supplémentaires étant disposés aux deux extrémités des séries de jets.

1

621 826

La série de tétons d'alimentation en matière étirable peut être remplacée par une fente disposée transversalement au courant principal. Dans ce cas les cônes et filets de matière étirable se trouvent alors formés à partir de la fente par l'action des jets secondaires individuels. Là encore, et pour les mêmes raisons que précédemment, deux jets supplémentaires devront être placés aux extrémités des séries de jets.

Le nombre de centres de fibrage peut atteindre 150 mais, dans une installation normale de fibrage du verre ou d'une matière thermoplastique similaire, une filière adéquate comprendra 70 tétons d'alimentation. Dans un tel cas, il y aura nécessairement 72 jets.

Il convient de signaler aussi que les conditions de marche varieront en fonction de divers facteurs, par exemple selon les caractéristiques de la matière à fibrer.

Comme indiqué plus haut, l'invention peut s'appliquer à une large gamme de matières étirables; dans le cas du verre ou d'autres matières thermoplastiques inorganiques, la température de la filière ou du téton d'alimentation variera, bien entendu, selon la matière particulière à fibrer. La gamme de températures correspondantes peut se situer entre 1400 et 1800°C environ. Avec une composition de verre de type courant, la température de la filière se situe vers 1480° C environ.

Le débit unitaire peut varier entre 20 et 150 kg/trou/24 h, 50 à 80 kg/trou/24 h étant des valeurs typiques.

Certaines valeurs relatives au jet et au courant principal ont aussi de l'importance, comme indiqué dans les tableaux V et VI, dans lesquels on utilise les symboles suivants ;

T = Température V=Vitesse p = pression p = masse volumique

Tableau V Jet

Symbole

Valeur préférée

Plage

Pj (bar)

2,5

1 — 4

Tj (°C)

20

< —1500

Vj (m/s)

330

200 — 900

PjVj2 (bar)

2,1

0,8— 3,5

Tableau VI

Courant principal

Symbole

Valeur préférée

Plage

PB (mbar)

95

30 — 250

TB(°C)

1450

1350 —1800

Vb (m/s)

320

200 — 550

PbV2b (bar)

0,2

0,06— 0,5

En ce qui concerne le jet et le courant principal, on rappelle qu'il est prévu, selon la présente invention, que le jet dévié puisse être utilisé seul pour l'étirage de certains matériaux, sans combiner à son action celle d'un courant principal. Lorsqu'on utilise un courant principal et un jet, ce dernier a une section transversale plus petite que celle du courant principal et il pénètre dans le courant en créant une zone d'interaction dans laquelle la deuxième phase de l'étirage est effectuée. Dans ce but, le jet doit avoir une énergie cinétique par unité de volume supérieure à celle du courant principal, dans la région où ils coopèrent. Le jet peut avoir une énergie cinétique de 1,6 à 60 fois celle du courant principal, un rapport préféré étant de 10/1, c'est-à-dire:

pjVj2

=10.

pbVb2

On peut remarquer sur le tableau V que la température et la vitesse choisies pour le jet secondaire sont très inférieures à celles des exemples de la publication de brevet FR N° 2223318, comme déjà souligné précédemment. Dans les exemples de cette dernière, le jet secondaire utilisé pour former la zone d'interaction avec le courant principal se trouve en effet à une température de 800° C et présente une vitesse de 580 m/s, tandis que le courant principal est à 1580°C et possède une vitesse comprise entre 224 et 283 m/s. Les valeurs de température et de vitesse du jet secondaire apparaissant sur le tableau V sont nettement plus basses, mais permettent cependant d'atteindre le rapport dans le courant principal. En effet, lorsque la température du jet est abaissée et atteint par exemple une valeur inférieure à 100°C ou voisine de la température ambiante, parallèlement la masse spécifique des gaz s'accroît, ce qui permet, tout en utilisant des vitesses plus faibles, d'obtenir le niveau désiré d'énergie cinétique par unité de volume. Il est même encore possible d'opérer avec un jet dont la vitesse est inférieure à celle du courant principal.

Les avantages apportés par l'emploi d'un jet secondaire à température relativement basse sont considérables. Tout d'abord, pour des températures inférieures à 100°C, il devient possible d'utiliser une source d'air comprimé ordinaire pour l'alimentation du jet. D'autre part, des matériaux courants tels que l'acier inoxydable peuvent être employés pour le dispositif d'émission de ce jet plutôt que des matériaux plus sophistiqués ou plus chers qui sont nécessaires dans le cas de hautes températures.

Avec un jet secondaire à basse température, les problèmes de déformation ou de dilatation thermique sont considérablement diminués ou peuvent même être évités et les risques d'oxydation sont aussi réduits. De plus, cela permet, dans une installation à centres de fibrages multiples, de maintenir une température plus uniforme d'un jet à un autre jet.

L'utilisation de jets à basses températures est particulièrement avantageuse avec le dispositif muni d'un déflecteur, décrit dans le présent brevet. En effet, elle permet, lorsque la position du déflecteur a été déterminée et fixée par rapport à l'émetteur de jets, de maintenir plus facilement l'exactitude des caractéristiques dimensionnelles du déflecteur et de sa position par rapport aux orifices d'émission des jets.

En outre, grâce à l'emploi d'un jet à plus basse température, les fibres se trouvent plus facilement transférées dans une région relativement froide en fin d'étirage, cette caractéristique étant importante pour les raisons expliquées dans notre publication de brevet déjà mentionnée.

Par ailleurs, la possibilité d'utiliser de l'air comprimé ordinaire à une température inférieure à 100°C, ou voisine de l'ambiante, supprime la consommation d'énergie qui serait nécessaire au chauffage du jet. Cet air est, d'autre part, plus économique que des fluides à haute température, tels que des produits de combustion gazeux ou de la vapeur.

Bien que, dans le tableau V, la température du jet secondaire soit voisine de la température ambiante, on comprendra qu'elle peut ne pas être aussi basse. En général, le jet aura de préférence une température très inférieure au point de ramollissement de la matière thermoplastique à étirer; dans le cas du verre ou de matières minérales similaires, on choisira une température de préférence inférieure à 200° C, une température inférieure à 100°C étant particulièrement appropriée.

Exemple:

On fibre dans un dispositif à 70 centres de fibrage du type représenté sur les fig. 1 à 6 un verre ayant la composition suivante en pourcentages pondéraux:

Si02 63,00

Fe203 0,30

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

621826 8

AI2O3 2,95 La température de la filière est voisine de 1500°C et les tempé-

CaO 7,35 ratures des jets et du courant principal sont respectivement de

MgO 3,10 l'ordre de 20 et de 1500° C. Le rapport de l'énergie cinétique par

NaîO 14,10 unité de volume du jet à celle du courant principal est voisin de 10

K2O 0,80 s et on opère à un débit unitaire de 55 kg/trou/24 h. Le diamètre

B2O3 5,90 moyen des fibres, à l'issue des deux étapes d'étirage, est dans ces

BaO 2,50 conditions d'environ 6 n.

R 6 feuilles dessins