CH624648A5 - Process for the manufacture of fibres from a ductile substance using gas streams - Google Patents
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Description
L'invention est relative à un procédé et à un dispositif pour la fabrication de fibres à partir d'une matière étirable et concerne notamment l'étirage de matières thermoplastiques, en particulier de matières minérales telles que du verre ou des compositions similaires qui sont amenées à l'état fondu par chauffage et de certaines matières organiques comme le polystyrène, le polypropy-lène, les polycarbonates ou les polyamides; cependant, le dispositif étant plus particulièrement intéressant dans le cas de l'étirage du verre et des matières thermoplastiques similaires, la description se réfère, à titre d'exemple, au cas du verre.
Certaines techniques utilisant des courants tourbillonnaires pour fabriquer des fibres par étirage de verre fondu sont déjà connues.
En particulier la publication de brevet français N° 2223318 décrit la formation de paires de tourbillons contrarotatifs dans une zone d'interaction créée en dirigeant et en faisant pénétrer un jet gazeux secondaire ou jet porteur dans un courant gazeux principal de plus grandes dimensions, un filet de verre fondu étant amené dans cette zone pour y être étiré. Plusieurs jets peuvent être associés à un même courant principal.
De plus, dans la demande de brevet française N° 76.37884, il est prévu d'effectuer de préférence un étirage en deux étapes, la première d'entre elles se produisant dans chaque jet secondaire, tandis que la seconde a lieu dans les zones d'interaction correspondantes du courant principal. Dans cette demande, des jets secondaires sont émis à distance du courant principal et de la source d'alimentation en matière étirable, et on produit une perturbation de ces jets par un déflecteur.
Plus précisément, les jets secondaires, émis à partir d'une série d'orifices, sont dirigés vers la surface d'un déflecteur qui provoque leur déviation et l'écoulement des jets déviés en direction du courant principal. En pénétrant dans le courant principal, ces jets déviés y créent des zones d'interaction avec des paires de tourbillons où s'effectue l'étirage, comme précisé ci-dessus. Il est aussi prévu de disposer les jets par rapport au déflecteur de manière que, par impact sur la surface de celui-ci, les jets s'épanouissent latéralement, les jets étant par ailleurs suffisamment rapprochés pour obtenir l'impact de jets adjacents les uns sur les autres à proximité du bord libre du déflecteur. Cette déviation et cet impact des jets provoquent la formation de paires de tourbillons et de zones à basse pression, zones situées juste en aval du bord du déflecteur, et dans lesquelles des gaz ou de l'air ambiants sont entraînés.
Les tourbillons se forment sur les bords de chaque jet et entourent ainsi chaque zone à basse pression où l'écoulement est pratiquement laminaire. Les filets de verre fondu sont introduits dans ces zones d'écoulement laminaire, ce qui permet de stabiliser l'alimentation en filets de verre dans le système. Chaque filet de verre est ensuite entraîné par l'écoulement de chaque jet et acheminé vers la zone d'interaction correspondante formée par pénétration du jet dans le courant principal, zone d'interaction dans laquelle il est étiré.
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La présente invention prévoit, comme la demande N° 76.37884, la formation de zones d'interaction par pénétration de jets dans un courant principal et l'étirage des filets de verre dans ces zones mais, d'une part, les jets sont engendrés différemment et, d'autre part, l'alimentation en filets de verre fondu vers ces jets s'effectue dans des positions différentes.
Le procédé de fabrication selon la présente invention est caractérisé par la revendication 1.
Bien que le procédé consiste à diriger tout d'abord les filets de verre entre les jets pour les amener ensuite dans ces jets, il permet cependant de stabiliser très efficacement l'alimentation en verre du fait que les zones d'écoulement laminaire sont situées sur une structure mécanique fixe, à savoir sur la surface de l'élément de guidage.
La description suivante, en référence aux dessins, fait apparaître clairement les avantages de l'invention et décrit en particulier l'étirage en deux étapes sans fragmentation intermédiaire des filets de matière étirable.
La fig. 1 représente schématiquement, en élévation, les principaux éléments d'un dispositif de fibrage et de réception des fibres selon l'invention, avec certaines parties en coupe.
La fig. 2 est une vue schématique, en perspective, et à plus grande échelle, des principaux éléments du dispositif de fibrage comprenant plusieurs centres de fibrage avec certaines parties en coupe et d'autres arrachées.
La fig. 3 est une section verticale, à grande échelle, dans un plan passant par un orifice d'émission d'un jet, et représentant les divers éléments d'un centre de fibrage.
La fig. 4 est une section verticale similaire à la fig. 3, mais dans le plan d'un téton d'alimentation en verre, c'est-à-dire dans un plan intermédiaire à deux orifices d'émission de jets voisins.
La fig. 5 représente certaines dimensions qui doivent être prises en considération pour établir les conditions de fonctionnement relatives à la mise en œuvre préférée de l'invention, pour un centre de fibrage.
La fig. 6 est une vue schématique, en élévation, suivant la ligne VI-VI de la fig. 5, et la fig. 7 une section horizontale suivant la ligne VII-VII de la fig. 5 indiquant aussi certaines dimensions à considérer.
On se réfère tout d'abord à la fig. 1 où la référence 10 représente un générateur, tel qu'un brûleur, muni d'une tuyère 11 émettant un courant principal B. Ce générateur de courant principal est alimenté par de l'air et du combustible au moyen de la connexion 12.
La fig. 2 montre des orifices d'émission de jets 22a, 22b, 22c, 22d, 22e et 22f émettant les jets à partir de la nourrice 13. Ces orifices successifs sont espacés les uns des autres et disposés le long d'un élément de guidage convexe 14. Ils présentent une dimension plus grande le long du bord d'attaque de l'élément de guidage que dans une direction normale à celui-ci. De plus, ils admettent des plans de symétrie qui sont perpendiculaires à l'élément de guidage et avantageusement parallèles entre eux.
Les orifices d'émission des jets sont pratiquement rectangulaires, le rapport entre les deux dimensions des orifices étant précisé ci-après en référence aux fig. 5 et 6.
Les fig. 1 à 4 montrent que les jets b, c, d, e sont émis initialement adjacents au bord d'attaque de l'élément de guidage courbe 14 et selon une direction pratiquement tangentielle à sa surface, le cœur de chaque jet épousant la surface courbe, comme représenté sur la fig. 3 pour le cœur bc du jet b. Du fait de la position et de la forme des orifices d'émission prévues de manière que la face de plus grande dimension de chaque jet se trouve au contact de la surface de guidage courbe, les jets sont soumis à un effet Coanda, c'est-à-dire qu'ils s'écoulent en adhérant à la surface convexe de l'élément 14 et subissent ainsi une déviation selon une trajectoire qui suit sensiblement la courbure de ladite surface. L'écoulement de chaque jet, par exemple du jet émis par l'orifice 22b, provoque en même temps une induction de gaz ou d'air ambiant, les actions combinées de déviation et d'appel d'air induit engendrant une paire de tourbillons schématisée par 23b-23b sur la fig. 2 pour le jet b, à l'endroit où ce jet apparaît en vue éclatée. Les courants d'air sont représentés par des flèches sur les fig. 2, 3 et 4.
Comme on le voit sur la fig. 2, le sens de rotation des tourbillons 23b est dirigé vers le bas sur les bords latéraux du jet b en particulier, et de chaque jet en général. Du fait que les orifices d'émission des jets sont espacés latéralement les uns des autres, les gaz ambiants ou l'air sont induits entre deux jets voisins; ils s'écoulent sur la surface de l'élément de guidage 14, de façon quasi laminaire, et selon la même direction générale que l'écoulement des jets. Ces régions en écoulement laminaire sont représentées, sur la fig. 2, par des lignes pointillées sur la surface de l'élément de guidage et sont caractérisées par des pressions relativement faibles, une certaine stabilité ou, plus justement, une absence de turbulence. On place les tétons d'alimentation en verre fondu 16 entre les jets, de préférence en des positions telles que les filets de verre sont introduits dans les zones d'écoulement laminaire situées entre ces jets. L'alimentation en verre est effectuée à partir d'une source schématisée en 15 comprenant une filière 17 qui possède une série de tétons d'alimentation espacés entre eux. Le verre fondu s'écoule dans les tétons d'alimentation 16 terminés par des orifices 25, ce qui permet d'obtenir de façon avantageuse des bulbes de verre ou des cônes effilés T qui sont transformés en filets de verre S. Sur la fig. 2, on a représenté une série de tels cônes Tb, Te, Td et Te, chacun d'eux étant situé dans un plan intermédiaire à deux jets voisins, et on remarque que le cône Tb donne naissance à un filet de verre qui entre ultérieusement dans le jet b, tandis que les cônes Te et Td permettent la formation des filets de verre pénétrant par la suite dans les écoulements respectifs des jets c et d. Pour obtenir cette répartition des filets de verre dans les jets respectifs, il est préférable que les tétons d'alimentation en verre 16, et par conséquent les cônes T, soient décalés vers l'un des jets voisins tout en restant dans des plans situés entre ces jets, comme précisé ci-dessus. Cette position asymétrique des tétons d'alimentation sera explicitée plus largement ci-après en référence à la fig. 6. Cette asymétrie est fortement souhaitable dans le but d'assurer l'entrée de chaque filet de verre dans un jet donné.
La fig. 3 est une vue schématique dans le plan de symétrie de l'orifice d'émission 22b et du jet b correspondant; le téton d'alimentation 16, le cône de verre Tb et le filet S, qui entre dans le jet b, y sont donc représentés en élévation. Au contraire, la section de la fig. 4 est effectuée dans le plan du téton d'alimentation 16 formant le cône de verre Tb et ceux-ci apparaissent donc en coupe.
En ce qui concerne le filet de verre, sa partie inférieure S'est représentée en pointillé sur la fig. 4 pour indiquer qu'elle se trouve alors dans le plan du jet b et que ce jet conduit ainsi le filet dans la zone d'interaction avec le courant principal B.
La représentation de la fig. 2 pour l'écoulement de chaque jet doit être interprétée comme suit: dans la région voisine du bord aval de l'élément de guidage 14, les tourbillons sont particulièrement bien formés et atteignent leur puissance maximale comme indiqué en 23b; leur intensité diminue ensuite au fur et à mesure que les jets progressent vers le bas, cette diminution d'intensité étant indiquée par les lignes mal définies 23c qui apparaissent à l'endroit où le jet est en vue éclatée, soit environ à mi-chemin entre le bord aval de l'élément de guidage 14 et la région où le jet pénètre dans le courant principal.
En approchant du courant principal, bien que l'intensité des mouvements tourbillonnaires diminue dans chaque jet et que les tourbillons se mélangent à d'autres parties de l'écoulement et fusionnent, chaque jet possède encore dans son ensemble une énergie cinétique suffisante pour pénétrer dans le courant principal et former les paires de tourbillons 24b, 24c, 24d. En d'autres termes, l'écoulement fusionné a donc encore une énergie cinétique
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par unité de volume supérieure à celle du courant principal. Le mode de formation de ces tourbillons dans la zone d'interaction a déjà été expliqué en détail dans les demandes ou la publication de brevet mentionnées précédemment, et il est donc suffisant de rappeler ici qu'outre la condition relative aux énergies cinétiques respectives, on utilise, pour former la zone d'interaction, un jet secondaire dont la section présente, dans une direction transversale au courant principal, une dimension inférieure à celle de ce dernier. De préférence, le jet secondaire possède une section droite inférieure à celle du courant principal.
Une des caractéristiques de l'émission des jets décrite ci-dessus est relative aux dimensions des jets et des orifices correspondants. Il est en effet recommandé d'utiliser des orifices d'émission possédant une plus grande dimension le long de l'élément de guidage que dans une direction normale à celui-ci et ayant de préférence une forme rectangulaire. Cette configuration favorise l'adhérence des jets le long de la surface de guidage et le développement, dans chaque jet, des paires de tourbillons recherchées. On remarquera cependant qu'il est encore possible d'utiliser des orifices de forme carrée, mais une telle réalisation éloigne des conditions optimales de fonctionnement.
Il est à noter, par ailleurs, que les tourbillons se forment sans nécessiter soit l'impact mutuel de jets voisins, soit la présence de structures mécaniques placées le long des faces latérales de chaque jet pour les canaliser. Grâce à cette caractéristique, il devient possible de choisir n'importe quel espacement entre les orifices d'émission des jets, à condition toutefois que la distance soit suffisante pour laisser subsister, sur la surface du déflecteur 14 et entre les jets successifs, des plages intermédiaires où les gaz ambiants induits créeront des zones à écoulement laminaire dans lesquelles on amènera les filets de verre.
Le mode de réalisation tel que décrit ci-dessus, caractérisé par la formation des zones à écoulement laminaire sur la surface d'une élément solidaire du dispositif, à savoir l'élément de guidage à courbure convexe 14, permet d'obtenir une très grande stabilité non seulement de ces zones, mais aussi des parties adjacentes des jets, ce qui contribue à stabiliser l'introduction des filets de verre dans les zones.
Les énergies cinétiques du jet et du courant principal sont influencées par plusieurs facteurs, en particulier leurs vitesses et leurs températures. En effet, la densité des gaz variant avec leurs températures, ces dernières constituent un paramètre déterminant. Dans certaines publications de brevets, telles que la publication N° 2223318 citée précédemment, le jet et le courant principal présentent tous deux des températures très supérieures à celle ambiante, respectivement de l'ordre de 800° C et de 1580°C par exemple; cependant, on préfère utiliser dans de nombreux cas un jet ayant une température beaucoup plus basse, voisine de la température ambiante par exemple. Pour alimenter le jet en gaz, il devient alors possible d'utiliser une source d'air quelconque à la place d'un brûleur ou de tout autre organe chauffant. De plus, la vitesse du jet peut être diminuée jusqu'à être inférieure à celle du courant principal tout en lui permettant de conserver une énergie cinétique suffisante pour qu'il pénètre dans le courant principal et forme la zone d'interaction comprenant les tourbillons utilisés pour l'étirage du filet de verre dans le courant principal.
On rappellera aussi que les jets associés à l'élément de guidage courbe et la position particulière de l'alimentation en verre décrits précédemment peuvent être employés seuls pour effectuer un étirage, mais on préfère y ajouter le courant principal et le combiner avec les jets pour soumettre dans ce cas chaque filet de verre à deux étapes d'étirage, l'une dans l'écoulement de chaque jet et la seconde dans la zone d'interaction d'un jet avec le courant principal.
On se réfère maintenant aux fig. 5, 6 et 7 pour préciser quelques paramètres. La fig. 5 représente schématiquement les principaux éléments, à savoir le générateur de courant principal, l'émetteur de jet, l'élément de guidage convexe déviant l'écoulement et formant les tourbillons dans le jet, ainsi que la source d'alimentation en matière étirable. On y a reporté, ainsi que sur les fig. 6 et 7, des symboles identifiant divers paramètres tels que dimensions et angles auxquels se réfèrent les tableaux qui donnent 5 à la fois les domaines appropriés de variation des dimensions et des angles et leurs valeurs préférées.
Tableau I: Filière et tétons d'alimentation en matière étirable
10 „
Symbole
Valeur préférée (mm)
Plage dT It
15 lR dR
Dr
2
1 5
2 5
1— 5 1— 5
0—10
1— 5 1 — 10
Tableau II: Emetteur du jet et élément de guidage 20 à courbure convexe
Symbole
Valeur préférée (mm, degrés)
Plage
25
dj Dj Yjj
Yjf
30
Rd d,
aD aJB
35
2
3 2
2
2,5
45 45
0,5— 4 1 — 4
1 —10
Dj D, Yh
2 2 2,
2— 4
30 — 90 20 — 90
Comme représenté sur la fig. 6, la distance entre les orifices d'alimentation en verre est sensiblement la même que celle entre les plans de symétrie successifs des orifices d'émission de jets. De 40 plus, chaque téton d'alimentation en verre est disposé de manière à amener un filet de verre S entre deux jets voisins, dans la zone d'écoulement laminaire recouvrant l'élément de guidage courbe 14, mais de préférence en une position décalée par rapport à la position médiane. Le téton d'alimentation ainsi placé plus 45 près d'un jet que du jet voisin débite un filet de verre qui, en conséquence, entrera toujours dans l'écoulement du jet le plus proche, et cela de façon très stable.
Tableau III: Courant principal
50 — '
Symbole Valeur préférée (mm) Plage
1b 10 5 — 20
Tableau IV: Positions relatives des divers éléments
Symbole
Valeur préférée (mm)
Plage
Zjf
5
1 —
15
Zjb
20
12 —
30
Xbf
- 5
0 —
-20
Xjf
5
0 —
10
65 Le nombre des centres de fibrage peut s'élever à 150 mais,
dans une installation normale de fibrage de verre ou d'une matière thermoplastique similaire, une filière adéquate comprendra environ 70 tétons d'alimentation.
L'orifice d'alimentation en matière étirable peut être soit un orifice isolé, soit une série d'orifices, soit une fente d'alimentation associée à une rangée de jets s'écoulant sur l'élément de guidage courbe. Dans le cas où les orifices d'alimentation sont remplacés par une fente, celle-ci est disposée transversalement au courant principal et, de préférence, en aval d'une rangée de jets associés à l'élément de guidage, la matière étirable issue de la fente étant alors divisée en une série de cônes et de filets sous l'influence des jets et des courants qu'ils induisent.
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, le procédé peut s'appliquer à l'étirage d'une large gamme de matières étirables. La température de la filière ou de la source d'alimentation variera, bien entendu, selon la matière particulière à fibrer et, dans le cas de l'étirage du verre ou d'autres matières thermoplastiques inorganiques, en général dans une gamme de températures pouvant se situer entre 1400 et 1800° C environ. Avec une composition de verre de type courant, la température de la filière est voisine de 1480°C.
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 dans les-
quels on utilise les symboles suivants
P
= pression
T
= température
V
= vitesse
P
= masse volumique.
5 624 648
Tableau V: Emission du jet
Symbole
Valeur préférée
Plage
Pj (bars)
2,5
1 —
50
Tj (°C)
20
—
1860
Vj (m/s)
300
200 —
900
pjVj2 (bars)
2,1
0,8 —
40
Tableau VI: Courant principal
Symbole
Valeur préférée
Plage
PB (mbars)
95
30 —
250
TB(°C)
1450
1300 —
1800
Vb (m/s)
320
200
550
PbVb2 (bars)
0,2
0,06
0,5
Lorsque l'on met en œuvre à la fois les jets gazeux et le cou-25 rant principal, chaque jet possède, comme précisé précédemment, une énergie cinétique par unité de volume supérieure à celle du courant principal; on utilisera par exemple un jet dont l'énergie cinétique par unité de volume est égale à environ 10 fois celle du courant principal.
R
4 feuilles dessins
Claims (15)
1. Procédé de fabrication de fibres à partir d'une matière éti-rable, au moyen de courants gazeux, caractérisé en ce que l'on engendre une pluralité de jets successifs distants les uns des autres et adjacents à une surface de guidage convexe, on dévie les jets et les courants qu'ils induisent, par écoulement et adhérence le long de la surface de guidage convexe, les courants induits formant sur cette dernière, entre des jets voisins, des zones d'écoulement laminaire, et on amène des filets de matière étirable entre les jets dans les zones d'écoulement laminaire, les filets étant ainsi entraînés et étirés dans l'écoulement des jets.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section de chaque jet présente, le long de la surface de guidage, une dimension plus grande que dans une direction normale à celle-ci.
2
REVENDICATIONS
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on forme une paire de tourbillons contrarotatifs sur les bords latéraux de chaque jet par déviation des jets le long de la surface de guidage à courbure convexe, les zones d'écoulement laminaire formées par les courants induits sur la surface de guidage étant situées entre les paires de tourbillons voisines.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les jets admettent des plans de symétrie perpendiculairement à la surface de guidage convexe.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les filets de matière étirable sont amenés vers les zones d'écoulement laminaire en des positions décalées latéralement par rapport aux plans situés à égale distance de deux jets voisins.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on engendre un courant gazeux principal de section supérieure à celle des jets et dirigé transversalement aux jets déviés, ces derniers ayant chacun une énergie cinétique par unité de volume supérieure à celle du courant principal pour pénétrer dans ce dernier et créer des zones d'interaction dans lesquelles les filets de matière partiellement étirés sont introduits pour subir un étirage complémentaire.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la trajectoire des jets déviés est orientée vers le bas en direction du courant principal.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température des jets gazeux est voisine de la température ambiante.
9. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant au moins un émetteur de jets gazeux pourvu d'orifices d'émission et une source d'alimentation en matière étirable munie d'au moins un orifice d'alimentation, caractérisé en ce que les orifices d'émission (22) des jets gazeux sont espacés latéralement les uns des autres et disposés le long d'un élément de guidage (14) adjacent aux jets et présentant une surface convexe qui dévie leurs trajectoires, et en ce que la source d'alimentation (16, 17) en matière étirable est placée en regard de la face convexe de l'élément de guidage pour diriger des filets de matière vers les courants induits par les jets dans des zones situées entre ces derniers sur la surface courbe de l'élément de guidage.
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque orifice d'émission de jet possède, le long de l'élément de guidage, une dimension plus grande que dans une direction normale à celui-ci.
11. Dispositif selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que le bord d'attaque de l'élément de guidage est adjacent aux jets s'écoulant sur sa face convexe, et en ce que les orifices (25) d'alimentation en matière disposés entre les jets sont décalés par rapport à la position médiane.
12. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que les orifices d'émission des jets admettent des plans de symétrie perpendiculaires à l'élément de guidage convexe.
13. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que chaque orifice d'émission de jet est sensiblement rectangulaire.
14. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que les orifices d'émission des jets sont disposés de manière que l'une des faces limitrophes des jets soit sensiblement tangente à la partie de la surface convexe voisine du bord d'attaque.
15. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur (10, 11) engendrant un courant principal (B) de section supérieure à celle des jets, dirigé transversalement aux jets déviés et les interceptant.
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