PL168379B1

PL168379B1 - Sposób wytwarzania wlókien mineralnych przez odsrodkowe odlewanie wewnetrzne i urzadzenie do rozwlókniania PL PL

Info

Publication number: PL168379B1
Application number: PL91292204A
Authority: PL
Inventors: Jean-Luc Bernard; Guy Berthier; Hans Furtak; Michel Opozda
Original assignee: Saint Gobain Isover
Priority date: 1990-10-29
Filing date: 1991-10-28
Publication date: 1996-02-29
Also published as: HUT66662A; CS324691A3; NO914143L; NO914143D0; AU648831B2; DK0484211T3; JPH04265247A; ZA918561B; IS3771A7; BR9104665A; IE70330B1; RU2053207C1; AU8605891A; KR920007938A; DE69111567T2; CN1062127A; ES2078475T3; YU169691A; DE69111567D1; FI915072A0

Abstract

1. Sposób wytwarzania wlókien mineralnych przez odsrodkowe odlewanie wewnetrzne, obejmuja- cy wylewanie rozwlóknianego materialu w stanie roztopionym do wnetrza wirówki, której tasma obwo- dowa podziurawiona jest bardzo duza liczba otworów wylotowych, znamienny tym, ze pomiedzy scianka wewnetrzna i scianka zewnetrzna tasmy obwodowej utrzymuje sie róznice temperatury od 50 do 300°C, korzystnie od 100 do 200°C. 9. Urzadzenie do rozwlókniania osadzone na wale silnika piasta z zamocowana na niej wirówka, zna- mienne tym, ze ma ogrzewana od wewnatrz i na zewnatrz wirówke, której sekcja toroidalna (5) ma dziurkowana tasme obwodowa (6) o wlasciwej prze- wodnosci cieplnej mniejszej niz 20 Wm' C’ 1 w tem- peraturze 1000°C, korzystnie mniejsza niz 10 Wm^ C '1 w temperaturze 1000°C, osadzona pomiedzy metalo- wa piasta (9) i metalowym kolnierzem (13). FIG.3 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania włókien mineralnych przez odśrodkowe odlewanie wewnętrzne i urządzenie do rozwłókniania.

Wynalazek odnosi się do technik wytwarzania włókien z materiału termoplastycznego o wysokiej temperaturze topnienia, na przykład materiału typu szkła lub bazaltu. W dokładniejszym ujęciu wynalazek dotyczy lepszego sposobu rozwłókniania opartego na odśrodkowym odlewaniu wewnętrznym, w którym materiał w stanie roztopionym wlewany jest do wirówki obracającej się z wielką prędkością, z obrzeżem posiadającym wielką liczbę otworów. Materiał wydostaje się przez otwory w postaci włókien, następnie załamywanych i ewentualnie ciągnionych przez koncentryczne strumienie gazowe przepływające równolegle do osi obrotu wirówki.

Sposób według wynalazku ma zastosowanie do rozwłókniania stosunkowo twardych szkieł, dla których temperatura odpowiadająca lepkości adekwatnej dla rozwłókniania jest możliwie jak najbardziej zbliżona do nich temperatury rekrystalizacji.

Poza kilkoma zakładami produkcyjnymi wykorzystującymi czysto aerodynamiczne techniki rozwłókniania, główna produkcja wełny żużlowej oparta jest na odśrodkowym odlewaniu. Pierwsze techniki opracowane na początku bieżącego stulecia oparte były na wylewaniu roztopionego materiału na organ obracający się z wielką prędkością, przy czym roztopiony materiał był oddzielany od wirującego organu i ulegał częściowej przemianie na włókna. Te techniki rozwłókniania, określane również jako sposoby odśrodkowego odlewania zewnętrznego mogą być stosowane dla każdego rodzaju materiałów, a zwłaszcza dla materiałów o szczególnie wysokiej temperaturze topnienia, takich jak szkła bazaltowe, gdyż organ obrotowy może być chłodzony wodą krążącą w jego wnętrzu, albo może być wytwarzany z materiału ogniotrwałego nie wyposażonego w przewiercone otwory. Z drugiej strony, rozciąganie jest kwazi natychmiastowe, co umożliwia stosowanie materiałów posiadających bardzo wysoką prędkość rekrystalizacji w temperaturach zbliżonych do temperatury rozwłókniania. Co więcej, kondycjonowanie roztopionego szkła może nie być bardzo uciążliwe, co innymi słowy oznacza, że sposób ten dopuszcza topienie bez konieczności klarowania oraz dopuszcza obecność pewnej niewielkiej liczby niedotopów i niecałkowicie stały skład w czasie procesu. W każdym razie, należy brać pod uwagę to, że tę swobodę uzyskuje się kosztem pogorszenia jakości włókien i, że nie może być wykorzystywana w tak szerokim stopniu, jak to byłoby pożądane. Poza tym, strumień roztopionego materiału spadający na wirówkę zakłóca warunki rozciągania w taki sposób, że obróbka, której podlegają dwa sąsiadujące ze sobą włókna, może wykazywać znaczne różnice, co znajduje odzwierciedlenie w wyglądzie końcowego produktu, wykazującym dużą różnorodność włókien.

Inna niedogodność polega na tym, że odśrodkowe odlewanie zewnętrzne prowadzi zawsze do znacznej zawartości nierozwłóknionego materiału, który obniża właściwości izolacji termicznej i akustycznej produktów i dla danej izolacji zmusza do wytwarzania bardziej zwartych produktów, gdyż zawierając znaczną część cząstek, nie przyczyniają się one do większej zdolności izolacyjnej. Ponadto, te nierozwłóknione wtrącenia powodują szorstkość wełny oraz jej pylenie. W tej sytuacji, techniki odśrodkowego odlewania zewnętrznego są obecnie wykorzystywane jedynie do kompozycji szklanych o bardzo wysokiej temperaturze topnienia, określanych jako szkła twarde, których zakres rozwłókniania jest szczególnie wąski. Dla szkieł szlachetniejszych oraz bardziej miękkich, systematycznie stosuje się omówione wyżej techniki rozwłókniania przez odśrodkowe odlewanie wewnętrzne, które korzystnie prowadzą do kwazi braku nierozwłóknionych wtrąceń, z wytworzeniem dłuższych włókien, nadających końcowemu produktowi zwiększoną udarność wynikającą z lepszego splątania się włókien oraz lepszej dokładności wytwarzania włókien o określonej średnicy.

Jednakowoż, dla realizacji takiego odśrodkowego odlewania wewnętrznego nieodzowne jest, aby szkło posiadało odpowiednią charakterystykę reologiczną. W pierwszym rzędzie, szkło winno móc występować w takim stanie, który zapewnia zdolność jego rozciągania przy średnicy otworów organu wirującego rzędu milimetra i mniejszej, kilku dziesiątych milimetra, przy czym średnica wytworzonych włókien winna być rzędu kilku mikrometrów. Włókna wychodzące z wirówki powinny być co najmniej stukrotnie ścienione. Jeśli temperatura szkła jest za wysoka, albo innymi słowy, szkło jest zbyt płynne, to nie może ono być rozciągane i w rezultacie

168 379 końcowym, pod wpływem napięcia powierzchniowego zamiast włókien formowane są kropelki (temperatura rozdzielania na krople).

Do tego pierwszego sformułowania definicji przedziału formowania należy dodać problem rekrystalizacji prowadzącej do tego, że szkło nie powinno być umieszczane w warunkach, w których krystalizuje ono z prędkością dostatecznie wysoką, przy uwzględnieniu czasu jego przebywania w wirówce, czasu nieporównywalnego z czasem styku między szkłem i wirującym organem rozwłókniania przez odśrodkowe odlewanie zewnętrzne. Roboczy zakres temperaturowy jest więc również ograniczony wartością temperatury likwidusu (temperatura odpowiadająca zerowej prędkości krystalizacji dla szkła znajdującego się w stanie równowagi cieplnej), albo raczej zgodnie z zastosowaniem tej techniki, górną temperaturą rekrystalizacji (temperatura odpowiadająca całkowitemu rozpuszczeniu kryształków w ciągu 30 minut, liczonych od uprzedniej, wstępnej rekrystalizacji szkła). W dalszych wywodach stosowane będzie wyrażenie zakres roboczy dla określania zakresu temperaturowego, w którym możliwe jest wyciąganie włókien.

Dla szkieł powszechnie stosowanych do odśrodkowego odlewania wewnętrznego, górna temperatura rekrystalizacji jest niższa od temperatury odpowiadającej najwyższej lepkości dopuszczalnej dla wyciągania, a także zakres temperatury roboczej nie jest wcale lub jest tylko w bardzo małym stopniu ograniczony z powodu problemów związanych z rekrystalizacją.

Sytuacja jest natomiast całkowicie równa, na przykład w przypadku szkieł bazaltowych lub innych szkieł o szczególnie wysokiej temperaturze topnienia. Dla tych szkieł temperatura rekrystalizacji jest znacznie wyższa od tej wartości temperatury odpowiadającej najwyższej lepkości, toteż zakres roboczy limitowany jest wartościami temperatury rekrystalizacji oraz temperatury rozdzielania się na krople. Co więcej, różnica pomiędzy tymi dwiema wartościami temperatury jest często mniejsza od stu stopni, a mianowicie wynosi 50°C, przy czym zakres roboczy dla szkła miękkiego wynosi przeszło 200-250°C.

Z tym, że szkło topione jest w temperaturze wyższej od temperatury roboczej, przy czym różnica ta jest tym większa, im wyższa jest twardość szkła, wiąże się jedno z największych utrudnień problemu, ponieważ szkło musi ulegać ochłodzeniu w czasie operacji doprowadzania go z pieca do obwodowej ścianki wirówki. Z tej przyczyny, praktycznie niemożliwym jest prowadzenie procesu dla szkła w bardzo dokładnie określonej temperaturze w czasie całego okresu przebywania w wirówce i do chwili obecnej nie było dla tego typu szkła możliwe zastąpienie techniką odśrodkowego odlewania wewnętrznego techniki odśrodkowego odlewania zewnętrznego, której omówione wyżej wady są znane od długiego czasu.

Co więcej, do tego fundamentalnego problemu charakterystyki reologicznej należy dodać inne problemy, tym razem natury technologicznej. W istocie, szkła te są szczególnie korozyjne i należy znaleźć do wytwarzania wirówki materiał nie ulegający szkodliwemu działaniu chemicznemu, o tyle szybszemu, że temperatura i natężenia przepływu są szczególnie wysokie; ponadto wielkość wirówek, określana średnicą, wynosi ogólnie od 200 do 1000 mm, duża liczba otworów wylotowych oraz forma opracowana pod kątem wytrzymałości na działanie intensywnych sił mechanicznych występujących przy obrotach oraz przy pełzaniu w ciągu długich okresów eksploatacji, nie pozwalają na przyjęcie koncepcji wykonania wirówki ze stopów ogniotrwałych, na przykład platyny. W literaturze dotyczącej tej dziedziny techniki znane są różne stale żaroodporne, lecz wszystkie te, które nadają się pod względem mechanicznym posiadają maksymalną temperaturę stosowania (w ciągu długiego okresu) rzędu 1000°C, gdy pożądaną byłaby temperatura rzędu 1100 - 1200°C.

Sposób według wynalazku ma na celu udoskonalenie technik wytwarzania włókien mineralnych przez odśrodkowe odlewanie wewnętrzne, w kierunku poszerzenia asortymentu szkieł nadających się do wyciągania w zadawalających warunkach przemysłowych. Celem wynalazku jest również nowe urządzenie do rozwłókniania umożliwiające wykonywanie sposobu według wynalazku.

Sposób wytwarzania włókien mineralnych przez odśrodkowe odlewanie wewnętrzne, obejmujący wylewanie rozwłóknionego materiału w stanie roztopionym do wnętrza wirówki, której taśma obwodowa podziurawiona jest bardzo dużą liczbą otworów wylotowych, zgodnie

168 379 z wynalazkiem polega na tym, że pomiędzy ścianką wewnętrzną i ścianką zewnętrzną taśmy obwodowej utrzymuje się różnicę temperatur od 50 do 300°C, korzystnie od 100 do 200°C.

W zależności od użytych szkieł, przedział temperatury wybierany jest korzystnie w podanych wyżej granicach, dla grubości ścianki wynoszącej kilka milimetrów, a zwykle zbliżonej do około 5 mm.

Korzystnie utrzymuje się wyższą temperaturę ścianki wewnętrznej wirówki od temperatury, w której rozwłókniony materiał zaczyna rekrystalizować, a temperaturę zewnętrzną utrzymuje się dostatecznie niższą od temperatury, w której lepkość szkła jest dostatecznie wysoka w momencie wyciągania.

W przypadku szkła bazaltowego lub każdego innego szkła o zakresie temperatur roboczych szczególnie wąskim, pracuje się więc, we wnętrzu wirówki, ze szkłem o temperaturze ogólnie wyższej od temperatury rozdzielania się na krople. Jednak w momencie, gdy włókno szklane wydostaje się z jednego z otworów wylotowych wirówki, jego temperatura leży dokładnie w tym zakresie roboczym, gdy lepkość jest adekwatna dla wyciągania. Dzięki zabezpieczeniu przez bardzo dokładne kondycjonowanie termiczne wirówki, uzyskiwane przy pomocy odpowiednich wewnętrznych i zewnętrznych dopływów ciepła, na przykład przy pomocy palników pierścieniowych, wynalazek umożliwia więc rozwiązanie tego problemu kondycjonowania termicznego szkieł bazaltowych.

Sposobem według wynalazku, wyciąganie włókien dokonywane jest na obwodzie wirówki, a więc w momencie gdy uzyskana jest odpowiednia lepkość. Tak więc, można wyciągać każdy rodzaj szkła, nawet jeżeli ich zakres roboczy jakby nie istnieje, i to bez obawy powstania korka we wnętrzu wirówki wskutek uniesienia masy rekrystalizującego szkła oraz, iż mało ważnym jest to, że lepkość szkła ulega gwałtownemu podwyższeniu natychmiast po pojawieniu się włókna.

Zaleta sposobu według wynalazku jest również prawdopodobnie związana z faktem, że na większej części przejścia szkła przez otwory, jest ono wciąż bardzo płynne i dzięki temu posiada dużą prędkość wypływu oraz umiarkowanie wysoką w czasie tego całego przejścia. Tak więc, nie tylko że unika się jakiegokolwiek niebezpieczeństwa rekrystalizacji wewnątrz wirówki lecz, co więcej, czasy przebywania szkła w otworach są w każdym przypadku bardzo krótkie, co jest dodatkowo korzystne ze względu na rekrystalizację.

Wynalazek umożliwia na przykład pracę ze skałami naturalnymi, a zwłaszcza bazaltami, które nie wymagają dodawania topników, są dzięki temu tańsze od szkła sodowego i są ponadto korzystnie żaroodporne oraz prowadzą do uzyskiwania wełny o zwiększonej odporności w wysokiej temperaturze, która może być stosowana do izolacji na wysoką temperaturę lub jako produkty zabezpieczające przed ogniem.

Wyciąganie może być dokonywane wyłącznie odśrodkowo i w tym przypadku wirówka otoczona jest strumieniem gazowym wypływającym z niewielką prędkością, służącym do kondycjonowania termicznego zewnętrznej taśmy obwodowej oraz włókien, do którego można ewentualnie dodać na większej odległości strumienie wytworzone przez wieniec pierścieniowy i przeznaczone do załamywania włókien oraz ich przenoszenie ku koszowi na włókna. Można również stosować wyciąganie gazowe, w uzupełnieniu do siły odśrodkowej, przez działanie strumienia wypływającego z bardzo dużą prędkością, przy czym ten strumień gazowy odgrywa więc oprócz roli polegającej na kondycjonowaniu termicznym, również rolę czynnika umożliwiającego wyciąganie fluidalne.

Należy zauważyć, że jakkolwiek gradient termiczny w kierunku radialnym jest nieodzowny, to jednak nie oznacza to, w rzeczywistości jest wręcz przeciwnie, że niekorzystne jest utrzymywanie również na tyle, na ile jest to możliwe, izotermiczności każdej ze ścianek, wewnętrznej i zewnętrznej, gdyż włókna powstające z włókien elementarnych wychodzących z otworów w dolnej części taśmy obwodowej powinny posiadać historię możliwie jak najbardziej zbliżoną do włókien powstających z wychodzących w górnej części taśmy obwodowej.

Urządzenie do rozwłókniania osadzone na wale silnika piastą z zamocowaną na niej wirówką, zgodnie z wynalazkiem ma ogrzewaną od wewnątrz i na zewnątrz ceramiczną wirówkę, której sekcja toroidalna ma dziurkowaną taśmę obwodową o właściwej przewodności

168 379 cieplnej mniejszej niż 20 Wm^C'¹ w temperaturze 1000°C, korzystnie niższej niż 10 Wm'¹C'¹w temperaturze 1000°C, osadzoną pomiędzy metalową piastą i metalowym kołnierzem.

Wirówka do realizacji sposobu według wynalazku, czyli wirówka mogąca pracować z gradientem temperaturowym na grubości ścianki taśmy obwodowej spełnia ten cel wtedy, gdy jej taśma obwodowa wykonana jest z materiału o przewodnictwie cieplnym, mierzonym w kierunku równoległym do promienia wirówki, co najmniej mniejszym od 20 Wm'¹C’1 w temperaturze 1000^oC i korzystnie mniejszym niż 10 Wm'1 a dyfuzyjność termiczna, mierzona również w kierunku równoległym do promienia i w temperaturze 1000°C jest korzystnie mniejsza od 5 . 10'⁶ M² s'1 przy czym materiał ten winien ponadto mieć zdolność wytrzymywania szczególnie wysokiej temperatury wewnętrznej, zbieżnej z wartościami temperatury topnienia takich szkieł, jak na przykład naturalne bazalty. Temperatury te przekraczają 1OO0°C, to znaczy aktualną granicę stosowalności stali żaroodpornych, toteż zwrócono się ku materiałom ceramicznym.

W badaniach nad materiałami nadającymi się do wykorzystania w tym celu należy uwzględnić wiele kryteriów. W pierwszym rzędzie, nieodzowne jest, aby ceramika nie ulegała korozji powodowanej utlenianiem przez jakikolwiek roztopiony materiał, a zwłaszcza również w przypadku materiału szczególnie korozyjnego, typu szkła bazaltowego i/lub żużla wielkopiecowego. Wytrzymałość wyrobu powinna być możliwie jak najwyższa, nawet jeżeli jest ogólnie wiadomo, że ciągliwość ceramik jest około dziesięć razy mniejsza od ciągliwości metali. I na koniec, odporność na wstrząsy cieplne powinna być wysoka, czyli innymi słowy współczynnik rozszerzalności wyrobu winien być również jak najmniejszy.

Ten ostatni postulat uwidacznia natychmiast problem wyrobu łączenia części ceramicznych wirówki z takimi częściami metalowymi, jak części złączne z wałem silnika napędzającego wirówkę, które to części muszą nagrzewać się i rozszerzać, jeżeli nawet istnieje możliwość utrzymania ich temperatury na poziomie zaledwie kilkuset stopni.

Liczne próby przeprowadzone zostały na wszystkich materiałach ceramicznych, o których wiadomo było, że wytrzymują temperatury robocze wyższe od 1000°C, przez dokonanie ich osiągów dla różnych kryteriów szczególnie krytycznych w przypadku wirówki rozwłókniającej, którymi są zwłaszcza zdolność wytrzymywania wstrząsów cieplnych (nieprzewidywalne zatrzymanie odlewania roztopionego szkła pociąga za sobą gwałtowne zmniejszenie ilości doprowadzanego ciepła), wysoka wytrzymałość mechaniczna (wirówka podlega dużym naprężeniom w czasie długotrwałej pracy na wysokich obrotach) oraz, jak wspomniano powyżej, dostateczna odporność na działanie korozyjne szkieł.

Spośród monolitycznych materiałów ceramicznych, których główną zaletę stanowi możliwość ich stosowania w postaci przerobionej przez spiekanie, technologię powszechnie znaną dla specjalistów, przy czym zgodnie z wynalazkiem odrzucono w końcu materiały ceramiczne na bazie tlenku chromowego, wprawdzie powszechnie stosowane w piecach szklarskich, lecz nie nadające się ze względu na małą odporność na wstrząsy cieplne. Z innych materiałów ceramicznych, takie jak mullit, kordieryt lub tytanian glinowy wykazują bardzo niezadawalającą wytrzymałość mechaniczną. Węglik krzemu nie spełnia wymagań, gdyż jego odporność na wstrząsy cieplne jest niewystarczająca. Natomiast bardzo podobna do węglika krzemu pod względem licznych charakterystycznych właściwości, rodzina azotku krzemu uznana została za jedyny materiał odpowiedni do stosowania na części monolityczne, pod warunkiem pracy z zachowaniem pewnych środków ostrożności, które będą wyliczone w dalszych wywodach.

Stosowane materiały ceramiczne na bazie azotku krzemu posiadają szare zabarwienie. Stosuje się zwłaszcza azotek krzemu lub jego pochodne, takie jak SIALON, na przykład o następującym składzie chemicznym, wyrażonym w procentach objętościowym:

Si 49,4%>

Al 4,2%>

Y Ί,25%ο

O 4%o

N 35%_O

Fe < 2000 ppm

Ca + Mg < 1000 ppm

Stosowane mogą być również inne azotki krzemu.

168 379

Wyrób wytwarza się na przykład przez spiekanie. Stosuje się korzystnie ceramiki nieporowate, o ciężarze objętościowym możliwie jak najbardziej zbliżonym do maksymalnej gęstości teoretycznej, co prowadzi do uzyskiwania części trudniej ulegających korozji. Tego rodzaju materiał ceramiczny wytrzymuje bardzo dobrze utleniające działanie tlenu z powietrza. Tę dobrą charakterystykę tłumaczy powstawanie ochronnej warstewki krzemionkowej na powierzchni części ceramicznej, w wyniku utleniania powierzchniowego. W przypadku roztopionych szkieł, szczególnie korzystnie jest pracować z roztopionym materiałem o relatywnie kwasowym składzie, to znaczy zawierającym pierwiastki kwasowe takie jak glin, bor, krzem, fosfor w stosunkowo dużej ilości, dla ograniczenia zjawisk korozji.

Inną kategorię zbadanych materiałów ceramicznych stanowią kompozyty o matrycy ceramicznej i wzmocnieniach włóknistych, wykazujących znacznie wyższą wytrzymałość na rozciąganie, niż monolityczne materiały ceramiczne. Wybór dokonywany jest bardziej specyficznie wśród ceramik SiC-SiC lub SiC-C, zawierających matrycę z węglika krzemu wzmacnianego włóknami również z węglika krzemu (SiC-SiC) lub węgla (SiC-C). Więcej szczegółów o tych materiałach znaleźć można w artykule Alain Lacombe pod tytułem Materiały ceramiczne o matrycy ceramicznej opublikowanym w numerze z czerwca 1989 przeglądu Materiaux et Techniques. Wyrób sporządzany jest przez wysycanie drogą krakowania prekursorem gazowym, który ceramizuje się po osadzeniu w półwyrobie uzyskanym przez ułożenie w stos stykających się warstw tkaniny z włókien węglika krzemu lub węglowych. Technologie podobne do opracowanych dla kompozytów polimerowych umożliwiają produkcję przemysłową takich części, włącznie z wyrobami o stosunkowo dużych średnicach, na przykład przekraczających 600 mm.

Zauważyć można, że dzięki przejawianiu przez zastosowany materiał ceramiczny bardzo małej tendencji do pełzania w porównaniu z materiałami metalicznymi w stosowanych tu temperaturach, kształt wirówki może być nieco uproszczony i bardziej zaokrąglony, ponieważ nawet przy wysokiej liczbie obrotów pozostaje się zazwyczaj na poziomach naprężeń nie przekraczających granicy plastyczności materiału. Włókna wzmacniające pozwalają na wytworzenie się mechanizmu absorbującego energię, ograniczającego propagację mikropęknięć i dopuszczającego do pewnej deformacji elastycznej. Ceramika taka może pracować w warunkach nieutleniających w temperaturze przewyższającej 1200°C dla SiC-SiC oraz 1400°C dla SiC-C. Otwory, przez które wydostaje się szkło mogą być sporządzane przy pomocy lasera.

Ceramika SiC-SiC stanowi materiał szczególnie interesujący dzięki ich wytrzymałości na rozciąganie rzędu 30 MPa/m nadającej mu dobrą odporność na wstrząsy cieplne. W zetknięciu ze szkłem zawierającym tlen lub z tlenem z powietrza, węglik krzemu utlenia się i podobnie jak w przypadku azotku krzemu powstaje pasywna warstwa ochronna krzemionki.

Należy w każdym przypadku zauważyć, że to zjawisko pasywacji nie jest całkowicie obojętne oraz, że prowadzi ono do selekcji specjalnych kompozycji szklanych. W pierwszym rzędzie, krzemionka może być rozpuszczana przez szkło, toteż należy unikać długotrwałego ługowania wirówki przez szkło.

Powyżej wskazano na możliwość wykonywania otworów przy pomocy lasera. Jest dowiedzione, że ten sposób wykonywania otworów pozostawia powierzchnię doskonale gładką, przy bardzo małej liczbie zauważonych włókien, których degradacja po przejściu strugi roztopionego szkła jest zaskakująco mała pod względem głębokości, chociaż włókna posiadają odporność na korozję mniejszą niż matryca. W tej sytuacji, wystarcza prowadzić proces początkowo z otworami wykonanymi o średnicy nieco mniejszej od pożądanej i po powiększeniu się otworów obserwowanym w pierwszych chwilach odlewania obserwuje się, że średnica otworów pozostaje stała i nie ma szybkiego zużywania się wirówki.

Inną ważną właściwość materiałów ceramicznych SiC-SiC stanowi ich znacznie mniejsza niż u stali żaroodpornych przewodność cieplna, a ponadto bardzo mały współczynnik dyfuzyjności, obok niewielkiej bezwładności cieplnej wynikającej z gęstości rzędu zaledwie 2,5. Na grubości, a więc w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzn warstw tkaniny, przewodność wirówki, stali żaroodpornych, które są skądinąd bardzo złymi przewodnikami cieplnymi w

168 379 porównaniu ze zwykłą stalą. Zbiegiem okoliczności ta niewielka gęstość oznacza to, że wytworzone wirówki są znacznie lżejsze, z czym wiążą się mniejsze siły dostarczane przez wał silnika i działające na organy montażowe. Jednak, wracając do charakterystyki cieplnej stwierdza się, że ceramika SiC-SiC nadaje się szczególnie do realizacji sposobu według wynalazku, nie wykazując tendencji do ujednorodniania swej temperatury, nawet po stosunkowo długim czasie. Można więc pracować z gradientem temperaturowym, ulegającym niewielkim zmianom, który może dzięki temu być utrzymywany bez potrzeby przegrzewania wewnętrznej części wirówki.

Bardziej negatywny aspekt tej specyficznej charakterystyki cieplnej stanowi to, że przy uruchamianiu procesu rozwłókniania bardzo trudno jest podgrzać wirówkę; stwierdzono jednak wszkaże, że możliwe jest ogrzewanie izotermiczne na całej wysokości blachy obwodowej, lecz nie na grubości, przy pomocy palnika pierścieniowego, korzystnie o wielu rozbieżnych strumieniach skierowanych ku ściance wewnętrznej blachy obwodowej oraz palników zewnętrznych ewentualnie uzupełnionych jednym lub większą liczbą palników tlenowoacetylenowych, przy czym ogrzewanie może być kontrolowane w sposób ciągły, na przykład przy pomocy pirometru optycznego, tak aby uniknąć jakiegokolwiek przegrzewania. Podgrzewanie przy pomocy palnika wewnętrznego pozwala na zmniejszenie liczby stref znajdujących się pod działaniem sił rozciągających, w szczególności na poziomie wszystkich otworów.

Materiały ceramiczne z matrycą z węglika krzemu wzmocnionego włóknami węglowymi są również szczególnie korzystne, jako że ich charakterystyki dotyczące ich odporności na działanie wysokiej temperatury, ich wytrzymałości na rozciąganie, ich przewodności cieplnej oraz ich wykorzystania są bardzo zbliżone, a mianowicie nieco lepsze od wartości dla materiałów ceramicznych wzmacnianych włóknami z węglika krzemu. Te materiały ceramiczne wzmacniane włóknami węglowymi są ponadto dobrymi przewodnikami elektrycznymi, co pozwala na ewentualne indukcyjne podgrzewanie elektromagnetyczne. W każdym przypadku korzystnie jest przewidzieć zabezpieczenie wirówki, na przykład typu polegającego na nanoszeniu warstwy ceramicznej, na przykład cienkiej warstewki węglika krzemu, albo dowolnej równoważnej warstwy, która w korzystny sposób ochrania włókna wydobyte na wierzch. Jeśli wybrane szkło jest wystarczająco redukujące, to można pominąć tę ceramizacyjną obróbkę ochronną, lecz przy przystępowaniu do podgrzewania wirówki stosować palniki emitujące gaz redukujący.

Ostatnim badanym punktem jest łączenie pomiędzy częścią ceramiczną i niezbędnymi częściami metalowymi wirówki, którą należy dobrze złączyć z wałem silnika wirówki. Połączenie to może być zapewnione, na przykład przez zablokowanie płytki kołnierzowej części ceramicznej między dwoma przymocowanymi do siebie, metal do metalu, kołnierzami metalowymi, przekładając pomiędzy część metalową i kołnierze metalowe połączenia elastyczne, na przykład w postaci filcu z włókien z tlenku glinowego lub innych włókien żaroodpornych, albo w postaci papierów łuszczonych z grafitu. To elastyczne zamocowanie umożliwia względne ślizganie się części metalowych ulegających dużemu rozszerzeniu oraz części ceramicznej pozornie nie rozszerzającej się. To urządzenie łączące uzupełnione jest urządzeniem centrującym, które może korzystnie składać się z zespołu 3 klocków naciskowych z ceramiki, które ustawiają się w podłużnych gniazdach radialnych rozmieszczonych na obrzeżu części ceramicznej symetrycznie, co 120°.

Inne szczegóły i korzystne cechy wynalazku wynikają z następującego podanego niżej opisu zilustrowanego załączonymi rysunkami, na których: fig. 1 przedstawia krzywe zależności lepkości od temperatury dla różnych szkieł, fig. 2 przedstawia schemat .ilustrujący sposób rozwłókniania według wynalazku, fig. 3 przedstawia schematyczny półwidok wirówki według wynalazku.

Przemysł włókien izolacyjnych wytwarza zasadniczo dwa typy produktów, wełnę szklaną i wełnę żużlową, przy czym każdy z tych typów posiada bardzo dużą liczbę wariantów. Typowym sposobem, wełnę szklaną otrzymuje się z kompozycji szklanej o następujących wartościach granicznych:

SiO2 61 -66 (procent wagowych)

12-17

2-5

0-3

Na^O

AI2O3

K2O

168 379

CaO 6-9

B2O3 0-7,5

MgO 0,5

FeoO-i mniej niż 0,6

Te wartości graniczne nie są zawsze bardzo rygorystyczne i także inne składniki mogą również wchodzić w grę, zwłaszcza w postaci śladów. Stosunkowo wysoka zawartość krzemionki w porównaniu z innymi szkłami przytoczonymi w tych wywodach implikuje wysoką zawartość topników, takich jak węglan sodowy lub bor. Tak więc węglan sodowy (i w większym stopniu bor) jest składnikiem stosunkowo kłopotliwym, ponieważ koszt kompozycji może być znacznie zwiększony przez takie składniki jak tlenki boru. Co więcej, szkło o takim składzie jest plastyczne w temperaturze powyżej 400-500°C, co ogranicza możliwości jego stosowania.

Natomiast jeśli obserwuje się krzywą zależności lepkości od temperatury takiego takiego szkła, określonego jako 1 na fig. 1, to stwierdza się, że lepkość wynosi od 300 do 3000 puazów dla zakresu temperatury od około 1050 do 1300°C. Na rysunku tym zakreskowano zakresy temperatur niższych od górnych temperatur rekrystalizacji dla danych szkieł. Z drugiej strony, górna temperatura rekrystalizacji leży poza tym zakresem (960°C). Zakres roboczy jest więc szczególnie szeroki i szkła te nadają się szczególnie dobrze na przetwarzanie we włókna, ponieważ mogą one być poddawane obróbce w ciągu stosunkowo długich okresów czasu w dobrze zoptymalizowanych warunkach wyciągania, co prowadzi do szczególnie wysokiej jakości włókien, zwłaszcza pod względem właściwości termicznych i mechanicznych, będących zasadniczymi właściwościami, do których się dąży przy wytwarzaniu produktu izolacyjnego.

Drugim typem produktu jest wełna żużlowa, nazywana tak, ponieważ często wytwarzana jest z surowca stanowiącego naturalne skały typu bazaltu, a także w charakterze surowca stosuje się inne kompozycje, zwłaszcza produkty przemysłu hutniczego, takie jak żużel wielkopiecowy.

Te kompozycje szklane, uzyskiwane bez stosowania dodatków przede wszystkim sody i dzięki temu mniej uciążliwe, odpowiadają na przykład następującym składem wyrażonym w procentach wagowych, przy czym wskaźniki 2, 3 i 4 odnoszą się do odpowiednich krzywych zależności lepkości od temperatury przedstawionych na fig. 1, na których na osi odciętych podane są wartości temperatury, a na osi rzędnych wartości logarytmów dziesiętnych lepkości wyrażonych w puazach (1 puaz = 1 dPa.s).

	przypadek ogólny	(2)	(3)	(4)
SiO2	40-50	52,0	44,5	46,6
Na?O	0- 5	4,4	4,2	3,2
AI2O3	8- 18	16,9	14,7	13,7
K 2O	0- 2	0,6	0,9	1,5
CaO	7-42	7,6	10,5	10,3
MgO	3-11	7,3	8,9	9,1
Fe2O3	0- 17	10,1	12,5	12,6
Różne		1,3	3,8	3

Wartości te odpowiadają szkłom względnie żaroodpornym, które mogą być korzystnie stosowane do zastosowań w wysokich temperaturach lub do budowy elementów przeznaczonych do spowalniania propagacji ognia w budynku. Jednakowoż ten charakter żaroodporny wiąże się przede wszystkim z bardzo wysoką temperaturą topnienia, na przykład przewyższającą 1400°C, co prowadzi często do stosowania dość prymitywnych sposobów topienia, na przykład w żeliwiaku z koksem używanym jako paliwo, czego następstwem jest często niedokładne kondycjonowanie termiczne szkła.

Przed omówieniem charakterystyki Teologicznej, należy ponadto podkreślić, że te szkła stwarzają również specjalne problemy korozji chemicznej oraz, że wybór określonego szkła powinien być dokonywany przy uwzględnieniu również aspektu korozji narzędzi stosowanych do rozwłókniania. O materiałach na bazie krzemu, takich jak wymienione powyżej, wiadomo jest, że szkło przejawia tendencję do wzmagania utleniania na krzemionkę. Właśnie z tej przyczyny szczególnie korzystnie jest stosować kompozycje szklane o zawartości krzemionki

168 379 wyższej od 45% i zwłaszcza od 50% oraz o zawartości topników (MgO-CaO) niższej od 20% i korzystnie od 15% (skład, który można jeszcze napotkać w pewnych bazaltach o wysokiej zawartości krzemionki, lecz szczególnie ubogich w krzemionkę przy porównaniu z typowymi szkłami, a więc tańszych od nich). W dopełnieniu do tej jeszcze stosunkowo małej zawartości krzemionki, można stosować stosunkowo niewielką zawartość alkaliów, to znaczy topników. Skądinąd, zawartość substancji utleniających, takich jak tlenki żelazowe lub także żelazawe oraz siarka, powinna również być możliwie jak najmniejsza, aby szkło również miało możliwie najwięcej redukujące i kwasowe właściwości, przejawiając z jednej strony małą tendencję do rozpuszczania krzemionki ze względu na jego słabo zasadowy charakter chociaż z drugiej strony nie sprzyjające utlenianiu węglika krzemu, z pewnością korzystnemu ze względu na tworzenie warstwy ochronnej na powierzchni, jednakże będącemu wynikiem działania na wirówkę, które nie powinno postępować ku jej rdzeniowi.

Znaczenie tego ostatniego punktu uwidacznia się na przykład w następującej próbie. Pierwsza próba, przeprowadzona z bazaltem o zawartości 45% krzemionki i 12% tlenku żelazowego, wykazała więc, że pręt z azotku krzemu traci 80% na wadze po 48 godzinach przebywania w kąpieli roztopionego szkła o temperaturze 1300°C, a identyczny pręt zanurzony w kąpieli roztopionego bazaltu o składzie identycznym do przytoczonego bazaltu z Meilleraie, traci w ciągu tego samego czasu 5% na wadze. W przypadku szkła zwykłego o zawartości krzemionki na przykład 63% i zawartości Na2O 15%, obserwuje się po przetrzymywaniu w ciągu 125 godzin w temperaturze 1100°C (temperatura w której zwykłe szkło jest już płynne, i nie ma potrzeby jej przekraczania), stratę na wadze niższą od 5%. Podobne wyniki uzyskuje się przy stosowaniu ceramik na bazie węglika krzemu.

Próby korozji wykazują również, że korzystnie jest stosować kompozycje szklane pozbawione siarki lub wszelkich związków wykazujących tendencję do zwiększania ich zasadowości. Należy obecnie omówić zagadnienie samego rozwłókniania. Przy porównaniu krzywych 2, 3 i 4 z krzywą 1, stwierdza się natychmiast, że zakresy robocze szkieł bazaltowych są znacznie węższe oraz, że położone są one na znacznie wyższych poziomach temperatury. Trzymając się teoretycznej wartości granicznej określonej przez górną temperaturę rekrystalizacji, przy założeniu minimalnej lepkości 100 puazów, to tylko odpowiadający krzywej 2 bazalt z Melleraie może być stosowany i to w zakresie zaledwie 30°C (1330-1360°C).

W istocie, ta wartość graniczna jest w rzeczywistości ważna wyłącznie z uwagi na przebywanie szkła w wirówce, ponieważ prędkość wyciągania oraz schładzania występującego na włóknie jest taka, że doskonale można wyciągać włókna, bez możliwości wystąpienia rekrystalizacji. W tym miejscu można zauważyć, że rozwłóknianie prowadzone jest dla szkła w czasie ochładzania. Natomiast górna temperatura rekrystalizacji mierzona jest poczynając od szkła odszklonego. Nie ma więc doskonałej zbieżności wartości temperatur granicznych, lecz im bardziej temperatura roboczajest zbliżona do górnej temperatury rekrystalizacji, tym większe jest ryzyko niemożności prowadzenia procesu. W każdym razie jest nieodzowne, aby odpowiednia lepkość była osiągnięta w chwili rozwłókniania oraz, aby szkło nie znajdowało się w temperaturze niższej od górnej temperatury rekrystalizacji we wnętrzu wirówki.

Bazalt z Meilleraie jest korzystny w aspekcie zgodnym z istotą wynalazku, ponieważ oprócz jego najkorzystniejszej charakterystyki Teologicznej, charakteryzuje się on małą agresywnością w stosunku do wirówek ceramicznych.

Jeżeli próbuje się rozwłókniania przez odśrodkowe odlewanie wewnętrzne jednego z tych szkieł bazaltowych, w warunkach typowych dla wirówki metalowej, lecz ze ścianką praktycznie izotermiczną na grubości, stanowiącego doświadczenie, którego próbę można podejmować dla szkła podobnego, to znaczy szkła o krzywej pokrywającej się z wybranym bazaltem, lecz o zakresie formowania zawartym między temperaturami znacznie niższymi, w taki sposób, by można było prowadzić proces z pomocą wirówki metalowej, to obserwuje się zjawisko rozdzielania na krople, a nie wyciągania na włókna.

Aby można było dokonywać rozwłókniania takiej kompozycji przy pomocy wirówki wyposażonej w otworki, zgodnie z istotą wynalazku proponuje się przeprowadzać proces według schematu pokazanego na fig. 2, z gradientem temperaturowym od wnętrza do zewnętrznej strony ścianki. Można więc, dla bazaltu z Meilleraie, przesyłać w przedstawionym przypadku strumień

168 379 roztopionego materiału w temperaturze 1470°C (materiał jest doprowadzany od momentu stopienia przy pomocy na przykład leja wsadowego, co tłumaczy, że temperatura ta jest stosunkowo niska w porównaniu z temperaturą topnienia. Szkło w dalszym ciągu ochładza się opadając przed dotarciem do wirówki.

Przy pomocy wirówki o ściance wewnętrznej ogrzanej na przykład do temperatury około 1300°C, można więc pracować ze szkłem o temperaturze rzędu 1350°C, co wyklucza wszelkie ryzyko rekrystalizacji w wirówce i w której płynność materiału jest za duża dla prawidłowego wyciągania i prowadziłaby do rozdzielania na krople, a nie włókna. Natomiast temperatura ścianki zewnętrznej, przez którą wydostają się włókna, jest zbliżona do 1140°C i odpowiada lepkości umożliwiającej skuteczne rozciąganie, czy to wyłącznie pod działaniem siły odśrodkowej, czy też przez łączne działanie siły odśrodkowej i wyciągania gazowego.

Bardziej ogólnie, sposób według wynalazku umożliwia rozwłóknianie bardzo dużej liczby szkieł, których charakterystyka reologiczna jest szczególnie krytyczna ze względu na ich wąski zakres roboczy, ograniczony czy to przez problemy rekrystalizacji, jak w przypadku szkieł bazaltowych, czy też tylko przez problemy lepkości, gdy maleje ona bardzo znacznie wraz z temperaturą. Pod tym, że przedział jest wąski rozumie się, że jest on mniejszy od 100°C, na przykład 50°C.

Dla realizacji sposobu według wynalazku opracowany został nowy typ wirówki mogącej funkcjonować przy gradiencie temperaturowym mogącym osiągać na przykład 200°C między ścianką wewnętrzną i zewnętrzną, przy czym należy przyjąć, że wirówka według wynalazku nie jest w żadnej mierze ograniczona do przypadku realizacji omówionego procesu rozwłókniania oraz, że może ona być stosowana w warunkach bardziej izotermicznych do mniej żaroodpornych kompozycji szklanych, wykazując tym niemniej zalety, które będą omówione w dalszych wywodach.

Dla ustalenia znacznego przedziału temperaturowego na grubości nie przekraczającej na przykład 5 mm, nieodzowna jest praca z materiałem stanowiącym bardzo dobry izolator cieplny i posiadającym małą bezwładność cieplną, przeciwdziałając dyfuzji ciepła. Inne utrudnienie, począwszy od momentu gdy roztopione szkło powinno przechodzić przez ściankę wirówki, polega na tym, że ten materiał izolacyjny nie może być osadzany po prostu w postaci cienkiej warstewki pokrycia, lecz powinien być stosowany dla wykonywania zespołu części; warunek ten narzuca warunki wykonalności na raz na poziomie umieszczania części w formach i na poziomie wykonywania otworów. Co więcej, materiał winien być wystarczająco żaroodporny i wytrzymywać w sposób ciągły temperatury zawarte na przykład między 1200 i 1300°C i wreszcie ostatnie, lecz nie najmniej ważne wymaganie, materiał również powinien być odporny na działanie korozyjne szkieł.

Pierwszym typem wybranego materiału jest azotek krzemu, na przykład typu RBSN (Reaction Bonded Silicium Nitrure, uzyskiwany przez reakcję spiekania w atmosferze azotu proszku krzemowego) typu S13N4 lub typu SIALON, spiekanego materiału posiadającego dobre właściwości cieplne aż do temperatur zbliżonych do 1300°C i który jest korzystnie łatwy do obróbki skrawaniem. Jego wytrzymałość w temperaturze 1000°C wynosi 450 MPa i jego współczynnik rozszerzalności liniowej w zakresie od 20 do 1000°C wynosi 3.10'⁶C'’. Jego przewodność cieplna wynosi 20 Wm*l°C'¹ w temperaturze 1000°C, co czyni zeń bardzo dobry materiał izolacyjny. Co więcej, materiał ten posiada gęstość rzędu 3,2, gęstość bardzo małą, towarzyszącą małej dyfuzyjności. Technika spiekania umożliwia wykonywanie części również o kształtach bardzo złożonych, przy czym otwory mogą być wykonywane na początku, w stanie surowym, przy pomocy prętów wyjmowanych gdy część znajduje się w formie, przy czym średnica otworów jest ewentualnie korygowana przy pomocy diamentu.

Należy zauważyć, że stosowany materiał ceramiczny posiada bardzo małą porowatość, jego ciężar objętościowy jest korzystnie wyższy od 97% maksymalnej gęstości teoretycznej. Jeżeli ten warunek, łatwy do sprawdzenia eksperymentalnego, jest spełniony, to stanowi on nie niszczącą próbę jakości części i jest oznaką prawie całkowitego braku wad materiałowych, zapewniając dobrą odporność na pełzanie oraz dobrą wytrzymałość na zginanie.

Bardzo zadawalając ze względu na swą odporność na wstrząsy cieplne i swoją twardość, azotek krzemu wykazuje jednak stosunkowo małą ciągliwość (rzędu 5,4 MPa/m) co czyni

168 379 trudnym wykonywanie wirówek o dużych średnicach, na przykład o średnicy 400 mm lub większej, przy czym wirówki są z definicji przystosowywane do dużej prędkości, z przyspieszeniami odśrodkowymi zawartymi na przykład w granicach między 4000 i 20000 m/s², jeśli mają odpowiadać warunkom korzystnym z punktu widzenia jakości włókien, zaproponowanym w europejskim opisie patentowym nr EP-B1-91 381.

Właśnie z tej przyczyny korzystnie jest stosować ceramiki kompozytowe z matrycą z węglika krzemu wzmocnioną włóknami z węglika krzemu lub włóknami węglowymi, będące ceramikami o ciągliwości rzędu, odpowiednio 25-30 i 45-52 MPa/m, przy czym te ostatnie wartości są bardzo zbliżone do wartości dla metali. Te ceramiki kompozytowe nie posiadają już praktycznie kruchego charakteru, zwykle cechującego ten rodzaj materiału.

Kompozyty te uzyskiwane są przez obróbkę półwyrobów, z formowaniem ułożonych w jak najbardziej zwarty stos warstw tkaniny z włókien z węglika krzemu lub węglowych. Siatka z włókien poddawana jest następnie jednej, lub korzystnie serii impregnacji przez infiltrację w fazie gazowej, w wysokiej temperaturze dla uzyskania krakingu pirolitycznego prekursora; typowym prekursorem gazowym stosowanym jest trójchloro-metoksy-śilan. Po tym umieszczeniu matrycy wokół włókien, półwyrób jest ewentualnie poddawany obróbce wykańczającej i otwory są wykonywane na przykład przy pomocy lasera.

Wytrzymałość tych materiałów jest tym bardziej godna uwagi, że sam w sobie węglik krzemu ma nieco mniejszą wytrzymałość od azotku krzemu, co tłumaczy, dlaczego materiał ten nie został wybrany do wykonywania części spiekanych. Natomiast kompozyt typu kruchy-kruchy posiada nadzwyczajną wytrzymałość dzięki obecność włókien przeszkadzających propagacji pęknięć, przy czym energia wstrząsów rozpraszana jest przez liczne mikropęknięcia i pochłaniana przez powierzchnię graniczną włókno-matryca, bez istotnej propagacji pęknięć pierwotnych.

Dla ceramiki SiC-SiC właściwości mechaniczne są następujące: wytrzymałość na rozciąganie 200 MPa w temperaturze 1000°C, przy czym wytrzymałość ta jest ograniczona do 150 MPa w temperaturze 1400°C, skąd wynika praktyczna temperatura graniczna stosowania między 1200-1300°C, moduł Younga 200 GPa w temperaturze 1000°C, 170 GPa w temperaturze 1400°C, wytrzymałość na ściskanie na grubości (prostopadle do warstw tkaniny) 380-250 MPa, w płaszczyźnie warstw tkaniny 480-300 MPa.

Dla ceramiki SiC-C osiąga się wartości jeszcze większe, przytoczone tutaj dla temperatur, odpowiednio, 1000 i 1400°C, wytrzymałość na rozciąganie 350 MPa (330 MPa), moduł Younga 100 GPa (100 GPa), wytrzymałość na ściskanie - na grubości 450 MPa (500 MPa) i w płaszczyźnie 600 MPa (700 MPa).

Wyroby z ceramiki kompozytowej nie są izotropowe, ich właściwości są różne w zależności od tego, czy są mierzone równolegle, czy też prostopadle do warstw tkaniny, które są rozłożone równolegle do ścianki obwodowej wirówki, co jest o tyle korzystniejsze w aspekcie realizacji sposobu według wynalazku, że właśnie na grubości, prostopadle do warstw tkaniny, przewodność cieplna materiału jest największa, a siatka włóknista nie może odgrywać roli przewodnika ciepła. Natomiast największa przewodność cieplna w płaszczyźnie warstw tkaniny jest tym bardziej korzystna, że sprzyja ona niepowstawaniu gradientów cieplnych na wysokości blachy.

W dokładniejszym ujęciu, dla 40% zawartości włókien, ceramika SiC-SiC posiada w temperaturze między 1000 i 1400°C stałą dyfuzyjność termiczną 5.10’⁶M²s’¹ w płaszczyźnie równoległej do warstw tkaniny i 2.10'6m2s^_i w kierunku prostopadłym do tej płaszczyzny. Zjawisko to jest jeszcze bardziej wyraźne w przypadku ceramiki wzmacnianej przewodzącymi włóknami węglowymi, gdzie dyfuzyjność cieplna miedzy 1θ00 i 1400°C wynosi odpowiednio 7-8.10'6m2s' ^r w płaszczyźnie równoległej i 2.10'⁶M²s’i na grubości, a przewodność cieplna wynosi 17 WmK na grubości i 33 WmK w płaszczyźnie. Tej bardzo małej dyfuzyjności towarzyszy w przypadku azotku krzemu bardzo mała gęstość, a mianowicie 2,5 dla ceramiki SiC-SiC oraz 2,1 dla ceramiki SiC-C, prowadząca do wytwarzania bardzo lekkich wyrobów, które dzięki temu można łatwiej wprowadzać w ruch obrotowy.

Ceramiki SiC-C posiadają charakterystyki mechaniczne i cieplne lepsze od charakterystyk ceramik SiC-SiC. Tym nie mniej, wykonywanie wirówek ceramicznych całkowicie z węglika

168 379 krzemu jest łatwiejsze, przy czym włókna SiC ogołocone przy wykonywaniu otworów mogą kontaktować się z roztopionym szkłem, co nie może mieć miejsca w przypadku włókien węglowych, które ulegałyby przetworzeniu na dwutlenek węgla, natomiast włókna z węglika krzemu są erodowane jako matryca, lecz chociaż kinetyka reakcji degradacji może być nieco bardziej szybka ze względu na cienkość włókien, to węglik krzemu ulega przetworzeniu na krzem, tworzący następnie warstewkę ochronną. Dla zastosowania ceramiki SiC-C należy więc przeprowadzić zabieg dla ochraniania otworów przewierconych poprzez ściankę, na przykład przez naniesienie cienkiej warstewki węglika krzemu lub innego materiału ceramicznego odpornego na korodujące działanie szkieł.

Na fig. 3 pokazany jest schematycznie kompletny układ wirówki według wynalazku, w tym specyficznym przypadku wykonany z ceramiki SiC-SiC. Pod określeniem wirówki ceramicznej, rozumiana jest po prostu część wirówki mogąca kontaktować się z roztopionym szkłem lub stykająca się bezpośrednio ze środowiskiem gazowym o wysokiej temperaturze. Wszystkie inne części są korzystnie metalowe z uwagi na koszt i realną możliwość wykonania. Część ceramiczna w ścisłym znaczeniu tego słowa składa się z sekcji toroidalnej 5, podzielonej na trzy części: właściwą taśmę obwodową 6, podziurawioną na przykład 20000 otworami o średnicy na przykład między 0,2-0,7 mm i korzystnie około 0,5 mm dla wirówki o średnicy 400 mm, dla wysokości taśmy rzędu 50 mm. Sekcja toroidalna 5 obejmuje również tylną ściankę 7 nadającą części dobrą sztywność oraz część płaską 8 przyjmującą strugę roztopionego szkła 9 i gdzie się ewentualnie tworzy rezerwa roztopionego szkła. Ta część 8 tworząca więc dno wirówki, jest zamocowana do piasty metalowej 9 opisanym dalej bardziej szczegółowo sposobem mocowania. Zaproponowany schemat nie jest całkowicie zgodny z rzeczywistą częścią, której kąty są korzystnie łagodniej zaokrąglone, lecz pozwala już stwierdzić, że części według wynalazku posiadają dość prostą formę, przy czym lokalne elementy wzmacniające nie są tu nieodzowne, z uwagi na to, że rozszerzalność części ceramicznej jest praktycznie równa zeru. Nie jest zwłaszcza nieodzownym stosowania, jak w przypadku wirówek metalowych, nachylonej części o kształcie tulipana, nie obserwuje się przy tym zjawisk pełzania, albo co najmniej nie prowadzą one do znaczących odkształceń.

Ten aspekt wirówek ceramicznych według wynalazku jest niezależny od sposobu prowadzenia rozwłókniania i stosowanej kompozycji szklanej i tłumaczy korzyści stosowania tego nowego typu wirówek również do klasycznego rozwłókniania i kompozycji. W istocie wiadomo jest, że pełzanie wirówki metalowej pociąga za sobą zmianę warunków powstawania włókien, gdyż włókna są na przykład wypuszczane w mniejszej odległości od palnika wyciągania; albo, każdej modyfikacji warunków formowania włókien towarzyszy niewielka modyfikacja jakości włókien, na przykład zmiana ich średnicy, co przez producenta uważane jest zawadę, ponieważ celem do którego on dąży jest ogólnie doskonała stałość jakości.

Poza tym, wspomniano już uprzednio, że wysokość taśmy obwodowej jest rzędu 50 mm, lecz jednak wysokość ta może być zmieniana w dość dużej mierze. W istocie, chodzi o wysokość, która jest trudna do przekroczenia w przypadku wirówki metalowej w takim stopniu, że dla zasilania wszystkich otworów, nieodzowne byłoby zwiększenie siły odśrodkowej, a więc prędkości obrotów wirówki i w konsekwencji naprężeń wywieranych na wirówkę, z przekroczeniem na pewnym poziomie granicy plastyczności materiału i wystąpieniem nieodwracalnych odkształceń. Jest oczywistym, że w przypadku wirówki nie ulegającej odkształceniom, prędkość obrotów może być zwiększana w bardzo dużym stopniu. Ze względu na to, że wyselekcjonowane ceramiki według wynalazku posiadają bardzo małe gęstości, wywierają one mniejsze siły na inne części, zwłaszcza na wał i piastę.

Dla zakończenia tego aspektu rozwłókniania tradycyjnego, można na koniec zauważyć, że wirówki według wynalazku mogą również wytrzymywać temperatury wyższe niż wirówki metalowe, można również wybierać do pracy szkła o zwykłym składzie lecz trochę bardziej podgrzane, a więc bardziej płynne, zauważając mniej energii na wyciąganie gazowe i zwiększając udział odlewania odśrodkowego w wyciąganiu.

Należy teraz omówić fig. 3, a w szczególności problem połączenia między metalową piastą 9, wprowadzaną w ruch obrotowy przez wał silnika 10 oraz dnem 8. Zamocowanie winno uwzględniać trzy zalecenia: połączenie elastyczne uwzględniające różnice rozszerzalności między częściami

168 379 metalowymi i ceramicznymi, doskonałe centrowanie wirówki o prędkości obwodowej przekraczającej na przykład 50 ms⁴ i korzystnie zawartej między 50 i 90 ms⁴ dla spełnienia korzystnych warunków podanych w EP-B-91 i na koniec, niedopuszczenie w żadnym przypadku do pracy w warunkach naprężenia, lecz zawsze w warunkach ściskania.

Zalecenia te są zadawalające na przykład w przypadku połączenia tutaj zaproponowanego, lecz oczywistym jest, że inne schematy montażu mogą być również stosowane, o ile uwzględniają one przytoczone zalecenia. Do tego celu na powierzchni wewnętrznej dna 8 wykonane są co najmniej trzy podłużne gniazda 11 rozmieszczone regularnie. Te podłużne gniazda są zajęte przez płytki naciskowe 12, również ceramiczne, założone na gorąco na piastę metalową 9, przy czym obręczowanie umożliwia bardzo dokładne ustawienie. Te płytki naciskowe przemieszczają się w kierunku radialnym przy rozszerzaniu się piasty 9, zapewniając w ten sposób dobre centrowanie wirówki. Co więcej, dno 8 jest uwięzione przez metalowy kołnierz kołowy 13 przymocowany do piasty 9 na przykład przy pomocy śrub z nakrętką, z połączeniem metalu z Metalem. Luz między dnem 8 i kołnierzem kołowym 13 z jednej strony oraz piastą 9 z drugiej strony jest wypełniony przez złącze żaroodporne utrzymujące część ceramiczną przez zaciśnięcie bez zaklinowania, dzięki czemu siła rozkłada się na bardzo dużą powierzchnię. Można do tego zastosować filc wykonany z włókien z tlenku glinowego lub innych włókien żaroodpornych; tym niemniej zawsze korzystne są złącza grafitowe, zwłaszcza z łuszczonego papieru grafitowego, które są elastyczne i mogą dzięki temu postępować w odwracalny sposób za odkształceniami części, przy czym grafit może tu być stosowany w zamkniętej objętości bez wymiany powietrza.

Wirówka otoczona jest przez palniki służące do podgrzewania, do utrzymywania temperatury oraz do wytwarzania gorącej atmosfery i/lub strumieni wyciągania gazowego przepływających wzdłuż ścianki obwodowej. Ścianka wewnętrzna taśmy obwodowej jest podgrzewana przez palniki wewnętrzne 15 zamontowane na wieńcu, przy czym te palniki wewnętrzne posiadają rozbieżne strumienie w sposób umożliwiający pokrycie całej wysokości ścianki. Ścianka zewnętrzna podgrzewana jest przez krawędź 16 palnika pierścieniowego 17. Co więcej, korzystnym może być umieszczenie również ruchomej oprawy 18 palników zewnętrznych stosowanych do podgrzewania i odsuwanych z chwilą rozpoczęcia odlewania roztopionego szkła.

Podgrzewanie dokonywane jest przy zachowaniu krzywej podwyższania temperatury, przy uwzględnieniu odporności na wstrząsy cieplne ceramiki, temperatury ścianki co najmniej wyższej od 1000°C, którą należy osiągnąć przed rozpoczęciem odlewania, jeśli chce się prowadzić proces rozwłókniania przy temperaturze od 1200 do 1300°C. Dla uniknięcia pojawiania się zbyt dużych gradientów cieplnych, podgrzewanie to winno być przeprowadzane w możliwie jak najbardziej izotermicznych warunkach, w przekrojach na grubości (a więc równolegle do warstw tkaniny w przypadku ceramiki kompozytowej); postawiony tutaj problem wiąże się z bardzo małą dyfuzyjnością cieplną ceramik, które praktycznie nie przekazują ciepła otrzymanego w jednym punkcie do części sąsiednich. Z powodu obecności otworów, poprzez który gazy z palnika torują sobie lokalnie drogę poprzez ściankę, korzystnym jest podgrzewanie wirówki i od zewnątrz i od wewnątrz, przy czym ogrzewanie wewnętrzne rozpoczynane jest na przykład z chwilą osiągnięcia temperatury 500-600°C. Oprócz tego, ogrzewanie wewnętrzne umożliwia MiniMalizację efektów ochładzania związanych z konwekcją.

W fazie rozwłókniania, zewnętrzny palnik pierścieniowy 17 powinien być korzystnie w stanie emitować strumienie gazowe o temperaturze odpowiadającej temperaturze żądanej dla ścianki zewnętrznej taśmy obwodowej i prędkości co najmniej równej prędkości obwodowej wirówki, albo wracając do przytoczonego przykładu co najmniej równej 50 ms'¹, przy czym strumienie te, emitowane zasadniczo w kierunku prostopadłym do włókien szkła, przyczyniają się do ich wyciągania i przenoszą je ku urządzeniu odbierającemu włókna. W celu uniknięcia, aby pewna liczba włókien nie przemieszczała się dalej w kierunku poziomym nad strefą wyznaczoną przez strumienie gazowe, urządzenie rozwłókniające jest uzupełnione ponadto przez wieniec podmuchowy 18 emitujący poprzez otwór 19 strumienie o stosunkowo większej prędkości, o temperaturze niższej od temperatury wymaganej dla wyciągania gazowego i które dobrze znanym sposobem zaginają ciągłe nici we włókna i skierowują je w kierunku urządzenia odbierającego.

168 379

Przy pomocy takiego urządzenia możliwe jest rozwłóknianie bardzo szerokiej gamy szkieł, odpowiadających kompozycjom, w których zawartość krzemionki może wahać się na przykład między 50 i 70%, co pozwala na wytwarzanie bardzo szerokiej gamy produktów, na ewentualne stosowanie skały naturalnej bez dodawania sody i to z osiągnięciem jakości włókien co najmniej równej jakości typowej dla włókien wytwarzanych przez odśrodkowe odlewanie wewnętrzne.

Ponadto, wirówka według wynalazku może pracować z gradientem temperaturowym na grubości (a więc prostopadłym do warstw tkaniny) mogącym osiągać na przykład 200°C, przy czym taki odstęp umożliwia łatwe ustalenie korzystnego profilu temperaturowego, zalecanego na fig. 1, przy czym ten profil temperaturowy umożliwił rozwłóknianie w dobrych warunkach bazaltu z Meilleraie, o powyżej określonym składzie. Włókna o większych średnicach (30 i 35 mikrometrów) były uzyskane przy wyciąganiu 30 kg na dzień i na otwór i to przy praktycznie zerowej zawartości nierozwłóknionych wtrąceń, co jest szczególnie godne podkreślenia dla szkła bazaltowego. Przy wyciąganiu 0,1 kg na dzień i na otwór oraz stosowaniu szkła o krzywej lepkości w funkcji temperatury odpowiadającej krzywej 1 uzyskano ponadto włókna o mniejszych średnicach, a mianowicie bardzo cienkie włókna o średniej średnicy 1,75 mikrometrów. Można również uzyskiwać wszystkie inne wartości pośrednie przez zmianę ilości wyciąganej w ciągu dnia, na otwór, w zakresie między podanymi wartościami.

1470 °C

FIG. 2

FIG.3

168 379

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1,50 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania włókien mineralnych przez odśrodkowe odlewanie wewnętrzne, obejmujący wylewanie rozwłóknianego materiału w stanie roztopionym do wnętrza wirówki, której taśma obwodowa podziurawiona jest bardzo dużą liczbą otworów wylotowych, znamienny tym, że pomiędzy ścianką wewnętrzną i ścianką zewnętrzną taśmy obwodowej utrzymuje się różnicę temperatury od 50 do 300°C, korzystnie od 100 do 200°C.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że utrzymuje się wyższą temperaturę ścianki wewnętrznej wirówki od temperatury, w której rozwłókniony materiał zaczyna krystalizować i niższą temperaturę ścianki zewnętrznej wirówki od temperatury, w której lepkość szkła jest dostatecznie duża w chwili wyciągania.
3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że na całej wysokości taśmy obwodowej utrzymuje się izotermiczność ścianki wewnętrznej i izotermiczność ścianki zewnętrznej.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do rozwłókniania stosuje się szkła o zakresie roboczym mniejszym od 100°C.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do rozwłókniania stosuje się szkła o zakresie leżącym powyżej 1100°C.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do rozwłókniania stosuje się szkła o wagowej zawartości krzemionki wyższej od 45%, korzystnie od 50% oraz zawartości tlenku wapniowego niższej od 20% i korzystnie od 15%.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rozwłóknia się szkła bazaltowe.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że rozwłóknia się bazalt z Meilleraie.
9. Urządzenie do rozwłókniania osadzone na wale silnika piastą z zamocowaną na niej wirówką, znamienne tym, że ma ogrzewaną od wewnątrz i na zewnątrz wirówkę, której sekcja toroidalna (5) ma dziurkowaną taśmę obwodową (6) o właściwej przewodności cieplnej mniejszej niż 20 Wm''C '‘w temperaturze 1000°C, korzystnie mniejszą niż 10Wm'¹C'¹ w temperaturze 1000°C, osadzoną pomiędzy metalową piastą (9) i metalowym kołnierzem (13).
10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że ma taśmę obwodową (6) o dyfuzyjności cieplnej niższej od 5 . 10‘⁶ M² s'¹ w temperaturze 1000°C.
11. Urządzenie według zastrz. 9 albo 10, znamienne tym, że ma taśmę obwodową (6) osadzoną pomiędzy piastą (9) i kołnierzem (13) centrowaną ceramicznymi płytkami naciskowymi (12) ślizgającymi się w podłużnych gniazdach (11) rozmieszczonych w płaskiej części dna (8).
12. Urządzenie według zastrz. 9 albo 10, znamienne tym, że ma taśmę obwodową (6) z ceramiki ze spiekanego azotku krzemu.
13. Urządzenie według zastrz. 9 albo 10, znamienne tym, że ma taśmę obwodową (6) z ceramiki kompozytowej o matrycy z węglika krzemu, wzmacnianego włóknami z węglika krzemu.
14. Urządzenie według zastrz. 9 albo 10, znamienne tym, że ma taśmę obwodową (6) z ceramiki kompozytowej o matrycy z węglika krzemu, wzmacnianego włóknami węglowymi.
15. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że ma wirówkę wyposażoną w warstewkę ochronną na bazie węglika krzemu.
16. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że ma palniki wewnętrzne (15) i zewnętrzne palniki (17) i/lub (18).
17. Urządzenie według zastrz. 16, znamienne tym, że ma palniki wewnętrzne (15) o rozbieżnych strumieniach.

★ * ★

168 379