Определение рациональных условий вытягивания первичных нитей при производстве волокна из базальтового сырья дуплекс-способом Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621. 002.5 Шиляев Андрей Иванович,

аспирант, Воткинский филиал ФГБОУ ВПО «ИжГТУ», тел.: +7 (34145) 4-78-11, E-mail: [email protected]

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ВЫТЯГИВАНИЯ ПЕРВИЧНЫХ НИТЕЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ВОЛОКНА ИЗ БАЗАЛЬТОВОГО СЫРЬЯ ДУПЛЕКС-СПОСОБОМ

A.I. Shilyaev

DEFINITION OF RATIONAL CONDITIONS MAKING THE FIBRE FROM PRIMARY THREADS FROM BASALT MINERAL RAW MATERIALS IN DOUBLEX PROCESS

Аннотация. Рассмотрены теоретические исследования процессов образования неволокнистых включений на установках, производящих минеральное (базальтовое) волокно дуплекс-способом. Определение рациональных условий для вытягивания первичных нитей позволяет уменьшить влияние технических недостатков оборудования на процесс образования неволокнистых включений (корольков), который характеризуется ухудшением качественных и физических показателей материалов из базальтового сырья.

Ключевые слова: неволокнистые включения, корольки, качество минерального (базальтового) волокна.

Abstract. The work is devoted to consideration of theoretical research of processes of formation of nonfibrous inclusions on installations making a mineral (basalt) fibre in a duplex way. Definition of rational conditions for primary threads extension allows to reduce influence of technical lacks of the equipment on process of formation of nonfibrous inclusions characterised by deterioration of qualitative and physical indicators of materials from basalt raw materials.

Keywords: nonfibrous inclusions, quality of mineral raw materials.

В основу методики теоретического исследования процессов образования неволокнистых включений положено рассмотрение физических закономерностей образования вторичных капель расплавленного базальта в зоне действия газового потока на первичные базальтовые нити.

Технические недостатки оборудования для получения базальтового волокна дуплексным способом и их связи с различными типами неволокнистых включений показаны на рис. 1. Одним из недостатков является неравномерность распределения первичных нитей по длине щелевого сопла

раздува. Предусмотренный на действующей установке резьбовой вал, во впадины которого должны входить нити и обеспечивать таким образом равномерность их расположения, неэффективен. Близкое расположение нитей приводит к их слипанию, энергии газового потока становится недостаточно для их плавления и расщепления, поэтому образуются каплеобразные бесформенные включения. Неравномерный износ сопла раздува приводит к неравномерности параметров потока по длине сопла и неравенству условий волокнооб-разования для нитей. Отсутствие совершенных средств контроля параметров технологического процесса не позволяет в нужный момент корректировать процесс, а также приводит к образованию включений. Устранение этих и других недостатков, указанных на рис. 4, возможно после теоретического и экспериментального исследования каждой из причин образования неволокнистых включений.

Одной из причин образования неволокнистых включений в базальтовом волокне, получаемом дуплексным способом, является нестабильность диаметра первичной нити расплава, вытягиваемой из фильерного питателя. В.Л. Колпащиков [1] указывал на то, что важнейшим параметром, влияющим на устойчивость процесса вытягивания стеклянного волокна, являющегося аналогом первичных нитей расплавленного базальта, является скоростной коэффициент, определяемый как отношение скорости вытягивания волокна Ун к скорости подачи расплавленной массы, а в данном случае - к скорости самопроизвольного истечения расплава базальта через фильеру Уф. При получении стеклянного волокна этот коэффициент составляет порядка 20, однако при получении первичной базальтовой нити его значение может быть другим. В работе [2] это объясняется тем, что при

ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения

Сопло охлаждения

Первичная нить

Рис. 1. Расчетная схема образования первичных базальтовых нитей

Обозначим среднюю часть выражения (1) через ^ и присвоим ему определение «параметр стабильности нити»:

^ =31п (Уд/ Уф)Иф 2 /(8Ьп1ф).

(2)

1 = РбВНЛф,

(4)

потере устойчивости процесс вытяжки переходит в автоколебательный режим, при котором диаметр нити может существенно отличаться от заданного. Это явление, называемое «вытяжным резонансом», было обнаружено как теоретически, так и экспериментально. Расчетная схема приведена на рис. 1. Условие отсутствия вытяжного резонанса при получении первичной базальтовой нити получено в виде

1,17 > 31п (Ун/ Уф)Яф 2 /(8Ьп1ф) >0,86 , (1) где Ьп - длина зоны деформации первичной нити при выходе ее из фильерного питателя, которая определяется из рассмотрения задачи уменьшения температуры нити при ее охлаждении или экспериментально, м; 1ф и Яф - длина и радиус фильеры, м.

Н

где Н - гидростатический напор, или уровень расплава над фильерой, м.

Скорость истечения определяется как отношение расхода к площади сечения фильеры:

Уф = Рб8 НЯф2 /8цб1ф, (5)

где ц = 14,9 Пас - динамическая вязкость расплава базальта.

Подставив в (2) значение скорости истечения расплава, параметр стабильности нити получим в виде

^ = 31п (8цб 1фУн/рб8 НЯф2)Яф 2 /(8Ьп1ф). (6)

Рассматривая совместно (1) и (6) определим такие значения длины зоны деформирования первичной нити расплава, при которых не будет происходить вытяжного резонанса и диаметр нити будет постоянным:

Ьптт = 0,321п (8ц 1ф Ун/рб8 НЯф2)Яф 2/1ф , (7)

Ьнтах = 0,4361п (8Цб 1ф Ун/рб8 НЯф2)Яф 2/1ф . (8)

Область рациональных значений длины зоны деформирования первичной нити, определенная выражениями (7) и (8) в зависимости от скорости вытягивания нити, показана на рис. 2.

Графики построены для одного из сочетаний параметров, при которых проводились эксперименты:

рб=2700 кг/м3 , Н=0,015 м, Rф=0,0011м, 1ф=0,007 м.

На рис. 3 показаны графики зависимости параметра стабильности нити ^ от уровня расплава базальта при близких к рациональной скоростях вытягивания нитей:

Ун = 0,08 м/с, 0,1 м/с и 0,12 м/с, при Rф = 0,0011м, 1ф = 0,007 м.

0,00050

Скорость самопроизвольного истечения расплава через фильеру может быть определена из формулы Пуазейля [3], по которой, предположив, что свойства расплава базальта остаются неизменными по длине фильеры, объемный расход расплава как вязкой несжимаемой жидкости без учета условий входа и выхода струи из фильеры можно определить по формуле

Q = хпЯф4 /8ц, (3)

где ц - коэффициент динамической вязкости расплава; 1 - градиент давления на длине фильеры, определяемый выражением:

0,00045 0,00040 0,00035 0,00030 0,00025 0,00020

-'-'та?

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 УН, м/с

Рис. 2. Область рациональных значений длины зоны деформирования первичной нити при Н = 0,015 м, Кф = 0,0011 м, 1ф = 0,007 м

1

ф

Современные технологии. Механика и машиностроение

ш

¥

1,40 1,35 1,30 1,25 1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75

0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 Н, м

Рис. 3. Зависимости параметра стабильности нити ¥ от уровня расплава базальта Н, при Rф=0,0011 м, 1ф=0,007 м

и определенной для этих параметров средней длине зоны деформирования нити Lп= (Ьптт+ Ьптах)/2.

Анализируя полученные зависимости и графики, можем сделать вывод, что при увеличении скорости вытягивания длина зоны деформирования нитей увеличивается, а разность ее предельных значений изменяется несущественно. Параметр стабильности процесса вытягивания уменьшается при увеличении уровня расплава базальта

над фильерой и не зависит от скорости вытягивания нитей.

Рациональную длину зоны деформирования первичной нити, при которой не будет происходить вытяжного резонанса, можно обеспечить путем охлаждения первичной нити сразу после выхода ее из фильерного питателя потоком сжатого воздуха. Требуемый для этого расход воздуха может быть определен при решении уравнения теплового баланса нити по методике из учебника по термодинамике [4].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Колпащиков В. Л., Ланин Ю. И., Мартыненко О. Г., Шнип А. И. О возможности расширения области устойчивости процесса вытяжки волокон. - ИФЖ. - 1990. - Т. 59, № 1. -С.26-33.

2. Асланова М. С. Стеклянные волокна. - М. : Металлургия, 1983. - 296 с., ил.

3. Кухлинг Х. Справочник по физике : пер с нем. - М. : Мир, 1982. - 520 с., ил.

4. Корниенко О. П. Средняя теплоотдача при обтекании цилиндра поперечным потоком воздуха. - ИФЖ. - 1990. - Т. 59, № 4. -С.648-649.

Технические недостатки оборудования для получения базальтового волокна

по дуплексной технологии

Неравномерность распределения первичных нитей по длине сопла раздува

Несовершенство конструкции сопла раздува первичных нитей

Несовершенство или отсутствие средств контроля параметров технологического процесса

Неравномерный износ проточной части сопла раздува первичных нитей

Несовершенство узла обдува фильерного питателя потоком сжатого воздуха

Несовершенство конструкции фильерного питателя для формирования первичных нитей

Каплеобразные и бесформенные включения

Короткие (от 1 до 5 мм) цилиндрические включения

Длинные

(более 5 мм) цилиндрические включения

Рис. 4. Влияние конструктивных недостатков технологического оборудования на образование неволокнистых включений