ФИЛЬЕРНЫЕ ПИТАТЕЛИ С ОБЪЁМНОЙ ФИЛЬЕРНОЙ

1
ФИЛЬЕРНЫЕ ПИТАТЕЛИ
С ОБЪЁМНОЙ ФИЛЬЕРНОЙ ПЛАСТИНОЙ
ВАСЕКИН В.В., ПЕРЕЛЬМАН С. Л., УЛЫБЫШЕВ В.В., ЯСТРЕБОВ В.А.
ФГУП «НПК «Суперметалл», Москва, Россия
Аннотация: С увеличением числа фильер и производительности фильерных питателей
процесс подачи расплава из канала фидера к фильерному питателю становится более динамичным,
при этом увеличивается температура расплава на подходе к фильерному питателю и
гидростатическое давление расплава над фильерой. Повышение температуры расплава над
фильерной пластиной в сочетании с тенденцией по уплотнению фильерного поля приводит к
увеличению удельного потока тепла, поступающего с расплавом на единицу площади фильерной
пластины, вследствие чего расплав все в большей мере контролирует уровень и равномерность
температуры фильерной пластины. Увеличение габаритов фильерной пластины снижает её
жесткость, а в сочетании с уплотнением фильерного поля снижает эффективность теплоотбора от
«луковиц» в окружающую среду в подфильерной зоне. Увеличение гидростатического давления
расплава над фильерами и снижение эффективности теплоотбора в подфильерной зоне не
позволяют выдержать оптимальное соотношение параметров процесса формования. В ФГУП «НПК
«СУПЕРМЕТАЛЛ» разработана и прошла предварительные испытания конструкция фильерного
питателя с объемной фильерной пластиной, которая позволяет:
1.
в значительной степени снизить негативное влияние теплового потока расплава на
равномерность температурного поля фильерной пластины;
2.
обеспечить оптимальное соотношение основных параметров процесса формования за
счет задания необходимого гидростатического давления расплава над фильерами,
независимо от уровня этого давления в канале фидера;
3.
существенно, на порядок, увеличить жёсткость фильерной пластины;
4.
обеспечить такие условия формования, при которых расплав вытекает из фильер,
имеющих пониженную температуру стенок, вследствие чего уменьшается тенденция к
смачиванию расплавом фильер и создаются дополнительные предпосылки для
уплотнения фильерного поля.
Ключевые слова: фильерный питатель, фильерное поле, тепловой поток, гидростатическое
давление расплава, фидер, температура фильерной пластины.
В настоящее время просматриваются следующие основные тенденции в развитии
технологии непрерывного стекловолокна одностадийным методом:
- увеличение количества фильер на фильерном питателе и соответствующее
увеличение размеров щели в щелевом камне;
- увеличение производительности фильерных питателей;
- стремление к более плотному расположению фильер на площади фильерной
пластины;
- увеличение количества фильерных питателей, расположенных на одной рабочей
ветви фидера.
При этом достигнутые в целом положительные результаты, естественно,
сопровождаются и некоторыми негативными последствиями.
1. Для того чтобы обеспечить питание расплавом стекломассы большого количества
высокопроизводительных фильерных питателей приходится увеличивать уровень расплава
в фидере до 100-120 мм и компенсировать одновременно это снижением общего уровня
расплава за счет уменьшения толщины донного бруса до 50 мм.
Увеличение уровня расплава в фидере и размеров щели в щелевом камне приводит
к увеличению градиентов температуры по глубине расплава и по длине фильерного
питателя. Так как производительность фильерного питателя велика, а высота донного бруса
мала, то за время прохождения расплавом щели к фильерному питателю не успевает
совершиться полный теплообмен между расплавом и керамикой, следовательно, и не
успевает установиться в расплаве стабильная однозначная тепловая картина. Таким
образом, процесс подачи расплава к фильерному питателю становится более динамичным
2
и вся неравномерность температурного поля расплава по площади щели и колебания
температуры во времени практически полностью воспринимаются конструктивными
элементами фильерного питателя, который должен выполнять роль стабилизатора.
Динамический характер подачи расплава приводит к повышению его температуры на
подходе к фильерному питателю, эта температура дополнительно повышается за счет
нагрева расплава развитыми элементами верхнего строения фильерного питателя,
вследствие чего к фильерной пластине расплав подходит с температурой, превышающей
рабочую температуру фильерной пластины.
В этом случае с расплавом к фильерной пластине подаётся тепловой поток
Q  c p m t p  tф ,


где: c p - теплоёмкость расплава;
m - масса расплава в единицу времени;
t p - температура расплава;
t ф - температура фильерной пластины
Чем плотнее расположены фильеры на фильерном поле, тем на меньшей площади
концентрируется этот тепловой поток, а, следовательно, удельный тепловой поток,
приходящийся на единицу площади фильерного поля, возрастает, и усиливается его
влияние на температуру фильерной пластины.
Количественная оценка показала, что если t p - t ф = 50 °С, а плотность расположения
фильер 5 – 6 шт/см2 , то тепловой поток, поступающий с расплавом, контролирует ≈ 20 °С
температуры фильерной пластины, чем плотнее фильерное поле и больше дебит фильер,
тем это влияние сильнее.
В таком варианте мы называем фильерную пластину пассивной и её температурное
поле в значительной степени зависит от распределения температуры в потоке расплава.
2. Одной из особенностей процесса формования фильерным способом является то,
что
при
увеличении
диаметра
фильеры
её
дебит
q
kHd ф4
l ф
увеличивается
пропорционально диаметру в 4-ой степени, а поверхность «луковицы», через которую
происходит охлаждение расплава в процессе формования, увеличивается пропорционально
диаметру во 2-ой степени. Это означает, что при увеличении дебита за счет увеличения
диаметра фильеры при неизменной принципиальной её конфигурации, оптимальное
соотношение технологических параметров должно меняться. При этом для сохранения
равновесных условий теплообмена в «луковице» необходимо:
- или уменьшить уровень (гидростатическое давление) расплава над фильерами;
- или увеличить длину (увеличить сопротивление) фильеры;
- или увеличить вязкость расплава в фильере (снизить температуру фильерной
пластины).
Можно было бы не менять ни один из этих параметров, если бы можно было
интенсифицировать процесс охлаждения расплава на поверхности «луковицы» в
подфильерной зоне.
Но в реальной практике одностадийного производства при работе фильерных
питателей:
- рабочий уровень расплава в фидере увеличивается;
- условия охлаждения расплава в «луковицах» в подфильерной зоне, особенно при
плотном расположении фильер, по крайней мере не улучшаются;
- увеличение длины фильер усложняет технологию изготовления фильерных
пластин со штампованными фильерами, особенно при плотном их расположении.
Поэтому увеличение дебита фильер за счет увеличения их диаметра в реальном
одностадийном процессе, как правило, сопровождается увеличением вязкости расплава в
фильере со всеми вытекающими отсюда последствиями.
3
3. При увеличении габаритов фильерного поля увеличивается прогиб фильерной
пластины в процессе эксплуатации. Вводят дополнительные конструктивные элементы,
которые увеличивают жесткость, но одновременно увеличивается и вес.
4. Чем больше габариты фильерного поля, тем сложнее сохранить на том же уровне
условия охлаждения «луковиц» в подфильерной зоне и обеспечить работоспособность
фильерных питателей даже в обычном их исполнении. Тем более трудно реализовать
работоспособный вариант конструкции фильерного питателя с плотным расположением
фильер вследствие склонности к затеканию фильер расплавом при обрыве.
В НПК «СУПЕРМЕТАЛЛ» разработана и в условиях Валмиерского завода прошла
предварительные испытания принципиально новая конструкция 800 и 1200-фильерного
питателя с объёмной фильерной пластиной.
рис. 1
В этой конструкции (см. рис. 1) фильерная пластина состоит из двух элементов,
расположенных по высоте на двух уровнях. Верхняя часть фильерной пластины —
нагреватель — на рабочем режиме имеет температуру выше обычной рабочей температуры
фильерной пластины, а нижняя часть, представляющая собой отдельные секции с
фильерами, имеет температуру несколько ниже обычной рабочей температуры фильерной
пластины. Разница температур верхней и нижней частей может достигать 50 °С.
Боковые стенки фильерного питателя имеют малую высоту, а во взаимосвязи с
общей конструкцией узла фильерного питателя выполнены так, что тепловыделение в них
не приводит к дополнительному повышению температуры расплава на подходе к фильерной
пластине. При этом соотношение температуры расплава и верхней части фильерной
пластины таково, что тепловой поток, поступающий с расплавом к фильерной пластине,
стремится к нулю или даже может принимать отрицательные значения.
Такую фильерную пластину мы называем активной, её тепловой баланс
принципиально изменяется и негативное влияние температурного поля расплава на
фильерную пластину в значительной степени нивелируется.
За счет уменьшения высоты корпуса фильерного питателя и дополнительного
сопротивления, которое испытывает расплав при прохождении через отверстия в верхней
4
части фильерной пластины, гидростатическое давление расплава над фильерами может
быть рассчитано так, чтобы обеспечить оптимальное соотношение технологических
параметров выработки, т.е. выработку волокон при больших дебитах с фильеры можно
реализовать без увеличения вязкости расплава в фильере.
Разницу между общим уровнем расплава и оптимальным гидростатическим
давлением расплава над фильерами можно задавать в достаточно широком интервале
значений и тогда ограничения в увеличении физического уровня расплава в фидере для
облегчения задачи питания расплавом многих фильерных питателей снимаются.
Объёмное выполнение фильерной пластины увеличивает её жесткость в несколько
раз, соответственно, уменьшается прогиб при эксплуатации. Отпадает необходимость
вводить в конструкцию дополнительные элементы жесткости, препятствующие её прогибу,
вес фильерного питателя уменьшается.
Особенность конструктивного исполнения фильерной пластины и практическое
отсутствие прогиба при эксплуатации дают возможность устанавливать ламели
холодильника так, что верхняя их кромка располагается выше среза фильер. При этом за
счет частичного экранирования взаимного теплового излучения отдельных элементов
фильерной пластины температура нижней кромки фильер снижается и реализуется такой
процесс, при котором относительно более горячий расплав истекает из относительно более
холодных фильер. В таком процессе уменьшается тенденция к смачиванию расплавом
фильер при обрыве, возникает возможность уменьшения длины фильер и создаются
дополнительные предпосылки для более плотного расположения фильер на фильерной
пластине.