用于从熔融材料生产纤维的带角撑板的旋转式纺丝器的制作方法

背景技术：

本申请总体上涉及用于从熔融材料生产纤维的旋转式纺丝器装置、系统和方法，更特别地但不排他地，涉及用于从熔融材料生产纤维的带角撑板的旋转式纺丝器。旋转式纺丝器可用于生产纤维材料，例如玻璃纤维、玻璃棉、岩棉、矿棉、或其混合物。这些材料的生产工艺可以包括：将熔融的玻璃、岩石、矿物、矿渣和/或其它热塑性组分引入旋转式纺丝器中；使熔融材料通过纺丝器中的孔；将高温气流冲击到离开纺丝器孔的材料上以便进一步将材料变细制成纤维；将粘合剂组分添加到气体/纤维流中；以及冷却和收集所得到的纤维材料。在这些工艺中使用的纺丝器暴露于苛刻的操作条件下，这些操作条件包括机械应力、热应力和腐蚀(例如热腐蚀或氧化)。纺丝器的性能和使用寿命受这些条件的不利影响。综合这些困难，形成旋转式纺丝器的材料面临着强度和耐腐蚀性之间的折中，使得具有较大强度的组分提供较小的耐腐蚀性，反之亦然。解决这些问题的常规尝试具有许多缺点、劣势和不足。仍然存在对本文公开的独特装置、系统和方法的显著需求。

公告

为了清楚、简洁和准确地描述本发明的示例性实施例、实现和使用它们的方式和过程，并且为了使得能够践行、实现和使用本发明，现在将介绍某些示例性实施例，包括附图中所示的那些实施例，并将使用专用语言来描述示例性实施例。然而，应当理解，由此不对本发明的范围产生限制，并且本发明包括并保护本领域技术人员将会想到的示例性实施例的那些变型、改型和进一步应用。

技术实现要素：

公开了用于从熔融材料生产纤维的独特的旋转式纺丝器装置、系统和方法。某些示例性实施例包括大体网状的单模旋转式纺丝器铸件，该旋转式纺丝器铸件包括从侧壁径向向内延伸并且从下壁轴向向上延伸至上壁的角撑板。进一步的实施例、形式、目的、特征、优点、方面和益处将从以下描述和附图中变得显而易见。

附图说明

图1示出了用于从熔融材料生产纤维的示例性系统。

图2示出了示例性旋转式纺丝器的侧剖视图。

图3示出了另一个示例性旋转式纺丝器的侧剖视图。

图4示出了图3的示例性纺丝器的局部侧剖视图。

图5示出了图3的示例性纺丝器的毂构件的俯视图。

图6示出了图3的纺丝器的环形构件的仰视图。

图7示出了图3的示例性纺丝器的甩射器板的仰视图。

图8示出了另一示例性纺丝器的剖视图。

图9示出了图8的纺丝器的甩射器篮状体的仰视图。

图10示出了另一示例性环形构件的透视图。

具体实施方式

参考图1，示出了一种用于从熔融材料生产纤维的示例性系统100。系统100包括与旋转轴120联接的纺丝器110。在所示实施例中，纺丝器110通过紧固螺栓122与旋转轴120联接，紧固螺栓122贯穿环构件121、纺丝器110、和旋转轴120的上凸缘部分123中的孔，以有效地将纺丝器110夹紧在凸缘123与环形构件121之间。应当理解，各种其它联接结构可以用来将纺丝器110与旋转轴120联接，包括例如替代的紧固件布置、螺纹连接器、花键连接器和其他类型的联接结构。还应当理解，纺丝器110可以设置成多种独特的结构形式，这些结构形式的示例性实施例结合图2～9在下文中公开。

系统100还包括炉130，其含有一定量的熔融热塑性材料132。应当理解，可以使用各种熔融热塑性材料，包括例如玻璃、岩石、其他矿物组分(如炉渣和玄武岩材料)、或它们的混合物。配送装置134连接到炉130，并将熔融材料流135配送到纺丝器110。当纺丝器110通过旋转轴120旋转时，离心力作用在熔融材料135上并迫使其向外地朝向纺丝器110的侧壁和穿过形成在纺丝器110的侧壁中的多个孔。

系统100还包括气室140，该气室140接收来自供应源141的将被燃烧的气体与空气的混合物，并将高温气体在环形出口142处输出。气室140构造成大体上沿箭头g所示的方向靠近纺丝器110的外周缘引导高温气流。熔融材料作为多个预纤维136离开纺丝器的侧壁，预纤维遇到由气室140提供的高温气流。预纤维136被夹带在气流中并进一步细化成纤维137。纤维137沿向下方向行进通过环形供给环150，环形供给环150将冷却材料大体上如箭头b所示引入到气流中，以便提供夹带在气流中的冷却纤维138。纤维/粘合剂混合物138沿向下方向行进通过环形供给环160，环形供给环160将粘合剂材料大体上如箭头c所示引入气流中，以便提供夹带在气流中的冷却的纤维/粘合剂混合物139。冷却的纤维/粘合剂混合物139继续沿向下的方向行进，在那里被收集，并且可以进一步处理以形成纤维基材料(例如玻璃纤维、岩棉、或矿棉材料以及由其组成的结构)。

在系统100的操作期间，纺丝器110可能经受相当大的热应力。在某些实施例中，纺丝器110的高温部分可以为至少2000华氏度。在与熔融玻璃结合使用的某些实施例中，纺丝器110的高温部分可以介于1700华氏度到2100华氏度的范围内或在该范围其间的各个点。在与熔融炉渣或熔融玄武岩结合使用的某些实施例中，纺丝器110的高温部分可以介于2000华氏度到2300华氏度的范围内或在该范围其间的各个点。在与熔融岩石组分结合使用的某些实施例中，纺丝器110的高温部分可以介于2100华氏度到2400华氏度的范围内或在该范围其间的各个点。这些高温部分可以存在于纺丝器110的侧壁中，并且特别地但不排他地，在侧壁与下壁的相交处或附近，或者在靠近从气室140引导的高温气流处的凸缘或上壁与侧壁的相交处或附近。纺丝器110经受的热梯度也可以是很大的。在某些实施例中，纺丝器110的低温部分可以介于800华氏度到900华氏度的范围内或在该范围其间的各个点。这些低温部分可以存在于纺丝器110的(特别地，但不排他地)邻近与轴120的联接部位的基部或下壁中。纺丝器所经受的热梯度可以介于上述高温部分的任何温度到上述低温部分的任何温度的范围内。应当理解，本文公开的示例性温度和范围是纺丝器110可能经受的热条件的非限制性实例。还可以经受各种其它温度条件，包括更高的温度、更低的温度、更大的温度梯度和更小的温度梯度。

参考图2，示出了纺丝器200，其可以作为结合图1在上面描述的纺丝器110的一个示例性形式来提供。纺丝器200包括从中心轴线201径向向外延伸到大体上圆形的周缘211的基部210、从基部210沿轴向向上方向围绕圆形周缘211延伸的侧壁220、和从侧壁220径向向内延伸的上凸缘230。纺丝器200还包括从侧壁220径向向内延伸并从基部210轴向延伸到上凸缘220的多个角撑板240。应当理解，在各种实施例中，上凸缘220可以径向向内延伸穿过角撑板240，可以仅径向向内延伸超过角撑板240的径向距离的一部分，也可以与侧壁220的径向和圆周范围大体上共同延伸，使得纺丝器210的顶部大体上敞开。

纺丝器200的内表面限定由基部220、侧壁230、凸缘230、和相应的成对的多个角撑板240的表面界定的多个凹腔250。凹腔250向内通向中央结构空隙，该中央结构空隙大体上横跨纺丝器200的整个内部区域延伸。多个孔270(为了清楚和简明起见，仅示出了其中的几个)贯穿界定多个凹腔250的侧壁220的各部分，并且可以例如通过机械钻孔、激光钻孔或其它技术来形成。中心孔202和多个排气孔203形成在纺丝器200中并且构造成接纳旋转轴和相关联的连接结构，例如结合图1在上面描述的那些结构。

在所示的实施例中，纺丝器200被构造为大体上网状的单模铸件，其包括基部210、侧壁220、上凸缘230和角撑板240。应当理解，大体上网状的单模铸件是指这样的铸造结构，其通过使用单一铸造模型的铸造工艺形成为整体件，并且可以进一步处理，例如以便平衡铸件结构用于随后旋转、去除例如粗糙表面或边缘等铸造工艺的不期望特征或结构产物、以及以便形成孔(如孔270或其它类型的挤出孔以及紧固件孔)。还应当理解，术语“大体上网状的单模铸件”描述了纺丝器200的特有的结构特征。

参照图3～7，示出了纺丝器300及其各部分的若干视图。纺丝器300是结合图1在上面描述的纺丝器110的一个示例性形式。纺丝器300包括相对于中心轴线301径向向外延伸的毂310、与毂310的一部分重叠并进一步径向向外延伸的环形构件330、位于毂310上方并且朝向环形构件330径向向外延伸的甩射器320、和位于环形构件330的一部分和毂310的一部分上方的保持构件340。应当理解，毂310、环形构件330和保持构件340可以定位成其他配置，所述其他配置包括，例如，环形构件330定位在毂310下方，保持构件定位在毂310和环形构件330下方。

环形构件330包括径向向外延伸的下壁332、从下壁332轴向向上延伸的侧壁333、和从侧壁333径向向内延伸的上壁334。多个孔370(为了清楚和简单地说明，仅示出了其中的几个)形成在侧壁333中。下壁332的第一侧在多个接触区域312处接触毂310。下壁332在多个间隙区域317处与毂310间隔开，所述多个间隙区域317由在多个接触区域312中间的凹陷部分314提供。在所示的实施例中，接触区域312被构造为毂310的凸起部分，其相对于毂310的凹陷部分314向上延伸并且围绕毂310的周缘分布。应当理解，对应的凸起部分和凹陷部分可以设置在环形构件330的下壁332的面对毂310的表面中，作为提供所示实施例的凹陷部分和接触区域的替代或补充。还应当理解，所示的凸起部分和凹陷部分的样式仅仅是一个非限制性示例，并且可以设想现在将描述的其它非限制性示例的多种其余形式。还应当理解，在各种实施例中，上壁334可以径向向内延伸比所示实施例更大或更小的量，或者可以与侧壁333的径向和周向范围大体上共同延伸，使得纺丝器310的顶部大体上敞开。

在某些其余形式中，凸起部分和凹陷部分可以设置成同心环样式，其包括一个或多个凸起环区域和一个或多个凹陷环区域。在一些形式中，内部和外部的同心凸起区域可以由中间的凹陷区域分开。在一些形式中，凸起环区域可以是连续的。在其它形式中，凸起环区域可以是间断的或分离的。在另外的形式中，凸起部分可以是在临近的或环绕的凹陷部分上方延伸的柱形突起。在另一个附加示例中，凸起部分可以是这样的半球形或波瓣形突起，其类似于在临近的或环绕的凹陷部分上方延伸的隆起。另外的示例可以使用不同数量的凸起部分和凹陷部分、不同定位或不同角度的凸起部分和凹陷部分、不同形状的凸起部分和凹陷部分、和/或不同分布的凸起部分和凹陷部分。

不管使用的具体结构配置如何，环形构件330和/或毂310的凹陷部分和凸起部分被构造成通过毂310提供对环形构件330的支撑，同时在环形构件330与毂310的重叠部分之间提供减小的接触表面面积。在示例性实施例中，减小的接触表面面积提供减少的从环形构件330到毂310的传热。

多个紧固件(未示出)穿过形成在毂310中的紧固件孔313和形成在保持构件340中的多个孔343插入，以便联接保持构件340和毂310。在示例性形式中，紧固件可以是螺栓，其与形成在保持构件340的孔343中的配合螺纹接合。也可以使用各种其它紧固件结构。在所示实施例中，紧固件还贯穿形成在环形构件330的下壁332的内周缘335中的相应的一个个凹口337。在此构造中，紧固件可以将旋转力从毂施加到环形构件，使环形构件与毂310一起旋转，同时仍然使得环形构件330能够相对于毂310移动(例如可以在环形构件330的热膨胀期间发生)。

在所示实施例中，保持构件340、毂310和连接这两个结构的紧固件被配置成接触该环形构件330的重叠部分，同时在环形构件330上施加大体上为零的夹紧力。此配置利用在环形构件、毂以及夹紧构件之间的预定应力传递特征来适应环形构件相对于毂310和夹紧构件340的运动，在环形构件330沿径向方向相对于毂310自由运动的情况下，所述预定应力传递特征在一定膨胀范围内大体上为零。在其它实施例中，保持构件340、毂310和连接这两个结构的紧固件可以被配置成在环形构件330上施加非零的正夹紧力。可以选择夹紧力以根据不同应用的要求利用在这些结构之间的变预定应力传递特性来适应变化的预定移动程度。在另外的实施例中，保持构件340可以与环形构件330间隔开，同时仍然与毂310固定地联接，以适应环形构件330相对于毂310和保持构件330的甚至更大的运动。

甩射器320在多个接触区域322处接触毂310，并在由多个接触区域322中间的凹陷部分324提供的多个间隙区域327处与毂310间隔开。可以通过毂310的紧固件孔305和甩射器320的紧固件孔323引入多个紧固件(未示出)。在一示例性形式中，紧固件可以是与孔323中形成的配合螺纹接合的螺栓。也可以使用各种其它紧固件结构。

在所示的实施例中，接触区域322被构造为甩射器320的凸起部分，所述凸起部分相对于甩射器320的凹陷部分324向外延伸并以所示的样式围绕甩射器320分布。应当理解，对应的凸起部分和凹陷部分可以设置在毂310的面向甩射器320的表面中，作为提供所示实施例的凹陷部分和接触区域的替代或补充。还应当理解，所示出的凸起部分和凹陷部分的样式仅仅是一个非限制性示例，并且可以设想多种其余形式。这些其余形式可以包括这样的结构，其与结合该毂310与环形构件330之间的界面的凸起和凹陷部分在上面描述的进一步的非限制性示例相同或相似。

参照图8和图9，示出了纺丝器400及其各部分的若干视图。纺丝器400是结合图1在上面描述的纺丝器110的一个示例性形式。纺丝器400包括相对于中心轴线301径向向外延伸的毂310、与毂310的一部分重叠并进一步径向向外延伸的环形构件330、和位于毂310的一部分和环形构件330的一部分上方的保持构件340。这些结构的进一步细节已结合图3～7所示的甩射器300在上面描述。纺丝器400还包括杯形甩射器420，杯形甩射器包括在其位于毂310上方并且朝向环形构件330径向向外延伸的侧壁中的多个孔421。

甩射器420在多个接触区域422处接触毂310，并在由多个接触区域422中间的凹陷部分424提供的多个间隙区域处与毂310间隔开。在所示的实施例中，接触区域422被构造为甩射器420的凸起部分，所述凸起部分相对于甩射器420的凹陷部分424向外延伸并以所示的样式围绕甩射器420分布。应当理解，对应的凸起部分和凹陷部分可以设置在毂310的面向甩射器420的表面中，作为提供所示实施例的凹陷部分和接触区域的替代或补充。还应当理解，所示出的凸起部分和凹陷部分的样式仅仅是一个非限制性示例，并且可以设想多种其余形式。这些其余形式可以包括这样的结构，其与结合该毂310和甩射器300的环形构件330之间的界面的凸起和凹陷部分在上面描述的进一步的非限制性示例相同或相似。

参考图10，示出了另一环形构件430，其可以代替环形构件330与纺丝器300或纺丝器400结合使用。环形构件430包括径向向外延伸的下壁432、从下壁432轴向向上延伸的侧壁433、和从侧壁433径向向内延伸的上壁434。环形构件430的内表面限定多个凹腔450，所述凹腔450由下壁432、侧壁433、上壁434、和相应的成对的多个角撑板440的表面界定。凹腔450向内敞开。多个孔477(为了清楚起见，仅示出了其中的几个)贯穿界定多个凹腔550的侧壁433的各部分，并且可以例如通过机械钻孔、激光钻孔或其它技术形成。环形构件430还包括多个凹口413，其可以类似于结合纺丝器300在上面描述的凹口313来构造和起作用。应当理解，在各种实施例中，上壁434可以沿径向向内延伸比所示实施例更大或更小的量，或者可以与侧壁433的径向和周向范围大体上共同延伸，使得纺丝器410的顶部大体上敞开。

在所示的实施例中，纺丝器200被构造为大体上网状的单模铸件，包括下壁432、侧壁433、上壁434、和角撑板440。如上所述，应当理解，大体上网状的单模铸件是指这样的铸造结构，其通过使用单一铸造模型的铸造工艺形成为整体件，并且可以进一步处理，例如以便平衡铸件结构用于随后的旋转、去除铸造过程的结构产物(例如粗糙表面或边缘)、以及形成各孔(如挤出孔和紧固件孔)。还应当理解，术语“大体上网状的单模铸件”描述了环形构件430的特有的结构特征。

应当理解，本文公开的装置、系统和方法使得能够由先前被发现在例如本文公开的某些操作条件下提供不足的性能和/或不足的耐用性的现有合金来形成旋转式纺丝器结构。这种示例性合金材料包括多种钢合金，以及co基、fe基、cr基和ni基超级合金，包括例如fsx-414、hs-21、x-45、f-75和in-625。这些合金可用于形成在其它结构中的比如纺丝器200、环形构件330、环形构件430、甩射器320和甩射器420的结构。应当理解，前述和类似的材料表现出蠕变或升高的抗拉强度，这使得它们不期望或不适合在高于约2000华氏度的温度下操作。

现在将进一步描述多个非限制性示例性实施例和形式。某些示例性实施例包括用于从熔融材料生产纤维的离心式纺丝器装置，其包括：大体上网状的单模铸件，该铸件包括：基部，所述基部径向向外延伸至围绕中心轴线延伸的大体上圆形的周缘；侧壁，所述侧壁围绕所述圆形的周缘沿着轴向向上的方向从所述基部延伸；上凸缘，所述上凸缘从所述侧壁径向向内延伸；和多个角撑板，所述多个角撑板从所述侧壁径向向内延伸并且从所述基部轴向延伸至所述上凸缘，所述铸件限定了由所述基部、侧壁、上凸缘、和相应的成对的多个角撑板界定并且朝向中心结构空腔向内敞开的多个凹腔，并且多个孔贯穿界定所述多个凹腔的侧壁的各部分而形成。

包括离心式纺丝器装置的示例性实施例可以以多种形式提供。某些形式可以包括沿着中心轴线延伸并能够围绕中心轴线旋转的轴，所述轴与基部联接并且从所述基部的与所述中心结构空腔相反的一侧延伸。在某些形式中，所述轴通过第一和第二夹紧构件与所述基部联接，并且其中，所述第一夹紧构件接触所述基部的上表面。某些形式还包括配送器，所述配送器构造成通过中心结构空腔沿着向下的方向将熔融材料流引导至所述基部。某些形式还包括气室，所述气室构造成沿着大体上平行于侧壁的方向朝向侧壁的外表面引导高温气流。在某些形式中，多个角撑板包括奇数个角撑板。在某些形式中，角撑板的径向向内的边缘大体上垂直于基部。在某些形式中，铸件由选自由fsx-414、hs-21、x-45、f-75、和in-625构成的组中的合金形成。

某些示例性实施例包括一种方法，所述方法包括：从单个蜡模生产网状铸件，所述铸件包括：下壁，所述下壁沿径向方向延伸至大体上圆形的周缘；侧壁，所述侧壁沿轴向方向从下壁延伸；上凸缘，所述上凸缘沿径向向内的方向从所述侧壁延伸；和多个角撑板，所述多个角撑板从所述侧壁径向向内延伸并且沿轴向向上的方向从所述下壁延伸至所述上凸缘；形成贯穿所述铸件的侧壁的多个孔；将所述铸件附接至可旋转构件；以及在所述铸件随着可旋转构件而旋转的同时将熔融材料引入到铸件的中心空腔中，以致使熔融材料流过所述多个孔而生产多个纤维。

包括所述方法的示例性实施例可以以多种形式提供。在某些形式中，铸件的下壁接触可旋转构件的一部分。在某些形式中，熔融材料通过配送器被引入到铸件的中心结构空腔中，所述配送器定位在铸件的与所述下壁相反的一侧上。某些形式还包括利用紧固构件将铸件附接至可旋转构件，所述紧固构件接触铸件的下壁的上表面。某些形式还包括在铸件的侧壁的外表面处引导高温气流。在某些形式中，高温气流沿着大体上平行于铸件的侧壁的方向流动。在某些形式中，铸件的第一部分被高温气流和熔融材料中的至少一者加热到至少2000华氏度的温度。在某些形式中，铸件的第一部分位于侧壁中。在某些形式中，铸件的第一部分位于侧壁与上凸缘的相交位置处。在某些形式中，铸件的第二部分被高温气流和熔融材料中的至少一者加热至最多900华氏度的温度。在某些形式中，铸件的第二部分位于下壁中。

某些示例性实施例包括一种系统，所述系统包括：轴，所述轴沿着一轴线延伸并能够围绕该轴线旋转；纺丝器，所述纺丝器具有相对于所述轴线向外延伸的下壁，从下壁向上延伸的侧壁，从侧壁向内延伸的上壁，和从侧壁向内延伸并且从下壁向上延伸至上壁的多个角撑板，多个挤出孔限定在侧壁中，下壁与轴联接，纺丝器限定了多个凹腔，所述多个凹腔由下壁、侧壁、上壁、和相应的成对的多个角撑板的表面界定并且朝向中空内部向内敞开；配送器，所述配送器构造成沿着向下的方向通过所述中空内部将熔融材料供应至下壁；和气室，所述气室构造成朝向纺丝器的外表面引导高温玻璃。

包括该系统的示例性实施例可以以多种形式提供。在某些形式中，所述多个角撑板包括至少六个角撑板。在某些形式中，所述角撑板大体上垂直于下壁。在某些形式中，纺丝器包括大体上网状的铸件。在某些形式中，铸件为单模铸件。在某些形式中，铸件主要由co基合金和ni基合金之一构成。在某些形式中，铸件由选自由fsx-414、hs-21、x-45、f-75、和in-625构成的组中的合金形成。在某些形式中，多个挤出孔通过钻入到铸件中而形成。

虽然在附图和前面的描述中已经详细地示出和描述了本发明，但是其被认为是说明性的而不是限制性的，应当理解，仅示出和描述了某些示例性实施例，并且落入本发明的精神内的所有变型和改型都期望受到保护。应当理解，尽管在上述说明中各词语例如优选的、优选地、被优选的或更优选的等的使用表明所描述的特征可能是更理想的，但是其可能不是必需的，而缺少这些特征的实施例可以在本发明的范围内构思出来，本发明的范围乃是由所附权利要求限定。在阅读权利要求书时，所打算的是，使用词语例如“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一个部分”等时，其并不旨在将权利要求限制为仅一个项目，除非在权利要求中相反地特地说明。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，该项目可以包括一部分和/或整个项目，除非有相反的特别说明。