一种玻璃纤维拉丝炉及采用该玻璃纤维拉丝炉制备玻璃纤维的方法与流程

1.本发明涉及玻璃纤维丝生产设备与工艺技术领域，具体涉及一种玻璃纤维拉丝炉及采用该玻璃纤维拉丝炉制备玻璃纤维的方法。


背景技术：

2.玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，具有绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高的优点而广泛应用作增强材料、绝缘材料、保温材料等各个领域。玻璃纤维在生产过程中需要对玻璃原料进行熔制拉丝。
3.《cn87202593u》专利提供了一种偏位长型拉丝炉(坩埚)，这种坩埚有利于中碱、无碱玻璃纤维普通玻璃纤维拉丝，该发明存在的问题是拉丝炉(坩埚)四角玻璃液温度低，容易出现化料不均影响纤维成形，不能良好地实现细支纤维(原丝纤维直径5微米及以下的)生产。
4.《cn101492245b》专利提供了一种超细连续玻璃纤维生产用坩埚，坩埚内设有二块板状引电电极，规定了电极在坩埚内的位置、间距与坩埚长度的倍数关系；坩埚流液洞内设有取液槽，界定了取液筒的尺寸、安装位置。与《cn87202593u》专利相比，该专利技术能满足直径小于5微米的连续纤维原丝的生产要求。但是其采用离底砖50mm以上且与底砖倾斜设置的电极加热，四角玻璃液亦存有温度的低点，且增加了铂铑合金取液槽，增加了生产成本及生产操作难度，生产效率低下。
5.此外，以上拉丝炉虽然可以满足中碱、无碱等短料性玻璃纤维的拉丝成形要求，但是由于四角玻璃液温差大，温场不均匀而导致得到的短料性玻璃纤维品质差，容易出现分相、析晶的情况，而且这些拉丝炉还难以满足长料性玻璃纤维的成形生产。


技术实现要素：

6.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的玻璃纤维拉丝炉在纤维拉丝时温场不均匀的缺陷，从而提供一种玻璃纤维拉丝炉及采用该玻璃纤维拉丝炉制备玻璃纤维的方法。
7.本发明提供了一种玻璃纤维拉丝炉，包括炉体和电极板，所述炉体内设置有用于容置玻璃液的炉膛，电力线覆盖玻璃液的体积大于或者等于玻璃液的体积的0.45-0.8倍，电极板的导电面积大于或者等于玻璃液的导电截面积的0.5倍。
8.其中，电力线覆盖玻璃液的体积为电极板在玻璃液中的长度乘以两个电极板的相对距离乘以电力线覆盖玻璃液的深度(其中，电力线覆盖玻璃液的深度＝电极板的高度)。玻璃液的体积为玻璃液深度乘以玻璃液的体积乘以炉膛宽度。电极板的导电面积为电极板在玻璃液中的长度乘以电极板高度。玻璃液的导电截面积为炉膛宽度乘以玻璃液深度。
9.进一步地，电力线覆盖玻璃液的体积与玻璃液的体积之比为0.5-0.8倍，电极板的导电面积为玻璃液的导电截面积的0.67-0.75倍。
10.进一步地，玻璃液深度大于等于240mm，优选为240-300mm。
11.进一步地，电极板底端与炉体底砖的距离为10-30mm。
12.进一步地，电极板高度与玻璃液深度的比值为0.54-0.9。
13.进一步地，电极板在玻璃液中的长度与炉膛宽度的比值大于等于0.9。优选为1。
14.进一步地，所述电极板的两端均伸出炉体侧壁。
15.进一步地，所述电极板与炉体底砖垂直分布。
16.炉体是由侧壁、底砖和顶砖围合而成。
17.进一步地，所述炉体的侧壁、底砖和顶砖独立地选自刚玉砖、锆砖中的至少一种，优选致密锆砖或者高锆砖。
18.进一步地，电极板设置有两个。
19.进一步地，所述电极板的两端朝向另一电极板的方向延伸设置有凸边。
20.可以是电极板长度方向上的两端，或者高度方向的两端。
21.进一步地，炉体底部偏位设置有流液洞。所述流液洞设置于距离炉膛左端或者右端1/2.5-1/4位置处。
22.进一步地，电极板在玻璃液中的长度是流液洞长度的1.26-1.35倍。
23.进一步地，电极板底端与炉体底砖的垂直距离为10-30mm。
24.进一步地，所述拉丝炉的顶部设置有加球孔和测温孔。
25.本发明还提供了一种玻璃纤维的制备方法，以玻璃料为原料采用上述任一所述的玻璃纤维拉丝炉进行拉丝制得。具体包括将玻璃料通电升温，在热点温度为1300℃以上进行拉丝即得。玻璃料在通电升温的过程中熔化形成玻璃熔体，优选热点温度在1320℃以上进行拉丝。
26.进一步地，所述玻璃料选自高硅氧玻璃、d玻璃、无碱玻璃中的至少一种。
27.本发明技术方案，具有如下优点：
28.1.本发明提供的玻璃纤维拉丝炉，通过控制电极板的导电面积大于或者等于玻璃液的导电截面积的0.5倍，电力线覆盖玻璃液的体积大于或者等于玻璃液的体积的0.45-0.8倍，提高了玻璃液温场分布均匀性，使热点温度与液面温度差值≤45℃，热点温度与底砖温度差值≤50℃，各相邻液面温度差≤16℃，从而确保使电力线分布更合理、温场分布更均匀，电力线推动玻璃离子的导电性旋转、流动，摩擦生热，抑制了玻璃低温下的析晶、分相，显著提高长料性玻璃纤维的拉丝效率，能充分提高玻璃液熔化质量，有利于拉丝作业稳定性提高。
29.2.本发明提供的玻璃纤维拉丝炉，在优选的实施方案中，通过控制电极板的导电面积为玻璃液的导电截面积的0.67-0.75倍，电力线覆盖玻璃液的体积与玻璃液的体积之比为0.45-0.8倍，极大提高了玻璃液温场分布均匀性，能够进一步降低热点与底部和液面的温差。
30.3.本发明提供的玻璃纤维拉丝炉，通过控制玻璃液深度大于等于 240mm，优选为240-300mm，能够进一步降低热点与底部和液面的温差。
31.4.本发明提供的玻璃纤维拉丝炉，不仅适用于短料性玻璃纤维如无碱玻璃，也适用于长料性玻璃纤维球如高硅氧玻璃和d玻璃的生产，其中高硅氧玻璃是指sio2含量≥55％的玻璃，而d玻璃是介电常数值为5以下的玻璃。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1是本发明实施例1中拉丝炉的一个具体示例的结构示意图；
34.图2是本发明实施例1中拉丝炉的一个具体示例的结构示意图；
35.图3为本发明实施例1中电极板的一个具体示例的结构示意图；
36.附图标记：
37.1、炉体；2、炉膛；3、电极板；4、流液洞；5、加球孔；6、测温孔。
具体实施方式
38.提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
39.实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。其中本发明采用的无碱玻璃球为无碱1号成分，符合标准jc935-2004的相关规定。
40.实施例1
41.本实施例提供了一种拉丝炉，如图1-3所示，炉体1内设置有用于容置玻璃液的炉膛2，炉体顶部设置有加球孔5和测温孔6，炉体底部设置有流液洞4。本发明中炉体的侧壁、底砖和顶砖均可以采用现有的砖体，例如但不局限于刚玉砖、锆砖中的至少一种，优选致密锆砖或者高锆砖。炉膛内设置有两个电极板3，电极板可采用铂金电极等常规电极板，两个电极板尺寸一致。两个电极板沿垂直于拉丝炉底砖的方向设置，两个电极板平行并列排布。
42.其中，炉膛2内玻璃液深度记为h，炉膛长度记为a，炉膛宽度记为b，炉膛内玻璃液的体积记为abh，玻璃液的导电截面积为炉膛宽度乘以玻璃液深度，记为bh。电极板在玻璃液中的长度称为有效长度，记为y，电极板高度记为z。电极板的导电面积为电极板有效长度乘以电极板高度，记为yz。电力线覆盖玻璃液的深度即为电极板的高度z。两个电极板的相对距离记为x，电力线覆盖玻璃液的体积为电极板有效长度乘以两个电极板的相对距离乘以电力线覆盖玻璃液的深度，记为xyz。
43.本发明通过控制电力线覆盖玻璃液的体积大于或者等于玻璃液的体积的0.45-0.8倍(记为xyz/abh)。电极板的导电面积大于或等于玻璃液的导电截面积的0.5倍(记为yz/bh)，提高了玻璃液温场分布均匀性。在某些优选的实施方式中，控制电力线覆盖玻璃液的体积与玻璃液的体积之比为 0.5-0.8倍，电极板的导电面积为玻璃液的导电截面积的0.67-0.75倍。
44.为了进一步提高温场控制的均匀性，本发明又控制玻璃液的深度大于等于240mm，优选为240-300mm。和/或，控制电极板高度与玻璃液深度的比值为0.54-0.9。和/或，控制电
极板在玻璃液中的长度与炉膛宽度的比值大于等于0.9。
45.其中，电极板的宽/厚度为0.5-3mm，优选为1mm。电极板的底端与拉丝炉底板的距离为10-30mm，优选为30mm；电极板的顶端与玻璃液液面的距离为10-30mm，优选为30mm。
46.为了进一步提高温度的均匀性，炉体底部偏位设置有流液洞，流液洞的位置不是在炉体中间，采取偏位布置的方式，例如设置于距离炉膛左端或者右端1/2.5-1/4位置处。加料时可以减小流液洞的温度场的波动。流液洞的截面为方形，为进一步提高四角温度的均匀性，控制电极板的有效长度是流液洞长度的1.26-1.35倍。
47.电极板的两端可以伸出炉体侧壁。电极板的两端朝向另一电极板的方向延伸设置有两条凸边，凸边可以设置在电极板长度方向上的两端或者高度方向上的两端，凸边位于炉体内，截面可以是长方形或者正方形，凸边的长度为10-40mm，宽度为0.5-6mm。该技术可以进一步提高四角温度及均匀性，提高流入漏板玻璃液的温度均匀性，提高拉丝效率及原丝质量。
48.本发明中，玻璃液可采用常规玻璃料熔融后得到，例如但不局限于无碱玻璃球、高硅氧玻璃球、d玻璃球等。
49.拉丝炉的主要尺寸参数如下表1所示，另外，电极板的底端与拉丝炉底板的距离以及电极板的顶端与玻璃液液面的距离均为30mm。电极板的宽/厚度为1mm，流液洞长度为230mm，电极板有效长度为流液洞长度 1.3倍。
50.表1实施例1拉丝炉的尺寸
[0051][0052]
电力线覆盖玻璃液的体积为玻璃液的体积的0.63倍(记为xyz/abh)。电极板的导电面积为玻璃液的导电截面积的0.75倍(记为yz/bh)。
[0053]
本实施例还提供了一种玻璃纤维的制备方法，包括如下步骤：取无碱玻璃球按照本实施例玻璃液深度的规定将无碱玻璃球投入各拉丝炉中，通电升温，在热点温度为1340℃下进行拉丝，制得玻璃纤维。
[0054]
实施例2
[0055]
本实施例提供了一种拉丝炉，与实施例1的区别仅在于拉丝炉的参数不同，本实施例拉丝炉的参数如表2所示。
[0056]
表2实施例2拉丝炉的尺寸
[0057][0058]
电力线覆盖玻璃液的体积为玻璃液的体积的0.45倍(记为xyz/abh)。电极板的导电面积为玻璃液的导电截面积的0.54倍(记为yz/bh)。
[0059]
本实施例还提供了一种玻璃纤维的制备方法，包括如下步骤：取无碱玻璃球按照本实施例玻璃液深度的规定将无碱玻璃球投入各拉丝炉中，通电升温，在热点温度为1340℃下进行拉丝，制得玻璃纤维。
[0060]
实施例3
[0061]
本实施例提供了一种拉丝炉，与实施例1的区别仅在于流液洞长度为180mm，电极长度为流液洞长度1.7倍。
[0062]
本实施例还提供了一种玻璃纤维的制备方法，包括如下步骤：取无碱玻璃球按照本实施例玻璃液深度的规定将无碱玻璃球投入各拉丝炉中，通电升温，在热点温度为1330℃下进行拉丝，制得玻璃纤维。
[0063]
对比例1
[0064]
本对比例提供了一种拉丝炉，与实施例1的区别在于(1)拉丝炉的参数不同，本实施例拉丝炉的参数如表3所示。
[0065]
表3对比例1拉丝炉的尺寸
[0066][0067]
电力线覆盖玻璃液的体积为玻璃液的体积的0.28倍(记为xyz/abh)。电极板的导电面积为玻璃液的导电截面积的0.39倍(记为yz/bh)。
[0068]
本对比例还提供了一种玻璃纤维的制备方法，包括如下步骤：取无碱玻璃球按照本实施例玻璃液深度的规定将无碱玻璃球投入各拉丝炉中，通电升温，在热点温度为1310℃下进行拉丝，制得玻璃纤维。
[0069]
对比例2
[0070]
本对比例提供了一种拉丝炉，与实施例1的区别在于(1)拉丝炉的参数不同，本实施例拉丝炉的参数如表4所示。
[0071]
表4对比例2拉丝炉的尺寸
[0072][0073]
电力线覆盖玻璃液的体积为玻璃液的体积的0.29倍(记为xyz/abh)。电极板的导电面积为玻璃液的导电截面积的0.80倍(记为yz/bh)。
[0074]
本对比例还提供了一种玻璃纤维的制备方法，包括如下步骤：取无碱玻璃球按照本实施例玻璃液深度的规定将无碱玻璃球投入各拉丝炉中，通电升温，在热点温度为1320℃下进行拉丝，制得玻璃纤维。
[0075]
实验例1
[0076]
在各实施例和对比例开始拉丝之前，测试玻璃液的温场分布(或者热点温度)，对于实施例1-3来说，以玻璃液表面(0mm)为基准点，以夜深 20mm为一个梯度采用双铂铑热电偶测量距离玻璃液表面不同深度的温度，包括液面温度(0mm)，距离液面20mm、40mm、60mm、80mm、100mm、 120mm、140mm、160mm和180mm、200mm、220mm和240mm的温度，对于对比例1-2来说，测试温度包括液面温度(0mm)，距离液面20mm、 40mm、60mm、80mm、100mm、120mm、140mm和150mm的温度。其中，各实施例和对比例玻璃纤维制备方法的热点温度是指按照上述方法测得的不同玻璃液深度的最高温度，结果见下表所示。
[0077]
表5温场分布结果表
[0078][0079]
相比于对比例1-2来说，本发明实施例1-3提供的拉丝炉热点温度与底部和液面的温度差明显降低，各深度液面之间的温度差明显降低，本发明能有效提高液深方向的温度场均匀性。尤其是实施例1的拉丝炉每20mm 液深温差在3～13℃，热点与底部温度差为45℃，与液面温差度为35℃。而对比例1和2的普通拉丝炉每20mm液深温差在10～23℃，热点温度与底部及液面温度相差60℃以上。相比于对比例，实施例1热点与底部及液面温差分别降低了25％、42％，在代铂坩埚拉丝炉领域温差的降低可以显著提升拉丝作业的稳定性，从而实现显著的经济效益，是该领域的技术显著提升。
[0080]
实验例2
[0081]
在各实施例和对比例开始拉丝之前，还采用双铂铑热电偶测量测试各实施例和对比例炉膛底砖的温度，结果见下表，其中，中间温度为流液洞的中心温度，角1～角4分别是位于底砖四角且距离侧壁约20mm处的温度。
[0082]
表6温场分布结果表
[0083][0084]
相比于对比例1-2来说，本发明实施例1-3提供的拉丝炉底砖中间温度与角1～角4的温度差明显降低，说明本发明的拉丝炉温场均匀性更好。
[0085]
实验例3
[0086]
测试各组实施例和对比例提供的拉丝炉的台班产量(kg)、满筒率(％)、原丝成品率(％)、原丝合格率(％)、原丝通过率(％)、拉丝炉玻璃液热点温度(℃)、玻璃液四角平均温度(℃)以及制得的玻璃纤维的机械强度。其中，拉丝炉台班产量为单台拉丝炉24小时生产原丝的产量，满筒率是按每班12小时生产出满筒个数/总筒数，原丝成品率＝生产原丝的总量/无碱玻璃球用量，原丝合格率＝生产合格原丝的总量/生产出的原丝总量，原丝通过率＝原丝合格率
×
原丝成品率，表征生产的效率，机械强度通过拉伸强力机进行测试。结果见下表所示。
[0087]
表7性能结果表
[0088][0089]
相比于对比例1-2来说，本发明实施例1-3提供的拉丝炉的热点温度可以整体提高，玻璃液四角平均温度明显提高，产量明显提高，成品率、满筒率、合格率及原丝通过率明显提高，尤其是采用实施例1的拉丝炉比原普通拉丝炉玻璃液热点温度可以整体提高15～30℃，同时玻璃液温降比原拉丝炉缩小了15℃以上，玻璃液四角平均温度提高40℃以上，有利于玻璃液二次排泡，温度场分布更均匀，更利于拉丝成形。大大提高了原丝台班产量、满筒率、原丝成品率、原丝合格率和原丝通过率，从而提高了原料的生产效率、节约了玻璃原料，减少了固废的排放。而且原丝强度、原丝性能和质量都有提升。
[0090]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。