CN117401900A - 一种玻璃纤维拉丝用加热装置、设备及拉丝工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种玻璃纤维拉丝用加热装置、设备及拉丝工艺，涉及玻璃纤维加工技术领域，该玻璃纤维拉丝用加热装置包括依次连接的预混器、混合器、燃烧器；预混器包括预混管、氧气管和燃气管；预混管同轴套设在燃气管外部，且预混管的一端的管壁与燃气管的外壁密封连接；氧气管设置在预混管的侧壁并与预混管连通；燃气管沿气流方向靠近出气口位置的内径减小；混合器内部设置有多孔阻隔材料。本发明提供的玻璃纤维拉丝用加热装置可实现在低压和低速可燃气体的条件下，得到稳定的高温火焰，满足高熔点玻璃纤维的制备要求。

Description

一种玻璃纤维拉丝用加热装置、设备及拉丝工艺

技术领域

本发明属于玻璃纤维加工技术领域，特别涉及一种玻璃纤维拉丝用加热装置、设备及拉丝工艺。

背景技术

目前对于高熔点玻璃纤维产品常用的制备工艺是采用火焰法进行拉丝生产。通过控制高压高流量的燃气和助燃氧气，使得火焰温度可以高达2000℃以上，通过流量、压力等工艺参数调整，达到高熔点玻璃纤维的拉丝温度，从而实现拉丝制备过程。中国专利CN200710053145.8提出了一种石英棉的制备方法，该技术提出通过设定大于等于0.2MPa以上的燃气压力，0.25MPa的氧气压力，使火焰温度在1800～2000℃范围，从而实现石英棉的拉丝制备。中国专利CN202220453855.X提出了一种可提高燃气混合状态的装置，其设计了氧气作为主管路，可燃气体作为侧管路进行混合，这种混合方式虽能够在一定程度上改善火焰燃烧状况，但是并不能显著提高火焰燃烧的温度，其主要还是基于高压燃气而设计的，对于采用低压城市天燃气(出口压力不大于0.1MPa)的企业，使用上述设备仍然无法满足纤维拉丝使用要求。

然而，对于部分地区而言，基于安全生产使用要求，无法使用高压液化可燃气体进行生产，只能使用低压的城市管路天燃气替代，城市天燃气管路(主体管路)天燃气的出口压力不大于0.1MPa，采用现有装置火焰温度很难达到高熔点玻璃纤维的拉丝制备要求。

因此，亟需提供一种采用低压燃气即可实现高熔点玻璃纤维的拉丝制备要求的装置。

发明内容

针对现有技术中的加热装置使用低压的城市管路天燃气无法得到稳定的高温火焰，无法满足高熔点玻璃纤维的拉丝制备要求的问题，本发明提供了一种玻璃纤维拉丝用加热装置、设备及拉丝工艺，本发明提供的玻璃纤维拉丝用加热装置可实现在低压和低速可燃气体的条件下，得到稳定的高温火焰，满足高熔点玻璃纤维的制备要求。

第一方面，本发明提供了一种玻璃纤维拉丝用加热装置，装置包括依次连接的预混器1、混合器2和燃烧器3；

预混器1包括预混管11、氧气管12和燃气管13；

预混管11同轴套设在燃气管13外部，且预混管11的一端的管壁与燃气管13的外壁密封连接；

氧气管12设置在预混管11的侧壁并与预混管11连通；

燃气管13沿气流方向靠近出气口位置的内径减小；

混合器2内部设置有多孔阻隔材料21。

在一种可能的设计中，燃气管13进气口的内径为10～40mm，出气口的内径为0.5～4mm。

在一种可能的设计中，阻隔材料的厚度为0.1～10mm；和/或

多孔阻隔材料21具有海绵多孔结构。

在一种可能的设计中，燃烧器3设置有两排火焰喷嘴31；火焰喷嘴31的直径为0.8～1.5mm。

第二方面，本发明提供了一种玻璃纤维拉丝设备，玻璃纤维拉丝设备包括第一方面的加热装置和与加热装置相连接的下棒机构6。

在一种可能的设计中，下棒机构6中设置有导向管61和定位组件62；

导向管61用于将玻璃棒定位至燃烧器3的火焰喷嘴31处；

定位组件62用于将玻璃棒与火焰喷嘴31中心对准。

第三方面，本发明提供了一种玻璃纤维拉丝工艺，通过第二方面的玻璃纤维拉丝设备实现，工艺包括如下步骤：

启动装置，将氧气、天燃气分别通入氧气管12和燃气管13；

将玻璃棒放置于燃烧器3的火焰喷嘴31处，经软化，得到丝根；

将丝根进行拉丝，得到玻璃纤维。

在一种可能的设计中，通入氧气管12的氧气的压力为0.06～0.1MPa；

通入燃气管13的燃气的压力为0.06～0.1MPa。

在一种可能的设计中，火焰喷嘴31处氧气和天燃气的混合气的线速度为10～100mm/s。

在一种可能的设计中，玻璃纤维直径的变异系数不大于5％；和/或

当玻璃纤维的直径≥6.5μm时，满筒率≥85％；

当玻璃纤维的直径＜6.5μm时，满筒率≥65％。

本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：

本发明提供的玻璃纤维拉丝用加热装置中燃气管沿气流方向靠近出气口位置的内径减小可以使燃气流速骤增并在燃气管出口处形成喷射，同时由于燃气的高速喷射会在燃气管出口处形成负压吸收，燃气管喷射出来的燃气与氧气混合，形成包含燃气和氧气的气团；气团进入混合器后，经过多孔阻隔材料可以降低气团的速度，同时将气团分解为微气团，进一步提高燃气和氧气的混合效率，微气团进入燃烧器的燃烧腔后经过填充挤压形成稳定的气包，气包的形成使火焰喷嘴处的混合气的流速更均匀，混合气燃烧效率显著提高，在各火焰喷嘴处形成温度均匀、稳定的高温火焰。

本发明提供的玻璃纤维拉丝用加热装置通过预混器、混合器和燃烧器的均压混合作用，使得燃气和氧气混合更均匀，可有效提高燃气的燃烧速度(单位时间内可燃气体燃烧的量)，提升火焰喷嘴处火焰温度，进而实现在低压(0.01～0.1MPa)和低速(10～100m/s)可燃气体的条件下，得到稳定的高温火焰，满足高熔点玻璃纤维的制备要求。

本发明提供的玻璃纤维拉丝用加热装置采用低压和低速的可燃气体作为燃料，即可得到满足高熔点玻璃纤维的制备要求的高温火焰，且由于可燃气体流量小，可以减小玻璃棒丝根处的气体吹扫阻力，使得丝根更加稳定，可有效提升整个拉丝工艺过程中拉丝稳定性，降低飞丝频率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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例，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。

图1是本发明提供的玻璃纤维拉丝用加热装置中预混合器的结构示意图；

图2是本发明提供的玻璃纤维拉丝用加热装置中混合器的结构示意图；

图3是本发明提供的玻璃纤维拉丝设备中燃烧器和下棒机构的结构示意图；

图4是本发明实施例1提供的整束丝全部丝根制得的玻璃纤维的直径分布图；

图5是本发明对比例2提供的整束丝全部丝根制得的玻璃纤维的直径分布图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一方面，本发明提供了一种玻璃纤维拉丝用加热装置，装置包括依次连接的预混器1、混合器2和燃烧器3；

预混器1包括预混管11、氧气管12和燃气管13；

预混管11同轴套设在燃气管13外部，且预混管11的一端的管壁与燃气管13的外壁密封连接；

氧气管12设置在预混管11的侧壁并与预混管11连通；

燃气管13沿气流方向靠近出气口位置的内径减小；

混合器2内部设置有多孔阻隔材料21。

本发明提供的玻璃纤维拉丝用加热装置中燃气管沿气流方向靠近出气口位置的内径减小可以使燃气流速骤增并在燃气管出口处形成喷射，同时由于燃气的高速喷射会在燃气管出口处形成负压吸收，燃气管喷射出来的燃气与氧气混合，形成包含燃气和氧气的气团；气团进入混合器后，经过多孔阻隔材料可以降低气团的速度，同时将气团分解为微气团，进一步提高燃气和氧气的混合效率，微气团进入燃烧器的燃烧腔后经过填充挤压形成稳定的气包，气包的形成使火焰喷嘴处的混合气的流速更均匀，混合气燃烧效率显著提高，在各火焰喷嘴处形成温度均匀、稳定的高温火焰。

本发明提供的玻璃纤维拉丝用加热装置通过预混器、混合器和燃烧器的均压混合作用，使得燃气和氧气混合更均匀，可有效提高燃气的燃烧速度(单位时间内可燃气体燃烧的量)，提升火焰喷嘴处火焰温度，进而实现在低压(0.01～0.1MPa)和低速(10～100m/s)可燃气体的条件下，得到稳定的高温火焰，满足高熔点玻璃纤维的制备要求。

本发明提供的玻璃纤维拉丝用加热装置采用低压和低速的可燃气体作为燃料，即可得到满足高熔点玻璃纤维的制备要求的高温火焰，且由于可燃气体流量小，可以减小玻璃棒丝根处的气体吹扫阻力，使得丝根更加稳定，可有效提升整个拉丝工艺过程中拉丝稳定性，降低飞丝频率。

在一些优选的实施方式中，本发明预混器1和混合器2通过第一连接管4连接、混合器2和燃烧器3通过第二连接管5进行连接；燃气从燃气管13的高速喷射出来后与氧气在第一连接管4中进行混合，形成包含燃气和氧气的气团，气团进入混合器2后经过多孔阻隔材料21分解为微气团，微气团经过第二连接管5进入燃烧器3的燃烧腔后经过填充挤压形成稳定的气包，气包的形成使火焰喷嘴31处的混合气的流速更均匀，混合气燃烧效率显著提高，在各火焰喷嘴31处形成温度均匀、稳定的高温火焰。

需要说明的是，本发明多孔阻隔材料21通过设置在混合器2内部的固定部件固定在混合器2内部。

在一些优选的实施方式中，燃气管13进气口的内径为10～40mm，出气口的内径为0.5～4mm。本发明燃气管13进气口的内径可以为10～40mm中的任一值，出气口的内径可以为0.5～4mm中的任一值。

在一些优选的实施方式中，阻隔材料的厚度为0.1～10mm(例如，可以为0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、8.5mm、9mm、9.5mm、或10mm)；和/或

多孔阻隔材料21具有海绵多孔结构；优选的是，多孔阻隔材料的克重为100～1300g/m^-2、强力为(T：1200～4000N/50mm，W：1000～3000N/50mm)、厚度为1～10mm、透气率为1～80cm/s；其中，T代表经向的强力，W代表纬向的强力。

本发明对于多孔阻隔材料的材质不做具体限定，具备多孔结构即可，例如，可以为过滤棉毡、海绵等；多孔阻隔材料优选为海绵多孔结构，多孔阻隔材料优选为海绵。本发明选择具有海绵多孔结构的阻隔材料能更好地分解气团，提高燃气和氧气的混合效率。

在一些优选的实施方式中，燃烧器3设置有两排火焰喷嘴31；火焰喷嘴31的直径为0.8～1.5mm；本发明火焰喷嘴的直径可以为0.8～1.5mm中的任一值；优选的是，每排火焰喷嘴31为10～200个。

第二方面，本发明提供了一种玻璃纤维拉丝设备，玻璃纤维拉丝设备包括第一方面的加热装置和与加热装置相连接的下棒机构6。

在一些优选的实施方式中，下棒机构6中设置有导向管61和定位组件62；

导向管61用于将玻璃棒定位至燃烧器3的火焰喷嘴31处；

定位组件62用于将玻璃棒与火焰喷嘴31中心对准。

本发明下棒机构中设有导向管，导向管主要是用于玻璃棒定位至对应的火焰喷嘴处，然后通过定位组件将下棒机构中的玻璃棒与火焰喷嘴中心对准，从而保证玻璃棒在火焰中心处进行加热，因为此处气体燃烧速率和火焰加热温度最高。

第三方面，本发明提供了一种玻璃纤维拉丝工艺，通过第二方面的玻璃纤维拉丝设备实现，工艺包括如下步骤：

启动装置，将氧气、天燃气分别通入氧气管和燃气管；

将玻璃棒放置于燃烧器的火焰喷嘴处，经软化，得到丝根；

将丝根进行拉丝，得到玻璃纤维。

采用包括本发明玻璃纤维拉丝用加热装置的玻璃纤维拉丝设备以低压和低速的可燃气体作为燃料，即可得到满足高熔点玻璃纤维的制备要求的高温火焰，且由于可燃气体流量小，可以减小玻璃棒丝根处的气体吹扫阻力，使得丝根更加稳定，可有效提升整个拉丝工艺过程中拉丝稳定性，降低飞丝频率。

此外，通过预混器、混合器和燃烧器的均压混合作用，燃气的燃烧速率显著提高，火焰与玻璃棒接触面的热交换速率增大，因此可以显著降低气体消耗量，相比现有加热装置(没有设置本发明预混器的装置及专利CN202220453855.X的装置)，达到相同的火焰温度，燃气总流量由10～12m³/h降低至4～7m³/h。

在一些优选的实施方式中，通入氧气管12的氧气的压力为0.06～0.1MPa；

通入燃气管13的燃气的压力为0.06～0.1MPa。

本发明燃气的压力为城市天然气管路的压力，氧气的压力控制在上述范围，以确保燃气和氧气更充分的混合。

在一些优选的实施方式中，火焰喷嘴31处氧气和天燃气的混合气的线速度为10～100mm/s。

在一些优选的实施方式中，玻璃纤维直径的变异系数不大于5％；和/或

当玻璃纤维的直径≥6.5μm时，满筒率≥85％；

当玻璃纤维的直径＜6.5μm时，满筒率≥65％。

为了更加清楚地说明本发明的技术方案及优点，下面结合实施例对本发明作进一步说明。本发明中的材料和试剂均可以是在市面上直接购买得到或自行合成得到，对具体型号不做限制。

需要说明的是，实施例涉及到的下拉比例(D/d)指的是石英棒(D)和石英纤维(d)直径比；满筒率代表纤维拉丝的稳定性，满筒率越高说明纤维拉丝过程越稳定。

实施例1

启动玻璃纤维拉丝用加热装置，打开气体开关，控制进入燃气管的天燃气压力为0.06MPa，进入氧气管的氧气压力设定为0.06MPa，燃烧器的火焰喷嘴的直径为0.9mm，火焰喷嘴处混合气的线速度约为60m/s；

通过下棒机构将直径为1.3mm的石英玻璃棒匀速送入喷嘴中加热软化，石英棒经过加热软化后形成丝根；

通过牵引丝根经过涂油器，涂覆石英纤维浸润剂，然后经过集束轮集束，最后通过设定好转速的拉丝机牵引制得指定直径7.5μm(下拉比例为222)的石英纤维。结果显示，整个过程拉丝稳定，满筒率90％以上，石英纤维的平均直径为7.67μm，整束丝全部丝根制得的石英纤维的直径分布(如图4)，结果发现直径均匀性较高，纤维线密度内不匀，变异系数小于等于2％。

实施例2

启动玻璃纤维拉丝用加热装置，打开气体开关，控制进入燃气管的天燃气压力为0.1MPa，进入氧气管的氧气压力设定为0.1MPa，燃烧器的火焰喷嘴的直径为1.4mm，火焰喷嘴处混合气的线速度约为40m/s；

通过下棒机构将直径为2.5mm的石英玻璃棒匀速送入喷嘴中加热软化，石英棒经过加热软化后形成丝根；

通过牵引丝根经过涂油器，涂覆石英纤维浸润剂，然后经过集束轮集束，最后通过设定好转速的拉丝机牵引制得指定直径9.0μm(下拉比例为278)的石英纤维。结果显示，整个过程拉丝稳定，满筒率92％以上，石英纤维的平均直径为9.05μm，石英纤维直径的变异系数为3.5％。

实施例3

启动玻璃纤维拉丝用加热装置，打开气体开关，控制进入燃气管的天燃气压力为0.02MPa，进入氧气管的氧气压力设定为0.02MPa，燃烧器的火焰喷嘴的直径为0.8mm，火焰喷嘴处混合气的线速度约为30m/s；

通过下棒机构将直径为1.0mm的石英玻璃棒匀速送入喷嘴中加热软化，石英棒经过加热软化后形成丝根；

通过牵引丝根经过涂油器，涂覆石英纤维浸润剂，然后经过集束轮集束，最后通过设定好转速的拉丝机牵引制得指定直径6.0μm(下拉比例为167)的石英纤维。结果显示，整个过程拉丝稳定，满筒率72％以上，石英纤维的平均直径为6.13μm，石英纤维直径的变异系数为4.8％。

对比例1

启动加热装置，其中加热装置选择专利CN202220453855.X中的燃烧器，打开气体开关，控制进入燃料管的天燃气压力为0.1MPa，进入氧气管的氧气压力设定为0.1MPa，燃烧器的火焰喷嘴的直径为0.8mm；

通过下棒机构将直径为1.0mm的石英玻璃棒匀速送入喷嘴中加热软化，石英棒经过加热软化后形成丝根；

通过牵引丝根经过涂油器，涂覆石英纤维浸润剂，然后经过集束轮集束，最后通过设定好转速的拉丝机牵引制得指定直径6.0μm(下拉比例为167)的石英纤维。结果显示，石英纤维的平均直径为6.06μm，石英纤维直径的变异系数为5.5％，整个过程拉丝稳定性差，拉丝过程中频繁出现断头飞丝情况，满筒率在50％以下。该燃烧装置适用于管路压力高的液化天然气，采用该燃烧器用压力低城市天然气，拉丝困难，拉丝稳定性差。

对比例2

启动装置，其中加热装置选择专利CN202220453855.X中燃烧器，打开气体开关，控制进入燃料管的天燃气压力为0.1MPa，进入氧气管的氧气压力设定为0.1MPa，燃烧器的火焰喷嘴的直径为1.0mm；燃气喷嘴处气体流速为200m/s；

通过下棒机构将直径为2.0mm的石英玻璃棒匀速送入喷嘴中加热软化，石英棒经过加热软化后形成丝根；

通过牵引丝根经过涂油器，涂覆石英纤维浸润剂，然后经过集束轮集束，最后通过设定好转速的拉丝机牵引制得指定直径为9.0μm(下拉比例为222)的石英纤维。结果显示，石英纤维的平均直径为8.8μm，石英纤维直径的变异系数为7.8％，整个过程拉丝稳定性差，火焰燃烧不均匀，纤维拉丝频繁出现飞丝和断头，点火过程出现回火情况，拉丝满筒率低。采用该燃烧器作为加热装置，预混效果不好，气体燃烧不充分，所以在相同硬件条件下，需要使用大流量气体才能达到软化玻璃棒的条件；但使用大流量气体会导致每个火焰口的流速不同，燃气燃烧不均匀，玻璃棒软化有快有慢，拉丝就容易断，同时容易吹断纤维丝造成断头和飞丝。

当降低气体流速至90m/s和降低下拉比例，拉丝制备指定直径为10.2μm的石英纤维，石英纤维的平均直径为10.4μm，石英纤维直径的变异系数为5.7，拉丝满筒率80％以上。因该装置在采用高压气源才能控制多孔火焰温度的均匀性，拉制直径均匀的纤维；因此，在采用低压气源以后，无法实现火焰温度均匀，导致玻璃棒熔制不均匀，造成石英纤维丝直径不均匀。整束丝全部丝根制得的石英纤维的直径分布离散性较大(如图5)，在降低流速和下拉比例的情况下，拉出来的石英纤维更粗，且石英纤维的直径分布离散性大；可见，采用该设备进行拉丝是建立在降低产品性能要求的基础上实现的。

综上，采用本发明的加热装置制得的进行纤维拉丝，拉丝过程稳定性更高，得到的纤维丝直径分布更均匀、满筒率更高、纤维直径的变异系数更小。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多组”是指两组或两组以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本说明书的描述中，需要理解的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。

最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种玻璃纤维拉丝用加热装置，其特征在于，所述装置包括依次连接的预混器(1)、混合器(2)和燃烧器(3)；

所述预混器(1)包括预混管(11)、氧气管(12)和燃气管(13)；

所述预混管(11)同轴套设在所述燃气管(13)外部，且所述预混管(11)的一端的管壁与所述燃气管(13)的外壁密封连接；

所述氧气管(12)设置在所述预混管(11)的侧壁并与所述预混管(11)连通；

所述燃气管(13)沿气流方向靠近出气口位置的内径减小；

所述混合器(2)内部设置有多孔阻隔材料(21)。

2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述燃气管(13)进气口的内径为10～40mm，出气口的内径为0.5～4mm。

3.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述阻隔材料的厚度为0.1～10mm；和/或

所述多孔阻隔材料(21)具有海绵多孔结构。

4.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述燃烧器(3)设置有两排火焰喷嘴(31)；

所述火焰喷嘴(31)的直径为0.5～1.5mm。

5.一种玻璃纤维拉丝设备，其特征在于，所述玻璃纤维拉丝设备包括权利要求1-4任一项所述的加热装置和与所述加热装置相连接的下棒机构(6)。

6.根据权利要求5所述的玻璃纤维拉丝设备，其特征在于，所述下棒机构(6)中设置有导向管(61)和定位组件(62)；

所述导向管(61)用于将玻璃棒定位至所述燃烧器(3)的火焰喷嘴(31)处；

所述定位组件(62)用于将玻璃棒与所述火焰喷嘴(31)中心对准。

7.一种玻璃纤维拉丝工艺，其特征在于，通过权利要求5-6任一项所述的玻璃纤维拉丝设备实现，所述工艺包括如下步骤：

启动装置，将氧气、天燃气分别通入氧气管(12)和燃气管(13)；

将玻璃棒放置于燃烧器(3)的火焰喷嘴(31)处，经软化，得到丝根；

将所述丝根进行拉丝，得到玻璃纤维。

8.根据权利要求7所述的拉丝工艺，其特征在于，通入所述氧气管(12)的氧气的压力为0.06～0.1MPa；

通入所述燃气管(13)的燃气的压力为0.06～0.1MPa。

9.根据权利要求7所述的拉丝工艺，其特征在于，所述火焰喷嘴(31)处氧气和天燃气的混合气的线速度为10～100mm/s。

10.根据权利要求7所述的拉丝工艺，其特征在于，所述玻璃纤维直径的变异系数不大于5％；和/或

当所述玻璃纤维的直径≥6.5μm时，满筒率≥85％；

当所述玻璃纤维的直径＜6.5μm时，满筒率≥65％。