JP4008495B2 - 鉱質ウールを製造する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の冒頭句で定義されているように、溶融した鉱質材をスピンナに供給しながら鉱質ウールを製造するための方法に関し、また、請求項２の冒頭句で定義されているように、スピンナを用いて内部遠心することにより鉱質材を繊維化するための装置に関する。
高品質の鉱質繊維は、内部遠心を用いて製造することができる。この場合、高速度で回転し、その周囲壁に複数の小さいオリフィスを有するスピンナの内部に、溶融した鉱質材が供給される。この小さいオリフィスを通って、溶融鉱質材は対応する小さな径を有する溶融繊維として放出される。放出された繊維は、環状のバーナーから衝風を受け、その結果、所要の細さを有する繊維に細長化される。続いて、繊維は固化して下方部のコンベアー上に堆積し、そこで鉱質繊維のマットが形成される。この方法は、いわゆるＴＥＬ方法として、当該技術分野において良く知られている。
この繊維化装置により、様々な組成を有する鉱質材が繊維化される。この鉱質組成物の融点には、高いものも普通のものも、そして低いものもあるため、繊維化する温度も、異なっている。一方、このような繊維化装置のバーナーは、最適な特定の調節をもって、つまり特定の動作温度のもとで動作され、この動作温度は、最適なバーナー動作範囲から逸脱しないように、実質的に変えるべきではない。その結果、バーナーの衝風ガスは、バーナーの動作設定を最適にした状態では、１５５０℃〜１６００℃の温度を有し得、この温度は高融点のガラスを繊維化するには適切な温度である。バーナーの調節を少し変えることにより、最適なバーナー調節になお近い状態で、バーナーの動作温度をたとえば１３００℃〜１３５０℃にまで下げることができ、低融点のガラスについての異なる温度要求にも対応させることができる。
低融点の材料からなる繊維は、過熱されると、衝風ガスによって細長化される溶融物が固化する前に細長化領域から外れてしまう程度に、粘度が低下する。その結果、表面張力の影響を受けて、まだ溶融状態にある繊維が、繊維化されていない粒子に変形してしまう。このような粒子は、最終的な鉱質ウールマットにとっては、好ましくないものである。
このように、衝風ガスの温度を１２００℃もしくはそれ未満に低くし、低融点ガラスのような他の鉱質材を繊維化する必要がある。バーナーの設定を変えて、バーナー出口での温度をこのような値にまで下げることは、バーナーの動作条件が最適でなくなるため、好ましくない。
以上のことより、本発明の目的は、最適な動作条件のもとでバーナーのより生み出される衝風ガス温度よりも、実質的に低い衝風ガス温度を必要とする低融点鉱質材を繊維化することが可能な方法および装置を提供することである。
この目的は、方法の点では、バーナーの出口領域が、径方向の内側に位置する環状の高温領域と、径方向の外側に位置し、高温領域よりも実質的に温度が低い環状の冷却領域とにさらに分割されていることによって、達成される。また、構造の点では、この目的は、バーナーの出口の外周壁に、空気などの冷却ガスを注入する注入手段が設置され、かつ、注入領域においては、ガスの注入方向がバーナーガスが流れる方向と本質的に交差していることによって達成される。
以上のようにして、本発明によれば、バーナーに入れる可燃物を減らしたときのように、もしくは冷却用空気を予めバーナーガスに混合させたときのように、衝風ガスの温度が均一に低下するということはない。その結果、径方向の内側に位置する領域は相対的に高温のままであり、おそらく、冷却していないバーナーガスの温度のままでさえある。以上の効果は好ましいことである。スピンナの周囲壁内のオリフィス列の領域は、オリフィスを通ってガラスが流れることを可能とするために、ガラスの液相線もしくは失透温度もしくは結晶化温度よりも相対的に高い温度に保たれるべきであるからである。
一方、細長化された繊維は、細長化された繊維が表面張力の影響で材料の粒になるスプリングバック効果を避け、また、温度の強い影響によりナトリウム等のガラスの揮発性成分が飛んでしまうことを防ぐべく、繊維を十分に固化するようにむしろ急速に冷却することが好ましい。このような材料の粒、低品質の繊維、もしくはその他の非繊維物があると、最終的な鉱質ウールマット中に含まれる、繊維化されていない粒子の量が増加することになる。径方向の外側に位置する冷却領域においてかなり急激に冷却が行われることで、このような好ましくない影響を避けることができる傾向にある。
さらに、バーナー出口の外周壁を通して冷却ガスを注入することで、材料の組成が変更されたときにも、実質的にバーナーを再調節する作業が必要でなくなる。たとえば、高融点のガラスを繊維化するときには、単に冷却用空気を導入することを止めれば良い。そして、低融点のガラスを繊維化するときには、単にバルブを開けて必要な量の冷却用空気を導入すれば良い。このようにして、それほどの労力を必要とせずに、繊維化する材料の組成毎に最適な調節を行うことができる。
冷却ガスの注入方向が、本質的にバーナーガスが流れる方向と交差しているということにより、バーナーガスの運動エネルギーがもたらす衝撃および効果が、認識し得る程度に大きく増大することを避けることができる。その結果、冷却ガスを導入しても、バーナーガスのもたらす細長化効果が大きく変化することはなく、この点で、冷却ガスを導入しても、装置の動作条件が変わることはない。冷却ガスがもたらす冷却効果により、鉱質材の粘性率が増加する傾向にはあるが、冷却ガスを導入してガスの流れ全体が持つエネルギーを増加させることにより、このことは本質的に平衡させることができる。このように、導入する冷却ガス量の多少に拘らず、細長化効果も含めた装置の動作条件は実質的には変化せず、繊維化するガラス成分に対して必要な温度に対応していくことができる。
ＰＣＴ94/04469において、送風器を外側に付加して、バーナー出口から径方向に外側の位置から、冷却ガスを供給することが知られている。この場合には、スピンナの上部外側のふちに対して径方向に内側の位置に、バーナーの出口が配置されている。このような構成は、融点が高く、かつ融点での粘性率が低い硬質ガラスを繊維化する上では、特に適したものである。この知られている態様での冷却用空気は、細長化して繊維にすることが殆ど完了した地点で、スピンナ外周での衝風ガスの流れと交差しており、その結果、その地点での粘性率を高めている。送風器からのガスの流れは、本質的に衝風ガスの流れと平行しているため、複合流が持つ衝撃および運動エネルギーが増大している。しかし、本発明においては、バーナー出口自体から出てくるガスが、特定の不均一な仕方で冷却されているため、ガスの衝撃をそれほど増大させずに硬質材を繊維化する。繊維化する際の温度特性は、これと比較すると、冷却されない衝風ガスの温度が必要以上に高くなり、繊維化されない粒子が生成されてしまうというものである。
従属請求項においては、本発明に係る装置をさらに改良するものが含まれている。
好ましい態様においては、貫通孔の形をなす各オリフィスの直径は、１ないし３ｍｍであり、特に、２ｍｍ付近である。このようにすることで、冷却ガスが衝風ガスの流れへ浸透するための、ガス流の適切な条件が得られる。
貫通孔の形をなし、一様に分布するオリフィスは、その連続する２つのオリフィスの距離が、２から１５ｍｍであることが好ましく、特に、５から１２ｍｍであることが好ましいが、オリフィスが一列に配列されている場合には、上述の範囲内において、距離は大きな値の方が好ましく、オリフィスが複数列に配列されている場合には、距離は小さな値の方が好ましい。なお、オリフィスが複数列に配列されている場合には、距離は、別々の列に互い違いに配列されたオリフィスの間で測定したものである。２つの列の間の距離は、典型的には２ないし１０ｍｍである。
また、注入手段は、少なくとも１つの連続的な外周上のスリットの形をなす注入口を含んでいても良い。このような構成において、スリットの幅を変えることで、容易にガス流の特性を調整することができる。このスリットの幅は、典型的には０．３ないし１ｍｍである。
本発明のより有利な効果、詳細および特徴について、以下の説明の中で図とともに明らかにする。
図１は、本発明に係る装置の縦断面を示す概略図である。
図１ａは、他の態様を示す拡大図による図１の詳細図である。
図１ｂは、図１ａと同様の図によるさらなる改良図である。
図２は、バーナー出口直下での出口の長さ方向における温度分布を示す図である。
図３は、遠心器の有するスピンナの周囲壁から径方向に外側の温度分布を示す図である。
図１に簡単化して示したように、装置の繊維化部は、主に、スピンナ１、複数の放出オリフィスを有する周囲壁２からなる。周囲壁２は、接続バンド４を介してフランジ３と接続されている。接続バンド４は、その形から、「ベール」と呼ばれる。図で示したように、周囲壁２、ベール４、およびフランジ３は、全体として一体形成されて単一部材となっている。
フランジ３は、支持シャフト５に取り付けられている。支持シャフト５は、図示した態様においては中空になっており、この空洞を通して溶融した鉱質材が供給される。
さらに、支持シャフト５もしくはフランジ３は、通常「カップ」もしくは「バスケット」と呼ばれる同心の分配手段６を支えている。分配カップ６は、相対的に直径が大きく比較的数の少ないオリフィスを有する周囲壁を具備し、スピンナの底壁としての役割を果たしている。そして、分配カップ６は、溶融した硬質材の流れを複数のフィラメントに分けて分配させている。フィラメントは、周囲壁２の内側円周に向かって広がっていく。
スピンナ１は、様々な加熱部材によって取り囲まれている。環状の中間周波数コイル７は、特にスピンナ１の底部を加熱している。これは、とりわけ、バーナーによる加熱が不十分な部分、および周囲の空気との接触により冷却された部分（スピンナ１の回転により多量の空気が吸引されるため、周囲の空気は著しく冷却されている）の温度を補正するためである。また、水冷されている環状の外部バーナー８もある。外部バーナー８の有する周囲壁９および１０の先端は、スピンナ１からわずかな距離に配置されている。たとえば、内側の周囲壁１０は、５ｍｍのオーダーの距離に配置され、スピンナ１の上部外側の角とほぼ面一となっている。
環状の外部バーナー８から、高融点、高粘性率のガス流が発生する。このガスは、実質的に垂直方向に流れているため、周囲壁２に沿って流れていく。このガス流は、一方で、周囲壁２を加熱する、もしくは周囲壁２の温度を維持する役割を果たしているが、他方で、振り回されて飛び散った溶融鉱質材のフィラメントを、細長化して繊維にすることに寄与している。
図に示したように、外部バーナー８は、径方向のより大きな距離において、冷却空気を送る送風リング１１によって包囲されていることが好ましい。この送風リング１１の主な目的は、加熱されたガス流が径方向に広がることを抑えて、その結果、形成された繊維が環状磁石７と接触するのを防止することである。
スピンナ１の外部ヒーターは、スピンナ１内部の環状の内部バーナー１２によって、加熱作用が補われている。この内部バーナー１２は、支持シャフト５の内部に配置されており、繊維化部を立ち上げている間に、分配カップ６を予備加熱するために使用される。
上述したような繊維化装置の一般的な構成は、従来からあるものである。本発明においては、外周壁９を冷却する冷却室１４を含む環状の導管が、隔壁１５によってさらに分割されて、冷却用空気のための充気室１６を下方に収容している。充気室１６は、外周壁９内の一連のオリフィス１７を通して、バーナー出口との間で流体の行き来が可能になっている。オリフィス１７を通して、冷却用空気に限らず他のどんな冷却ガスもバーナー出口へと入り、そこでバーナーガスに混合される。
オリフィス１７は、バーナー出口でのバーナーガス流の方向と交差する方向に伸びている。その結果、バーナー出口から出て行く衝風ガスの運動エネルギーはそれほど変化しないため、細長化条件も、冷却用空気の有無によってそれほど影響を受けない。
オリフィス１７の形および配列を調節することにより、所定の要求に対応させることができる。図に示した例示的な装置において、一列に配列されたオリフィスの直径は２ｍｍ、２つの連続するオリフィス１７の間の距離は１０ｍｍである。スピンナの直径が４００ｍｍであることを考慮すると、環状の導管の周囲全体に渡って、一列に配列されたとしても、１２０のオリフィス１７が配列されることになる。
また、場合によっては、オリフィス１７を２列もしくはそれ以上の列に配列することができる。図１ａは、このような態様の一例を示しており、別々の列に配列された隣合うオリフィス（直径２ｍｍ）の間の相互の距離は５．５ｍｍである。さらに、図１ｂに示したように、オリフィス１７の代わりに、スリット１８を用いても良い。スリット１８を用いることで、図１ｂにおいて図示され二重矢印の記号によって示されているように、スリット幅を垂直方向に調整できるという利点が生じる。このようなオリフィス１７およびスリット１８の配列を使い分けることによって、実際の用途における所定の様々な要求に対して、容易に対応していくことができる。
図２および３においては、２つの実際の態様について測定した温度分布が示されている。図２は、バーナー出口の出口領域から１ｍｍ下の位置における温度分布を示し、図３は、バーナー出口の出口領域から１９ｍｍ下で、スピンナ１の周囲壁２の一番上のオリフィス位置における温度分布を示している。図２および３において、横軸に示された径方向の測定距離は、出口の周囲壁９から測定したものである。
温度分布曲線Ａは、図１ａに示した、２列のオリフィス１７を有する態様について測定したものであり、曲線Ｂは、冷却ガスを注入しなかった場合について測定したものである。
曲線ＡおよびＢの説明は、それほど必要でないように見える。図２の左側において冷却ガスの影響が示されており、Ｃと名付けられたこの冷却領域での温度が低下している。図３に示すように、温度はスピンナ１の周辺近傍で上昇し、スピンナ周辺から径方向に数ｍｍ外側の冷却領域Ｃおいて、急激に低下している。その結果、細長化された繊維を急速に固化することが助長されている。
以上、本発明によってもたらされる効果を、低融点のガラスから繊維を製造することに重点を置いて説明した。しかし、バーナーの温度を一般的に高温にして、続いてオリフィス１７またはスリット１８を通して冷却ガスを供給して冷却すれば、以上の効果は、明らかに高融点の鉱質材を繊維化することにも用いることができる。

Claims (8)

1. 溶融した鉱質材をスピンナ（１）に供給することにより、鉱質ウールを製造する方法であって、前記スピンナ（１）の周囲壁（２）は小さい直径を有する複数のオリフィスを含み、前記溶融鉱質材は前記オリフィスを通って遠心されてフィラメントを形成し、前記フィラメントは、前記スピンナ（１）の前記周囲壁に沿って流れこれを加熱し、かつスピンナ（１）と同軸に配置された同軸環状バーナー（８）によって発生されたガス流の補足的細長化効果に供される、鉱質ウールを製造する方法において、
   前記バーナー（８）の出口領域は、径方向の内側に位置する環状の高温領域と、径方向の外側に位置し、高温領域よりも実施的に温度が低い環状の冷却領域とにさらに分割されていることを特徴とする鉱質ウールを製造する方法。
2. 内部遠心によって鉱質材を繊維化する装置であって、周囲壁（２）が小さい直径を有する複数のオリフィスを含むスピンナ（１）を備え、
   溶融鉱質材は、前記オリフィスを通って遠心されてフィラメントを形成し、前記フィラメントは、前記スピンナ（１）の前記周囲壁に沿って流れこれを加熱し、かつスピンナ（１）と同軸に配置された同軸環状バーナー（８）によって発生されたガス流の補足的細長化効果に供される、鉱質材を繊維化する装置において、
   バーナーの出口において外周壁（９）の中に、空気などの冷却ガスを注入する注入手段（１７、１８）が設置され、かつ、注入領域においては、ガスの注入方向がバーナーガスが流れる方向と本質的に交差していることを特徴とする鉱質材を繊維化する装置。
3. 注入手段として設けられた貫通孔の形をなす各オリフィスの直径は、１ないし３ｍｍであり、特に、２ｍｍ付近であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 注入手段として設けられ、貫通孔の形をなし、一様に分布するオリフィスは、その連続する２つのオリフィスの距離が、２ないし１５ｍｍであり、特に、５ないし１２ｍｍであることを特徴とする請求項２または３に記載の装置。
5. 前記貫通孔は少なくとも２つの列からなる複数列に配列され、隣接する列の間の距離は２ないし１０ｍｍ、より好ましくは５ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 注入手段は、少なくとも１つの連続的な外周上のスリット（１８）の形をなす注入口を含んでいることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１項に記載の鉱質材を繊維化する装置。
7. 前記スリット（１８）の幅は、０．３ないし１ｍｍであることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記スリット（１８）の幅は、可変であることを特徴とする請求項６または７に記載の装置。

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