快速冷凝法制取纤维的冷却装置

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本发明属于由金属熔融体连续铸造成形装置。 主要适用于金属或非金属纤维的制取。\n采用快速冷凝法由金属熔融体连续地直接制取 纤维已广为应用。该方法通过一道工序即可把金属 熔融体制成具有一定形状和尺寸的制品。不仅设备 简单，能耗小，成本低，而且可以随着冷却速度的 不同，可使制品获得非晶或微晶的金属结构，获取 优异的物理化学和力学性能，使制品质量大大提 高。\n冷却装置是采用快速冷凝法由金属熔融体直接 制取固态制品的工艺中最关键的设备。一方面它要 具有极高的冷却速度(一般要求103～ 106℃/sec)，迅速将高温熔融体的热量传走，另 一方面又要克服由于冷却装置的高速旋转产生的离 心力对水流动不畅的影响。\n中国专利ZL90203907.5提供了一种快速凝固 金属薄带的冷却装置。该装置的冷却辊由辊套、主 轴、圆环形窄水套、轴承和皮带轮组成。辊套的内 侧圆周面与主轴相应的外圆柱面形成一个圆环形窄 水套。辊套、主轴和圆环形窄水套构成一体，且整 体旋转。冷却辊辊面为光滑面。这种冷却装置，虽 然能达到预期的冷却效果，但仍存在如下不足之 处：\n(1)水流沿着冷却辊面流动，难于消除由于 离心力而产生的冷却死角，以及冷却辊内转角处的 冷却死角。\n(2)沿着冷却辊宽度的方向上水流总是由冷 至热，存在着温度梯度，因此沿着此方向冷却速度 也会由大到小存在差异。\n本发明的目的在于提供一种冷却效果好，且能 快速冷凝制取异形截面金属或非金属纤维或薄带的 快速冷凝法制取纤维的冷却装置。\n本发明所述的快速冷凝法制取纤维的方法是冷 却装置中的冷却辊处于金属熔融体的液面上方，当 冷却辊的外棱与液面接触时，金属熔融体附着在冷 却辊外棱上，且由于冷却辊的高速冷却，附在外棱 处的金属熔融体被迅速冷却凝固成固体，继续冷却 后，在冷却辊高速旋转的离心力的作用下，已凝固 冷却的固体被抛甩出去，成为纤维制品。\n本发明所述的冷却装置由冷却辊、进水管、导 流槽或导流管、出水管、支座和轴承座组成。冷却 辊是一个内空的圆柱形腔体，一个端面封闭，另一 端面与出水管封闭相接，组装成一体，安装在轴承 座上，可由电机驱动，成为转动部分。出水管即为 转动轴导流槽或导流管与进水管组装为一体，固定 在一个支座上，为固定部分。导流槽或导流管处于 冷却辊的内空腔体内，相对于冷却辊中心轴线呈辐 射状，并安装在处于空腔内的进水管上。冷却辊的 圆柱外表面上沿圆周方向，均有根据所需纤维形状 和尺寸而设计的外棱。\n本发明的设计原理可根据附图1加以说明，在 附图1中，1为冷却辊，它是内空的圆柱体，11 为盛熔融体的容器，13为熔融体(又称熔池)；12 为纤维，S为冷却辊的外棱，它环绕圆柱面，呈圆 形； S1S2……Sn为冷却辊外棱上的某点；A为冷凝 区，即与熔融体接触并发生冷凝过程的外棱所处的 位置，在A区，外棱的弧长为SA；B为冷却区， 即是附着在外棱被冷凝的固体继续冷却所处的位 置，在B区外棱的弧长为SB。\n工作时，冷却辊1旋转，当冷却辊外棱上的某 点S1旋转至下方与熔融体13在A区接触时，一 部分熔融体被附着在外棱S1上，并被迅速冷却凝 固为一定形状和尺寸的固体，随着冷却辊1的旋 转，该固体离开A区，离开熔融体，进入B区， 继续冷却，并在冷却辊离心力的作用下S1点上的 固体被抛离冷却辊。然后，相邻的S2、S3……Sn 点相继进入熔融体，进入A区，接着进入B区， 也相继被抛离冷却辊。由于S1、S2……Sn的连续 性，因此被抛出的是成为具有一定形状和尺寸的纤 维制品。\n由图1看出，熔融体的冷凝过程，即纤维的形 成过程只集中在A区，B区只是所形成的纤维的 继续冷却过程，冷却辊的其它区域，没有熔融体快 速冷凝的过程发生。因此，A区的冷却效果是本 发明的技术关键。另外，消除冷却死区也是本发明 的另一关键技术。\n为此，本发明设计了冷却辊在A区、B区具 有高冷却效果的冷却装置。使冷却辊腔体内的冷却 系统集中针对冷凝区A和冷却区B，实施强化冷 却。其装置的要点是采用多排辐射式导流槽或导流 管将冷却液向待冷却的区域垂直地或以某一角度喷 射，并保证冷却液的喷射范围要覆盖在A、B区内 冷却辊内壁以及冷却死角，达到对A、B区实施强 化冷却，使之具有良好的冷却效果。\n与现有技术相比，本发明具有如下优点：\n(1)由于导流槽或导流管呈辐射状分布，所 喷出的冷却液垂直或以一定角度射向冷却辊的内表 面，可将由于冷却辊的离心力作用而附着在内表面 的不易流动的冷却液冲走，消除了离心力导致的 “冷却死角”，大大提高冷却效果。\n(2)可实现对冷却辊中A区、B区的强化冷 却，使附着在冷却辊外棱点的熔融体快速冷凝和冷 却。\n(3)结构简单，制造方便。\n现结合附图对本发明作进一步说明。\n附图2为本发明快速冷凝制取纤维的冷却装置 的结构示意图。\n附图3为附图2中的C-C剖示结构示意图。\n在附图2和附图3中，1为冷却辊，2为进水 管，3为出水管，4为导流槽或导流管，5为支 座，6为轴承座，7为出水口，8为喷嘴，9为出 水槽，A为冷凝区，B为冷却区，SA和SB分别为 冷凝区和冷却区内冷却辊外棱弧长度，h为冷却辊 1的内表面轴向宽度，S为冷却辊的外棱。\n冷却辊1为内空的圆柱形腔体，沿轴向方向的 内壁宽度为h；它的一端是封闭的，另一端与出水 管3密封相接，并装配在由电机驱动的轴承座6 上；出水管3即为转动轴。出水槽9固定不动，它 与出水管3为动密封连接。进水管2与导流槽或导 流管4组装成一体，并装配在固定不动的支座5 上。导流槽或导流管4组装在进水管2上，并处于 冷却辊1的内空腔体内。冷却辊1、进水管2和出 水管3为同一轴线。\n导流槽或导流管4相对于进水管2的轴线呈辐 射状分布，装配时，每条导流槽或导流管的方向可 以调整，以便使冷却液射向任何需要冷却的区域。\n在冷却辊1的内空腔体内，在垂直进水管轴线 的横截面上装有多条(m条)呈径向辐射状的导 流槽或导流管4，如图3所示；沿冷却辊1的轴线 方向装配了多排(n排)导流槽或导流管4，如图 2所示。m≥1,n≥1，且都为整数。\n冷却液由进水管2通过导流槽或导流管4，喷 嘴8，垂直或以某一定角度α射向冷却辊1的A、 B区所对应的内壁，吸收来自熔融体的热量后上 浮，流向出水管3，从出水口7流出。\n导流槽或导流管的径向条数m或轴向排数n 取决于导流槽或导流管、喷嘴的形状、尺寸、方 向，以及A、B区的面积，但必须满足如下条件： 由喷嘴射向冷却辊内壁的冷却液的范围必须覆盖 A、B区所对应的冷却辊内壁，即冷却液所喷射的 面积必须等于或大于(SA+SB)×h的面积值。\n另外，导流槽或导流管4的方向可以调整，使 得冷却液以某一角度α射向待冷却的冷却辊内壁， 0＜α≤90，为了消除冷却死角，在靠近冷却辊的 两个端面处，专门设置了两排导流槽或导流管，使 冷却液直射冷却死角。