KR850001788B1 - 용융글래스를 유리섬유로 만드는 중공원심 스피너용 니켈기 합금 - Google Patents

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Description

용융글래스를 유리섬유로 만드는 중공원심 스피너용 니켈기 합금

제 1 도는 본 발명의 바람직한 합금에 의해 구성되는 스피너를 구비하고, 그 스피너의 주연벽에 인접하여 하방으로 분출되는 환상연신용 송풍을 분출하기 위한 송풍발생기를 구비한 섬유화장치의 부분파단 수직단면도.

본 발명은 글래스 또는 유사한 열가소성재료, 특히 무기재료를 섬유화하기 위한 중공원심 스피너장치용 합금에 관한 것이다. 특히 본 발명은 일단에 개방된 주연벽을 갖고, 다른 단에 고정장치를 갖는 중공스피너, 용융글래스류의 원심사출을 위해 다수열의 오리피스를 구비한 벽으로 이루어진, 글래스의 섬유화 장치에 있어서, 약 1150℃ 이상의 온도에서 1000포아즈 정도의 점도를 가지며, 1030℃정도의 실투 온도를 갖는 최경질글래스를 사용하는 경우에도 소요의 온도에 견딜 수 있는 특수한 조성의 스피너합금에 관한 것이다.

소위 경질글래스의 섬유화외에, 본 발명의 스피너합금을 사용하면 경질 및 연질 양종류의 글래스를 포함하는 광범위한 조성을 갖는 글래스의 섬유화를 가능케하고, 연질글래스의 경우에는 스피너의 수명이 증대된다.

본 발명에 있어서는 원심스피너가 보통 직립측상에 부착되어 사용되며 글래스류는 이 스피너의 내부에 공급되고, 스피너의 주연벽(peripheral wall)의 내면에 보내지며, 이 스피너는 다수의 오리피스를 구비하므로서 스피너가 회전하면 글래스는 스피너의 주연벽중의 오리피스로부터 원심력에 의해 여러개의 류, 즉 일차류로 사출된다. 연소실로부터 블라스트(blast)형태로 환상 세장화 가스류를 송출하는 장치가 구비되며, 환상류는 스피너의 천공된 주연벽의 외벽표면 가까이에 하방향을 향해 유출되게 된다.

기지의 타입에 있어서 통상 사용되고 있는 장치에서는, 소위 "연질"글래스, 즉 스피너의 재질이 과도한 부식 및 변형을 받지않고 견딜 수 있는 온도 한계내에서 스피너 벽중의 오리피스를 자유롭게 통과하는 점도를 제공하는 온도/점도 특성을 갖도록 배합성분이 특별히 선택된 글래스 조성물을 사용하는 것이 보편화되어 있다. 상술한 목적을 달성하기 위해 사용되는 글래스조성물에 통상 용융온도, 실투(失透)온도 또는 액상선온도 및 점도를 저하시키는 경향이 있는 적당량의 바륨, 보론 및 불소화합물을 하나이상 도입시킴으로서 과도하게 높은 온도의 용융글래스의 사용을 피하고 있다. 그러나 상당량의 붕소 또는 불소 또는 바륨, 특히 붕소 및 불소를 함유하는 조성물을 사용하는 경우에는 휘발성 성분이 발생하여, 용융글래스 제조장치를 통하여 외부로 방출되기 때문에 특별한 주의가 요청되며, 이러한 경우 환경오염의 가능성을 피하려면 방출가스에 대해 특수처리를 하여 이들 성분을 적절히 폐기 처분해야 한다.

글래스섬유를 제조하기 위해 사용되는 원심가를 구성하는 금속은 각종의 요구를 충족시켜야 한다. 이들은 용융에 의한 부식에 대해 저항성이 있어야 하며, 승온에서 고응력에 대한 저항성을 나타내야 하고, 어떠한 경우에든 가능한한 가격이 저렴해야 한다.

선행기술(참조 : 미합중국 특허 제3,318,694호, 미합중국 특허 제3,876,423호, 프랑스공화국 특허 제2,216,237호 및 영국특허 제1,016,479호)의 합금은 상당히 고가이고, 합금을 만들기 어려운 Al, Co, Mo, Nb, Ta, Ti 및 Zr과 까은 특수한 성분을 함유하는 조성물이다.

본 발명에 따른 합금은 단순화된 조성물로써 선행기술의 합금보다 훨씬 더 저렴할뿐 아니라, 큰 직경(400㎜ 이상)의 스피너를 사용하여 소위 경질글래스를 섬유화하는 경우에도 사용할 수 있다.

부식 및 응력에 대한 저항성은 원심기의 수명을 결정하며, 따라서 특별한 중요성이 부여된다. 그러나 이는 수명이 원심기의 코스트가 상승하는 것보다 더 중요하다는 것은 아니다. 즉, 원심기수명을 증가시킴으로써 코스트가 지나치게 상승하지는 않도록 하여야 한다.

이러한 요구는 본 발명의 경우에 특히 중요한데, 이는 원심기의 직경이 선행기술에서 보다 더 크며, 코스트는 크기가 증가함에 따라 더 상승하기 때문이다. 뿐만아니라 특히 고온에서 가공되는 경질글래스를 사용하는 경우에는 내응력성의 개선이 요구된다.

본 발명의 합금은 선행기술의 문제점을 해결하고, 상기 언급한 요구를 만족시키는 것이다.

본 발명은 특히 높은 융점을 갖는 글래스조성물을 사용하는 경우에 유용한 스피너를 형성하는 개선된 합금조성물에 관한 것이다. 본 발명은 또한 직경이 큰 스피너의 사용을 가능케하는 합금에 관한 것이다.

본 발명의 합금은 약 1150℃ 이상의 온도에서 1000포아즈 정도의 점도를 가지며, 1030℃정도의 실투온도를 갖는 최경질글래스를 사용하는 경우에도, 소요의 온도에 견딜 수 있는 특수한 조성의 합금이다. 또한 이 합금을 연질글래스의 경우에 사용하면, 스피너의 수명은 증대한다. 이와 같은 본 발명의 합금은 다음과 같은 조성을 가지며, 여기에서 %는 중량을 기준으로 한 것이다.

이러한 본 발명의 합금은 예를 들면 직경이 최소 400㎜ 이상인 큰 직경의 스피너인 경우에 특히 바람직하다. 원심스피너용 Ni-Cr 기 합금은 미합중국특허 제3,318,694호에 기술되어 있다.

상기 특허의 실시예를 참조하면, 그러한 합금의 조성이 큰 직경의 원심스피너를 제조하기 위해 가장 바람직한 것이거나, 비교적 고온에서 유리섬유를 방사시키는 가장 우수한 합금으로 보이지 않는다. 원심스피너용 합금은 압출에 대한 효과적인 내성(고온에서 원심력의 과도한 변형없이 유지하는 것)을 보임과 동시에 매우 명확한 특징들을 상당히 오랜기간 유지하기에 충분한 내식성이 있어야 한다. 특히 이는 용융글래스를 압출시키는 스피너의 직경과 관련이 있다. 본 발명에 따른 조성물은 상기 조건들을 만족시키는 합금이다.

다음은 본 발명에 따른 합금의 성분범위를 제한한 이유에 대하여 기술한 것이다.

상기에서 인용한 미합중국특허에 기술된 선행기술과 비교하면 본 발명에 따른 조성물은 탄소와 크롬의 함량에 특징이 있다. 본 발명에 따르면 탄소의 함량은 상당히 높다. 이 함량은 본 발명의 장점을 나타내는 것이다. 탄소함량의 증가는 결과적으로 복합탄화물의 증가를 초래한다. 합금중에 이러한 탄화물이 존재하면 내압출성과 내식성이 증가된다. 또한 약 0.2% 이하의 탄소함량은 용융글래스가 합금의 결정사이에 침투하게 됨으로써 매우 심각한 부식을 일으키는 요인이 된다.

탄소함량을 증가시킬 경우, 또한 내압출성이 증가된다. 그러나 이 함량의 증가에는 한계가 있어야 한다. 지나치게 과다한 함량에서는 합금이 열화되고 취화되기 쉽다. 탄소함량이 너무 높을 경우, 작동중의 원심스피너가 파괴될 위험이 있다. 따라서 탄소의 함량은 0.65-0,83%로 한정한다.

합금에서 크롬의 함량은 작동시 스피너의 내식성과 기계저항성에 있어서 매우 중요하다. 고온에서 용융글래스에 의한 내식성은 25% 이하의 크롬함량에서 상당히 감소한다. 본 발명에 따라 크롬의 함량은 27.5% 이상이어야 한다. 탄소의 경우에서와 마찬가지로, 내식성을 증가시킬 목적으로 크롬의 함량을 지나치게 증가시키는 것은 불가능하다. 본 발명에 다라 한정된 크롬의 함량은 원심스피너의 기계적특성을 증가시키는 것이 목적이기 때문에, 내압출성을 유리하게 하는 면에서는 지나치게 과다한 증가는 금속상을 고온에서 변형시킴으로 하여 구조를 취약하게 한다. 따라서 본 발명에서 크롬의 함량은 31% 이하로 제한된다.

니켈도 고온에서의 내식성으로 인하여 합금에 필수적인 구성요소가 된다. 특히 Cr 성분과 함께 내식성 및 내충격성을 개선하는 작용이 있으나, 50% 이하에서는 충분한 내식성을 기대할 수 없으므로 50 내지 59%로 정한다. 무시할 수 없는 철의 함량은 황화작용에 대한 저항을 강화시키며, 용융글래스중의 황에 대해 매우 민감한 니켈기 합금을 강화시키는 작용을 하나, 7% 이하에서는 그 효과를 얻을 수 없고, 10% 이상에서는 경도가 저하되므로 그 함량을 7 내지 10%로 한정한다.

0.7 내지 1.2%의 미량의 규소함량은 합금의 기계저항성이 증가된다. 규소의 함량을 1.2% 이상 증가시키면 구조가 취약하게 되며, 합금은 취화되고 결정의 부식은 합금-용융글래스-대기의 경계영역에서 매우 심각해진다. 텅스텐도 마찬가지로 합금의 기계적특성에 매우 중요한 요소이다. 텅스텐은 크롬과 함께 복합 탄화물조직 형성에 관여하며, 또한 합금의 내구성에 기여하나, 6% 미만에서는 소기의 효과를 기대할 수 없으며, 7.8%를 초과하는 함량에서는 합금-용융글래스-대기의 경계면에서 부식이 신속하게 증가되므로 그 함량을 6 내지 7.8%로 정한다.

망간은 합금에서 탈산작용을 한 0.6% 미만에서는 충분한 효과를 얻을 수 없고, 0.9%를 초과하는 함량은 성분이 합금에 대해 영향을 주어 기계적특성의 약화를 초래하므로 0.9%로 제한한다.

코발트는 고온에서의 강도를 강화시켜 내구성을 향상시키므로 합금에 통상 첨가하나, 과량 사용하면 내식성이 저하되므로 그 합량을 0.2% 이하로 한다.

본원발명의 합금으로 형성된 스피너는 용융글래스를 유리섬유로 만드는 방사장치의 구성요부로 사용된다. 이에 관해 제 1 도를 참조하여 보면, 수직의 스피너지지축(Spinner supporting shaft)은 10으로 도시하고, 이 축은 스피너를 부착하기 위한 허브(hub)를 하단에 구비하고, 허브를 도면에 11로서 도시한다. 스피너 자체는 12로 도시하고, 이 스피너는 여러줄의 스피너오리피스를 구비한 주연벽 13으로 이루어지며 벽 13의 상당은 중앙부착부, 즉 넥크(neck)부 14에 의해 허브 11에 접속된다. 스피너의 오리피스는 스피너 벽의 단면부분에만 나타나지만, 다수의 오리피스가 다수의 수직으로 간격을 두고 배열된 열을 만드는 오리피스가 장치되어 있다는 것을 알 수 있다. 스피너는 그 하단에 내방향으로 돌출한 플랜지(flange) 15를 구비하고 이 플랜지 15에 원통형부재 또는 원통형요소 16의 상단이 접속하고, 이 원통형부재 16은 보강기능 또는 지지기능을 한다. 본 명세서에 기술하는 기법은 스피너의 직경을 증대하는 것을 의도하는 것이 또 다른 중요한 인자이다. 다음은 제 1 도에 설명하는 실시예의 운전에 대하여 기술한다.

본 명세서에 기재한 여러가지의 구성요소는 임의 치수의 스피너와 함께 사용할 수 있지만, 본 발명의 개선된 기법의 바람직한 실시예에 의하면 스피너는 종래 통상 사용되어 온 것보다 큰 직경의 것이 사용된다. 예를들면 종래에는 직경 300㎜의 스피너를 대표적으로 사용하였으나, 여기에서는 직경 400㎜정도의 스피너를 사용한다. 이것은 스피너 주연벽의 글래스 토출 오리피스의 수를 상당히 증가시킬 수 있게 하고, 이 오리피스수의 증대는 스피너로부터 그 둘레의 연신용 송풍중에 사출되는 글래스류의 수를 증가시키는데 유리하다. 이러한 종류의 스피너는 비교적 고속으로 회전하므로 스피너벽에는 상당한 원심력이 작용한다. 또 스피너는 고온에서 운전되므로 그 주연벽의 중앙구역은 항상 외측으로 만곡하는 경향이 있다. 이 경향은 보강수단 또는 지지장치를 사용함으로서 제거할 수 있다. 제 1 도의 태양에서 보강장치는 주역벽의 하단에 내향플랜지 15에 의해 부착된 환상부재 16의 형태를 갖는다. 이 환상부재 16의 보강작용은 주연벽 13의 중앙구역이 원심력의 작용하에서 외측으로 만곡하는 경향은 주연벽 13의 하단과 플랜지 15와의 연접선의 주위에 플랜지 15를 상방향 및 내측으로 굴곡시키는 경향이 있다는 것을 생각하면 이해될 것이다. 환상부재 16이 만약 존재하지 않았다고 한다면(선행기술의 스피너의 경우와 같이), 플랜지 15의 배교적 엷은 내측단부에 약간의 "파상운동(波狀運動)" 또는 소파상 운동이 생김으로서 플랜지 15의 상술된 상방향 및 내측으로 굴곡시키는 작용이 소량만 부여되는데 불과하다. 그러나 플랜지의 내측단부에 환상부재 16이 결합되어 있을 경우에는 플랜지의 내측단부에서 이와같은 소파상운동은 억제되고 이로 인해 스피너벽 구조를 보강 즉 지지한다. 환상부재 16과 플랜지 15와의 각도를 이룬 결합도 바람직한 보강을 부여하는 것을 보조한다.

상술한 목적을 달성키 위해서는 보강부재(환상부재) 16은 스피너 주연벽 13의 평균벽 두께보다 두꺼워야 한다. 바람직하게는 스피너벽의 최대의 두께보다도 오히려 스피너 축방향으로 두꺼운 것이 바람직하다. 더우기 주연벽 외측의 만곡을 억제하는 바람직한 작용을 주기 위한 환상부재는 플랜지 15의 내측단부로부터 하방향으로 돌출한 위치에 부착되는 것이 바람직하다. 본 명세서에 기재하는 바와 같이 스피너를 보강하면 스피너 벽의 만곡이 저지되고 스피너의 유효수명이 증가한다.

어느 종류의 요건은 임의의 직경을 갖는 스피너에 대해서 사용할 수 있지만, 보다 큰 목적은 선행기술에서 사용한 스피너에 비해 스피너직경을 크게 하려는데 있다. 이렇게 해서 선행기술에 의한 대표적 스피너의 직경은 약 300㎜이지만, 본 발명에 의한 스피너의 직경은 적어도 400㎜, 그리고 500㎜ 라는 크기의 것을 의도한 것이다. 또한 스피너의 직경을 증가시키면 어떠한 잇점이 있다. 따라서 주어진 천공율 및 스피너를 통과하는 글래스의 동일한 압출속도에 있어서 직경의 증가는 각 오리피스를 통과하는 글래스의 유속을 감소시킨다. 상기한 바와 같이, 천공율의 증가와 관련하여 각 천공을 통과하는 유속의 감소는 압출되는 글래스의 점도가 약간 증가될 수 있다. 스피너에 대한 동일한 전체압출 속도에서도, 고점도의 글래스는 각 오리피스를 통과하는 더 낮은 유속으로 인하여 극도로 열화되고 마모되지는 않을 것이다.

주연벽이 바람직한 수직방향의 길이를 갖는 스피너에 대해서는 어떤 종류의 요건이나 사용할 수 있지만, 어떤 종류의 목적에 따라서는 스피너 주연벽은 선행기술의 스피너의 2배가 되는 높이의 것이라도 좋고 스피너의 높이는 예를들면 약 40㎜ 내지 80㎜ 증대할 수 있다. 이와같은 높이의 증대는 천공총수를 증대시키기 위해서 행해지며, 이와같이 하여 부여된 천공수의 증가는 증가한 수의 글래스류, 즉 일차류가 연신용 가스류중에 사출되고, 그것에 의해 다시 에너지를 보존한다.

하기한 표에는, 각종 합금에 대한 2종의 시험결과에 대하여 나타냈다.

먼저 내크립성에 대하여 수행하였으며, 작동시에 원심 스피너가 저항을 받는 온도인 대략 1100℃의 온도에서 측정하였다. 표에는 2㎏/㎜의 견인력을 받을시에 길이가 1% 증가하는데 대한 시간을 나타낸 것이다.

이 시험은 원심스피너가 변형에 견디는 능력, 즉 양호한 섬유화에 대한 적당한 형태를 유지시키는 능력을 측정한 것이다. 두번째 시험은 공업적인 조건하에서 실제 원심스피너를 사용하여 행하였다. 이 시험은 용융글래스와 접촉되는 합금의 부식을 추정한 것이다. 부식은 여러면에서 손상을 줄 수 있으며, 제조된 섬유를 변질시킬 우려가 있으므로, 원심스피너를 교체해야 한다. 이는 온도조건을 차례로 변화시켜 오리피스가 확장되는 것과 마찬가지이다. 이 결과 원심스피너의 취화를 초래한다.

이러한 시험에서 부식에 대한 저항은 제조되는 섬유의 질이 실질적으로 변화하기 전에 원심스피너를 통하여 제조되는 글래스의 양으로서 주어진다.

이 표에 의하면, 본 발명 합금의 성분 제한 범위에 정확히 일치하는 것은 실시예 10이다. 기타의 합금은 본 발명의 합금과 특성의 차이가 있고, 본 발명의 합금조성물이 가장 적합하다는 것을 쉽게 알 수 있다.

실시예 3의 합금과 비교하면, 실시예 1 및 4의 합금은 탄소함량이 증가함에 따라 내크립성 및 내식성이 모두 개선되었다는 것을 알 수 있다. 탄소의 함량은 특히 내크립성에 매우 중요한 관계가 있으며, 본 발명의 합금이 더 우수하다. 탄소의 함량이 실시예 5의 합금에서와 같이 본 발명의 범위 이상인 경우, 내크립성은 비교적 높으나 내식성이 저하된다.

크롬 및 텅스텐은 내식성 및 기계 저항성 돌 모두에 있어서 다른 방법으로 작용한다.

실시예 4, 9, 10, 11, 13, 14 및 15의 합금은 탄소함량이 본 발명의 범위내에 있다.

실시예 14 및 15에서와 같이 텅스텐함량이 증가하면 비교적 높은 크롬함량에 의해서도 보정되지 못한다. 탄화물구조의 변화로 인하여 내식성은 상당히 높아짐과 동시에 내크립성은 저하된다. 또한 실시예 10 및 11을 비교하는 경우, 크롬함량이 증가하고 텅스텐함량이 감소하면 내크립성은 물론 내마모성도 저하된다.

[표]

Claims (1)

1. 글래스의 원심 사출을 위해 다수열의 오리피스가 있는 주연벽을 가지며, 하방으로 향하는 환상 가스류 속에 위치하는 스피너를 형성하는 합금에 있어서, 본질적으로 다음과 같은 조성으로 구성됨을 특징으로 하는 용융글래스를 유리섬유로 만드는 중공 원심스피너용 니켈기합금.

   

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