一种石英玻璃棒同心圆拉丝装置及拉丝工艺的制作方法

1.本发明涉及石英玻璃纤维制造领域，具体地涉及一种石英玻璃棒同心圆拉丝装置及拉丝工艺。


背景技术：

2.连续生产石英玻璃纤维的生产方法目前有三种：棒拉丝法、熔融拉丝法和溶胶-凝胶法。基于实用性和经济成本的考虑，工业上以棒拉丝法生产石英玻璃纤维。棒拉丝法是将φ1.8～4mm左右的玻璃棒加热熔融，并从熔融处引丝，集成一束玻璃纤维原丝，经过集束器涂覆浸润剂，由高速旋转的拉丝机牵引，玻璃纤维原丝连续的由排线轮绕在绕丝筒上，成为成品石英玻璃纤维原丝。
3.拉丝工艺中α角为定位板最外侧单丝与铅锤角的夹角，亦称扇形半角，角度大小决定了定位板的长度以及定位板与集束槽之间的距离。α角愈大则定位板边部单根纤维的张力愈大。当张力过大时，就会导致断头和飞丝。因此，α角尽量小，一般不希望大于7
°
。减小α角最有效的措施是提高拉丝作业线的总长度，即提高定位板与集束器的间距。
4.石英玻璃纤维原丝后续需要通过捻线将其加工为石英玻璃纤维纱线，原丝孔数越少，所需原丝丝束的数量越多，丝束数量越多，原丝一致性就越差，石英玻璃纤维纱线的断裂强力就会降低。
5.目前，棒拉法一般采用单排孔拉丝的方式进行，当我们需要增加单次拉丝孔数时，插棒数量随之向两侧增加，这导致两侧的石英玻璃纤维原丝的α角过大，不利于拉丝作业。受制于α角一般不超过7
°
的工艺原理，在现有的单排孔拉丝的基础上很难提高拉丝孔数和拉丝产量。


技术实现要素：

6.为解决上述背景技术中提出的技术问题，本发明提供一种石英玻璃棒同心圆拉丝装置及拉丝工艺，在现有的单排孔拉丝的基础上，采用同心圆设计，增加拉丝孔数和提升产量，提高原丝的断裂强力。
7.在本发明的第一方面，提供了一种石英玻璃棒同心圆拉丝装置，包括：下棒单元、夹棒单元、熔融单元、收丝单元；其中，下棒单元包括下棒臂和支架，下棒臂一端滑动安装在支架上，另一端固定安装有夹棒单元；夹棒单元呈同心圆形状布置方式保持内环、外环两层的石英玻璃棒；熔融单元呈环形设置，设置在夹棒单元正下方，固定安装在支架且与石英玻璃棒底端平行，用于熔融石英玻璃棒底端；收丝单元设置在熔融单元的下方，用于石英玻璃纤维原丝的收集。
8.进一步的，熔融单元包括，环形的输气管路，用于分别供给氢气和氧气；多个火头，其从输气管路向环形内侧和外侧伸出多个，分别与各石英玻璃棒对应；和冷却装置，其形成为设置于环形输气管路外周的水套，并在各火头的位置处，使水套的内侧空间向火头方向延伸。
9.进一步的，熔融单元还包括定位板，定位板设置在夹棒单元与火头之间，设置有与石英玻璃棒数量相同且一一对应的通孔，用于固定石英玻璃棒。
10.进一步的，收丝单元包括：集束机构、排线轮和绕丝筒，依次设置在熔融单元的下方。
11.进一步的，集束机构构成为将全部的石英玻璃纤维原丝分为多组分别集束，再集束成一束的多级集束方式，而具有上下设置的多级的集束器；各级的集束器的集束位置以多个石英玻璃棒的中心轴为中心，在水平方向上呈中心对称方式设置，对所要集束的成组的石英玻璃纤维原丝在周向上呈对称方式进行集束。
12.进一步的，集束机构包括第一集束器，其构成为具有以中心轴为中心呈旋转对称方式设置的多个集束面，在各集束面上设置有一个或多个集束槽。
13.进一步的，集束机构包括第二集束器，其构成为在一侧表面设置多个集束槽，石英玻璃纤维原丝经由集束槽而被集束成一组。
14.进一步的，集束机构构成为，以第一集束器为第一级，以第二集束器为第二级；第一集束器的中心设置于中心轴，第二集束器的集束槽的中心设置于中心轴。
15.进一步的，以2n个第二集束器为第一级，以第一集束器为第二级，多个第二集束器在中心轴周向上均匀分布，第一集束器的中心设置于中心轴，且利用两侧面的集束槽分别对来自两侧的n个第二集束器的石英玻璃纤维原丝进行集束，其中，n为大于或等于2的自然数。
16.在本发明的第二方面，提供了一种石英玻璃棒拉丝工艺，采用上述的拉丝装置进行石英玻璃棒拉丝工艺，包括：
17.石英玻璃棒固定：夹棒单元以竖直状态呈同心圆形状布置方式保持多个石英玻璃棒，启动下棒臂，将石英玻璃棒设置于初始高度，使石英玻璃棒分别穿过定位机构的多个通孔，将石英玻璃棒底端与火头平行；
18.石英玻璃棒抽丝：点燃火头，熔融石英玻璃棒底端，在石英玻璃棒熔融处抽丝，进行石英玻璃纤维原丝拉丝；
19.纤维原丝收线：石英玻璃纤维原丝在第一集束器、第二集束器处进行集束并涂覆浸润剂，在排线轮处进行排线，最后卷绕在绕丝筒上成为成品纤维原丝；
20.拉丝完成：随着拉丝的进行，熔融单元固定不动，夹棒单元匀速下降；直到夹棒单元与定位板接触后，完成此次拉丝；下棒臂带动夹棒单元上升，根据预设程序再次夹装石英玻璃棒，进行下一次的拉丝工艺。
21.与现有技术相比，本发明的夹棒单元呈同心圆形布置方式保持多个石英玻璃棒，增加了拉丝孔数及拉丝单次的产量，提高了生产效率；集束机构的位置设置在产量提高的基础上，避免了原丝的断头和飞丝，提高了原丝的生产质量；火头与石英玻璃棒一一对应设置，增加了石英玻璃棒熔融一致性，从而提高了原丝的质量一致性，提高原丝的断裂强力。
22.应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
23.结合附图并参考以下详细说明，本发明各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：
24.图1是本实施例的同心圆拉丝装置实施例1的结构示意图；
25.图2是本实施例的同心圆拉丝装置实施例2的结构示意图；
26.其中，图1至图2中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：
27.1、下棒臂；2、夹棒单元；3、定位板；4、火头；5、冷却装置；6、第一集束器；7第二集束器；8、排线轮；9、绕丝筒；10、双头浸润剂喷嘴；11、单头浸润剂喷嘴；12、第二浸润剂回收槽；13、第一浸润剂回收槽；14、支架。
具体实施方式
28.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附图，对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作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
30.【实施例1】
31.下面参照图1来描述本发明的第一方面，提供了一种石英玻璃棒同心圆拉丝装置，包括：下棒单元、夹棒单元2、熔融单元、收丝单元；其中，下棒单元包括下棒臂1和支架14，下棒臂1一端滑动安装在支架14上，另一端固定安装有夹棒单元2；夹棒单元2呈同心圆形状布置方式保持内环、外环两层的石英玻璃棒；熔融单元呈环形设置，设置在夹棒单元2正下方，固定安装在支架14且与石英玻璃棒底端平行，用于熔融石英玻璃棒底端；收丝单元设置在熔融单元的下方，用于石英玻璃纤维原丝的收集。
32.在上述实施例中，熔融单元包括，环形的输气管路5，用于分别供给氢气和氧气；多个火头4，其从输气管路5向环形内侧和外侧伸出多个，分别与各石英玻璃棒对应；和冷却装置，其形成为设置于环形输气管路5外周的水套，并在各火头4的位置处，使水套的内侧空间向火头4方向延伸。火头以环形输气管路为中心，设置在内环和外环上，火头的方向对立设计，是防止火头喷射出的火焰气流不会影响到同一方向的其它石英玻璃棒的熔融。冷却装置可以是水冷、冷却液、气冷等冷却循环装置，设置在火头四周，用于熔融单元的降温，防止火头因温度过高发生变形而堵塞。
33.在此实施例中，火头4的安装数量等于石英玻璃棒数量且一一对应设置；火头4与石英玻璃棒底端平行设置。通过设置与石英玻璃棒同等数量的火头，可以保证石英玻璃棒熔融的一致性。火头与石英玻璃棒的垂直距离根据火头的火焰范围进行适当选择，保证火头的火焰最高温度区正好在石英玻璃棒底部。一般火头的数量在1-200个，火孔间距在10-500mm。
34.在上述实施例中，熔融单元还包括定位板3，定位板3设置在夹棒单元2与火头4之间，设置有与石英玻璃棒数量相同且一一对应的通孔，用于固定石英玻璃棒。通孔的大小与
石英玻璃棒直径相等，石英玻璃棒在通孔中不能进行水平方向的活动，但是可以进行垂直方向的升降。因为在拉丝制作纤维原丝的过程中，石英玻璃棒有一定的长度，在升降的过程中底部会出现水平上的大幅晃动，通孔的作用是固定石英玻璃棒底部。定位板可根据石英玻璃棒的长度进行多个设置，垂直间隔设置，在最底端的定位板下方设置火头。在拉丝过程中，熔融单元固定不动，随着石英玻璃棒熔融拉丝的缩短，夹棒单元进行下降，当夹棒单元与定位板接触后，此次拉丝完成。
35.在上述实施例中，火头4水平安装在通孔围成图形的内侧且低于定位板3，与石英玻璃棒底端平行，火头4向外喷射火焰熔融通孔内的石英玻璃棒底端。
36.在上述实施例中，火头4的熔融速率直接决定了下棒臂1的下降速度与拉丝速度，在作业过程中，要保持三者的平衡状态。
37.在上述实施例中，夹棒单元2上夹持固定石英玻璃棒，石英玻璃棒顶端设置硅胶垫片加固石英玻璃棒。石英玻璃棒的孔间距的要求是在不影响相邻两根石英玻璃棒的熔融状态和拉丝效果的情况下，尽可能多的设置孔数，以提高拉丝数量及拉丝效率。一般情况下，石英玻璃棒的数量在1-200个，具体数量根据夹棒单元的大小设置。
38.在上述实施例中，要保持通孔与石英玻璃棒在数量和孔面积上一一对应设置，保证夹持的石英玻璃棒呈现垂直平稳的状态。在作业时，在选定的石英玻璃棒夹持后，根据石英玻璃棒的位置设置火头，保证每个石英玻璃棒对应一个火头，火头是活动安装，可以根据需要进行更换和调整位置。在同一夹棒单元上，火头的数量和火孔间距要保证相邻两根石英玻璃棒在熔融时彼此不会受到对方熔融火焰的影响。
39.在上述实施例中，收丝单元包括；集束机构、排线轮8和绕丝筒9，依次设置在熔融单元的下方。
40.在上述实施例中，集束机构构成为将全部的石英玻璃纤维原丝分为多组分别集束，再集束成一束的多级集束方式，而具有上下设置的多级的集束器；各级的集束器的集束位置以多个石英玻璃棒的中心轴为中心，在水平方向上呈中心对称方式设置，对所要集束的成组的石英玻璃纤维原丝在周向上呈对称方式进行集束。
41.在上述实施例中，集束机构包括第一集束器6，其构成为具有以中心轴为中心呈旋转对称方式设置的多个集束面，在各集束面上设置有一个或多个集束槽。
42.在上述实施例中，集束机构包括第二集束器7，其构成为在一侧表面设置多个集束槽，石英玻璃纤维原丝经由集束槽而被集束成一组。
43.在上述实施例中，如图1所示，集束机构构成为，以第一集束器6为第一级，以第二集束器7为第二级；第一集束器6的中心设置于中心轴，第二集束器7的集束槽的中心设置于中心轴，集束机构在水平方向上呈中心对称方式设置，对所要集束的成组的石英玻璃纤维原丝在周向上呈对称方式进行集束。
44.在此实施例中，第一集束器6在相反的两侧设置集束面，石英玻璃纤维原丝被分为两组分别经第一集束器6两侧的集束面上的集束槽而被集束成两组。
45.在此实施例中，在第一集束器6下方设置第二集束器7，第二集束器7使用在一侧表面设置多个集束槽，将多组石英玻璃纤维原丝集束成一组的结构。从而将由第一集束器6集束的两组石英玻璃原丝集束成的一组石英玻璃纤维原丝，且集束状态均匀。
46.在此实施例中，在第二集束器7下方设置排线轮8。在排线轮8的下方设置绕丝筒9，
将均匀集束的石英玻璃纤维原丝收集成卷。在完成所装载的石英玻璃棒的拉丝收卷后，重新装载石英玻璃棒，并更换绕丝筒9，以开始对新装载的石英玻璃棒的拉丝、收卷作业。
47.对于第一、第二集束器6、7，各集束面上形成一个或多个集束槽，利用集束槽限制石英玻璃原丝的集束状态，以使由集束面汇集的石英玻璃原丝彼此之间的集束状态均匀。集束机构采用先分组集束再合股的多级集束方式，各级的集束器呈上下结构布置，用于将石英玻璃纤维原丝集束成组的集束器在周向上呈对称方式进行集束，并以多个石英玻璃棒的中心轴为中心，在水平方向上呈中心对称方式设置。
48.在本实施例中，第一集束器6将石英玻璃纤维原丝分成两组并分别集束在其两侧的集束槽上。由于石英玻璃棒呈多排对称布置，两部分的石英玻璃纤维原丝到第一集束器6的集束槽的距离基本相同，通过设置较为合适的第一集束器6与定位机构3之间的距离，即可有效控制拉丝时的α角的角度，以便于提高各石英玻璃纤维的断裂强度。
49.在本实施例中，第一集束器6具有两个集束面，但对于第一集束器6来说，也可以构成为具有n个旋转对称的集束面，其中n为2以上的自然数，以将石英玻璃纤维原丝分组成n组，以使每组石英玻璃纤维原丝的集束状态均匀。所谓旋转对称，是指集束器以几何中心轴旋转将圆周平均分成n份的角度后，与旋转前的形状重合。通过设置3个以上的集束面，能够更好地控制石英石英玻璃纤维丝被在拉制时的α角度，且单一集束器结构，使整个装置配置更容易。
50.在本实施例中，第一集束器6具有两个集束面，即在上方设置双头浸润剂喷嘴10，下方设置第一浸润剂回收槽13；第二集束器7具有一个集束面，即上方设置有单头浸润剂喷嘴11，下方设置有第二浸润剂回收槽12。当第一集束器6具有n个旋转对称的集束面时，即设置n头浸润剂喷嘴，解决纤维原丝涂覆不均的问题。
51.在上述实施例中，排线轮8设置在第二集束器7的右下方，用于石英玻璃纤维原丝的排线，排线轮8的数量根据纤维束的数量进行合理设置；绕丝筒9设置在排线轮8的左下方，用于石英玻璃纤维原丝的卷绕，纤维原丝卷绕到绕丝筒9上完成纤维原丝的生产。
52.在本实施例中，根据石英玻璃棒的多少进行集束器级别和位置的设置，将α角不超过7
°
的石英玻璃纤维原丝集束到同一集束器上，为一级集束器；一级集束器为多个时，在一级集束器下方设置二级、三级集束器，二级集束器用于集束部分一级集束器的原丝，三级集束器用于集束全部二级集束器的原丝。在三级集束器下面设置排线轮和绕丝筒。也可根据实际原丝的数量和最终产品的丝束数量要求，设置不同数量的排线轮和绕丝筒。
53.在上述实施例中，下棒臂1与plc控制程序电性连接，控制夹棒单元2的升降。下棒臂带动夹棒单元进行升降运动，运动速度的设置根据石英玻璃棒的直径大小以及所需的石英玻璃纤维原丝的直径来确定，也要结合熔融单元的熔融速度进行确定。
54.在上述实施例中，在夹棒单元2上，可以同圆间隔设置不同直径的石英玻璃棒；夹棒单元2也可以同圆设置相同直径的石英玻璃棒，内外圆设置不同直径的石英玻璃棒，来满足不同直径的石英玻璃棒，定位板3的通孔也随其一一对应设置。此种设计避免的根据石英玻璃棒的不同进行拉丝装置的替换，也避免了要准备出各种规格石英玻璃棒的拉丝装置。一般情况石英玻璃棒的直径为1-4mm。
55.【实施例2】
56.在对本发明进行实施时，能够进行各种改变，下面结合图2所示对本发明的另一种
实施方式进行说明。为了说明简洁，对于与实施例1构成相同的部分不再赘述。
57.在本实施例中，与实施例1不同之处在于集束机构的设置。在实施例1中使用二级集束的方式，在本实施例中使用三级集束方式。
58.在本实施例中，第一级集束机构包括多个第二集束器7，各第二集束器7与实施例1中的第二集束器7类似，即在一侧表面设置多个集束槽，石英玻璃纤维原丝经由集束槽而被集束成一组。多个第二集束器7在周向上均匀分布，从而能够将从呈同心圆形排列的石英玻璃棒拉出的石英石英玻璃纤维原丝集束成相应的多组。
59.在本实施例中，第二级集束机构包括与实施例1类似的第一集束器6，即在相反的两侧设置集束面，多组石英石英玻璃纤维原丝被进一步分为两部分分别经第一集束器6两侧的集束面上的集束槽而被集束成两组。
60.在本实施例中，第三级集束机构包括一个第二集束器7，即在一侧表面设置多个集束槽，石英石英玻璃纤维原丝经由集束槽而被集束成一组。
61.在本实施例中，第一集束器6具有两个集束面，即在上方设置双头浸润剂喷嘴10；在第一级和第三级上的第二集束器7具有一个集束面，即上方设置有单头浸润剂喷嘴11。
62.在本实施例中，通过设置三级的集束机构，能够使被集束的石英石英玻璃纤维原丝彼此之间的挤压力更为均匀，使最终的石英石英玻璃纤维束整体上获得更好的机械性能。
63.【实施例3】
64.下面描述本发明提供的一种石英玻璃棒拉丝工艺，采用上述的拉丝装置进行石英玻璃棒拉丝工艺，其具体步骤如下：
65.石英玻璃棒固定：夹棒单元2以竖直状态呈同心圆形状布置方式保持多个石英玻璃棒，启动下棒臂1，将石英玻璃棒设置于初始高度，使石英玻璃棒分别穿过定位机构3的多个通孔，将石英玻璃棒底端与火头4平行；
66.石英玻璃棒抽丝：点燃火头4，熔融石英玻璃棒底端，在石英玻璃棒熔融处抽丝，进行石英玻璃纤维原丝拉丝；
67.纤维原丝收线：石英玻璃纤维原丝在第一集束器6、第二集束器7处进行集束并涂覆浸润剂，在排线轮8处进行排线，最后卷绕在绕丝筒9上成为成品纤维原丝；
68.拉丝完成：随着拉丝的进行，熔融单元固定不动，夹棒单元2匀速下降；直到夹棒单元2与定位板3接触后，完成此次拉丝；下棒臂1带动夹棒单元2上升，根据预设程序再次夹装石英玻璃棒，进行下一次的拉丝工艺。
69.在上述实施例中，在启动设备前，需要在plc控制程序中预设数据：下棒臂1的升降的速度；火头4的熔融速率；第一集束器6、第二集束器7、排线轮8、绕丝筒9各自的转速。
70.在该过程中，绕丝筒9以规定的速度收集石英玻璃纤维原丝的同时，使下棒臂1以与收集相匹配的规定的速度驱动夹棒单元2下降，从而以规定的速度向火头4供给石英玻璃棒，随着石英玻璃棒缓慢供给的同时，被加热至熔融的石英玻璃棒的末端不断拉出石英玻璃纤维原丝，被拉出的石英玻璃原丝经由设定好的第一集束器6、第二集束器7、排线轮8、绕丝筒9，不间断地被收集，直到下棒臂1驱动夹棒单元2下降至最低，完成整个石英玻璃棒的拉丝工序。此时，拆除剩余的石英玻璃棒残料后，可重新装载新的石英玻璃棒进行拉丝。
71.在使用本发明的拉丝装置及拉丝工艺时，可以实现以下技术效果：
72.夹棒单元呈同心圆形布置方式保持多个石英玻璃棒，增加了拉丝孔数及拉丝单次的产量，提高了生产效率；集束机构的位置设置在产量提高的基础上，避免了原丝的断头和飞丝，提高了原丝的生产质量；火头与石英玻璃棒一一对应设置，增加了石英玻璃棒熔融一致性，从而提高了原丝的质量一致性，提高原丝的断裂强力。
73.在本发明说明书的描述中，术语“连接”、“安装”、“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；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技术中的具体含义。
74.在本发明说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
75.以上仅为本发明的优选实施，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。