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玄武岩纤维以其耐酸、耐碱、耐高温、高增强等优异性能被应用于冶金、化工、航天航空、建筑等行业领域。其理论指导尚不成熟,大多是靠经验来设计漏嘴等。本文借助于玻璃纤维工艺,分析了玄武岩连续纤维成形过程中的影响因素,对其成形过程进行了数值模拟,确定了参数的变化对玄武岩连续纤维成形过程的影响,为玄武岩连续纤维的进一步研究打下了基础。
首先从微孔中液体的流动过程进行分析,通过模拟计算,证明玄武岩熔体在漏孔中的流动为粘性液体在毛细管中的层流流动,并得出体积流量与漏嘴结构的关系式,此为漏嘴几何尺寸的设计具有重要的指导意义。
用流变学软件ANSYS对漏孔中玄武岩熔体的温度场进行数值模拟,结果显示在漏嘴入口温度为1300℃,漏孔直径为4毫米,漏嘴长度分别为10、15、20、25毫米时,其出口温度分别为1265、1115、1080、1000℃,结果表明随着漏嘴长度的增加,出口液体的温度下降明显,用此确定漏孔中玄武岩液体粘度、拉丝速度、纤维直径等都具有重大的意义。
利用漏嘴参数、液体粘度和拉丝速度等对纤维的理论直径进行模拟计算,结果显示漏孔长度为13毫米,拉丝速度为251.2cm/s,漏嘴直径分别为3、4、4.5、5毫米时,纤维的理论直经对应为12、21.5、32、39.1μm。结果表明可以分别通过调节漏嘴的尺寸和拉丝速度来改变纤维的直径。
通过对丝根建立能量方程、动量方程、确定边界条件等建立数学模型,并对丝根形状进行求解,计算结果显示纤维丝根的长度很短,一般约6、7mm。而且纤维直径越大,丝根直径越大。此结果对于确定拉丝速度、丝根温度场的计算、丝根周围介质温度场等都有重要的作用。
通过对玄武岩丝根的温度场数值模拟结果可知,周围介质温度较高约800℃时,丝根在离开其底部1.5mm时,其横截面上所有各点上的温度实际已接近于周围介质的温度。而在更冷的条件下,有可能在表面形成脆性层而内层仍是粘性的状态,从而会使丝根中玄武岩液体的运动有很大的速度梯度,就有可能使丝变细和断掉。这种冷却条件下的丝根约为2.5mm。结果表明:要想得到高质量的玄武岩纤维并消除断头,条件之一就是必须要使纤维成形区建立一个稳定的温度场。
玄武岩连续纤维的研发,使玄武岩的价值剧增,经济、社会效益显著;且因其优异的耐热、耐磨、耐酸、增强与吸附过滤性好等性能特点,若应用于生产,可满足多种工业领域的许多应用需求,市场需求潜力巨大,开发应用前景良好。