專利名稱：用于生產(chǎn)連續(xù)碳纖維的低溫碳化爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于新型材料生產(chǎn)領(lǐng)域，涉及一種碳纖維生產(chǎn)設(shè)備，具體地說(shuō)是一種 用于生產(chǎn)連續(xù)碳纖維的低溫碳化爐。
背景技術(shù)：
碳纖維是一種新型碳材料，具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變、低 熱膨脹、高導(dǎo)電和導(dǎo)熱、自潤(rùn)滑等一系列優(yōu)異性能；而且作為纖維還具有柔軟性和可編、可 紡織性，被廣泛應(yīng)用于航天航空、國(guó)防軍事等尖端領(lǐng)域以及高級(jí)體育休閑用品、醫(yī)療器械等 民用工業(yè)，成為先進(jìn)復(fù)合材料的主要增強(qiáng)體之一，被譽(yù)為21世紀(jì)中最有生命力的新型材 料。在聚丙烯腈(PAN)基碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中，通常將PAN原絲在200-300°C空氣氣氛 中進(jìn)行預(yù)氧化處理制得預(yù)氧化纖維，然后將預(yù)氧化纖維先后在300-90(TC和1000-180(TC 的惰性氣氛中分別進(jìn)行低溫碳化和高溫碳化處理制得含碳量在90%以上的碳纖維，接著將 上述碳纖維在2000-300(TC惰性氣氛中進(jìn)行石墨化處理而制得高模量碳纖維(也稱石墨纖 維)。其中，在上述碳化過(guò)程中，預(yù)氧化纖維由耐熱梯形結(jié)構(gòu)通過(guò)交聯(lián)、縮聚等反應(yīng)轉(zhuǎn)化為 具有亂層石墨結(jié)構(gòu)的碳纖維；伴隨著上述結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，約有30-40%的質(zhì)量(相對(duì)于預(yù)氧化纖 維)以碳化廢氣和小分子副產(chǎn)物的形式熱解逸出，并隨碳化爐內(nèi)的惰性氣體一起通過(guò)排氣 口排出到碳化爐外的廢氣處理系統(tǒng)。如圖1所示，為原有低溫碳化爐的結(jié)構(gòu)示意圖，其中， (a)為碳化爐工作過(guò)程中產(chǎn)生的碳化廢氣及其流向示意圖，(b)為碳化過(guò)程中焦油等附著 物在碳化爐的絲束進(jìn)口和出口的內(nèi)側(cè)、頂部及其周圍的附著情況，并表明這些附著物下滴 在纖維絲束上的狀態(tài)；從圖1中可以看出，在碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中，由于碳化爐的爐膛2結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)不合理，致使碳化廢氣14排出不暢，部分碳化廢氣14在爐內(nèi)冷凝成焦油15附著在碳 化爐的絲束進(jìn)口和出口的內(nèi)側(cè)、頂部及其周圍處；焦油在爐內(nèi)壁沉積一定程度將出現(xiàn)焦油 下滴，污染纖維絲束10，輕則變硬、發(fā)脆，重則斷絲，從而影響碳纖維的連續(xù)化生產(chǎn)，降低碳 纖維的生產(chǎn)效率。
發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有碳化爐的爐膛結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致預(yù)氧化纖維碳化時(shí)的產(chǎn)生的廢氣排 出不暢、廢氣堆積的技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種用于生產(chǎn)連續(xù)碳纖維的低溫碳化爐。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是一種用于生產(chǎn)連續(xù)碳纖維的低溫碳化爐，包括爐體1、設(shè)置在爐體1內(nèi)的爐膛2、爐 體1和爐膛2之間由外到內(nèi)依次設(shè)置的保溫層4、耐火層3和加熱元件5以及貫通爐膛2和 大氣的排氣管6，其特殊之處在于所述排氣管6設(shè)置在靠近束絲出口 12的爐體尾部。上述靠近束絲入口 11的爐膛上壁面與水平面之間的夾角為2 30°且該處爐膛 上壁面的高度沿纖維絲束10運(yùn)行方向線性增加。上述靠近束絲入口 11的爐膛上壁面與水平面之間的夾角為5 20°。[0009]本實(shí)用新型所具有的有益效果本實(shí)用新型通過(guò)將用于生產(chǎn)連續(xù)碳纖維的低溫碳化爐的爐膛的前方上壁面設(shè)計(jì) 成與水平面成2 30°夾角，并將排氣管設(shè)置在爐體尾部，可避免形成死角，可將預(yù)氧化纖 維在碳化過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣等物質(zhì)及時(shí)排出爐外，避免由于廢氣長(zhǎng)時(shí)間在爐膛內(nèi)低溫處停 留而凝結(jié)為焦油，進(jìn)而防止焦油等物質(zhì)在爐膛內(nèi)壁附著、下滴，污染纖維，致使纖維性能下 降、絲束斷裂。保證了預(yù)氧化纖維碳化過(guò)程的穩(wěn)定化和連續(xù)化，提高碳纖維的生產(chǎn)效率。

圖1是現(xiàn)有低溫碳化爐結(jié)構(gòu)示意圖；其中a為現(xiàn)有碳化爐工作過(guò)程中產(chǎn)生的碳化 廢氣及其流向示意圖，b為焦油在爐膛內(nèi)壁附著的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；其中1-爐體，2-爐膛，3-耐火層，4-保溫層，5-加熱元件，6-排氣管，7-爐外 殼，8-密封裝置，10-纖維絲束，11-絲束進(jìn)口，12-絲束出口，13-惰性氣體進(jìn)口，14-廢氣， 15-焦油。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型用于生產(chǎn)連續(xù)碳纖維的低溫碳化爐如圖2所示，包括爐膛2、耐火層3、 保溫層4、加熱元件5、排氣管6、爐外殼7、密封裝置8。其中，爐膛2橫截面為一矩形橫截 面，采用耐高溫、耐腐蝕性材料制成；在爐外殼7與爐膛2之間由內(nèi)至外設(shè)置有加熱元件5、 耐火層3和保溫層4 ；加熱元件5用于在纖維絲束運(yùn)行方向形成由低至高的溫度梯度；密封 裝置8通過(guò)法蘭、緊固件等與碳化爐爐體1的絲束進(jìn)口 11和絲束出口 12相連接，用于保證 爐內(nèi)呈微正壓惰性氣氛，抑制爐外室內(nèi)空氣滲入爐內(nèi)，同時(shí)防止?fàn)t內(nèi)的碳化廢氣經(jīng)碳化爐 絲束進(jìn)口 11和絲束出口 12排放至爐外；排氣管6設(shè)置在爐膛2的頂部，并向上穿過(guò)耐火層 3、保溫層4、爐外殼7，延伸至碳化爐爐體1外一定距離。低溫碳化爐1的爐膛2為纖維絲束10完成其低溫碳化工藝的場(chǎng)所，主要由纖維絲 束進(jìn)口段I、導(dǎo)入段II、主體段III、出口段IV等四部分組成。為了防止焦油的聚集，纖維 絲束導(dǎo)入段的爐膛上壁面與水平面具有一定的夾角θ，一般θ取2 30°，最好為5 20°，并且纖維絲束導(dǎo)入段的爐膛上壁面距纖維絲束10所在平面的距離沿纖維絲束10運(yùn) 行方向線性增加；纖維絲束主體段的爐膛上壁面呈水平狀態(tài)，其上壁面高度與纖維絲束導(dǎo) 入段末端的爐膛上壁面高度一致；纖維絲束導(dǎo)入段下方設(shè)置惰性氣體進(jìn)氣部分13，用于向 爐內(nèi)通入一定量的惰性氣體，保證爐內(nèi)呈微正壓惰性氣氛的同時(shí)帶走纖維絲束10在碳化 過(guò)程中所產(chǎn)生的廢氣14，最終經(jīng)排氣管6排入爐外的廢氣處理系統(tǒng)；惰性氣體的進(jìn)氣方向 應(yīng)沿爐內(nèi)纖維絲束10的運(yùn)行方向，且進(jìn)氣量在爐膛2橫截面內(nèi)均勻分布更好。排氣管6設(shè)置在爐外殼的尾部、爐膛2的頂部，并且靠近爐膛主體段的末端處。加熱元件5由多段組成，在爐膛2內(nèi)的纖維絲束10運(yùn)行方向形成由低至高的溫度 梯度，其溫度范圍為300 900°C ；加熱元件5的種類及形狀沒(méi)有特殊規(guī)定，通常采用高溫 電爐絲，其形狀可采用棒狀、板狀、面狀或蛇形狀。采用本實(shí)用新型的低溫碳化爐工作時(shí)，將預(yù)氧化纖維10經(jīng)密封裝置8、碳化爐的 絲束進(jìn)口 11導(dǎo)入爐膛2內(nèi)，然后經(jīng)碳化爐的絲束出口 12、密封裝置8將纖維絲束導(dǎo)出碳化爐，完成預(yù)氧化纖維的低溫碳化處理。在上述處理過(guò)程中，將產(chǎn)生廢氣14，由于爐膛纖維絲 束導(dǎo)入段的空間區(qū)域狹窄，廢氣不易停留，例如，在惰性氣體驅(qū)動(dòng)力的作用下沿著氣體通路 向爐膛纖維絲束出口段方向移動(dòng)，最終從排氣管6排入爐外的廢氣處理系統(tǒng)。下面采用具體的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作更加詳細(xì)的說(shuō)明。在本實(shí)用新型的低溫碳化爐內(nèi)對(duì)PAN基纖維絲束進(jìn)行低溫碳化處理，纖維運(yùn)行速 度為60m/h。低溫碳化爐的爐膛2總長(zhǎng)度L為10m，其中，纖維絲束進(jìn)口段、導(dǎo)入段、主體段 和出口段的長(zhǎng)度分別為0. Sm(L1)、0· 6m(L11)、8· 4m(L111)、0· 5m(Liv)，排氣管6右側(cè)壁距纖維 絲束主體段末端的長(zhǎng)度為0. Im ；爐膛2橫截面總高度H為0. 18m，其中，纖維絲束進(jìn)口段截 面高度H1為0. 08m、纖維絲束導(dǎo)入段橫截面內(nèi)纖維絲束10運(yùn)行所在平面距爐膛2上壁面的 高度由0. 04m線性增加至0. Hm(H11)、主體段橫截面內(nèi)纖維絲束10運(yùn)行所在平面至爐膛2 上壁面的高度Hm為0. Hm、纖維絲束出口段截面高度Hiv為0. 08m,纖維絲束導(dǎo)入段的爐膛 上壁與纖維絲束I0所在平面的夾角θ為9. 5° ；爐膛2橫截面總寬度B為0.6m;低溫碳化 爐內(nèi)的加熱元件5由多段組成，可子爐膛2內(nèi)的纖維絲束10的運(yùn)行方向形成由低到高的溫 度梯度，其溫度范圍為300 900°C，并且最多可設(shè)定6個(gè)溫區(qū)。在上述條件下，本實(shí)用新型的低溫碳化爐連續(xù)運(yùn)行兩個(gè)月，爐膛內(nèi)未發(fā)現(xiàn)焦油等 物質(zhì)下滴、污染纖維現(xiàn)象；停止運(yùn)行、檢查低溫碳化爐的爐膛，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在纖維絲束導(dǎo)入段、 主體段等處僅有極其輕微的附著物沉積。
權(quán)利要求1.一種用于生產(chǎn)連續(xù)碳纖維的低溫碳化爐，包括爐體(1)、設(shè)置在爐體(1)內(nèi)的爐膛 O)、爐體(1)和爐膛(2)之間由外到內(nèi)依次設(shè)置的保溫層G)、耐火層(3)和加熱元件(5) 以及貫通爐膛( 和大氣的排氣管(6)，其特征在于所述排氣管(6)設(shè)置在靠近束絲出口 (12)的爐體尾部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于生產(chǎn)連續(xù)碳纖維的低溫碳化爐，其特征在于所述靠近 束絲入口(11)的爐膛上壁面與水平面之間的夾角為2 30°且該處爐膛上壁面的高度沿 纖維絲束(10)運(yùn)行方向線性增加。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于生產(chǎn)連續(xù)碳纖維的低溫碳化爐，其特征在于所述靠近 束絲入口(11)的爐膛上壁面與水平面之間的夾角為5 20°。
專利摘要本實(shí)用新型屬于用于生產(chǎn)連續(xù)碳纖維的低溫碳化爐，包括爐體(1)、設(shè)置在爐體(1)內(nèi)的爐膛(2)、爐體(1)和爐膛(2)之間由外到內(nèi)依次設(shè)置的保溫層(4)、耐火層(3)和加熱元件(5)以及貫通爐膛(2)和大氣的排氣管(6)，其特征在于所述排氣管(6)設(shè)置在靠近束絲出口(12)的爐體尾部。本實(shí)用新型解決了現(xiàn)有碳化爐的爐膛結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致預(yù)氧化纖維碳化時(shí)的產(chǎn)生的廢氣排出不暢、廢氣堆積的技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型保證了預(yù)氧化纖維碳化過(guò)程的穩(wěn)定化和連續(xù)化，提高碳纖維的生產(chǎn)效率。
文檔編號(hào)D01F9/22GK201817599SQ201020533550
公開(kāi)日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者劉福杰, 李福平, 王浩靜, 王紅飛, 程璐, 范立東 申請(qǐng)人:西安航科等離子體科技有限公司