專利名稱：連續(xù)立式液封碳化爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于生產(chǎn)碳纖維制品的碳化裝置，具體涉及一種可連續(xù)制備碳纖維盤根和通用級大絲束碳纖維的立式液封碳化爐。
碳纖維盤根和碳纖維屬于高技術(shù)產(chǎn)品，它具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)大、熱膨脹系數(shù)小和優(yōu)異的壓縮性、回彈性等一系列優(yōu)異性能，是密封材料更新?lián)Q代的新產(chǎn)品，已廣泛用于化學(xué)化工、石油化工、化肥農(nóng)藥、輕工機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域，取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
由預(yù)氧化纖維盤根碳化制成碳纖維盤根的碳化爐目前常用的主要有臥式碳化爐和間歇碳化爐。臥式碳化爐的工藝較為成熟，主要是用于碳纖維的碳化，而不適用于碳化預(yù)氧化纖維盤根，這是因?yàn)楸P根自重較大，容易下垂而接觸爐壁導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。間歇爐結(jié)構(gòu)簡單，但因?yàn)樘蓟^程是間歇的，爐子的升降溫頻繁，在碳化期間碳化物只能定伸長而不能牽伸，分解產(chǎn)物不易排除，必然導(dǎo)致生產(chǎn)周期長，能耗大，產(chǎn)量和質(zhì)量難以提高。上述碳化爐一般采用氣封的方式密封，耗氣量大，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定。
本實(shí)用新型的目的是克服上述爐型的缺陷，提供一種可連續(xù)進(jìn)料，密封方式為氣液封相結(jié)合的立式碳化爐。
本實(shí)用新型的這種碳化爐由爐殼、保溫層、加熱元件、爐管組成的立式爐體及相應(yīng)的惰性保護(hù)氣體密封進(jìn)出口構(gòu)成，所說的立式爐體分低中溫段和高溫段兩部分，爐管采用不同的材質(zhì)，用活套法蘭連接，爐體的上部設(shè)置兩個(gè)惰性氣體密封入口和一個(gè)廢氣出口，爐體的下部為冷卻部分，采用水夾套冷卻，水夾套的上下部位安裝錐形防溢碗，并設(shè)有冷卻水進(jìn)出口，爐體下部設(shè)置一個(gè)廢氣出口、一個(gè)惰性氣體密封口和一個(gè)水汽混合氣體排出口，在爐管出口處設(shè)置一個(gè)液封槽，使出口爐管浸入槽內(nèi)的液面。
這種碳化爐可在爐體的進(jìn)出口設(shè)置張力牽伸機(jī)構(gòu)，以保證碳化物在施加張力的條件下連續(xù)通過碳化爐。如果不加張力，也可在定伸長或收縮狀態(tài)下進(jìn)行碳化。
本實(shí)用新型的連續(xù)立式液封碳化爐，碳化原料可連續(xù)進(jìn)料，采用氣液封相結(jié)合的密封方式，克服了間歇碳化爐和臥式碳化爐的缺陷。該爐結(jié)構(gòu)新穎，實(shí)用性強(qiáng)，是連續(xù)碳化碳纖維盤根和通用級大絲束碳纖維的理想爐型。
下面將通過附圖
對本實(shí)用新型作詳細(xì)說明并給出實(shí)施扣。
附圖是本實(shí)用新型連續(xù)立式液封碳化爐的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1是惰性氣體密封口，2是水夾套冷卻水出口，3是廢氣出口，4是爐殼，5是保溫層，6是高溫爐管，7是活套法蘭，8是爐瓦，9是低中溫爐管，10是惰性氣體密封口，11是廢氣出口，12是惰性氣體密封口，13是碳化料，14是送料輥，15是張力手柄，16是防溢碗，17是水冷卻夾套，18是冷卻水進(jìn)口，19是水汽混合氣排出口，20是液封液，21是液封槽，22是導(dǎo)向輥。
本實(shí)用新型的碳化爐其徑向分四個(gè)層次，外面是爐殼4，然后是用保溫材料填充的保溫層5，接著是帶加熱元件的爐瓦8及被加熱的低中溫爐管9和高溫爐管6，由于低中溫段用的爐管與高溫段用的爐管材質(zhì)不同，因而其熱膨脹系數(shù)也不同，為保證連接處的密封，本實(shí)用新型將爐體分成中溫段和高溫段兩部分，兩者用活套法蘭7連接，對接處留有間隙，靠密封環(huán)密封，高溫時(shí)兩者熱膨脹的伸長量剛好填充此間隙，徑向熱膨脹靠彈性密封環(huán)的壓縮彈性緊緊封閉。這種碳化爐的上部為進(jìn)料段，中部為碳化段，下部為冷卻段。冷卻采用水夾套17冷卻，水夾套上分別有冷卻水進(jìn)口18和冷卻水出口2。碳化爐料由張力手柄15控制經(jīng)送料輥14進(jìn)入立式爐體內(nèi)，經(jīng)過低中溫爐管9和高溫爐管6碳化后進(jìn)入水夾套17冷卻，最后由浸入液封槽21的管口引出，經(jīng)導(dǎo)向輥22導(dǎo)向后牽引纏繞在收料輥。
碳化是在隔絕空氣的惰性氣氛下進(jìn)行的，需要采用密封手段使?fàn)t內(nèi)保持正壓，本實(shí)用新型采用了氣液封相結(jié)合的密封方式。爐體的上部為進(jìn)料段，進(jìn)料口用聚四氟乙烯制成的活動(dòng)密封口密封，進(jìn)料段設(shè)有兩個(gè)惰性氣體密封口12和10，從密封口12進(jìn)入的惰性氣體其廢氣由出口11排出，出口11下面所設(shè)的密封口10所通入的惰性氣體直接進(jìn)入爐內(nèi)，廢氣由爐體下部的廢氣出口3排出。上述兩個(gè)密封口通入的惰性保護(hù)氣體其作用是驅(qū)除碳化物中吸附的空氣和水分。爐體的下部在靠近爐管出口處設(shè)有一個(gè)密封口，通入惰性氣體，其目的是抑制水蒸汽進(jìn)入爐膛內(nèi)，爐管出口采用液封方式，出口爐管浸入液封槽21內(nèi)液封液20的液面之下，以隔絕空氣，為防止液封水蒸氣進(jìn)入爐內(nèi)，對纖維起刻蝕作用，需要在水夾套的上下部位安裝錐形防溢碗16，使水蒸氣的上升受到阻隔，并在水夾套的下方爐管處開一個(gè)水、惰性氣混合氣排出口19，將帶有水蒸汽的惰性氣排出，經(jīng)過一個(gè)水氣分離裝置后將分離后的惰性保護(hù)氣重新送入爐內(nèi)使用。上述氣液封相結(jié)合的密封方式耗氣量明顯減少，而產(chǎn)品質(zhì)量卻有所提高。
制作爐殼的材料可以是碳鋼，保溫材料選用硅酸鋁纖維氈，低中溫爐管選用白鋼管，高溫爐管可選用高鋁管、剛玉管或石英管，中文溫爐管直徑均為。氣封用惰性氣體，一般選用氮?dú)?，除進(jìn)料口用普氮外，其余進(jìn)氣口均通入含氧量在2ppm以下的高純氮?dú)?。液封槽是在出料管處所設(shè)置的一個(gè)具有一定液面高度的容器，容器上安裝導(dǎo)向輥，出料管浸入液面之下，以形成液封，液封用液體可以是水或者是聚四氟乙烯乳液。在爐子的進(jìn)出口位置可設(shè)置張力牽引機(jī)構(gòu)，由導(dǎo)向輥引導(dǎo)，將原料引入爐管經(jīng)炭化后從液封槽引出，張力牽引機(jī)構(gòu)可采用一般公知技術(shù)。該爐的工藝條件如下速度230m／h；氣量0.4－6.0m／h；溫度梯度分布200－1200℃；牽伸力0.1g／d－0.8g／d。上述爐型可用來生產(chǎn)3×3－50×50mm的盤根，粗盤根可單獨(dú)碳化，細(xì)盤根可多根一次碳化。該爐還可用于生產(chǎn)6k－360k的通用級碳纖維。
實(shí)施例1爐管各段溫度達(dá)到300℃，400℃，600℃，800℃和1050℃，液封槽內(nèi)注水后封置，將用聚丙烯腈予氧化纖維編織的10×10mm截面的盤根，由送料輥通過爐口連續(xù)下行，在熱態(tài)下連續(xù)通過碳化爐，由收料輥(附圖未畫出)收料。所制得的碳纖維盤根的碳含量為83％。經(jīng)三次浸漬聚四氟乙烯乳液干燥后，密度為1.34g／cm，，回彈率為88％。
實(shí)施例2按實(shí)施例1的工藝條件碳化聚丙烯腈予氧化纖維3k×7束，第一組編號No.2－5，采用氣液封相結(jié)合的密封方式，第二組編號No.5－4，出料管口處不加液封，只有氣封，其對比結(jié)果列于下表兩種密封形式的結(jié)果比較爐口密樣品氣封氮?dú)庥昧?立方米／小時(shí))碳纖維強(qiáng)度封形式 編號 爐頂部 爐頂部 爐底部 總氮?dú)饬?(GPa) 說明高氮普氮高氮?dú)庖悍? 2-5 0.5 0.2 0.2 0.9 0.99 運(yùn)行正常氣封5-4 0.5 0.2 0.2 0.9 0.45 斷絲由表中所列數(shù)據(jù)可知，在所用氣量相同的條件下，氣液封所生產(chǎn)的碳纖維抗拉強(qiáng)度為0.81GPa，而僅有氣封無液封生產(chǎn)的碳纖維其抗拉強(qiáng)度只有0.45GPa，且后者很快斷絲，這表明氣液封相結(jié)合的密封方式有較好的效果。
權(quán)利要求1.一種連續(xù)立式液封碳化爐，由爐殼、保溫層、加熱元件及爐管組成的立式爐體和相應(yīng)的隋性保護(hù)氣體進(jìn)出口構(gòu)成，其特征是所說的立式爐體分低中溫段和高溫段兩部分，爐管采用不同的材質(zhì)，爐體的上部設(shè)置兩個(gè)隋性氣體密封入口，和一個(gè)廢氣出口，爐體的下部為冷卻部分采用水夾套冷卻，水夾套的上下部位安裝錐形防溢碗，并設(shè)有冷卻水進(jìn)出口，爐低下部設(shè)置一個(gè)廢氣出口、一個(gè)隋性氣體密封口和一個(gè)水氣混合氣體排出口，在爐管出口處設(shè)置一個(gè)液封槽，使出口爐管浸入槽內(nèi)的液面。
2.如權(quán)利要求1所述的碳化爐，其特征是在立式爐體的進(jìn)出口設(shè)置張力牽伸機(jī)構(gòu)，以保證碳化物在施加張力的條件下連續(xù)通過碳化爐。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種立式液封碳化爐，這種碳化爐分低中溫段和高溫段兩部分，爐管采用不同的材質(zhì)，用活套法蘭連接，爐體的上部設(shè)置兩個(gè)惰性氣體密封入口和一個(gè)廢氣出口，爐體的下部采用水夾套冷卻。碳化爐的爐管出口處設(shè)置一個(gè)液封槽，使出口爐管浸入液封槽內(nèi)的液面。爐體采用氣流封相結(jié)合的密封方式，并可在爐子的進(jìn)出口位置設(shè)置張力牽伸機(jī)構(gòu)以保證碳化物在施加張力的條件下連續(xù)通過碳化爐。該爐結(jié)構(gòu)新穎，實(shí)用性強(qiáng)，是連續(xù)碳化碳纖維盤根和通用級大絲束碳纖維的理想爐型。
文檔編號D01F9/12GK2106180SQ9121961
公開日1992年6月3日 申請日期1991年8月3日 優(yōu)先權(quán)日1991年8月3日
發(fā)明者賀福, 趙建國, 李東升, 王潤娥, 張淑琴 申請人:中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所