CN101451279B - 一种新型复合高温碳化炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型复合高温碳化炉。它具有结构简单，使用方便，可满足碳纤维生产过程中高温碳化处理的要求等优点。其结构为：炉体为全密封形式，炉体设有夹层炉壳，内通冷却水；在夹层炉壳以内为陶瓷纤维和碳纤维毡体多段复合而成的炉衬；炉体中部设有炉膛，炉膛为多段陶瓷和高密度石墨板组成的积木式结构形式；在炉膛上部设有陶瓷和碳电极复合使用形式的加热装置，加热装置的电极引出端为碳/碳复合材料，炉体两端炉口设封闭循环式迷宫密封装置。

Description

一种新型复合高温碳化炉

技术领域

本发明属于高温加热设备技术领域，特别适用于高性能碳纤维的新型复合高温碳化炉。

背景技术

碳纤维及其复合材料具有高比强度，高比模量，耐高温，耐腐蚀，耐疲劳，抗蠕变，具有导电功能，传热性好，热膨胀系数几乎为零等优异性能，因而广泛应用于航空航天，国防军工及民用工业中。

聚丙烯腈基碳纤维是与国民经济和国家安全最为密切相关的碳纤维材料，是发展先进武器装备所必需的原材料，特别是战略导弹和歼击机急需的高性能纤维之一，也是卫星、航空和航天飞行器、核能设备及隐形武器等迫切需要的结构及功能材料的主要增强材料，在建筑补强、石油工业、海洋开发、交通运输及体育娱乐业等民用方面用途及其广泛，用量很大。

在碳纤维生产过程中，高温设备极其关键。高温碳化炉由于工作温度高，对碳纤维的性能影响大，综合技术水平要求高等特点，是大型产业化生产线中的关键之关键，也是制约我国后期产业化的瓶颈。

目前碳纤维生产用高温碳化炉中，加热元件为硅碳棒或硅钼棒，炉膛为碳化硅或刚玉材质，保温材料为耐热无机为纤维棉，炉壳为单层碳钢，最高使用温度一般不超过1400℃。该炉型结构简单，加工方便，但炉体气密型差，炉膛耐热疲劳能力差，寿命短，不能满足制备高性能碳纤维的需求。

国内虽有耐温超过1300℃的高温炉，但主要工作在真空状态下，间歇作业，不能满足碳纤维连续生产的需求。

国外碳纤维生产用加热炉主要采用大型石墨管作为加热元件，整体石墨作为炉膛，整体石墨板作为保温材料，炉壳为夹层结构，内通冷却水降温，最高使用温度可以达到1500℃，但该类炉型的大型石墨体国内很难买到，并且制备成本很高，难以满足实际生产要求。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术的不足，提供一种具有结构简单，使用方便，可满足碳纤维生产过程中高温碳化处理的要求等优点的一种新型复合高温碳化炉。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型碳纤维生产用复合碳化炉，它的炉体为全密封形式，炉体设有夹层炉壳，内通冷却水，在夹层炉壳内为陶瓷纤维和碳纤维毡体多段复合而成的炉衬；炉衬中部设有炉膛，炉膛为多段陶瓷和高密度石墨板组成的积木式结构，炉膛下部为耐火保温装置；在炉膛上方设有陶瓷和碳电极复合的加热装置，炉体两端炉口设封闭循环式迷宫密封装置。

所述加热装置为加热电极，它安装在陶瓷支撑上，加热电极上设有电极连接组件，加热电极引出端为碳/碳复合材料并与电极冷却水套连接，电极冷却水套与夹层炉壳连通，夹层炉壳上设有冷却水进口和冷却水出口；同时炉体的炉口密封处全部配有冷却水套。

所述炉衬宽度不低于200mm，分为至少六个温区：炉衬前端三个温区和末端最后一个温区为低温区，最高温度不高于1300℃，其他温区为高温区，最高温度1600℃；低温区炉膛为无机耐热陶瓷板组合体，所用陶瓷为碳化硅或氧化铝或氧化锆或硅化钼或耐火度不低于1300℃的无机材料板材；高温区炉膛为石墨板或碳/碳复合材料板组合体；陶瓷板与陶瓷板之间、陶瓷板与石墨板或碳/碳复合材料板之间，石墨板或碳/碳复合材料板与石墨板或碳/碳复合材料板之间连接处用耐火粘结剂粘接在一起。

所述炉膛宽度不低于100mm，分为至少六个温区：炉膛前端三个温区和末端最后一个温区为低温区，最高使用温度1300℃；其他温区为高温区，最高温度1600℃；炉膛为无机耐热陶瓷板与石墨板或碳/碳复合材料板组合体的组合体，所用陶瓷为碳化硅或氧化铝或氧化锆或硅化钼或耐火度不低于1300℃的无机材料板材；陶瓷板与陶瓷板之间、陶瓷板与石墨板或碳/碳复合材料板之间，石墨板或碳/碳复合材料板与石墨板或碳/碳复合材料板之间连接处用耐火粘结剂粘接在一起，耐火粘结剂是无机胶或含有石墨的类似胶体。

所述加热电极长度不低于300mm，1300℃低温区部分电极为陶瓷电极，材质为碳化硅或硅化钼；1600℃高温区部分电极为碳电极，由多块复合式结构；碳电极为高密度等静压石墨或高密度碳/碳复合材料，碳电极的接线端为碳纤维层压板经烧结而成的碳/碳复合材料，与碳电极接触部分或碳电极块之间用石墨螺栓连接起来。

所述封闭循环式迷宫密封装置包括炉体两端炉口处的迷宫密封，它与氮气补入管连接，氮气补入管与气封风机连接，由一个循环泵封闭高纯度氮气形成高压气封，通过补充部分新鲜氮气保证氮气气封效果。

本发明的有益效果是：充分利用了各种耐火材料和电热材料的最大优势，在满足碳纤维生产工艺要求的条件下，极大地减低了制造成本，降低了对石墨或高档大型碳材料的技术要求，并极大地节约了运行过程中的氮气消耗。

附图说明

图1为本发明横切剖面结构示意图；

图2为本发明纵切剖面结构示意图。

图中：1冷却水进口  2电极冷却水套  3炉衬  4加热电极  5电极连接组件  6炉膛  7碳纤维  8陶瓷支撑 9夹层炉壳  10冷却水出口  11耐火砖  12保温砖  13气封风机  14氮气补入管  15迷宫密封。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1、图2中，本发明的新型碳纤维生产用复合碳化炉，其炉体为全密封形式，炉体设有夹层炉壳9，在夹层炉壳9内为陶瓷纤维和碳纤维毡体多段复合而成的炉衬3；炉体中部设有炉膛6，炉膛6为多段陶瓷和高密度石墨板组成的积木式结构形式，其内放置碳纤维7；在炉膛6上部设有陶瓷和碳电极复合使用形式的加热装置，加热装置的电极引出端为碳/碳复合材料，炉体两端炉口设封闭循环式迷宫密封装置。加热装置为加热电极4，它安装在陶瓷支撑8上，其上有电极连接组件5，加热电极4引出端与电极冷却水套2连接，电极冷却水套2与夹层炉壳9连通，夹层炉壳9上设有冷却水进口1和冷却水出口10；同时炉体的炉口密封处全部配有冷却水套。炉膛6的下部的耐火保温装置为耐火砖11和保温砖12。

炉衬3由陶瓷纤维和碳纤维毡体多段复合而成，炉膛6为多段陶瓷板和高密度石墨板组成的积木式结构形式，加热电极4为陶瓷和碳电极复合使用形式，电极引出端为碳/碳复合材料。两端炉口设封闭循环式密封装置，它包括炉体两端炉口处的迷宫密封15，它与氮气补入管14连接，氮气补入管14与气封风机13连接，由一个循环泵封闭高纯度氮气形成高压气封，通过补充部分新鲜氮气保证氮气气封效果。

炉衬3宽度一般不低于200mm，温区数量不低于6个，由陶瓷纤维和碳纤维毡体多段复合而成，前端三个温区和末端最后一个温区为低温区，最高温度不高于1300℃，其他温区为高温区，最高温度1600℃，所有低温区炉衬保温材料从里到外依次为莫来石纤维、氧化锆纤维、氧化铝纤维三层复合结构或耐火度不低于1300℃的类似无机保温材料组成，总厚度不低于100mm；所有高温区炉衬保温材料从里到外依次为碳素纤维毡层压块组合体、莫来石纤维、氧化锆纤维、氧化铝纤维四层复合结构或耐火度不低于1600℃的类似碳材料及耐火度不低于1300℃的无机保温材料组成，总厚度不低于100mm。

炉膛6宽度一般不低于100mm，温区数量不低于6个，由多段无机耐热陶瓷和高密度石墨板组成的积木式结构形式组成。前端三个温区和末端最后一个温区为低温区，最高使用温度1300℃，炉膛为无机耐热陶瓷板组合体，所用陶瓷为碳化硅或氧化铝或氧化锆或硅化钼或耐火度不低于1300℃的类似无机材料板材；其他温区为高温区，最高温度1600℃，炉膛为石墨板或碳/碳复合材料板组合体，陶瓷炉膛与陶瓷炉膛之间、陶瓷炉膛和碳炉膛之间，碳炉膛和碳炉膛之间连接处用耐火粘结剂粘接在一起，耐火粘结剂可以是无机胶，也可以是含有石墨的类似胶体。

加热电极4长度不低于300mm，1300℃温区部分电极为陶瓷电极，材质为碳化硅或硅化钼，1600℃温区部分电极为碳电极，为多块复合式结构，碳电极为高密度等静压石墨或高密度碳/碳复合材料，碳电极的接线端为碳纤维层压板经烧结而成的碳/碳复合材料，与碳电极接触部分或碳电极块之间用石墨螺栓连接起来。

实施例1：

利用冷轧镀锌钢板加工炉体夹层炉壳9，利用碳钢钢管附焊在要求密封的壳体周围，利用硅碳棒作为低温区发热元件；利用2mm厚，50mm宽碳/碳复合材料板条作为支撑，内附3块10mm厚，200mm长，50mm宽高密度石墨体组合而成复合材料加热电极4，组成发热段总长600mm，宽度50mm的碳发热体；利用20mm厚石墨板材，拼接成内腔400mm×200mm×500mm(宽×高×长)的高温区腔体，利用20mm厚碳化硅板材，拼接成内腔400mm×200mm×500mm(宽×高×长)的低温区腔体，接缝处用无机高温粘结剂粘接牢靠。夹层炉壳9和炉膛6间在高温区填充碳纤维毡层、莫莱士纤维毡层、氧化锆纤维毡层和氧化铝纤维毡层，夹层炉壳9和炉膛6间在低温区填充碳纤维毡层、莫莱士纤维毡层、氧化锆纤维毡层和氧化铝纤维毡层；最后封闭炉顶，确保密闭。炉口采用流量1000立方/小时的高压密闭循环风机两台作为气封循环泵，分别与两端的氮气气封连接。在所有电热元件引出端及炉口密封出均采用耐热橡胶封闭圈密闭。将此炉型加工成6区控温，温度控制在1100℃，1200℃，1300℃，1500℃，1600℃，1100℃，烧制出的碳纤维强度超过3500MPa，实际应用效果良好。

实施例2：

利用普通热轧钢板加工炉体夹层炉壳9，利用碳钢钢管附焊在要求密封的壳体周围，利用硅钼棒作为低温区发热元件；利用3mm厚，100mm宽碳/碳复合材料板条作为支撑，内附5块20mm厚，300mm长，100mm宽石墨体组合而成复合材料加热电极4，组成发热段总长1500mm，宽度100mm的碳复合发热体；利用30mm厚石墨板材，拼接成内腔1400mm×200mm×500mm(宽×高×长)的高温区腔体，利用30mm厚氧化铝板材，拼接成内腔1400mm×200mm×500mm(宽×高×长)的低温区腔体，接缝处用无机高温粘结剂粘接牢靠。夹层炉壳9和炉膛6间在高温区填充碳纤维毡层、莫莱士纤维毡层、氧化锆纤维毡层和氧化铝纤维毡层，炉壳和炉膛间在低温区填充碳纤维毡层、莫莱士纤维毡层、氧化锆纤维毡层和氧化铝纤维毡层；最后封闭炉顶，确保密闭。炉口采用流量5000立方/小时的高压密闭循环风机两台作为气封循环泵，分别与两端的氮气气封连接。在所有电热元件引出端及炉口密封出均采用耐热橡胶封闭圈密闭。将此炉型加工成8区控温，温度控制在1100℃，1200℃，1300℃，1400℃，1500℃，1600℃，1600℃，1100℃，烧制出的碳纤维强度超过3800MPa，实际应用效果良好。

Claims (6)

1.一种新型碳纤维生产用复合碳化炉，其特征为，它有全密封式炉体，炉体设有夹层炉壳，内通冷却水，在夹层炉壳内为陶瓷纤维和碳纤维毡体多段复合而成的炉衬；炉衬中部设有炉膛，炉膛为多段陶瓷和高密度石墨板组成的积木式结构，炉膛下部为耐火保温装置；在炉膛上方设有陶瓷和碳电极复合的加热装置，炉体两端炉口设封闭循环式迷宫密封装置。

2.根据权利要求1所述的新型碳纤维生产用复合碳化炉，其特征为，所述加热装置为加热电极，它安装在陶瓷支撑上，加热电极上设有电极连接组件，加热电极引出端为碳/碳复合材料并与电极冷却水套连接，电极冷却水套与夹层炉壳连通，夹层炉壳上设有冷却水进口和冷却水出口；同时炉体的炉口密封处全部配有冷却水套。

3.根据权利要求1所述的新型碳纤维生产用复合碳化炉，其特征为，所述炉衬宽度不低于200mm，分为至少六个温区：炉衬前端三个温区和末端最后一个温区为低温区，最高温度不高于1300℃，其他温区为高温区，最高温度1600℃；所有低温区炉衬从里到外依次为碳纤维毡层、莫莱士纤维毡层、氧化锆纤维毡层和氧化铝纤维毡层，总厚度不低于100mm；所有高温区炉衬从里到外依次为碳素纤维毡层压块组合体、莫来石纤维、氧化锆纤维、氧化铝纤维四层复合结构，总厚度不低于100mm。

4.根据权利要求1所述的新型碳纤维生产用复合碳化炉，其特征为，所述炉膛宽度不低于100mm，分为至少六个温区：炉膛前端三个温区和末端最后一个温区为低温区，最高使用温度1300℃；其他温区为高温区，最高温度1600℃；低温区炉膛为无机耐热陶瓷板组合体，所用陶瓷为碳化硅或氧化铝或氧化锆或硅化钼或耐火度不低于1300℃的无机材料板材；高温区炉膛为石墨板组合体；陶瓷板与陶瓷板之间、陶瓷板与石墨板之间，石墨板与石墨板之间连接处用耐火粘结剂粘接在一起。

5.根据权利要求2所述的新型碳纤维生产用复合碳化炉，其特征为，所述加热电极长度不低于300mm，1300℃温区部分电极为陶瓷电极，材质为碳化硅或硅化钼；1600℃温区部分电极为碳电极，由多块复合式结构；碳电极为高密度等静压石墨或高密度碳/碳复合材料，碳电极的接线端为碳纤维层压板经烧结而成的碳/碳复合材料，与碳电极接触部分或碳电极块之间用石墨螺栓连接起来。

6.根据权利要求1所述的新型碳纤维生产用复合碳化炉，其特征为，所述封闭循环式迷宫密封装置包括炉体两端炉口处的迷宫密封，它与氮气补入管连接，氮气补入管与气封风机连接，由一个循环泵封闭高纯度氮气形成高压气封，通过补充部分新鲜氮气保证氮气气封效果。

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