CN101956250A - 一种用于生产连续碳纤维的低温碳化炉 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种用于生产连续碳纤维的低温碳化炉，包括炉体、设置在炉体内的炉膛、炉体和炉膛之间的依次设置的保温层、耐火层和加热元件以及设置在炉体上贯通炉膛和大气的排气管，靠近束丝入口的炉膛上壁面与水平面成2～30°夹角且该处炉膛上壁面的高度沿纤维丝束运行方向线性增加。本发明解决了现有碳化炉的炉膛结构不合理导致碳纤维碳化时的产生的废气排出不畅、废气堆积的技术问题，本发明保证了预氧化纤维碳化过程的稳定化和连续化，提高碳纤维的生产效率。

Description

一种用于生产连续碳纤维的低温碳化炉

技术领域

本发明属于新型材料生产领域，涉及一种碳纤维生产设备，具体地说是一种用于生产连续碳纤维的低温碳化炉。

背景技术

碳纤维是一种新型碳材料，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、抗蠕变、低热膨胀、高导电和导热、自润滑等一系列优异性能；而且作为纤维还具有柔软性和可编、可纺织性，被广泛应用于航天航空、国防军事等尖端领域以及高级体育休闲用品、医疗器械等民用工业，成为先进复合材料的主要增强体之一，被誉为21世纪中最有生命力的新型材料。

在聚丙烯腈(PAN)基碳纤维生产过程中，通常将PAN原丝在200-300℃空气气氛中进行预氧化处理制得预氧化纤维，然后将预氧化纤维先后在300-900℃和1000-1800℃的惰性气氛中分别进行低温碳化和高温碳化处理制得含碳量在90％以上的碳纤维，接着将上述碳纤维在2000-3000℃惰性气氛中进行石墨化处理而制得高模量碳纤维(也称石墨纤维)。其中，在上述碳化过程中，预氧化纤维由耐热梯形结构通过交联、缩聚等反应转化为具有乱层石墨结构的碳纤维；伴随着上述结构转化，约有30-40％的质量(相对于预氧化纤维)以碳化废气和小分子副产物的形式热解逸出，并随碳化炉内的惰性气体一起通过排气口排出到碳化炉外的废气处理系统。如图1所示，为原有低温碳化炉的结构示意图，其中，(a)为碳化炉工作过程中产生的碳化废气及其流向示意图，(b)为碳化过程中焦油等附着物在碳化炉的丝束进口和出口的内侧、顶部及其周围的附着情况，并表明这些附着物下滴在碳纤维上的状态；从图1中可以看出，在碳纤维生产过程中，由于碳化炉的炉膛2结构设计不合理，致使碳化废气14排出不畅，部分碳化废气14在炉内冷凝成焦油15附着在碳化炉的丝束进口11和丝束出口12的内侧、顶部及其周围处；焦油15在炉内壁沉积一定程度将出现焦油下滴，污染纤维丝束10，轻则变硬、发脆，重则断丝，从而影响碳纤维的连续化生产，降低碳纤维的生产效率。

发明内容

为了解决现有碳化炉的炉膛结构不合理导致碳纤维碳化时的产生的废气排出不畅、废气堆积的技术问题，本发明提供一种用于生产连续碳纤维的低温碳化炉。

本发明的技术解决方案为：

一种用于生产连续碳纤维的低温碳化炉，包括炉体1、设置在炉体1内的炉膛2、炉体1和炉膛2之间的依次设置的保温层4、耐火层3和加热元件5以及设置在炉体上贯通炉膛和大气的排气管6，其特殊之处在于：所述靠近束丝入口11的炉膛上壁面与水平面成2～30°夹角且该处炉膛上壁面的高度沿纤维丝束10运行方向线性增加。

上述靠近束丝入口11的炉膛上壁面与水平面成5～20°夹角。

上述靠近束丝出口12的炉膛的上壁面与水平面成2～30°夹角且该处炉膛上壁面的高度沿纤维丝束10运行方向线性减小。

上述靠近束丝出口12的炉膛的上壁面与水平面成5～20°夹角。

本发明所具有的有益效果：

本发明通过将用于生产连续碳纤维的低温碳化炉的炉膛的左侧上壁面和右侧上壁面设计成与水平面成2～30°夹角，可将预氧化纤维在碳化过程中产生的废气等物质及时排出炉外，避免由于废气长时间在炉膛内低温处停留而凝结为焦油，进而防止焦油等物质在炉膛内壁附着、下滴，污染纤维，致使纤维性能下降、丝束断裂。保证了预氧化纤维碳化过程的稳定化和连续化，提高碳纤维的生产效率。

附图说明

图1是现有低温碳化炉结构示意图；其中a为废气堆积的过程示意图，b为焦油在炉膛内壁附着的结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

其中：1-炉体，2-炉膛，3-耐火层，4-保温层，5-加热元件，6-排气管，7-炉外壳，8-密封装置，10-纤维丝束，11-丝束进口，12-丝束出口，13-惰性气体进口，14-废气，15-焦油。

具体实施方式

本发明用于生产连续碳纤维的碳化炉如图2所示，包括炉膛2、耐火层3、保温层4、加热元件5、排气管6、炉外壳7、碳化炉两端设置有密封装置8。其中，炉膛2为一矩形横截面，采用耐高温、耐腐蚀性材料制成；在炉外壳7与炉膛2之间由内至外设置有加热元件5、耐火层3和保温层4；加热元件5用于在纤维丝束10运行方向形成由低至高的温度梯度；碳化炉炉体1上还设置有惰性气体进口13，密封装置8通过法兰、紧固件等与碳化炉炉体1的丝束进口11和丝束出口12相连接，用于保证炉内呈微正压惰性气氛，抑制炉外室内空气渗入炉内，同时防止炉内的碳化废气经碳化炉丝束进口11和丝束出口12排放至炉外；排气管6设置在炉膛2的顶部，并向上穿过耐火层3、保温层4、炉外壳7，延伸至碳化炉炉体1外一定距离。

碳化炉炉体1的炉膛2为纤维丝束10完成其低温碳化工艺的场所，主要由纤维丝束进口段I、导入段II、主体段III、导出段IV、出口段V等五部分组成。其中，纤维丝束10导入段的炉膛上壁面与水平面具有一定的夹角α，一般α取2～30°，最好5～20°，并且纤维丝束10导入段的炉膛上壁面距碳纤维10在平面的距离沿纤维丝束10运行方向线性增加；纤维丝束10主体段的炉膛上壁面呈水平状态，其上壁面高度与纤维丝束导入段末端的炉膛上壁面高度一致；纤维丝束导出段的炉膛上壁面与水平面具有一定的夹角β，一般β取2～30°，最好5～20°，并且纤维丝束导出段的炉膛上壁面沿纤维丝束10运行方向线性减小；纤维丝束导入段下方设置惰性气体进气部分13，用于向炉内通入一定量的惰性气体，保证炉内呈微正压惰性气氛的同时带走预氧化纤维10在碳化过程中所产生的废气14，最终经上述排气管6排入炉外的废气处理系统；惰性气体的进气方向应沿炉内纤维丝束10的运行方向，且进气量在炉膛2横截面内均匀分布更好。

排气管6设置在炉膛2的顶部，并且靠近炉膛纤维丝束主体段III的末端处。

加热元件5由多段组成，在炉膛2内的纤维丝束10运行方向形成由低至高的温度梯度，其温度范围为300℃-900℃；加热元件5的种类及形状没有特殊规定，通常采用高温电炉丝，其形状可采用棒状、板状、面状或蛇形状。

采用本发明的碳化炉工作时，将纤维丝束10经密封装置8、碳化炉的丝束进口11导入炉膛2内，然后经碳化炉的丝束出口12、密封装置8将碳纤维导出碳化炉，完成预氧化纤维的低温碳化处理。在上述处理过程中，将产生废气14，由于炉膛纤维丝束导入段II和导出段IV的空间区域狭窄，废气不易停留，例如，在惰性气体驱动力的作用下沿着气体通路向炉膛纤维丝束出口段V方向移动，最终从排气管6排入炉外的废气处理系统。

下面采用具体的实施例对本发明作更加详细的说明。

如图2所示，在本发明的低温碳化炉内对PAN基预氧化纤维10进行低温碳化处理，纤维运行速度为60m/h。碳化炉的炉膛2总长度L为10m，其中，纤维丝束进口段I、导入段II、主体段III、导出段IV和出口段V的长度分别为0.5m(L_I)、0.6m(L_II)、7.8m(L_III)、0.6m(L_IV)、0.5m(L_V)，排气管6右侧壁面距纤维丝束主体段III末端的长度l为0.1m；炉膛2横截面总高度H为0.18m，其中，纤维丝束进口段I截面高度H_I为0.08m、纤维丝束导入段II横截面内纤维丝束10运行所在平面距炉膛2上壁面的高度由0.04m线性增加至0.14m(H_II)、主体段III横截面内纤维丝束10运行所在平面至炉膛2上壁面的高度为0.14m、纤维丝束导出段IV横截面内纤维丝束10运行所在平面距炉膛2上壁面的高度由0.14m(H_III)线性减小至0.04m、纤维丝束出口段V截面高度H_V为0.08m，纤维丝束导入段II的炉膛上壁面与碳纤维10所在平面的夹角α为9.5°、纤维丝束导出段IV的炉膛上壁面与纤维丝束10所在平面的夹角β为9.5°；炉膛2横截面总宽度B为0.6m；低温碳化炉内的加热元件5由多段组成，可炉膛2内的纤维丝束10的运行方向形成由低到高的温度梯度，其温度范围为300～900℃，并且最多可设定6个温区。

在上述条件下，本发明的低温碳化炉连续运行两个月，炉膛2内未发现焦油等物质下滴、污染纤维现象；停止运行、检查低温碳化炉1的炉膛2，结果发现在纤维丝束导入段、导出段等处仅有极其轻微的附着物沉积。

Claims (4)

1.一种用于生产连续碳纤维的低温碳化炉，包括炉体(1)、设置在炉体(1)内的炉膛(2)、炉体(1)和炉膛(2)之间的依次设置的保温层(4)、耐火层(3)和加热元件(5)以及设置在炉体上贯通炉膛和大气的排气管(6)，其特征在于：所述靠近束丝入口(11)的炉膛上壁面与水平面成2～30°夹角且该处炉膛上壁面的高度沿纤维丝束(10)运行方向线性增加。

2.根据权利要求1所述的用于生产连续碳纤维的低温碳化炉，其特征在于：所述靠近束丝入口(11)的炉膛上壁面与水平面成5～20°夹角。

3.根据权利要求1或2所述的用于生产连续碳纤维的低温碳化炉，其特征在于：所述靠近束丝出口(12)的炉膛的上壁面与水平面成2～30°夹角且该处炉膛上壁面的高度沿纤维丝束(10)运行方向线性减小。

4.根据权利要求2所述的用于生产连续碳纤维的低温碳化炉，其特征在于：所述靠近束丝出口(12)的炉膛的上壁面与水平面成5～20°夹角。

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