CN103898634A

CN103898634A - 一种碳纤维生产用高温碳化炉

Info

Publication number: CN103898634A
Application number: CN201410119772.7A
Authority: CN
Inventors: 汤勇; 谢颖熙; 陆龙生; 万珍平; 袁伟; 李宗涛; 钟亮
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2034-03-27
Also published as: CN103898634B

Abstract

本发明公开一种碳纤维生产用高温碳化炉，包括炉膛、加热电极、保温系统和炉壳；炉膛由石墨板分段搭接形成的空腔，多个加热电极间隔从纵向截面外周围绕炉膛设置，保温系统由外到内由陶瓷纤维毡、隔热涂层、石墨硬毡和高温红外线热反射涂层构成；加热电极与石墨硬毡之间涂覆高温红外线热反射涂层，陶瓷纤维毡与石墨硬毡之间涂覆隔热涂层；隔热涂层的厚度在8mm～18mm之间；保温系统外层由炉壳包裹。本发明炉膛的温度由加热电极分段独立控制，通过隔热涂层、石墨硬毡和高温红外线热反射涂层的巧妙设计，保证炉膛工作温度在800℃～1700℃之间，具有工作温度高，性能稳定，能耗小，维护方便等优点。

Description

一种碳纤维生产用高温碳化炉

技术领域

本发明涉及一种碳化炉，特别是涉及一种新型高温碳化炉，适用于预氧化原丝高温碳化工序的的碳纤维规模化生产；属于高温加热设备技术领域。

背景技术

碳纤维及碳纤维制品具有重量轻、强度高、热稳定性好和尺寸稳定等优异性能，所以被广泛用于宇宙飞行器及航天航空领域作为主要结构的增强材料。

碳纤维生产过程中，高温碳化设备极其关键。碳化炉因为具有工作温度高，对碳纤维的性能影响大，综合技术水平要求高等特点，成为大型规模化生产线中的关键设备。由于碳纤维高温碳化设备在我国起步较晚，发达国家对我国高温碳化设备进行技术限制严重阻碍了我国碳纤维产业健康发展。

目前碳纤维生产用高温碳化炉中，加热元件的材质是硅碳或硅钼，炉膛为碳化硅或刚玉材质，保温材料为硅酸铝棉，炉壳为单层碳钢。最高使用温度不超过1400℃；炉型保温性能差，耗能严重；炉体气密性差，炉膛寿命短，不能满足制备更高模量碳纤维的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现在的技术不足，提供一种适用于规模化生产，工作温度高，保温性能好的碳纤维的高温碳化炉，能够满足规模化碳纤维生产的需要。

本发明目的通过以下的技术方案实现：

一种碳纤维生产用高温碳化炉，包括炉膛、加热电极、保温系统和炉壳；炉膛由石墨板分段搭接形成的空腔，多个加热电极间隔从纵向截面外周围绕炉膛设置，炉膛至少设置2个温区；保温系统由外到内由陶瓷纤维毡、隔热涂层、石墨硬毡和高温红外线热反射涂层构成；加热电极与石墨硬毡之间涂覆高温红外线热反射涂层，高温红外线热反射涂层的涂覆厚度在5mm～20mm之间；陶瓷纤维毡与石墨硬毡之间涂覆隔热涂层；隔热涂层的厚度在8mm～18mm之间；保温系统外层由炉壳包裹，炉壳为气密性的夹层结构，内层中空；炉壳上设有冷却水入口和冷却水出口，炉壳内设有冷却水通道；高温碳化炉横向截面方向间隔设有多个碳纤维出入口，碳纤维出入口设有密封装置。

优选地，所述冷却水入口设置在炉壳的左侧，冷却水出口设置在炉壳的右侧。所述冷却水入口设置在炉壳的下层，冷却水出口设置在炉壳的上层。所述冷却水通道为蛇形通道。所述石墨硬毡截面为矩形，转角为圆角。所述高温红外线热反射涂层的截面为矩形，转角为圆。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1）本发明本发明炉膛的温度由加热电极分段独立控制，炉膛至少设置2个温区，且通过隔热涂层、石墨硬毡和高温红外线热反射涂层的巧妙设计，保证炉膛工作温度在800℃～1700℃之间，具有工作温度高，性能稳定，能耗小，维护方便等优点。

2）本发明与现有技术相比，为规模化生产高性能碳纤维提供了一种低能耗，高温度，性能稳定，安全可靠，维护方便的高温碳化设备。

3）本发明可以满足规模化生产高性能碳纤维的需求，带动了国内碳纤维设备、技术的快速发展。

附图说明

图1为碳纤维生产用高温碳化炉的结构示意图；

图2为图1中A‐A截面的截面图；

图中示出：冷却水入口 1、炉壳 2、陶瓷纤维毡 3、隔热涂层 4、石墨硬毡 5、高温红外线热反射涂层 6、加热电极 7、石墨板 8、炉膛 9、碳纤维 10、冷却水出口 11和密封装置 12。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1、2所示，一种碳纤维生产用高温碳化炉，包括炉膛9、加热电极7、保温系统和炉壳；炉膛9由石墨板8分段搭接形成的空腔，多个加热电极7间隔从纵向（图1中左右方向）截面外周围绕炉膛9设置，对炉膛9加热；保温系统由外到内，由陶瓷纤维毡3，隔热涂层4，石墨硬毡5和高温红外线热反射涂层6构成；加热电极7与石墨硬毡5之间涂覆高温红外线热反射涂层6，高温红外线热反射涂层的涂覆厚度在5mm～20mm之间；石墨硬毡5截面为矩形，转角为圆角。高温红外线热反射涂层6截面为矩形，转角为圆角。陶瓷纤维毡3与石墨硬毡5之间涂覆隔热涂层4；隔热涂层4的厚度在8mm～18mm之间；保温系统外层由炉壳2包裹，炉壳2为气密性的夹层结构，内层中空；炉壳上设有冷却水入口1和冷却水出口11，炉壳2内设有冷却水通道，内通冷却水；高温碳化炉横向截面方向间隔设有多个碳纤维出入口，碳纤维出入口设有密封装置12；碳纤维10从高温碳化炉横向截面方向（图1中前后方向）的碳纤维入口进入，贯通炉膛9，从碳纤维出口引出。炉口为宽炉口，炉口的宽度在0.8m～2.2m之间。

优选地，冷却水入口1设置在碳化炉左侧，冷却水出口11设置在碳化炉右侧；冷却水入口1设置在碳化炉下层，冷却水出口11设置在碳化炉上层。炉壳2内部设置蛇形是水路通道，冷却水沿着水路通道对炉体进行冷却。

密封装置12是气帘密封装置，在密封装置的上下端设置气帘碰头，高压工业氮气从喷头喷出产生气帘，使碳化炉内部气氛和外部空气隔绝，达到密封效果。该密封装置在高温熔炼的设备使用较多。

隔热涂层4是北京志盛威华化工有限公司的ZS-1耐高温隔热保温材料，是一种粉末状的复相硅聚合物材料，可以跟石墨硬毡5与陶瓷纤维毡3形成良好的结合面。

高温红外线热反射涂层6是北京志盛威华化工有限公司的ZS-1061耐高温远红外辐射涂料，一种工作温度可达1700℃纳米硅酸盐材料。

石墨板8把炉膛9分隔成多个温区，炉膛9的温度由加热电极7分段独立控制；炉膛9至少分隔2个温区，通常分隔成5个温区，分别为：800℃、1200℃、1500℃、1200℃、800℃。设置多个温区是为了在碳化炉的炉膛9形成缓慢变化的温度场，以利于碳纤维内部分子结构的转变。炉膛9的工作温度在800℃～1700℃之间。

高温碳化炉由加热电极7对炉子内腔加热，加热后，炉膛9工作温度在800℃～1700℃之间，对加热电极7的加热温度进行控制，炉膛9内形成至少两个温区。碳纤维10从炉膛9内部穿过被加热。保温系统对炉子腔体高温区进行保温，保温系统外是炉壳2，高温碳化炉两端炉口设密封装置12，如图2所示，防止外部气体进入。

在加热电极7与石墨硬毡5之间涂覆一层高温红外线热反射涂层6，高温红外线热反射涂层使携带了大量能量的红外线在炉子腔体能反射而防止能量逃逸。为了使红外线反射更加充分和炉腔加热温度稳定均匀，石墨硬毡和高温红外线热反射涂层截面的内表面为圆角矩形。陶瓷纤维毡3和石墨硬毡5用于隔热保温，另外在陶瓷纤维毡和石墨硬毡之间涂覆一层复相硅聚合物隔热涂层4，与陶瓷纤维毡3和石墨硬毡5形成良好的结合面，起更好的隔热效果。

炉壳2为钢的气密夹层结构，内通冷却水以降低炉体外壁的温度，冷却水从冷却水入口1进入，从冷却水出口12流出。

Claims

1.一种碳纤维生产用高温碳化炉，其特征在于，包括炉膛、加热电极、保温系统和炉壳；炉膛由石墨板分段搭接形成的空腔，多个加热电极间隔从纵向截面外周围绕炉膛设置，炉膛至少设置2个温区；保温系统由外到内由陶瓷纤维毡、隔热涂层、石墨硬毡和高温红外线热反射涂层构成；加热电极与石墨硬毡之间涂覆高温红外线热反射涂层，高温红外线热反射涂层的涂覆厚度在5mm～20mm之间；陶瓷纤维毡与石墨硬毡之间涂覆隔热涂层；隔热涂层的厚度在8mm～18mm之间；保温系统外层由炉壳包裹，炉壳为气密性的夹层结构，内层中空；炉壳上设有冷却水入口和冷却水出口，炉壳内设有冷却水通道；高温碳化炉横向截面方向间隔设有多个碳纤维出入口，碳纤维出入口设有密封装置。

2.根据权利要求1所述的碳纤维生产用高温碳化炉，其特征在于；所述冷却水入口设置在炉壳的左侧，冷却水出口设置在炉壳的右侧。

3.根据权利要求2所述的碳纤维生产用高温碳化炉，其特征在于；所述冷却水入口设置在炉壳的下层，冷却水出口设置在炉壳的上层。

4.根据权利要求1所述的碳纤维生产用高温碳化炉，其特征在于；所述冷却水通道为蛇形通道。

5.根据权利要求1所述的碳纤维生产用高温碳化炉，其特征在于；所述石墨硬毡截面为矩形，转角为圆角。

6.根据权利要求1所述的碳纤维生产用高温碳化炉，其特征在于；所述高温红外线热反射涂层的截面为矩形，转角为圆角。