CN104760953B - 一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，由石墨化腔、淬火腔、激光加热系统、密封系统、纤维输送系统和安全附件六部分组成，激光加热系统位于石墨化腔内，石墨化腔与淬火腔通过密封系统相连，纤维输送系统带动纤维分别穿过石墨化腔、密封系统和淬火腔。本发明一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉采用激光加热大大提高了石墨化效率，避免热量损失，降低生产成本和能源消耗，产品质量稳定，操作安全；液氩淬火过程使石墨化纤维结晶更加致密，大大提高了纤维的强度和韧性；磁流体螺纹密封安全可靠，无泄漏，易维护，能够更好地将石墨化炉与外界大气隔离开，为石墨化过程提供无氧环境，保证碳纤维质量。

Description

一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉

技术领域

本发明涉及一种带淬火功能的激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，特别是涉及石墨化后碳纤维的淬火过程以及密封系统，属于碳纤维石墨化加工领域。

背景技术

碳质材料的碳原子为不规则排列，只有通过2000～3300℃的高温热处理，使碳原子发生再结晶，重新有序排列，才能呈现石墨的晶体结构，从而具有石墨的许多优良性能。石墨化炉的功能就是使碳质材料转化为人造石墨材料，例如为钢铁冶炼、铝冶炼、负极材料、其它有色金属行业、核工业等提供优质碳元素的石墨材料。

目前，使用得最为广泛的石墨化炉是艾奇逊炉。艾奇逊炉为敞开式长方形炉体结构，生产过程为将碳化物纵向或横向并列，并在碳化物的周围填充冶金焦和石英沙，在炉体的长度方向通电，利用焦碳的电阻发热，最终使被加热物本身也产生电阻发热；在焦碳的外围再用焦粉、碳黑、硅砂、焦碳、碳化硅混合物等衬料进行热屏蔽以隔热。但是，艾奇逊炉为卧式、敞开式结构，热能损耗严重，所耗电能按变量单耗为20～40GJ/T，并且产品纯度不高；炉体冷却时间长石墨化过程在通电加热时需2～7天，但要使大量的填料焦碳冷却，需要2周左右的较长时间，进行喷水强制冷却对环境污染影响大，效率低；产品受热不均，质量不稳定；高温过程中排放的二氧化硫气体无法收集治理，造成环境污染。

为避免高温下碳纤维被氧化，石墨化炉内部为无氧环境，必须将石墨化炉与外界大气隔离开来，需要一种动密封装置。以往大多采用的是非接触式迷宫密封装置，该种密封方式的工作原理是：迫使流体通过曲折的途径，递减其压力，以减少泄露，实现密封。非接触式迷宫密封的结构复杂，拆装困难，用于气体密封时有一定泄露，密封效率较低。

磁流体密封是利用在外加磁场作用下磁流体具有承受压力差的能力而实现的密封。一般情况下，磁性回路由永久磁铁、极靴和转轴组成。放置在导磁性良好的转轴与极靴顶部之间的磁流体在高性能的永久磁铁产生的磁场作用下高度集中，形成一个液体O型密封圈，当磁流体受到压力差作用时，磁流体在非均匀磁场中略微移动，产生了对抗压力差的磁力，从而达到新的平衡，进而将转轴与极靴间的缝隙堵死而达到密封的目的。

磁流体密封中的转轴可以是磁性体，也可以是非磁性体。前者的磁束集中于转轴与极靴间的缝隙处，通过转轴构成磁性回路；后者的磁束并不通过转轴，而是通过缝隙中的磁流体构成磁性回路。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种带淬火功能的激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，利用纤维输送系统将纤维输送至石墨化腔，激光加热系统对纤维加热，实现石墨化，石墨化后的高温纤维进入淬火腔，采用液氩对其进行淬火处理，最后用碳纤维卷曲收集装置收集淬火后的碳纤维。同时，整个装置采用磁流体螺纹密封与大气隔绝。激光加热提高了石墨化效率，降低生产成本和能源消耗，淬火过程使石墨化纤维结晶更加致密，大大提高了纤维的强度和韧性，磁流体螺纹密封安全可靠，无泄漏，易维护，能够更好地将石墨化炉与外界大气隔离开，为石墨化过程提供无氧环境，保证碳纤维质量。

为实现上述功能，本发明采用的技术方案如下：一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，由石墨化腔、淬火腔、激光加热系统、密封系统、纤维输送系统和安全附件六部分组成，由石墨化腔、淬火腔、激光加热系统、密封系统、纤维输送系统和安全附件六部分组成，激光加热系统位于石墨化腔内，石墨化腔与淬火腔通过密封系统相连，纤维输送系统带动纤维分别穿过石墨化腔、密封系统和淬火腔，石墨化腔包括：炉壁、端部法兰、连接法兰、鞍座、真空泵、石墨套筒和手孔；淬火腔包括：淬火腔体、液氩入口和液氩出口；激光加热系统包括：激光源、安装架、无机玻璃板和平面镜；密封系统包括：紧固螺钉、O型圈、密封端盖、磁流体、橡胶垫圈、永久磁体、非导磁安装套筒、螺纹极靴和橡胶垫片；纤维输送系统包括：纤维输送装置和碳纤维卷曲收集装置；安全附件包括压力传感器和温度传感器，压力传感器和温度传感器安装在炉壁上。石墨化腔提供纤维高温石墨化的场所，淬火腔内将石墨化后的高温碳纤维通过液氩冷却淬火，激光加热系统提供石墨化所需要的高温环境，密封系统采用磁流体螺纹密封装置将石墨化炉内的无氧环境与外界大气隔绝，纤维输送系统将纤维持续输送进入石墨化炉，安全附件用于检测设备是否正常运行。纤维输送装置将碳化后的纤维输送进入石墨化腔，激光聚焦在石墨化腔轴线上，使该部位温度达到3200℃，纤维石墨化，然后石墨化纤维进入淬火腔，通过液氩提供的低温环境对碳纤维进行淬火，最后由碳纤维卷曲收集装置收集高强度碳纤维，整个装置采用磁流体螺纹密封装置。

本发明一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，石墨化腔内装有激光加热系统，由激光提供高温环境，无机玻璃板装在安装架上，每个无机玻璃板一端装有激光源，无机玻璃板上装有多组平面镜，激光源发射的激光通过平面镜汇聚在石墨化腔轴线方向，通过调节无机玻璃板组数和平面镜角度控制石墨化腔内温度高低。可根据需要选择无机玻璃板组数，如四组或更多偶数组。

本发明一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，纤维输送系统始终对纤维提供牵引力，使纤维在整个装置中匀速前进，速度可根据石墨化程度适量调节，同时牵引作用对纤维产生拉伸强化，提高纤维轴线方向的强度。

本发明一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，淬火腔与石墨化腔通过连接法兰连接，淬火腔内通过液氩提供低温环境，同时，气化产生的氩气通过石墨化腔与淬火腔连接处的缝隙补充进入石墨化腔，确保石墨化腔内的无氧环境。淬火腔内装有压力传感器，随时监控淬火腔内压力高低，当淬火腔达到0.2MPa时控制激光源和纤维卷曲收集装置、纤维输送装置正常工作，否则自动停止运行。

本发明一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，密封系统采用磁流体螺纹密封装置，非导磁安装套筒贯穿淬火腔体，并通过紧固螺钉进行固定，在非导磁安装套筒内装有永久磁体、螺纹极靴和磁流体，磁流体在永久磁体产生的磁场作用下被约束在磁场中，从而填满螺纹极靴的螺纹和孔洞，碳纤维穿过磁流体被密封。螺纹极靴内孔为螺纹孔，螺纹孔内盛满磁流体，碳纤维从螺纹孔穿过。

本发明一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，石墨化炉正常工作时，先打开石墨化腔的真空泵，将石墨化腔和淬火腔抽真空，然后打开液氩入口处阀门，使液氩进入淬火腔，直至淬火腔处压力传感器检测结果达到0.2MPa时，控制系统自动打开激光源、纤维输送装置和碳纤维卷曲收集装置。纤维匀速通过石墨化腔和淬火腔，实现石墨化，并通过淬火提高强度。

本发明一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，磁流体螺纹密封装置正常工作时，永久磁体产生的磁场穿过螺纹极靴，从而使螺纹极靴螺纹孔中的磁流体处于磁场的约束下，填满螺纹极靴的螺纹和孔洞。通过螺纹孔中的磁流体、螺纹极靴和永久磁体构成磁回路。碳纤维穿过磁流体，而磁回路中的磁流体具有承受压力差的能力，能够阻挡外界气体进入炉内，从而实现激光隧道石墨化炉与大气之间的密封。

本发明一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，其优点和作用为：

(1)激光加热大大提高了石墨化效率，避免热量损失，降低生产成本和能源消耗，产品质量稳定，操作安全；

(2)液氩淬火过程使石墨化纤维结晶更加致密，大大提高了纤维的强度和韧性；

(3)磁流体螺纹密封安全可靠，无泄漏，易维护，能够更好地将石墨化炉与外界大气隔离开，为石墨化过程提供无氧环境，保证碳纤维质量。

附图说明

图1是本发明一种带淬火功能的激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉的结构图。

图2是图1的A-A截面图。

图3是本发明一种带淬火功能的激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉密封系统结构图。

图中：1-安装架，2-真空泵，3-手孔，4-压力传感器，5-温度传感器，6-端部法兰，7-连接法兰，8-液氩入口，9-淬火腔体，10-碳纤维卷曲收集装置，11-纤维，12-液氩出口，13-石墨套筒，14-无机玻璃板，15-鞍座，16-平面镜，17-炉壁，18-磁流体螺纹密封装置，19-纤维输送装置，20-激光源，21-紧固螺钉，22-O型圈，23-密封端盖，24-磁流体，25-橡胶垫圈，26-永久磁体，27-非导磁安装套筒，28-螺纹极靴，29-橡胶垫片。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明种带淬火功能的激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，由石墨化腔、淬火腔、激光加热系统、密封系统、纤维输送系统和安全附件六部分组成，石墨化腔包括：炉壁17、端部法兰6、连接法兰7、鞍座15、真空泵2、石墨套筒13、手孔3；淬火腔包括：淬火腔体9、液氩入口8、液氩出口12；激光加热系统包括：激光源20、安装架1、无机玻璃板14、平面镜16；密封系统包括：紧固螺钉21、O型圈22、密封端盖23、磁流体24、橡胶垫圈25、永久磁体26、非导磁安装套筒27、螺纹极靴28、橡胶垫片29；纤维输送系统包括：纤维输送装置19、碳纤维卷曲收集装置10；安全附件包括，压力传感器4、温度传感器5。石墨化腔提供纤维11高温石墨化的场所，淬火腔内将石墨化后的高温碳纤维通过液氩冷却淬火，激光加热系统提供石墨化所需要的高温环境，密封系统采用磁流体螺纹密封装置18将石墨化炉内的无氧环境与外界大气隔绝，纤维输送系统将纤维11持续输送进入石墨化炉，安全附件用于检测设备是否正常运行。纤维输送装置19将碳化后的纤维11输送进入石墨化腔，激光聚焦在石墨化腔轴线上,使该部位温度达到3200℃，纤维11石墨化，然后石墨化纤维进入淬火腔，通过液氩提供的低温环境对碳纤维进行淬火，最后由碳纤维卷曲收集装置19收集高强度碳纤维，整个装置采用磁流体螺纹密封装置18。

本发明一种带淬火功能的激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，石墨化腔内装有激光加热系统，由激光提供高温环境，无机玻璃板14装在安装架1上，每个无机玻璃板14一端装有激光源20，无机玻璃板14上装有多组平面镜16，激光源20发射的激光通过平面镜16汇聚在石墨化腔轴线方向，通过调节无机玻璃板14组数和平面镜16角度控制石墨化腔内温度高低。可根据需要选择无机玻璃板14组数，如四组或更多偶数组。

本发明一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，纤维输送系统始终对纤维11提供牵引力，使纤维11在整个装置中匀速前进，速度可根据石墨化程度适量调节，同时牵引作用对纤维11产生拉伸强化，提高纤维11轴线方向的强度。

本发明一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，淬火腔与石墨化腔通过连接法兰7连接，淬火腔内通过液氩提供低温环境，同时，气化产生的氩气通过石墨化腔与淬火腔连接处的缝隙补充进入石墨化腔，确保石墨化腔内的无氧环境。淬火腔内装有压力传感器4，随时监控淬火腔内压力高低，当淬火腔达到0.2MPa时控制激光源20和纤维卷曲收集装置10、纤维输送装置19正常工作，否则自动停止运行。

本发明一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，密封系统采用磁流体螺纹密封装置18，非导磁安装套筒27贯穿淬火腔体9，并通过紧固螺钉21进行固定，在非导磁安装套筒27内装有永久磁体26、螺纹极靴28和磁流体24，磁流体24在永久磁体26产生的磁场作用下被约束在磁场中，从而填满螺纹极靴28的螺纹和孔洞，纤维11穿过磁流体24被密封。螺纹极靴28内孔为螺纹孔，螺纹孔内盛满磁流体24，碳纤维从螺纹孔穿过。

本发明一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，石墨化炉正常工作时，先打开石墨化腔的真空泵2，将石墨化腔和淬火腔抽真空，然后打开液氩入口8处阀门，使液氩进入淬火腔，直至淬火腔处压力传感器4检测结果达到0.2MPa时，控制系统自动打开激光源20、纤维输送装置19和碳纤维卷曲收集装置10。纤维11匀速通过石墨化腔和淬火腔，实现石墨化，并通过淬火提高强度。

本发明一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，磁流体螺纹密封装置18正常工作时，永久磁体26产生的磁场穿过螺纹极靴27，从而使螺纹极靴27螺纹孔中的磁流体24处于磁场的约束下，填满螺纹极靴27的螺纹和孔洞。通过螺纹孔中的磁流体24、螺纹极靴27和永久磁体26构成磁回路。碳纤维穿过磁流体24，而磁回路中的磁流体24具有承受压力差的能力，能够阻挡外界气体进入炉内，从而实现激光隧道石墨化炉与大气之间的密封。

Claims (2)

1.一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，其特征在于：由石墨化腔、淬火腔、激光加热系统、密封系统、纤维输送系统和安全附件六部分组成，激光加热系统位于石墨化腔内，石墨化腔与淬火腔通过密封系统相连，纤维输送系统带动纤维分别穿过石墨化腔、密封系统和淬火腔，石墨化腔包括：炉壁、端部法兰、连接法兰、鞍座、真空泵、石墨套筒和手孔；淬火腔包括：淬火腔体、液氩入口和液氩出口；激光加热系统包括：激光源、安装架、无机玻璃板和平面镜，无机玻璃板装在安装架上，每个无机玻璃板一端装有激光源，无机玻璃板上装有多组平面镜，激光源发射的激光通过平面镜汇聚在石墨化腔轴线方向；所述的密封系统采用磁流体螺纹密封装置，密封系统包括：紧固螺钉、O型圈、密封端盖、磁流体、橡胶垫圈、永久磁体、非导磁安装套筒、螺纹极靴和橡胶垫片，非导磁安装套筒贯穿淬火腔体，并通过紧固螺钉进行固定，在非导磁安装套筒内装有永久磁体、螺纹极靴和磁流体，磁流体在永久磁体产生的磁场作用下被约束在磁场中，从而填满螺纹极靴的螺纹和孔洞，碳纤维穿过磁流体被密封；螺纹极靴内孔为螺纹孔，螺纹孔内盛满磁流体，碳纤维从螺纹孔穿过；纤维输送系统包括：纤维输送装置和碳纤维卷曲收集装置；安全附件包括压力传感器和温度传感器，压力传感器和温度传感器安装在炉壁上；淬火腔与石墨化腔通过连接法兰连接，淬火腔内通过液氩提供低温环境，气化产生的氩气通过石墨化腔与淬火腔连接处的缝隙补充进入石墨化腔。

2.根据权利要求1所述的一种激光隧道全反射轴心聚焦碳纤维石墨化炉，其特征在于：淬火腔内装有压力传感器。