CN105506786A - 碳纤维预氧化设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纤维预氧炉，主要解决现有碳纤维制备中预氧炉工艺调整柔性小、温度均匀性差的技术问题。本发明通过在炉膛(10)中平行排列不锈钢管(7)，热空气由入口(8)进入炉膛中使不锈钢管外部温度可控，不锈钢管表面采取电加热、钢管内部走丝通道(15)通热空气。原丝在放丝机(1)开卷后，经张力站(2)进入炉膛，出炉膛后经张力站(4)，然后依次通过低碳炉、高碳炉，最终得到碳纤维。通过改变预氧炉左右两端导向辊的使用个数，纤维在不锈钢管内部的总有效加热长度可大幅度调整。该技术能有效提高预氧炉温度均匀性、快速对温度、时间、牵伸进行调整，较好的解决了上述技术问题，可应用在碳纤维工业化生产领域中。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维预氧化设备，能有效提高预氧炉温度均匀性，快速对温度、时间、牵伸等工艺参数进行调整
技术背景
聚丙烯腈基碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异的性能，被广泛的应用在体育休闲用品和高科技工业领域，特别是在航空航天领域具有极大的应用前景。聚丙烯腈基碳纤维的制备一般包括聚合纺丝、预氧化、碳化三大工艺过程，其中预氧化的生产效率是控制碳纤维制备成本的主要因素之一，也是直接影响碳纤维质量的关键所在。黄有平等发表的《碳纤维预氧化炉的结构形式与特性》(2009年12月《塑料工业》第37卷第12期，p66-68)中着重介绍了三种进风方式的碳纤维预氧化炉的结构形式与特性；贺福等发表的《生产碳纤维的关键设备-预氧化炉》(2005年10月《高科技纤维与应用》第30卷第5期，p1-6)对预氧化过程中的反应机理和预氧化炉的设计原则进行了详细的介绍。目前，国内外碳纤维生产企业预氧化时间大致为60～120min，碳化时间为几分钟到十几分钟，而石墨化的时间则以秒计算。其中预氧化过程中的能耗在整个碳纤维制备过程中占较大比例。
预氧化过程在碳纤维制备过程中起到承上启下的作用，该阶段的能耗直接影响了碳纤维最终的成本。预氧化过程中主要发生环化反应、氧化反应和脱氢反应，各反应之间的先后顺序和关联性至今尚无定论。由于成套碳纤维实验线、模试线或生产线上预氧化炉与低温碳化炉、高温碳化炉之间存在较强的关联性，同时受全线物料系统设计线速度的影响，预氧化过程中的工艺调整柔性有限。而普通氧化炉无法方便开展各影响因素对预氧纤维结构的影响规律。本发明中一种实验用碳纤维预氧化炉可以有限解决以上问题，能方便快捷调整炉膛中温度和时间，且能使时间调整柔性达到最大，同时能有效控制纤维上张力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是目前国内碳纤维预氧炉温度均匀性差和工艺调整柔性差，提供了一种碳纤维预氧化炉。该装置用于聚丙烯腈纤维的制备过程中，具有提高预氧炉温度均匀性和增加工艺调整柔性的优点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种碳纤维预氧炉，包括物料输送系统和热处理系统，物料输送系统包含放丝机1、张力站Ⅰ2、导向辊)、张力站Ⅱ4，放丝机1的放丝速度为0.2-2m/min；张力站由辊、轴承、框架、控制程序和人机界面控制组成；热处理系统包含不锈钢管表面电加热单元13、不锈钢管内部热空气加热单元、不锈钢管外部炉膛中热空气加热单元；其中，不锈钢管内部热空气加热单元包括热空气进口Ⅰ11、热空气出口12、走丝通道15；不锈钢管外部炉膛中热空气加热单元包括热空气进口Ⅱ8、热处理分配管9、炉膛10，炉膛10中并排多根不锈钢管7，钢管内部作为走丝通道。
上述技术方案中，炉膛10中并排多根不锈钢管7的个数为1～9根，从上至下依次排列。物料输送系统通过调节放丝机放丝速度v0、张力站Ⅰ2和张力站Ⅱ4中五辊机的线速度v1和v2，范围为0.2-2m/min，v2大于v1时，对纤维施加正牵伸；v2等于v1时，对纤维施加零牵伸；v2小于v1时，对纤维施加负牵伸。五辊机材质采用碳钢镀铬，镀铬厚度为0.2mm，导向辊3材质采用陶瓷。
热处理系统中不锈钢管表面电加热单元13为镍铬合金丝，缠绕在不锈钢管7的表面，采取电加热的形式加热。不锈钢管内部热空气加热单元通过在不锈钢管走丝通道15中通热空气，热空气从进口Ⅰ11进、热空气出口12出；不锈钢管外部炉膛中热空气加热单元通过在预氧炉热空气进口Ⅱ8通入热空气，从热处理分配管9进入氧化炉炉膛中。不锈钢管内走丝腔体的温度通过炉膛内热空气温度、不锈钢管表面电阻丝加热温度和炉膛内热空气温度进行调控为150-350℃，沿纤维轴向温度均匀性为±0.5℃。
上述技术方案中，预氧炉中不锈钢管7长度为4～8m，纤维最少可以只经过一根不锈钢管，有效加热长度为4～8m，由导向辊进入张力站4；纤维最多可以经过九根不锈钢管在预氧炉炉膛中往返运动，有效加热长度为4～72m。通过对线速度的控制，纤维的有效加热时间为2min-360min。。
一种生产碳纤维的方法，采用上述技术方案中任一种碳纤维预氧化设备，原丝经放丝机1开卷后，经张力站2和导向辊3，进入预氧炉中第九层不锈钢管内部走丝通道中进行热处理，经右侧导向辊转向后进入第八层不锈钢管，丝束在炉膛中依次往复前行，最终在第一层不锈钢管右侧出预氧炉，经导向辊至张力站4，然后进入后续低温碳化炉、高温碳化炉、表面处理、上浆干燥，最终得到碳纤维。
采用本发明的技术方案，原丝经开卷后，依次经过预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆干燥，最后收卷，得到碳纤维。预氧炉温度控制范围为150-350℃，均匀性达到±0.5℃，有效加热时间为2-360min。
下面通过实施例对本发明做进一步的阐述：
附图说明
图1为本发明所述碳纤维预氧化炉。
图2为预氧化炉中不锈钢管的具体图示。
图1中，1为放丝机；2为张力站Ⅰ；3为导向辊；4为张力站Ⅱ，5为不锈钢外壳；6为保温层；7为不锈钢管；8为热空气进口Ⅱ；9为热处理分配管；10为预氧化炉炉膛。
原丝经放丝机1开卷后，经张力站2和导向辊3，进入预氧炉中第九层不锈钢管内部走丝通道中进行热处理，经右侧导向辊转向后进入第八层不锈钢管，丝束在炉膛中依次往复前行，最终在第一层不锈钢管右侧出预氧炉，经导向辊至张力站4，然后进入后续低温碳化炉、高温碳化炉、表面处理、上浆干燥，最终得到碳纤维。
图2中，11为热空气进口Ⅰ；12为热空气出口；13为镍铬合金丝；14为不锈钢管；15为走丝通道。
热空气从入口11进入走丝通道，从出口12出不锈钢管。不锈钢管两端开有小孔，纤维从一端进，另一端出。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。
具体实施方式
【实施例1】
聚丙烯腈原丝开卷和张力站后，经第九层不锈钢管左端导向辊进入炉内，从第九层不锈钢管右端出预氧化炉。设置放丝机线速度v0为2m/min，张力站Ⅰ线速度v1为2m/min，张力站Ⅱ线速度v2为2m/min，通过对不锈钢管表面电加热单元、不锈钢管内部热空气加热单元、不锈钢管外部炉膛中热空气加热单元进行调控，不锈钢管内温度为260℃，温度均匀性为±0.3℃，纤维有效加热长度4m，预氧化时间为2min，牵伸倍率为0。
【实施例2】
聚丙烯腈原丝开卷和张力站后，经第九层不锈钢管左端导向辊进入炉内，经第九层不锈钢管右端导向辊转向后进入第八层不锈钢管，丝束在炉膛中依次通过第七、六、五、四、三、二层不锈钢管，最终在第一层不锈钢管右侧出预氧炉，设置放丝机线速度v0为0.2m/min，张力站Ⅰ线速度v1为0.2m/min，张力站Ⅱ线速度v2为0.2m/min，通过对不锈钢管表面电加热单元、不锈钢管内部热空气加热单元、不锈钢管外部炉膛中热空气加热单元进行调控，不锈钢管内温度为260℃，温度均匀性为±0.2℃，纤维有效加热长度36m，预氧化时间为180min，牵伸倍率为0。
【实施例3】
聚丙烯腈原丝开卷和张力站后，经第九层不锈钢管左端导向辊进入炉内，从第九层不锈钢管右端出预氧化炉。设置放丝机线速度v0为2m/min，张力站Ⅰ线速度v1为2m/min，张力站Ⅱ线速度v2为2m/min，通过对不锈钢管表面电加热单元、不锈钢管内部热空气加热单元、不锈钢管外部炉膛中热空气加热单元进行调控，不锈钢管内温度为150℃，温度均匀性为±0.5℃，纤维有效加热长度4m，预氧化时间为2min，牵伸倍率为0。
【实施例4】
聚丙烯腈原丝开卷和张力站后，经第九层不锈钢管左端导向辊进入炉内，从第九层不锈钢管右端出预氧化炉。设置放丝机线速度v0为2m/min，张力站Ⅰ线速度v1为2m/min，张力站Ⅱ线速度v2为2m/min，通过对不锈钢管表面电加热单元、不锈钢管内部热空气加热单元、不锈钢管外部炉膛中热空气加热单元进行调控，不锈钢管内温度为350℃，温度均匀性为±0.2℃，纤维有效加热长度4m，预氧化时间为2min，牵伸倍率为0。
【实施例5】
聚丙烯腈原丝开卷和张力站后，经第九层不锈钢管左端导向辊进入炉内，经第九层不锈钢管右端导向辊转向后进入第八层不锈钢管，丝束在炉膛中依次通过第七、六、五、四、三、二层不锈钢管，最终在第一层不锈钢管右侧出预氧炉，设置放丝机线速度v0为0.5m/min，张力站Ⅰ线速度v1为0.5m/min，张力站Ⅱ线速度v2为0.55m/min，通过对不锈钢管表面电加热单元、不锈钢管内部热空气加热单元、不锈钢管外部炉膛中热空气加热单元进行调控，不锈钢管内温度为260℃，温度均匀性为±0.2℃，纤维有效加热长度36m，预氧化时间为180min，牵伸倍率为10％。
【实施例6】
聚丙烯腈原丝开卷和张力站后，经第九层不锈钢管左端导向辊进入炉内，经第九层不锈钢管右端导向辊转向后进入第八层不锈钢管，丝束在炉膛中依次通过第七、六、五、四、三、二层不锈钢管，最终在第一层不锈钢管右侧出预氧炉，设置放丝机线速度v0为0.5m/min，张力站Ⅰ线速度v1为0.55m/min，张力站Ⅱ线速度v2为0.5m/min，通过对不锈钢管表面电加热单元、不锈钢管内部热空气加热单元、不锈钢管外部炉膛中热空气加热单元进行调控，不锈钢管内温度为260℃，温度均匀性为±0.25℃，纤维有效加热长度36m，预氧化时间为180min，牵伸倍率为-10％。
【比较例1】
聚丙烯腈原丝开卷和张力站后，经第九层不锈钢管左端导向辊进入炉内，经第九层不锈钢管右端导向辊转向后进入第八层不锈钢管，丝束在炉膛中依次通过第七、六、五、四、三、二层不锈钢管，最终在第一层不锈钢管右侧出预氧炉，设置放丝机线速度v0为0.5m/min，张力站Ⅰ线速度v1为0.5m/min，张力站Ⅱ线速度v2为0.55m/min，关闭不锈钢管表面电加热单元和不锈钢管外部炉膛中热空气加热单元，仅通过不锈钢管内部热空气加热单元进行调控，不锈钢管内温度为260℃，温度均匀性为±4.8℃，纤维有效加热长度36m，预氧化时间为180min，牵伸倍率为10％。
【比较例2】
聚丙烯腈原丝开卷和张力站后，经第九层不锈钢管左端导向辊进入炉内，经第九层不锈钢管右端导向辊转向后进入第八层不锈钢管，丝束在炉膛中依次通过第七、六、五、四、三、二层不锈钢管，最终在第一层不锈钢管右侧出预氧炉，设置放丝机线速度v0为0.5m/min，张力站Ⅰ线速度v1为0.5m/min，张力站Ⅱ线速度v2为0.55m/min，关闭不锈钢管内部热空气加热单元和不锈钢管外部炉膛中热空气加热单元，仅通过不锈钢管表面电加热单元进行调控，不锈钢管内温度为260℃，温度均匀性为±3.4℃，纤维有效加热长度36m，预氧化时间为180min，牵伸倍率为10％。
【比较例3】
聚丙烯腈原丝开卷和张力站后，纤维在不锈钢管外部走丝，设置放丝机线速度v0为0.5m/min，张力站Ⅰ线速度v1为0.5m/min，张力站Ⅱ线速度v2为0.55m/min，关闭不锈钢管内部热空气加热单元和不锈钢管表面电加热单元，仅通过不锈钢管外部炉膛中热空气加热单元进行调控，不锈钢管内温度为260℃，温度均匀性为±4.2℃，纤维有效加热长度4m，预氧化时间为8min，牵伸倍率为10％。
显然，采用本发明的装置，可以达到提高预氧化炉温度均匀性、增加工艺调整柔性的目的，具有较大的技术优势，可用于碳纤维的工业生产中。
Claims (10)
1.一种碳纤维预氧化设备，包括物料输送系统和热处理系统，其特征在于，物料输送系统包含放丝机(1)、张力站Ⅰ(2)、导向辊(3)、张力站Ⅱ(4)，放丝机(1)的放丝速度为0.2-2m/min；其中，张力站由辊、轴承、框架、控制程序和人机界面控制组成；
热处理系统包含不锈钢管表面电加热单元(13)、不锈钢管内部热空气加热单元、不锈钢管外部炉膛中热空气加热单元；其中，不锈钢管内部热空气加热单元包括热空气进口Ⅰ(11)、热空气出口(12)、走丝通道(15)；不锈钢管外部炉膛中热空气加热单元包括热空气进口Ⅱ(8)、热处理分配管(9)、炉膛(10)，炉膛(10)中并排多根不锈钢管(7)，钢管内部作为走丝通道。
2.根据权利要求1所述的碳纤维预氧化设备，其特征在于炉膛(10)中并排多根不锈钢管(7)的个数为1～9根，从上至下依次排列。
3.根据权利要求1所述的碳纤维预氧化设备，其特征在于物料输送系统中放丝机放丝速度v0、张力站Ⅰ(2)和张力站Ⅱ(4)中五辊机的线速度v1和v2，速度范围为0.2-2m/min，v2大于v1时，对纤维施加正牵伸；v2等于v1时，对纤维施加零牵伸；v2小于v1时，对纤维施加负牵伸。
4.根据权利要求1所述的碳纤维预氧化设备，其特征在于物料输送系统中五辊机材质采用碳钢镀铬，镀铬厚度为0.2mm，导向辊(3)材质采用陶瓷。
5.根据权利要求1所述的碳纤维预氧化设备，其特征在于热处理系统中不锈钢管表面电加热单元(13)为镍铬合金丝，缠绕在不锈钢管(7)的表面，采取电加热的形式加热。
6.根据权利要求1所述的碳纤维预氧化设备，其特征在于热处理系统中不锈钢管内部热空气加热单元通过在不锈钢管走丝通道(15)中通热空气，热空气从进口Ⅰ(11)进，从热空气出口(12)出。
7.根据权利要求1所述的碳纤维预氧化设备，其特征在于热处理系统中不锈钢管外部炉膛中热空气加热单元通过在预氧炉热空气进口Ⅱ(8)通入热空气，从热处理分配管(9)进入氧化炉炉膛中。
8.根据权利要求1所述的碳纤维预氧化设备，其特征在不锈钢管内走丝腔体的温度通过炉膛内热空气温度、不锈钢管表面电阻丝加热温度和炉膛内热空气温度进行调控为150～350℃，沿纤维轴向温度均匀性为±0.5℃。
9.根据权利要求1所述的一种碳纤维预氧化设备，其特征在于预氧炉中不锈钢管(7)长度为4-8m，纤维有效加热长度为4～72m，纤维的有效加热时间为2～360min。
10.一种生产碳纤维的方法，采用上述权利要求1～9所述的任一种碳纤维预氧化设备，其特征在于原丝经放丝机(1)开卷后，经张力站Ⅰ(2)和导向辊(3)，进入预氧炉中第九层不锈钢管内部走丝通道中进行热处理，经右侧导向辊转向后进入第八层不锈钢管，丝束在炉膛中依次往复前行，最终在第一层不锈钢管右侧出预氧炉，经导向辊至张力站Ⅱ(4)，然后进入后续低温碳化炉、高温碳化炉、表面处理、上浆干燥，最终得到碳纤维。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |