CN106283274A - 一种用于生产碳纤维的高温碳化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于生产碳纤维的高温碳化装置，属于碳纤维生产技术领域。本发明所提供的用于生产碳纤维的高温碳化装置，包括炉体、连接于炉体两端的密封装置、与炉体的炉膛连通的排气系统和保护气供给装置，同时还包括在炉体的丝束出口端通过非接触式密封装置连接的冷却室，以及分别通过温度检测电路和温度控制电路与炉体的温度传感器和加热装置连接的温度检测控制装置。本发明所提供的低温碳化装置，在炉体出口端设置了冷却室，能够有效降低丝束牵出炉体的温度，防止经过碳化的高温丝束被空气中的氧气氧化，提高了碳纤维的质量。同时，本发明在炉体内部安装了温度传感器可实时对炉体内的温度进行监测和控制。

Description

一种用于生产碳纤维的高温碳化装置

技术领域

本发明涉及一种用于生产碳纤维的高温碳化装置，属于碳纤维生产技术领域。

背景技术

在碳纤维的生产过程中，原丝需要进行预氧化和碳化等过程以使其分子结构发生变化形成碳纤维结构。因此，预氧化和碳化工艺是碳纤维生产过程中的关键工艺环节。其中，碳纤维的碳化工艺又分为低温碳化和高温碳化。在不同的碳化阶段需要使用不同的碳化设备进行。其中，高温碳化过程是聚丙烯腈原丝最后完成热分解，生成高质量碳纤维的过程，高温碳化过程的温度范围一般在800-1600℃之间。在高温碳化过程中，聚丙烯腈原丝完成最后阶段的分解，以HCN或者N₂的方式放出残余的氮元素，得到含碳量95％以上的，具有乱层石墨堆积结构碳纤维。高温碳化往往是逐步分段加温，碳化时需要利用惰性气体作为保护气。碳化过程中会产生废气和焦油等物质，需要排除出去，以防止对碳纤维造成污染。同时，由于碳纤维在碳化装置内经过较高温度的碳化，当经过碳化的纺丝从碳化装置拉伸出来时，如果温度没有降到足够提十分容易被空气中的氧气氧化，从而导致碳纤维的质量下降。现有的高温碳化设备中缺少碳化纺丝出口段的冷却环节，导致纺丝容易被氧化，成品的质量较差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于生产碳纤维的高温碳化装置，所采取的技术方案如下：

一种用于生产碳纤维的高温碳化装置，包括炉体1、连接于炉体1两端的密封装置7、与炉体1的炉膛11连通的排气系统4和保护气供给装置5，并且还包括在炉体1的丝束出口端通过非接触式密封装置7连接的冷却室2，以及分别通过温度检测电路31和温度控制电路32与炉体1的温度传感器16和加热装置13连接的温度检测控制装置3。在炉膛11末端设有微压计19，以对炉膛11内的压力进行检测，防止压力低于20Pa时导致炉膛和保温材料氧化，丧失功能。

优选地，炉体1包括炉膛11，包裹在炉膛11外侧的内保温层12，固定在内保温层12与炉膛11之间的加热装置13和温度传感器16，固定在内保温层12外侧的外保温层14以及固定在外保温层14外的刚性外壳体15，在刚性外壳体15内还设有冷却夹层18；在炉膛11中间设有废气出口17，以便于将生产过程中的废气排出出去。在炉膛11末端设有微压计19，以便于检测炉膛11内的压力，从而加工时使得炉膛11内的压力满足加工需求。

优选地，炉膛11从丝束8进口向出口依次独立设置第一温区、第二温区、第三温区、第四温区、第五温区、第六温区、第七温区以及第八温区；其中，第一加温区至第六温区温度逐渐增加，第七温区温度降低，第八温区为过渡温区。

更优选地，废气出口17设在炉膛11的中间侧部或底部，以防止废气凝结对纺丝造成污染。

更优选地，排气系统4包括与废气出口17连通的出风管道41，与出风管道41和若干废气收集罩连通的主排风管42，与主排风管42连通的排气口45。

优选地，密封装置7包括与炉体1的丝束进口端密封连接的第一密封装置71，连接炉体1丝束出口端和冷却室2进口的第二密封装置72，以及连接在冷却室2出口的第三密封装置73。

更优选地，保护气供给系统5通过设有流量计和控制阀51的管道将保护气供给密封装置7和/或保护气加热装置6。

更优选地，保护气供给装置5通过低温保护气管道与第二密封装置72和第三密封装置73；通过管道与保护气加热装置6连接，保护气加热装置6通过高温保护气管道与第一密封装置71和炉膛11末端连接。

优选地，冷却室2包括与冷却水供给系统连接的进水口22和出水口21，以及位于丝束引出管道外侧与进水口22和出水口21连通的夹层23。

优选地，还包括冷却水供给装置9，冷却水供给装置9通过进水口22与冷却室2连通，通过设有与温度检测控制装置3连接的水冷电极控制进出的水冷夹层18，以实现分别对炉膛11不同温区进行冷却。

本发明获得的有益效果：

本发明所提供的低温碳化装置，在炉体出口端设置了冷却室，能够有效降低丝束牵出炉体的温度，防止经过碳化的高温丝束被空气中的氧气氧化，提高了碳纤维的质量。同时，本发明在炉体内部安装了温度传感器可实时对炉体内的温度进行监测和控制。

本发明通过多节加温温区与过渡温区及冷却室相配合的方式，来充分降低高温碳化过程中丝束的问题，以防止丝束被空气氧化。

附图说明

图1为本发明的高温碳化装置的正视结构示意图(炉体部分剖视)。

图中：1，炉体；2，冷却室；3，温度检测控制装置；4，排气系统；5，保护气供给系统；6，保护气加热装置；7，密封装置；8，丝束；9，冷却水供给装置；11，炉膛；12，内保温层；13，加热装置；14，外保温层；15，外壳体；16，温度传感器；17，废气出口；18，冷却夹层；19，微压计；21，出水口；22，进水口；23，夹层；31，温度检测电路；32，温度控制电路；41，出风管道；42，主排风管；43，第一废气收集罩；44，第二废气收集罩；45，排气口；51，控制阀；71，第一密封装置；72，第二密封装置；73，第三密封装置。A方向为丝束的前进方向；B方向为氮气的流通方向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明，但以下详细说明不视为对本发明的限定。

图1为本发明一种优选方案中高温碳化装置的正视结构示意图，其中炉体部分剖视。A方向为丝束的前进方向；B方向为氮气的流通方向。氮气的流通方向与丝束前进的方向相反。从图1可知，该低温碳化炉是由炉体1，冷却室2，温度检测控制装置3，排气系统4，保护气供给系统5，保护气加热装置6，密封装置7以及冷却水供应装置9组成。

其中，炉体1由位于其中心的炉膛11，在炉膛11管体的外侧的设有内保温层12，在内保温层12与炉膛11之间还设有加热装置13和温度传感器16。在内保温层12外部包裹的是外保温层14，在外保温层14外部固定安装的是刚性外壳体15。在炉膛11中间设有与炉体1外部连通的废气出口17，以便于将碳化过程中产生的废气排出到炉体1外。炉体1的内部设有8个独立设置的温区，从丝束8入口到出口依次为第一温区、第二温区、第三温区、第加温区、第五温区、第六温区、第七温区以及第八温区。其中，在第一温区至第六温区的温度逐渐升高，第七温区的温度降低，第八温区为过渡温区。这样形成丝束进入后温度逐渐升高再降低的梯度温度变化。在炉膛11中间的侧部或底部设有废气出口17，以防止废气凝结形成焦油，或排出管的焦油倒流回来滴在纤维丝束上。在炉体1的刚性外壳体15内部设有冷却夹层18，冷却夹层18设有与各个温区连接的水冷电极。此外，在炉膛11的出口端附近还设有一个微压计，以便对炉膛11内的压力进行监控，以保证炉膛11内的压力满足生产需求。

在炉体1外设有温度检测控制装置3，温度检测控制装置3具有温度检测电路31和温度控制电路32，其通过温度检测电路31与炉体1内部的温度传感器16连接，以实现对炉体内加温温度的实时检测。同时，通过温度控制电路31与炉体1内的加热装置13连接，以实现对炉体1内不同加温区的加热温度的控制。此外，温度检测控制装置3还与炉体1冷却夹层18的水冷电极连接，以实现对冷却水的控制，从而精确调整加温温度。

在炉体1的丝束8进口端固定连接有第一密封装置71，在炉体1的丝束8出口端固定连接有一个通过第二密封装置72固定连接的冷却室2，在冷却室2的另一端固定连接有第三密封装置73。冷却室2在丝束引出管外设有夹层23，在夹层23的上部是由一个出水口22，下部设有一个进水口21。进水口21和出水口22与冷却水供给系统连通，采用下进上出的方式在夹层23中加注冷取水，以便对丝束进行冷却。

排气系统4包括与废气出口17连通的出风管道41，与出风管道41和两个废气收集罩(第一废气收集罩43和第二废气收集罩44)连通的主排风管42，与主排风管42连通的排气口45。其中，主排风管42为水平设置的管道，底部通过出风管道41排出炉膛11内的废气，两端通过弯管与第一废气收集罩43和第二废气收集罩44连通，以便收集加工过程中溢出的少量废气和惰性保护气。主排风管42的上部通过管道连通排气口45，以便将废气排出出去。

保护气供给系统5通过设有流量计和控制阀51的低温保护气管道与第二密封装置72和第三密封装置73连通，同时通过管道与保护气加热装置6连通。保护气加热装置6对保护气进行加热以满足进入炉膛11的要求。经过加热的高温保护气再通过同样设有流量计和控制阀51的高温保护气管道进入第一密封装置71以防止空气进入炉膛11内。同时，再通过保护气管道与炉膛11的末端附近连通，以与丝束8前进方向相反的方向注入保护气，以便对低温碳化过程中的丝束8进行保护。

除以上说明以外，本领域技术人员可根据生产过程中的实际需求，对各个部件的材质和形状和尺寸进行常规选择。例如，选用氮气作为保护气，选用硅酸铝棉作为保温层的保温材料，选用石墨作为内保温层，选用碳钢作为炉体的刚性外壳体，选用水冷石墨加热电极作为炉体内部的加热装置等。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种用于生产碳纤维的高温碳化装置，包括炉体(1)、连接于炉体(1)两端的密封装置(7)、与炉体(1)的炉膛(11)连通的排气系统(4)和保护气供给装置(5)，其特征在于，还包括在炉体(1)的丝束出口端通过非接触式密封装置(7)连接的冷却室(2)，以及分别通过温度检测电路(31)和温度控制电路(32)与炉体(1)的温度传感器(16)和加热装置(13)连接的温度检测控制装置(3)；在炉膛(11)末端设有微压计(19)。

2.权利要求1所述的高温碳化装置，其特征在于，炉体(1)包括炉膛(11)，包裹在炉膛(11)外侧的内保温层(12)，固定在内保温层(12)与炉膛(11)之间的加热装置(13)和温度传感器(16)，固定在内保温层(12)外侧的外保温层(14)以及固定在外保温层(14)外的刚性外壳体(15)，在刚性外壳体(15)内还设有冷却夹层(18)；在炉膛(11)中间设有废气出口(17)。

3.权利要求1所述的高温碳化装置，其特征在于，炉膛(11)从丝束(8)进口向出口依次独立设置第一温区、第二温区、第三温区、第四温区、第五温区、第六温区、第七温区以及第八温区；其中，第一加温区至第六温区温度逐渐增加，第七温区温度降低，第八温区为过渡温区。

4.权利要求3所述的高温碳化装置，其特征在于，废气出口(17)设在炉膛(11)中间侧部或底部。

5.权利要求4所述的高温碳化装置，其特征在于，排气系统(4)包括与废气出口(17)连通的出风管道(41)，与出风管道(41)和若干废气收集罩连通的主排风管(42)，与主排风管(42)连通的排气口(45)。

6.权利要求1所述的高温碳化装置，其特征在于，密封装置(7)包括与炉体(1)的丝束进口端密封连接的第一密封装置(71)，连接炉体(1)丝束出口端和冷却室(2)进口的第二密封装置(72)，以及连接在冷却室(2)出口的第三密封装置(73)。

7.权利要求6所述的高温碳化装置，其特征在于，保护气供给系统(5)通过设有流量计和控制阀(51)的管道将保护气供给密封装置(7)和/或保护气加热装置(6)。

8.权利要求7所述的高温碳化装置，其特征在于，保护气供给装置(5)通过低温保护气管道与第二密封装置(72)和第三密封装置(73)；通过管道与保护气加热装置(6)连接，保护气加热装置(6)通过高温保护气管道与第一密封装置(71)和炉膛(11)末端连接。

9.权利要求1所述的高温碳化装置，其特征在于，冷却室(2)包括与冷却水供给系统连接的进水口(22)和出水口(21)，以及位于丝束引出管道外侧与进水口(22)和出水口(21)连通的夹层(23)。

10.权利要求1所述的高温碳化装置，其特征在于，还包括冷却水供给装置(9)，冷却水供给装置(9)通过进水口(22)与冷却室(2)连通，通过设有与温度检测控制装置(3)连接的水冷电极控制进出的水冷夹层(18)，以实现分别对炉膛(11)不同温区进行冷却。