CN110055621A - 一种超高温石墨化炉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高温石墨化炉，包括卧式炉体外壳，炉体外壳两端设置有用于碳纤维进出的炉嘴，所述炉体外壳中部横向固定有供碳纤维穿过的空心的石墨发热体，石墨发热体的一端为自由端，石墨发热体的另一端连接有两个引电装置，引电装置的端部贯穿炉体外壳一端的外壁延伸至炉体外壳一端外，引电装置的端部位于炉体外壳一端的炉嘴内，所述引电装置的端部与设置于炉体外壳外部的整流变压器电连接，石墨发热体外壁与炉体外壳内壁之间填充有隔热保温材料，所述炉嘴外设有气封装置。与现有技术相比，本发明有效的解决了设备整体气密和发热体膨胀损坏的问题，达到了连续使用的目的，同时由于其简单的设计结构、使该类设备的制造成本和运行维护成本大大降低。
Description
技术领域
本发明涉及高温炭化炉领域，特别是一种超高温石墨化炉。
背景技术
石墨化炉是制造石墨纤维的关键设备，石墨纤维是指含碳量在99％以上的碳纤维、是碳纤维经过2200℃～3000℃高温石墨化处理得到的。石墨纤维和碳纤维相比不仅含碳量高，而且具有拉伸模量高、膨胀系数小和热稳定性好、尺寸稳定等优异的特点。广泛的用于人造卫星等在太空环境使用的领域。
目前能够制造超高温石墨化炉的企业很少，而且多是采用的感应加热的方式。但现有的感应式石墨化炉存在如下缺点：
1.感应圈产生的磁场在感应加热发热体的同时也感应的加热了被加工物料(碳纤维)，所以用红外仪测试发热体的温度并不等于被加工物料的温度，也就是说无法准确测量被加工物料的温度；
2.由于感应圈是采用的水冷铜管的形式，不能承受高温。所以感应圈只能设置在保温材料的外侧，这就出现了一对难以解决的矛盾体——为了良好的保温性能达到节能降耗的目的，保温材料设计的原则是越厚越好。但是感应圈离被加热物体(发热体、被加工物料)越远电效率越低，所以感应加热式石墨化炉只能在两者间找平衡，不能兼顾。
3.由于被加工物料为碳纤维，其挥发物质会在温度较低的感应圈外表沉积、凝结。但是其是有导电性的，会很快破坏感应圈外表绝缘形成匝间短路。使设备不能运行。
综上所述，所以目前还没有能够连续运行(十五天以上)的连续式感应式石墨化炉。
目前，还有一种塔姆式电阻炉，它是直接通电加热形式的石墨化炉。即在炉体两端直接施加低压，使发热元件通过大电流从而达到加热的目的。见《碳纤维及石墨纤维》ISBN978-7-122-08802-4。其存在的问题是炉体两端的水冷电极与发热体组件的联接问题：石墨发热体会在高温，尤其是石墨化温度2800℃时产生膨胀。这就使得水冷电极与石墨发热管端部的结合要既能满足导电(大电流上万安)的要求同时又能让发热体可以膨胀。所以出现两种结构形式：水冷电极固定在石墨发热管端部和水冷电极固定在炉体两端。
水冷电极固定在石墨发热管端部的结构可以有效的解决石墨发热体会在高温膨胀量释放的问题，但是由于石墨发热管端部工作温度高无法与炉体端部有效的形成密封。会使空气进入炉内，发热管迅速氧化、失效。连续运行时间极短最长半个月，最短不到一天。水冷电极固定在炉体两端是采用水冷电极和石墨发热管端部过盈配合的安装形式。这样对电极和石墨的加工精度、装配工艺、装配人员都较高的要求。如果装配的好可以连续用到一个月，装配不好还没到预定工作温度是就由于膨胀量无法释放造成石墨发热体机械性损伤、断裂或打弧损坏水冷电极。而且这种水冷电极是由纯铜焊接而成的，制作难度大、成本高。
因此，亟待开发一种超高温石墨化炉，已解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种结构简单、维护方便、连续使用周期长、综合降低了此类设备的制造和运行成本的超高温石墨化炉。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种超高温石墨化炉，包括卧式炉体外壳，炉体外壳两端设置有用于碳纤维进出的炉嘴，所述炉体外壳中部横向固定有供碳纤维穿过的空心的石墨发热体，石墨发热体的一端为自由端，石墨发热体的另一端连接有两个引电装置，引电装置的端部贯穿炉体外壳一端的外壁延伸至炉体外壳一端外，引电装置的端部位于炉体外壳一端的炉嘴内，所述引电装置的端部与设置于炉体外壳外部的整流变压器电连接，石墨发热体外壁与炉体外壳内壁之间填充有隔热保温材料，所述炉嘴外设有气封装置。
进一步，所述引电装置包括电极，所述电极的一端用螺母固定在石墨发热体的另一端上，电极的另一端贯穿炉体外壳一端外壁后延伸至炉嘴内，电极与炉体外壳相接处设有绝缘密封垫，电极的另一端外壁通过螺母固定有水冷铜排，两个水冷铜排与整流变压器输出端连接。
进一步，炉体外壳的炉壁设有水冷夹套。
进一步，所述气封装置包括连接在炉嘴端部且供碳纤维穿过的横管、对称设置于横管上下两端面且与横管内部连通的一组均压腔，垂直设置于均压腔顶端的外部进气管，外部进气管端部与高纯氮气供气系统的出气口相连。
进一步，所述隔热保温材料由套置于石墨发热体外的保护管支撑，石墨发热体的自由端的底部通过绝缘支撑固定在保护管底部内壁，保护管两端底部通过固定于炉体外壳内底部的绝缘支撑固定。
优选地，所述横管上的均压腔至少设置两组。
与现有技术相比，本发明利用在石墨发热体上通入低压大电流的直流电，低压大电流是由一台整流变压器产生的，低压大电流通过位于炉体一端的引电装置引入炉体内连接至石墨发热体使石墨发热体发热从而达到产生2800℃高温温场的目的，这种引电装置具有能有效的解决整个炉体的密封问题，同时又具有结构简单、使用可靠、制造成本低的特点；另外，由于石墨发热体是一端与引电装置连接，另一端为自由端，这种独特的结构设计完全避免了石墨发热体由于升温膨胀应力无法释放损坏发热体的问题；外围的隔热保温材料由保护管支撑，起到良好的保温及均匀热场的作用。
综述，本发明有效的解决了设备整体气密和发热体膨胀损坏的问题，达到了连续使用的目的，同时由于其简单的设计结构、使该类设备的制造成本和运行维护成本大大降低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为引电装置的结构示意图。
图3为引电装置与整流变压器的连接结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。
如图1、图2、图3所示，本实施例提供了一种超高温石墨化炉，包括卧式炉体外壳2，炉体外壳2采用碳钢或不锈钢制成，炉体外壳2两端设置有用于碳纤维11进出的炉嘴6，所述炉体外壳2中部横向固定有供碳纤维11穿过的空心的石墨发热体1，石墨发热体1的一端为自由端，石墨发热体1的另一端连接有两个引电装置4，引电装置4的端部贯穿炉体外壳2一端的外壁延伸至炉体外壳2一端外，引电装置4的端部位于炉体外壳2一端的炉嘴6内，所述引电装置4的端部与设置于炉体外壳2外部的整流变压器12电连接，具体地，所述引电装置4包括电极41，所述电极41的一端用螺母42固定在石墨发热体1的另一端上，电极41的另一端贯穿炉体外壳2一端外壁后延伸至炉嘴6内，电极41与炉体外壳2相接处设有绝缘密封垫43，电极41的另一端外壁通过螺母42固定有水冷铜排44，两个水冷铜排44与整流变压器12输出端连接；石墨发热体1外壁与炉体外壳2内壁之间填充有隔热保温材料7，隔热保温材料7由套置于石墨发热体1外的保护管3支撑，石墨发热体1的自由端的底部通过绝缘支撑5固定在保护管3底部内壁，保护管3两端底部通过固定于炉体外壳2内底部的绝缘支撑5固定，炉嘴6外设有气封装置。
在实际使用过程中，炉体外壳2的炉壁设有水冷夹套，水冷夹套可以为外水冷夹套形式，也可以为内水冷夹套形式，可以直接按照现有技术进行组装，也可以直接购买这种成品的炉体外壳，水冷夹套形式的作用是对炉体外壳2进行冷却。
在实际使用过程中，所述气封装置包括连接在炉嘴6端部且供碳纤维5穿过的横管8、对称设置于横管8上下两端面且与横管8内部连通的一组均压腔9，垂直设置于均压腔9顶端的外部进气管10，外部进气管10端部与高纯氮气供气系统(图中未画出)的出气口相连，具体原理为：高纯氮气供气系统将高纯氮气通入外部进气管10，然后经均压腔9的压力均衡，然后形成稳定的气流垂直于横管向下吹，上下同时吹形成气帘，从而防止外部气体通过炉嘴进入到炉体外壳2内。进一步，为了使气封效果更佳，横管8上的均压腔9至少设置两组，当然，每一个均压腔9上都连接一根外部进气管10，这样可以多形成几道气帘。
使用时，首先将碳纤维5从炉体外壳2一端依次穿过横管8、炉嘴6、石墨发热体1后从另一端的横管8穿出，然后开启高纯氮气供气系统使气封装置内形成气帘从而形成密封效果，然后用一台整流变压器产生的低压大电流的直流电，通过位于炉体外壳2一端的引电装置引入炉体内连接至石墨发热体1使石墨发热体1发热从而达到产生2800℃高温温场的目的，这种引电装置具有能有效的解决整个炉体的密封问题，同时又具有结构简单、使用可靠、制造成本低的特点；另外，由于石墨发热体1是一端与引电装置连接，另一端为自由端，这种独特的结构设计完全避免了石墨发热体由于升温膨胀应力无法释放损坏发热体的问题；外围的隔热保温材料由保护管支撑，起到良好的保温及均匀热场的作用。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种超高温石墨化炉，包括卧式炉体外壳，炉体外壳两端设置有用于碳纤维进出的炉嘴，其特征在于：所述炉体外壳中部横向固定有供碳纤维穿过的空心的石墨发热体，石墨发热体的一端为自由端，石墨发热体的另一端连接有两个引电装置，引电装置的端部贯穿炉体外壳一端的外壁延伸至炉体外壳一端外，引电装置的端部位于炉体外壳一端的炉嘴内，所述引电装置的端部与设置于炉体外壳外部的整流变压器电连接，石墨发热体外壁与炉体外壳内壁之间填充有隔热保温材料，所述炉嘴外设有气封装置。
2.根据权利要求1所述的超高温石墨化炉，其特征在于：所述引电装置包括电极，所述电极的一端用螺母固定在石墨发热体的另一端上，电极的另一端贯穿炉体外壳一端外壁后延伸至炉嘴内，电极与炉体外壳相接处设有绝缘密封垫，电极的另一端外壁通过螺母固定有水冷铜排，两个水冷铜排与整流变压器输出端连接。
3.根据权利要求1所述的超高温石墨化炉，其特征在于：炉体外壳的炉壁设有水冷夹套。
4.根据权利要求1所述的超高温石墨化炉，其特征在于：所述气封装置包括连接在炉嘴端部且供碳纤维穿过的横管、对称设置于横管上下两端面且与横管内部连通的一组均压腔，垂直设置于均压腔顶端的外部进气管，外部进气管端部与高纯氮气供气系统的出气口相连。
5.根据权利要求1所述的超高温石墨化炉，其特征在于：所述隔热保温材料由套置于石墨发热体外的保护管支撑，石墨发热体的自由端的底部通过绝缘支撑固定在保护管底部内壁，保护管两端底部通过固定于炉体外壳内底部的绝缘支撑固定。
6.根据权利要求4所述的超高温石墨化炉，其特征在于：所述横管上的均压腔至少设置两组。
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