CN115652481A - 一种碳纤维生产线及碳纤维生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种碳纤维生产线及碳纤维生产工艺，碳纤维生产线包括依次设置的氧化系统和碳化系统；余热回收系统，与氧化系统和/或碳化系统相连通；调温系统，设置在余热回收系统与氧化系统和/或碳化系统之间，用于对流入和/或流出余热回收系统的气体进行调温。余热回收系统可杜绝氧化系统、碳化系统中废气的泄露，并将废气转化为无毒无害的气体，同时余热回收系统可对废气中的热能进行回收利用，为生产线供能，保证了生产过程绿色、环保、节能；调温系统对流入余热回收系统的气体进行调温，以减少气体在进入余热回收系统之前，气体中夹杂的焦油沉积；调温系统对由余热回收系统流出的气体进行调温，避免流出的气体温度过高，对纤维造成损伤。

Description

一种碳纤维生产线及碳纤维生产工艺

技术领域

本发明属于碳纤维生产技术领域，具体地说，涉及一种碳纤维生产线及碳纤维生产工艺。

背景技术

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维，是一类碳元素质量在90％以上的无机纤维状材料。聚丙烯腈(PAN)基碳纤维原丝，经氧化、低温碳化、高温碳化、上浆与烘干四个工艺流程之后，内部所含的H、O以有机物的形式脱出，内部纤维取向发生转变，最终形成聚丙烯腈(PAN)基碳纤维。聚丙烯腈(PAN)基碳纤维具有体密度适中、比强度与比模量高、深加工性能好、减振性能优良、制品尺寸稳定性好、导电导热性好等一系列优异的特性。

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维包括3K小丝束碳纤维，是典型的高性能、高强度碳纤维，在航空航天、兵器等军工领域，是不可替代的核心战略材料；在工业领域，是高端装备制造升级的关键基础材料。3K高性能小丝束碳纤维的下游产品碳纤维复合材料，具有高比强度、高比模量、耐疲劳性能好、耐烧蚀性能好、减振性能好、加工工艺性好等一系列优良性能，在航空航天、军工、高端装备制造、风电叶片制造、体育用品等领域，具有广泛的应用。

近年来，下游碳纤维复合材料领域呈井喷式增长趋势，对3K高性能小丝束碳纤维的需求量也随之快速增长；同时，随着碳纤维复合材料的应用正向着航空航天、高端装备制造等高精尖领域迈进，对于3K高性能小丝束碳纤维的综合性能，也提出了更高的要求。

目前，3K高性能小丝束碳纤维的工艺参数、性能指标已经趋于稳定。但是，理论研究与生产实践之间仍是有一定距离的。如何让理论研究成果真正在生产实践中落地，保证生产一线安全、高效、低成本、高质量的生产出成品碳纤维，是现今碳纤维生产企业所面临的重大课题。

具体地，3K高性能小丝束碳纤维的主要工艺特性为丝束较细，在碳化工艺全流程的几个关键工艺控制点上，丝束易因摩擦损伤，或在高温下严重损伤甚至烧断。放丝阶段易因摩擦造成原丝丝束损伤；氧化阶段，原丝丝束的微小损伤，都会导致丝束在氧化反应过程中严重损伤甚至烧断；碳化阶段，碳化炉内的反应副产物若未及时排出，沉积在炉膛内，丝束经过炉膛时，在被其刮伤后，在700℃左右的高温下，极易出现大面积伤丝甚至烧断，大量浪费生产原材料，严重影响产品质量。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纤维生产线及碳纤维生产工艺，以实现低成本、高效率、低能耗、无污染生产小丝束碳纤维，且碳纤维性能优异的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种碳纤维生产线，包括依次设置的氧化系统和碳化系统，碳纤维丝束在氧化系统氧化后牵引至碳化系统进行碳化，还包括：

余热回收系统，与氧化系统和/或碳化系统相连通，用于回收氧化系统氧化过程和/或碳化系统碳化过程所产生的废气；

调温系统，设置在余热回收系统与氧化系统和/或碳化系统之间，用于对流入和/或流出余热回收系统的气体进行调温。

本发明中，通过设置余热回收系统可杜绝氧化系统、碳化系统中有毒有害的废气泄露，并将废气转化为符合环保标准，可直接排入大气的无毒无害气体；同时，通过设置余热回收系统可对废气中的热能进行回收利用，为生产线供能，保证了生产过程绿色、环保、节能。

本发明中，通过设置调温系统对流入余热回收系统的气体进行调温，以减少气体在进入余热回收系统之前，气体中夹杂的焦油在生产线管道内的沉积；通过设置调温系统对流出余热回收系统的气体进行调温，避免余热回收系统输出的气体温度过高，利用该气体处理碳纤维丝束时对丝束造成损伤。

进一步地，所述余热回收系统包括高温焚烧炉，与碳化系统相连通，用于焚烧碳化系统排出的废气，所述调温系统设置在所述高温焚烧炉和碳化系统之间。

由于碳化阶段碳纤维发生的脱氢、脱氧反应极其剧烈，产生的废气量大，因此更易由于废气沉积为焦油堵塞排废管道，阻碍废气排出，使废气沉积在炉膛内成为焦油，造成工艺异常状况。通过将调温系统设置在高温焚烧炉和碳化系统之间，能够升高废气的温度，减少焦油沉积的问题，使得碳纤维生产线能够稳定生产碳纤维，并且得到的碳纤维质量高。

进一步地，所述余热回收系统还包括低温焚烧炉和换热器，低温焚烧炉与氧化系统相连通，用于焚烧氧化系统排出的废气，换热器与低温焚烧炉、氧化系统相连通，用于将低温焚烧炉产生的热气与新风进行换热，并将换热后的热风送入氧化系统，所述调温系统设置在所述换热器与氧化系统之间。

本发明通过将调温系统设置在换热器与氧化系统之间，防止了温度过高的气体进入氧化系统，造成氧化系统内碳纤维丝束温度过高而损坏，甚至爆燃起火，保证了生产的本质安全与平稳、连续进行。

进一步地，温度传感器，设置在所述换热器上和/或氧化系统上和/或换热器与氧化系统之间，用于获取由换热器输出的热风的温度和/或氧化系统内循环风的温度；

控制系统，与温度传感器和调温系统连接，用于根据温度传感器获取的温度控制调温系统。

本发明中，通过设置温度传感器能够获取换热器输出的热风的温度或者氧化系统内循环风的温度，若获取的温度超出工艺温度，则表明该温度可能会对纤维丝束造成损伤，此时控制系统可控制调温系统降低热风的温度或者氧化系统内循环风的温度，避免对纤维丝束造成损伤。

进一步地，还包括速度传感器，设置在所述换热器上和/或氧化系统上和/或换热器与氧化系统之间，用于获取由换热器输出的热风的风速和/或氧化系统内循环风的风速；

所述调温系统包括与氧化系统相连通的新风系统，用于向氧化系统内通入新风，控制系统与新风系统连接，用于根据速度传感器获取的风速控制新风系统。

和/或，碳纤维生产线还包括压力传感器，设置在所述换热器上和/或氧化系统上和/或换热器与氧化系统之间，用于获取由换热器输出的热风的风压和/或氧化系统内循环风的风压，控制系统与压力传感器连接，用于根据压力传感器获取的风压控制新风系统。

考虑到氧化系统内循环风在某些区域为湍流，且在循环风流动过程中循环风内热量不断衰减，因此难以对循环风的运动及借助循环风进行的热量传递，进行极为精确的流体力学分析、热力学分析，因此为保证氧化系统内各工艺参数的实时状态符合工艺要求，且处于稳定不变的状态，需要对其采用负反馈调节。

通过设置温度传感器、速度传感器、压力传感器，以便根据温度传感器、速度传感器、压力传感器获取的温度、风速、风压控制新风系统向氧化系统内通入新风的新风量，以对氧化系统的温度、风速、风压等进行调控，使得氧化系统处于稳定的状态，不会对纤维丝束造成损伤。

进一步地，还包括灭火系统，设置在氧化系统上，与氧化系统的氧化炉连通，用于向氧化炉内送入灭火物质，

所述温度传感器设置在氧化系统的氧化炉内，用于获取氧化炉内的温度，所述控制系统与所述灭火系统连接，用于根据温度传感器获取的温度控制灭火系统的开闭。

通过设计并安装灭火系统，能够保证碳纤维安全生产，从源头阻止氧化系统爆燃起火的工艺事故发生，且保证一旦氧化系统爆燃起火的工艺事故发生，产线设备能迅速灭火，防止火焰喷出危害员工人身安全，做到生产过程安全。

灭火系统采用电气控制、机械控制“双保险”实现对应急氮气喷气防火/灭火装置、应急水喷淋灭火装置的控制，确保无论生产现场出现什么复杂、严峻、危急的状况，如电气设备失效、现场电压不稳、现场断电时，都能保证紧急防火/灭火装置正常工作。

在氧化系统温度过高或产线停车时，灭火系统立刻启动，向氧化系统喷入氮气，降低炉内氧气浓度，从源头阻止爆燃的发生，若爆燃已发生也能迅速遏制火势。此外，由于丝束在灭火系统启动时，短时间内大量接触的气体氮气为惰性气体，能够对丝束本身起到保护作用，避免丝束爆燃，进而避免了丝束的损伤。综上，灭火系统对于节省原丝耗费、降低废丝率、缩短计划外停车时间，有着显著的作用。

进一步地，氧化系统包括氧化炉，氧化炉上开设用于供丝束穿过的氧化炉开口，碳纤维生产线还包括气密系统，设置在氧化炉上，用于通过氧化炉开口侧向氧化炉内通入气体；

和/或，碳化系统包括碳化炉，碳化炉上开设用于供丝束穿过的碳化炉开口，所述气密系统设置在碳化炉上，用于通过碳化炉开口侧向碳化炉内通入气体。

进一步地，气密系统包括用于获取气体成分和/或气压的气体传感器、用于输出气体的气体输出管，气体传感器设置在氧化炉开口端、气体输出管的出气口朝向氧化炉开口设置，和/或，气体传感器设置在碳化炉开口端、气体输出管的出气口朝向碳化炉开口设置，

碳纤维生产线的控制系统与气体传感器、气体输出管连接，用于根据气体传感器获取的气体成分和/或气压控制气体输出管的通/断。

在氧化炉、碳化炉中高温处理丝束时，会产生有毒有害物质(如：氰化氢)，一旦有毒有害物质泄露会危害员工身体健康，污染环境。因此，本发明设置了气密系统，对氧化炉、碳化炉进行气封，保证了生产的安全性。

进一步地，碳纤维生产线还包括：

若干导辊，导辊的表面粗糙度Ra为0.1-0.03，

驱动系统，与导辊连接，用于驱动若干所述导辊以相同的转速转动。

本发明降低了导辊的表面粗糙度，降低了导丝辊与丝束之间的摩擦力，避免了生产过程中碳纤维丝束的完整性受到破坏，进一步避免了丝束内有纤维断掉，出现伤丝现象。

本发明还公开一种碳纤维生产工艺，包括依次设置的氧化系统、碳化系统，以及与氧化系统、碳化系统相连通的余热回收系统，生产工艺包括：控制对由碳化系统流入余热回收系统的废气进行升温，和/或控制对由余热回收系统流出至氧化系统的热气进行降温。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明中，通过设置余热回收系统可杜绝氧化系统、碳化系统中有毒有害的废气泄露，并将废气转化为符合环保标准，可直接排入大气的无毒无害气体；同时，通过设置余热回收系统可对废气中的热能进行回收利用，为生产线供能，保证了生产过程绿色、环保、节能。

本发明中，通过设置调温系统对流入余热回收系统的气体进行调温，以减少气体在进入余热回收系统之前，气体中夹杂的焦油在生产线管道内的沉积；通过设置调温系统对流出余热回收系统的气体进行调温，避免余热回收系统输出的气体温度过高，利用该气体处理碳纤维丝束时对丝束造成损伤。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1为本发明碳纤维生产线的工艺流程图。

图中：

1、氧化系统；11、第一氧化炉；12、第二氧化炉；13、第三氧化炉；14、第四氧化炉；2、碳化系统；21、低温碳化炉；22、高温碳化炉；3、余热回收系统；31、高温焚烧炉；32、第一换热器；321、第一换热器排气管；322、第一换热器新风系统；33、第一低温焚烧炉；34、第二换热器；341、第二换热器排气管；342、第二换热器新风系统；35、第二低温焚烧炉；36、第三换热器；361、第三换热器排气管；362、第三换热器新风系统；4、第一调温系统；5、第二调温系统；6、上浆系统；7、烘干系统；8、收丝系统；9、放丝系统；10、灭火系统；20、导辊；30、丝束。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1所示，本发明公开一种碳纤维生产线。碳纤维生产线包括依次设置的氧化系统1、碳化系统2，还包括余热回收系统3、调温系统。碳纤维丝束在氧化系统氧化后牵引至碳化系统进行碳化。

余热回收系统3与氧化系统1相连通，用于回收氧化系统1氧化过程所产生的废气，调温系统设置在余热回收系统3与氧化系统1之间。或者，余热回收系统3与碳化系统2相连通，用于回收碳化系统碳化过程所产生的废气，调温系统设置在余热回收系统3与碳化系统2之间。或者，余热回收系统3与氧化系统1和碳化系统2连通，用于回收氧化系统1氧化过程、碳化系统2碳化过程所产生的废气，余热回收系统3与氧化系统1之间、余热回收系统3与碳化系统2之间分别设置独立的调温系统。

其中，余热回收系统3与氧化系统1相连通的具体方式为：余热回收系统3包括焚烧炉和换热器；氧化系统1包括氧化炉，氧化炉与焚烧炉相连通，用于焚烧氧化炉排出的废气，换热器与焚烧炉连通，用于将焚烧后的热气与通入换热器的新风进行换热，并将换热后的新风再次利用到生产线上。

余热回收系统3与碳化系统2相连通的具体方式为：碳化系统2包括碳化炉，碳化炉与焚烧炉相连通，用于焚烧碳化炉排出的废气，换热器与焚烧炉连通，用于将焚烧后的热气与通入换热器的新风进行换热，并将换热后的新风再次利用到生产线上。

本发明中，通过设置余热回收系统3可杜绝氧化系统1、碳化系统2中有毒有害的废气泄露，并将废气转化为符合环保标准，可直接排入大气的无毒无害气体；同时，通过设置余热回收系统3可对废气中的热能进行回收利用，为生产线供能，保证了生产过程绿色、环保、节能。

本发明中，通过设置调温系统对流入余热回收系统3的气体进行调温，以减少气体在进入余热回收系统3之前，气体中夹杂的焦油在生产线管道内的沉积；通过设置调温系统对流出余热回收系统3的气体进行调温，避免余热回收系统3输出的气体温度过高，利用该气体处理碳纤维丝束时对丝束30造成损伤。

作为本实施例的一种实施方式，余热回收系统3包括高温焚烧炉31，与碳化系统2相连通，用于焚烧碳化系统2排出的废气，第一调温系统4设置在所述高温焚烧炉31和碳化系统2之间。具体地，第一调温系统4设置在低温碳化炉21与高温焚烧炉31连接的管道上。

由于碳化阶段碳纤维发生的脱氢、脱氧反应极其剧烈，产生的废气量大，因此更易由于废气沉积为焦油堵塞排废管道，阻碍废气排出，使废气沉积在炉膛内成为焦油，造成工艺异常状况。本实施方式通过将调温系统设置在高温焚烧炉31和碳化系统2之间，能够升高废气的温度，减少焦油沉积的问题，使得碳纤维生产线能够稳定生产碳纤维，并且得到的碳纤维质量高。

进一步地，碳化炉与高温焚烧炉31连接的管道包括与碳化炉连通的排废主管道，和一端与排废主管道连通，另一端与高温焚烧炉31连通的排废总管道，通过将排废主管道与排废总管道的管径适当降低，使排废主管道与排废总管道内废气快速流动，冲刷管道内壁，遏制废气沉积为焦油附着在管道内壁、堵塞废气排放通路的趋势，优化了排废管道的排废效率。

不同的碳化线纺速下，碳化炉炉膛内易沉积焦油的位置不同，且碳化线纺速越高，碳化炉炉膛内沉积焦油的速率越快。针对上述生产线工艺特性，增设排废主管道的个数，使排废管道的入口能够覆盖炉膛内的更多区域，提升排废管道的排废效率，从而使排废管道能适应更高的纺速。优选的，共设置3条排废主管道。

通过上述措施，将碳化炉内大量焦油附着在碳纤维上的工艺异常情况每月发生的频次由3次降至0-1次，攻克了提高碳化线整体纺速的主要障碍，使碳化线极限纺速由9.25m/min增至11.75m/min，并将碳化线开车后达到最高纺速所需的时间，成功由通常所需的5个月缩短为3个月。

本发明的实施例中，焚烧炉内设置有用于燃烧废气的炉膛，炉膛内设置有用于对火势进行检测的检火器和控制可燃气体输入炉膛的调节阀，通过检火器控制调节阀的开度，调节炉膛内的火势。

本发明的实施例中，天然气管线将天然气传输至焚烧炉内，与废气发生燃烧反应；天然气管线上设置有流量计，可监测天然气管线内的天然气实时流量；天然气管线上安装有压力表，用于测量管线内的天然气压力，调压阀为电磁阀，可根据压力表输出的压力数据，实时控制管线内天然气流量；天然气在管线内传输至焚烧炉内之前，最后经过的阀组为点火阀组；点火阀组采用电磁控制，起到为天然气点火助燃的作用。检火器安装于焚烧炉炉膛的炉口处，根据火检信号，判别焚烧炉膛内是否火势过大、温度过高，若发生炉膛内火势过大或爆燃的异常情况，则向点火阀组传递信号使其熄火，焚烧炉停止工作；焚烧炉还包括气封区域，气封区域连通有氮气管线，氮气管线将氮气输送至焚烧炉的气封区域，起到保证炉膛气密性的作用，防止氧气进入焚烧炉内引发爆燃；炉膛还联通有助燃风机，助燃风机将新风鼓入炉膛内助燃。

作为本实施例的另一种实施方式，余热回收系统3还包括：第一低温焚烧炉33和与第一低温焚烧炉33连通的第二换热器34。第一低温焚烧炉33与氧化系统1的第一氧化炉11、第二氧化炉12相连通，用于焚烧氧化系统1排出的废气，即焚烧第一氧化炉11和第二氧化炉12排出的废气。

第二换热器34上设置有与其内部连通的第二换热器新风系统342和第二换热器排气管341。第二换热器新风系统342向第二换热器34内通入新风，与由第一低温焚烧炉33焚烧产生的热气进行换热，换热后的废气通过第二换热器排气管341排出。第二换热器34与第一氧化炉11和第二氧化炉12相连通，换热后的新风送入第一氧化炉11和第二氧化炉12作用于丝束30。

第三换热器36上设置有与其内部连通的第三换热器新风系统362和第三换热器排气管361。第三换热器新风系统362向第三换热器36内通入新风，与由第二低温焚烧炉35焚烧产生的热气进行换热，换热后的废气通过第三换热器排气管361排出。第三换热器36与第三氧化炉13和第四氧化炉14相连通，换热后的新风送入第三氧化炉13和第四氧化炉14作用于丝束30。

第二调温系统5至少设置在第二换热器34与第一氧化炉11和第二氧化炉12相连通的管道上，用于对由第二换热器34输出的换热后的新风进行调温。或者，第二调温系统5也可以设置在第三换热器36与第三氧化炉13和第四氧化炉14相连通的管道上，用于对由第三换热器36输出的换热后的新风进行调温。

其中，调温系统包括新风风机，新风风机能够向该管道内送入新风，以实现对换热后的新风进行调温的目的。

本发明通过将调温系统设置在换热器与氧化系统1之间，防止了温度过高的气体进入氧化系统1，造成氧化系统1内碳纤维丝束温度过高而损坏，甚至爆燃起火，保证了生产的本质安全与平稳、连续进行。

作为本实施例的又一种实施方式，碳纤维生产线包括温度传感器和控制系统。

温度传感器设置在第二换热器34上，或者，设置在第二换热器34与第一氧化炉11和第二氧化炉12相连通的管道上，用于获取由换热器输出的热风的温度。

或者，温度传感器设置在氧化系统1的第一氧化炉11和第二氧化炉12内，用于获取第一氧化炉11和第二氧化炉12内循环风的温度。

控制系统与温度传感器和调温系统连接，用于根据温度传感器获取的温度控制调温系统的开、闭以及调温功率。

本发明中，通过设置温度传感器能够获取第二换热器34输出的热风的温度或者氧化系统1内循环风的温度，获取的温度越高，则表明该温度可能会对纤维丝束造成损伤；此时，控制系统可控制调温系统降低热风的温度或者氧化系统1内循环风的温度，避免对纤维丝束造成损伤。

作为本实施例的一种实施方式，碳纤维生产线还包括速度传感器，其设置在第二换热器34上，或者，设置在第二换热器34与第一氧化炉11和第二氧化炉12相连通的管道上，用于获取由换热器输出的热风的风速。

或者，温度传感器设置在氧化系统1的第一氧化炉11和第二氧化炉12内，用于获取第一氧化炉11和第二氧化炉12内循环风的风速。

控制系统与速度传感器和调温系统连接，用于根据速度传感器获取的风速控制调温系统的开、闭以及调温功率。

进一步地，碳纤维生产线还包括压力传感器，其设置在第二换热器34上，或者，设置在第二换热器34与第一氧化炉11和第二氧化炉12相连通的管道上，用于获取由换热器输出的热风的风压。

或者，压力传感器设置在氧化系统1的第一氧化炉11和第二氧化炉12内，用于获取第一氧化炉11和第二氧化炉12内循环风的风压。

控制系统与压力传感器和调温系统连接，用于根据压力传感器获取的风压控制调温系统的开、闭以及调温功率。

考虑到氧化系统1内循环风在某些区域为湍流，且在循环风流动过程中循环风内热量不断衰减，因此难以对循环风的运动及借助循环风进行的热量传递，进行极为精确的流体力学分析、热力学分析，因此为保证氧化系统1内各工艺参数的实时状态符合工艺要求，且处于稳定不变的状态，需要对其采用负反馈调节。

通过设置温度传感器、速度传感器、压力传感器，以便根据温度传感器、速度传感器、压力传感器获取的温度、风速、风压控制新风系统向氧化系统内通入新风的新风量，以对氧化系统1的温度、风速、风压等进行调控，使得氧化系统1处于稳定的状态，不会对纤维丝束造成损伤。

作为本实施例的一种实施方式，碳纤维生产线还包括灭火系统10，设置在氧化系统1上，与氧化系统1的氧化炉连通，用于向氧化炉内送入灭火物质(如：惰性气体、水等)。温度传感器设置在氧化系统1的氧化炉内，用于获取氧化炉内的温度，控制系统与所述灭火系统10连接，用于根据温度传感器获取的温度控制灭火系统10的开闭。

本实施方式中通过设计并安装灭火系统10，能够保证碳纤维安全生产，从源头阻止氧化系统1爆燃起火的工艺事故发生，且保证一旦氧化系统1爆燃起火的工艺事故发生，产线设备能迅速灭火，防止火焰喷出危害员工人身安全，做到生产过程安全。

灭火系统10采用电气控制、机械控制“双保险”实现对应急氮气喷气防火/灭火装置、应急水喷淋灭火装置的控制，确保无论生产现场出现什么复杂、严峻、危急的状况，如电气设备失效、现场电压不稳、现场断电时，都能保证紧急防火/灭火装置正常工作。

在氧化系统1温度过高或产线停车时，灭火系统10立刻启动，向氧化系统1喷入氮气，降低炉内氧气浓度，从源头阻止爆燃的发生，若爆燃已发生也能迅速遏制火势。此外，由于丝束在灭火系统10启动时，短时间内大量接触的气体氮气为惰性气体，能够对丝束30本身起到保护作用，避免丝束30爆燃，进而避免了丝束30的损伤。综上，灭火系统10对于节省原丝耗费、降低废丝率、缩短计划外停车时间，有着显著的作用。

作为本实施例的又一种实施方式，第二换热器34与第一氧化炉11和第二氧化炉12相连通的管道上，和/或第三换热器36与第三氧化炉13和第四氧化炉14相连通的管道内安装了旋风除尘装置。旋风除尘装置使氧化废气沿颗粒物收集管道截面切向进入管道，在沿颗粒物收集管道运动的过程中，围绕着颗粒物收集管道中间的通往焚烧炉的废气管道旋转，因离心作用而将其中含有的颗粒物抛出，沉积在管道下部的漏斗状锁气器内。

旋风除尘装置使生产线两次停车全面清理间的时间间隔由4个月延长至6个月，延长了氧化炉排废管道的清理周期。

作为本实施例的一种实施方式，氧化系统1包括氧化炉，氧化炉上开设用于供丝束穿过的氧化炉开口。碳纤维生产线还包括气密系统，设置在氧化炉上，用于通过氧化炉开口侧向氧化炉内通入气体。

本发明中，碳化系统2包括碳化炉，碳化炉上开设用于供丝束穿过的碳化炉开口，所述气密系统设置在碳化炉上，用于通过碳化炉开口侧向碳化炉内通入气体。

进一步地，气密系统包括用于获取气体成分或气压的气体传感器、用于输出气体的气体输出管，气体传感器设置在氧化炉开口端、气体输出管的出气口朝向氧化炉开口设置，和/或，气体传感器设置在碳化炉开口端、气体输出管的出气口朝向碳化炉开口设置，

碳纤维生产线的控制系统与气体传感器、气体输出管连接，用于根据气体传感器获取的气体成分和/或气压控制气体输出管的通/断。

在氧化炉、碳化炉中高温处理丝束时，会产生有毒有害物质(如：氰化氢)，一旦有毒有害物质泄露会危害员工身体健康，污染环境。因此，本发明设置了气密系统，对氧化炉、碳化炉进行气封，保证了生产的安全性。

作为本实施例的一种实施方式，碳纤维生产线还包括若干导辊20和驱动系统，导辊的表面粗糙度Ra为0.1-0.03，优选表面粗糙度Ra为0.05，驱动系统与导辊20连接，用于驱动若干所述导辊20以相同的转速转动。

本发明降低了导辊20的表面粗糙度，降低了导辊20与丝束30之间的摩擦力，避免了生产过程中碳纤维丝束的完整性受到破坏，进一步避免了丝束内有纤维断掉，出现伤丝现象。

实施例二

本实施例是在实施例一的基础上所做的进一步补充，碳纤维生产线包括依次设置的放丝系统9、氧化系统1、碳化系统2、上浆系统6、烘干系统7、收丝系统8和导辊20。氧化系统1包括依次设置的第一氧化炉11、第二氧化炉12、第三氧化炉13、第四氧化炉14；碳化系统2包括依次设置的低温碳化炉21、高温碳化炉22。丝束30由放丝系统9牵出，在导辊20的引导作用下，依次经过氧化系统1氧化、碳化系统2碳化、上浆系统6上浆、烘干系统7烘干后，在收丝系统8上收丝。

具体地，放丝系统9包括电动转轴和原丝筒，电动转轴带动原丝筒转动，丝束30被带出原丝筒，丝束30通过导辊20导向进入雾化系统，使其表面湿润化，之后进入氧化系统1。本实施例中采用三次水雾加湿，能够消除原丝内静电，防止原丝伤丝。

在氧化工艺流程中，丝束30在导辊20导向下，水平运动，途经炉内温度处于205℃-250℃区间内，温度依次递增的第一氧化炉11、第二氧化炉12、第三氧化炉13、第四氧化炉14，在炉内发生氧化反应，转化为预氧丝，其标志性特征为具有阻燃性，之后进入碳化工艺流程。

为防止第一氧化炉11、第二氧化炉12、第三氧化炉13、第四氧化炉14内温度高、含有毒有害物质(如氰化氢)的循环风泄露至炉外，利用循环风中的一部分气流在氧化炉出入口起到气封作用。

为防止氧气进入低温碳化炉21、高温碳化炉22，破坏碳化反应的正常进行，造成生产事故，设计安装了碳化炉氮气气封装置。

碳化工艺流程分为低温碳化与高温碳化，低温碳化在低温碳化炉21内进行，炉内温度处于450℃-720℃区间内，共分为6个热区。高温碳化在高温碳化炉22内进行，炉内温度处于950℃-1480℃区间内，共分为6个热区。

预氧丝先后途经低温碳化炉21与高温碳化炉22后，发生碳化反应，其中大量含氢、氧量较高的有机物裂解出去，成为反应副产物。碳化工艺过程使碳纤维含碳量由约60％增加至92％以上。

碳化工艺流程中产生的反应副产物，经带第一调温系统4的排废管道输送至高温焚烧炉31内，经燃烧转化为温度较高，且无毒无害的气体，利用第一换热器32对其中余热进行回收利用，用于给烘干系统7的烘干炉、低温碳化炉21排废管道的第一调温系统4输送热能，之后排入大气。

上浆系统6包括上浆池，上浆池中容纳有上浆液，上浆液的主要成分为环氧树脂，其浓度为4.5％；丝束30运行经过上浆池，使上浆液附着在丝束30表面，起到提升碳纤维的剪切强度的作用，且避免了空气中的灰尘吸附至碳纤维表面，并有效防止了碳纤维表面磨损和减少毛丝的作用。上浆过程的关键点是做好分丝工作，使各列碳纤维中的丝束30数目与放丝一致，防止收丝处丝束卡断；使每个分丝梳子槽内里都只有一根碳纤维丝束，各丝束30之间不出现并丝、交叉的现象，防止丝束间相互摩擦，造成丝束30完整性的损伤，甚至造成丝束30卡断。

上浆后的碳纤维表面处于湿润状态，由导辊20导向进入烘干系统7内，在200℃左右的高温下烘干，之后由导辊20引导运动进入收丝系统8收丝。

在收丝工艺流程中，成品3K高性能小丝束碳纤维在运行通过分丝梳子之后，由导辊20引导，第一、四列丝前往一楼收丝机安装区域；第二、三列丝前往二楼收丝机安装区域。之后，每根丝经对应收丝机上导辊引导，缠绕到随转轴旋转的纸筒上，形成3K高性能小丝束碳纤维成品轴。

收丝工艺流程中的关键点在于保持碳纤维成品丝丝道整齐，使各列碳纤维中的丝束数目与放丝一致，防止收丝处丝束卡断，防止两根碳纤维丝束纺进一个成品轴内，即杜绝“双根丝”，各丝束之间不出现交叉现象，防止丝束相互摩擦造成伤丝甚至卡断。基于此，本发明的收丝机的设计过程标准化程度高、整机设计精度高、零件加工精度高。

本发明将收丝区域内成品丝张力设定为合适数值，例如：设定值为804g；使收丝机上各导辊在引导丝束运行的过程中，保持丝束内张力等于设定张力，即时刻处于绷紧状态，来提高3K碳纤维成品丝的展幅。

实施例三

本发明还公开一种碳纤维生产工艺，包括依次设置的氧化系统、碳化系统，以及与氧化系统、碳化系统相连通的余热回收系统，生产工艺包括：控制对由碳化系统流入余热回收系统的废气进行升温，和/或控制对由余热回收系统流出至氧化系统的热气进行降温。

实施例四

本实施例采用实施例2所述的生产线生产3K碳纤维。

实施例五

本实施例是在实施例一上的进一步改进。

本实施例介绍了一种碳纤维碳化系统的排废管路，至少包括两组相互独立的排废管道，各排废管道分别与碳纤维碳化系统的碳化炉可通断的相连，各排废管道择一连通，用于将碳化炉内的废气排出。

通过增设了至少一组排废管道，以在当前使用的排废管道发生堵塞、影响废气时，通过立即启用另外的排废管道，保证生产继续平稳进行，提高了碳化线生产的可靠性。

两组排废管道包括主用排废管道和备用排废管道，备用排废管道的管径大于主用排废管道的管径。在主用排废管路发生堵塞时，低温碳化炉产生的废气由于气体流通不畅积存在低温碳化炉的炉膛内，通过将备用排废管道的通径适当加大，以将炉膛内积存的废气快速排出，避免焦油析出沾附在炉膛内，导致刮丝的情况发生。

各排废管道分别包括多根进气管；各进气管分别与碳化炉相连通；主用排废管道的主用进气管、和备用排废管道的备用进气管上分别设置有控制管道通断的主用进气阀和备用进气阀；在生产过程中主用进气阀和备用进气阀择一打开。

本实施例中，各排废管道还分别包括合流管道和出气管；各进气管分别竖直设置；各进气管的底端与碳化炉相连通，对应的另一端分别与水平设置的合流管相连通；各合流管管壁的顶部分别连通有出气管；碳化炉的废气依次通过各进气管、合流管和出气管排出废气管道。

通过上述设置，各进气管分别通过合流管流通至出气管并排出的连接方式，形成了各进气管流通的废气通过在合流管内进行多次合流、再通过出气管导出的导气方式，以此令废气合流产生的压力分散在各进气管和出气管分别的与合流管相连的连通处上，从而提升了排废管道各管壁的结构稳定性，提升了管壁整体的耐压能力和使用寿命。

具体的，主用进气管道分别竖直设置，且分别的顶端与水平设置的主用排废管道的主用合流管相连通，水平主用合流管的管道顶部连通有竖直设置的主用出气管；各主用进气管内分别的废气通过主用出气管排出；备用进气管道分别竖直设置，且分别的顶端与水平设置的备用排废管道的备用合流管相连通，水平备用合流管的管道顶部连通有竖直设置的备用出气管；各备用进气管内分别的废气通过备用出气管排出。

优选的，各进气管分别均匀排列在对应的合流管的下方，各出气管分别设置在对应合流管的中间位置；令流通进合流管道的废气分别向合流管道的中间位置流通，并在出气管的下端位置形成对冲合流，令合流管道内位于出气管的连接处两侧的气压基本相同，避免由于对冲的气压大小不同，令气压较小的一侧气体流通效率降低，导致该侧出现焦油沉积堵塞管道。

本实施例中，还包括排废总管；排废总管设置于主用排废管道和备用排废管道之间，且管壁的两侧分别设置有与主用出气管和备用出气管对应连通的连通管。

本实施例中，主用出气管和备用出气管的通径分别等于主用排废管道和备用排废管道的通径。

本实施例中，排废总管的通径大于或等于主用排废管道的通径。

优选的，备用排废管道的通径大于或等于主用排废管道的通径，且备用排废管道的通径小于或等于排废总管的通径。

通过上述设置，在保证排废管道能够承受废气合流对管壁产生的压力的情况下，提升了废气在管道内的流速，提升了废气对管道清理的效果，令废气在管道内难以发生沉积，从而在对纺速进行提升时，即使发生废气产生量提高，也不会发生管道堵塞的情况，提升了经济效益。

本发明的实施例中，各连通管上分别设置有控制管路通断的连通阀，通过各连通阀控制对应排废管道与排废总管之间的通断；在生产过程中各连通阀择一打开；具体的，主用排废管道连通的连通管上设置有主用连通阀，备用排废管道连通的连通管上设置有备用连通阀。

本发明的实施例中，碳化炉外周排布有排气管道，各排气管道分别与各排废管道相连通；各排气管道分别包括，水平排气管和分设于水平排气管两端的竖直排气管；各竖直排气管分别与碳化炉内部相连通；各排废管道分别与各水平排气管一一对应的设置有进气管，各进气管分别与对应的水平排气管的中部相连通。

本发明的实施例中，各水平排气管的通径分别与对应的竖直排气管的通径相等。

本发明的实施例中，各排废管道分别的通径大于排气管道的通径；优选的，各排废管道404分别的通径不大于排气管道通径的1.5倍；进一步优选的，各排废管道分别的通径不大于排气管道通径的1.25倍。

通过上述优选设置，通过排废管道与排气管之间的结构设置，在保证了管道连接处的结构强度的情况下，降低各排废管道分别的进气管与排气管道通径与通过面积的比值，增大排废管道内的废气流速，使废气高速流动冲刷排废管道内壁，防止废气沉积为焦油附着于管道内壁上。

需要说明的是，现有技术中通常认为，低温碳化炉的排废管路内径越大，则可供废气通过的空间越大，排废效率越高；但是，经过实际生产情况的观察，发现如果排废管道内径过大，废气流速相对较低，在管道内的通过时间增长，从而令废气内的焦油等碳化反应副产物在管道内沉积的量大幅提升，管道内沉积焦油量过多，且焦油凝固后在管道内形成的不规则阻挡物，管道内形成的风路复杂，导致气体流动性差，排废管道的排废效率大大降低；而通过本发明的实施例中，通过采用与现有技术相反的技术手段，通过提升废气的流速，令高速的废气对排废管道内壁产生冲刷作用，反而有效阻止了焦油沉积。

综上通过排气管道、排废管道和排废总管的之间的管道通径关系的设置，在提升碳化线纺速的技术攻关中，碳化炉排废管路的性能不再构成障碍，成功缩短了将碳化线顺利开车后达到最高纺速所需的时间，且成功将碳纤维碳化系统的极限纺速提升25％，提高了生产线的产量与经济效益；并且，排废管炉的排废效率大幅提升且能稳定保持高位；在定期停车对排废管路进行全面清理维护时，需清理的焦油量大幅降低，缩短停车等待的时间。

本发明的实施例中，焚烧炉内设置有风机，风机旋转产生负压，通过排废管路抽吸低温碳化炉内形成的废气；废气通过低温碳化炉的炉膛侧壁上分布的排气管道流出低温碳化炉；废气在进入排气管道内，先沿竖直排气管向上传输，传输至竖直排气管的上端后，沿水平排气管传输，并通过相连通的排废管道输送至排废总管内。

优选的，低温碳化炉的炉膛的两侧分布有四根竖直排气管，四根水平延伸的水平排气管的两端分别与对应的竖直排气管相连，令分别由炉膛两侧排出的废气在水平排气管内对流，并在当前启用的排废管道下方汇合，经排废管道依次输送至排废总管后，经排废总管输送至焚烧炉内燃烧处理。

通过上述优选设置，相比传统的各低温碳化炉分别设置六根竖直排气管的设计，通过增设两根竖直排气管，从而令排气管道能覆盖炉膛内更多的位置，实现了根据纺速的不同，通过针对性的开启对应的竖直排气管，对炉膛内更容易积沉积焦油的位置进行排气，提升了废气排放的效率；同时，随纺速的提升开启更多的竖直排气管，以与随纺速提高而提高的废气产生速率相适应，从而避免由于开启的竖直排气管的总通过面积较小，导致炉膛内的废气无法及时排放。

本发明的实施例中排废管路的外周管壁上包裹有保温层；优选的，保温层的材料为硅酸铝毡，保温层的外侧包裹有铝皮。

实施例六

本实施例是在实施例一上的进一步改进。

本实施例提供一种氧化炉灭火系统，至少包括：两组灭火装置，两组所述灭火装置可择一地与氧化炉相连通，用于向氧化炉内输入灭火物质。

一般来说，氧化炉内部由上至下可以形成为空旷风区、滤网及丝道加热区，进气口和排气口设置在氧化炉的左右两端，且设置在氧化炉的相同侧，并且，循环风机设置在进气口和排气口之间，循环风机开启后在氧化炉内循环的一个循环周期内，其进入氧化炉内的空气先流经氧化炉内靠近炉上侧的空旷风区，之后穿过滤网流向丝道加热区，将热量传递给丝道加热区内水平运行的碳纤维丝束上，最终从排气口排出。

另外，进气口和排气口均设置在氧化炉上部的空旷风区，由于碳纤维在丝道加热区进行氧化工艺流程，因此，丝道加热区温度范围设置在200℃-250℃，避免碳纤维的伤丝、断丝率。本实施例中，进气口和排气口均设置在氧化炉上部的空旷风区，由于碳纤维在丝道加热区进行氧化工艺流程，因此，丝道加热区温度范围设置在200℃-250℃，避免碳纤维的伤丝、断丝率。

基于此，丝道加热区需要保持较高的温度范围，丝道加热区内的温度不易过高，此时，在丝道加热区设置有温度传感器，用于准确检测丝道加热区的温度，因此，在每个氧化炉的外侧设置有至少两组灭火装置，灭火装置的出口朝向与氧化炉的丝道加热区设置，在丝道加热区的温度异常时，启动灭火装置后，灭火装置内灭火物质能够丝道加热区，并在循环风机的作用下，可以确保灭火物质能够快速地覆盖丝道加热区，从而确保丝道加热区能够正常运行，即可以避免由于温度异常导致氧化炉停机，防止丝道加热区大幅偏离正常范围，提高了生产效率，杜绝安全隐患。

需要说明的是，氧化炉沿竖直方向的截面的形状多为矩形，灭火装置一般设置矩形的长边上，并且两组灭火装置靠近长边的中心线分别设置在中心线的两侧，另外，两组灭火装置的启动均通过灭火系统的控制器电连接，两组灭火装置可以单独设置，或者，两组灭火装置可以通过灭火系统的控制系统进行联合控制，防止炉内火焰喷出炉口危害员工人身安全，做到生产过程安全。

优选地，灭火系统包括用于连通灭火装置和氧化炉且并联设置的第一管路和第二管路，第一管路上设置手动阀，第二管路上设置电动阀，手动阀、电动阀择一开启，用于控制灭火装置与氧化炉的通断。

需要说明的是，每个灭火装置的一端均通过第一管路和第二管路与氧化炉相连通，第一管路与手动阀相连，第二管路与电动阀相连接，并且第一管路和第二管路与氧化炉的连接处还设置有密封结构，与此同时，手动阀、电动阀均与灭火系统的控制器相连，可以接收手动阀或者电动阀控制对应管路的开、闭状态，确保在紧急状态下灭火系统至少一个管路能够正常运行，避免氧化炉内的碳纤维彻底烧坏，杜绝了安全隐患。

一般来说，第一管路和第二管路在氧化工艺过程中，第一管路和第二管路处于关闭状态，当氧化炉的温度出现异常时，灭火系统启动，此时灭火系统首先通过控制器直接控制第二管路启动，即，第一管路保持关闭状态，这样可以避免了人工操作过程的繁琐，提高了灭火系统的自动化。

在第二管路无法正常开启时，将第二管路的信息反馈至控制器，并将第二管路的电动阀关闭，此时，控制器向值班人员发出第二管路异常的信息，这样用户能够及时启动第一管路的手动阀，或者，在第一管路发生故障时，也可以将故障信息反馈至控制器上，控制第二管路开启；这样一来，灭火系统可以迅速降低氧化炉内空气的温度，避免由于氧化炉的温度过高而意外造成停机，缩短计划外停车时间，节省原材料耗费，降低了碳纤维的废丝率。

优选地，两组所述灭火装置包括用于输出惰性气体的第一灭火装置和用于输出液体的第二灭火装置。氧化炉灭火系统还包括：温度传感器，设置在氧化炉上，用于获取氧化炉内的温度。

氧化炉灭火系统还包括：控制器，与温度传感器、第一灭火装置、第二灭火装置连接，用于根据温度传感器获取的温度，控制第一灭火装置、第二灭火装置择一开启。

本实施例中，两组灭火装置中分别容纳不同的灭火物质，或者，两组灭火装置中容纳相同的灭火物质，优选地，两组灭火装置分别容纳有不同的灭火物质，两组灭火装置包括第一灭火装置和第二灭火装置，其中第一灭火装置能够向氧化炉内输出惰性气体的灭火物质，进一步地，惰性气体优选为氮气，第二灭火装置能够向氧化炉内输出液体灭火物质，例如为水。另外，第一没活装置与生产车间的氮气总管道相连接，对应地，第二灭火装置与工业水总管道相连通，这样，可以分别确保氮气、水的供应量，确保氧化炉的稳定运行，提高用户的使用体验。

可以理解的是，从车间氮气主管道分别引出两条应急氮气喷气管道，将应急氮气快速喷入对应氧化炉内的丝道加热区，此时，控制氮气的手动阀和电动阀任一个打开，都会使对应管道内的应急氮气受主管道气压的作用，可以起到降低炉内氧气浓度形成对碳纤维丝束的降温效果，从源头防止爆燃起火发生，确保碳纤维氧化工艺温度符合工艺需求，并且，降温后的氮气与氧化炉内的空气共同排入到焚烧炉内，这样可以避免氧化炉停机时间过长，同时也可以降低或避免碳纤维的废丝率，进而提高了碳纤维的产品的质量。

对应地，从应急喷淋用水主管道，分别引出两条应急喷淋用水管道，并且将两条应该喷淋用水管道分别与手动阀和电动阀相连接，通过对相应阀门的控制将应急喷淋用水传输至对应氧化炉内，都会使对应管道内的应急喷淋用水受主管道水压的作用，流经对应管道内的氧化炉喷淋灭火，并将降温后的水蒸气与氧化炉内的空气混合共同排出到氧化炉的外部。这样在炉内爆燃起火的工艺事故突然发生，能做到迅速灭火，防止炉内火焰喷出炉口危害员工人身安全。

优选地，灭火系统还包括：输出总管，其一端连通第一管路和第二管路，另一端连通灭火装置，

比例阀，设置在所述输出总管上，用于控制输出总管灭火物质的输出量，

温度传感器，设置在氧化炉上，用于获取氧化炉内的温度，

控制器，与温度传感器、比例阀连接，用于根据温度传感器获取的温度，控制比例阀的开度。

需要说明的是，输出总管与第一管路和第二管路的连接处设置有三通结构，并且，第一管路和第二管路设置为择一开启，因此，输出总管的管壁和第一管路的管壁和第二管路的管壁受到惰性气体的压力或水的压力是相等的，可以避免水压或气压突变对管路的损坏，并且输出总管上设置有比例阀，根据检测的氧化炉内的温度值，控制比例阀的开度，可以避免比例阀长时间的使用降低其使用寿命。

与此同时，第一灭火装置和第二灭火装置分别设置一个比例阀，可以控制灭火装置的开启，在氧化炉正常运行时，第一灭火装置和第二灭火装置对应的比例阀都处于关闭状态，在氧化炉出现异常时，可以根据异常情况控制比例阀的开闭，并且比例阀与控制器相连接，这样，降低了灭火装置的操作难度，同时也使得灭火系统更佳智能化，提高了氧化炉的降温效率，确保了碳纤维的品质。

还需要说明的是，比例阀与电动阀均与控制器电连接，可以根据氧化炉内的空气温度的变化，通过控制器比例阀和电动阀的开度，从而控制氮气的输出量或者水的输出量，详细地，氧化炉内的温度较高时，可以同时增加比例阀和电动阀的开度，或者，也可以在氧化炉内的温度偏差不大时，可以调节其中一个阀门，只要使灭火装置的氮气或液体的输出量能够满足氧化炉快速降温即可。优选地，灭火装置能够同步调节电动阀和比例阀，这样一来，可以避免电动阀或比例阀调节过大造成电动阀或比例阀的损坏，也可以保证在单个阀门的开度无法满足氧化炉的降温需求时仍能使氧化炉内的温度降低至设定范围，同时由于增加了氮气或水的输出量，达到快速降温或灭火的效果，缩短了氧化炉的停车时间，提高了产生效率，用户使用更佳。

实施例七

本实施例提供一种碳纤维导丝系统，包括机架和导丝辊，还包括转轴和平衡装置。

所述转轴水平设置在导丝系统的机架上。

所述平衡装置设置在转轴上，所述平衡装置用于维持转轴的水平状态。

所述导丝辊可转动地设置在所述转轴的一端。

本发明在所述转轴上设有平衡装置，使丝束在运动中产生的张力发生波动，而导致转轴的水平状态被破坏时，通过平衡装置对转轴的平衡位置进行微调，避免了丝束内张力的波动造成丝束的完整性被破坏，而导致丝束伤丝情况的发生，同时减少了丝束损失，降低了成本。

具体地，所述碳纤维导丝系统还包括导丝机和固定在导丝机框架两侧的外轴承。

所述导丝辊的一端固定设置在所述外轴承上，所述导丝辊用于对丝束的运动提供导向作用。

所述转轴上还安装有原丝筒。所述原丝筒对所述碳纤维导丝系统提供丝束2。具体地，所述碳纤维导丝系统的伺服电机与生产线其他设备联锁，驱动转轴转动，进而使丝束从原丝筒流出，进入导丝系统中，并带动所述导丝辊转动。

需要解释的是，由于丝束在运动中会带动所述导丝辊转动，而当丝束运动过程中，丝束内张力发生波动时，就会导致各个导丝辊、转轴的转动频率不一致，进而使转轴失去平衡，影响丝束与导丝辊之间的摩擦力发生变化，导致丝束的完整性被破坏。

所述平衡装置包括配重结构，所述配重结构可活动地设置在所述转轴中心轴线的两侧。所述配重结构用于维持转轴的水平状态。

本发明通过在所述转轴轴线的两侧设置配重结构，进一步避免了所述转轴产生较大的位移时，使丝束运动时产生较大的波动，而导致所述丝束的完整性被破坏的发生。

进一步地，所述平衡装置包括水平设置的平衡杆，所述平衡杆的中部区域设置有安装部。所述安装部用于与转轴的另一端可转动地连接，所述平衡杆的中心轴线与所述转轴的中心轴线垂直设置。

所述配重结构包括至少两个配重块。所述配重块可滑动的设置在平衡杆上，且分别位于安装部的两侧。所述配重块可沿着平衡杆滑动。

本发明在所述平衡杆的中部区域设置有安装部，并将所述安装部用于与转轴的另一端可转动地连接，再使配重块可滑动的设置在平衡杆上，且分别位于安装部的两侧，通过在所述转轴由于丝束随导丝辊运动产生张力波动而导致转轴失衡时，调节所述平衡杆两端的配重块的位置，进而使所述转轴维持水平状态。

具体地，所述配重块的重心设置有贯穿所述配重块的开口。所述配重块通过所述开口在所述平衡杆上可滑动的设置。

所述配重块上择一设置卡接/卡扣，所述平衡杆上对应设置卡扣/卡接。所述配重块在调节位置后，通过所述卡接/卡扣与所述平衡杆上对应设置卡扣/卡接相互扣合，进而将所述配重块固定在所述平衡杆上，避免了由于转轴转动导致所述配重块的位置不断地发生变化，而使转轴处于失衡状态下，导致丝束发生伤丝情况。

需要解释的是，所述配重块上还可以设置其他连接结构，只要满足将所述配重块固定在所述平衡杆上即可。

另外，所述平衡杆上具有自其一端向另一端均匀分布的若干刻度。

本发明通过在所述平衡杆上具有自其一端向另一端均匀分布的若干刻度，使所述转轴在发生失衡时，通过判断所述配重块在所述平衡杆上对应刻度所在的位置，进而调节所述配重块的位置，而使所述转轴保持水平。

进一步地，所述平衡装置还包括固定杆。所述固定杆的一端与所述转轴的一端固定连接，所述固定杆的另一端与所述导丝辊的旋转轴固定连接。

本发明通过将所述固定杆的一端与所述转轴的一端固定连接，所述固定杆的另一端与所述导丝辊的另一端固定连接，进一步避免了所述转轴失衡情况的发生。

所述导丝辊至少包括导入导丝辊和导出导丝辊。丝束可自导入导丝辊牵引至导出导丝辊。所述平衡装置至少设置在导入导丝辊上。

本发明通过将所述平衡装置至少设置在所述导入导丝辊上，避免了所述丝束在从原丝筒流入导丝辊时，对导丝辊的平衡状态造成破坏，降低了所述丝束伤丝的机率。

具体地，所述导入导丝辊和导出导丝辊固定设置在所述外轴承上。

需要解释的是，当所述丝束在流入所述导丝辊中时，如果丝束内张力发生波动，进而导致导丝辊、转轴的转动频率不一致，进而使转轴失去平衡，影响丝束与导丝辊之间的摩擦力发生变化，从而导致丝束的完整性被破坏。当所述平衡装置至少设置在导入导丝辊上时，对所述丝束在流入所述导丝辊中的开始阶段进行调节，避免了丝束内张力发生波动，减少了丝束损失，降低了成本。

进一步地，所述导入导丝辊包括依次设置的第一导入导丝辊、第二导入导丝辊。所述丝束可自第一导入导丝辊牵引至第二导入导丝辊。所述第一导入导丝辊、第二导入导丝辊分别固定设置在所述外轴承。

所述平衡装置至少设置在第一导入导丝辊上。

本发明通过将所述平衡装置至少设置在第一导入导丝辊上，进一步避免了所述丝束在从导丝辊流出进入氧化系统时，对导丝辊的平衡状态造成破坏，降低了所述丝束伤丝的机率。

具体地，所述第一导入导丝辊、第二导入导丝辊为定滑轮，所述第一导入导丝辊、第二导入导丝辊的轮子周围设有凹槽结构。所述凹槽结构用于限制所述丝束仅能在凹槽内部运动。凹槽内部的转角皆为圆角结构，可防止丝束因摩擦伤丝。

所述第一导入导丝辊的外径为80mm，厚度为18mm，凹槽的深度为5mm；所述第二导入导丝辊的外径为50mm，厚度为15mm，凹槽的深度为3mm。所述第一导入导丝辊、第二导入导丝辊轮体材质为不锈钢，凹槽内部包裹有陶瓷。

所述导入导丝辊还包括第三导入导丝辊。所述第三导入导丝辊的固定设置在所述外轴承上，所述第三导入导丝辊用于将丝束导入导丝辊中。所述第三导入导丝辊为一长条圆柱形转轴，底面直径为35mm，长度为500mm，材质为陶瓷。

所述导出导丝辊包括第一导出导丝辊和第二导出导丝辊。所述第一导出导丝辊和第二导出导丝辊用于确保丝束保持水平运动状态。

进一步地，所述碳纤维导丝系统还包括限位扣，所述限位扣设置在所述机架上。

所述限位扣上设有供丝束穿过通孔。

本发明通过将所述限位扣设置在所述机架上，限制丝束仅在预定的垂直方向上运动，避免了丝束与导丝辊出现相对运动而导致摩擦伤丝的情况。

具体地，所述限位扣上设有贯穿所述限位扣的通孔，所述限位扣约束所述丝束在所述通孔的运动内侧。

进一步地，所述导丝辊和/或限位扣的表面粗糙度为Ra0.05。

本发明通过将多个导丝辊和/或限位扣的表面粗糙度降至Ra0.05，避免了丝束与导丝辊之间的摩擦力过大而导致摩擦伤丝的情况。

实施例八

本实施例的碳纤维生产线包括放丝系统和氧化系统，碳纤维丝束可由放丝系统引出，并引入氧化系统进行氧化。所述碳纤维生产线还包括加湿箱和雾化装置。

所述加湿箱设置在放丝系统和氧化系统之间，由放丝系统引出的丝束可穿过所述加湿箱进入氧化系统。

所述雾化装置用于向所述加湿箱内输送雾化水。

本发明通过在所述放丝系统和氧化系统之间设置加湿箱，并在加湿箱中设置用于向所述加湿箱内输送雾化水的雾化装置，使由放丝系统引出的丝束穿过所述加湿箱之后，再进入氧化系统中，确保了丝束在进入氧化工序之前，始终处于湿润状态，去除了丝束上会导致丝束伤丝的静电。本发明保证了丝束在进入氧化工序之前的完整性，避免了由于伤丝进入氧化炉后导致产生缠辊及断丝的情况发生。

具体地，所述雾化装置设置在所述加湿箱的内部。

另外，所述碳纤维生产线还包括机架、转轴和驱动转轴的电动机。

需要解释的是，为防止有水被喷到驱动转轴的电动机或转轴的轴承上，在电动机与轴承外部加装金属保护壳。

所述碳纤维生产线还包括供水系统，所述供水系统包括水泵、输水管和污水处理管。

优选的，水泵型号为25LG3-10x3，最大流量为3m3/h，最大扬程为30m，额定功率为1.1kW。

优选的，工作过程中，由水泵加压的工业水，流量为0.5m3/h，最大扬程为8m，水泵功率为0.08kW。

所述加湿箱包括第一开口和第二开口。

所述第一开口设置在所述加湿箱的侧壁上。所述第二开口对应设置在与所述第一开口相对的侧壁上。

所述丝束从所述第一开口向所述第二开口运动。所述加湿箱的第一开口、第二开口之间的侧壁上开设雾化水入口。所述雾化装置可通过雾化水入口向加湿箱内输送雾化水。

本发明通过在所述加湿箱的侧壁上设置第一开口和第二开口，使所述丝束从所述第一开口向所述第二开口运动，通过对从第一开口进入和第二开口流出的丝束进行加湿处理，进一步确保了丝束在进入氧化工序之前，始终处于湿润状态，去除了丝束上会导致丝束伤丝的静电。

进一步地，所述雾化水入口设置在所述加湿箱内部的底壁上。所述雾化装置包括用于连通加湿箱的喷雾口，所述喷雾口朝向所述雾化水入口设置。

本发明通过将所述雾化水入口设置在所述加湿箱内部的底壁上，并且将所述喷雾口朝向所述雾化水入口设置，使从所述喷雾口喷出来的物化水通过所述雾化水入口直接作用在丝束上，保证了通过所述雾化水入口的每段丝束都能被加湿，避免了丝束在氧化过程中由于温度过高而被烧断，进而影响生产的稳定性。

丝束的流动方向为从左到右。所述雾化水入口自所述第一开口向第二开口排布。

本发明通过将所述雾化水入口自所述第一开口向第二开口排布，使丝束在运动过程中持续受到加湿作用，保证了丝束达到加湿效果，进一步避免了丝束在氧化过程中由于温度过高而被烧断，而导致出现大量废丝的情况发生。

需要解释的是，所述雾化水入口也可以不均匀设置在所述第一开口、第二开口之间，只要满足使丝束完全加湿即可。

进一步地，所述加湿箱还包括过滤装置。所述过滤装置用于过滤通过雾化水入口的气体。所述过滤装置设置在雾化水入口侧，并且所述过滤装置覆盖雾化水入口。

所述过滤装置设在所述雾化水入口与丝束之间，所述过滤装置用于避免灰尘与丝束接触。

本发明将所述过滤装置设在所述雾化水入口与丝束之间，避免了灰尘与丝束接触，导致所述丝束形成产品的性能降低的情况。

具体地，所述过滤装置包括过滤网，所述过滤网设置在所述雾化水入口与丝束之间。更具体地，所述过滤网固定设置在所述雾化水入口的上方。

所述放丝系统还包括绕设有原丝的原丝筒。

所述碳纤维生产线还包括第一喷水装置，所述第一喷水装置具有用于出水的喷水口，所述喷水口朝向所述原丝筒设置。

本发明通过将所述喷水口朝向所述原丝筒设置，使水流直接作用在绕设在原丝筒上的原丝，保证了丝束在从原丝轴流出时处于湿润状态。

具体地，所述第一喷水装置的喷水口设置为网状。需要解释的是，当具有一定压力的水流经过所述第一喷水装置，最后达到所述喷水口时，由于网状结构的节流作用，使流速增大，进而使通过所述喷水口的水流被打散为雾状水，增大了对原丝筒的加湿范围，使喷出的水均匀分布在原丝筒的表面。

进一步地，所述碳纤维生产线包括用于输送产线用水的输水管。所述第一喷水装置包括喷水管。所述喷水管的一端连通所述输水管，所述喷水管的另一端形成喷水口朝向所述原丝筒设置。

所述喷水管自其一端向其另一端向下倾斜设置，且喷水管位于原丝筒上方。

本发明通过将所述喷水管的一端连通所述输水管，所述喷水管的另一端形成喷水口朝向所述原丝筒设置，使通过喷水口流出的雾状水直接喷洒在原丝筒，对放丝系统中初始阶段的丝束进行加湿，保证了丝束在放丝过程中不会受到破坏，进一步降低了废丝产生的机率。

具体地，所述喷水口的轴线与水平方向呈一定的夹角。所述夹角的范围为45°～85°。

一种实施方式是，所述第一喷水装置设置在所述原丝筒的上方。

另一种实施方式是，所述第一喷水装置设置在所述原丝筒的下方。

本发明采用的方案是所述第一喷水装置设置在所述原丝筒的上方。优选的，所述夹角为60°。

进一步地，所述碳纤维生产线还包括用于喷水的第二喷水装置，所述第二喷水装置设置在第一喷水装置与氧化系统之间。所述第二喷水装置用于向第一喷水装置与氧化系统之间的碳纤维丝束喷水。

本发明通过将所述第二喷水装置设置在第一喷水装置与氧化系统之间，进一步保证了丝束在放丝过程中不会受到破坏，同时确保了丝束在进入氧化工序之前，始终处于湿润状态，去除了丝束上会导致丝束伤丝的静电。

具体地，所述第二喷水装置的一端上设有雾化装置。所述第二喷水装置设置在所述丝束的上方。

需要说明的是，所述碳纤维生产线包括至少两个第二喷水装置。所述碳纤维生产线包括多个丝束，所述至少两个第二喷水装置分别对应设置在多个丝束的上方。

第二喷水装置包括内部具有用于容纳水的空腔的壳体。所述壳体开设有连通空腔内外的喷水孔，所述喷水孔朝向所述第一喷水装置与氧化系统之间的区域设置。

本发明通过在所述第一喷水装置与氧化系统之间的区域设置第二喷水装置，保证了流经所述第一喷水装置与氧化系统之间的区域的丝束处于湿润状态，避免了由于车间温度过高或加工时间长的原因，丝束水分不够导致丝束受到损伤。

具体地，所述壳体开设有若干所述喷水孔。若干所述喷水孔自所述第二喷水装置的一端，沿与丝束运动方向垂直的方向，向第二喷水装置的另一端排布。

更具体地，若干所述喷水孔自所述第二喷水装置的第一端，沿与丝束运动方向垂直的方向，向第二喷水装置的第二端排布。

所述喷水孔的轴线与所述丝束的移动方向垂直。优选的，所述喷水孔至少为五个。

另外，所述第二喷水装置的另一端通过塑料管与污水处理管相连，将多余的水雾传输出第二喷水装置，防止第二喷水装置内部积累过多除盐水造成第二喷水装置损坏。

对比例一

本对比例与实施例四的区别仅在于：本实施例采用传统碳纤维生产线生产3K碳纤维。

传统碳纤维生产线包括依次设置的放丝辊、氧化炉、低温碳化炉、高温碳化炉、上浆槽、烘干炉、收丝机和若干导辊，丝束由放丝辊牵出，在导辊的引导作用下，依次经过氧化炉、低温碳化炉、高温碳化炉、上浆槽、烘干炉、收丝机。其中，导辊的表面粗糙度为Ra0.2，各导辊分别进行控制。

试验例一

本试验例对由实施例四生产得到的3K碳纤维的性能按照GB/T 26752-2020进行了检测，检测结果如下表1所示：

表1：

组别	拉伸模量(GPa)	拉伸强度(GPa)	线密度(g/km)
				1	270	4.16	196
2	258	5.12	194
				3	265	4.36	193
4	269	4.58	194
				5	273	4.25	193
6	255	4.86	195

由此可见，采用本发明的碳纤维生产线和碳纤维生产工艺生产得到的3K碳纤维力学性能优异，能够被广泛应用于航空航天、军工、高端装备制造、风电叶片制造、体育用品等领域。

试验例二

本试验例对实施例四中即将进入氧化工序的3K碳纤维原丝的伤丝率和对比例一中即将进入氧化工序的3K碳纤维原丝的伤丝率进行了统计，统计结果见下表2。统计方法为：人工观察碳纤维原丝统计得到的。其中，本发明实施例四的放丝量为298根，对比例一的放丝量为285根。

表2：

组别	实施例四伤丝率(％)	对比例一伤丝率(％)
			1	1.34	3.51
2	1.00	4.56
			3	2.01	3.16
4	1.34	3.86
			5	1.00	2.81
6	1.68	5.61

由此可见，本发明实施例四中的放丝量高于对比例一的放丝量，并且实施例四的伤丝率远远低于对比例一的伤丝率，即本发明的碳纤维生产线不但能够通过增加放丝量提高碳纤维的生产效率还能够有效降低碳纤维生产过程中的伤丝率，提高碳纤维的生产质量。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种碳纤维生产线，包括依次设置的氧化系统和碳化系统，碳纤维丝束在氧化系统氧化后牵引至碳化系统进行碳化，其特征在于：还包括：

余热回收系统，与氧化系统和/或碳化系统相连通，用于回收氧化系统氧化过程和/或碳化系统碳化过程所产生的废气；

调温系统，设置在余热回收系统与氧化系统和/或碳化系统之间，用于对流入和/或流出余热回收系统的气体进行调温。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维生产线，其特征在于：所述余热回收系统包括高温焚烧炉，与碳化系统相连通，用于焚烧碳化系统排出的废气，所述调温系统设置在所述高温焚烧炉和碳化系统之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维生产线，其特征在于：

所述余热回收系统还包括低温焚烧炉和换热器，低温焚烧炉与氧化系统相连通，用于焚烧氧化系统排出的废气，换热器与低温焚烧炉、氧化系统相连通，用于将低温焚烧炉产生的热气与新风进行换热，并将换热后的热风送入氧化系统，所述调温系统设置在所述换热器与氧化系统之间。

4.根据权利要求3所述的一种碳纤维生产线，其特征在于：还包括：

温度传感器，设置在所述换热器上和/或氧化系统上和/或换热器与氧化系统之间，用于获取由换热器输出的热风的温度和/或氧化系统内循环风的温度；

控制系统，与温度传感器和调温系统连接，用于根据温度传感器获取的温度控制调温系统。

5.根据权利要求4所述的一种碳纤维生产线，其特征在于：

还包括速度传感器，设置在所述换热器上和/或氧化系统上和/或换热器与氧化系统之间，用于获取由换热器输出的热风的风速和/或氧化系统内循环风的风速；

所述调温系统包括与氧化系统相连通的新风系统，用于向氧化系统内通入新风，控制系统与新风系统连接，用于根据速度传感器获取的风速控制新风系统；

和/或，还包括压力传感器，设置在所述换热器上和/或氧化系统上和/或换热器与氧化系统之间，用于获取由换热器输出的热风的风压和/或氧化系统内循环风的风压，控制系统与压力传感器连接，用于根据压力传感器获取的风压控制新风系统。

6.根据权利要求4或5所述的一种碳纤维生产线，其特征在于：还包括灭火系统，设置在氧化系统上，与氧化系统的氧化炉连通，用于向氧化炉内送入灭火物质，

所述温度传感器设置在氧化系统的氧化炉内，用于获取氧化炉内的温度，所述控制系统与所述灭火系统连接，用于根据温度传感器获取的温度控制灭火系统的开闭。

7.根据权利要求1或2或4或5所述的一种碳纤维生产线，其特征在于：

氧化系统包括氧化炉，氧化炉上开设用于供丝束穿过的氧化炉开口，碳纤维生产线还包括气密系统，设置在氧化炉上，用于通过氧化炉开口侧向氧化炉内通入气体；

和/或，碳化系统包括碳化炉，碳化炉上开设用于供丝束穿过的碳化炉开口，所述气密系统设置在碳化炉上，用于通过碳化炉开口侧向碳化炉内通入气体。

8.根据权利要求7所述的一种碳纤维生产线，其特征在于：

气密系统包括用于获取气体成分和/或气压的气体传感器、用于输出气体的气体输出管，气体传感器设置在氧化炉开口端、气体输出管的出气口朝向氧化炉开口设置，和/或，气体传感器设置在碳化炉开口端、气体输出管的出气口朝向碳化炉开口设置，

碳纤维生产线的控制系统与气体传感器、气体输出管连接，用于根据气体传感器获取的气体成分和/或气压控制气体输出管的通/断。

9.根据权利要求1或2或4或5或8所述的一种碳纤维生产线，其特征在于：还包括：

若干导辊，导辊的表面粗糙度Ra为0.1-0.03，

驱动系统，与导辊连接，用于驱动若干所述导辊以相同的转速转动。

10.一种碳纤维生产工艺，其特征在于：包括依次设置的氧化系统、碳化系统，以及与氧化系统、碳化系统相连通的余热回收系统，生产工艺包括：控制对由碳化系统流入余热回收系统的废气进行升温，和/或控制对由余热回收系统流出至氧化系统的热气进行降温。

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