CN116359479A - 一种碳纤维预氧化工艺模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳纤维预氧化工艺模拟实验装置，主要包括：预氧化炉、张力导向装置和传动装置。碳纤维丝束能够被传动装置驱动，在张力导向装置处改变运行方向并调控运行张力，反复进入预氧化炉实现连续的预氧化反应，更贴近实际生产过程中丝束连续运行的反应状态。本发明还针对预氧化模拟实验装置温场、流场均匀性差的问题进行了改进，采用内循环垂直送风风道设计，配合气流分配结构和炉头气封装置等设计，实现了良好的炉内均匀性。经过实验验证，本发明提出的碳纤维预氧化工艺模拟实验装置，能够精确地模拟实际生产的反应效果，提高模拟效果，减小与实际生产的偏离情况，对指导实际生产中的预氧化工艺调节有着重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维预氧化工艺技术领域，具体涉及一种碳纤维预氧化工艺模拟实验装置。
背景技术
预氧化是碳纤维碳化工艺中的一道关键工序。在预氧化过程中，聚丙烯腈基原丝由线性分子结构转变为耐热梯形结构的预氧丝，在后续的高温碳化过程中才能保持纤维形态。纤维在预氧化过程中发生的结构转化直接影响到后工序运行的稳定性和最终产品碳纤维的性能。因此，预氧化是聚丙烯腈碳纤维碳化工艺的关键过程。
完整的预氧化处理过程历程较长，尤其是每次进行工艺调整后的工艺状态重新稳定所需的周期很长，在大规模生产线的工艺摸索和工艺调整过程中可能造成比较大的浪费。同时，生产用氧化炉设备过于庞大，温度和气流的均匀性等工艺状态存在不均匀和波动的情况，而小规模的实验装置可以较为低成本的规避均匀性的缺陷，更适合进行预氧化工艺实验。预氧化工艺涵盖了预氧化处理的温度、停留时间、张力等多方面因素综合的影响，是一个比较复杂的工艺调节过程，现有的预氧化实验装置通常不能很好的、全面的反映实际生产的情况，导致实验结果不具备可参考价值。实际生产中预氧化停留时间往往长达近1个小时，且预氧化处理过程中丝束处于运行状态，现有的预氧化实验设备不能完全模拟这个过程，部分实验设备丝束处于连续运行状态但无法在满足实际运行速度的前提下保证停留时间(由于实验设备大小规模的限制，总的丝束运行路径较短)；部分实验设备丝束处于停止状态，与实际生产情况的偏离更大。现有的实验设备设计往往不够合理，不能很好的满足气流和温度的均匀性要求。因此，有必要设计一种能完全模拟实际生产且均匀性良好的预氧化工艺模拟实验装置来指导预氧化过程的工艺调整。
由于现有技术中的实验设备丝束模拟实际生产的效果差，偏离较大，体现在丝束预氧化的程度不如实际生产等技术问题，因此本发明研究设计出一种碳纤维预氧化工艺模拟实验装置。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的实验设备丝束模拟实际生产的效果差，偏离较大，体现在丝束预氧化的程度不如实际生产的缺陷，从而提供一种碳纤维预氧化工艺模拟实验装置。
为了解决上述问题，本发明提供一种碳纤维预氧化工艺模拟实验装置，其包括：
预氧化炉、张力导向装置和传动装置。碳纤维丝束能够被传动装置驱动，在张力导向装置处改变运行方向并调控运行张力，反复进入预氧化炉实现连续的预氧化反应。
在一些实施方式中，所述张力导向装置包括第一导向辊、第二导向辊和张力调节辊，所述碳纤维丝束按顺序经过所述第一导向辊、张力调节辊和第二导向辊的外周面，所述第一导向辊、第二导向辊和张力调节辊均为被动辊，由丝束运动驱动。所述张力调节辊能对所述碳纤维丝束的张力进行调节。
所述碳纤维丝束缠设在所述张力调节辊的下半部分的外周面上，所述张力调节辊对丝束形成纵向向下的力。所述张力调节辊的轴承可以在轴承套内纵向滑动，所述张力调节辊的中心轴孔上穿设有第一中心轴，所述第一中心轴上还套设有配重装置。所述配重装置包括第一张力调节配重水箱和第二张力调节配重水箱，所述第一张力调节配重水箱挂设在所述第一中心轴的轴向一端，所述第二张力调节配重水箱挂设在所述第一中心轴的轴向另一端。
在一些实施方式中，所述传动装置包含传动辊。所述碳纤维丝束缠绕在所述传动辊的部分外周面上，所述传动辊轴杆连接电机由电机驱动转动，并带动所述碳纤维丝束运动。
在一些实施方式中，所述预氧化炉包括壳体、加热器和风机，所述壳体内形成有加热腔室、走丝腔室、炉顶部腔室和炉底部腔室，所述加热器设置于所述加热腔室内，以对流经所述加热腔室内的气流加热，所述风机设置于所述加热腔室内，能驱动气流依次流经所述加热腔室、所述炉顶部腔室、所述走丝腔室、所述炉底部腔室和所述加热腔室，以形成气流内循环，所述碳纤维丝束能运动进入所述走丝腔室中并与所述走丝腔室中被加热后的气流进行预氧化反应。
在一些实施方式中，所述走丝腔室包括上层走丝通道和下层走丝通道，所述碳纤维丝束能够被所述张力导向装置驱动并从所述张力导向装置沿着第一运动路径运动至所述预氧化炉中的所述上层走丝通道中进行预氧化反应，然后从所述上层走丝通道中运动穿出所述预氧化炉；并经由所述传动装置后改变方向并沿着第二运动路径运动至所述预氧化炉中的所述下层走丝通道中进行预氧化反应，再从所述预氧化炉中穿出并运动至所述张力导向装置上，形成循环运动。
在一些实施方式中，所述走丝腔室包括上层走丝通道和下层走丝通道，所述碳纤维丝束经过张力导向装置和传动装置改变方向后能够反复经过所述预氧化炉走丝腔室的上层和下层走丝通道，形成循环运动，连续进行预氧化反应。
在一些实施方式中，所述上层走丝通道的上方、所述上层走丝通道与所述下层走丝通道之间、以及所述下层走丝通道的下方均设置有炉头气封装置；
所述走丝腔室的上方设置有热电偶，所述炉顶部腔室的位于所述加热腔室的上方的位置设置有第一弧形导流挡板，所述炉顶部腔室的位于所述走丝腔室的上方的位置设置有第二弧形导流挡板，所述加热腔室中还设置有第一过滤装置和第二过滤装置；所述壳体的内外壁之间还设置有保温层。
在一些实施方式中，所述走丝腔室的上方还设置有气流分配结构，所述气流分配结构包括至少一个气流分配多孔板和至少一个蜂窝状均流结构，所述气流分配多孔板的板面方向与气流来流方向垂直，且所述气流分配多孔板上均布设置有多个贯通的均流孔，所述蜂窝状均流结构的板面方向与气流来流方向平行，所述蜂窝状均流结构上也设置有多个贯通的蜂窝孔，所述蜂窝状均流结构与所述气流分配多孔板的板面相接。
在一些实施方式中，所述气流分配多孔板包括第一气流分配多孔板、第二气流分配多孔板和第三气流分配多孔板，且沿着气流流动的方向，所述第一气流分配多孔板、所述第二气流分配多孔板和所述第三气流分配多孔板依次间隔设置，且所述第一气流分配多孔板上的均流孔的开孔率小于所述第二气流分配多孔板上的均流孔的开孔率，所述第二气流分配多孔板上的均流孔的开孔率小于等于所述第三气流分配多孔板上的均流孔的开孔率；所述蜂窝状均流结构包括第一蜂窝状均流结构和第二蜂窝状均流结构，所述第一蜂窝状均流结构设置在所述第一气流分配多孔板与所述第二气流分配多孔板之间；所述第二蜂窝状均流结构设置在所述第二气流分配多孔板与所述第三气流分配多孔板之间。
本发明提供的一种碳纤维预氧化工艺模拟实验装置具有如下有益效果：
本发明改变现有预氧化模拟实验装置预氧化纤维运行的模式，采用丝束循环运行连续预氧化的方式，能够通过成本较低的、较小型的预氧化模拟试验装置去模拟大型预氧化炉生产设备的实际丝束运行速度、预氧化总时长。本发明设置了张力导向装置用于精确控制丝束反应过程中的张力这一预氧化过程的重要工艺指标。本发明还对模拟预氧化炉的炉型结构进行了改进，设计了内循环风道、多层气流分配结构和炉头气封结构用于改善炉内的流场和温度均匀性，实现均匀、稳定的预氧化反应。采用本发明设计的预氧化模拟实验装置，能够良好地模拟实际生产设备的预氧化处理效果，从而能以较低的成本开展预氧化工艺的模拟试验用于实际生产工艺调试的参考。
附图说明
图1是本发明的碳纤维预氧化工艺模拟实验装置的正面结构图；
图2是图1中的碳纤维预氧化工艺模拟实验装置中预氧化炉的右视结构图；
图3是图1中的张力导向装置的左视结构图；
图4是本发明预氧化实验装置走丝通道内的冷态气流均匀性和热态温场均匀性测试选点分布图；
图5是本发明的预氧化实验装置预氧化炉炉头气封结构的原理示意图；
图6是本发明的预氧化实验装置预氧化炉气流分配结构的气流分配多孔板1的结构示意图；
图7是本发明的预氧化实验装置预氧化炉气流分配结构的气流分配多孔板2和3的结构示意图；
图8是本发明的预氧化实验装置预氧化炉气流分配结构的蜂窝状均流结构的结构示意图。
附图标记表示为：
100、预氧化炉；101、壳体；1、预氧化炉底座；2、保温层；3、第一过滤装置；4、第二过滤装置；5、加热器；6、风机；7、第一弧形导流挡板；8、第二弧形导流挡板；
106、气流分配结构；9、第一气流分配多孔板；91、均流孔；10、第一蜂窝状均流结构；11、第二气流分配多孔板；12、第二蜂窝状均流结构；121、蜂窝孔；13、第三气流分配多孔板；14、热电偶；
102、加热腔室；103、走丝腔室；15、上层走丝通道；16、下层走丝通道；17、炉头气封装置；104、炉顶部腔室；105、炉底部腔室；
200、张力导向装置；18、张力导向装置底座；19、张力调节辊；191、第一中心轴；20、第一导向辊；21、第二导向辊；24、第一张力调节配重水箱；25、第二张力调节配重水箱；
300、传动装置；22、传动装置底座；23、传动辊；400、碳纤维丝束。
具体实施方式
本发明设计一种能够真实、全面模拟生产现场实际预氧化处理过程的实验性装置，用于摸索和指导预氧化工艺调节，同时也可以用于碳纤维原丝预氧化反应状态的验证等用途。
如图1-8所示，本发明提供一种碳纤维预氧化工艺模拟实验装置，其包括：
预氧化炉100、张力导向装置200和传动装置300，所述张力导向装置200位于所述预氧化炉100的一侧，所述传动装置300位于所述预氧化炉100的另一侧，碳纤维丝束400被所述传动装置300驱动并导向，并从所述张力导向装置200处导向并控制运行张力，形成循环运动，反复进出预氧化炉走丝通道进行连续的预氧化反应。使得实验设备中丝束能够最大程度地模拟实际生产(比如运动速度，反应速度等)的情形，使得本发明的碳纤维预氧化工艺模拟实验装置能够精确或精准地模拟实际生产的反应效果，丝束预氧化的运行速度和总反应时间更贴近实际生产的情况，提高模拟效果，减小与实际生产的偏离，能够更精确地对实际预氧化过程的工艺过程进行调整和指导。
所述预氧化炉100按照结构分为加热腔室、走丝腔室、炉顶部腔室和炉底部腔室，采用内循环垂直送风风道设计。设置在炉内的循环风机6从炉底部腔室抽气并向炉顶部腔室供气形成炉内气流循环，循环热风从炉底部腔室依次通过第一过滤装置3和第二过滤装置4(两道过滤装置可以单独拔出进行清理)过滤掉毛丝等多余物后被吸入加热腔室，在加热腔室内被加热器5加热到指定温度(加热器5的温度使用温控表控制，控制监测点为热电偶14的温度监测)，然后通过循环风机6被送入炉顶部腔室。炉顶部腔室两侧设计有第一弧形导流挡板7和第二弧形导流挡板8，循环热风进入炉顶部腔室后在炉顶部腔室形成一定的压力，然后通过气流分配结构106(依次通过第一气流分配多孔板9、第一蜂窝状均流结构10、第二气流分配多孔板11、第二蜂窝状均流结构12、第三气流分配多孔板13)进行气流分配形成多个垂直的小风柱，在走丝腔室内形成自上而下的热风从而形成预氧化反应条件。
本发明提供一种新的碳纤维预氧化工艺模拟实验装置，包括预氧化炉、张力导向装置、传动装置。
本发明对实验装置的预氧化炉进行了均匀性测试，在无丝束情况下分别进行了冷态(只启动循环风机不启动加热器)气流均匀性实验和热态(启动循环风机且加热器控制温度为260℃)温场均匀性实验。在预氧化炉的两个走丝通道平面分别选取了81个测试点，使用风速仪测量冷态风速并使用Pt100热电阻测量热态温度。
本发明对实验装置的张力控制能力进行了测试，对比了不同丝束量下调整配重重量的理论计算和实际张力测试结果。
本发明使用预氧化实验装置模拟了4温区预氧化过程，得到的实验预氧丝与相同调节下实际生产的预氧丝检测结果进行比对。
本发明使用预氧化实验装置模拟实验了不同预氧化温度和停留时间的匹配关系，实验并归纳了220～230℃的预氧化温度和等效停留时间的匹配。
在一些实施方式中，所述张力导向装置200包括第一导向辊20、第二导向辊21和张力调节辊19，所述碳纤维丝束400缠在所述第一导向辊20的部分外周面上，能被所述第一导向辊20的转动而驱动运动，所述碳纤维丝束400还缠在所述第一导向辊20的部分外周面上，能被所述第二导向辊21的转动而驱动运动；沿着所述碳纤维丝束的运动方向，所述张力调节辊19位于所述第一导向辊20与所述第二导向辊21之间，所述张力调节辊19能对所述碳纤维丝束400的张紧力进行调节。这是本发明的张力导向装置的优选结构形式，张力导向装置包括第一导向辊和第二导向辊，以及位于两个导向辊之间的张力调节辊，能够通过两个导向辊对张力调节辊两端的丝束运动进行导向作用，张力调节辊设置于两个导向辊之间能够对丝束的张力进行有效的调节。
在一些实施方式中，所述碳纤维丝束400缠设在所述张力调节辊19的下半部分的外周面上，通过所述碳纤维丝束400对所述张力调节辊19进行支撑，所述张力调节辊19的中心轴孔上穿设有第一中心轴191，所述第一中心轴191上还套设有配重装置。本发明的张力调节辊通过重力设置于碳纤维丝束上，并且通过配重装置挂设在张力调节辊的第一中心轴上，能够通过张力调节辊和配重装置二者的重力共同来调节对丝束的张紧力，并且本发明的配重通过张力调节辊间接作用于丝束上，相对于现有的配重装置直接作用于丝束上的方案而言，能够使得作用到丝束上的张力更均匀，防止应力集中，并且不会改变丝束路径，能够提高对丝束的张力均匀性，提高预氧化的效果。
在一些实施方式中，所述配重装置包括第一张力调节配重水箱24和第二张力调节配重水箱25，所述第一张力调节配重水箱24挂设在所述第一中心轴191的轴向一端，所述第二张力调节配重水箱25挂设在所述第一中心轴191的轴向另一端。这是本发明的配重装置的进一步优选结构形式，通过两个配重水箱的设置，能够对图1的两侧方向起到作用力平衡的作用，从而进一步提高张力的均匀性(尤其是图1左右宽度方向上)。
在一些实施方式中，所述传动装置300包括传动辊23和传动装置底座22，所述碳纤维丝束400缠设在所述传动辊23的部分外周面上，所述碳纤维丝束400能够通过运动而带动所述传动辊23转动，所述传动装置底座22支撑所述传动辊23。
本发明的传动装置包含一个传动辊23(槽辊)，传动辊连接有减速机和变频电机，可以控制丝束运行速率。
所述张力导向装置包含两个导向辊(第一导向辊20和第二导向辊21)和一个张力调节辊19，张力调节辊19的轴承可以在轴承套内纵向滑动，导向辊轴杆两侧悬挂第一张力调节配重水箱24和第二张力调节配重水箱25，通过调节配重水箱内水的重量可以控制张力调节辊对运行丝束施加的张力，并且可以通过水的重量换算每根丝束上施加的张力。
在一些实施方式中，所述预氧化炉100包括壳体101、加热器5和风机6，所述壳体101内形成有加热腔室102、走丝腔室103、炉顶部腔室104和炉底部腔室105，所述加热器5的至少部分设置于所述加热腔室102内，以对流经所述加热腔室102内的气流加热，所述风机6设置于所述加热腔室102内，能驱动气流依次流经所述加热腔室102、所述炉顶部腔室104、所述走丝腔室103、所述炉底部腔室105和所述加热腔室102，以形成气流内循环，所述碳纤维丝束400能运动进入所述走丝腔室103中并与所述走丝腔室103中被加热后的气流进行预氧化反应。
这是本发明的预氧化炉的优选结构形式，通过加热器和风机，以及壳体内部设置的加热腔室102、走丝腔室103、炉顶部腔室104和炉底部腔室105，风机运行以驱动气流在加热腔室102、所述炉顶部腔室104、所述走丝腔室103、所述炉底部腔室之间进行内循环，从而提高对气流加热的均匀性，提高气流和温场分布的均匀性，模拟实际生产的效果更精准。
在一些实施方式中，所述走丝腔室103包括上层走丝通道15和下层走丝通道16，所述碳纤维丝束400能够被所述张力导向装置200驱动并从所述张力导向装置200进入所述预氧化炉100中的所述上层走丝通道15中进行预氧化反应，然后从所述上层走丝通道15中运动穿出所述预氧化炉100；并经由所述传动装置300后改变方向进入所述预氧化炉100中的所述下层走丝通道16中进行预氧化反应，再从所述预氧化炉100中穿出并运动至所述张力导向装置200上，形成循环运动。这是本发明的走丝腔室的优选结构形式，即包括上层走丝通道和下层走丝通道，使得丝束在上层走丝通道中预氧化反应后通过传动装置的作用能够通过下层走丝通道进行预氧化反应，之后再进入上层走丝通道中反应，形成高速运动纤维的连续预氧化，模拟实际生产的效果更好。
本发明的预氧化炉包含上下两个走丝通道，实验用原丝的丝头和丝尾对接后，借助张力导向装置和传动装置导向实现在两个走丝通道内的持续循环运行，可以同时运行的最大丝束量为50根。
在一些实施方式中，所述上层走丝通道15的上方、所述上层走丝通道15与所述下层走丝通道16之间、以及所述下层走丝通道16的下方均设置有炉头气封装置17；
所述走丝腔室103的上方还设置有热电偶14，所述炉顶部腔室104的位于所述加热腔室102的上方的位置设置有第一弧形导流挡板7，所述炉顶部腔室104的位于所述走丝腔室103的上方的位置设置有第二弧形导流挡板8，所述加热腔室102中还设置有第一过滤装置3和第二过滤装置4；所述壳体101的内外壁之间还设置有保温层2。
本发明还通过炉头气封装置的设置能够对预氧化炉内部的气流起到有效的气封作用，通过炉头气封装置能够进一步提高气体与丝束之间预氧化反应的均匀性，提高预氧化反应的效果；并且通过热电偶能够检测进入走丝腔室中的气体的温度，从而进行有效的控制，通过两个弧形导流挡板的设置能够起到进一步内循环导向的作用，提高内循环预氧化反应的均匀性；两个过滤装置能够对从走丝通道进入壳体内部的气体进行过滤作用，保温层能够对预氧化炉内部的温度进行保温，提高预氧化反应的均匀性和稳定性，模拟实际生产的效果更佳。
本发明的预氧化炉包括预氧化炉底座1、保温层2(炉板采用304不锈钢，内部填充硅酸铝陶瓷纤维)、两道过滤网(第一过滤装置3和第二过滤装置4)(过滤网为200目)、加热器5(最大输出功率为10KW，配备有调功器和温控仪表)、风机6(配备有变频器)、第一弧形导流挡板7和第二弧形导流挡板8、三道气流分配多孔板和两道蜂窝状均流结构、热电偶14、炉头气封装置17。
所述预氧化炉采用垂直送风循环的方式。循环热风从炉底部腔室通过两道过滤网送入加热腔室，2个过滤网用于过滤毛丝和其他杂物，并且可以在运行过程中逐个抽出清理。在加热腔室内循环风被加热器5加热到指定温度，然后通过循环风机抽入炉顶部腔室内，循环风机(风机6)可以调节频率控制送风量。炉顶部腔室两侧设计有第一弧形导流挡板7和第二弧形导流挡板8，对循环风机送入的气流进行导向，炉顶部腔室达到一定气压后通过气流分配结构(包括三道气流分配多孔板和两道蜂窝状均流结构)形成均匀分布的气柱吹入走丝腔室，走丝腔室顶部设计有热电偶14作为温度监控点，循环热风自上而下吹过两层运行丝束后回到炉底部腔室。
所述炉头气封结构包含炉入口气封结构和炉出口气封结构，分别包含三层气封结构，三层气封结构夹着两层走丝通道。气封结构设计有较窄的吸气通道，气封结构内部为空腔并与炉底部腔室连通，通过循环风机造成的高负压实现吸气气封的作用。炉外冷空气通过走丝通道进入炉内或炉内的热气通过走丝通道向外逸散时吸入气封结构内并流向炉底部腔室，然后通过过滤器、加热器和循环风机加热到指定温度后再加入循环。
本发明的发明点：一种碳纤维预氧化工艺模拟实验装置，结合实际生产的预氧化处理过程进行了合理的设计改进，主要包括：
a.采用炉体内部循环的方式，循环风机、加热器、过滤器设置在炉内，不使用外部的风道进行循环。循环热风在走丝腔室、炉底部腔室、加热器腔室、炉顶部腔室4个独立腔室之间循环，减少管道送风造成的温度损失，减少管道送风造成的炉内温度、流场不均匀。炉顶部腔室设计有弧形导流挡板，保证加热器腔室的循环热风由循环风机送入炉顶部腔室后在腔室内均匀分布，维持一定压力通过气流分配结构均匀地压入走丝腔室。
b.设计了由三层气流分配多孔板和两层蜂窝状均流结构组成的气流分配结构。第一层多孔板开孔率较低而第二、第三层多孔板开孔率较高。循环热风先经过第一层低开孔率多孔板进行初步气流分配，低开孔率能够减小通过的气流量从而提高初步分配后的均匀性。经过第一层多孔板后风压升高，通过第一层蜂窝状均流结构进行均流防止紊流的产生。第二层高开孔率多孔板初步形成最终想实现的气流分布，气流重新分配后再经过一层均流结构，然后通过第三层多孔板(与第二次多孔板孔位完全对映)形成均匀的气柱。气流经过多孔板后风压升高，因此设计了蜂窝状均流结构夹在多孔板之间起均流作用。经过气流分配结构后，气流形成了多个均匀的小气柱，有利于预氧化的均匀性。
c.不同于实际生产使用的大型预氧化设备，小型实验装置的炉头气封情况对于炉内的均匀性影响更大，炉外冷空气大量进入炉内会破坏温差和流场均匀性，必须设计合理的炉头气封结构保证气封效果。本发明利用循环风机在炉底部腔室形成的负压配合炉头气封结构进行气封，每层走丝通道被上下两层气封夹在中间，炉外冷空气通过走丝通道进入炉头部位后被吸入炉头气封结构并进入炉底部腔室，经过过滤和加热器加热到控制温度后，再由循环风机送入炉顶部腔室参与循环。
d.设计了张力导向装置对运行丝束的张力进行精确的控制，张力导向装置可以根据运行丝束量和张力控制值进行方便的调节和控制。
e.整套设计的预氧化处理过程更贴合实际生产，作为一套小型的预氧化模拟设备，能够同时保证丝束运行速度和总停留时长。同时制造单台设备即可满足模拟多温区预氧化处理的需要。
本发明的效果如下：
(1)对本发明提供的碳纤维预氧化工艺模拟实验装置的均匀性进行了测试，由实施例1的测试结果可见，该模拟实验装置的气流均匀性范围在±4％以内，温场均匀性范围在±0.5℃以内，相比现有的预氧化实验装置的气流和温场均匀性更好，用于工艺模拟实验的效果更好。
(2)本发明提供的碳纤维预氧化工艺模拟实验装置能够有效的控制丝束运行张力，且可以根据丝束量变化调整配重水箱加水重量控制张力稳定，根据实施例2的测试结果可得：1g加水重量≈丝束总张力1cN。
(3)本发明提供的碳纤维预氧化工艺模拟实验装置能够真实模拟实际生产预氧化连续长时间运行的过程，根据实施例3与实际生产运行结果的对比，模拟过程更贴近生产的实际情况，实验结果的参考性更强。
(4)使用碳纤维预氧化工艺模拟实验装置模拟实验了不同预氧化温度和停留时间的匹配关系，根据实施例4的结果可以得出220℃～230℃的预氧化温度和停留时间匹配关系如下表1：
表1
| 温度 | 220 | 221 | 222 | 223 | 224 | 225 | 226 | 227 | 228 | 229 | 230 |
| 停留时间比例系 | 0.69 | 0.73 | 0.83 | 0.78 | 0.83 | 0.85 | 0.87 | 0.90 | 0.95 | 0.96 | 1 |
使用数该装置可以进行更多的碳纤维预氧化工艺匹配和工艺摸索方面的实验。
实施例1：
对预氧化炉模拟实验装置进行均匀性测试，两层走丝通道分别取了81个测试点。冷态测试下循环风机频率调节为45Hz；热态测试下循环风机频率调节为45Hz，温度控制调节为260℃。
上层走丝通道冷态气流均匀性测试结果如下表2：
表2
| 测试点 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 风速(m/s) | 2.49 | 2.51 | 2.53 | 2.56 | 2.49 | 2.53 | 2.51 | 2.5 | 2.53 |
| 测试点 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 |
| 风速(m/s) | 2.51 | 2.5 | 2.5 | 2.55 | 2.47 | 2.48 | 2.53 | 2.52 | 2.54 |
| 测试点 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 |
| 风速(m/s) | 2.46 | 2.48 | 2.53 | 2.5 | 2.51 | 2.53 | 2.55 | 2.49 | 2.5 |
| 测试点 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 |
| 风速(m/s) | 2.53 | 2.53 | 2.49 | 2.52 | 2.54 | 2.48 | 2.54 | 2.54 | 2.51 |
| 测试点 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 |
| 风速(m/s) | 2.57 | 2.51 | 2.49 | 2.56 | 2.47 | 2.5 | 2.48 | 2.53 | 2.5 |
| 测试点 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 |
| 风速(m/s) | 2.56 | 2.5 | 2.51 | 2.48 | 2.49 | 2.5 | 2.49 | 2.52 | 2.56 |
| 测试点 | 55 | 56 | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 |
| 风速(m/s) | 2.54 | 2.56 | 2.53 | 2.54 | 2.53 | 2.53 | 2.5 | 2.48 | 2.57 |
| 测试点 | 64 | 65 | 66 | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 | 72 |
| 风速(m/s) | 2.48 | 2.57 | 2.55 | 2.48 | 2.48 | 2.49 | 2.47 | 2.49 | 2.49 |
| 测试点 | 73 | 74 | 75 | 76 | 77 | 78 | 79 | 80 | 81 |
| 风速(m/s) | 2.49 | 2.54 | 2.49 | 2.45 | 2.53 | 2.53 | 2.51 | 2.53 | 2.47 |
表3
表4
表5
| 测试点 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 温度(℃) | 260.1 | 260.0 | 259.7 | 260.2 | 260.3 | 260.0 | 260.5 | 260.5 | 259.7 |
| 测试点 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 |
| 温度(℃) | 260.1 | 259.7 | 259.6 | 259.5 | 259.6 | 259.6 | 260.3 | 260.1 | 259.8 |
| 测试点 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 |
| 温度(℃) | 259.8 | 259.7 | 260.4 | 259.6 | 259.6 | 259.6 | 259.8 | 260.1 | 259.7 |
| 测试点 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 |
| 温度(℃) | 260.3 | 259.6 | 259.7 | 260.0 | 260.4 | 259.6 | 260.3 | 260.3 | 260.3 |
| 测试点 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 |
| 温度(℃) | 260.0 | 259.9 | 260.3 | 259.8 | 260.1 | 260.2 | 259.7 | 260.1 | 260.2 |
| 测试点 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 |
| 温度(℃) | 260.3 | 260.0 | 260.2 | 260.5 | 260.1 | 259.5 | 260.2 | 260.0 | 260.3 |
| 测试点 | 55 | 56 | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 |
| 温度(℃) | 260.1 | 260.3 | 260.0 | 260.5 | 259.5 | 259.9 | 259.8 | 259.6 | 260.0 |
| 测试点 | 64 | 65 | 66 | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 | 72 |
| 温度(℃) | 260.5 | 259.6 | 259.9 | 260.1 | 259.6 | 260.4 | 260.0 | 259.7 | 260.1 |
| 测试点 | 73 | 74 | 75 | 76 | 77 | 78 | 79 | 80 | 81 |
| 温度(℃) | 259.8 | 259.6 | 259.9 | 259.9 | 259.8 | 259.7 | 260.4 | 259.8 | 260.0 |
根据测试结果可见，本发明中模拟实验氧化炉的气流均匀性范围在±4％以内，温场均匀性范围在±0.5℃以内，相比现有的预氧化实验装置的气流和温场均匀性有很大改善。
实施例2：
对预氧化炉模拟实验装置的张力控制能力进行测试，对比不同丝束量下调整配重重量的理论计算和实际张力测试结果。
预氧化炉温度控制为220℃，运行速度设定为8m/min，运行丝束量为10根时，改变水箱加水总重量得到的张力测试结果如下表6：
表6
| 水箱加水总重量(kg) | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 16 |
| 单根丝张力(cN) | 1031 | 1242 | 1405 | 1589 | 1822 | 2004 | 2574 |
预氧化炉温度控制为220℃，运行速度设定为8m/min，运行丝束量为20根时，改变水箱加水总重量得到的张力测试结果如下表7：
表7
| 水箱加水总重量(kg) | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 20 |
| 单根丝张力(cN) | 547 | 624 | 741 | 807 | 914 | 1030 | 1543 |
| 水箱加水总重量(kg) | 30 | 40 | |||||
| 单根丝张力(cN) | 2034 | 2475 | |||||
| 水箱加水总重量(kg) | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 20 |
| 单根丝张力(cN) | 547 | 624 | 741 | 807 | 914 | 1030 | 1543 |
| 水箱加水总重量(kg) | 30 | 40 | |||||
| 单根丝张力(cN) | 2034 | 2475 |
预氧化炉温度控制为220℃，运行速度设定为8m/min，运行丝束量为30根时，改变水箱加水总重量得到的张力测试结果如下表8：
表8
预氧化炉温度控制为220℃，运行速度设定为8m/min，运行丝束量为40根时，改变水箱加水总重量得到的张力测试结果如下表9：
表9
| 水箱加水总重量(kg) | 0 | 4 | 8 | 12 | 20 | 40 | 60 |
| 单根丝张力(cN) | 262 | 341 | 464 | 542 | 731 | 1237 | 1705 |
| 水箱加水总重量(kg) | 80 | 100 | |||||
| 单根丝张力(cN) | 2244 | 2731 |
预氧化炉温度控制为220℃，运行速度设定为8m/min，运行丝束量为50根时，改变水箱加水总重量得到的张力测试结果如下表10：
表10
| 水箱加水总重量(kg) | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 40 | 60 |
| 单根丝张力(cN) | 189 | 278 | 402 | 516 | 633 | 1027 | 1401 |
| 水箱加水总重量(kg) | 80 | 100 | 120 | ||||
| 单根丝张力(cN) | 1839 | 2242 | 2671 |
根据张力控制和测试的结果可见，本发明提供的碳纤维预氧化工艺模拟实验装置能够有效的控制丝束运行张力，且可以根据丝束量变化调整配重水箱加水重量控制张力稳定，控制水箱1g加水重量≈丝束总张力1cN。
实施例3：
本发明使用了所述预氧化实验装置模拟4温区预氧化过程。
首先将预氧化炉温度控制为228℃，运行速度设定为12.5m/min，循环风机频率设定为45Hz，运行丝束量为50根，配重水箱加水总重为65kg，实际测试张力为1521cN，运行总时长为15.6min。将预氧化炉温度快速升高至236℃模拟第二个温区，配重水箱加水总重为75kg，实际测试张力为1769cN，运行总时长为14.5min。将预氧化炉温度快速升高至248℃模拟第三个温区，配重水箱加水总重为100kg，实际测试张力为2242cN，运行总时长为13.9min。将预氧化炉温度快速升高至257℃模拟第四个温区，配重水箱加水总重为110kg，实际测试张力为2453cN，运行总时长为13.5min。
得到的模拟实验预氧丝与相同工艺条件下实际生产的预氧丝检测结果对比如下表11：
表11
根据所述预氧化模拟试验装置模拟实际生产工艺条件得到的预氧丝检查结果可见，1～4#预氧丝各项检测指标与实际大型预氧化炉生产的结果相近，所述预氧化模拟试验装置对实际生产条件模拟的效果良好。
实施例4：
本发明尝试了所述预氧化装置用于指导工艺调节的一些应用方式，本实施例中使用预氧化实验装置模拟实验不同预氧化温度和停留时间的匹配关系。
将预氧化炉温度控制为230℃，运行速度设定为12.5m/min，循环风机频率设定为45Hz，运行丝束量为50根，配重水箱加水总重为65kg，实际测试张力为1521cN，运行总时长为30min。得到的预氧丝体密度为1.287g/cm3。
将预氧化炉温度控制为229℃，运行速度设定为12.5m/min，循环风机频率设定为45Hz，运行丝束量为50根，配重水箱加水总重为65kg，实际测试张力为1521cN，分时间节点每次撤2根丝用于检测，每次撤丝配重水箱减少3kg水。得到的实验结果如下表12(预氧丝体密度通常指预氧化处理完全结束后的体密度(反应预氧化程度)，在4段预氧化处理过程中即实施例3中的4#预氧丝体密度。)
表12
| 运行总时长 | 30min | 30.5min | 31min | 31.5min | 32min |
| 预氧丝体密度 | 1.281g/cm3 | 1.285g/cm3 | 1.288g/cm3 | 1.291g/cm3 | 1.296g/cm3 |
将预氧化炉温度控制为228℃，运行速度设定为12.5m/min，循环风机频率设定为45Hz，运行丝束量为50根，配重水箱加水总重为65kg，实际测试张力为1521cN，分时间节点每次撤2根丝用于检测，每次撤丝配制水箱减少3kg水。得到的实验结果如下表13：
表13
| 运行总时长 | 31min | 31.5min | 32min | 32.5min | 33min |
| 预氧丝体密度 | 1.283g/cm3 | 1.287g/cm3 | 1.290g/cm3 | 1.294g/cm3 | 1.297g/cm3 |
将预氧化炉温度控制为227℃，运行速度设定为12.5m/min，循环风机频率设定为45Hz，运行丝束量为50根，配重水箱加水总重为65kg，实际测试张力为1521cN，运行总时长超过15min后分时间节点撤2根丝用于检测，每次撤丝配制水箱减少3kg水。得到的实验结果如下表14：
表14
| 运行总时长 | 31.5min | 32min | 32.5min | 33min | 33.5min |
| 预氧丝体密度 | 1.278g/cm3 | 1.281g/cm3 | 1.284g/cm3 | 1.288g/cm3 | 1.291g/cm3 |
将预氧化炉温度控制为226℃，运行速度设定为12.5m/min，循环风机频率设定为45Hz，运行丝束量为50根，配重水箱加水总重为65kg，实际测试张力为1521cN，运行总时长超过15min后分时间节点撤2根丝用于检测，每次撤丝配制水箱减少3kg水。得到的实验结果如下表15：
表15
| 运行总时长 | 33min | 33.5min | 34min | 34.5min | 35min |
| 预氧丝体密度 | 1.278g/cm3 | 1.280g/cm3 | 1.283g/cm3 | 1.287g/cm3 | 1.290g/cm3 |
将预氧化炉温度控制为225℃，运行速度设定为12.5m/min，循环风机频率设定为45Hz，运行丝束量为50根，配重水箱加水总重为65kg，实际测试张力为1521cN，运行总时长超过15min后分时间节点撤2根丝用于检测，每次撤丝配制水箱减少3kg水。得到的实验结果如下表16：
表16
| 运行总时长 | 35min | 35.5min | 36min | 36.5min | 37min |
| 预氧丝体密度 | 1.282g/cm3 | 1.286g/cm3 | 1.289g/cm3 | 1.292g/cm3 | 1.296g/cm3 |
将预氧化炉温度控制为224℃，运行速度设定为12.5m/min，循环风机频率设定为45Hz，运行丝束量为50根，配重水箱加水总重为65kg，实际测试张力为1521cN，运行总时长超过15min后分时间节点撤2根丝用于检测，每次撤丝配制水箱减少3kg水。得到的实验结果如下表17：
表17
| 运行总时长 | 35.5min | 36min | 36.5min | 37min | 37.5min |
| 预氧丝体密度 | 1.282g/cm3 | 1.286g/cm3 | 1.290g/cm3 | 1.293g/cm3 | 1.295g/cm3 |
将预氧化炉温度控制为223℃，运行速度设定为12.5m/min，循环风机频率设定为45Hz，运行丝束量为50根，配重水箱加水总重为65kg，实际测试张力为1521cN，运行总时长超过15min后分时间节点撤2根丝用于检测，每次撤丝配制水箱减少3kg水。得到的实验结果如下表18：
表18
| 运行总时长 | 36min | 36.5min | 37min | 37.5min | 38min |
| 预氧丝体密度 | 1.276g/cm3 | 1.279g/cm3 | 1.282g/cm3 | 1.285g/cm3 | 1.287g/cm3 |
将预氧化炉温度控制为222℃，运行速度设定为12.5m/min，循环风机频率设定为45Hz，运行丝束量为50根，配重水箱加水总重为65kg，实际测试张力为1521cN，运行总时长超过15min后分时间节点撤2根丝用于检测，每次撤丝配制水箱减少3kg水。得到的实验结果如下表19：
表19
| 运行总时长 | 38min | 38.5min | 39min | 39.5min | 40min |
| 预氧丝体密度 | 1.280g/cm3 | 1.282g/cm3 | 1.285g/cm3 | 1.287g/cm3 | 1.291g/cm3 |
将预氧化炉温度控制为221℃，运行速度设定为12.5m/min，循环风机频率设定为45Hz，运行丝束量为50根，配重水箱加水总重为65kg，实际测试张力为1521cN，运行总时长超过15min后分时间节点撤2根丝用于检测，每次撤丝配重水箱减少3kg水。得到的实验结果如下表20：
表20
| 运行总时长 | 39.5min | 40min | 40.5min | 41min | 41.5min |
| 预氧丝体密度 | 1.277g/cm3 | 1.280g/cm3 | 1.282g/cm3 | 1.286g/cm3 | 1.289g/cm3 |
将预氧化炉温度控制为220℃，运行速度设定为12.5m/min，循环风机频率设定为45Hz，运行丝束量为50根，配重水箱加水总重为65kg，实际测试张力为1521cN，运行总时长超过15min后分时间节点撤2根丝用于检测，每次撤丝配制水箱减少3kg水。得到的实验结果如下表21：
表21
| 运行总时长 | 41.5min | 42min | 42.5min | 43min | 43.5min |
| 预氧丝体密度 | 1.274g/cm3 | 1.278g/cm3 | 1.281g/cm3 | 1.284g/cm3 | 1.287g/cm3 |
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种碳纤维预氧化工艺模拟实验装置，其特征在于：包括：
预氧化炉(100)、张力导向装置(200)和传动装置(300)，所述张力导向装置(200)位于所述预氧化炉(100)的一侧，所述传动装置(300)位于所述预氧化炉(100)的另一侧，碳纤维丝束(400)能够被所述传动装置(300)驱动，进入所述预氧化炉(100)并穿出后在所述张力导向装置(200)处改变运行方向，再次进入所述预氧化炉(100)，从而所述碳纤维丝束(400)被驱动形成循环运动，形成连续的预氧化反应。
2.根据权利要求1所述的碳纤维预氧化工艺模拟实验装置，其特征在于：
所述张力导向装置(200)包括第一导向辊(20)、第二导向辊(21)和张力调节辊(19)，所述碳纤维丝束(400)按顺序经过所述第一导向辊(20)、张力调节辊(19)和第二导向辊(21)的外周面，所述第一导向辊(20)、第二导向辊(21)和张力调节辊(19)均为被动辊，由丝束运动驱动，所述张力调节辊(19)能对所述碳纤维丝束(400)的张力进行调节。
3.根据权利要求2所述的碳纤维预氧化工艺模拟实验装置，其特征在于：
所述碳纤维丝束(400)缠设在所述张力调节辊(19)的下半部分的外周面上，所述张力调节辊(19)对丝束形成纵向向下的力，所述张力调节辊(19)的轴承可以在轴承套内纵向滑动，所述张力调节辊(19)的中心轴孔上穿设有第一中心轴(191)，所述第一中心轴(191)上还套设有配重装置，所述配重装置包括第一张力调节配重水箱(24)和第二张力调节配重水箱(25)，所述第一张力调节配重水箱(24)挂设在所述第一中心轴(191)的轴向一端，所述第二张力调节配重水箱(25)挂设在所述第一中心轴(191)的轴向另一端。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的碳纤维预氧化工艺模拟实验装置，其特征在于：
所述传动装置(300)包含传动辊(23)，所述碳纤维丝束(400)缠绕在所述传动辊(23)的部分外周面上，所述传动辊(23)轴杆连接电机由电机驱动转动，并带动所述碳纤维丝束(400)运动。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的碳纤维预氧化工艺模拟实验装置，其特征在于：
所述预氧化炉(100)包括壳体(101)、加热器(5)和风机(6)，所述壳体(101)内形成有加热腔室(102)、走丝腔室(103)、炉顶部腔室(104)和炉底部腔室(105)，所述加热器(5)的至少部分设置于所述加热腔室(102)内，以对流经所述加热腔室(102)内的气流加热，所述风机(6)设置于所述加热腔室(102)内，能驱动气流依次流经所述加热腔室(102)、所述炉顶部腔室(104)、所述走丝腔室(103)、所述炉底部腔室(105)和所述加热腔室(102)，以形成气流内循环，所述碳纤维丝束(400)能运动进入所述走丝腔室(103)中并与所述走丝腔室(103)中被加热后的气流进行预氧化反应。
6.根据权利要求5所述的碳纤维预氧化工艺模拟实验装置，其特征在于：
所述走丝腔室(103)包括上层走丝通道(15)和下层走丝通道(16)，所述碳纤维丝束(400)能够被所述张力导向装置(200)驱动并从所述张力导向装置(200)沿着第一运动路径运动至所述预氧化炉(100)中的所述上层走丝通道(15)中进行预氧化反应，然后从所述上层走丝通道(15)中运动穿出所述预氧化炉(100)；并经由所述传动装置(300)后改变方向并沿着第二运动路径运动至所述预氧化炉(100)中的所述下层走丝通道(16)中进行预氧化反应，再从所述预氧化炉(100)中穿出并运动至所述张力导向装置(200)上，形成循环运动。
7.根据权利要求6所述的碳纤维预氧化工艺模拟实验装置，其特征在于：
所述上层走丝通道(15)的上侧、所述上层走丝通道(15)与所述下层走丝通道(16)之间、以及所述下层走丝通道(16)的下侧均设置有炉头气封装置(17)；
所述走丝腔室(103)的上方还设置有热电偶(14)，所述炉顶部腔室(104)的位于所述加热腔室(102)的上方的位置设置有第一弧形导流挡板(7)，所述炉顶部腔室(104)的位于所述走丝腔室(103)的上方的位置设置有第二弧形导流挡板(8)，所述加热腔室(102)中还设置有第一过滤装置(3)和第二过滤装置(4)；所述壳体(101)的内外壁之间还设置有保温层(2)。
8.根据权利要求5所述的碳纤维预氧化工艺模拟实验装置，其特征在于：
所述走丝腔室(103)的上方还设置有气流分配结构(106)，所述气流分配结构(106)包括三层气流分配多孔板和两层蜂窝状均流结构，所述气流分配多孔板包括第一气流分配多孔板(9)、第二气流分配多孔板(11)和第三气流分配多孔板(13)，且沿着气流流动的方向，所述第一气流分配多孔板(9)、所述第二气流分配多孔板(11)和所述第三气流分配多孔板(13)依次间隔设置，且所述第一气流分配多孔板(9)上的均流孔的开孔率小于所述第二气流分配多孔板(11)上的均流孔的开孔率，所述第二气流分配多孔板(11)上的均流孔的开孔率小于等于所述第三气流分配多孔板(13)上的均流孔的开孔率；所述蜂窝状均流结构包括第一蜂窝状均流结构(10)和第二蜂窝状均流结构(12)，所述第一蜂窝状均流结构(10)设置在所述第一气流分配多孔板(9)与所述第二气流分配多孔板(11)之间；所述第二蜂窝状均流结构(12)设置在所述第二气流分配多孔板(11)与所述第三气流分配多孔板(13)之间。
9.根据权利要求8所述的碳纤维预氧化工艺模拟实验装置，其特征在于：
所述气流分配多孔板的板面方向与气流方向垂直，且所述气流分配多孔板上均布设置有多个贯通的均流孔(91)，所述蜂窝状均流结构的板面方向与气流运行方向平行，所述蜂窝状均流结构上设置有多个贯通的方形蜂窝孔(121)，所述蜂窝状均流结构与所述气流分配多孔板的板面相接。
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