CN1556780A - 用于从碳前体获得碳体的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明方法，包括第一步骤和第二步骤，所述第一步骤包括利用加热将前体材料转化为碳，同时连续抽取所产生的废气；所述第二步骤包括在低压下进行的高温热处理，同时连续抽取所产生的废气。这第一和第二两个步骤都在同一个加热炉(10)内顺续进行，其过程为：在第一步骤结束时，切换来自加热炉的废气出口，以中断与第一抽取装置(40)的连接，同时建立与第二抽取装置(60)的连接。该装置(60)用来将加热炉内的压力调节到第二步骤所需要的值，并以第一阶段结束时达到的温度为起始值来调节加热炉内的温度。还可能将来自至少一个第一传感器(90a－90d)的温度测量切换到不同于第一传感器的至少一个第二传感器上(94a，94b)。在第二步骤中，任何以其升华状态包含在来自加热炉的废气中的碱金属例如钠都可以被中和，例如通过将CO2注入到废气排放管线(64)中。
Description
技术领域
本发明涉及从由碳前体材料制成的物体制造碳体。
背景技术
本发明的一个特殊应用领域在于制造碳纤维织物或预制品，用于构成热结构复合材料制成的零件中的纤维强化成分，这些热结构复合材料例如碳/碳(C/C)复合物和碳强化的陶瓷基质复合物。通常由碳前体纤维织物获得这种碳纤维预制品，该碳前体纤维织物比碳纤维能更好地承受形成所述织物的纺织操作。
在碳前体中，特别是纤维形式的前体，通常使用预氧化的聚丙烯腈(PAN)。至少对于某些用途来说，不仅有必要将预氧化的PAN纤维织物转化为碳，而且还需要去除来自前体的任何金属或含金属的杂质，即主要是钠。这就是为什么通常由预氧化的PAN碳前体在两个连续的阶段中制得碳体：
彻底碳化的第一阶段，其中将碳前体通过化学方式转化为碳，上述过程以工业规模在加热炉内进行，逐步将加热炉温度升高到约900℃；和
高温下热进行处理的第二阶段，这一处理也在加热炉中进行，将温度逐渐地升高到高于1000℃，一般在1400℃至1650℃的范围内，以便利用升华来去除钠，或者升高到非常高的温度，直至2000℃或2200℃，或甚至2500℃以便为碳纤维带来特殊的性能同时去除任何其它金属杂质。
在第一阶段中，一般基本上在大气压下进行该阶段，同时利用如氮气的惰性气体进行吹扫，完成前体转化从而达到超过95％且可能是99％或更高的碳含量。质量损失是很大的，约为50％，同时伴随着大量废气的产生，该废气特别包含腈、具体是氰化物，它们必须要被处理掉。
第二阶段在低压下进行，同时也用如氮气或氩气的惰性气体进行吹扫。吹扫气体和废气的流速比第一阶段的明显要低。
这两个阶段在合适的不同设备中完成。在工业规模上，这些阶段的每一个都要持续几天。因此，从预氧化的PAN碳前体开始获得不含钠碳体的过程是冗长且昂贵的。
不是预氧化的PAN的碳前提纤维也面临着同样的问题，它们同样也包含需要被去除的钠或如镁或钙的其它金属，而且在需要的时候还要消除金属或含金属的杂质，例如铁、镍或铬时，这些金属例如需要高温热处理，通常最高到2000℃甚至更高，以便确保利用挥发去除这些杂质。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种方法和装置，能确保获得碳体同时能够显著地节约成本和时间。
实现这一目的是使用了一种方法，包括：
·第一阶段，其中通过加热将碳前体材料转化为碳，同时连续地抽取所产生的废气；和
·低压下高温热处理的第二阶段，同时连续地抽取所产生的废气，根据本发明，在该方法中：
在相同的加热炉内顺续地进行第一和第二阶段，在第一阶段结束后，有下述步骤：
·切换来自加热炉的废气出口，从而中断与第一阶段中使用的第一抽取装置的连接，同时建立与第二阶段中使用的第二抽取装置的连接；
·将加热炉内的压力调节至第二阶段所需的低压值；和
·以第一阶段结束时所达到的温度为起点调节加热炉的加热温度。
在本发明的一个实践中，在第一阶段结束后，将加热炉加热温度的测量从至少一个第一温度传感器切换至与该第一传感器不同的至少一个第二传感器。这个或每个第一传感器可以是热电偶型传感器，该传感器位于加热炉内靠近加热炉壁处，且在第二阶段温度的影响下被弃用。在第一阶段中可能需要使用热电偶型温度传感器，因为大量废气的释放使得如光感高温计的传感器的使用变得不可能，而该传感器适用于第二阶段中。
从一个温度测量装置到另一个的切换也伴随着加热炉内加热区域的改变。
有益地，第一和第二废气抽取装置之间以及第一和第二测量传感器之间的切换是自动的。
由于第二阶段在低压下进行，对加热炉进行渗漏检测是有用的，以防止任何空气通过漏缝进入，这会导致在本发明第二阶段中通过氧化引起碳体的侵蚀。在本发明方法的一个实施中，在第一阶段前就对加热炉进行渗漏检测。渗漏检测可包括，特别是用如氮气的惰性气体吹扫加热炉内的物质，在其充满以后测量从加热炉吹出的气体中所含氧气的量。
在第一阶段中，进行加热操作达到使前体完全或几乎完全碳化的足够高的温度，但要低于一个临界值，在该温度下前体中所包含的一种或多种金属或含金属的杂质升华或蒸发，并且一定要低于一个临界值，在该温度下位于加热炉内的温度传感器将被损坏。这一温度优选在750℃至1100℃的范围内，典型地为接近900℃。
在第二阶段中，实施加热，其温度达到足以使要被去除的一种或多种金属或含金属的杂质升华或蒸发，和/或任选为产生的碳体带来特殊性能的足够高的温度。当要去除钠时，这一温度超过1000℃，一般在1400℃至1650℃的范围内，通常为接近1600℃。当要去除如铁、镍或铬的其它金属时，此时的温度可以达到2000℃或2200℃，或甚至2500℃。可以将最高温度限制在低于一个临界值，超过该临界值所产生的碳体将经历一种会改变其性能例如破坏碳纤维的机械和热性能的转化；或者与此相反，可以选择最高温度大于这个临界值，特别用以改变所述性能。第二阶段是在低压下进行，有利地是低于50千帕斯卡(KPa)，例如位于0.1KPa至50KPa的压力范围内，并优选低于5KPa。
在本发明方法的一个实施中，当第二阶段中从加热炉内抽取的废气中包含至少一种如钠的碱金属时，通过将中和剂注入废物排出管线来中和所述碱金属。通过将二氧化碳(CO2)注入到废气中而产生的钝化作用、或利用注入水蒸气(H2O)而产生的水合作用、或利用实际上注入CO2+H2O的混合物来进行中和反应。
有益地，通过将中和剂注入到沿排出管线流动的气体和废物的物流中而连续进行中和反应。
与在两个不同的加热炉内、两个分开的阶段中进行、同时有中间冷却的现有技术的方法相比，本发明的方法是特别有益的，因为本发明的方法使得加工时间的缩短和由此处理成本的降低成为可能，而且尽管有下述事实，加工时间的缩短和成本的降低仍可实现，所述事实为：
·在第二阶段中不是以最佳的方式配置加热炉，因为碳体第一次碳化后体积将明显减少；和
·在第一阶段中使用的一个或多个温度传感器可选择被弃用。
本发明另一个目的是提供一种能确保本发明方法实施的工业化设备。
实现这一目的是使用一种设备，它包括一个加热炉，用于加热加热炉的装置，用于测量加热炉加热温度的至少一个传感器，与温度测量传感器和加热器装置连接的控制回路，用以控制加热炉的加热温度，至少一个用于吹扫加热炉内部物质的吹扫气体入口，和与废气出口连接的至少一个抽取装置，根据本发明，其设备进一步包括：
·一个第一废气抽取装置，用于收集加热炉内利用加热在前体材料转化为碳的过程中产生的废气；
·一个第二废气抽取装置，用于收集前体材料已被转化后在加热炉内高温下的热处理中产生的废气；和
·开关装置，确保加热炉可选择地与第一或第二抽取装置连接；
在一个具体的实施方案中，本发明的设备进一步包括：
·安装在加热炉内的至少一个第一传感器，用于传送前体材料被转化为碳时加热温度的信息；和
·至少一个第二温度传感器，用于提供在前体已被转化后高温热处理时加热温度的信息。
这个或每一个第一传感器优选是安装在壳体内的热电偶型传感器，举例来说是棒状的、放置在接近加热炉壁处且由如石墨的耐热材料制成。棒起到密封作用，用于防止对温度测量的干扰，以及随后用于防止在高温热处理过程中一个或多个热电偶被破坏所产生的物质污染加热炉内的气氛。这个或每一个第二传感器优选是光感高温计。
在本发明设备的一个具体实施例中，第二抽取装置有连接来自加热炉出口的废物抽取管线和位于接近加热炉出口附近用于将至少一种中和剂注入到抽取管线中的装置，用于中和废物中一种或多种物质，特别是一种或多种金属的中和试剂。
在一个实施方案中，设备包括用于将惰性吹扫气体注入加热炉的第一和第二管路，和用于选择地连接加热炉与第一注入管路或第二注入管路的转换器装置。
有益地，还包括一个测量装置，该装置连接至加热炉内且适用于测量吹扫加热炉的如氮气的惰性气体中所含的氧气量。
附图说明
通过阅读作为非限定的说明而给出的下述描述，并同时参考附图，将更好地理解本发明，在附图中：
图1是构成本发明一个实施方案的设备的全局简图；
图2是表示用于从图1设备的加热炉中抽取废气的装置局部的细节图；
图3是表示安装在图1设备的加热炉内的温度传感器的细节图；
图4是表示图1设备的加热炉的加热温度随时间变化的曲线图。
具体实施方式
图1是用图表示的加热炉10，它包括纵轴圆柱体状的基座12，它限定了一个容积或腔室11，用于盛装由碳前体材料制成的物体(未示出)，如由预氧化PAN纤维制成的许多片纤维。基座顶部覆盖有盖板14。
使用围绕在基座上的感应线圈16利用感应偶合对如由石墨制成的基座12进行加热，并且有隔热层18放置在它们之间。利用控制电路20为感应线圈提供电源，该控制电路按照加热炉的加热要求输送电流。
可以沿着加热炉的纵向将感应线圈分成许多部分。独立地为每一部分提供电源，从而在加热炉内形成不同的加热区域，在这些区域中可独立地调节温度。
由覆盖有加热炉底板24的绝热体22形成了加热炉的底部，该底板例如由石墨制成而且在其上有基座12。
这些部件安装在外壳26内，该外壳例如由金属制成并且用可移动的顶盖28以密封方式关闭。
具有阀31的输送管30与一个惰性气体源(未示出)如氩气源或在本实施例中为氮气源相连接。输送管30连接有两个管路32和34，用于给加热炉10输送惰性吹扫气体，将所述管路分别设计成在低流速和高流速下输送气体。每一个管路32、34都包括装有流速调节阀的输送管，分别用33、35表示。管路32、34开放地连接到加热炉的内部并位于其上部。管路32，也可以是管路34，可以与加热炉的外壳26周围不同位置的许多开放的入口连接。
两个抽取装置40和60分别连接来自加热炉并穿过其底部的出口管线42和62。
装置40设计成抽取在碳前体转化为碳时产生的废气。它通过安装有阀45的管线44与出口42连接。
分别安装有风扇50a和50b的输送管48a和48b平行地连接在管线44和罐58之间用于收集腈，主要是废气中所含的浓缩成液体的重腈。阀52a、52b和54a、54b安装在输送管48a和48b上，风扇50a和50b的上游和下游，以便确保风扇可选择地连通管路或与管路断开。尽管能够仅使用一个风扇，优选使用可选择地进入工作状态的两个风扇，其原因在于提高可靠性(redundancy)和/或如果需要，增加抽取速度。为了提供额外的安全性，一个自动阀可平行地与风扇连接，当管线44中的压力高于大气压时它就打开，而当管线44中的压力降低到或低于大气压时它就关闭，从而能防止空气渗透进加热炉内。
将管线48a和48b共同连接至罐58的输送管56可以稍微倾斜。罐58安装有清洗管路(未示出)，从而能在封闭的回路中清洗此罐。
装置60用于抽取在由碳前体制成的物体被碳化后、高温下进行的热处理中产生的废气。这种热处理特别是要去除最初在碳前体中所含的金属，尤其是残留的钠。该装置基本上包括一个具有挡板70和抽气装置80的纵向轴。
装置60通过管线64与出口62连接，管线64有用于注入二氧化碳CO2的入口。如图2所示细节，管线64在其端部形成一个拐角64a，其端部通过法兰65与结构加热炉底部的出口输送管62连接。注入口66与输送管68连接，该输送管68从而与CO2气体源(未示出)连接，并安装有阀69。输送管68向前延伸出喷嘴68a，该喷嘴插入到管线64中以便将CO2气体注入到管线中朝向拐角64a的下游端，因此避免通过出口输送管62将CO2气体偶然注入到加热炉内。
装置70用于收集由管线64输送来的废气中所含的固体。它包括安装有板73和75的两个收集塔72和74，该板限制气体使其沿着迂回的路径流动并且在管线64和具有阀77的输送管76之间顺序地连接。
抽气装置80包括泵78a和78b，它们分别安装在平行地在输送管76和燃烧炉86之间连接的输送管80a和80b上。
阀82、82b和84a、84b安装在输送管80a和80b上的泵78a和78b的上游和下游，从而确保泵可选择地连通管路或与管路断开。泵78a和78b用于建立加热炉内所需的低压水平。尽管可以仅使用一个泵，但优选有两个泵，是为了提高可靠性。
燃烧炉86连接着烟囱88，该炉的入口也与来自腈罐58的出口相连接。
加热炉10安装有与控制回路20连接的温度传感器，用于将加热温度调节至所需的值。
在碳前体转化时使用的第一系列的传感器由多个热电偶传感器构成，例如设置在不同水平位置上接近基座12内表面的四个传感器90a、90b、90c和90d。尽管不需要使用众多传感器，但优选使用多个以便能够确定加热炉内的多个加热区域。根据所述加热区域相应的传感器所提供的温度信息，通过控制感应线圈相应部分的电能供应，单独地控制每一个区域的温度，于是感应线圈被分成了四个部分。出于可靠性目的可有一个或多个附加的热电偶传感器。可以观察到，传感器90a、90b、90c和90d提供加热温度的信息，即基座12壁的温度，而不是被碳化物体的温度。
传感器90a、90b、90c和90d安装在中空的棒92(图1和3)中，该棒的内部空间与加热炉内的隔绝。棒92可以由许多段或模块制成，利用螺纹首尾相接安装在一起，而且可将棒悬挂在基座的盖板14上。使传感器90a、90b、90c和90d与外部和回路20连接的导体沿棒92的内部延伸。
棒92用于封闭温度传感器。因此，温度测量不会被干扰、特别是加热炉内很强的气流出现。另外，如下所述，随后当温度升高至超过传感器所能承受的最大温度时，这样也可收集由于传感器被破坏而产生的物质。棒必须由具有低孔隙率的耐火产品制成，它适宜承受由碳前体和热电偶熔融产品产生的分解气体，而且可容易地加工。作为实例，例如可以使用有细磨的石墨，其壁厚为约10毫米(mm)至15毫米。将棒制作成模块的连接形式有助于装配和拆卸，也有助于缺损部分的替换。在其上端，棒92穿过盖板14并利用台肩92a抵靠盖板而安置，因此确保可容易并准确地定位棒。
其它的传感器，例如由光感高温计构成的两个传感器94a和94b安装在顶盖28上，透过在所述顶盖上形成的窗28a和28b以及在基座的盖板14上形成的开口14a和14b进行测量。尽管不需要使用多个高温计传感器，但多个传感器的使用能够在不同水平位置上进行测量并通过比较能够消除可能产生的错误测量。优选使用双色的高温计，它能产生可稳定获得的连续信号。
最后，从加热炉侧壁可以看到一个安装有阀97的附加出口96，用来引入氧气分析仪98。与此不同，分析仪可连接到其它来自加热炉的出口输送管上，例如连接至管线44上。
上述的设备用于顺续进行下述阶段且没有中间冷却：
·将预氧化的PAN纤维织物片转化为碳纤维预制品的第一阶段，在接近大气压的压力下，转化预氧化的PAN同时用N2进行吹扫，加热温度按照预定的温度升高曲线最高达到750℃至1100℃的范围，通常为约900℃；和
·进行第二阶段，同时在0.5kPa至10kPa的低压范围内，通常为约1kPa至5kPa下用N2气体吹扫，并且按照预定的温度升高曲线最高至超过1000℃，在1400℃至1650℃，通常为约1600℃，是为了去除碳纤维预制品中所含的钠，并且温度也可以是2000℃或2200℃或甚至2500℃，以便利用升华或蒸发去除其它金属杂质和/或用于改变构成的预制品的碳纤维的性能。
要选择第一阶段的最高温度足够高以确保预氧化的PAN能完全或几乎完全被碳化。该温度要低于一个临界值，超过该临界值，金属或含金属的杂质，特别是钠会在第一阶段进行时的压力下升华；同时要低于一个临界值，在该温度下热电偶型温度传感器有损坏的危险。要选择第二阶段的最高温度足够高以确保金属或含金属的杂质的去除，特别是在低压下钠的升华或蒸发。在特定情况下，优选不超过一个临界值，在该温度下碳纤维的机械性能有被改变的危险。当从预氧化PAN碳前体获得碳纤维时，该临界值为约1650℃或稍高的温度。在其它情况下，与此相反地要超过该临界值，其特别的目的在于改变碳纤维的性能。
因为在低压下进行第二阶段时，一旦加热炉已装料并关闭后，最好对加热炉进行检漏测试。由于加热炉内的温度非常高，该测试不能通过使用传统的装置在第一阶段结束时进行。
因此，要在第一阶段的温度升高之前、在加工开始时进行渗漏测试。尽管如此，由于预氧化的PAN是含水的，预制品内大量水的出现使通过测量渗漏率的传统渗漏测试不能进行，因为连续地释放出水蒸气。
有益地是按照如下过程进行：
在已关闭加热炉并通过其出口62用泵抽真空后，通过测量其内部压力的升高而对空的和清洗过的加热炉进行检漏测试。当用压力升高速率表示的渗漏到空的加热炉内的渗漏速率为低于给定的值如0.1千帕斯卡每小时(kPa/h)时，可以认为加热炉是足够密封的。
接着打开加热炉以装填预制品。在重新关闭后，通过从出口62用泵抽吸将加热炉的压力降低至几kPa，适当地夹紧用于关闭顶盖28的部件。
随后通过管道32或34将氮气注入到加热炉内，以使其内部压力升高到接近但低于外部的大气压，并且用氮气进行吹扫，所述氮气通过出口42进行抽取，而出口62没有工作。
利用分析仪98测量吹扫加热炉的氮气中所含氧气O2的量。一种适宜的分析仪是由英国供应商Servomex以“Xentra 4100”为商标出售的仪器。
在预定的时间例如小于1小时内，当氧气含量下降至给定的临界值如几十份每百万单位(ppm)时，认为加热炉是可采用的不渗漏的状态。接着关闭阀97同时可以开始进行预制品的碳化。
打开阀31和35同时关闭阀33，氮气通过管道34注入加热炉内。通过打开阀45，开启风扇50a和50b中的至少一个并同时打开开动的风扇那一侧的阀，使出口42处于工作状态。而出口62没有工作。
通过给感应线圈提供电源而开始对加热炉进行加热。在基座内壁由传感器90a、90b、90c和90d测得的温度将传递至控制回路20，以便控制输送给感应线圈的电能，使得温度的升高与预先建立的温度升高曲线相一致。
图4中示出了一个这样的曲线。通常，曲线包括温度的逐渐升高直至达到约900℃的温度，温度的升高包括了暂停状态(未示出)，其目的是控制碳前体在此温度水平上的化学转化，在该温度水平下所述转化是放热的，而且如果没有暂停状态会有失控的危险。
前体转化的化学反应释放出大量废气。该废物使得利用高温计观测来测量加热炉的加热温度变得非常困难或者根本不可能实现，这就是为什么使用安装在加热炉内的传感器的原因。
用N2吹扫壳体26的内部是为了防止在安装于壳体内部的感应线圈上形成附加的沉积物，该沉积物可能在不吹扫的情况下导致感应线圈被破坏。因此优选在相对较高的速率下进行吹扫，并且其进行过程要在整个加热炉内发生。
由于传感器通过限制在棒92内而与废气流隔离，而使温度测量结果是可靠的。通过将加热炉分割成许多不同的加热区域，其中的温度可独立地进行调节，也能确保所需的温度出现在加热炉的所有水平位置上。
从出口42被抽出且包含腈特别是氰化物的废气，在被送入燃烧炉86之前使其经过罐56而至少部分地冷凝，燃烧气体和废气被一起送入燃烧炉86内，随后废气残留物通过烟囱88被排出。
在本发明方法的第一阶段结束时，前体到碳的转化已经完成，纤维织物的碳含量大于95％，甚至可能超过约99％或更高。
从第一阶段到第二阶段之间的转换包括打开阀33和77，关闭风扇50a、50b，同时也关闭相关的阀，关闭阀35和45，启动泵78a、78b中的至少一个，同时打开其周围的阀，出口42没有处于工作状态。
利用在低流速下的N2吹扫在加热炉内建立所需的低压，同时将温度测量从传感器90a、90b、90c和90d切换至传感器94a和94b。继续对加热炉进行加热使温度超过在第一阶段结束时所达到的温度。应该观察到，从第一阶段到第二阶段的转换也可以伴随有加热炉内加热区域的构成的改变。可以对传感器94a和94b进行适当的安排以提供关于加热炉内两个不同水平位置上的温度信息，从而确保对这两个加热区域进行设置，例如所述两个区域中的每一个与感应线圈的两个部分相关联。
可以观察到，用于从第一阶段到第二阶段的切换的所有操作都可以是自动的。
传感器94a和94b测得的温度被传递到控制回路20，以便使感应线圈获得电能从而能够产生根据预先建立的温度升高曲线而变化的温度。
图4示出了这类曲线中的一种。直到达到所需温度(例如在此为约1600℃)，这个曲线包括了温度的逐渐升高以及可以选择的暂停阶段。所产生的少量的废气不会干扰使用高温计检测的温度测量。
从约1200℃的温度开始，纤维织物中所含的钠开始被释放出来，并与废气一起被排出。钠一离开加热炉，就通过打开阀69将CO2注入到管线64中以钝化钠。这样就能避免钠在管线64的管壁上沉积的潜在危险。CO2的注入也用于钝化任何钠化合物，该化合物可能以升华的形式包含在废气中，同时也可形成潜在的危险沉积物，特别是化合物氧化钠Na2O。
出于安全的原因，应该观察到CO2的注入可以在第二阶段刚刚开始时就进行。这种注入优至少选持续进行到加工结束。将所产生的碳酸钠收集到装置70中，在这个装置中碳酸钠通过在随后的阶段中在水中原位清洗而轻易地被清除掉，或者通过将挡板装置70拆卸下来并在清洗容器(未示出)中用水清洗来消除碳酸钠。将已被净化而不含钠的废气输送到燃烧炉86中。
由于热电偶传感器90a、90b、90c和90d不能承受所达到的高温，因此它们会被破坏。但是，由于破坏后的产物保留在棒92所限定的空间内，它们将不会污染加热炉内的空气。随后可以回收棒92以便重新使用。一旦第二阶段结束，停止加热并使纤维织物在静止的N2气氛中冷却。在冷却的最初阶段可以继续注入CO2。
可以观察到，通过用水蒸气代替CO2注入到管线64中，可以中和废气中所含的钠(或钠化合物如NaO2)。也可以设想，利用一个公用的喷嘴或利用两个不同的喷嘴注入水蒸气和CO2。
应当可以观察到，与没有钝化过程所观察到的含量相比，利用CO2钝化钠明显地减少了在塔72和74中收集的沉积物中氰离子(CN-)的含量，这相对于避免钠的沉积就获得了额外的安全性。
图4中的虚线曲线表示不使用本发明的方法而使用现有技术的方法所遵循的温度曲线，即在第一阶段结束时冷却纤维织物，随后将它们装入另一个加热炉内以进行第二阶段的热处理。利用本发明的方法实现的时间的节省是很明显的，因为以工业规模进行该方法时，每一个阶段要进行几天，可能是十天。
上述的方法和设备特别适用于从预氧化的PAN碳前体制造碳体，特别是制造碳纤维预制品，该预制品用于制造由热结构复合物材料制成的零件。
通过碳化由碳前体纤维制造的许多纤维织物片获得预制品，该碳前体纤维比碳纤维在承受织物制造加工方面的性能要好。纤维织物片可以是纱线或纤维束形式的一维产品，或者是由平行的纱线或纤维束制成的如编织的布料或片的二维产品，或者实际上它们可以是三维产品，例如通过下列方式制得的预制品：卷绕纤丝或通过堆积、卷绕或层叠许多布片或布匹来形成重叠的层，可以用针缝或缝纫而结合在一起。
然而，本发明并不是要限制在这一应用中。本发明也适用于由除了预氧化的PAN外的碳前体材料制成的碳体，特别是包含需要被去除的一种或多种金属或含金属杂质的碳体。这类前体的实例是沥青或酚类材料或人造纤维。
除了钠以外，利用升华也能够去除钙和/或镁。
对碳体来说，当必须要有较高的纯度时，还可能需要消除如Fe、Ni、和Cr等的金属。于是就需要在进行流程的第二阶段的过程中将其温度升到足够高以使这些金属升华，如达到2000℃至2200℃、或甚至2500℃的温度。
Claims (21)
1.一种从碳前体材料制成的物体获得碳体的工业化方法，该方法包括：
·第一阶段，其中通过加热将碳前体材料转化为碳，同时连续地抽取所产生的废气；和
·低压下高温热处理的第二阶段，同时连续地抽取所产生的废气，
该方法的特征在于：
在相同的加热炉内顺续地进行第一和第二阶段，通过在第一阶段结束后进行下述步骤：
·切换来自加热炉的废气出口，以中断与第一阶段中使用的第一抽取装置的连接，并建立与第二阶段中使用的第二抽取装置的连接；
·将加热炉内的压力调节至第二阶段所需的低压值；和
·以第一阶段结束时所达到的温度为起点调节加热炉的加热温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中包括在第一和第二阶段中利用传感器测量加热温度，其特征在于在第一阶段结束后，将温度测量从至少一个第一传感器切换至与第一传感器分离的至少一个第二传感器。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于这个或每个第一传感器是热电偶型传感器，它安装在加热炉内靠近加热炉壁处，并且在第二阶段中被弃用。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于这个或每个第一传感器放置在一个限定的空间内以防止在其损坏时污染加热炉内的空气。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于第一和第二阶段的转换是自动的。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的方法，其特征在于在第一阶段前对加热炉进行渗漏测试。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于渗漏测试包括用惰性气体吹扫加热炉内的体积同时在加热炉内装入反应物以后测量来自加热炉出口的气体中所含的氧气量。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的方法，其特征在于在第二阶段中，中和从加热炉中抽取的废气中所含的碱金属。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于通过将二氧化碳注入到从加热炉抽取的废气中产生的钝化效果至少部分地进行中和。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于通过注入水蒸气产生的水合作用至少部分地进行中和。
11.根据权利要求1至10任意一项所述的方法，是用于从预氧化的聚丙烯腈纤维制成的物体获得碳纤维。
12.一种从由碳前体材料制成的物体获得碳体的工业化设备，该设备包括加热炉(10)，用于加热加热炉的装置(12，14)，至少一个测量加热炉加热温度的传感器，一个与温度测量传感器和加热器装置连接的控制回路(20)，以便控制加热炉的加热温度，吹扫气体吹扫加热炉内部体积的至少一个入口，用于从加热炉内抽取废气的出口，和与废气出口相连接的至少一个抽取器装置，
该设备的特征在于其进一步包括：
·一个第一废气抽取装置(40)，用于收集加热炉内利用加热将前体材料转变为碳的过程中产生的废气；
·一个第二废气抽取装置(60)，用于收集前体材料已被转化后，在加热炉内的高温下进行热处理所产生的废气；和
·开关装置(45，77)，确保加热炉可选择地与第一或第二抽取装置连接。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于它进一步包括：
·安装在加热炉(10)内的至少一个第一传感器(90a、90b、90c、90d)，用于传送前体材料被转化为碳时加热温度的信息；和
·至少一个第二温度传感器(94a、94b)，用于提供在前体已被转化后高温热处理时加热温度的信息。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于这个或每个第一传感器(90a、90b、90c、90d)是安装在封闭的耐火材料外壳(92)内的热电偶传感器。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于封闭的外壳是以棒(92)的形式安装在加热炉壁附近。
16.根据权利要求14或15所述的设备，特征在于外壳(92)由石墨制成。
17.根据权利要求13至16任意一项所述的设备，其特征在于这个或每个第二传感器(94a、94b)是光感高温计。
18.根据权利要求12至17任意一项所述的设备，其特征在于第二抽取装置具有连接到加热炉出口的废气排出管线(64)，和将至少一种中和试剂在靠近加热炉出口处注入排出管线的装置，以便中和包含在废气中的金属。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于注入中和剂的装置包括一个插入到排出管线(64)的拐角(64a)中的喷嘴(68a)。
20.根据权利要求12至19任意一项所述的设备，其特征在于它包括用于给加热炉输送惰性吹扫气体的第一和第二进料管路(32和34)，和确保加热炉可选择地与第一或第二管路连接的开关装置(33，35)。
21.根据权利要求12至20任意一项所述的设备，其特征在于它包括测量装置(98)，该装置与加热炉内部体积相连接，并适合用于提供对来自加热炉的气体中所含氧气量的测量。
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