CN212128360U

CN212128360U - 一种预氧化炉平行与垂直方向匀风整流进风腔

Info

Publication number: CN212128360U
Application number: CN202020207095.5U
Authority: CN
Inventors: 林刚; 张永福; 乔荫春; 冯军
Original assignee: Ata Carbon Fiber Tech Guangzhou Co ltd
Current assignee: Ata Carbon Fiber Tech Guangzhou Co ltd
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2020-02-25
Publication date: 2020-12-11
Anticipated expiration: 2030-02-25

Abstract

本实用新型涉及一种预氧化炉平行与垂直方向匀风整流进风腔，预氧化炉包括多个从下往上依次排列的进风腔体，上下相邻的两个进风腔体之间形成丝束通道，进风腔体内设有分流板和水平整流板；分流板将进风腔体分为预氧化风腔和丝束通道风腔，分流板上设有分流孔，水平整流板位于预氧化风腔内，水平整流板上设有匀风孔，丝束通道风腔设有匀风通道，匀风通道与丝束通道相通。进风腔体的顶部和/或底部上设有匀风孔，匀风通道为进风腔体上的匀风孔。匀风整流进风腔可以快速高效地带走丝束通道内丝束的反应热，属于预氧化炉进风腔的技术领域。

Description

一种预氧化炉平行与垂直方向匀风整流进风腔

技术领域

本实用新型涉及预氧化炉进风腔的技术领域，尤其涉及一种预氧化炉平行与垂直方向匀风整流进风腔。

背景技术

在碳纤维生产中，预氧化是至关重要的工序，其功能是将线性分子链结构的原丝转化成耐热的梯形分子结构，该工序不仅与碳纤维的性能密切相关，也与碳纤维的制造成本息息相关。

尽管对原丝的预氧化有固体、液体及气流等方法，目前工业界主流的还是采用热风循环烘箱的方式，其中，水平吹风、垂直吹风、侧吹风、中央到两端吹风是目前工业流行的技术。对于任何吹风方式，都有一些共同的技术要求：如温度均匀、风速均匀、风场均匀、能耗低、排废量小、效率高、处理时间短、散热效率高等。

预氧化的核心功能不是加热，而是快速高效地将原丝预氧化过程中产生的大量热量带走。如果不及时带走热量，原丝的纤维就会热量集中，产生纤维之间的融并，这会导致后续碳化纤维的发脆、性能低下；如果热量聚集更多，丝束会发生起火，处理不当，甚至会导致氧化炉的爆炸。这会带来巨大的人员与财产的重大损失。所以，任何吹风方式，其实现的工艺要点是：保持一定的温度，让纤维高效持续反应，同时快速高效带走纤维化学反应产生的热量，让纤维不融并与起火，反应越快速，需要带走的热量就越多。对设备的要求就越高。

由于氧化炉的核心功能是带走激烈化学反应的丝束上的产生的热量，所以，这就要求在丝束面的宽度方向上，必须有均匀的温度及风速，为了更好地带走丝束上产生的热量，这个风还需要是层流风，而不是紊流，紊流是不能迅速带走热量的。而层流性、均匀的风速主要由进风腔决定，在所有平行吹风的方式中，进风腔的风向是平行的，而在进风腔之间(上下相邻的两个进风腔体之间即丝束通道)，也存在丝束，进风腔越宽(图3中左右方向)，这些丝束的长度就越大，丝束通道内的丝束面上的反应热量就难以及时被带走，形成丝束过热融并甚至起火的风险。本实用新型就是针对上述目前技术的缺陷，开发了一种预氧化炉平行与垂直方向匀风整流进风腔。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供一种预氧化炉平行与垂直方向匀风整流进风腔，可以快速高效地带走丝束通道内丝束的反应热。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种预氧化炉平行与垂直方向匀风整流进风腔，预氧化炉包括多个从下往上依次排列的进风腔体，上下相邻的两个进风腔体之间形成丝束通道，进风腔体内设有分流板和水平整流板；分流板将进风腔体分为预氧化风腔和丝束通道风腔，分流板上设有分流孔，水平整流板位于预氧化风腔内，水平整流板上设有匀风孔，丝束通道风腔设有匀风通道，匀风通道与丝束通道相通。

进一步的是：进风腔体的顶部和/或底部上设有匀风孔，匀风通道为进风腔体上的匀风孔。

进一步的是：丝束通道风腔内设有垂直调整板，垂直调整板将丝束通道风腔分为上风腔和下风腔，分流板的分流孔有多个，其中一些分流孔与上风腔相通，其中一些分流孔与下风腔相通，进风腔体的顶部和/或底部上设有匀风孔。

进一步的是：进风腔体的进风口面积与水平整流板开孔面积的比值为1.5～5，进风腔体的进风口面积与分流板开孔面积的比值为20～100，垂直调整板开孔面积与分流板开孔面积的比值为2。

进一步的是：水平整流板包括孔板和/或蜂窝板。

进一步的是：水平整流板上的匀风孔为直空通孔或喇叭口，水平整流板上的所有匀风孔的综合长径比≥2。

进一步的是：分流板上设有两排以上的分流孔。

进一步的是：进风腔体顶部匀风孔的开孔率与分流板的开孔率的比值为2。

进一步的是：进风腔体顶部和/或底部上的匀风孔位于进风腔体的端部。

进一步的是：预氧化炉包括两个对称设置的吹风机构，两个吹风机构包括多个从下往上依次排列的进风腔体。

总的说来，本实用新型具有如下优点：

本进风腔不仅可以实现进风腔体吹向预氧化腔内的风保持匀速与层流度，同时也能保持上下相邻的两个进风腔体之间(丝束通道)的丝束有热风能均匀地带走热量。确保整个炉膛热反应的各根丝束得到同样的温度维持热化学反应，同时对每根丝束在炉膛内任何时间产生的化学反应热高效地带走。进风腔在水平方向保持了匀速、层流性风速，可以均匀、高效带走丝束的反应热，同时在丝束通道的丝束，也有均匀的热风，帮助带走反应热。均匀、高效的风场及温度场是预氧化品质的根本保障，没有品质稳定的预氧化纤维，就不可能有稳定品质的碳纤维。均匀的风场及温度场便于预氧化工艺的精确控制，这样就可以带来效率上的提升，可以减少预氧化工序的时间，极大地降低了该工序的成本。

附图说明

图1是两个对称的进风腔体俯视方向的结构示意图。

图2是两个对称的进风腔体主视方向的结构示意图。

图3是上下左右四个对称的进风腔体主视方向的结构示意图。

图4是图1中A方向丝束通道风腔的结构示意图。

图5是水平整流板的结构示意图。

图6是预氧化炉的立体图。

图7是预氧化炉俯视方向风的流向示意图。

图8是预氧化炉内吹风机构和回风机构的结构示意图。

图9是吹风机构的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本实用新型做进一步详细的说明。

为了便于统一查看说明书附图里面的各个附图标记，现对说明书附图里出现的附图标记统一说明如下：

对进风腔体的附图标记说明如下：

302-1为预氧化风腔，302-2为丝束通道风腔，302-3为分流板，302-4为垂直调整板，302-5为水平整流板，302-6为进风腔体上的匀风孔，302-7为上风腔，302-8为下风腔；

对预氧化炉的附图标记说明如下：

101为保温框架，201为原丝，301为进风管道，302为进风腔体，303为回风腔体，304为回风管道，305为循环风机，306为加热器，307为过滤器，308为吹风喷嘴的孔板，309为吹风喷嘴的蜂窝板，310为抽风喷嘴，311为导风斜板，401为预氧化腔。

预氧化炉是对碳纤维(原丝或称为丝束)进行预氧化的，由于丝束在预氧化的过程中，需要穿过整个预氧化炉，因此预氧化炉不可能是全封闭的，预氧化炉是现有技术中的一种设备，预氧化炉包括两个对称设置的吹风机构，两个吹风机构包括多个从下往上依次排列的进风腔体。预氧化炉一般都包括多个从下往上依次排列的进风腔体，上下相邻的两个进风腔体之间形成丝束通道，即预氧化炉有多个进风腔体，且多个进风腔体从下往上依次排列，上下相邻的两个进风腔体之间存在间隙，该间隙即是用于丝束穿过的丝束通道，丝束是通过预氧化炉外的辊架系统反复穿过预氧化炉的。下文详细描述了预氧化炉的其中一种结构，本申请主要是对进风腔(进风腔体)进行改造设计。

结合图1、图2所示，一种预氧化炉平行与垂直方向匀风整流进风腔，进风腔体内设有分流板和水平整流板。可以认为分流板即是下文介绍预氧化炉中的导风斜板，在需要开设一个连通通道使预氧化风腔和丝束通道风腔相通时，在导风斜板上开设分流孔，此时分流板和导风斜板是同样的一个部件。在不需要开设一个连通通道使预氧化风腔和丝束通道风腔相通时，导风斜板没有开设分流孔，可以分别向预氧化风腔和丝束通道风腔通风。也可以认为水平整流板即是下文介绍预氧化炉中的吹风喷嘴，但水平整流板不一定必须是吹风喷嘴。分流板可以是竖直状态的一块板，从俯视方向上看，分流板大致处在进风腔体的对角线上，分流板的形状和设置的位置也可以是其他情况。分流板将进风腔体分为预氧化风腔和丝束通道风腔，预氧化风腔和丝束通道风腔是相互独立的，分流板上设有分流孔，预氧化风腔和丝束通道风腔通过分流孔连通。水平整流板位于预氧化风腔内，结合图1和图5所示，水平整流板上设有匀风孔，丝束通道风腔设有匀风通道，匀风通道与丝束通道相通。进风腔体的进风口与预氧化风腔相通。风直接进入预氧化风腔后，分流板迫使大部分的风流向水平整流板，少部分的风通过分流孔流入丝束通道风腔内。

结合图2、图3所示，进风腔体的顶部和/或底部上设有匀风孔，即进风腔体的顶部和底部均设有匀风孔，或者，进风腔体的顶部或底部设有匀风孔，进风腔体的顶部和底部至少有一个地方设置了匀风孔。由于进风腔体是由下往上排列的，最下面的进风腔体的底部可以不设置匀风孔，最上面的进风腔体的顶部可以不设置匀风孔，其余的进风腔体的顶部和底部最好设置匀风孔。匀风通道为进风腔体上的匀风孔，在这种情况下，进风腔体上的匀风孔即是匀风通道。

结合图1、图4所示，若在丝束通道风腔内设有垂直调整板，垂直调整板可以是水平状态的一块板，从俯视方向上看，垂直调整板的形状和丝束通道风腔的截面形状一致，垂直调整板的形状和设置的位置也可以是其他情况。结合图4所示，垂直调整板将丝束通道风腔分为上风腔和下风腔，分流板的分流孔有多个，其中一些分流孔与上风腔相通，其中一些分流孔与下风腔相通，进风腔体的顶部和/或底部上设有匀风孔。少部分的风通过分流孔流入丝束通道风腔内后，风分别从进风腔体顶部和底部的匀风孔进入丝束通道内，从而对丝束的上面和下面进行吹风。

进风腔体的进风口面积与水平整流板开孔面积的比值为1.5～5，最好是2～2.5，进风腔体的进风口面积与分流板开孔面积的比值为20～100，垂直调整板开孔面积与分流板开孔面积的比值为2。水平整流板包括孔板和/或蜂窝板。水平整流板上的匀风孔为直空通孔或喇叭口，水平整流板上的所有匀风孔的综合长径比≥2，优选≥3。分流板上设有两排以上的分流孔。进风腔体顶部匀风孔的开孔率与分流板的开孔率的比值为2。

结合图1、图3、图4所示，进风腔体顶部和/或底部上的匀风孔位于进风腔体的端部。由于预氧化炉的进风位置是在预氧化炉中间的，两个吹风结构是对称设计的，即两个对应的进风腔体也是对称的，因此将匀风孔设置在进风腔体的端部，风从上风腔和下风腔出来之后，直接进入丝束通道的中间位置，从而对丝束的上面和下面进行吹风。

下文对一种预氧化炉作详细介绍：需要说明的是，下文所述的预氧化炉并不全是现有技术，其中的对称设置两套热风循环设备的思路以及对吹风机构和回风机构的设计属于申请人的创新点。

结合图6和图7所示，一种形成层流匀风场的预氧化炉，包括保温框架和对称设置在保温框架上的两套热风循环设备。即保温框架上有两套热风循环设备，且这两套热风循环设备是对称设置的。每一套热风循环设备包括至少一套热风循环系统，图6中，只画出了一套热风循环系统，同一套热风循环设备里的所有热风循环系统依次叠放在一起，如图6所示，在左侧的热风循环设备里，可以将所有的热风循环系统从下往上依次叠放在一起，热风循环系统可以采用卧式放置法或者立式放置法，图6采用卧式放置法。

结合图6和图7所示，每一套热风循环系统均包括循环风机、与循环风机输出端连接的进风管道、与进风管道出口相通的吹风机构、预氧化腔、回风机构、回风管道。进风管道、吹风机构、预氧化腔、回风机构、回风管道均位于保温框架内。在循环风机的驱动下，风在炉体内循环流动，即在进风管道、吹风机构、预氧化腔、回风机构、回风管道循环。回风管道和进风管道相通。

预氧化炉的进风口在炉膛中央，通过向两端水平吹风方式，部分热风被回风腔体吸入，进入循环系统，部分热风通过丝束通道进入了预氧化炉炉端的门廊中，门廊是设置在预氧化炉端部的，丝束从穿过丝束通道之后就进入门廊，门廊几乎封闭，可以防止大量废气排在预氧化炉外。

结合图6和图7所示，回风管道内设有过滤器和加热器，沿着风的循环路径，风依次经过循环风机、进风管道、吹风机构、预氧化腔、回风机构、回风管道内的过滤器、回风腔内的加热器。风经过加热器加热后变成热风，热风在循环风机的驱动下依次流过进风管道、吹风机构、预氧化腔、回风机构，最后热风流回到回风管道内。丝束在预氧化腔内被热风氧化，风在回到回风管道后，风在回风管道内经过过滤后，再次经过加热器的加热，最后继续在循环风机的驱动下再次按照上述流通方式循环流通。不同的原丝纤维(丝束)有不同的工艺温度，风速过高原丝纤维容易被吹断，风速过低或衰减过大，则不能及时地带走反应热。有关更多热风循环系统的技术方案可以参考专利名称为一种实现多工作温度的丝束平行氧化炉及氧化设备，申请号为201910379440.5的文献。一种形成层流匀风场的预氧化炉的主要创新点在于对称设置两套热风循环设备的思路以及对吹风机构和回风机构的设计上。

下文对吹风机构和回风机构作更进一步的介绍：

结合图8和图9所示，吹风机构有多个，每个吹风机构均包括进风腔体、位于进风腔体内的吹风喷嘴、位于进风腔体内的导风斜板。一个吹风机构有一个进风腔体、一个吹风喷嘴、一块导风斜板。导风斜板是倾斜放置的，用于引导风使得风吹向预氧化腔内。所有的吹风机构依次排列，所有的吹风机构可以是从下往上依次排列，相邻两个进风腔体之间存在间隙，原丝(丝束)穿过相邻两个进风腔体之间的间隙。吹风喷嘴包括孔板和蜂窝板，沿着风的循环路径，风依次经过导风斜板、孔板和蜂窝板，在进风腔体内设置了导风斜板、孔板和蜂窝板，导风斜板设置在进风腔体的入口处，风进入进风腔体后，导风斜板迫使风流向孔板和蜂窝板，蜂窝板可以使得无方向的风变成与原丝纤维平行的风，即从吹风机构出来的风变成了与原丝纤维平行的风，多个吹风机构叠放在一起，即形成了层风，一个吹风机构就是一层风，所有吹风机构吹出来的风即形成了层流匀风场。吹风机构吹出来的风再流向预氧化腔。不同套热风循环设备吹出来热风是相反的，例如图7示意，左侧热风循环设备里热风循环系统内吹出的风向左，右侧热风循环设备里热风循环系统内吹出的风向右。

回风机构的结构形式是：参照图9理解，回风机构有多个，每个回风机构均包括回风腔体、位于回风腔体内的抽风喷嘴、位于回风腔体内的导风斜板。一个回风机构有一个回风腔体、一个抽风喷嘴、一块导风斜板。回风机构中，抽风喷嘴即是孔板，导风斜板是倾斜放置的，用于引导风使得风吹向回风管道内。所有的回风机构依次排列，所有的回风机构可以是从下往上依次排列，相邻两个回风腔体之间存在间隙，原丝(丝束)穿过相邻两个回风腔体之间的间隙。沿着风的循环路径，风依次经过孔板和导风斜板。图6中，显示有3个间隙，即有4个回风机构形成了3个间隙。

采用上述吹风机构和回风机构时，原丝(丝束)依次穿过左侧热风循环设备里相邻两个回风腔体之间的间隙、左侧热风循环设备里相邻两个进风腔体之间的间隙、右侧热风循环设备里相邻两个进风腔体之间的间隙、右侧热风循环设备里相邻两个回风腔体之间的间隙，然后原丝再绕回来，从右侧的热风循环设备穿过左侧的热风循环设备。

吹风喷嘴的孔板与蜂窝板之间的夹角为C，0≤C≤80°，孔板和蜂窝板之间的最小距离为L，0mm≤L≤200m。

吹风喷嘴的孔板上设有通孔，孔隙率为10％～80％，通孔深度H和通孔截面积S之间的关系是：1≤H/S≤60，通孔的截面形状为圆形、三角形或者多边形。

吹风喷嘴的蜂窝板上设有通孔，孔隙率为10％～90％，通孔深度h和通孔截面积s之间的关系是：10≤h/s≤100，通孔的截面形状为圆形、三角形或者多边形。

孔板的通孔截面积和蜂窝板的通孔的截面积相同或者不相同，孔板上的单个通孔截面积S和蜂窝板的单个通孔截面积s之间的关系是：0.2≤S/s≤5。

回风机构的孔板上设有通孔，孔隙率为20％～80％，通孔深度H和通孔截面积S之间的关系是：1≤H/S≤60，通孔的截面形状为圆形、三角形或者多边形。

吹风喷嘴的高度M和抽风喷嘴的高度m之间的关系为：0.5≤M/m≤5。

流入吹风喷嘴的风速为1～15m/s，风速的均匀性≤±10％；吹风喷嘴到抽风喷嘴之间的距离L与进风腔体的体积V和流经进风腔体的风速V_d有关，具体的关系表达式为：

其中h为进风腔体的高度；u₀为流量系数；最大的安装距离L不能超过200mm。

各热风循环系统的风向可以与丝束运行方向同向平行或反向平行；每套热风循环系统的风速可以相同或者有差异；每套热风循环系统可以包括最多1-15组的吹风机构及回风机构(即每套热风循环系统可以处理最多1-15组丝束面。)；同样长度的预氧化单元(左右两侧热风循环设备里的预氧化腔)，吹风机构吹出的风到回风机构时，风会有衰减，长度越长，风越不稳定，衰减越严重，本申请中，每套热风循环系统只是负责一半长度的距离，保持风速的稳定与较低衰减，形成更高效的散热效率；预氧化单元可以叠加，即多套热风循环系统可以叠放在一起，增加预氧化炉单元两端(保温框架两端)的往复导丝辊系统及单元之间的驱动系统，形成新型、高效预氧化装备及工艺，往复导丝辊系统及单元之间的驱动系统可以参照专利名称为一种实现多工作温度的丝束平行氧化炉及氧化设备，申请号为201910379440.5的文献。保温框架内，两套独立运行的热风循环设备，相互没有热风、风道的交集。每一套热风循环系统可以完成一套均风、均温的完整系统。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种预氧化炉平行与垂直方向匀风整流进风腔，预氧化炉包括多个从下往上依次排列的进风腔体，上下相邻的两个进风腔体之间形成丝束通道，其特征在于：进风腔体内设有分流板和水平整流板；分流板将进风腔体分为预氧化风腔和丝束通道风腔，分流板上设有分流孔，水平整流板位于预氧化风腔内，水平整流板上设有匀风孔，丝束通道风腔设有匀风通道，匀风通道与丝束通道相通。

2.按照权利要求1所述的一种预氧化炉平行与垂直方向匀风整流进风腔，其特征在于：进风腔体的顶部和/或底部上设有匀风孔，匀风通道为进风腔体上的匀风孔。

3.按照权利要求1所述的一种预氧化炉平行与垂直方向匀风整流进风腔，其特征在于：丝束通道风腔内设有垂直调整板，垂直调整板将丝束通道风腔分为上风腔和下风腔，分流板的分流孔有多个，其中一些分流孔与上风腔相通，其中一些分流孔与下风腔相通，进风腔体的顶部和/或底部上设有匀风孔。

4.按照权利要求1所述的一种预氧化炉平行与垂直方向匀风整流进风腔，其特征在于：进风腔体的进风口面积与水平整流板开孔面积的比值为1.5～5，进风腔体的进风口面积与分流板开孔面积的比值为20～100，垂直调整板开孔面积与分流板开孔面积的比值为2。

5.按照权利要求1所述的一种预氧化炉平行与垂直方向匀风整流进风腔，其特征在于：水平整流板包括孔板和/或蜂窝板。

6.按照权利要求1所述的一种预氧化炉平行与垂直方向匀风整流进风腔，其特征在于：水平整流板上的匀风孔为直空通孔或喇叭口，水平整流板上的所有匀风孔的综合长径比≥2。

7.按照权利要求1所述的一种预氧化炉平行与垂直方向匀风整流进风腔，其特征在于：分流板上设有两排以上的分流孔。

8.按照权利要求2或3所述的一种预氧化炉平行与垂直方向匀风整流进风腔，其特征在于：进风腔体顶部匀风孔的开孔率与分流板的开孔率的比值为2。

9.按照权利要求2或3所述的一种预氧化炉平行与垂直方向匀风整流进风腔，其特征在于：进风腔体顶部和/或底部上的匀风孔位于进风腔体的端部。

10.按照权利要求1所述的一种预氧化炉平行与垂直方向匀风整流进风腔，其特征在于：预氧化炉包括两个对称设置的吹风机构，两个吹风机构包括多个从下往上依次排列的进风腔体。