CN219793223U - 碳纤维低温碳化炉 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种碳纤维低温碳化炉，属于碳纤维生产设备技术领域。该碳纤维低温碳化炉包括碳化炉主体，用于对内部穿行的碳纤维丝束进行碳化处理，所述碳化炉主体为倾斜设置；所述碳化炉主体的两端分别连通有入口段和出口段，所述入口段低于所述出口段；所述碳纤维丝束由所述入口段进入所述碳化炉主体中进行碳化处理，再经由所述出口段排出。本申请采用倾斜设置的炉体，且入口低于出口，受热气体的烟囱效应保证了炉体内气流的流向，避免了炉内形成大块沉积物、炉渣，炉渣掉落到走丝通道后会导致运行丝束大量卡断；同时倾斜式相对于立式减弱了烟囱效应，减少了气体向上定向流动的倾向，降低了气封的难度，不易造成毛丝的卡阻。
Description
技术领域
本申请属于碳纤维生产设备技术领域，具体涉及一种碳纤维低温碳化炉。
背景技术
低温碳化是碳纤维碳化工艺中的一道重要工序，是碳纤维碳化过程中最主要的失重工序(低温碳化失重量可达整个碳化工艺失重量的80％)，因为低温碳化工序中会形成大量废气，低温碳化炉设备的排废压力较大，排废不畅容易导致低碳炉内沉积物过多影响到走丝区域，导致断丝等影响现场运行状态和产量的异常现象大幅上升。
常见的低温碳化炉的炉型为平卧式。平卧式低温碳化炉的主要缺陷在于排废。平卧式低温碳化炉内的气体流向比较混乱，气体流动没有统一的倾向性，容易造成一些乱流、“死区”内的废气排出不畅，在这些位置容易形成大块沉积物、炉渣，炉渣掉落到走丝通道后会导致运行丝束大量卡断。
为了弥补平卧式低温碳化炉排废等方面的不足，设计出了立式低温碳化炉的炉型。立式低温碳化炉整个走丝区域竖直向上，炉内的气体受烟囱效应的影响有明确气流倾向(气流统一向上流动)，在炉内不会产生气流不通畅的“死区”，可以做到杜绝低温碳化炉内的炉渣沉积物产生。由于立式低温碳化炉炉内气体的烟囱效应过强(低温碳化炉内温度通常可达700-800℃)，为了保证低温碳化炉内的惰性气氛状态(低温碳化需要惰性氮气气氛，有氧气进入时会导致丝束烧断)，在增加氮气量消耗的同时还需要限制低碳炉内马弗腔的空间，尤其是入口和出口的气封区域，入口、出口缝隙的宽度通常仅有5mm左右，容易造成毛丝在入口或出口位置的卡阻，导致运行丝束断丝，卡阻毛丝也比较难以清理。
实用新型内容
因此，本申请提供一种碳纤维低温碳化炉，能够解决现有技术中容易出现卡阻和断丝的问题。
为了解决上述问题，本申请提供一种碳纤维低温碳化炉，包括：
碳化炉主体，用于对内部穿行的碳纤维丝束进行碳化处理，所述碳化炉主体为倾斜设置；
所述碳化炉主体的两端分别连通有入口段和出口段，所述入口段低于所述出口段；所述碳纤维丝束由所述入口段进入所述碳化炉主体中进行碳化处理，再经由所述出口段离开低温碳化炉。
可选地，所述碳化炉主体的长度方向与所述碳纤维丝束穿行方向相同，所述碳纤维丝束穿行的路程与水平面的夹角设为40°～50°。
可选地，沿所述碳纤维丝束的穿行方向，所述入口段和所述出口段的内径为先变小后增大的方式设置。
可选地，所述入口段和所述出口段均设有气封炉嘴，通过所述气封炉嘴注入惰性气体防止氧气进入所述碳化炉主体内。
可选地，所述出口段注入惰性气体的量大于等于所述入口段注入惰性气体的量。
可选地，所述入口段设有两个所述气封炉嘴，一个设在内径最小段上，另一个设在渐扩段上。
可选地，所述出口段设有三个所述气封炉嘴，沿朝向所述出口段的方向，一个设在渐缩之前，第二个设在渐缩段上，第三个设在内径最小段上。
可选地，沿所述碳纤维丝束穿行方向，所述碳化炉主体由六个不同的温度段连通构成，每个所述温度段为各自单独进行控温。
可选地，相邻所述温度段的炉体之间设有隔热层。
可选地，由所述入口段、所述碳化炉主体和所述出口段构成的通道上，设置有多个测压装置，多个所述测压装置对所述通道不同位置的压力进行监测。
可选地，所述碳化炉主体上设有排废口；沿所述入口段向所述出口段的方向上，第三个所述温控区与所述排废口连通。
可选地，所有所述气封炉嘴注入惰性气体的流量为600～1000Nm3/h，所述排废口排出的流量为380～420Nm3/h。
可选地，所述碳化炉主体的内径为380～420mm，所述入口段和所述出口段的最小内径为18～25mm。
本申请提供的一种碳纤维低温碳化炉，包括：碳化炉主体，用于对内部穿行的碳纤维丝束进行碳化处理，所述碳化炉主体为倾斜设置；所述碳化炉主体的两端分别连通有入口段和出口段，所述入口段低于所述出口段；所述碳纤维丝束由所述入口段进入所述碳化炉主体中进行碳化处理，再经由所述出口段排出。
本申请采用倾斜设置的炉体，且入口低于出口，受热气体的烟囱效应保证了炉体内气流的流向，避免了炉内形成大块沉积物、炉渣，炉渣掉落到走丝通道后会导致运行丝束大量卡断；同时倾斜式相对于立式降低了气流的流速，减少了气体向上定向流动的倾向，降低了气封的难度，不易造成毛丝的卡阻，甚至丝束断丝等问题发生。
附图说明
图1为本申请实施例的碳纤维低温碳化炉的结构示意图；
图2为本申请实施例的碳纤维低温碳化炉的正面示意图。
附图标记表示为：
1、丝束；2、控制炉条；3、入口炉嘴；4、第1温控区；5、第2温控区；6、第3温控区；7、第4温控区；8、第5温控区；9、第6温控区；10、出口炉嘴；11、控制炉条；12、排废汇总区；13、排废总管接口；14、连通管处；15、电加热板；16、保温层；17、分区隔热层；18、第一测压点；19、第二测压点；20、第一通入口；21、第二通入口；22、第三测压点；23、第四测压点；24、第五测压点；25、第六测压点；26、第七测压点；27、第三通入口；28、第四通入口；29、第五通入口；30、第八测压点；31、第九测压点。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合参见图1至图2所示，根据本申请的实施例，一种碳纤维低温碳化炉，包括：
碳化炉主体，用于对内部穿行的碳纤维丝束进行碳化处理，所述碳化炉主体为倾斜设置；
所述碳化炉主体的两端分别连通有入口段3和出口段10，所述入口段3低于所述出口段10；所述碳纤维丝束由所述入口段3进入所述碳化炉主体中进行碳化处理，再经由所述出口段10离开低温碳化炉。
本申请采用倾斜设置的炉体，且入口低于出口，受热气体的烟囱效应保证了炉体内气流的流向，避免了炉内形成大块沉积物、炉渣，炉渣掉落到走丝通道后会导致运行丝束大量卡断；同时倾斜式相对于立式降低了气流的流速，烟囱效应较小，减少了气体向上定向流动的倾向，降低了气封的难度，不易造成毛丝的卡阻，甚至丝束断丝等问题发生。
本申请斜卧式低温碳化炉可以在保持较宽丝束1运行通道的前提下满足气封要求，相比立式炉毛丝卡阻和带丝过程中丝头卡阻的概率大幅下降，相比平卧式炉克服了局部排废不畅导致生成大块炉渣的缺陷。
其中碳化炉主体包覆有电加热板15，且电热板15外周设有保温层16。
通过实验测试了斜卧式低温碳化炉不同的倾斜角度(丝束1向上运行路径和水平面的夹角)下的气封效果，具体内容见试验例1。在1000Nm3/h(排废量控制在400Nm3/h左右)的总氮气量下，倾斜角度为75°时入口气封完全无法保证；倾斜角度为60°时入口需要700Nm3/h左右的氮气流量才能保证气封，入口和出口的氮气流量难以做到合理分配，高温控区产生的废气难以通过排废口排出；倾斜角度为45°及以下时，气封完全可以保证。因此，从满足低温碳化炉保护气氛的角度看，优选斜卧式低温碳化炉的倾斜角度为45°，在保证气封的同时尽可能在炉内构建一个相对定向的流场。本申请还对比了斜卧式低温碳化炉倾斜角度在45°以下(30°、15°)时的炉渣沉积情况，具体内容见试验例1。倾斜角度为30°时基本也能保证排废通畅，偶尔会有炉渣从炉内掉落到入口处，对丝束1运行的影响程度一般。倾斜角度为15°时有大片炉渣频繁的产生，在炉口处卡断丝束1。因此，本申请优选的斜卧式低温碳化炉倾斜角度在40～50°之间。
试验例1：
本申请测试了改变斜卧式低温碳化炉倾斜角度(丝束1运行路径和导向随之变化)对气封效果的影响，并且适当改变氮气分配进一步验证在较为合理的氮气通量下能否保证气封效果。总的气封氮气流量控制在1000Nm3/h左右(排废量控制在400Nm3/h左右)。不同倾斜角度和改变氮气分配方式对映的序号见表1。
表1斜卧式低温碳化炉倾斜角度和氮气分配方式序号对映表
不同条件下的压力监控点数值和丝束运行情况见表2。由结果可见，在倾斜角度为75°时，入口的气封无法保证；在倾斜角度为60°时，为了保证入口气封需要在入口处分配大量的氮气，导致高温控区排废不畅，出口有烟气溢出，出口炉嘴处有焦油沉积，容易导致断丝；在倾斜角度为45°时，可以比较好的平衡气封状态和排废状态。
表2不同倾斜角度和氮气分配方式对丝束运行情况影响统计表
本申请还试验了低于45°倾角时的排废和沉积状态。在30°倾斜角度状态下，700Nm3/h的氮气流量就可以满足气封要求，偶尔会有较小的片状炉渣生成并坠落到炉口，证明炉内的废气流动不是完全畅通的。在15°倾斜角度状态下，掉炉渣频率大大上升，尤其是频繁出现较大块的炉渣，在炉口处处理不及时就会卡断丝束，对生产的影响较大。
在一些实施例中，沿所述碳纤维丝束穿行方向，所述入口段3和所述出口段10的内径均为先减小后增大的方式设置。
入口段3丝束1通道呈颈状收缩以便于控制气封，通道最窄处宽度为20mm。出口段10丝束1通道呈颈状收缩以便于控制气封，通道最窄处宽度为20mm。
在一些实施例中，所述入口段3和所述出口段10均设有气封炉嘴，通过所述气封炉嘴注入惰性气体防止氧气进入所述碳化炉主体内。优选地，所述出口段注入惰性气体的量大于等于所述入口段注入惰性气体的量。
本申请通过碳化炉主体两端注入惰性气体，包括氮气，确保碳化炉主体内处于无氧状态，从而碳化过程顺利完成，其中由于碳化炉主体为倾斜设置，出口注入量稍大，能够确保入口段3处于气封状态。
更为具体结构中，所述入口段3设有两个所述气封炉嘴，一个设在内径最小段上，另一个设在渐扩段上。以及，优选地，所述出口段10设有三个所述气封炉嘴，沿朝向所述出口段10的方向，一个设在渐缩之前，第二个设在渐缩段上，第三个设在内径最小段上。
为避免空气或氧气进入炉体内，在入口段3和出口段10分设有气封炉嘴，其中入口段3气封包含两道氮气气封，第1道位于通道收缩处，第2道位于通道收缩处后通向炉本体结构处。出口段10气封炉嘴上设置有三道气封氮气，第1道位于通道收缩处前靠近低温碳化炉出口温控区处，第2道位于通道开始收缩处，第3道位于通道收缩处。
采用多道气封炉嘴结构，设在通道收缩处的气封炉嘴，可向碳化炉主体外喷气，起到封堵空气的作用，而设在靠近碳化炉主体的气封炉嘴，便于向碳化炉主体内注入氮气。由于炉体为倾斜设置，出口段10注入量稍大，才能保证入口段3的气封，因此采用两道设在靠近碳化炉主体内的位置。
在实际操作中，为保证气封效果，在相应气封位置均设置测压点，以判断气封的情况。还在入口段3设置了控制炉条2，出口段10设置了控制炉条11。
在一些实施例中，沿所述碳纤维丝束穿行方向，所述碳化炉主体由六个不同的温度段连通构成，每个所述温度段为各自单独进行控温。
在一些实施例中，相邻所述温度段的炉体之间设有隔热层。
为便于更精准调控不同温控区的温度，采用相邻温控区的炉体之间设置隔热层结构。
在一些实施例中，由所述入口段3、所述碳化炉主体和所述出口段10构成的通道上，设置有多个测压装置，多个所述测压装置对所述通道不同位置的压力进行监测。
斜卧式低温碳化炉主体分为六个独立控温的温控区：第1温控区4、第2温控区5、第3温控区6、第4温控区7、第5温控区8、第6温控区9，经过预氧化的预氧化纤维按照顺序依次经过六个低温碳化温控区进行反应，丝束1运行通道宽度为400mm。斜卧式低温碳化炉通过在炉体表面包裹的加热板进行加热控温，加热板外层包裹隔热保温材料(主要材质为硅酸铝陶瓷纤维)。每个温控区设置有多个测温热电偶用于温度控制和监测(附图中未体现)。温控区之间有隔热层(硅酸铝陶瓷纤维包裹刚玉耐火砖)使六个温控区能实现独立控温。第1温控区4靠近入口炉嘴处和第6温控区9靠近出口炉嘴处设置有第三测压点22和第七测压点26，用于判断炉内气体流向。排废口设置在废气产生较多的第3个温控区，与排废汇总区12连通。在第3个温控区排废口上下两侧设置有第四测压点23和第五测压点24，在排废汇总区12与低温碳化炉炉体连通处上设置有第六测压点25，用于判断废气排放走向。
在斜卧式低温碳化炉倾斜角度45°的基础上，本申请进行了氮气分配的优化，具体内容见试验例2。通过调整入口、出口几路气封氮气的流量和温度(通过加热器对氮气进行预热)，参考炉体设置的9个测压点，结合丝束1运行的实际情况，在氮气总量为700Nm3/h(排废量控制在400Nm3/h左右)的条件下得到了一套较优的氮气分配方案，兼顾了入口、出口的气封效果，兼顾了低温控区、高温控区的排废效果，保证了炉内各区域排废通畅，长时间(10天左右)运行下炉本体内几乎没有炉渣沉积。
试验例2：
本申请在斜卧式低温碳化炉倾斜角度为45°的前提下进行了氮气分配的优化。氮气总量控制在700Nm3/h，排废量控制在400Nm3/h。并且在部分氮气通入口进行氮气预热。不同氮气分配方式对映的序号见表3。
表3不同氮气分配方式序号对映表
在条件3的基础上，本申请尝试了部分氮气通入位置投入氮气加热的效果，加热方式对映的序号见表4。
表4不同氮气加热方式序号对映表
对不同条件下得到的低温碳化纤维，测试了纤维上焦油等物质的沉积量。取1000g低温碳化纤维进行测试，在一定量丙酮溶液中浸泡30min以上后取出低温碳化纤维，将丙酮全部蒸发后测残余物质量，计算残余物质量在低温碳化纤维中的占比作为沉积量百分比，结合不同条件下得到的碳纤维力学性能指标进行综合评价，结果见表5。
表5不同氮气分配和加热方式对比评价表
结果表明，在保证入口处无烟气逸散的前提下，出口处氮气流量略高于入口，有利于高温控区废气的排放，能有效减少沉积物对纤维性能的影响。考虑到检测精度和波动，第二测压点19的压力数值应大于第一测压点18的压力数值+5Pa，可以保证入口的气封状态。出口气封状态同理。第四测压点23和第五测压点24的压力数值应接近并都大于第六测压点25的压力数值，保证低温控区和高温控区的排废都通畅。在出口靠近炉内侧分配450～550℃的预热氮气可以有效防止废气遇冷凝结导致的沉积。而在入口增加预热氮气会导致烟囱效应加剧，影响入口气封。
在一些实施例中，所述碳化炉主体上设有排废口；沿所述入口段3向所述出口段10的方向上，第三个所述温控区与所述排废口连通。优选地，所有所述气封炉嘴注入惰性气体的流量为600～1000Nm3/h，所述排废口排出的流量为380～420Nm3/h。
碳化炉在生产纤维丝过程中，会产生大量废气，存在排废问题，本申请排废采用汇总方式，具体用圆柱状罐体作为排废汇总区12，与斜卧式低温碳化炉炉体第3个温控区通过通道连通。废气在排废汇总区12处汇集，然后通过排废总管被排废风机抽出。排废汇总区12和后续的排废管道上有电加热防止废气遇冷沉积。排废汇总区12上根据实际需要开检修孔进行沉积物清理。
在一些实施例中，所述碳化炉主体的内径为380～420mm，所述入口段3和所述出口段10的最小内径为18～25mm。
本申请对比了斜卧式低温碳化炉不同炉嘴宽度(最窄部位)下对于丝束1卡阻，尤其是带丝过程(即将要带的丝束1编丝至运行丝束1上)对丝头的卡阻影响，具体内容见试验例3。相比本申请中20mm的最窄宽度，将最窄宽度调整为5mm、10mm和15mm后，毛丝和丝头卡阻明显增多，尤其是5mm和10mm的宽度下，带丝成功率明显下降，出口炉嘴处频繁发生卡阻需要清理。
试验例3：
本申请试验了丝束1运行通道收窄后对丝束1运行和带丝作业的实际影响，在倾斜角度固定为45°且氮气和排废状态固定不变的前提下，试验了丝束1运行通道最窄为15mm、10mm和5mm时的影响。带丝作业统计了100次带丝作业的成功率。具体情况见表6。
表6丝束运行通道收窄对运行情况影响统计表
运行通道收窄后卡阻的可能性明显提高，尤其是对带丝作业的影响很大。窄通道的低温碳化炉对于丝束1状态的要求较高，而斜卧式低温碳化炉能采用较宽丝束1运行通道相比立式低温碳化炉具有一定的优势。
综上所述，本申请具有以下优点：
1、斜卧式低温碳化炉，并且测试摸索了较优的低温碳化炉斜卧角度。斜卧式低温碳化炉兼具平卧式低温碳化炉和立式低温碳化炉的优点，在保证低温碳化炉惰性气氛的同时，保持炉内气流有一定的流向，几乎避免了炉内炉渣的产生，大大提高了低温碳化工序丝束1运行的稳定性。
2、克服了立式低温碳化炉为了保持气封效果将丝束1运行通道设计得过窄的问题，斜卧式低温碳化炉丝束1运行通道最窄处为20mm，实际运行中没有出现过毛团等异物在通道处卡阻的现象，同时大大提高了带丝的成功率。
3、优化了斜卧式低温碳化炉内的气流分配，在保证气封的前提下确保炉内不同区域的排废通畅，进一步降低废气沉积的可能性，也减少了丝束1表面有少量沉积对碳纤维性能造成的不利影响。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各实施方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。
Claims (13)
1.一种碳纤维低温碳化炉，其特征在于，包括：
碳化炉主体，用于对内部穿行的碳纤维丝束进行碳化处理，所述碳化炉主体为倾斜设置；
所述碳化炉主体的两端分别连通有入口段(3)和出口段(10)，所述入口段(3)低于所述出口段(10)；所述碳纤维丝束由所述入口段(3)进入所述碳化炉主体中进行碳化处理，再经由所述出口段(10)离开低温碳化炉。
2.根据权利要求1所述的碳纤维低温碳化炉，其特征在于，所述碳化炉主体的长度方向与所述碳纤维丝束穿行方向相同，所述碳纤维丝束穿行的路程与水平面的夹角设为40°～50°。
3.根据权利要求2所述的碳纤维低温碳化炉，其特征在于，沿所述碳纤维丝束的穿行方向，所述入口段(3)和所述出口段(10)的内径均为先变小后增大的方式设置。
4.根据权利要求3所述的碳纤维低温碳化炉，其特征在于，所述入口段(3)和所述出口段(10)均设有气封炉嘴，通过所述气封炉嘴注入惰性气体防止氧气进入所述碳化炉主体内。
5.根据权利要求4所述的碳纤维低温碳化炉，其特征在于，所述出口段(10)注入惰性气体的量大于等于所述入口段(3)注入惰性气体的量。
6.根据权利要求4-5任一项所述的碳纤维低温碳化炉，其特征在于，所述入口段(3)设有两个所述气封炉嘴，一个设在内径最小段上，另一个设在渐扩段上。
7.根据权利要求6所述的碳纤维低温碳化炉，其特征在于，所述出口段(10)设有三个所述气封炉嘴，沿朝向所述出口段(10)的方向，一个设在渐缩之前，第二个设在渐缩段上，第三个设在内径最小段上。
8.根据权利要求7所述的碳纤维低温碳化炉，其特征在于，沿所述碳纤维丝束穿行方向，所述碳化炉主体由六个不同的温度段连通构成，每个所述温度段为各自单独进行控温。
9.根据权利要求8所述的碳纤维低温碳化炉，其特征在于，相邻所述温度段的炉体之间设有隔热层。
10.根据权利要求9所述的碳纤维低温碳化炉，其特征在于，由所述入口段(3)、所述碳化炉主体和所述出口段(10)构成的通道上，设置有多个测压装置，多个所述测压装置对所述通道不同位置的压力进行监测，通过压力监测判断气封情况和气流流向。
11.根据权利要求9或10所述的碳纤维低温碳化炉，其特征在于，所述碳化炉主体上设有排废口；沿所述入口段(3)向所述出口段(10)的方向上，第三个所述温度段与所述排废口连通。
12.根据权利要求11所述的碳纤维低温碳化炉，其特征在于，所有所述气封炉嘴注入惰性气体的流量为600～1000Nm3/h，所述排废口排出的流量为380～420Nm3/h。
13.根据权利要求12所述的碳纤维低温碳化炉，其特征在于，所述碳化炉主体的内径为380～420mm，所述入口段(3)和所述出口段(10)的最小内径为18～25mm。
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Family Applications (1)
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2023
- 2023-04-11 CN CN202320787030.6U patent/CN219793223U/zh active Active
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