DE102012110582A1

DE102012110582A1 - Vorrichtung zur Führung von Faserkabeln durch Oxidationsöfen

Info

Publication number: DE102012110582A1
Application number: DE102012110582.0A
Authority: DE
Inventors: Rolf Schröder; Erwin Glawion; Christian Knörzer
Original assignee: Truetzschler GmbH and Co KG
Current assignee: Oerlikon Textile GmbH and Co KG
Priority date: 2012-11-05
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2014-05-22
Also published as: EP2914764A1; EP2914764B1; US9803297B2; WO2014067592A1; CN104471126A; CN104471126B; US20150299910A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum mehrfachen Durchlauf mindestens eines Faserkabels durch einen Oxidationsofen mittels Galetten, wobei das mindestens eine Faserkabel über mindestens eine verschränkt angeordnete Galette umgelenkt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Galette eine Welle umfasst, auf die mindestens zwei Einzelrollen aufsteckbar sind, wobei jede Einzelrolle drehbar auf der Welle angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum mehrfachen Durchlauf mindestens eines Faserkabels durch einen Oxidationsofen mittels Galetten, wobei das mindestens eine Faserkabel über mindestens eine verschränkt angeordnete Galette umgelenkt wird.
Bei der Herstellung von Carbonfasern werden zuvor ersponnene Polyacrylfasern zu Faserkabeln zusammengefasst, die in einem zweiten Prozessschritt zuerst stabilisiert und oxidiert werden müssen, bevor diese bei Temperaturen über 1000°C karbonisiert werden kö nnen. Diese Behandlung muss sehr sorgfältig erfolgen, da es sich um einen exothermen Umwandlungsprozess der Fasern handelt. Diese Umwandlung wird durch Wärmezufuhr in Form warmer Luft ausgelöst, wobei diese warme Luft gleichzeitig zur Abfuhr von Reaktionswärme genutzt wird. Eine zu schnelle Wärmezufuhr würde zu einer übermäßigen Reaktion führen, wenn die dann entstehende exotherme Wärmemenge nicht mehr abgeführt werden kann. Dies würde letztlich in einer nicht mehr beherrschbaren Kettenreaktion mit Selbstentzündung resultieren, wobei giftige Dämpfe entstehen und die Fasern unbrauchbar werden würden. Deshalb benötigt diese Umwandlung einen Zeitraum von ca. 60–90 Minuten, wobei während dieser Zeit die Faserkabel zweckmäßigerweise kontinuierlich mit definierter Spannung durch den oder die Öfen geführt werden. Hierbei muss vermieden werden, dass es zu Faseranhäufungen wie Überkreuzungen, Knoten oder Bündel mehrerer Faserkabel kommt, da dies die kontrollierte Wärmeabfuhr erschweren würde.
Entsprechend der Produktionsgeschwindigkeit ergeben sich enorme Behandlungslängen, die nicht mehr wirtschaftlich mit einem einzigen geraden Ofendurchgang dargestellt werden kann. Deshalb haben die Öfen in Produktionsanlagen mehrere Durchlässe, damit die Kabel parallel zueinander und mäanderförmig durch den jeweiligen Ofen geführt werden können. Umlenkrollen sind außen vorgesehen, da einerseits temperaturbeständige Lagerungen teuer sind und andererseits bei einer eventuellen Wickelbildung infolge von Fadenbrüchen ein einfacher Zugang durch den Anlagenbediener erforderlich ist.
Diese Umlenkrollen sind frei drehbar und werden durch die Faserkabel bewegt. Die Faserkabel wiederum werden von einem Zugwerk nach dem Ofen gezogen, wobei ein Zugwerk vor dem Ofen als Bremsstand wirkt, um die für den Prozess erforderliche Faserspannung aufzubauen. Typischerweise kommt es bei der Aufwärmung der Faserkabel zu einem starken Schrumpf, der ohne einen Spannungsausgleich zu einer Spannungserhöhung und Faserbrüchen führen würde. Deswegen sind meist Spannungsmesswalzen vor dem nachfolgenden Zugwerk vorgesehen, die dann ein Signal zur Anpassung der Zugwerksgeschwindigkeit erzeugen. Die Spannungsübertragung bzw. der Ausgleich innerhalb des mehrmaligen Ofendurchlaufs erfolgt über die frei drehbaren Umlenkrollen.
Üblicherweise wird in Produktionsanlagen mit mehreren Hundert Faserkabeln und Produktionsgeschwindigkeiten von 4–10 m/min gearbeitet. Daraus ergeben sich Ofengrößen ähnlich zu zweistöckigen Wohnhäusern mit Bauhöhen bis zu 10 m. Soll jedoch zu Entwicklungszwecken nur ein einziges oder wenige Faserkabel hergestellt werden, muss die Produktionsgeschwindigkeit deutlich gesenkt werden, damit die Behandlungslänge und somit die resultierende Ofengröße noch für typische Raumgrößen in Instituten oder Entwicklungszentren geeignet ist. Eine mäanderförmige Durchführung wie bei Produktionsanlagen würde aber immer in einem recht großen und entsprechend kostspieligen Oxidationsofen münden.
Aus der Faserherstellung sind Galettenpaare bekannt, mit denen Faserkabel mehrfach über zwei leicht verschränkt angeordnete Galetten geführt werden. Diese sind zum Beispiel im Buch „Synthesefasern" von Béla von Falkai, herausgegeben 1981 vom Verlag Chemie auf Seite 119 in dargestellt. Bei der Verschränkung von Galetten versucht ein Faden jeweils senkrecht auf der gegenüberliegenden Galette aufzulaufen, wodurch ein gewisser Versatz entsteht. Folglich kann über die relative Winkelstellung der Versatz eingestellt werden. Dies ist auch für mehrere Faserkabel gleichzeitig möglich.
Mehrfachumschlingungen führen zu einer Erhöhung der Reibkräfte bzw. zu einer Verminderung des Durchrutschens. Sieht man nun zwischen beiden verschränkten Walzen einen ausreichend großen Abstand vor, kann man einen Oxidationsofen dazwischen stellen und die Fäden können mehrfach auf dem Hin- und auf dem Rückweg die Öfen durchlaufen. Nicht gelöst ist jedoch bei einzelnen Galetten die Kompensation des Faserschrumpfes, da die Fäden durch Haftreibung auf den beiden Rollen festgehalten werden und kein Spannungsausgleich zwischen den einzelnen Durchläufen stattfinden würde. Hierdurch käme es zu Faserbrüchen in Bereichen mit hohem Faserschrumpf.
Aufgabe der Erfindung es, eine Vorrichtung für einen mehrfachen Durchlauf eines Faserkabels durch einen Oxidationsofen mit einem gleichzeitigen Spannungsausgleich zu ermöglichen.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die Lehre nach Anspruch 1; weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
Gemäß der technischen Lehre nach Anspruch 1 umfasst die Vorrichtung zum mehrfachen Durchlauf mindestens eines Faserkabels durch einen Oxidationsofen Galetten, wobei das mindestens eine Faserkabel über mindestens eine verschränkt angeordnete Galette umgelenkt wird. Dadurch, dass die Galette eine Welle umfasst, auf die mindestens zwei Einzelrollen aufsteckbar sind, wobei jede Einzelrolle drehbar auf der Welle angeordnet ist, ist ein mehrfacher Durchlauf durch den Oxidationsofen möglich, wobei gleichzeitig ein Spannungsausgleich des Faserkabels erreicht wird.
Es ist nach der Erfindung möglich, auf beiden Seiten des Oxidationsofens eine verschränkt angeordnete Galette anzuordnen, oder nur auf einer Seite. Dadurch, dass die Faserkabel nicht mehr mittels Reibung um die Galetten herumgeführt werden, sondern durch die drehbar angeordnete Einzelrolle, vermindern sich die Spannungen im Faserkabel. Nach dem Stand der Technik werden die Faserkabel über eine gemeinsame drehbare Galette umgelenkt, wodurch ein Teil der Faserkabel mit Reibung auf der Galette gleitet, da die Faserkabel unterschiedliche Verzüge und Spannungen aufweisen. Erfindungsgemäß können die Spannungen dadurch reduziert werden, indem das Faserkabel bei jeder Umlenkung auf einer Galette durch eine separate Einzelrolle geführt und umgelenkt wird.
Jede dieser Einzelrollen kann vorzugsweise ein nicht dargestelltes Wälz-, Kugel- oder Gleitlager zur Minimierung der Reibwiderstände aufweisen.
In bevorzugter Ausführungsform weist jede Einzelrolle mindestens im Bereich einer Stirnseite eine Schulter auf. Damit ist eine Führung des Faserkabels auf einer Einzelrolle gewährleistet.
Ein vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass die Einzelrolle im Bereich der Stirnseite mit der Schulter eine Vertiefung aufweist, in die die Stirnseite einer weiteren Einzelrolle eintauchen kann. Damit wird verhindert, dass das Faserkabel zwischen den Einzelrollen eingeklemmt werden kann.
Eine weitere Verbesserung kann dadurch erreicht werden, dass die Stirnseite, die in die Vertiefung eintaucht, ebenfalls eine Schulter aufweist. Auch dies verstärkt den Schutz des Faserkabels gegen Einklemmen im Spalt zwischen den Einzelrollen.
Eine Zentrierung der Einzelrollen zueinander kann dadurch erreicht werden, dass die Vertiefung eine konische oder konkave Kontur aufweist.
Hierzu weist die Stirnseite der Einzelrolle, die in die Vertiefung eintaucht, eine zur Vertiefung korrespondierende konische oder konvexe Kontur auf.
Durch unterschiedliche Ausbildung der an den Stirnflächen angeordneten Schultern, die bevorzugt in unterschiedlicher Höhe ausgebildet sind, kann die Stirnseite mit der kleinen Schulter in die Vertiefung an der Stirnseite mit der großen Schulter eintauchen, wobei es eine muffenförmige Überdeckung gibt, bei der das Faserkabel nicht in den Spalt zwischen den Einzelrollen hinein geraten kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass die Wellen in einer Halterung gelagert sind, wobei die Winkelstellung der Wellen über die Halterung einstellbar ist. Damit kann der Neigungswinkel und damit die Umlenkung des Faserkabel durch den Oxidationsofen eingestellt werden.
Eine deutliche Erleichterung bei dem Einspannen des Faserkabels nach einem gerissenen Kabel oder einer neuen Bestückung der Anlage wird dadurch erreicht, dass die Wellen einseitig gelagert sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines möglichen schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Draufsicht eines Oxidationsofens mit beidseitigen Galetten;
2: ein erfindungsgemäßes Galettenpaar ohne den Oxidationsofen;
3: eine Detaildarstellung der Rollen bzw. Galetten;
4: einen Teilschnitt durch eine Galette mit Einzelrollen;
5: eine Darstellung der erfindungsgemäßen Galetten verwendet als Zugwerk.
In 1 ist die Draufsicht eines Oxidationsofens 1 mit beidseitigen Galetten 2a, 2b und dem darauf laufenden Faserkabel 3 schematisch dargestellt. Das Faserkabel 3 wird von links kommend dem Oxidationsofen 1 zugeführt und verlässt nach mehreren Durchläufen den Oxidationsofen 1 horizontal versetzt auf der rechten Seite. Es ist jedoch auch möglich, dass das Faserkabel 3 den Oxidationsofen 1 auf der linken Seite verlässt, wenn dies der Prozess oder die örtlichen Gegebenheiten erfordern.
2 zeigt nochmals ein Paar von Galetten 2a, 2b mit einem Faserkabel 3. Jede Galette 2a, 2b besteht aus mindestens zwei Einzelrollen 4a, 4b, welche auf Wellen 5a und 5b aufsteckbar sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind jeweils fünf Einzelrollen 4a, 4b auf eine Welle 5a, 5b aufgesteckt. Es können je nach Abmessungen des Oxidationsofens 1 auch mehr oder weniger Einzelrollen 4a, 4b auf einer Welle 5a, 5b angeordnet werden.
Die Wellen 5a, 5b sind in einer nicht dargestellten beidseitigen Halterung befestigt, können aber auch nur einseitig gelagert sein. Die Halterungen sind verschiebbar angeordnet, so dass die für den gewünschten Versatz erforderliche Winkelstellung einstellbar ist. Zum besseren Verständnis ist der obere Fadenlauf, wo das Faserkabel 3 von links nach rechts verläuft, als durchgehende Linie dargestellt, und der untere Fadenlauf, wo das Faserkabel 3 von rechts nach links verläuft, als gestrichelte Linie dargestellt.
Die physikalische Gesetzmäßigkeit für den Versatz des Faserkabels 3 ist in 3 dargestellt. Ein Faden oder ein Faserkabel 3 ist aufgrund der auftretenden Querkräfte immer bestrebt, senkrecht mit einem Winkel von 90° auf eine drehende Rolle bzw. Galette 2b aufzula ufen. Der eigentliche Knick im Faserlauf entsteht beim Ablaufen des Fadens oder Faserkabels 3, wenn die Reibkräfte zwischen dem Faserkabel 3 und der Rollenoberfläche nicht mehr ausreichen, Widerstand gegen die axialen Querkräfte aufzubringen. Dann rutscht das Faserkabel 3 soweit, bis das vorher radial über die Rolle laufende Faserkabel 3 eine gerade Linie mit lotrechtem Winkel zur gegenüberliegenden Rolle bildet.
Zur Unterstützung beim Auflegen und Justieren der Galetten 2a, 2b verfügen die Einzelrollen 4a, 4b im Bereich einer ersten Stirnseite über eine große Schulter 7b, und im Bereich der zweiten Stirnseite über eine kleine Schulter 7a. Die Einzelrolle 4a, 4b weist im Bereich der ersten Stirnseite, an der die große Schulter 7b angeordnet ist, eine Vertiefung 8 auf, in die die kleine Schulter 7a eintauchen kann. Damit wird vermieden, dass das Faserkabel 3 in den Spalt 6 zwischen zwei Einzelrollen 4a rutscht und dort verklemmt.
Die große Schulter 7b überdeckt damit die kleine Schulter 7a der benachbarten Einzelrolle 4a, 4b muffenförmig. Eine Selbstzentrierung wird dadurch erreicht, indem die zweite Stirnseite der Einzelrolle 4a, 4b mit der kleinen Schulter 7a eine konische oder konvexe Kontur aufweist. Korrespondierend hierzu ist die Vertiefung 8 an der ersten Stirnseite mit der großen Schulter 7b ebenfalls konisch oder konkav ausgebildet.
Selbstverständlich sind die Einzelrollen 4a, 4b je nach gewünschter Anzahl von Durchläufen durch den Oxidationsofen 1 austauschbar und besitzen eine unterschiedliche Breite. Sinnvollerweise wird man immer Einzelrollen 4a, 4b mit einer Breite verwenden, deren Vielfaches der Gesamtbreite des Oxidationsofens 1 bzw. der Breite einer Galette 2a, 2b entspricht.
Um den durch die Umschlingung entstehenden horizontalen Versatz auszugleichen, kann man ebenfalls als Galetten ausgebildete Zugwerke 9 einsetzen, die wie in 5 dargestellt, nach hinten gerichtet sind. Hierdurch wird das Faserkabel 3 wieder nach hinten geführt, womit man bei mehreren hintereinander angeordneten Oxidationsöfen 1 elegant erreicht, dass die Oxidationsöfen 1 in einer Flucht stehen, was die Bedienung und Wartung deutlich erleichtert.
Bezugszeichenliste

1: Oxidationsofen
2a, 2b: Galetten
3: Faserkabel
4a, 4b: Einzelrolle
5a, 5b: Welle
6: Spalt
7a: kleine Schulter
7b: große Schulter
8: Vertiefung
9: Zugwerk

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Synthesefasern“ von Béla von Falkai, herausgegeben 1981 vom Verlag Chemie auf Seite 119 [0006]

Claims

Vorrichtung zum mehrfachen Durchlauf mindestens eines Faserkabels durch einen Oxidationsofen mittels Galetten, wobei das mindestens eine Faserkabel über mindestens eine verschränkt angeordnete Galette umgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Galette eine Welle umfasst, auf die mindestens zwei Einzelrollen aufsteckbar sind, wobei jede Einzelrolle drehbar auf der Welle angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzelrolle mindestens im Bereich einer Stirnseite eine Schulter aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelrolle im Bereich der Stirnseite mit der Schulter eine Vertiefung aufweist, in die die Stirnseite einer weiteren Einzelrolle eintauchen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite, die in die Vertiefung eintaucht, eine Schulter aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung eine konische oder konkave Kontur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite der Einzelrolle, die in die Vertiefung eintaucht, eine zur Vertiefung korrespondierende konische oder konvexe Kontur aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schultern unterschiedlich ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelrollen mit einem Lager auf die Welle aufsteckbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen in einer Halterung gelagert sind, wobei die Winkelstellung der Wellen über die Halterung einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen einseitig gelagert sind.