一种连续式的碳纤维碳化炉制造技术

本发明专利技术公开了一种连续式的碳纤维碳化炉。所述碳纤维碳化炉包括具有空腔结构横向布置的炉体，炉盖，位于炉体上游的进料口和位于炉体下游的出料口，分别设置进料口和出料口处的气体密封装置，分别设置在炉体与进料口之间和炉体与出料口之间的冷却装置，以及设置在炉体上的用于安装电极的电极口；所述电极由直流电源供电，作为炉膛的所述空腔结构外周设置有用于在空腔结构内形成加热区域的多个石墨发热体；所述空腔结构中部具有保护气体进气口，该空腔结构的两端低温区具有排气口，所述空腔结构内保持微正压状态。本发明专利技术能够很好的提供碳纤维碳化过程中形成理想温度梯度，且参数稳定，维护简便，能够达到长期连续稳定运行的效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种连续式的碳纤维碳化炉，属于化工生产设备领域，尤其适合生产高性能的碳纤维。
技术介绍
碳纤维具有高比强度，高比模量，耐高温，耐腐蚀，耐疲劳，抗蠕变，导电，传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。它既可以作为结构材料的增强剂承载负荷，又可作为功能材料发挥作用，因而广泛应用于航空航天、建筑、体育、汽车、医疗等广泛领域。目前，几乎没有其它任何一种材料能兼具如此众多的特性。高温碳化炉是高性能碳纤维的连续化、量产化的关键生产设备，其各项性能的保证也是生产高性能碳纤维的基础，是直接影响高性能碳碳纤维质量的关键所在。针对碳纤维高温碳化炉的工艺要求及特点，目前普遍使用高温碳化炉存在以下问题：首先在碳纤维预氧化阶段形成的环状分子进一步交联，环化及缩聚，使形成的环化和芳香结构向二维乱层石墨结构转变。随着高温碳化炉的碳化温度不断升高，碳纤维中碳元素含量不断增加。在1400℃时质量分数达到94%，当温度达到1500℃以上时，碳含量趋于稳定且强度处于较高水平，这就要求生产高性能碳纤维的高温碳化炉的使用温度达到1500℃，且高温碳化炉炉膛内设计温度必须在1600℃以上，发热体温度必须甚至需要达到1700-1800℃。针对碳纤维碳化过程中需要的高温处理，有一种高温碳化炉采用硅碳棒或者硅钼棒做为发热体设置于碳纤维上部与下部对碳纤维进行加热，保温材料为硅酸铝棉，炉壳为单层碳钢，最高使用温度不超过1400℃，炉型保温性能差，耗能严重；炉体气密性差，炉膛寿命短，不能满足制备更高模量碳纤维的高温需求。基于高性能碳纤维在航空航天、建筑、体育、汽车、医疗等广泛领域应用，有两种高温碳化炉分别采用了石墨管加热及中频感应加热。石墨管加热方式具体为石墨管或由石墨板组成中间为空腔的矩形结构，在石墨发热管的二端固定安装金属电极或过渡引电，二端电极通过低电压大电流进行电加热，使发热体空腔内的温度控制在1000℃～1800℃，纤维丝束一般为多股合成纤维丝束，在发热体高温腔内按一定速度通过，丝束即被高温碳化，碳化后即为碳纤维成品，该种结构的电极直接与石墨发热体或过渡引电接触，通电加热的方式，可称为直接加热方式或电阻加热方式。这种结构目前在实验室应用比较广泛且成本低廉维护方便升温速度也较快，但是由于受制于单根石墨无法做大做长及其它原因，无法应用于高性能碳纤维的量化生。还有一种采用中频感应加热方式的高温碳化炉，即在炉膛中间安装一个方形石墨盒，边角导圆角，外部包覆保温材料后套入感应线圈中间。由中频控制电源输出的交变电源通入感应线圈，通过感应线圈后感应石墨盒在石墨盒表面形成涡流引起石墨盒发热到900-1800℃，此种方式能够方便的将石墨盒加热至1600℃以上的高温，但是由于其螺旋电磁场的作用，而引起石墨四周角温度过高中间温度偏低而使得温度不均匀，在制作大型量产型高温碳化炉时而且由于保温材料一般为碳材料且用量较多，在电磁感应过程中也会被感应发热引起损耗大大增加，感应线圈形成的感应电磁线对于相邻的的石墨盒也会部分感应，无法很好的形成温度梯度。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种连续式的碳纤维碳化炉，该碳化炉可以解决高性能碳纤维高温碳化过程中无法最高效率高温化处理的问题，可以保证炉内温度均匀，能够很好的提供碳纤维碳化过程中形成理想温度梯度。进一步地的目的是，该碳化炉的炉型设计合理，维护方便，可以保证炉内压力平衡，炉内氧含量低。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种连续式的碳纤维碳化炉，其结构特点是，包括具有空腔结构横向布置的炉体，炉盖，位于炉体上游的进料口和位于炉体下游的出料口，分别设置进料口和出料口处的气体密封装置，分别设置在炉体与进料口之间和炉体与出料口之间的冷却装置，以及设置在炉体上的用于安装电极的电极口；所述电极由直流电源供电，作为炉膛的所述空腔结构外周设置有用于在空腔结构内形成加热区域的多个石墨发热体；所述空腔结构中部具有保护气体进气口，该空腔结构的两端低温区具有排气口，所述空腔结构内保持微正压状态。由此，本专利技术的碳化炉内温度均匀，直流电源通过电极感应加热石墨发热体，能够很好的提供碳纤维碳化过程中形成理想温度梯度，且参数稳定，维护简便，能够达到长期连续稳定运行的效果。根据本专利技术的实施例，还可以对本专利技术作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：优选地，所述炉体内设有保温结构；优选保温结构为布置在炉体周围的石墨硬毡、保温硬毡及保温棉。优选地，所述空腔结构为石墨腔体，该石墨腔体由多层多块石墨块拼装而成，且相邻两块石墨块的连接口采用T型槽配合，且连接口缝隙处填充石墨胶。优选地，所述空腔结构为直通结构；优选所述空腔结构的高度为150mm-250mm，宽度比碳纤维排布宽度宽100mm-150mm。优选地，所述气体密封装置具有多路保护气体进入口和具有多个横向的条状风道的气体分配腔，以及设置在条状风道的风道口相反方向的缝隙；每一路保护气体均进入气体分配腔分配后通过该缝隙吹入形成保护气帘；优选所述气体密封装置的上部与下部交错设置多道保护气帘，以形成迷宫式的气体密封装置。由此，迷宫式气体密封装置既能允许纤维的正常通过，又能很好的阻止外来空气的进入，防止外来空气夹带的氧分子和水分子进入炉内。优选地，所述电极由三相电源依次经过塑料断路器、快速熔断器、三相调压器进行移相式调压后输入至变压器，变压器变压成低电压大电流的信号再经电极输入至所述石墨发热体。由此，本专利技术的电源采用移相式调压，其连续性好，冲击小，再输出至变压器输出后经全控整流桥整流成直流，再加至石墨发热体。优选地，所述微正压状态是指压力为20Pa-100Pa。优选地，本专利技术还包括气体吹扫系统；优选所述气体吹扫系统包括贯穿于炉壳内部四角位置的多根进气管，设贯穿炉壳的中间进气口和底部进气口；所述进气管的一端引出炉壳外部接入保护气体，另一端封堵，且进气管均匀排布有小孔。优选地，所述进料口和出料口外侧设有牵伸机；优选所述牵伸机对碳纤维丝束的牵伸速度为0.3-3.0m/s，牵伸率为0-6%。优选地，所述气体密封装置上设置有气体密封口调节装置，在气体密封口调节装置上安装高度标示尺和用于调节密封口开口高度的上调节板及下调节板。由此，需要观察炉内或者前期预埋高温牵引丝时可手动将高度调高，正常工作时可手动将密封口高降低，以尽量减少炉内的热量往外逃逸和外来空气进入，在保证炉体始终工作于微正压状态，减少保护气体的使用量，并且腔体密封调节装置可能丝束有接触的部件与面，均采用导角或半圆形式制作后再打磨光滑，保证气体密封调节装置与丝束不会产生挂丝现象。优选地，所述冷却装置为水冷却装置，该水冷却装置的内腔为进口截面积小于出口截面积的喇叭形通道；优选所述水冷却装置包括水冷夹套，水冷夹套底部设置为进水口，水冷夹套处设置为出水口。优选地，所述炉盖上装有热管及水冷夹套结构，中间加筋条，所述热管分别接入进水口和出水口形成水循环通道。优选地，所述石墨发热体设置在空腔结构上下两侧，每组石墨发热体设置有输入电极和输出电极，上下共4个电极，4个电极交错接入直流电，使得炉体内形成等电位点。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术应用于高性能碳纤维材料或者其它纤维材料在500-1600℃之间进行量产化高温碳化热处理之用，其大部分均为积木式设计，便于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种连续式的碳纤维碳化炉，其特征在于，包括具有空腔结构（11）横向布置的炉体（9），炉盖（39），位于炉体（9）上游的进料口（66）和位于炉体（9）下游的出料口（67），分别设置进料口（66）和出料口（67）处的气体密封装置（1,8），分别设置在炉体（9）与进料口（66）之间和炉体（9）与出料口（67）之间的冷却装置，以及设置在炉体（9）上的用于安装电极（4）的电极口（5,6）；所述电极（4）由直流电源供电，作为炉膛的所述空腔结构（11）外周设置有用于在空腔结构（11）内形成加热区域的多个石墨发热体（10）；所述空腔结构（11）中部具有保护气体进气口，该空腔结构（11）的两端低温区具有排气口，所述空腔结构（11）内保持微正压状态。

【技术特征摘要】
1.一种连续式的碳纤维碳化炉，其特征在于，包括具有空腔结构（11）横向布置的炉体（9），炉盖（39），位于炉体（9）上游的进料口（66）和位于炉体（9）下游的出料口（67），分别设置进料口（66）和出料口（67）处的气体密封装置（1,8），分别设置在炉体（9）与进料口（66）之间和炉体（9）与出料口（67）之间的冷却装置，以及设置在炉体（9）上的用于安装电极（4）的电极口（5,6）；所述电极（4）由直流电源供电，作为炉膛的所述空腔结构（11）外周设置有用于在空腔结构（11）内形成加热区域的多个石墨发热体（10）；所述空腔结构（11）中部具有保护气体进气口，该空腔结构（11）的两端低温区具有排气口，所述空腔结构（11）内保持微正压状态。2.根据权利要求1所述的连续式的碳纤维碳化炉，其特征在于，所述炉体（9）内设有保温结构；优选保温结构为布置在炉体周围的石墨硬毡（47）、保温硬毡（48）及保温棉（49）。3.根据权利要求1所述的连续式的碳纤维碳化炉，其特征在于，所述空腔结构（11）为石墨腔体，该石墨腔体由多层多块石墨块拼装而成，且相邻两块石墨块的连接口采用T型槽配合，且连接口缝隙处填充石墨胶。4.根据权利要求1所述的连续式的碳纤维碳化炉，其特征在于，所述空腔结构（11）为直通结构；优选所述空腔结构（11）的高度为150mm-250mm，宽度比碳纤维排布宽度宽100mm-150mm。5.根据权利要求1所述的连续式的碳纤维碳化炉，其特征在于，所述气体密封装置（1,8）具有多路保护气体进入口（19）和具有多个横向的条状风道的气体分配腔（21），以及设置在条状风道的风道口相反方向的缝隙（22）；每一路保护气体均进入气体分配腔（21）分配后通过该缝隙（22）吹入形成保护气帘；优选所述气体密封装置（1,8）的上部与下部交错设置多道保护气帘，以形成迷宫式的气体密封装置。6.根据权利要求1所述的连续式的碳纤维碳化炉，其特征在于，所述电极（4）由三相电源依次经过塑料断路器（57）、快速熔断器（58）、三相调压器（58）...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺俊德，罗旺，朱登伟，
申请(专利权)人：株洲晨昕中高频设备有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43