用于从碳前体获得碳体的方法和设备技术

本发明专利技术方法，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ＣＯ↓［２］注入到废气排放管线（６４）中。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及从由碳前体材料制成的物体制造碳体。
技术介绍
本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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，根据本专利技术，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。在本专利技术的一个实践中，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，这会导致在本专利技术第二阶段中通过氧化引起碳体的侵蚀。在本专利技术方法的一个实施中，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。在本专利技术方法的一个实施中，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，本专利技术的方法是特别有益的，因为本专利技术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。本专利技术另一个目的是提供一种能确保本专利技术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，根据本专利技术，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，本专利技术的设备进一步包括·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。在本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JE隆克勒，P波蒂埃，
申请(专利权)人：斯奈克玛动力部件公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]