[发明专利]碳纤维预氧化设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纤维预氧化设备，能有效提高预氧炉温度均匀性，快速对温度、时 间、牵伸等工艺参数进行调整

技术背景

聚丙烯腈基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的性能，被广泛的应用在体育休闲用品和高科技工 业领域，特别是在航空航天领域具有极大的应用前景。聚丙烯腈基碳纤维的制备一般包括 聚合纺丝、预氧化、碳化三大工艺过程，其中预氧化的生产效率是控制碳纤维制备成本的 主要因素之一，也是直接影响碳纤维质量的关键所在。黄有平等发表的《碳纤维预氧化炉 的结构形式与特性》(2009年12月《塑料工业》第37卷第12期，p66-68)中着重介绍了 三种进风方式的碳纤维预氧化炉的结构形式与特性；贺福等发表的《生产碳纤维的关键设 备-预氧化炉》(2005年10月《高科技纤维与应用》第30卷第5期，p1-6)对预氧化过程 中的反应机理和预氧化炉的设计原则进行了详细的介绍。目前，国内外碳纤维生产企业预 氧化时间大致为60～120min，碳化时间为几分钟到十几分钟，而石墨化的时间则以秒计算。 其中预氧化过程中的能耗在整个碳纤维制备过程中占较大比例。

预氧化过程在碳纤维制备过程中起到承上启下的作用，该阶段的能耗直接影响了碳纤 维最终的成本。预氧化过程中主要发生环化反应、氧化反应和脱氢反应，各反应之间的先 后顺序和关联性至今尚无定论。由于成套碳纤维实验线、模试线或生产线上预氧化炉与低 温碳化炉、高温碳化炉之间存在较强的关联性，同时受全线物料系统设计线速度的影响， 预氧化过程中的工艺调整柔性有限。而普通氧化炉无法方便开展各影响因素对预氧纤维结 构的影响规律。本发明中一种实验用碳纤维预氧化炉可以有限解决以上问题，能方便快捷 调整炉膛中温度和时间，且能使时间调整柔性达到最大，同时能有效控制纤维上张力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前国内碳纤维预氧炉温度均匀性差和工艺调整柔性 差，提供了一种碳纤维预氧化炉。该装置用于聚丙烯腈纤维的制备过程中，具有提高预氧 炉温度均匀性和增加工艺调整柔性的优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种碳纤维预氧炉，包括物料输 送系统和热处理系统，物料输送系统包含放丝机1、张力站Ⅰ2、导向辊)、张力站Ⅱ4， 放丝机1的放丝速度为0.2-2m/min；张力站由辊、轴承、框架、控制程序和人机界面控制 组成；热处理系统包含不锈钢管表面电加热单元13、不锈钢管内部热空气加热单元、不锈 钢管外部炉膛中热空气加热单元；其中，不锈钢管内部热空气加热单元包括热空气进口Ⅰ 11、热空气出口12、走丝通道15；不锈钢管外部炉膛中热空气加热单元包括热空气进口 Ⅱ8、热处理分配管9、炉膛10，炉膛10中并排多根不锈钢管7，钢管内部作为走丝通道。

上述技术方案中，炉膛10中并排多根不锈钢管7的个数为1～9根，从上至下依次排 列。物料输送系统通过调节放丝机放丝速度v₀、张力站Ⅰ2和张力站Ⅱ4中五辊机的线速 度v₁和v₂，范围为0.2-2m/min，v₂大于v₁时，对纤维施加正牵伸；v₂等于v₁时，对纤维 施加零牵伸；v₂小于v₁时，对纤维施加负牵伸。五辊机材质采用碳钢镀铬，镀铬厚度为 0.2mm，导向辊3材质采用陶瓷。

热处理系统中不锈钢管表面电加热单元13为镍铬合金丝，缠绕在不锈钢管7的表面， 采取电加热的形式加热。不锈钢管内部热空气加热单元通过在不锈钢管走丝通道15中通 热空气，热空气从进口Ⅰ11进、热空气出口12出；不锈钢管外部炉膛中热空气加热单元 通过在预氧炉热空气进口Ⅱ8通入热空气，从热处理分配管9进入氧化炉炉膛中。不锈钢 管内走丝腔体的温度通过炉膛内热空气温度、不锈钢管表面电阻丝加热温度和炉膛内热空 气温度进行调控为150-350℃，沿纤维轴向温度均匀性为±0.5℃。

上述技术方案中，预氧炉中不锈钢管7长度为4～8m，纤维最少可以只经过一根不锈 钢管，有效加热长度为4～8m，由导向辊进入张力站4；纤维最多可以经过九根不锈钢管 在预氧炉炉膛中往返运动，有效加热长度为4～72m。通过对线速度的控制，纤维的有效 加热时间为2min-360min。。