本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)碳纖維的高溫碳化裝置，屬于碳纖維生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在碳纖維的生產(chǎn)過程中，原絲需要進(jìn)行預(yù)氧化和碳化等過程以使其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化形成碳纖維結(jié)構(gòu)。因此，預(yù)氧化和碳化工藝是碳纖維生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)。其中，碳纖維的碳化工藝又分為低溫碳化和高溫碳化。在不同的碳化階段需要使用不同的碳化設(shè)備進(jìn)行。其中，高溫碳化過程是聚丙烯腈原絲最后完成熱分解，生成高質(zhì)量碳纖維的過程，高溫碳化過程的溫度范圍一般在800-1600℃之間。在高溫碳化過程中，聚丙烯腈原絲完成最后階段的分解，以HCN或者N2的方式放出殘余的氮元素，得到含碳量95％以上的，具有亂層石墨堆積結(jié)構(gòu)碳纖維。高溫碳化往往是逐步分段加溫，碳化時需要利用惰性氣體作為保護(hù)氣。碳化過程中會產(chǎn)生廢氣和焦油等物質(zhì)，需要排除出去，以防止對碳纖維造成污染。同時，由于碳纖維在碳化裝置內(nèi)經(jīng)過較高溫度的碳化，當(dāng)經(jīng)過碳化的紡絲從碳化裝置拉伸出來時，如果溫度沒有降到足夠提十分容易被空氣中的氧氣氧化，從而導(dǎo)致碳纖維的質(zhì)量下降?，F(xiàn)有的高溫碳化設(shè)備中缺少碳化紡絲出口段的冷卻環(huán)節(jié)，導(dǎo)致紡絲容易被氧化，成品的質(zhì)量較差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種用于生產(chǎn)碳纖維的高溫碳化裝置，所采取的技術(shù)方案如下：
一種用于生產(chǎn)碳纖維的高溫碳化裝置，包括爐體1、連接于爐體1兩端的密封裝置7、與爐體1的爐膛11連通的排氣系統(tǒng)4和保護(hù)氣供給裝置5，并且還包括在爐體1的絲束出口端通過非接觸式密封裝置7連接的冷卻室2，以及分別通過溫度檢測電路31和溫度控制電路32與爐體1的溫度傳感器16和加熱裝置13連接的溫度檢測控制裝置3。在爐膛11末端設(shè)有微壓計19，以對爐膛11內(nèi)的壓力進(jìn)行檢測，防止壓力低于20Pa時導(dǎo)致爐膛和保溫材料氧化，喪失功能。
優(yōu)選地，爐體1包括爐膛11，包裹在爐膛11外側(cè)的內(nèi)保溫層12，固定在內(nèi)保溫層12與爐膛11之間的加熱裝置13和溫度傳感器16，固定在內(nèi)保溫層12外側(cè)的外保溫層14以及固定在外保溫層14外的剛性外殼體15，在剛性外殼體15內(nèi)還設(shè)有冷卻夾層18；在爐膛11中間設(shè)有廢氣出口17，以便于將生產(chǎn)過程中的廢氣排出出去。在爐膛11末端設(shè)有微壓計19，以便于檢測爐膛11內(nèi)的壓力，從而加工時使得爐膛11內(nèi)的壓力滿足加工需求。
優(yōu)選地，爐膛11從絲束8進(jìn)口向出口依次獨(dú)立設(shè)置第一溫區(qū)、第二溫區(qū)、第三溫區(qū)、第四溫區(qū)、第五溫區(qū)、第六溫區(qū)、第七溫區(qū)以及第八溫區(qū)；其中，第一加溫區(qū)至第六溫區(qū)溫度逐漸增加，第七溫區(qū)溫度降低，第八溫區(qū)為過渡溫區(qū)。
更優(yōu)選地，廢氣出口17設(shè)在爐膛11的中間側(cè)部或底部，以防止廢氣凝結(jié)對紡絲造成污染。
更優(yōu)選地，排氣系統(tǒng)4包括與廢氣出口17連通的出風(fēng)管道41，與出風(fēng)管道41和若干廢氣收集罩連通的主排風(fēng)管42，與主排風(fēng)管42連通的排氣口45。
優(yōu)選地，密封裝置7包括與爐體1的絲束進(jìn)口端密封連接的第一密封裝置71，連接爐體1絲束出口端和冷卻室2進(jìn)口的第二密封裝置72，以及連接在冷卻室2出口的第三密封裝置73。
更優(yōu)選地，保護(hù)氣供給系統(tǒng)5通過設(shè)有流量計和控制閥51的管道將保護(hù)氣供給密封裝置7和/或保護(hù)氣加熱裝置6。
更優(yōu)選地，保護(hù)氣供給裝置5通過低溫保護(hù)氣管道與第二密封裝置72和第三密封裝置73；通過管道與保護(hù)氣加熱裝置6連接，保護(hù)氣加熱裝置6通過高溫保護(hù)氣管道與第一密封裝置71和爐膛11末端連接。
優(yōu)選地，冷卻室2包括與冷卻水供給系統(tǒng)連接的進(jìn)水口22和出水口21，以及位于絲束引出管道外側(cè)與進(jìn)水口22和出水口21連通的夾層23。
優(yōu)選地，還包括冷卻水供給裝置9，冷卻水供給裝置9通過進(jìn)水口22與冷卻室2連通，通過設(shè)有與溫度檢測控制裝置3連接的水冷電極控制進(jìn)出的水冷夾層18，以實(shí)現(xiàn)分別對爐膛11不同溫區(qū)進(jìn)行冷卻。
本發(fā)明獲得的有益效果：
本發(fā)明所提供的低溫碳化裝置，在爐體出口端設(shè)置了冷卻室，能夠有效降低絲束牽出爐體的溫度，防止經(jīng)過碳化的高溫絲束被空氣中的氧氣氧化，提高了碳纖維的質(zhì)量。同時，本發(fā)明在爐體內(nèi)部安裝了溫度傳感器可實(shí)時對爐體內(nèi)的溫度進(jìn)行監(jiān)測和控制。
本發(fā)明通過多節(jié)加溫溫區(qū)與過渡溫區(qū)及冷卻室相配合的方式，來充分降低高溫碳化過程中絲束的問題，以防止絲束被空氣氧化。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的高溫碳化裝置的正視結(jié)構(gòu)示意圖(爐體部分剖視)。
圖中：1，爐體；2，冷卻室；3，溫度檢測控制裝置；4，排氣系統(tǒng)；5，保護(hù)氣供給系統(tǒng)；6，保護(hù)氣加熱裝置；7，密封裝置；8，絲束；9，冷卻水供給裝置；11，爐膛；12，內(nèi)保溫層；13，加熱裝置；14，外保溫層；15，外殼體；16，溫度傳感器；17，廢氣出口；18，冷卻夾層；19，微壓計；21，出水口；22，進(jìn)水口；23，夾層；31，溫度檢測電路；32，溫度控制電路；41，出風(fēng)管道；42，主排風(fēng)管；43，第一廢氣收集罩；44，第二廢氣收集罩；45，排氣口；51，控制閥；71，第一密封裝置；72，第二密封裝置；73，第三密封裝置。A方向為絲束的前進(jìn)方向；B方向為氮?dú)獾牧魍ǚ较颉?/p>
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明，但以下詳細(xì)說明不視為對本發(fā)明的限定。
圖1為本發(fā)明一種優(yōu)選方案中高溫碳化裝置的正視結(jié)構(gòu)示意圖，其中爐體部分剖視。A方向為絲束的前進(jìn)方向；B方向為氮?dú)獾牧魍ǚ较颉５獨(dú)獾牧魍ǚ较蚺c絲束前進(jìn)的方向相反。從圖1可知，該低溫碳化爐是由爐體1，冷卻室2，溫度檢測控制裝置3，排氣系統(tǒng)4，保護(hù)氣供給系統(tǒng)5，保護(hù)氣加熱裝置6，密封裝置7以及冷卻水供應(yīng)裝置9組成。
其中，爐體1由位于其中心的爐膛11，在爐膛11管體的外側(cè)的設(shè)有內(nèi)保溫層12，在內(nèi)保溫層12與爐膛11之間還設(shè)有加熱裝置13和溫度傳感器16。在內(nèi)保溫層12外部包裹的是外保溫層14，在外保溫層14外部固定安裝的是剛性外殼體15。在爐膛11中間設(shè)有與爐體1外部連通的廢氣出口17，以便于將碳化過程中產(chǎn)生的廢氣排出到爐體1外。爐體1的內(nèi)部設(shè)有8個獨(dú)立設(shè)置的溫區(qū)，從絲束8入口到出口依次為第一溫區(qū)、第二溫區(qū)、第三溫區(qū)、第加溫區(qū)、第五溫區(qū)、第六溫區(qū)、第七溫區(qū)以及第八溫區(qū)。其中，在第一溫區(qū)至第六溫區(qū)的溫度逐漸升高，第七溫區(qū)的溫度降低，第八溫區(qū)為過渡溫區(qū)。這樣形成絲束進(jìn)入后溫度逐漸升高再降低的梯度溫度變化。在爐膛11中間的側(cè)部或底部設(shè)有廢氣出口17，以防止廢氣凝結(jié)形成焦油，或排出管的焦油倒流回來滴在纖維絲束上。在爐體1的剛性外殼體15內(nèi)部設(shè)有冷卻夾層18，冷卻夾層18設(shè)有與各個溫區(qū)連接的水冷電極。此外，在爐膛11的出口端附近還設(shè)有一個微壓計，以便對爐膛11內(nèi)的壓力進(jìn)行監(jiān)控，以保證爐膛11內(nèi)的壓力滿足生產(chǎn)需求。
在爐體1外設(shè)有溫度檢測控制裝置3，溫度檢測控制裝置3具有溫度檢測電路31和溫度控制電路32，其通過溫度檢測電路31與爐體1內(nèi)部的溫度傳感器16連接，以實(shí)現(xiàn)對爐體內(nèi)加溫溫度的實(shí)時檢測。同時，通過溫度控制電路31與爐體1內(nèi)的加熱裝置13連接，以實(shí)現(xiàn)對爐體1內(nèi)不同加溫區(qū)的加熱溫度的控制。此外，溫度檢測控制裝置3還與爐體1冷卻夾層18的水冷電極連接，以實(shí)現(xiàn)對冷卻水的控制，從而精確調(diào)整加溫溫度。
在爐體1的絲束8進(jìn)口端固定連接有第一密封裝置71，在爐體1的絲束8出口端固定連接有一個通過第二密封裝置72固定連接的冷卻室2，在冷卻室2的另一端固定連接有第三密封裝置73。冷卻室2在絲束引出管外設(shè)有夾層23，在夾層23的上部是由一個出水口22，下部設(shè)有一個進(jìn)水口21。進(jìn)水口21和出水口22與冷卻水供給系統(tǒng)連通，采用下進(jìn)上出的方式在夾層23中加注冷取水，以便對絲束進(jìn)行冷卻。
排氣系統(tǒng)4包括與廢氣出口17連通的出風(fēng)管道41，與出風(fēng)管道41和兩個廢氣收集罩(第一廢氣收集罩43和第二廢氣收集罩44)連通的主排風(fēng)管42，與主排風(fēng)管42連通的排氣口45。其中，主排風(fēng)管42為水平設(shè)置的管道，底部通過出風(fēng)管道41排出爐膛11內(nèi)的廢氣，兩端通過彎管與第一廢氣收集罩43和第二廢氣收集罩44連通，以便收集加工過程中溢出的少量廢氣和惰性保護(hù)氣。主排風(fēng)管42的上部通過管道連通排氣口45，以便將廢氣排出出去。
保護(hù)氣供給系統(tǒng)5通過設(shè)有流量計和控制閥51的低溫保護(hù)氣管道與第二密封裝置72和第三密封裝置73連通，同時通過管道與保護(hù)氣加熱裝置6連通。保護(hù)氣加熱裝置6對保護(hù)氣進(jìn)行加熱以滿足進(jìn)入爐膛11的要求。經(jīng)過加熱的高溫保護(hù)氣再通過同樣設(shè)有流量計和控制閥51的高溫保護(hù)氣管道進(jìn)入第一密封裝置71以防止空氣進(jìn)入爐膛11內(nèi)。同時，再通過保護(hù)氣管道與爐膛11的末端附近連通，以與絲束8前進(jìn)方向相反的方向注入保護(hù)氣，以便對低溫碳化過程中的絲束8進(jìn)行保護(hù)。
除以上說明以外，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)生產(chǎn)過程中的實(shí)際需求，對各個部件的材質(zhì)和形狀和尺寸進(jìn)行常規(guī)選擇。例如，選用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣，選用硅酸鋁棉作為保溫層的保溫材料，選用石墨作為內(nèi)保溫層，選用碳鋼作為爐體的剛性外殼體，選用水冷石墨加熱電極作為爐體內(nèi)部的加熱裝置等。
雖然本發(fā)明已以較佳的實(shí)施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)的人，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做各種改動和修飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。