一种碳纤维高低温同炉碳化装置的制作方法

本发明涉及一种碳纤维高低温同炉碳化装置，属于专用于生产碳纤维的装置技术领域。

背景技术：

碳纤维是含碳量高于92％的无机高分子纤维，其中含碳量高于99％的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低。用碳纤维复合的工程材料优于金属材料，其抗拉强度高于钢材的3-4倍，耐疲劳高2倍，重量比钢材轻3-4倍，热膨胀小4-5倍；石墨纤维可以做到零变异。碳纤维被广泛应用于国防、航天航空、导弹、隐形飞机和大型客机，高速轨道交通、船泊、体育用品、化工机械、电力设施、纺织机械和医疗器械等领域。

现有的碳化工艺，在碳纤维碳化过程中，分为低温碳化和高温碳化两个步骤，如专利2011201877120，低温碳化和高温碳化需要两台碳化炉设备，且低温碳化炉和高温碳化炉造价成本极高。

基于此，做出本申请。

技术实现要素：

针对现有碳纤维碳化工艺中所存在的上述缺陷，本申请提供一种碳化工序简便、可实现高低碳炉一体的碳纤维高低温同炉碳化装置。

为为实现上述目的，本申请采取的技术方案如下：

一种碳纤维高低温同炉碳化装置，丝束送入碳化炉依次经低温碳化区、高温碳化区完成低温碳化和高温碳化，所述的碳化炉包括下保温层、上保温层以及分布于两者之间的加热元件、隔热板、低温炉马弗和高温炉马弗，所述的隔热板活动安装于下保温层和上保温层之间，低温炉马弗、高温炉马弗分别位于隔热板的下方和上方，隔热板上下移动，以调节低温炉马弗的高度。

进一步的，作为优选：

所述的碳化炉两侧分别以密封箱密封。更优选的，所述的低温碳化区左侧为出口密封箱，右侧为入口密封箱，所述的高温碳化区左侧为入口密封箱，左侧为出口密封箱。密封箱的设置，有助于温度和碳化炉氛围的保持，确保碳化工序平稳进行。

所述的高温碳化区与低温碳化区之间设置导向罗拉，用于引导丝束运行。更优选的，所述的导向罗拉包括下导向罗拉和上导向罗拉，下导向罗拉与低温炉马弗等水平高度分布，上导向罗拉与高温炉马弗等水平高度分布，且上导向罗拉位于下导向罗拉上方。这样设置，有助于保持丝束运行的流畅性，避免以丝束运行路径偏移所引起的丝束断折。

所述的低温碳化区设置有下排废口，高温碳化区设置有上排废口。

所述的碳化炉分为若干个区域，自左向右每区的宽度递增。更优选的，所述的碳化炉分为五区，自左向右每区宽度依次为50-300mm、50-350mm、50-400mm、50-450mm、50-500mm。在碳化过程中，出口和入口位置的温差最大，为确保碳化进行的充分均匀，尽量延长初始加工阶段和加工终止阶段的长度，可有效延长碳纤维丝束的适应范围，从而保证丝束加工的平稳进行。

所述的隔热板的耐火等级300-1600℃。更优选的，所述的隔热板为石墨英砖或陶瓷纤维板。隔热板厚度为50-100mm，可单层设置，也可多层组合设置，其调距范围为50-500mm。

所述的高温碳化区入口与出口两端丝束表面张力相同。

所述的低温碳化区入口与出口两端丝束表面张力相同。

本申请所提供的碳纤维高低温同炉碳化装置，旨在简化加工工序、降低碳纤维设备成本，其碳化工序中，高、低碳炉同一炉体且上下分布的碳化炉，将高温碳化炉设计在低温碳化炉上面，两台炉子马弗共用中间的加热元件，利用高温碳化炉各区的热辐射对低温碳化炉马弗上表面进行加热，考虑到高温炉温度较高，热辐射较大，在高碳炉下层加热元件下面设置一块隔热板，且这些隔热板可以调节距离低温炉马弗的高度，这样通过调节辐射距离控制加热量。

与现有技术相比，本申请的积极效果是：

（1）将高温炉与低温炉两炉并一炉，造价低，节约设备成本；

（2）高温碳化区与低温碳化区上下分布，占地面积小，利于车间总体布局；

（3）在碳化过程中，高温碳化区与低温碳化区共用一组加热元件，且利用高温碳化区较高的热辐射对低温碳化区进行加热，热量充分利用，至少降低碳纤维25%的生产能耗；

（4）在整个生产过程中，只需在高温碳化区和低温碳化区分布设置上排废口和下排废口，即可完成整条流水线的排废，有利于节约和简化高、低碳炉的排废管道；

（5）高温碳化区与低温碳化区主要是通过隔热板进行隔离和调节的，整个碳化过程中，只需要在高温碳化区顶部和低温碳化区底部分布设置上保温层和下保温层即可完成整条流水线的保温，有利于减少保温材料的使用，进而减少设备安装周期。

附图说明

图1为本申请的结构示意图；

图2为本申请的尺寸标注图。

其中标号：1. 下保温层；2. 上保温层；3. 加热元件；4. 隔热板； 5. 低温炉马弗；51. 下排废口；6. 高温炉马弗；61.上排废口；7.喂入罗拉；8. 导向罗拉；81.下导向罗拉；82.上导向罗拉；9. 密封箱；91. 入口密封箱；92. 出口密封箱。

具体实施方式

实施例1

本实施例一种碳纤维高低温同炉碳化装置，结合图1，丝束经喂入罗拉7送入碳化炉，依次进行低温碳化和高温碳化，两者之间设置导向罗拉8，丝束在低温碳化区完成低温碳化后，经下导向罗拉81送至上导向罗拉82处，进入高温碳化区完成高温碳化，送出即可。其中，碳化炉包括下保温层1、上保温层2以及分布于两者之间的加热元件3、隔热板4、低温炉马弗5和高温炉马弗6，隔热板4活动安装于下保温层1和上保温层2之间，低温炉马弗5位于隔热板4与下保温层1之间，高温炉马弗6位于隔热板4与上保温层2之间，通过隔热板4的上下移动，即可调节低温炉马弗5的高度。具体到本实施例中，下导向罗拉81与低温炉马弗5以及喂入罗拉7等水平高度分布，上导向罗拉82与高温炉马弗6等水平高度分布，且上导向罗拉82位于下导向罗拉81上方，并保证丝束在下导向罗拉81与喂入罗拉7之间的表面张力相同，丝束在上导向罗拉82以及高温炉马弗6中的表面张力相同。这样设置，有助于保持丝束运行的流畅性，避免以丝束运行路径偏移所引起的丝束断折；低温碳化区设置有下排废口51，高温碳化区设置有上排废口52；隔热板4选用石墨英砖，隔热板厚度为50mm，单层设置。

结合图2，沿丝束运行方向，高温碳化区和低温碳化依次分为五区：

总长L固定。

L₁为1.25m，H₁为300 mm，低温碳化区温度450℃，高温碳化区温度1400℃；

L₂为1.25m，H₂为250mm，低温碳化区温度550℃，高温碳化区温度1300℃；

L₃为1.25m，H₃为200mm，低温碳化区温度650℃，高温碳化区温度1200℃；

L₄为1.25m，H₄为150mm，低温碳化区温度750℃，高温碳化区温度1000℃；

L₅为1.25m，H₅为100mm，低温碳化区温度800℃，高温碳化区温度900℃。

在碳化过程中，出口和入口位置的温差最大，为确保碳化进行的充分均匀，尽量延长初始加工阶段和加工终止阶段的长度，可有效延长碳纤维丝束的适应范围，从而保证丝束加工的平稳进行。高温碳化五区（即L₁所对应的区域）下方是低温炉的一区（即L₁所对应的区域），两区温度相差最大，所以我们要调大隔热板4距低温炉马弗的距离，减少高温炉五区的热辐射量；其它区根据所设定的温度差来调节隔热板距离，与一区一样。

实施例2

本实施例与实施例1的设置和工作原理相同，区别在于：高温碳化区左侧设置有入口密封箱91，右侧设置出口密封箱92。密封箱9的设置，有助于温度和碳化炉氛围的保持，确保碳化工序平稳进行。

沿丝束运行方向，高温碳化区和低温碳化依次分为五区：

L₁为1.25m，H₁为250mm，低温碳化区温度500℃，高温碳化区温度1400℃；

L₂为1.25m，H₂为200mm，低温碳化区温度610℃，高温碳化区温度1300℃；

L₃为1.25m，H₃为150mm，低温碳化区温度690℃，高温碳化区温度1200℃；

L₄为1.25m，H₄为100mm，低温碳化区温度780℃，高温碳化区温度1000℃；

L₅为1.25m，H₅为50mm，低温碳化区温度830℃，高温碳化区温度900℃。

实施例3

本实施例与实施例1的设置和工作原理相同，区别在于：沿丝束运行方向，高温碳化区和低温碳化依次分为五区：

L₁为1.25m，H₁为300mm，低温碳化区温度450℃，高温碳化区温度1400℃；

L₂为1.25m，H₂为320mm，低温碳化区温度320℃，高温碳化区温度1300℃；

L₃为1.25m，H₃为300mm，低温碳化区温度300℃，高温碳化区温度1200℃；

L₄为1.25m，H₄为350mm，低温碳化区温度350℃，高温碳化区温度1000℃；

L₅为1.25m，H₅为500mm，低温碳化区温度370℃，高温碳化区温度900℃。

实施例4

本实施例与实施例1的设置和工作原理相同，区别在于：沿丝束运行方向，高温碳化区和低温碳化依次分为五区：

L₁为1.25m，H₁为50mm，低温碳化区温度650℃，高温碳化区温度1400℃；

L₂为1.25m，H₂为50mm，低温碳化区温度630℃，高温碳化区温度1300℃；

L₃为1.25m，H₃为50mm，低温碳化区温度670℃，高温碳化区温度1200℃；

L₄为1.25m，H₄为50mm，低温碳化区温度790℃，高温碳化区温度1000℃；

L₅为1.25m，H₅为50mm，低温碳化区温度870℃，高温碳化区温度900℃。

本申请所提供的碳纤维高、低温同炉碳化工艺，旨在简化加工工序、降低碳纤维设备成本，其碳化工序中，高、低碳炉同一炉体且上下分布的碳化炉，将高温碳化炉设计在低温碳化炉上面，两台炉子马弗共用中间的加热元件3，利用高温碳化炉各区的热辐射对低温碳化炉马弗5上表面进行加热，考虑到高温炉温度较高，热辐射较大，在高碳炉下层加热元件3下面设置一块隔热板4，且这些隔热板4可以调节距离低温炉马弗5的高度，通过调节辐射距离、隔热板4的材质、厚度三者之间的组合，实现加热量的控制，进而改变温度。

本申请将高温炉与低温炉两炉并一炉，造价低，节约设备成本；高温碳化区与低温碳化区上下分布，占地面积小，利于车间总体布局；在碳化过程中，高温碳化区与低温碳化区共用一组加热元件，且利用高温碳化区较高的热辐射对低温碳化区进行加热，热量充分利用，至少降低碳纤维25%的生产能耗；在整个生产过程中，只需在高温碳化区和低温碳化区分布设置上排废口和下排废口，即可完成整条流水线的排废，有利于节约和简化高、低碳炉的排废管道；高温碳化区与低温碳化区主要是通过隔热板进行隔离和调节的，整个碳化过程中，只需要在高温碳化区顶部和低温碳化区底部分布设置上保温层和下保温层即可完成整条流水线的保温，有利于减少保温材料的使用，进而减少设备安装周期。

以上内容是结合本发明创造的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明创造具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明创造所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明创造的保护范围。