碳纤维束的制造方法以及碳纤维前驱体纤维束的加热炉的制作方法
【专利摘要】本发明涉及实现热处理室内的纤维束的宽度方向上温度分布的均匀化，同时实现减少为此所需条件的纤维束的加热炉(10)，特别涉及适合碳纤维制造工序中前驱体纤维束的预氧化工序的加热炉(10)。具备配置于水平空间的热风导入管道(12)和连续纤维束的热处理室(13)，在该热处理室(13)的室外的热风导入管道(12)内，沿热风的流动方向依次配置有热风的加热装置(18)和循环风扇(19)。在热处理室(13)内，具有供上述纤维束薄片状地上下一层以上平行地沿水平行进的纤维行进道。在上述热风导入管道(12)中流动的热风，由风向改变板(20)等使在低温区域中流动的热风朝向高温区域侧，沿热风导入管道(12)的宽度方向变窄地流动，并使循环风扇(19)吸引该热风，利用上述循环风扇(19)将热风导入热处理室(13)。其结果，能够改善处理室内宽度方向的温度分布。
【专利说明】碳纤维束的制造方法以及碳纤维前驱体纤维束的加热炉
【技术领域】
[0001] 本发明涉及碳纤维束的制造方法和碳纤维前驱体纤维束的加热炉，特别涉及使用 纤维束的加热炉的碳纤维束的制造方法，该纤维束的加热炉能够适当地应用于碳纤维束制 造工序中前驱体纤维束的预氧化炉。
【背景技术】
[0002] 碳纤维由于比强度、比弹性率、耐火性、耐热性、耐久性等优秀，所以其适用领域越 来越广。碳纤维由前驱体纤维烧制而成，其工序包括预氧化工序、预碳化工序、碳化工序。在 预氧化工序中，在氧化环境下对前驱体纤维进行热处理，对前驱体纤维施加热的稳定性。该 预氧化工序是碳纤维制造工序中最需要时间的工序，与碳纤维性能的体现有较大的关系。 现在，因为在工作中的碳纤维制造工厂的预氧化炉内在宽度方向上存在温度不均，所以在 碳纤维上产生处理不均。
[0003] 在由热风对行进的碳纤维前驱体纤维束进行热处理的热处理室和使热风从热处 理室的下游部向上游部循环的循环流道邻接的预氧化炉中，与外部空气接触的壁侧的热风 的温度较低，与循环流道和热处理室相接触的壁侧的温度变高，在通过送风风扇后，也保持 该温度分布而向热处理室供给热风，这是产生温度不均的原因。从碳纤维的品质的均匀化、 产量的提高的观点出发，寻求使预氧化炉内的温度分布均匀化。
[0004] 关于用于使该预氧化炉内的温度分布均匀化从而消除温度不均的具体的方案较 多，例如有日本特开2000 - 088464号公报（专利文献1)、日本特开2001 - 288623号公 报（专利文献2)、日本特开2003 - 155629号公报（专利文献3)、日本特开2008 - 138325 号公报（专利文献4)以及日本特开2008 - 280640号公报（专利文献5)等。其他的，关 于使预氧化炉内的风速以及温度分布均匀化的方案例如有日本特开2007 - 247130号公报 (专利文献6)以及日本特开2008 - 267794号公报（专利文献7)。
[0005] 另外，使热风循环方式的处理气体浓度均匀化的方案有日本特开昭59 - 116419 号公报（专利文献8)。
[0006] 具体来说，在专利文献1中，在加热处理室内的纤维导出入部附近，设置有被隔热 材料覆盖的热风吹出喷嘴来防止散热，同时在喷嘴内设置加热单元和温度控制传感器来补 充失去的散热量。在专利文献2中，在加热处理室外的对流加热型热风循环流道设置作为 热风搅拌装置的静态混合机，使通过该静态混合机时的压力损失为3Pa以上，从而使热风 循环流道的加热处理室内的、特别是温度分布以及气体浓度分布均匀，不产生预氧化工序 的处理不均，由此在实现所得到的连续纤维束的物性的均匀化的同时使生产效率提高。
[0007] 另外根据上述专利文献3,将预氧化炉的炉壁做成双重构造来防止炉壁的散热引 起的处理室内的温度不均，并且设置从双重构造的内壁朝向丝条行进方向突出的风向转换 用翅片，从而实现处理室内温度的均匀化和生产效率的增加。在专利文献4中，控制预氧化 炉的前驱体纤维束出入口附近的外部空气温度，将炉内的温度变动抑制在l〇°C以下。
[0008] 根据上述专利文献5,在热处理室的外侧、热处理室的宽度方向的两侧壁上，分别 设置有具备热风送风机构的第一以及第二热风循环流道，第一循环流道的一端与第一热风 供给喷嘴连接，第二热风循环流道的一端与第二热风供给喷嘴连接，并且第一热风循环流 道的另一端与第一热风吸入喷嘴连接，第二热风循环流道的另一端与第二热风吸入喷嘴连 接，利用第一以及第二循环流道包围热处理室的相对于丝条移送方向的两侧，防止向热处 理室外的散热，并且通过在丝条的宽度方向的两侧上下多层地配置并在每层将热风上下交 替地吹出来使丝条宽度方向的热风温度以及风速的分布均匀化。
[0009] 根据上述专利文献6,利用在热风吹出口使两张多孔板重叠，具有通过将一方的多 孔板并行移动来使开口面积可变的宽度方向的风速控制机构，另外在热处理室的宽度方向 两侧壁面上沿丝条方向设置风向改变板的预氧化炉来实现使热处理室内行进的丝条温度 的均匀化。
[0010] 根据上述专利文献7,折返辊的内部被划分成多个区域，通过在其中至少一个区域 具备能够进行加热机构或冷却机构的控制的温度调整机构来控制宽度方向的纤维温度差 从而减小热处理不均。
[0011] 根据上述专利文献8,通过使一分为二的气流在合流之后马上通过流体混合器来 使其均匀混合而向炉内循环，从而使丝条间的品质不均消失。
[0012] 虽然专利文献2、3、4、6、7与上述专利文献1、5 -样，是以使预氧化炉的热处理室 内的温度分布均匀化为主要目的的方案，但其中任意一个方案都是使相对于上下多层地移 送的丝条薄片面与热风正交地通过，因此丝条彼此容易受到该热风而产生纠缠、断丝或起 毛刺等损伤。这一点，专利文献1、5以及8的热处理炉由于使热风与在热处理内行进的纤 维薄片的行进方向平行地流动，因此能够稳定地处理纤维薄片。
[0013] 现有技术文献
[0014] 专利文献
[0015] 专利文献1 :日本特开2000 - 088464号公报
[0016] 专利文献2 :日本特开2001 - 288623号公报
[0017] 专利文献3 :日本特开2003 - 155629号公报
[0018] 专利文献4 :日本特开2008 - 138325号公报
[0019] 专利文献5 :日本特开2008 - 280640号公报
[0020] 专利文献6 :日本特开2007 - 247130号公报
[0021] 专利文献7 :日本特开2008 - 267794号公报
[0022] 专利文献8 :日本特开昭59 - 116419号公报
【发明内容】
[0023] 发明所要解决的课题
[0024] 可是，上述专利文献1?8提出的方案的预氧化炉任意一个都将在炉内流动的热 风的流道做成包含热处理室的循环流道，在除上述热处理室之外的循环流道的中途配置加 热装置和循环风扇。在这样的情况下，在专利文献2中加热装置与循环风扇之间的循环流 道上设置作为热风搅拌装置的静态混合机。然而，静态混合机通过将流道向左右上下方向 扭拧来促进混合，但其流道的扭拧是能够替换利用混合板划分的相邻的区域的程度，并不 具有将流道整体的热风混合的作用，虽然能够利用一些热移动来均匀化但并不充分。同样 地，专利文献8中作为流体混合器设置有静止型碰撞叶片，但其只能改变左右上下的流动 的位置，流体的整体的混合作用较小。因此，在靠近循环流道的路宽度方向的热处理室的内 侧区域和靠近与外部空气相接触的壁的外侧区域并未进行热风的搅拌，各个区域间的热风 的混合几乎没有地在每个通道内流动。另外，由于压力较大，因此循环风扇的动力载荷变 大。
[0025] 该趋势与不配置搅拌装置而仅配置循环风扇的情况相同，并且在流道内壁的与外 部空气相接触的一侧的侧壁面即外侧区域和相反侧的侧壁面即内侧区域中，证实在外侧区 域流动的热风的温度比在内侧区域流动的热风温度相对的低，同时对导入热处理室的热风 的温度分布也证实有同样的趋势。在此，在循环流道配置在热处理室旁边的炉体中，热处理 室与循环流道相接触的壁面侧定义为内侧区域，与外部空气相接触的壁面侧定义为外侧区 域。
[0026] 在图15的B中从热风导入部的热风下游侧观察上游侧时，热风导入部14 (参照图 1)的流入截面的以往的温度分布由同图的A所示的颜色的浓淡所表示。在该流入截面上， 左侧R1为内侧区域，右侧L1为外侧区域。同图中从深色部朝向淡色部表示从高温向低温 推移的状态。根据图15的A以及B可以理解，高温区域与低温区域成为分成热风导入部流 入截面的右侧与左侧两部分的分布形态。即、在热风导入部14的流入截面上，高温区域从 左侧沿上侧端缘与下侧端缘向右侧扩张，低温区域从右侧向左侧中央扩张。这种温度分布 表示出与热处理室内的温度分布相同的趋势，因为该温度分布，将导致上下多层地行进的 纤维薄片的宽度方向的处理不均。
[0027] 本发明的目的在于，提供能够实现具有这样的温度分布形态的热处理室内的温度 分布的均匀化，同时能够实现因此而需要的费用的廉价化的纤维束的热处理室，特别提供 具备适合碳纤维制造工序中前驱体纤维的预氧化工序的热处理室的加热炉。
[0028] 用于解决课题的方法
[0029] 本发明的碳纤维的制造方法，其具有对被加热物在具有热处理室和热风导入管道 的加热炉内由200?300°C的氧化环境的热风进行加热的工序，上述碳纤维的制造方法的 特征在于，在将上述热风从热风导入管道导入热处理室时，利用风向改变部件改变在热风 导入管道内流动的热风的流动的一部分，将从上述风向改变部件到热风混合部件之间的最 大风速相对于在热风导入管道内且比上述风向改变部件更上游的热风的截面平均风速增 速20%以上并导入热风混合部件后，将热风导入热处理。
[0030] 在本发明中，优选上述风向改变部件是配置于热风导入管道的流道壁面的板材， 但不限于此，也可以代替上述风向改变板，而使用小型鼓风机或热风供给管道。
[0031] 在本发明的碳纤维的制造方法中，优选上述热风混合部件的热风导入口相对于热 风导入管道的流道方向垂直地配置，从上述风向改变部件的最下游点到上述热风混合部件 的热风导入口的入口宽度的中间点的距离Lx满足下述式（1)。
[0032] Lx< (1. 71nRe- 2)Xh? ? ? (1)
[0033] Re=hXu/v
[0034] 在此，h表示风向改变部件的流道宽度方向的长度，u表示比风向改变部件更上游 的截面平均风速，v表示热风的动粘度，In表示自然对数。
[0035] 另外在本发明的碳纤维的制造方法中，优选从上述风向改变部件的最下游点到混 合部件的热风导入口的入口宽度的中间点的、与热风导入管道平行的距离Lx以及从上述 风向改变部件的最下游点到混合部件的热风导入口的最上游点的、与热风导入管道的流道 方向垂直方向的距离Ly满足下述式（1)、（2)。
【权利要求】
1. 一种碳纤维的制造方法，其具有对被加热物在具有热处理室和热风导入管道的加热 炉内由200?300°C的氧化环境的热风进行加热的工序，上述碳纤维的制造方法的特征在 于， 在将上述热风从热风导入管道经过循环风扇导入热处理室时，利用风向改变部件改变 在热风导入管道内流动的热风流的一部分，将上述风向改变部件与热风混合部件之间的最 大风速相对于在热风导入管道内且比上述风向改变部件更上游的热风的截面平均风速增 速20%以上并导入热风混合部件后，将热风导入热处理。
2. 根据权利要求1所述的碳纤维的制造方法，其特征在于， 上述风向改变部件是配置在热风导入管道的流道壁面上的板材。
3. 根据权利要求1所述的碳纤维的制造方法，其特征在于， 上述风向改变部件是小型鼓风机或热风供给管道。
4. 根据权利要求2所述的碳纤维的制造方法，其特征在于， 上述热风混合部件的热风导入口相对于热风导入管道的流道方向垂直地配置，从上述 风向改变部件的最下游点到上述热风混合部件的热风导入口的入口宽度的中间点的、与热 风导入管道平行的距离Lx满足下述式（1): Lx < (1. 71nRe - 2) Xh ? ? ? (1)， Re = hXu/v h :风向改变部件的流道宽度方向的长度 u :比风向改变部件更上游的截面平均风速 v :热风的动粘度 In :自然对数。
5. 根据权利要求2所述的碳纤维的制造方法，其特征在于， 从上述风向改变部件的最下游点到上述热风混合部件的热风导入口的入口宽度的中 间点的、与热风导入管道平行的距离Lx以及从上述风向改变部件的最下游点到上述热风 混合部件的热风导入口的最上游点的、与热风导入管道垂直的距离Ly满足下述式（1)、 (2)： Lx < (1. 71nRe - 2) Xh ? ? ? (1) Ly < 6h ? ? ? (2)。
6. 根据权利要求1?5中任一项所述的碳纤维的制造方法，其特征在于， 上述热风混合部件是小型鼓风机、静态混合机或搅拌机。
7. 根据权利要求2所述的碳纤维的制造方法，其特征在于， 上述风向改变部件在相对于热风行进方向垂直的热风导入管道流道截面上投影的面 积相对于上述风向改变部件的最上游点的上述热风导入管道流道截面的面积为10%以上 且60%以下。
8. 根据权利要求1?7中任一项所述的碳纤维的制造方法，其特征在于， 向热处理室内导入热风的热风导入口面的温度差为l〇°C以内。
9. 一种加热炉，其具有以热风加热碳纤维前驱体纤维束的热处理室和向上述热处理室 导入200?300°C的氧化环境的热风的热风导入管道，上述加热炉的特征在于， 具有在利用循环风扇将上述热风从热风导入管道导入热处理室时，改变在热风导入管 道内流动的热风流的一部分的风向改变部件和具有将通过的流混合的作用的热风混合部 件。
10. 根据权利要求9所述的加热炉，其特征在于， 上述风向改变部件是配置在热风导入管道的流道壁面上的板材、小型鼓风机或热风供 给管道。
11. 根据权利要求10所述的加热炉，其特征在于， 在上述风向改变部件的下游配置热风混合部件，该热风混合部件相对于热风导入管道 的流道方向垂直地配置，从上述风向改变部件的最下游点到上述热风混合部件的热风导入 口的入口宽度的中间点的距离Lx满足下述式（1): Lx < (1. 71nRe - 2) Xh ? ? ? (1)， Re = hXu/v h :风向改变部件的流道宽度方向的长度 u :比风向改变部件更上游的截面平均风速 v :热风的动粘度 In :自然对数。
12. 根据权利要求10所述的加热炉，其特征在于， 从上述风向改变部件的最下游点到上述热风混合部件的热风导入口的入口宽度的中 间点的距离Lx以及从上述风向改变部件的最下游点到与上述风向改变部件不同的热风混 合部件的热风导入口的最上游点的距离Ly满足下述式（1)、（2): Lx < (1. 71nRe - 2) Xh ? ? ? (1) Lx < 6h ? ? ? (2)。
13. 根据权利要求9?12中任一项所述的加热炉，其特征在于， 上述热风混合部件是小型鼓风机、静态混合机或搅拌机。
14. 根据权利要求9所述的加热炉，其特征在于， 上述风向改变部件在相对于热风行进方向垂直的热风导入管道流道截面上投影的面 积相对于上述热风导入管道流道截面的面积为10%以上且60%以下。
【文档编号】D01F9/32GK104428456SQ201380035456
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年6月28日 优先权日:2012年7月2日
【发明者】荒井理沙, 加地晓, 川村笃志, 西启之, 田中崇文, 岛原将志 申请人:三菱丽阳株式会社