一种碳纤维预氧化工艺模拟实验装置的制作方法

本发明涉及碳纤维预氧化工艺，具体涉及一种碳纤维预氧化工艺模拟实验装置。

背景技术：

1、预氧化是碳纤维碳化工艺中的一道关键工序。在预氧化过程中，聚丙烯腈基原丝由线性分子结构转变为耐热梯形结构的预氧丝，在后续的高温碳化过程中才能保持纤维形态。纤维在预氧化过程中发生的结构转化直接影响到后工序运行的稳定性和最终产品碳纤维的性能。因此，预氧化是聚丙烯腈碳纤维碳化工艺的关键过程。

2、完整的预氧化处理过程历程较长，尤其是每次进行工艺调整后的工艺状态重新稳定所需的周期很长，在大规模生产线的工艺摸索和工艺调整过程中可能造成比较大的浪费。同时，生产用氧化炉设备过于庞大，温度和气流的均匀性等工艺状态存在不均匀和波动的情况，而小规模的实验装置可以较为低成本的规避均匀性的缺陷，更适合进行预氧化工艺实验。预氧化工艺涵盖了预氧化处理的温度、停留时间、张力等多方面因素综合的影响，是一个比较复杂的工艺调节过程，现有的预氧化实验装置通常不能很好的、全面的反映实际生产的情况，导致实验结果不具备可参考价值。实际生产中预氧化停留时间往往长达近1个小时，且预氧化处理过程中丝束处于运行状态，现有的预氧化实验设备不能完全模拟这个过程，部分实验设备丝束处于连续运行状态但无法在满足实际运行速度的前提下保证停留时间(由于实验设备大小规模的限制，总的丝束运行路径较短)；部分实验设备丝束处于停止状态，与实际生产情况的偏离更大。现有的实验设备设计往往不够合理，不能很好的满足气流和温度的均匀性要求。因此，有必要设计一种能完全模拟实际生产且均匀性良好的预氧化工艺模拟实验装置来指导预氧化过程的工艺调整。

3、由于现有技术中的实验设备丝束模拟实际生产的效果差，偏离较大，体现在丝束预氧化的程度不如实际生产等技术问题，因此本发明研究设计出一种碳纤维预氧化工艺模拟实验装置。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的实验设备丝束模拟实际生产的效果差，偏离较大，体现在丝束预氧化的程度不如实际生产的缺陷，从而提供一种碳纤维预氧化工艺模拟实验装置。

2、为了解决上述问题，本发明提供一种碳纤维预氧化工艺模拟实验装置，其包括：

3、预氧化炉、张力导向装置和传动装置。碳纤维丝束能够被传动装置驱动，在张力导向装置处改变运行方向并调控运行张力，反复进入预氧化炉实现连续的预氧化反应。

4、在一些实施方式中，所述张力导向装置包括第一导向辊、第二导向辊和张力调节辊，所述碳纤维丝束按顺序经过所述第一导向辊、张力调节辊和第二导向辊的外周面，所述第一导向辊、第二导向辊和张力调节辊均为被动辊，由丝束运动驱动。所述张力调节辊能对所述碳纤维丝束的张力进行调节。

5、所述碳纤维丝束缠设在所述张力调节辊的下半部分的外周面上，所述张力调节辊对丝束形成纵向向下的力。所述张力调节辊的轴承可以在轴承套内纵向滑动，所述张力调节辊的中心轴孔上穿设有第一中心轴，所述第一中心轴上还套设有配重装置。所述配重装置包括第一张力调节配重水箱和第二张力调节配重水箱，所述第一张力调节配重水箱挂设在所述第一中心轴的轴向一端，所述第二张力调节配重水箱挂设在所述第一中心轴的轴向另一端。

6、在一些实施方式中，所述传动装置包含传动辊。所述碳纤维丝束缠绕在所述传动辊的部分外周面上，所述传动辊轴杆连接电机由电机驱动转动，并带动所述碳纤维丝束运动。

7、在一些实施方式中，所述预氧化炉包括壳体、加热器和风机，所述壳体内形成有加热腔室、走丝腔室、炉顶部腔室和炉底部腔室，所述加热器设置于所述加热腔室内，以对流经所述加热腔室内的气流加热，所述风机设置于所述加热腔室内，能驱动气流依次流经所述加热腔室、所述炉顶部腔室、所述走丝腔室、所述炉底部腔室和所述加热腔室，以形成气流内循环，所述碳纤维丝束能运动进入所述走丝腔室中并与所述走丝腔室中被加热后的气流进行预氧化反应。

8、在一些实施方式中，所述走丝腔室包括上层走丝通道和下层走丝通道，所述碳纤维丝束能够被所述张力导向装置驱动并从所述张力导向装置沿着第一运动路径运动至所述预氧化炉中的所述上层走丝通道中进行预氧化反应，然后从所述上层走丝通道中运动穿出所述预氧化炉；并经由所述传动装置后改变方向并沿着第二运动路径运动至所述预氧化炉中的所述下层走丝通道中进行预氧化反应，再从所述预氧化炉中穿出并运动至所述张力导向装置上，形成循环运动。

9、在一些实施方式中，所述走丝腔室包括上层走丝通道和下层走丝通道，所述碳纤维丝束经过张力导向装置和传动装置改变方向后能够反复经过所述预氧化炉走丝腔室的上层和下层走丝通道，形成循环运动，连续进行预氧化反应。

10、在一些实施方式中，所述上层走丝通道的上方、所述上层走丝通道与所述下层走丝通道之间、以及所述下层走丝通道的下方均设置有炉头气封装置；

11、所述走丝腔室的上方设置有热电偶，所述炉顶部腔室的位于所述加热腔室的上方的位置设置有第一弧形导流挡板，所述炉顶部腔室的位于所述走丝腔室的上方的位置设置有第二弧形导流挡板，所述加热腔室中还设置有第一过滤装置和第二过滤装置；所述壳体的内外壁之间还设置有保温层。

12、在一些实施方式中，所述走丝腔室的上方还设置有气流分配结构，所述气流分配结构包括至少一个气流分配多孔板和至少一个蜂窝状均流结构，所述气流分配多孔板的板面方向与气流来流方向垂直，且所述气流分配多孔板上均布设置有多个贯通的均流孔，所述蜂窝状均流结构的板面方向与气流来流方向平行，所述蜂窝状均流结构上也设置有多个贯通的蜂窝孔，所述蜂窝状均流结构与所述气流分配多孔板的板面相接。

13、在一些实施方式中，所述气流分配多孔板包括第一气流分配多孔板、第二气流分配多孔板和第三气流分配多孔板，且沿着气流流动的方向，所述第一气流分配多孔板、所述第二气流分配多孔板和所述第三气流分配多孔板依次间隔设置，且所述第一气流分配多孔板上的均流孔的开孔率小于所述第二气流分配多孔板上的均流孔的开孔率，所述第二气流分配多孔板上的均流孔的开孔率小于等于所述第三气流分配多孔板上的均流孔的开孔率；所述蜂窝状均流结构包括第一蜂窝状均流结构和第二蜂窝状均流结构，所述第一蜂窝状均流结构设置在所述第一气流分配多孔板与所述第二气流分配多孔板之间；所述第二蜂窝状均流结构设置在所述第二气流分配多孔板与所述第三气流分配多孔板之间。

14、本发明提供的一种碳纤维预氧化工艺模拟实验装置具有如下有益效果：

15、本发明改变现有预氧化模拟实验装置预氧化纤维运行的模式，采用丝束循环运行连续预氧化的方式，能够通过成本较低的、较小型的预氧化模拟试验装置去模拟大型预氧化炉生产设备的实际丝束运行速度、预氧化总时长。本发明设置了张力导向装置用于精确控制丝束反应过程中的张力这一预氧化过程的重要工艺指标。本发明还对模拟预氧化炉的炉型结构进行了改进，设计了内循环风道、多层气流分配结构和炉头气封结构用于改善炉内的流场和温度均匀性，实现均匀、稳定的预氧化反应。采用本发明设计的预氧化模拟实验装置，能够良好地模拟实际生产设备的预氧化处理效果，从而能以较低的成本开展预氧化工艺的模拟试验用于实际生产工艺调试的参考。