печь карбонизации для получения углеродных волокнистых материалов

Формула изобретения

1. ПЕЧЬ КАРБОНИЗАЦИИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ, содержащая корпус, муфель, теплообменник, нагревательные элементы, трубопроводы для холодного и горячего инертного газа и продуктов пиролиза, устройство для заправки жгутов обрабатываемого материала и газовые затворы, отличающаяся тем, что корпус печи образован соосно расположенным набором унифицированных цилиндрических модулей с муфелями, соединенных посредством подвижных соединений, на торцах крайних из которых выполнены перекрытые газовыми затворами прорези для входа и выхода жгутов обрабатываемого материала.

2. Печь по п.1, отличающаяся тем, что устройство для заправки жгутов выполнено в виде бесконечных струн, натянутых на направляющие ролики, верхняя ветвь которых расположена в корпусе, нижняя под ним.

3. Печь по п.1, отличающаяся тем, что каждый муфель снабжен установленным с зазором графитовым вкладышем с графитовыми запорными кольцами, образующими полость, соединенную трубопроводами горячего инертного газа и газообразных продуктов пиролиза, при этом вкладыш выполнен со сквозными парными отверстиями, оси каждой пары которых расположены с возможностью пересечения в середине горизонтальной плоскости, проходящей через прорези для входа и выхода жгутов.

4. Печь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит теплообменник, соединенный с трубопроводом для отвода газообразных продуктов пиролиза.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оборудованию для производства углеродных волокнистых материалов, в частности к печам карбонизации жгутов из полиакрилонитрильных волокон в непрерывном процессе при перемещении их в горизонтальном направлении.

Известна печь карбонизации для получения углеродных волокон в непрерывном процессе путем перемещения их в горизонтальном направлении в среде инертного газа при изменении температуры в диапазоне 300-900^оС, содержащая корпус, у которого верхняя стенка расположена под заданным углом к горизонтали и с постепенным увеличением высоты к зоне меньшей температуры, а нижняя стенка наклонена с понижением в сторону низкотемпературной зоны и предназначена для отвода жидкой фазы, выделяющейся при обработке волокна. Кроме того, печь имеет заданное число разделительных перегородок, расположенных в верхней части печи и имеющих увеличивающуюся высоту по направлению к низкотемпературной зоне. Под движущимися волокнами расположены форсунки, предназначенные для подачи инертного газа, который проходит между нитями и вместе с продуктами разложения отводится через каналы из печи [1]

Недостатками указанной печи являются большие потери тепла на единицу веса продукции из-за громоздкой конструкции, а значит, большие энергозатраты, печь не имеет резерва увеличения производительности, возможна забивка отверстий форсунок вдува инертного газа смолистыми продуктами пиролиза, не предусмотрена регулировка температурного режима за счет внутреннего резерва печи путем регулируемого отсоса продуктов пиролиза и впуска в рабочую зону разогретого инертного газа.

Известна также установка для непрерывного производства углеродных волокон, которая включает печь карбонизации, содержащую корпус, муфель, теплообменник, нагревательные элементы, трубопроводы для холодного и горячего инертного газа и продуктов пиролиза, устройство для заправки жгутов обрабатываемого материала и газовые затворы [2]

Недостатками указанной печи, взятой в качестве прототипа, являются сложность регулировки равномерной вытяжки газообразных продуктов пиролиза с двух боковых сторон печи, что ведет к неодновременным прочностным характеристикам обрабатываемого жгута; кроме того, трудность выдержки нужных температур по длине печи и дополнительный расход азота на созданию завес между температурными зонами с целью вывода из каждой зоны продуктов пиролиза.

Целью изобретения является создание мобильной высокопроизводительной печи карбонизации, позволяющей получить высококачественные жгуты из углеродных волокон с малыми потерями тепла на единицу веса выпускаемой продукции.

Поставленная цель достигается за счет того, что в печи, содержащей корпус, муфель, теплообменник, нагревательные элементы, трубопроводы для холодного и горячего инертного газа и продуктов пиролиза, устройство для заправки жгутов обрабатываемого материала и газовые затворы, согласно изобретению, корпус образован соосно расположенным набором унифицированных цилиндрических модулей с муфелями, соединенных посредством подвижных соединений, на торцах крайних из которых выполнены перекрытые газовыми затворами прорези для входа и выхода жгутов обрабатываемого материала.

При этом устройство для заправки жгутов выполнено в виде бесконечных струн, натянутых на направляющие ролики, верхняя ветвь которых расположена в корпусе, а нижняя под ним.

Каждый муфель снабжен установленным с зазором графитовым вкладышем с графитовыми запорными кольцами, образующими полость, соединенную трубопроводами горячего инертного газа и газообразных продуктов пиролиза, при этом вкладыш выполнен со сквозными парными отверстиями, оси каждой пары расположены с возможностью пересечения в середине горизонтальной плоскости, проходящей через прорези для входа и выхода жгутов.

Кроме того, печь содержит теплообменник, соединенный с трубопроводом для отвода газообразных продуктов пиролиза.

На фиг.1, 2 изображена печь карбонизации из унифицированных цилиндрических модулей в двух проекциях; на фиг.3 модуль, разрез А-А; на фиг.4 модуль, разрез Б-Б; на фиг. 5 модуль, разрез В-В; на фиг.6 модуль, разрез Г-Г; на фиг.7 модуль, разрез Д-Д; на фиг.8 и 9 соединение I, варианты.

Печь карбонизации состоит из набора унифицированных цилиндрических модулей 1, собранных в единую конструкцию, установленную на раму 2. На входе и выходе печи на торцевых стенках 3, 4, имеющих прорези для жгутов (фиг.1, 4, 5, 6), установлены газовые затворы 5, расположенные друг над другом, через которые в рабочую внутреннюю часть печи подаются жгуты 6, ввод в печь которых осуществляется устройством 7 для заправки жгутов.

Каждый модуль 1 содержит цилиндрический корпус 8, состоящий из верхнего и нижнего кожухов 9, 10, имеет цилиндрический муфель 11, лежащий на теплоизоляторных подложках 12, которые крепятся на подставках 13, компенсатор 14 пространственного положения муфеля. Между корпусом 8 и муфелем 11 проложен теплоизоляционный слой 15 (фиг.3, 4, 5). Внутри муфеля 11 установлен с зазором 16 цилиндрический графитовый вкладыш 17 с запорными графитовыми кольцами 18.

По всей длине наружной поверхности 19 вкладыша 17 в нижней его части имеется лыска 20, которая образует с внутренней поверхностью муфеля 11 и разрезными графитовыми кольцами 18 полость 21 (фиг.4, 5, 6), соединяющуюся с кольцевыми выточками 22 на вкладыше 17.

В кольцевых выточках 22 вкладыша на боковых стенках расположены наклонные сквозные отверстия 23 (фиг. 3) так, что оси каждой пары отверстий во вкладыше пересечены в середине горизонтальных плоскостей, условно проходящих через прорези на торцевых стенках модулей на входе и выходе печи. Муфель 11 и вкладыш 17 на боковых поверхностях имеют щели 24, 25 для вывода продуктов пиролиза (фиг.3), сообщенные с коллектором 26, выполненным в виде пустотелого полукольца. Коллектор 26 сообщен через трубопровод 27 с теплообменником 28 и отстойником 29 смолистых выделений, который запирается крышкой 46. Внутри теплообмена 28 расположен винтообразный канал 30 (фиг.2), сообщенный с трубопроводами 31, 32 соответственно подачи холодного инертного газа (через общий трубопровод 33) и горячего из теплообменника 23 в муфель 11. Модули 1 имеют общий трубопровод 34 для отвода продуктов пиролиза, отсос которых регулируется краном 35 по каждому модулю (фиг.1, 4).

Для заправки жгутов 6 в печь имеется устройство 7, выполненное в виде струй 36, образующих через систему роликов 37 замкнутый контур, одна часть которого расположена внутри муфеля 11, а другая под модулем. Струны 36 проходят через прорези 45 торцовых стенок 3, 4 и располагаются по обе стороны жгутов в их полость. Для компенсации термических деформаций элементов печи при работе муфели 11 и вкладыши 17 модулей 1 соединены между собой подвижными соединениями (фиг. 8), уплотненными прессованными кольцами 38, или в виде сальниковой набивки 38 из расширенного углеродного материала посредством поджимного фланца 39, или устройством в виде сильфона 40 (фиг.9). Снаружи модуля 11 установлены трубчатые нагреватели 41 (фиг.4), токоподводящие концы 42 которых находятся в кожух 43, закрытом теплоизоляторной крышкой 44.

Печь функционирует следующим образом. При включении печи происходит нагрев металлических муфелей 11 и графитовых вкладышей 17 посредством трубчатых нагревателей 41. Через газовые затворы 5, которые препятствуют попаданию кислорода из атмосферы в рабочую внутреннюю часть печи, подаются жгуты 6, заправка в печь которых осуществляется заправочным устройством 7, при этом жгуты 6 крепятся к струнам 36. Такая система ввода жгутов 6 позволяет заправлять оборванный жгут, не останавливая печь. После прогрева печи подается холодный инертный газ в общий трубопровод 33, откуда он попадает в трубопровод 31, через который поступает в теплообменник 28 каждого модуля 1, проходя между стенками которого по винтовой траектории и соприкасаясь с внутренней стенкой трубы 27, нагретой выходящими из рабочей камеры модуля 1 горячими газами, прогревается примерно до этой же температуры. Прогретый инертный газ вводится в полость 21, из которой через проточки 22 и наклонные отверстия 23 во вкладыше 17 направляется в виде струй на нижнюю поверхность каждого жгута 6. Обдув жгутов 6 нагретым инертным газом способствует интенсивному отводу от них газообразных продуктов пиролиза и препятствует оседанию смол внутри вкладыша 17. Отвод продуктов пиролиза производится через боковые щели 24, 25 в стенках муфеля 11 и вкладыша 17, пустотелый коллектор 26, компенсаторное устройство 14 положения муфеля, отсасывающий трубопровод 27, отстойник 29, из которого они попадают в общий трубопровод 34, пройдя регулирующий кран отсоса 35, и направляются на дожигание (не показано).

По мере прохождения горячих газообразных продуктов пиролиза по отсасывающему трубопроводу 27 они охлаждаются холодным вдуваемым в теплообменник инертным газом и атмосферой. При охлаждении выделяются смолистые продукты, которые оседают в отстойнике 29. Из отстойника 29 смолистые осадки легко удаляются, для чего необходимо отвернуть крышку 46.

Данная печь позволяет увеличить производительность пропорционально количеству пропускаемых жгутов, а также, за счет увеличения длины печи посредством набора модулей, улучшить качество обработанных жгутов, обеспечив равномерный обдув их горячим инертным газом и своевременный отвод продуктов пиролиза, уменьшить энергозатраты за счет малых габаритов разогреваемого муфеля и малых потерь тепла на единицу веса выпускаемой продукции, а также использования отводимых газов для нагрева холодного инертного газа, обеспечить заправку жгутов при обрыве их, не останавливая печь.