RU2046846C1 - Carbonization furnace for making carbon fibrous materials - Google Patents

Abstract

FIELD: production of carbon fibrous materials. SUBSTANCE: furnace has a set of unitized cylindrical modules with muffles, being mutually joined by movable connections. Inside of the muffle a graphite insert is mounted with formation of a gap and a cavity, defined by a flat, an inner surface of the muffle and slit-type graphite rings, and connected with a pipeline for heated inert gas and with a pipeline for pyrolysis products, mounted in a heat exchanger. The furnace has gas shutters, arranged at inlet and at output of the muffles one over another; heating members, a device for charging bundles being in the form of parallel closed contours of strings. The furnace has a connectable housing; a heat insulation layer is arranged between the housing and the muffle. EFFECT: enhanced structure of the furnace. 4 cl, 9 dwg

Description

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. The invention relates to equipment for the production of carbon fiber materials, in particular to carbonization furnaces of bundles of polyacrylonitrile fibers in a continuous process when moving them in the horizontal direction.

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.Known carbonizing furnace to produce carbon fibers in a continuous process by moving them in a horizontal direction in an inert gas at varying temperature in the range 300-900 ^{° C,} comprising a body whose top wall is disposed at a predetermined angle to the horizontal and with the gradual increase in height to zone of lower temperature, and the lower wall is inclined with decreasing towards the low-temperature zone and is designed to drain the liquid phase released during processing of the fiber. In addition, the furnace has a predetermined number of dividing walls located in the upper part of the furnace and having an increasing height towards the low-temperature zone. Under the moving fibers are nozzles designed to supply an inert gas that passes between the threads and together with the decomposition products is discharged through channels from the furnace [1]
The disadvantages of this furnace are large heat losses per unit weight of the product due to the bulky design, which means that it consumes large amounts of energy, the furnace does not have a reserve for increasing productivity, it is possible to block the holes of the inert gas injection nozzles with resinous pyrolysis products, and the temperature regime due to the internal reserve is not provided furnaces by controlled suction of pyrolysis products and the inlet of the heated inert gas into the working area.

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.Also known is a plant for the continuous production of carbon fibers, which includes a carbonization furnace containing a housing, a muffle, a heat exchanger, heating elements, pipelines for cold and hot inert gas and pyrolysis products, a device for refueling bundles of processed material and gas locks [2]
The disadvantages of this furnace, taken as a prototype, are the difficulty in adjusting the uniform drawing of the gaseous pyrolysis products from the two sides of the furnace, which leads to non-simultaneous strength characteristics of the processed bundle; in addition, the difficulty of maintaining the required temperatures along the length of the furnace and the additional nitrogen consumption for creating curtains between the temperature zones in order to remove pyrolysis products from each zone.

Целью изобретения является создание мобильной высокопроизводительной печи карбонизации, позволяющей получить высококачественные жгуты из углеродных волокон с малыми потерями тепла на единицу веса выпускаемой продукции. The aim of the invention is the creation of a mobile high-performance carbonization furnace, which allows to obtain high-quality bundles of carbon fibers with low heat loss per unit weight of products.

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. This goal is achieved due to the fact that in a furnace containing a housing, a muffle, a heat exchanger, heating elements, pipelines for cold and hot inert gas and pyrolysis products, a device for filling harnesses of the processed material and gas closures, according to the invention, the housing is formed by a coaxially arranged set unified cylindrical modules with muffles, connected by means of movable joints, at the ends of the extremes of which are made cuts overlapped by gas shutters for entering and exiting comrade treated material.

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. At the same time, the device for refueling the harnesses is made in the form of endless strings stretched on guide rollers, the upper branch of which is located in the housing, and the lower one under it.

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. Each muffle is equipped with a graphite insert installed with a gap with graphite locking rings forming a cavity connected by pipelines of hot inert gas and gaseous pyrolysis products, while the insert is made with through pair holes, the axes of each pair are arranged to intersect in the middle of a horizontal plane passing through the slots to enter and exit the harnesses.

Кроме того, печь содержит теплообменник, соединенный с трубопроводом для отвода газообразных продуктов пиролиза. In addition, the furnace contains a heat exchanger connected to the pipeline for removal of gaseous products of pyrolysis.

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. In Fig.1, 2 shows a carbonization furnace from standardized cylindrical modules in two projections; figure 3 module, section aa; figure 4 module, section BB; in FIG. 5 module, section BB; figure 6 module, section GG; Fig.7 module, section DD; on Fig and 9 connection I, options.

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. The carbonization furnace consists of a set of unified cylindrical modules 1, assembled in a single structure mounted on a frame 2. At the inlet and outlet of the furnace, gas ends are installed on the end walls 3, 4 having slots for bundles (FIGS. 1, 4, 5, 6) shutters 5, located one above the other, through which harnesses 6 are fed into the working inner part of the furnace, the introduction of which into the furnace is carried out by the device 7 for refueling the harnesses.

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. Each module 1 contains a cylindrical housing 8, consisting of upper and lower casings 9, 10, has a cylindrical muffle 11 lying on the heat insulating substrates 12, which are mounted on the supports 13, the compensator 14 of the spatial position of the muffle. Between the housing 8 and the muffle 11, a heat-insulating layer 15 is laid (Figs. 3, 4, 5). Inside the muffle 11, a cylindrical graphite insert 17 with locking graphite rings 18 is installed with a gap 16.

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. Along the entire length of the outer surface 19 of the liner 17 in its lower part there is a flat 20, which forms with the inner surface of the muffle 11 and split graphite rings 18 a cavity 21 (Figs. 4, 5, 6), which connects with the ring recesses 22 on the liner 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). In the annular recesses 22 of the insert on the side walls there are inclined through holes 23 (Fig. 3) so that the axes of each pair of holes in the insert are crossed in the middle of horizontal planes, conditionally passing through the slots on the end walls of the modules at the inlet and outlet of the furnace. The muffle 11 and the liner 17 on the side surfaces have slots 24, 25 for outputting the pyrolysis products (figure 3), communicated with the collector 26, made in the form of a hollow half ring. The collector 26 is communicated through a pipe 27 with a heat exchanger 28 and a tar sump 29, which is closed by a cover 46. Inside the heat exchange 28 there is a spiral channel 30 (Fig. 2), in communication with pipelines 31, 32, respectively, for supplying cold inert gas (via a common pipe 33) and hot from the heat exchanger 23 to the muffle 11. Modules 1 have a common pipe 34 for removing pyrolysis products, the suction of which is regulated by a valve 35 for each module (Figs. 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. For refueling the harnesses 6 into the furnace, there is a device 7 made in the form of jets 36 forming a closed loop through a system of rollers 37, one part of which is located inside the muffle 11 and the other under the module. The strings 36 pass through the slots 45 of the end walls 3, 4 and are located on both sides of the bundles in their cavity. To compensate for thermal deformations of the furnace elements during operation of the muffle 11 and the liners 17 of the modules 1 are interconnected by movable joints (Fig. 8), sealed by extruded rings 38, or in the form of stuffing box 38 made of expanded carbon material by means of a clamping flange 39, or a device in the form bellows 40 (Fig.9). Outside the module 11, tubular heaters 41 are installed (Fig. 4), the current-supplying ends of which 42 are located in a casing 43 closed by a heat insulating cover 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). The furnace operates as follows. When the furnace is switched on, the metal muffles 11 and graphite inserts 17 are heated by means of tubular heaters 41. Through gas locks 5, which prevent oxygen from entering the working interior of the furnace, bundles 6 are fed, the refueling of which is carried out by a filling device 7, while the bundles 6 are attached to the strings 36. Such a system for introducing harnesses 6 allows you to refuel a dangling harness without stopping the furnace. After heating the furnace, cold inert gas is supplied to the common pipe 33, from where it enters the pipe 31 through which it enters the heat exchanger 28 of each module 1, passing between the walls of which along a helical path and in contact with the inner wall of the pipe 27, heated out of the working chamber of the module 1 hot gases, warms up to about the same temperature. The heated inert gas is introduced into the cavity 21, from which through the grooves 22 and the inclined openings 23 in the liner 17 it is directed in the form of jets onto the lower surface of each bundle 6. Blowing the bundles 6 with heated inert gas facilitates the intensive removal of gaseous pyrolysis products from them and prevents the resin from settling inside the liner 17. The discharge of the pyrolysis products is carried out through the side slots 24, 25 in the walls of the muffle 11 and the liner 17, the hollow manifold 26, the compensating device 14 of the position of the muffle, the suction pipe 27, sump 29, from torogo they fall into the common conduit 34, having a suction control valve 35, and sent to afterburning (not shown).

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. As the hot gaseous pyrolysis products pass through the suction line 27, they are cooled by a cold inert gas blown into the heat exchanger and the atmosphere. When cooling, tarry products are released which settle in the settling tank 29. From the settling tank 29, the tarry sediments are easily removed, for which it is necessary to unscrew the cover 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. This furnace allows you to increase productivity in proportion to the number of harnesses passed, and also, by increasing the length of the furnace through a set of modules, to improve the quality of processed harnesses, ensuring uniform blowing of them with hot inert gas and timely removal of pyrolysis products, reduce energy costs due to the small dimensions of the heated muffle and small heat losses per unit weight of products, as well as the use of exhaust gases for heating cold inert gas; and cutting them off without stopping the oven.

Claims (4)

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. 1. CARBONIZATION FURNACE FOR PRODUCTION OF CARBON FIBER MATERIALS, comprising a housing, a muffle, a heat exchanger, heating elements, pipelines for cold and hot inert gas and pyrolysis products, a device for refueling bundles of processed material and gas gates, characterized in that the furnace body is formed a set of unified cylindrical modules with muffles, connected by means of movable joints, at the ends of the extremes of which cuts are made overlapped by gas locks I input and output bundles of processed material. 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. 2. The furnace according to claim 1, characterized in that the device for refueling the harnesses is made in the form of endless strings stretched on guide rollers, the upper branch of which is located in the housing, the lower one underneath. 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. 3. The furnace according to claim 1, characterized in that each muffle is equipped with a graphite insert installed with a gap with graphite locking rings forming a cavity connected by pipelines of hot inert gas and gaseous pyrolysis products, while the insert is made with through pair openings, the axis of each pair which are arranged to intersect in the middle of a horizontal plane passing through the slots for the entry and exit of the harnesses. 4. Печь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит теплообменник, соединенный с трубопроводом для отвода газообразных продуктов пиролиза. 4. The furnace according to claim 1, characterized in that it contains a heat exchanger connected to the pipeline for removal of gaseous pyrolysis products.

Images