碳纤维高温石墨化炉及材料选用

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1、碳纤维高温石墨化炉及材料选用刘咏梅,李铁忠,刘晓宁,王维新(辽宁天维纺织研究建筑设计有限公司,辽宁沈阳110016)摘要:介绍了生产碳纤维的高温石墨化炉体材料的选用要求。说明了采用合适的炉体材料可节约能源,提高效率。关键词:化学纤维;碳纤维;高温石墨化炉;结构;材料;选用中图分类号:TQ342.742文献标识码:A文章编号:100522054(2009)02200462031前言碳纤维是由聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经氧化、炭化等过程制得的含碳量为90%以上的纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维是一种

2、纤维状炭材料,其最大特点就在于它的弹性模量高,高弹性模量碳纤维的抗变形能力要比钢大2倍多,比铝合金高5～6倍。碳纤维的比重不到钢的1/4,铝的1/2。尽管碳纤维质量轻,但它强度高,有很高的“比强度”(比强度=材料的强度极限÷材料的密度),它的比强度是钢的5倍。材料的比强度愈高,则构件自重愈小,比模量愈高,则构件的刚度愈大,这已预示了碳纤维在工程上的广阔应用前景。2高温石墨化炉碳纤维石墨化处理的主要目的是引起纤维石墨化晶体取向,以提高碳纤维的弹性模量。生产碳纤维是在高温密封的石墨化炉内进行的。炉两端用高纯氩气气封。发热体为石

3、墨材料,石墨管既是高温炉的炉管又是发热元件,加热温度一般在2500℃～2800℃。使用密封装置保护石墨管不被氧化非常关键。密封方法有水密封、水银密封、保护气体正压密封等。为了防止微量的氢氰酸逸出,可在出口处外加电热装置令其分解。微量氧气混入,不仅对碳纤维有所损坏,还会大大缩短石墨管寿命。石墨化炉用炭毡、炭黑或刚玉作保温隔热材料。石墨化炉启动前,要预先抽真空并反复用高纯氩冲洗,尽可能排除石墨管和保温材料中吸附的氧气,因为在2000℃以上的高温下,碳很容易和氧反应使纤维断裂和缩短炉管寿命。炭材料的石墨化是在2200℃～3000

4、℃高温下进行的,工业上只有通过电加热才能实现,一般采用通电电阻加热或感应加热。电阻加热是由水冷电极直接作用在石墨管上,通过电流的热效应使石墨管发热。感应加热是通过感应电流产生的磁力线集中在石墨管上,由电磁的感应作用产生涡旋电流,将石墨管加热。另外,也可利用碳纤维本身导电的性能直接发热。直接发热的方法既可解决高温材质问题,又可大大地节约能源,是先进石墨化炉所追寻的目标和研究方向。资料记载,如采用管式石墨化炉制取碳纤维,需电能300kW·h;采用直接通电方法制取同样数量和性能的产品,仅耗电018kW·h,但现今在工业化应用上仍

5、有一定的困难。石墨化炉最大的热损失是石墨化炉向周围散失的热量,特别是炉子加热后期。这部分散热所占比例相当大,通电后期输入的电功率只有一小部分用于提高炉管温度,大部分消耗于向炉子周围散失的热量。由此可适当增加炉子上部和侧部保温层厚度,采用热导率较低的保温材料,提高石墨化通电上升功率,使炉芯温度尽快达到所需要的最高温度,减收稿日期:2009202225作者简介:刘咏梅(1961-),女,沈阳市人,1983年毕业于大连轻工业学院(现大连工业大学),现主要从事科技开发工作。2009年(总第72期)刘咏梅,等:碳纤维高温石墨化炉及材

6、料选用47少石墨化炉的散热。211石墨化炉炉体碳纤维石墨化炉壳体是由普通碳素钢板卷制而成,壳体内使用特种耐火材料作保温材料,一般由耐热层、隔热层和保护层组成。石墨化炉的寿命取决于耐火材料的性质。为了保证炉子的气密性,耐火衬里的内表面必须砌筑得圆而光滑,否则影响衬里的气密性,又不耐气流冲刷。此外,炉上还留有测温孔、测压孔等。石墨化炉使用时,要非常注意受急冷、急热的温度变化,当停产检修时,如炉子不能用煤气或其它热源保温,则必须将炉体前后堵严,防止炉子受急冷而炸裂。防止金属物进入炉内接触刚玉炉衬,因为金属和刚玉材料生成低熔点共熔

7、物,降低了耐火度,使炉体局部烧熔。冷却水套要设计合理,防止因局部过热而烧坏,避免水进入炉内而使炉体炸坏。另外,炭黑填充料不得受潮。石墨化炉必须加罩,烟气应进行处理符合标准后才能排放。212石墨化炉测温石墨化炉的准确测温是尚未解决的难题,其原因是由于石墨化炉环境的复杂性,还没有找到合适的热电偶来测量如此高的石墨化温度(2200℃～3000℃)。目前,石墨化炉温控制主要通过“开始功率”、“上升功率”和全炉计划消耗电量进行间接控制。采用以下方式进行炉温大概测定:1600℃以下可用铂铑2铂或铂铑2铂铑热电偶测定;1600℃以上可用

8、光学高温计或光电高温计测定,一般最大量程可达3200℃。由于石墨化炉内烟气较多,测温时需要采取相应的措施,如采用空心石墨管作为测温孔道、用氮气或氩气吹扫烟气和对测温仪器的某些部件进行水冷却保护等。3炉体发热材料高温石墨化炉是高模量碳纤维及石墨纤维生产线上的关键设备,为提高石墨化炉的使用寿命,石墨发热体的