專利名稱：一種新型復(fù)合高溫碳化爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高溫加熱設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于高性能碳纖維的新型復(fù)合高溫碳化爐。
背景技術(shù)：
碳纖維及其復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度，高比模量，耐高溫，耐腐蝕，耐疲勞，抗蠕變，具 有導(dǎo)電功能，傳熱性好，熱膨脹系數(shù)幾乎為零等優(yōu)異性能，因而廣泛應(yīng)用于航空航天，國防 軍工及民用工業(yè)中。
聚丙烯腈基碳纖維是與國民經(jīng)濟(jì)和國家安全最為密切相關(guān)的碳纖維材料，是發(fā)展先進(jìn)武 器裝備所必需的原材料，特別是戰(zhàn)略導(dǎo)彈和殲擊機(jī)急需的高性能纖維之一，也是衛(wèi)星、航空 和航天飛行器、核能設(shè)備及隱形武器等迫切需要的結(jié)構(gòu)及功能材料的主要增強(qiáng)材料，在建筑 補(bǔ)強(qiáng)、石油工業(yè)、海洋開發(fā)、交通運(yùn)輸及體育娛樂業(yè)等民用方面用途及其廣泛，用量很大。
在碳纖維生產(chǎn)過程中，高溫設(shè)備極其關(guān)鍵。高溫碳化爐由于工作溫度高，對碳纖維的性 能影響大，綜合技術(shù)水平要求高等特點(diǎn)，是大型產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線中的關(guān)鍵之關(guān)鍵，也是制約我 國后期產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。
目前碳纖維生產(chǎn)用高溫碳化爐中，加熱元件為硅碳棒或硅鉬棒，爐膛為碳化硅或剛玉材
質(zhì)，保溫材料為耐熱無機(jī)為纖維棉，爐殼為單層碳鋼，最高使用溫度一般不超過1400'C。該 爐型結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，但爐體氣密型差，爐膛耐熱疲勞能力差，壽命短，不能滿足制備 高性能碳纖維的需求。
國內(nèi)雖有耐溫超過1300'C的高溫爐，但主要工作在真空狀態(tài)下，間歇作業(yè)，不能滿足碳 纖維連續(xù)生產(chǎn)的需求。
國外碳纖維生產(chǎn)用加熱爐主要采用大型石墨管作為加熱元件，整體石墨作為爐膛，整體 石墨板作為保溫材料，爐殼為夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)通冷卻水降溫，最高使用溫度可以達(dá)到1500'C, 但該類爐型的大型石墨體國內(nèi)很難買到，并且制備成本很高，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可滿 足碳纖維生產(chǎn)過程中高溫碳化處理的要求等優(yōu)點(diǎn)的一種新型復(fù)合高溫碳化爐。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種新型碳纖維生產(chǎn)用復(fù)合碳化爐，它的爐體為全密封形式，爐體設(shè)有夾層爐殼，內(nèi)通 冷卻水，在夾層爐殼內(nèi)為陶瓷纖維和碳纖維氈體多段復(fù)合而成的爐襯；爐襯中部設(shè)有爐膛， 爐膛為多段陶瓷和高密度石墨板組成的積木式結(jié)構(gòu)，爐膛下部為耐火保溫裝置；在爐膛上方設(shè)有陶瓷和碳電極復(fù)合的加熱裝置，爐體兩端爐口設(shè)封閉循環(huán)式迷宮密封裝置。
所述加熱裝置為加熱電極，它安裝在陶瓷支撐上，加熱電極上設(shè)有電極連接組件，加熱 電極引出端為碳/碳復(fù)合材料并與電極冷卻水套連接，電極冷卻水套與夾層爐殼連通，夾層爐 殼上設(shè)有冷卻水進(jìn)口和冷卻水出口；同時(shí)爐體的爐口密封處全部配有冷卻水套。
所述爐襯寬度不低于200mm,分為至少六個(gè)溫區(qū)爐襯前端三個(gè)溫區(qū)和末端最后一個(gè)溫 區(qū)為低溫區(qū)，最高溫度不高于130(TC,其他溫區(qū)為高溫區(qū)，最高溫度1600'C;低溫區(qū)爐膛 為無機(jī)耐熱陶瓷板組合體，所用陶瓷為碳化硅或氧化鋁或氧化鋯或硅化鉬或耐火度不低于 130(TC的無機(jī)材料板材；高溫區(qū)爐膛為石墨板或碳/碳復(fù)合材料板組合體；陶瓷板與陶瓷板之
間、陶瓷板與石墨板或碳/碳復(fù)合材料板之間，石墨板或碳/碳復(fù)合材料板與石墨板或碳/碳復(fù) 合材料板之間連接處用耐火粘結(jié)劑粘接在一起。
所述爐膛寬度不低于lOOmm,分為至少六個(gè)溫區(qū)爐膛前端三個(gè)溫區(qū)和末端最后一個(gè)溫 區(qū)為低溫區(qū)，最高使用溫度1300'C;其他溫區(qū)為高溫區(qū)，最高溫度1600'C;爐膛為無機(jī)耐 熱陶瓷板與石墨板或碳/碳復(fù)合材料板組合體的組合體，所用陶瓷為碳化硅或氧化鋁或氧化鋯 或硅化鉬或耐火度不低于1300'C的無機(jī)材料板材；陶瓷板與陶瓷板之間、陶瓷板與石墨板或 碳/碳復(fù)合材料板之間，石墨板或碳/碳復(fù)合材料板與石墨板或碳/碳復(fù)合材料板之間連接處用 耐火粘結(jié)劑粘接在一起，耐火粘結(jié)劑是無機(jī)膠或含有石墨的類似膠體。
所述加熱電極長度不低于300mm， 1300C低溫區(qū)部分電極為陶瓷電極，材質(zhì)為碳化硅或 硅化鉬；1600'C高溫區(qū)部分電極為碳電極，由多塊復(fù)合式結(jié)構(gòu)；碳電極為高密度等靜壓石墨 或高密度碳/碳復(fù)合材料，碳電極的接線端為碳纖維層壓板經(jīng)燒結(jié)而成的碳/碳復(fù)合材料，與 碳電極接觸部分或碳電極塊之間用石墨螺栓連接起來。
所述封閉循環(huán)式迷宮密封裝置包括爐體兩端爐口處的迷宮密封，它與氮?dú)庋a(bǔ)入管連接，
氮?dú)庋a(bǔ)入管與氣封風(fēng)機(jī)連接，由一個(gè)循環(huán)泵封閉高純度氮?dú)庑纬筛邏簹夥猓ㄟ^補(bǔ)充部分新 鮮氮?dú)獗ＷC氮?dú)鈿夥庑Ч?br> 本發(fā)明的有益效果是充分利用了各種耐火材料和電熱材料的最大優(yōu)勢，在滿足碳纖維
生產(chǎn)工藝要求的條件下，極大地減低了制造成本，降低了對石墨或高檔大型碳材料的技術(shù)要
求，并極大地節(jié)約了運(yùn)行過程中的氮?dú)庀摹?br>

圖1為本發(fā)明橫切剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明縱切剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1冷卻水進(jìn)口 2電極冷卻水套3爐襯4加熱電極5電極連接組件6爐膛7 碳纖維8陶瓷支撐9夾層爐殼IO冷卻水出口 11耐火磚12保溫磚13氣封風(fēng)機(jī)14 氮?dú)庋a(bǔ)入管15迷宮密封。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1、圖2中，本發(fā)明的新型碳纖維生產(chǎn)用復(fù)合碳化爐，其爐體為全密封形式，爐體設(shè) 有夾層爐殼9，在夾層爐殼9內(nèi)為陶瓷纖維和碳纖維氈體多段復(fù)合而成的爐襯3;爐體中部設(shè) 有爐膛6，爐膛6為多段陶瓷和高密度石墨板組成的積木式結(jié)構(gòu)形式，其內(nèi)放置碳纖維7;在 爐膛6上部設(shè)有陶瓷和碳電極復(fù)合使用形式的加熱裝置，加熱裝置的電極引出端為碳/碳復(fù)合 材料，爐體兩端爐口設(shè)封閉循環(huán)式迷宮密封裝置。加熱裝置為加熱電極4，它安裝在陶瓷支 撐8上，其上有電極連接組件5，加熱電極4引出端與電極冷卻水套2連接，電極冷卻水套2 與夾層爐殼9連通，夾層爐殼9上設(shè)有冷卻水進(jìn)口 l和冷卻水出口 10;同時(shí)爐體的爐口密封 處全部配有冷卻水套。爐膛6的下部的耐火保溫裝置為耐火磚11和保溫磚12。
爐襯3由陶瓷纖維和碳纖維氈體多段復(fù)合而成，爐膛6為多段陶瓷板和高密度石墨板組 成的積木式結(jié)構(gòu)形式，加熱電極4為陶瓷和碳電極復(fù)合偉用形式，電極引出端為碳/碳復(fù)合材 料。兩端爐口設(shè)封閉循環(huán)式密封裝置，它包括爐體兩端爐口處的迷宮密封15,它與氮?dú)庋a(bǔ)入 管14連接，氮?dú)庋a(bǔ)入管14與氣封風(fēng)機(jī)13連接，由一個(gè)循環(huán)泵封閉高純度氮?dú)庑纬筛邏簹夥猓?通過補(bǔ)充部分新鮮氮?dú)獗ＷC氮?dú)鈿夥庑Ч?br> 爐襯3寬度一般不低于200mra,溫區(qū)數(shù)量不低于6個(gè)，由陶瓷纖維和碳纖維氈體多段復(fù) 合而成，前端三個(gè)溫區(qū)和末端最后一個(gè)溫區(qū)為低溫區(qū)，最高溫度不高于130(TC,其他溫區(qū)為 高溫區(qū)，最高溫度1600'C,所有低溫區(qū)爐襯保溫材料從里到外依次為莫來石纖維、氧化鋯纖 維、氧化鋁纖維三層復(fù)合結(jié)構(gòu)或耐火度不低于1300'C的類似無機(jī)保溫材料組成，總厚度不低 于lOOmra;所有高溫區(qū)爐襯保溫材料從里到外依次為碳素纖維氈層壓塊組合體、莫來石纖維、 氧化鋯纖維、氧化鋁纖維四層復(fù)合結(jié)構(gòu)或耐火度不低于160(TC的類似碳材料及耐火度不低于 1300'C的無機(jī)保溫材料組成，總厚度不低于100mra。
爐膛6寬度一般不低于100mm，溫區(qū)數(shù)量不低于6個(gè)，由多段無機(jī)耐熱陶瓷和高密度石 墨板組成的積木式結(jié)構(gòu)形式組成。前端三個(gè)溫區(qū)和末端最后一個(gè)溫區(qū)為低溫區(qū)，最高使用溫 度1300X:，爐膛為無機(jī)耐熱陶瓷板組合體，所用陶瓷為碳化硅或氧化鋁或氧化鋯或硅化鉬或 耐火度不低于1300'C的類似無機(jī)材料板材；其他溫區(qū)為高溫區(qū)，最高溫度16001C,爐膛為石 墨板或碳/碳復(fù)合材料板組合體，陶瓷爐膛與陶瓷爐膛之間、陶瓷爐膛和碳爐膛之間，碳爐膛 和碳爐膛之間連接處用耐火粘結(jié)劑粘接在一起，耐火粘結(jié)劑可以是無機(jī)膠，也可以是含有石 墨的類似膠體。
加熱電極4長度不低于300mm, 1300'C溫區(qū)部分電極為陶瓷電極，材質(zhì)為碳化硅或硅化 鉬，1600'C溫區(qū)部分電極為碳電極，為多塊復(fù)合式結(jié)構(gòu)，碳電極為高密度等靜壓石墨或高密 度碳/碳復(fù)合材料，碳電極的接線端為碳纖維層壓板經(jīng)燒結(jié)而成的碳/碳復(fù)合材料，與碳電極接觸部分或碳電極塊之間用石墨螺栓連接起來。 實(shí)施例l:
利用冷軋鍍鋅鋼板加工爐體夾層爐殼9,利用碳鋼鋼管附焊在要求密封的殼體周圍，利
用硅碳棒作為低溫區(qū)發(fā)熱元件；利用2ram厚，50mm寬碳/碳復(fù)合材料板條作為支撐，內(nèi)附3 塊10mm厚，200mra長，50mm寬高密度石墨體組合而成復(fù)合材料加熱電極4，組成發(fā)熱段總長 600mm,寬度50咖的碳發(fā)熱體；利用20mm厚石墨板材，拼接成內(nèi)腔400mmX200mmX500鵬(寬 X高X長)的高溫區(qū)腔體，利用20mm厚碳化硅板材，拼接成內(nèi)腔400raraX200mmX500mm(寬X 高X長)的低溫區(qū)腔體，接縫處用無機(jī)高溫粘結(jié)劑粘接牢靠。夾層爐殼9和爐膛6間在高溫區(qū) 填充碳纖維氈層、莫萊士纖維氈層、氧化鋯纖維氈層和氧化鋁纖維氈層，夾層爐殼9和爐膛 6間在低溫區(qū)填充碳纖維氈層、莫萊士纖維氈層、氧化鋯纖維氈層和氧化鋁纖維氈層；最后 封閉爐頂，確保密閉。爐口采用流量1000立方/小時(shí)的高壓密閉循環(huán)風(fēng)機(jī)兩臺作為氣封循環(huán) 泵，分別與兩端的氮?dú)鈿夥膺B接。在所有電熱元件引出端及爐口密封出均采用耐熱橡膠封閉 圈密閉。將此爐型加工成6區(qū)控溫，溫度控制在1100'C， 1200"C， 1300X:， 150(TC, 1600'C， IIOO'C,燒制出的碳纖維強(qiáng)度超過3500 MPa ，實(shí)際應(yīng)用效果良好。 實(shí)施例2:
利用普通熱軋鋼板加工爐體夾層爐殼9,利用碳鋼鋼管附焊在要求密封的殼體周圍，利 用硅鉬棒作為低溫區(qū)發(fā)熱元件；利用3mm厚，100ram寬碳/碳復(fù)合材料板條作為支撐，內(nèi)附5 塊20mra厚，300mm長，IOO咖寬石墨體組合而成復(fù)合材料加熱電極4,組成發(fā)熱段總長1500咖， 寬度100mm的碳復(fù)合發(fā)熱體；利用30咖#石墨板材，拼接成內(nèi)腔1400mmX200mmX500咖(寬 X高X長)的高溫區(qū)腔體，利用30ram厚氧化鋁板材，拼接成內(nèi)腔1400mmX200mmX500咖(寬 X高X長)的低溫區(qū)腔體，接縫處用無機(jī)高溫粘結(jié)劑粘接牢靠。夾層爐殼9和爐膛6間在髙溫 區(qū)填充碳纖維氈層、莫萊士纖維氈層、氧化鋯纖維氈層和氧化鋁纖維氈層，爐殼和爐膛間在 低溫區(qū)填充碳纖維氈層、莫萊士纖維氈層、氧化鋯纖維氈層和氧化鋁纖維氈層；最后封閉爐 頂，確保密閉。爐口采用流量5000立方/小時(shí)的高壓密閉循環(huán)風(fēng)機(jī)兩臺作為氣封循環(huán)泵，分 別與兩端的氮?dú)鈿夥膺B接。在所有電熱元件引出端及爐口密封出均采用耐熱橡膠封閉圈密閉。 將此爐型加工成8區(qū)控溫，溫度控制在1100r, 1200", 1300"C， 140(TC, 1500匸，1600"C， 1600'C， IIOO'C,燒制出的碳纖維強(qiáng)度超過3800 MPa ，實(shí)際應(yīng)用效果良好。
權(quán)利要求
1. 一種新型碳纖維生產(chǎn)用復(fù)合碳化爐，其特征為，它有全密封式爐體，爐體設(shè)有夾層爐殼，內(nèi)通冷卻水，在夾層爐殼內(nèi)為陶瓷纖維和碳纖維氈體多段復(fù)合而成的爐襯；爐襯中部設(shè)有爐膛，爐膛為多段陶瓷和高密度石墨板組成的積木式結(jié)構(gòu)，爐膛下部為耐火保溫裝置；在爐膛上方設(shè)有陶瓷和碳電極復(fù)合的加熱裝置，爐體兩端爐口設(shè)封閉循環(huán)式迷宮密封裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型碳纖維生產(chǎn)用復(fù)合碳化爐，其特征為，所述加熱裝置為加 熱電極，它安裝在陶瓷支撐上，加熱電極上設(shè)有電極連接組件，加熱電極引出端為碳/碳復(fù)合 材料并與電極冷卻水套連接，電極冷卻水套與夾層爐殼連通，夾層爐殼上設(shè)有冷卻水進(jìn)口和 冷卻水出口；同時(shí)爐體的爐口密封處全部配有冷卻水套。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型碳纖維生產(chǎn)用復(fù)合碳化爐，其特征為，所述爐襯寬度不低 于200mra,分為至少六個(gè)溫區(qū)爐襯前端三個(gè)溫區(qū)和末端最后一個(gè)溫區(qū)為低溫區(qū)，最高溫度 不高于130(TC，其他溫區(qū)為高溫區(qū)，最高溫度1600'C;所有低溫區(qū)爐襯從里到外依次為莫 來石纖維、氧化鋯纖維、氧化鋁纖維三層復(fù)合結(jié)構(gòu)或耐火度不低于130(TC的無機(jī)保溫材料組 成，總厚度不低于lOOrara;所有高溫區(qū)爐襯從里到外依次為碳素纖維氈層壓塊組合體、莫來 石纖維、氧化鋯纖維、氧化鋁纖維四層復(fù)合結(jié)構(gòu)或耐火度不低于1600'C的碳材料或耐火度不 低于1300'C的無機(jī)保溫材料組成，總厚度不低于100mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型碳纖維生產(chǎn)用復(fù)合碳化爐，其特征為，所述爐膛寬度不低 于100mm，分為至少六個(gè)溫區(qū)爐膛前端三個(gè)溫區(qū)和末端最后一個(gè)溫區(qū)為低溫區(qū)，最高使用 溫度130CTC;其他溫區(qū)為高溫區(qū)，最高溫度1600'C;低溫區(qū)爐膛為無機(jī)耐熱陶瓷板組合體， 所用陶瓷為碳化硅或氧化鋁或氧化鋯或硅化鉬或耐火度不低于1300'C的無機(jī)材料板材；高溫 區(qū)爐膛為石墨板或碳/碳復(fù)合材料板組合體；陶瓷板與陶瓷板之間、陶瓷板與石墨板或碳/碳復(fù)合材料板之間，石墨板或碳/碳復(fù)合材料板與石墨板或碳/碳復(fù)合材料板之間連接處用耐火 粘結(jié)劑粘接在一起。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型碳纖維生產(chǎn)用復(fù)合碳化爐，其特征為，所述加熱電極長度 不低于300mm， 1300'C溫區(qū)部分電極為陶瓷電極，材質(zhì)為碳化硅或硅化鉬；1600'C溫區(qū)部分 電極為碳電極，由多塊復(fù)合式結(jié)構(gòu)；碳電極為高密度等靜壓石墨或高密度碳/碳復(fù)合材料，碳 電極的接線端為碳纖維層壓板經(jīng)燒結(jié)而成的碳/碳復(fù)合材料，與碳電極接觸部分或碳電極塊之 間用石墨螺栓連接起來。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型碳纖維生產(chǎn)用復(fù)合碳化爐，其特征為，所述封閉循環(huán)式迷 宮密封裝置包括爐體兩端爐口處的迷宮密封，它與氮?dú)庋a(bǔ)入管連接，氮?dú)庋a(bǔ)入管與氣封風(fēng)機(jī) 連接，由一個(gè)循環(huán)泵封閉高純度氮?dú)庑纬筛邏簹夥?，通過補(bǔ)充部分新鮮氮?dú)獗ＷC氮?dú)鈿夥庑?果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型復(fù)合高溫碳化爐。它具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可滿足碳纖維生產(chǎn)過程中高溫碳化處理的要求等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)為爐體為全密封形式，爐體設(shè)有夾層爐殼，內(nèi)通冷卻水；在夾層爐殼以內(nèi)為陶瓷纖維和碳纖維氈體多段復(fù)合而成的爐襯；爐體中部設(shè)有爐膛，爐膛為多段陶瓷和高密度石墨板組成的積木式結(jié)構(gòu)形式；在爐膛上部設(shè)有陶瓷和碳電極復(fù)合使用形式的加熱裝置，加熱裝置的電極引出端為碳/碳復(fù)合材料，爐體兩端爐口設(shè)封閉循環(huán)式迷宮密封裝置。
文檔編號D01F9/32GK101451279SQ20081024984
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者寬 于, 于美杰, 波 朱, 王成國, 菲 蔡, 高學(xué)平 申請人:山東大學(xué)