一种提高预氧化炉温场均匀性的装置
技术领域
本实用新型属于碳纤维生产制造技术领域，具体涉及一种提高预氧化炉温场均匀性的装置。
背景技术
碳纤维问世于上世纪50年代，它除具有一般碳材料的各种优良的性能外，还具有相当高的比强度和比模量，是优良的先进复合材料的增强体。其研制和应用获得了迅速的发展，在宇宙飞船、人造卫星、航天飞机、导弹、原子能、航空以及一般民用工业部门得到了广泛的应用。目前，碳纤维生产原料有三种：黏胶纤维、沥青纤维和聚丙烯腈(PAN)纤维。以PAN作为原料制得碳纤维，因其产品力学性能良好、生产工艺简单以及碳化收率高，得到大力发展，成为当前碳纤维工业的主流。
目前工业化生产操作是使PAN原丝首先通过具有180-300℃温度梯度的空气氧化炉进行预氧化，再对预氧化纤维在高纯氮气中进行最高温度为1400-1600℃的碳化。如果将预氧化纤维直接进行1000℃以上的温度的碳化处理，强烈的热冲击会造成纤维结构的破坏。为了避免这种损害，在高温碳化之前，对预氧化纤维先进行300-900℃的中低温碳化热处理，统称为低温碳化。在预氧化过程中，特别是在初始阶段，要对纤维施加适当的牵伸以抑制PAN大分子的收缩，维持PAN大分子链对纤维轴向的取向。同时，随着预氧化温度的升高，纤维内部首先在无定形区、继而在有序区发生PAN大分子的环化、脱氢和氧化等复杂化学反应，释放出大量的热，最终形成沿轴向取向的、刚性的、稳定的梯形高分子量聚合物结构，从而使纤维具有了在高温碳化时不熔不燃、继续保持纤维形态的能力。
预氧化炉种类较多，按照进风方式可以分为三种：侧吹风式、垂直吹风式、中央到两端吹风式。每种氧化炉都有各自的利弊，侧吹风式氧化炉与丝束垂直，有利于将化学反应小分子和热量瞬间带走，但是当炉体较宽时炉膛内进出口端有一定风速差和温差；垂直吹风式氧化炉从顶部吹风，保证了丝束表面风速均匀性，但当炉内丝道有多层丝束且丝束间隙减小时，热风难以从丝束间通过，导致反应小分子及热量不容易带走；中央到两端吹风式氧化炉较上述两种，既可以保证丝束表面风速均匀性又可以瞬间带走热量，预氧化效率得到了提高，但是造价较贵。
各类预氧化炉两端均具有通过丝束的出入口，在氧化炉工作时，由于炉体内部正压环境，因此无论何种形式氧化炉均不可避免会通过丝束的出入口向车间排放废气。热的气体从氧化炉顶部的丝进出口溢出，而外界气体由氧化炉底部进入炉内，并且气体导致氧化炉内温度不均匀；且进入炉体的冷工艺气体和纤维反应生成的热气体换热后，反应生成气体在丝辊、炉体、纤维上产生焦油，因此需要定期去除焦油，对碳纤维生产造成一定的损失。
由于现有技术中的碳纤维生产的预氧化炉中会存在温度不均匀的情况，会导致外部冷气体进入炉内、内部高温热气体不必要地排出炉外；进入炉体的冷工艺气体和纤维反应生成的热气体换热后，反应生成气体在丝辊、炉体、纤维上产生焦油，因此需要定期去除焦油，对碳纤维生产造成一定的损失；氧化炉均不可避免会通过丝束的出入口向车间排放废气等技术问题，因此本实用新型研究设计出一种提高预氧化炉温场均匀性的装置。
实用新型内容
因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的碳纤维生产的预氧化炉中存在温度不均匀的情况的缺陷，从而提供一种提高预氧化炉温场均匀性的装置。
本实用新型提供一种提高预氧化炉温场均匀性的装置，其包括：
炉体，所述炉体具有外炉门和内炉门，所述内炉门位于所述炉体的内部，所述内炉门的内侧形成为炉腔；还包括第一连通管路，所述第一连通管路的一端连通所述炉腔的上部空间，所述第一连通管路的另一端连通至所述炉腔的下部空间，所述第一连通管路上还设置有第一风机。
优选地，
所述内炉门和所述外炉门之间形成为中部空腔，还包括能够将所述中部空腔的上部空间与所述中部空腔的下部空间连通的多个连通管路，且在所述多个连通管路上设置有第二风机。
优选地，
所述中部空腔中设置有中段密封单元，以将所述中部空腔分为第一空腔和第二空腔，所述第一空腔位于所述外炉门和所述中段密封单元之间，所述第二空腔位于所述内炉门和所述中段密封单元之间，所述中段密封单元能够对所述第一空腔和所述第二空腔之间形成密封。
优选地，
所述多个连通管路包括与所述第一空腔的上部连通的第一管路和与所述第一空腔的下部连通的第二管路；和/或，所述多个连通管路还包括与所述第二空腔的上部连通的第三管路和与所述第二空腔的下部连通的第四管路；
所述多个连通管路还包括第五管路，所述第五管路连通在所述第一管路和所述第二管路之间，和/或，所述第五管路连通在所述第三管路和所述第四管路之间，所述第二风机设置于所述第五管路上。
优选地，
还包括第六管路，所述第六管路将所述第二管路与所述第一连通管路之间进行连通，和/或所述第六管路将所述第四管路与所述第一连通管路之间进行连通；所述第六管路上设置有通断阀。
优选地，
还包括设置在所述第五管路和所述第二管路之间并与所述第二风机并联的第七管路，所述第七管路与所述第二管路连接的位置设置有第一三通阀；和/或还包括设置在所述第五管路和所述第四管路之间并与所述第二风机并联的第八管路，所述第八管路与所述第四管路连接的位置设置有第二三通阀。
优选地，
所述中段密封单元为能够从所述第二空腔中进行抽气的中段气锁单元，所述第三管路还与所述中段密封单元的上部部分连通，所述第四管路还与所述中段密封单元的下部部分连通。
优选地，
还包括设置在所述第一空腔内并靠近所述外炉门设置的外密封单元，所述外密封单元为能够从所述第一空腔中进行抽气的外气锁单元，所述第一管路还与所述外密封单元的上部部分连通，所述第二管路还与所述外密封单元的下部部分连通。
优选地，
还包括设置在所述第二空腔内并靠近所述内炉门设置的内密封单元，所述内密封单元为能够从所述第二空腔中进行抽气的内气锁单元，所述第三管路还与所述内密封单元连通。
优选地，
当包括中段气锁单元时，所述中段气锁单元为沿竖直方向上下排布的多个，且所述第三管路分别与位于上部的多个所述中段气锁单元分别连通；所述第四管路与位于下部的多个所述中段气锁单元分别连通；
当包括外气锁单元时，所述外气锁单元为沿竖直方向上下排布的多个，且所述第一管路分别与位于上部的多个所述外气锁单元分别连通；所述第二管路与位于下部的多个所述外气锁单元分别连通。
所述内气锁单元为沿竖直方向上下排布的多个，且所述第三管路与多个所述内气锁单元分别连通。
本实用新型提供的一种提高预氧化炉温场均匀性的装置具有如下有益效果：
1.本实用新型通过设置第一连通管路、以将炉腔中的上部空间和下部空间进行连通，并且配合第一风机，能够将炉腔中上部分的高温高压的气体有效导入至下部分，并与炉腔下部分的低温低压的气体之间进行混合，从而有效地保证了炉腔中尤其是上下部分之间温差的均匀性以及压力场的均匀性，防止了外部冷气体进入炉腔内，也防止了高温热气体排出炉外，避免和防止了进入炉体的冷工艺气体和纤维反应生成的热气体换热后，反应生成气体在丝辊、炉体、纤维上产生焦油的情况，不需定期去除焦油，提高碳纤维生产质量；且有效避免和防止通过丝束的出入口向车间排放废气；
2.本实用新型还通过在内炉门和外炉门之间的中部空腔设置多个连通管路、以连接中部空腔的上部空间和下部空间，并且配合第二风机，也能够将该中部空腔中的上部分高温高压气体导入至下部的低温低压气体中，并进行混合，使得该中部空腔中的气体温度场更为均匀以及压力更为均匀，进一步防止外部冷气体进入炉腔内，也防止了高温热气体排出炉外，避免冷工艺气体和纤维反应生成的热气体换热在丝辊、炉体、纤维上产生焦油的情况，提高碳纤维生产质量；且有效避免和防止通过丝束的出入口向车间排放废气；
3.本实用新型还通过设置中段密封单元能够将中部空腔进行密封分隔，并且使用中段气锁单元能够抽取第二空腔中的气体并使得第三管路还与中段气锁单元上部连通、第四管路还与中段气锁单元下部分连通，从而进一步地对第二空腔中上部气体进行抽吸并导入至第二空腔下部，使得第二空腔中的气体温度场和压力场分布更加均匀；
并且通过使用外密封单元并且优选为外气锁单元，能够抽取第一空腔中的气体并使得第一管路还与外气锁单元上部连通、第二管路还与外气锁单元下部分连通，从而进一步地对第一空腔中上部气体进行抽吸并导入至第一空腔下部，使得第一空腔中的气体温度场和压力场分布更加均匀；
并且通过使用内密封单元并且优选为内气锁单元，能够抽取第二空腔中的气体并使得第三管路还与内气锁单元连通，从而进一步地对第二空腔中上部气体进行抽吸并通过第五管路和第四管路并导入至第二空腔下部，使得第二空腔中的气体温度场和压力场分布更加均匀；
4.本实用新型还通过设置与第二风机并联的第七管路、第八管路，以及第一和第二三通阀，并且结合第六管路的设置，能够将外炉门和内炉门之间的中部空腔中的上部气体和下部气体共同抽吸(全部抽吸)至主循环管路(与炉腔连通的第一连通管路)中，也能有效地保证中部空腔中温度场和压力场的均匀性，提高纤维预氧化的均匀度，提升了纤维成品的强度和模量。
附图说明
图1是本实用新型的提高预氧化炉温场均匀性的装置的结构示意图。
图中附图标记表示为：
1、外炉门；2、外密封单元；3、中段气锁架；4、中段密封单元；5、内密封单元；6、内炉门；7、保温层；8、炉腔；9、第一风机；10、通断阀；11、第一三通阀；12、第二三通阀；13、第二风机；14、第一空腔；15、第二空腔；100、第一连通管路；101、第一管路；102、第二管路；103、第三管路；104、第四管路；105、第五管路；106、第六管路；107、第七管路；108、第八管路。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型提供一种提高预氧化炉温场均匀性的装置，其包括：炉体，所述炉体具有外炉门1和内炉门6，所述内炉门6位于所述炉体的内部，所述内炉门6的内侧形成为炉腔8；还包括第一连通管路100，所述第一连通管路100的一端连通所述炉腔8的上部空间，所述第一连通管路100的另一端连通至所述炉腔8的下部空间，所述第一连通管路100上还设置有第一风机9。
通过设置第一连通管路、以将炉腔中的上部空间和下部空间进行连通，并且配合第一风机，能够将炉腔中上部分的高温高压的气体有效导入至下部分，并与炉腔下部分的低温低压的气体之间进行混合，从而有效地保证了炉腔中尤其是上下部分之间温差的均匀性以及压力场的均匀性，进一步防止了外部冷气体进入炉腔内，也防止了高温热气体排出炉外，避免和防止了进入炉体的冷工艺气体和纤维反应生成的热气体换热后，反应生成气体在丝辊、炉体、纤维上产生焦油的情况，不需定期去除焦油，提高碳纤维生产质量；且有效避免和防止通过丝束的出入口向车间排放废气。
优选地，
所述内炉门6和所述外炉门1之间形成为中部空腔，还包括能够将所述中部空腔的上部空间与所述中部空腔的下部空间连通的多个连通管路，且在所述多个连通管路上设置有第二风机13。还通过在内炉门和外炉门之间的中部空腔设置多个连通管路、以连接中部空腔的上部空间和下部空间，并且配合第二风机，也能够将该中部空腔中的上部分高温高压气体导入至下部的低温低压气体中，并进行混合，使得该中部空腔中的气体温度场更为均匀以及压力更为均匀，进一步防止外部冷气体进入炉腔内，也防止了高温热气体排出炉外，避免冷工艺气体和纤维反应生成的热气体换热在丝辊、炉体、纤维上产生焦油的情况，提高碳纤维生产质量；且有效避免和防止通过丝束的出入口向车间排放废气。
优选地，
所述中部空腔中设置有中段密封单元4，将所述中部空腔分为第一空腔14和第二空腔15，所述第一空腔14位于所述外炉门1和所述中段密封单元4之间，所述第二空腔15位于所述内炉门6和所述中段密封单元4之间，所述中段密封单元4能够对所述第一空腔14和所述第二空腔15之间形成密封。通过设置中段密封单元能够对中部空腔形成有效密封分隔成两个空腔，并且针对两个不同的空腔进行分别的气体引导作用，使得中部空腔形成细分，对每个细分的空腔进行温场均匀性的控制，每个空腔的温场均匀性效果更好。
优选地，
所述多个连通管路包括与所述第一空腔14的上部连通的第一管路101和与所述第一空腔14的下部连通的第二管路102；和/或，所述多个连通管路还包括与所述第二空腔15的上部连通的第三管路103和与所述第二空腔15的下部连通的第四管路104；
所述多个连通管路还包括第五管路105，所述第五管路105连通在所述第一管路101和所述第二管路102之间，和/或，所述第五管路105连通在所述第三管路103和所述第四管路104之间，所述第二风机13设置于所述第五管路105上。
这是本实用新型的实现气体导流的优选结构形式，通过第一管路将第一空腔上部气体进行抽出、并经过第五管路的导流，通过第二管路导入至第一空腔的下部，实现气体的上下部混合，提高第一空腔温场均匀性，同样地，通过第三管路将第二空腔上部气体进行抽出、并经过第五管路的导流，通过第四管路导入至第二空腔的下部，实现气体的上下部混合，提高第二空腔温场均匀性。
优选地，
还包括第六管路106，所述第六管路106将所述第二管路102与所述第一连通管路100之间进行连通，和/或所述第六管路106将所述第四管路104与所述第一连通管路100之间进行连通；所述第六管路106上设置有通断阀10。通过第六管路的设置能够实现主循环管路(与炉腔连通的第一连通管路)与气锁循环管路(与中部空腔连通的多个管路)之间的导通作用，从而在需求时将内外炉门之间的中部空腔的上下部的气体均抽走而导入至炉腔中，从而也能实现炉腔以及中部空腔各自内部的气体温度场的均匀性和压力场的均匀性。
优选地，
还包括设置在所述第五管路105和所述第二管路102之间并与所述第二风机13并联的第七管路107，所述第七管路107与所述第二管路102连接的位置设置有第一三通阀11；和/或还包括设置在所述第五管路105和所述第四管路104之间并与所述第二风机13并联的第八管路108，所述第八管路108与所述第四管路104连接的位置设置有第二三通阀12。
还通过设置与第二风机并联的第七管路、第八管路，以及第一和第二三通阀，并且结合第六管路的设置，能够将外炉门和内炉门之间的中部空腔中的上部气体和下部气体共同抽吸(全部抽吸)至主循环管路(与炉腔连通的第一连通管路)中，也能有效地保证中部空腔中温度场和压力场的均匀性，提高纤维预氧化的均匀度，提升了纤维成品的强度和模量。
优选地，
所述中段密封单元4为能够从所述第二空腔15中进行抽气的中段气锁单元，所述第三管路103还与所述中段密封单元4的上部部分连通，所述第四管路104还与所述中段密封单元4的下部部分连通。
通过使用能够对第二空腔进行抽气的中段气锁单元能够抽取第二空腔中的气体并使得第三管路还与中段气锁单元上部连通、第四管路还与中段气锁单元下部分连通，从而进一步地对第二空腔中上部气体进行抽吸并导入至第二空腔下部，使得第二空腔中的气体温度场和压力场分布更加均匀。
优选地，
还包括设置在所述第一空腔14内并靠近所述外炉门1设置的外密封单元2，所述外密封单元2为能够从所述第一空腔14中进行抽气的外气锁单元，所述第一管路101还与所述外密封单元2的上部部分连通，所述第二管路102还与所述外密封单元2的下部部分连通。
通过使用外密封单元并且优选为外气锁单元，能够抽取第一空腔中的气体并使得第一管路还与外气锁单元上部连通、第二管路还与外气锁单元下部分连通，从而进一步地对第一空腔中上部气体进行抽吸并导入至第一空腔下部，使得第一空腔中的气体温度场和压力场分布更加均匀。
优选地，
还包括设置在所述第二空腔15内并靠近所述内炉门6设置的内密封单元5，所述内密封单元5为能够从所述第二空腔15中进行抽气的内气锁单元，所述第三管路103还与所述内密封单元5连通。通过使用内密封单元优选为内气锁单元，能够抽取第二空腔中的气体并使得第三管路还与内气锁单元连通，从而进一步地对第二空腔中上部气体进行抽吸并通过第五管路和第四管路并导入至第二空腔下部，使得第二空腔中的气体温度场和压力场分布更加均匀。
优选地，
当包括中段气锁单元时，所述中段气锁单元为沿竖直方向上下排布的多个，且所述第三管路103分别与位于上部的多个所述中段气锁单元分别连通；所述第四管路104与位于下部的多个所述中段气锁单元分别连通；
当包括外气锁单元时，所述外气锁单元为沿竖直方向上下排布的多个，且所述第一管路101分别与位于上部的多个所述外气锁单元分别连通；所述第二管路102与位于下部的多个所述外气锁单元分别连通；
所述内气锁单元为沿竖直方向上下排布的多个，且所述第三管路103与多个所述内气锁单元分别连通。
这是本发明的中段气锁单元、外气锁单元以及内气锁单元各自的优选结构形式，通过设置为分体的多个气锁单元的结构形式，能够对高度方向进行分段式抽吸气体以及产生气体密封的作用，实现局部范围内的抽吸和密封效果，从而在整个空腔能够实现抽吸作用的均匀性和密封作用的均匀性，提高空腔内部气体温度场的均匀性。
本实用新型针对现有技术的不足，提出了一种提高预氧化炉温度场均匀性的装置，防止热风从炉口溢出，冷风进入炉口，保证炉体内温度的均匀性和含氧量的多少，满足不同类型氧化炉的空气密封要求，提高了纤维预氧化的均匀度，提升了纤维成品的强度和模量。
本实用新型通过一种提高预氧化炉温度场均匀性的装置，其包括氧化炉体，炉体内隔热门、炉体外隔热门；空气气封设备包括外炉门气锁单元、中段气锁单元、内炉门气锁单元组成；炉体连接有循环风机实现氧化炉从上到下的吹风结构。
实施例为垂直吹风式氧化炉，预氧化炉包括炉腔8，炉腔8连接有第一风机9的循环管路，实现了垂直吹风。炉腔8外面是炉体的保温层7。炉体保温外面是隔热的内炉门6。空气气封设备包括内密封单元5(优选内炉门气锁单元)、中段密封单元4(优选中段气锁单元)、中段气锁架3(用于支撑中段气锁单元)、外密封单元2(优选外炉门气锁单元)，最外侧是隔热的外炉门1。空气气封设备管路包括连接第二风机13的气锁管路，气锁管路上连接第一三通阀11和第二三通阀12，还有通断阀10实现气锁管路和循环管路的联通。空气气封设备还含有测定气体的压力表，实现压力的精确控制。
氧化炉运行过程中，如不设气封，在炉内压的作用下，炉口上半部分大量出气，下半部分大量进气，炉内压差越大，进出气现象越明显。气封设备包括连接的第二风机(优选气锁风机)、三通阀门、通断阀10(优选通断蝶阀)。
实施例1，关闭通断阀10，打开连接第一三通阀11的a、b和第二三通阀12的a、b实现方案一就是将上部逸出炉外的气体提前收集，并将这部分气体通过管路送入炉口下部。压力表上下压差控制在10Pa以内。形成一定的局部高压，保证炉外气体进不了炉内，这样便形成了一路独立的气封循环，且不额外耗能，起到保证炉内恒温段的目的，提高氧化炉温场均匀性。
实施例2，打开通断阀10，打开连接第一三通阀11的a、c和第二三通阀12的a、c实现方案二上部和下部的气体全部抽走进入主循环管路。压力表上下压差控制在10Pa以内。这样也可以实现独立的气封循环，起到保证炉内恒温段的目的，提高氧化炉温场均匀性，节能效果显著。
所诉预氧化炉为侧吹风式氧化炉、垂直吹风式氧化炉、中央到两端吹风式氧化炉。所述循环管路设有循环风机，气气体气封设备管路设有气锁风机。所述风机均为变频器控制。所述三通阀门、通断蝶阀均为手动控制，操作维护简单。
本实用新型的有益效果是：
通过不同气锁管路的切换实现满足不同类型氧化炉的空气密封要求，提高纤维预氧化的均匀度，提升了纤维成品的强度和模量。通过三通阀门和通断蝶阀的开关可以实现气锁设备两张运行方式的切换，降低氧化炉区域内部温差，提高预氧化炉温场均匀性，保证了预氧化纤维质量提高了生产效率，切本装置结构简单，成本低。
减小了废气从丝束的进出口溢出，减少了反应生成气体在丝辊、炉体、纤维上产生的焦油，提高了生产线的运行效率，提高了碳纤维的质量，降低了生产成本。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。
