碳纖維生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)與應(yīng)用

葛光濤 劉奕飛

（1. 西安康本材料有限公司；2. 高性能碳纖維制造及應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心；3. 西安高新第一中學(xué)）

碳纖維生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)與應(yīng)用

葛光濤1,2劉奕飛3

（1. 西安康本材料有限公司；2. 高性能碳纖維制造及應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心；3. 西安高新第一中學(xué)）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技水平的不斷提高，國(guó)內(nèi)碳纖維制備行業(yè)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但是，如果不考慮軍工關(guān)鍵原材料國(guó)產(chǎn)化保障這一戰(zhàn)略因素，僅從市場(chǎng)現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)內(nèi)碳纖維制備行業(yè)總體上呈現(xiàn)出產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成熟度較低、理論產(chǎn)能過(guò)剩、實(shí)際產(chǎn)出低下、產(chǎn)品質(zhì)量與成本競(jìng)爭(zhēng)性差、行業(yè)經(jīng)營(yíng)整體虧損等態(tài)勢(shì)，國(guó)內(nèi)碳纖維制備行業(yè)進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)困難的發(fā)展時(shí)期。因此，實(shí)現(xiàn)從數(shù)量規(guī)模型向質(zhì)量效益型的轉(zhuǎn)變是碳纖維制備行業(yè)面臨的迫切任務(wù)?；仡櫸覈?guó)碳纖維制備行業(yè)過(guò)去幾年的發(fā)展歷程，低產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成熟度下的盲目規(guī)模擴(kuò)張是導(dǎo)致質(zhì)量成本競(jìng)爭(zhēng)性差的根本原因。雖然說(shuō)沒(méi)有規(guī)模就沒(méi)有效益，但缺乏技術(shù)支撐的規(guī)模更不可能產(chǎn)生效益。

碳纖維國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的建立，在技術(shù)層面為碳纖維行業(yè)的發(fā)展提供了參考。同時(shí)，在質(zhì)量管理體系的8項(xiàng)基本原則中，過(guò)程方法“將活動(dòng)和相關(guān)的資源作為過(guò)程進(jìn)行管理，可以更高效地得到預(yù)期的效果”。本文將以碳纖維技術(shù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)為引導(dǎo)，梳理碳纖維生產(chǎn)過(guò)程，以建立基于過(guò)程方法的碳纖維生產(chǎn)狀態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

原絲生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)

一、原材料消耗穩(wěn)定性指標(biāo)

碳纖維原絲生產(chǎn)過(guò)程一般包括聚合、紡絲、回收等3個(gè)主要工序。原材料丙烯腈主要在聚合、紡絲工序消耗和轉(zhuǎn)化，溶劑二甲基亞砜則在這3個(gè)工序中都有消耗。由于丙烯腈和二甲基亞砜是原材料成本的主要構(gòu)成，因此，這兩種原材料的批次利用率可作為生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。其它原材料由于用量較小，可略作參考。

在評(píng)價(jià)丙烯腈的利用率時(shí)，為簡(jiǎn)化和方便比較，無(wú)論是連續(xù)聚合工藝還是間歇聚合工藝，均以批次為單位，不考慮蒸餾、聚合等中間過(guò)程的轉(zhuǎn)化、利用和其它單體的消耗情況，將每一批次的原絲收絲量直接作為指標(biāo)量引入，丙烯腈的利用率計(jì)算公式如下：

丙烯腈利用率=批次收絲重量÷批次丙烯腈總重×100%

批次丙烯腈總重=丙烯腈體積×丙烯腈密度

在評(píng)價(jià)二甲基亞砜的利用率時(shí)，為簡(jiǎn)化和方便比較，也以批次為單位，不考慮3個(gè)工序各自的消耗情況，而是以蒸餾回收的最終可再次作為溶劑使用的二甲基亞砜量作為指標(biāo)量引入，其利用率計(jì)算方法如下：

二甲基亞砜利用率=回收量÷投入量×100%

丙烯腈利用率和二甲基亞砜利用率不僅可以用于評(píng)價(jià)同一企業(yè)原絲生產(chǎn)不同批次之間原材料消耗的穩(wěn)定性，還可以用于評(píng)價(jià)不同企業(yè)原材料消耗成本的相對(duì)高低。

二、原絲產(chǎn)出穩(wěn)定性指標(biāo)

不同企業(yè)由于技術(shù)設(shè)計(jì)的不同，原絲質(zhì)量指標(biāo)可能不盡相同，但相對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程而言，提高原絲的產(chǎn)出率和設(shè)計(jì)指標(biāo)的合格率則是共同努力的方向。

從生產(chǎn)的穩(wěn)定性來(lái)看，首先是與丙烯腈設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化率相關(guān)的原絲產(chǎn)出率的問(wèn)題，第二是與生產(chǎn)體系設(shè)計(jì)相關(guān)的定軸率問(wèn)題，第三則是與原絲質(zhì)量指標(biāo)相關(guān)的合格率問(wèn)題。應(yīng)該說(shuō)，沒(méi)有高產(chǎn)出率就不可能有高定軸率，沒(méi)有高定軸率就不可能有高合格率。相關(guān)指標(biāo)計(jì)算如下：

▲ 碳纖維原絲生產(chǎn)線

原絲產(chǎn)出率=批次收絲重量÷投入丙烯腈重量×設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化率×100%

原絲合格率=合格原絲重量÷批次收絲重量×100%

原絲定軸率=定軸收絲重量÷批次收絲重量×100%

定軸原絲合格率=定軸合格原絲重量÷批次收絲重量×100%

在原絲生產(chǎn)過(guò)程中，受設(shè)備、工藝過(guò)程等因素的影響，原絲產(chǎn)出率、合格率、定軸率達(dá)到100%幾乎是不可能的。定軸與否不僅是原絲生產(chǎn)穩(wěn)定與否的一個(gè)標(biāo)志，而且會(huì)影響碳化時(shí)的生產(chǎn)組織。定軸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)對(duì)定軸率會(huì)產(chǎn)生一定的影響。從碳化組織來(lái)看，也存在從啟動(dòng)到平穩(wěn)的過(guò)程，過(guò)小的定軸長(zhǎng)度反而不利于碳化時(shí)收絲率、定軸率的提高。因此，在設(shè)備與工藝允許的情況下，應(yīng)盡可能地提高定軸長(zhǎng)度。

三、能源消耗穩(wěn)定性指標(biāo)

碳纖維生產(chǎn)過(guò)程總體上是一個(gè)高能耗的過(guò)程，涉及到水、電、氣的耗用。單位產(chǎn)品能源消耗的穩(wěn)定性也可以作為生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性的標(biāo)志。當(dāng)然，受季節(jié)、環(huán)境等因素的影響，不同批次之間的能源消耗不盡相同，甚至還可能產(chǎn)生較大的差異。因此，為方便比較，對(duì)同一生產(chǎn)線而言，引入批次實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間與批次理論生產(chǎn)時(shí)間的工藝時(shí)間實(shí)現(xiàn)比來(lái)表征能源消耗的穩(wěn)定性，相關(guān)指標(biāo)計(jì)算方法如下：

工藝時(shí)間實(shí)現(xiàn)比=批次實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間÷批次理論生產(chǎn)時(shí)間×100%

工藝時(shí)間實(shí)現(xiàn)比不僅可以表征能源消耗的穩(wěn)定性，更是設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力發(fā)揮的標(biāo)志之一。每條生產(chǎn)線都有設(shè)計(jì)產(chǎn)能，對(duì)照設(shè)計(jì)產(chǎn)能，即可計(jì)算出每批次生產(chǎn)所需的時(shí)間，工藝時(shí)間實(shí)現(xiàn)比越大，說(shuō)明設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力效率發(fā)揮越低，單批次的能耗也越大，生產(chǎn)成本越高。

四、原絲生產(chǎn)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)

通過(guò)以上分析可以看出，無(wú)論是性能指標(biāo)絕對(duì)值的高低，還是生產(chǎn)線規(guī)模大小、設(shè)計(jì)能耗的高低，僅從單一生產(chǎn)線的穩(wěn)定性來(lái)講，基于原材料和能源消耗的過(guò)程數(shù)據(jù)比性能數(shù)據(jù)能夠更加真實(shí)、可靠地反映碳纖維原絲生產(chǎn)的穩(wěn)定性，將這些指標(biāo)進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，就構(gòu)成了原絲生產(chǎn)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，如表1所示。

碳化生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)

一、原材料消耗穩(wěn)定性指標(biāo)

碳化生產(chǎn)過(guò)程的原材料是原絲。碳纖維最終性能的高低，一方面受原絲品質(zhì)的影響，另一方面則與原絲性能匹配的碳化工藝設(shè)計(jì)相關(guān)。目前，關(guān)于原絲性能指標(biāo)與最終碳纖維性能之間尚缺乏量化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，只能從定性的角度來(lái)開(kāi)展一些分析，碳纖維的性能在很大程度上受碳化工藝設(shè)計(jì)的影響。碳化工藝設(shè)計(jì)得當(dāng)，在原絲性能一致的情況下，碳纖維的最終性能就可能得到較大的提高。

碳化工藝設(shè)計(jì)除了影響碳纖維性能外，還影響碳纖維的碳化收率。提高碳纖維的碳化收率一直是碳纖維生產(chǎn)工藝努力的方向。這里，將工藝條件決定的碳化收率定義為碳化產(chǎn)出率，即：

表1 原絲生產(chǎn)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

ALL ABOUT軍民融合不一樣的角度和觀點(diǎn)

張 毅，工程師，就職于湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，主要從事航天技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)固體化學(xué)氧氣發(fā)生器技術(shù)研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作，發(fā)表論文10余篇，獲得省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)1項(xiàng)。

葛光濤，高級(jí)工程師，現(xiàn)任西安康本材料有限公司纖維制備事業(yè)部部長(zhǎng)，全面負(fù)責(zé)碳纖維的研發(fā)、生產(chǎn)，發(fā)表論文10余篇，授權(quán)專利6項(xiàng)，承擔(dān)創(chuàng)新研發(fā)課題5項(xiàng)。

碳化產(chǎn)出率=單位長(zhǎng)度原絲收取的碳纖維重量÷單位長(zhǎng)度原絲重量×100%

碳纖維的碳化產(chǎn)出率與原絲性能及碳化工藝有關(guān)，表現(xiàn)為長(zhǎng)度收率和碳纖維密度的結(jié)合。碳化產(chǎn)出率更多地是一種技術(shù)定義，是技術(shù)能力高低的一種標(biāo)志。在實(shí)際生產(chǎn)中，引絲、斷絲、收尾、原絲軸長(zhǎng)，以及均勻性等因素的存在都將極大地影響原絲的利用率，因此，為了客觀地表征生產(chǎn)穩(wěn)定性，采用原絲利用率作為碳化工藝穩(wěn)定性的一個(gè)依據(jù)，即：

原絲利用率=批次生產(chǎn)收取的碳纖維重量÷批次生產(chǎn)投入的原絲重量×碳化產(chǎn)出率×100%

二、碳纖維產(chǎn)出穩(wěn)定性指標(biāo)

在碳纖維產(chǎn)出穩(wěn)定性指標(biāo)中，碳化產(chǎn)出率顯然是一個(gè)重要的指標(biāo)。在原絲性能一致的情況下，如果批次碳化之間的碳化產(chǎn)出率差別較大，那就說(shuō)明碳化的工藝穩(wěn)定性存在明顯的問(wèn)題。

碳纖維的性能指標(biāo)較多，不同的企業(yè)可能對(duì)不同的指標(biāo)確定了不同的合格范圍。但不管這些指標(biāo)如何制定，對(duì)于任何指標(biāo)，均存在合格率的問(wèn)題，碳化過(guò)程碳纖維合格率的定義如下：

碳纖維合格率=批次收取的合格碳纖維重量÷批次收取的碳纖維重量×100%

作為商品化的產(chǎn)品，單位包裝的規(guī)格重量應(yīng)當(dāng)一致，以單位包裝的規(guī)格重量為標(biāo)準(zhǔn)，定義定軸率如下：

碳纖維定軸率=批次收取的定軸碳纖維重量÷批次收取的碳纖維重量×100%

相應(yīng)的定軸合格率定義如下：

定軸碳纖維合格率=批次收取的定軸合格碳纖維重量÷批次收取的碳纖維重量×100%

與原絲相同，定軸長(zhǎng)度或重量設(shè)計(jì)對(duì)定軸率會(huì)產(chǎn)生影響?？紤]到國(guó)際碳纖維行業(yè)的一般包裝，建議將3K碳纖維的定軸長(zhǎng)度控制在10000m，12K碳纖維的定軸長(zhǎng)度控制在5000m。

三、能源消耗穩(wěn)定性指標(biāo)

參照原絲生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)，引入實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間與理論生產(chǎn)時(shí)間的工藝時(shí)間實(shí)現(xiàn)比來(lái)表征碳化過(guò)程中能源消耗的穩(wěn)定性，指標(biāo)計(jì)算如下：

工藝時(shí)間實(shí)現(xiàn)比=批次實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間÷批次理論生產(chǎn)時(shí)間×100%

四、碳化生產(chǎn)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)

▲ 碳纖維碳化生產(chǎn)線

表2 碳化生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

將上述指標(biāo)進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，構(gòu)成碳化生產(chǎn)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，如表2所示。

碳纖維生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的應(yīng)用

通過(guò)以上分析，建立了基于碳纖維生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)過(guò)程的生產(chǎn)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。從中可以看出，任何一條生產(chǎn)線，無(wú)論規(guī)模大小，生產(chǎn)的產(chǎn)品性能高低，實(shí)際產(chǎn)品的成本如何，該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系都可以作為自我評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)使用，有助于提高單一生產(chǎn)線的技術(shù)和生產(chǎn)成熟度認(rèn)知。對(duì)同樣規(guī)模的不同生產(chǎn)線，通過(guò)上述指標(biāo)體系的應(yīng)用比較，也能夠作為水平高低、相對(duì)成本大小的參考。

上述兩個(gè)指標(biāo)體系既可以獨(dú)立使用，也可以聯(lián)合使用。比如，要想知道原材料的綜合利用率，就可以利用丙烯腈利用率和原絲利用率的乘積來(lái)表示，這樣，就能夠?qū)φ麄€(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的原材料利用情況有一個(gè)大致的了解。

沒(méi)有穩(wěn)定的生產(chǎn)就不可能有穩(wěn)定的產(chǎn)品。對(duì)國(guó)內(nèi)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)而言，通過(guò)對(duì)上述指標(biāo)的關(guān)注和應(yīng)用，分析生產(chǎn)過(guò)程中的影響因素并采取針對(duì)性的改進(jìn)措施，就能夠不斷提高碳纖維的生產(chǎn)穩(wěn)定性和性能穩(wěn)定性，并最終提高企業(yè)的技術(shù)水平與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。