淺談聚酰亞胺纖維牽伸爐的設(shè)計(jì)

陳 斌，陳 桃，王 祥

（1. 江蘇奧神新材料股份有限公司，江蘇連云港 222023；2. 江蘇蘇豪傳媒有限公司，江蘇南京 210012）

聚酰亞胺纖維屬于新興的高新技術(shù)材料，其中重要的牽伸工序是聚酰亞胺纖維成型的重要環(huán)節(jié)。聚酰亞胺的初生纖維只有在牽伸后才能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，纖維才能獲得更優(yōu)的物理性能。國內(nèi)目前還沒有成型的可產(chǎn)業(yè)化的牽伸設(shè)備，必須進(jìn)行自主研發(fā)，牽伸爐的設(shè)計(jì)是否合理直接影響纖維的性能及產(chǎn)業(yè)化。另外，由于聚酰亞胺纖維使用的溶劑具有易燃易爆性[1-3]，所以爐腔內(nèi)的氣體流場分布要求均勻，在爐腔內(nèi)無死角，揮發(fā)出來的溶劑氣體要在極短時(shí)間內(nèi)被抽出。如果用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，有相當(dāng)大的不安全性，而使用計(jì)算機(jī)模擬軟件CFX 進(jìn)行數(shù)值模擬，便可以實(shí)現(xiàn)牽伸爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 材料的選型

由于聚酰亞胺纖維的初生絲中仍含有8%的二甲基乙酰胺，而二甲基乙酰胺（DMAC)具有一定的腐蝕性，材料上選為Cr18Ni9 材質(zhì)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

聚酰亞胺纖維牽伸工藝要求見表1。

表1 聚酰亞胺纖維牽伸工藝要求

2.1 牽伸爐內(nèi)尺寸的計(jì)算

根據(jù)工藝條件中牽伸時(shí)間需要1min，初步設(shè)計(jì)的牽伸速度為10m/min，所以爐子的長度最低為10m，考慮爐口兩端的散熱性，所以爐長設(shè)計(jì)為12m。根據(jù)工藝條件設(shè)定，初生絲旦數(shù)為300 萬旦，平鋪后絲束的寬度約為0.8m，厚度為5mm，考慮到操作性，爐口高度可設(shè)計(jì)為10cm，爐口的寬度為1.2 m。

2.2 抽風(fēng)的方式設(shè)計(jì)及流場分析

在牽伸爐的設(shè)計(jì)中，爐內(nèi)的流場至關(guān)重要，直接影響絲束的牽伸效果以及溶劑是否被及時(shí)抽出。因此，抽風(fēng)方式一般采取2 種：一是兩端爐口進(jìn)風(fēng)，單側(cè)抽風(fēng)；二是兩端爐口進(jìn)風(fēng)，兩側(cè)抽風(fēng)。

兩種吹風(fēng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)可通過流體模擬軟件CFX 進(jìn)行數(shù)值仿真模擬。

2.2.1 兩端爐口進(jìn)風(fēng)，單側(cè)抽風(fēng)的流場分布圖

從圖1 中可以清楚地觀察到，單側(cè)抽風(fēng)形成的流場情況，在爐腔中間位置形成了死角，此處的氣體流動性非常小，纖維中釋放出的溶劑將不能被及時(shí)地帶走，在爐腔內(nèi)易產(chǎn)生積聚現(xiàn)象，極易產(chǎn)生著火或有爆炸風(fēng)險(xiǎn)。因此，單側(cè)抽風(fēng)無法保證工藝要求。

圖1 單側(cè)抽風(fēng)的流場分布圖

2.2.2 兩端爐口進(jìn)風(fēng)，兩側(cè)抽風(fēng)的流場分布圖

圖2 為兩側(cè)抽風(fēng)的流場分布圖。

圖2 兩側(cè)抽風(fēng)的流場分布圖

圖2 的流場圖中，可以觀察到兩側(cè)抽風(fēng)形成的流場分布均勻，基本無死角，溶劑能夠被有效抽到爐外，完全滿足工藝要求，唯一缺點(diǎn)為保證風(fēng)速，需增大風(fēng)機(jī)功率。

3 加熱方式

化纖加熱的方式有直接加熱和間接加熱。直接加熱的種類一般有電阻加熱、電磁加熱和紅外線加熱；間接加熱采取加熱熱媒介質(zhì)到一定溫度，經(jīng)過強(qiáng)制循環(huán)到散熱器的加熱方式，雖然間接加熱的控制溫度誤差較小，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工成本較高，而直接加熱方式，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于維護(hù)。由于工藝要求溫度為（350±10）℃，直接加熱的方式基本可以滿足需要，考慮到經(jīng)濟(jì)性，選擇電阻式加熱方式較為經(jīng)濟(jì)可靠。

4 熱平衡計(jì)算

確定了牽伸爐的結(jié)構(gòu)尺寸、進(jìn)回風(fēng)方式以及加熱方式，下面對牽伸爐進(jìn)行熱平衡計(jì)算，計(jì)算步驟為牽伸爐開車升溫所需的熱量以及正常生產(chǎn)時(shí)所要求的熱量，兩者所需的熱量進(jìn)行對比，取最大值。

4.1 升溫時(shí)所需的熱量計(jì)算

正常升溫時(shí)，所需的熱量由以下因素決定：升溫的時(shí)間、爐表面散失的熱量、保溫材料所需的熱量，爐口與外界對流消耗的熱量，爐內(nèi)空氣所需的熱量，把以上熱量加起來，即可得到牽伸爐升溫時(shí)，所需的熱量。

4.2 正常生產(chǎn)時(shí)所需要的熱量

正常生產(chǎn)時(shí)，所需要的熱量由以下因素決定：絲束從室溫上升到工藝溫度所需要的熱量、絲束內(nèi)溶劑揮發(fā)所需要的熱量、爐體表面散失的熱量，絲束運(yùn)動帶走的熱量、爐口與外界對流消耗的熱量、爐內(nèi)補(bǔ)充的冷空氣所需的熱量，以上熱量相加，就是牽伸爐正常生產(chǎn)時(shí)所需的熱量。

5 絕熱厚度計(jì)算

根據(jù)工藝溫度要求，牽伸爐的保溫材料采取硅酸鋁棉板，厚度由以下公式計(jì)算：

δ：保溫層厚度；PE：能量價(jià)格；λ：平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)；t：年運(yùn)行時(shí)間；To：設(shè)備外表面溫度；Ta：環(huán)境溫度；PT：絕熱結(jié)構(gòu)的單位造價(jià)；S：絕熱工程投資貸款分?jǐn)偮?；ac：放熱系數(shù)。

6 風(fēng)機(jī)選型及溶劑的回收

6.1 風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)工藝已經(jīng)確定了牽伸爐的結(jié)構(gòu)、吹風(fēng)方式及加熱方式，可以計(jì)算風(fēng)機(jī)的風(fēng)量及風(fēng)壓。已知工藝條件：300萬旦的絲束含有約8%的溶劑，在有效長度內(nèi)，需要3s 內(nèi)抽出，即可以計(jì)算出所需要的風(fēng)量，具體計(jì)算公式如下：

Q：風(fēng)機(jī)風(fēng)量；V：風(fēng)速；F：風(fēng)道橫截面面積。

6.2 溶劑的回收

已知聚酰亞胺纖維采用的溶劑為二甲基乙酰胺（DMAC），根據(jù)溶劑的特性，采取冷凝方式進(jìn)行回收。二甲基乙酰胺的露點(diǎn)為48℃，冷凝器要把氣體由350℃冷卻到48℃，需要進(jìn)行4～5 級冷凝。冷凝器的迎風(fēng)面積計(jì)算需根據(jù)冷凝氣體量并要求通過冷凝器的風(fēng)速小于2m/s，確定了冷凝器的迎風(fēng)面積后，就可以通過熱交換公式計(jì)算出換熱器的換熱面積。

7 結(jié)語

本課題介紹了聚酰亞胺纖維牽伸爐的材質(zhì)選用，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件CFX 進(jìn)行了牽伸爐的流場分析，確定了抽風(fēng)方式，介紹了加熱方式、熱平衡的計(jì)算因素以及保溫材質(zhì)的選用，風(fēng)機(jī)的選型及溶劑的回收。由于聚酰亞胺纖維的牽伸工段屬于高能耗，在節(jié)能降耗的要求下，牽伸爐的設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步優(yōu)化。