先進(jìn)的碳纖維生產(chǎn)用氧化爐

V. K?hler

Eisenmann熱能技術(shù)公司(德國(guó))

與許多其他市場(chǎng)類(lèi)似，碳纖維(CF)生產(chǎn)商也希望在擴(kuò)大業(yè)務(wù)的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本并維持或提高產(chǎn)品質(zhì)量。為使CF更適合大批量應(yīng)用，需提高客戶生產(chǎn)設(shè)備的效率。交貨時(shí)間短和設(shè)備易于安裝是促使碳纖維制造商快速和經(jīng)濟(jì)高效地發(fā)展業(yè)務(wù)的重要因素。

氧化過(guò)程是CF生產(chǎn)線中要求最嚴(yán)苛的環(huán)節(jié)，目前其設(shè)備在CF生產(chǎn)線中的占地空間最大，耗能最多。對(duì)氧化爐的性能要求是CF生產(chǎn)線中最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)，氧化爐應(yīng)可在整個(gè)絲束帶寬度內(nèi)均勻地氧化產(chǎn)品。在降低生產(chǎn)成本時(shí)，所有這些方面都需考慮到。

1 氧化爐氣流系統(tǒng)

目前市場(chǎng)上使用的經(jīng)驗(yàn)證的氧化爐系統(tǒng)有兩種不同的類(lèi)型。這兩種系統(tǒng)的主要區(qū)別在于它們的氣流系統(tǒng)是垂直流動(dòng)還是平行流動(dòng)的。垂直向下氣流模式主要應(yīng)用于小型絲束[24 K(24 000 根)或更小)的加工，而中心到末端(CTE)系統(tǒng)主要提供與纖維平行流動(dòng)的氣流，適用于所有類(lèi)型絲束。因此，CTE熱箱是當(dāng)今市場(chǎng)上最受歡迎的氧化爐系統(tǒng)。

工業(yè)級(jí)CF(通常是重型或大型絲束)的需求不斷增長(zhǎng)，這將成為未來(lái)對(duì)平行流動(dòng)系統(tǒng)需求的驅(qū)動(dòng)力。盡管CTE系統(tǒng)采用的是先進(jìn)的技術(shù)，但其也存在一項(xiàng)缺陷：CTE熱箱的處理室中間為一個(gè)中央氣室，空氣由此分配至熱箱室。在此區(qū)域，纖維可能會(huì)接觸氣室，從而難以實(shí)現(xiàn)均勻的空氣供應(yīng)，這將導(dǎo)致低氣流區(qū)域的出現(xiàn)。

2 端到端氧化爐

Eisenmann公司的端到端(E2E)氧化爐是為克服CTE熱箱的缺點(diǎn)而建立的一種新型熱箱系統(tǒng)。全尺寸生產(chǎn)規(guī)模的E2E氧化爐的絲束加工寬度為3 000 mm，加熱長(zhǎng)度為13 m，有11道間隔。目前，已通過(guò)全面的測(cè)試驗(yàn)證了其性能可達(dá)到或超過(guò)行業(yè)要求。

圖1 Eisenmann技術(shù)中心的E2E氧化爐

E2E氧化爐(圖1)采用的是目前最先進(jìn)的技術(shù)，其具有如下優(yōu)勢(shì)：

——在消除了中央氣室的同時(shí)，可提供均勻的平行氣流；

——消除了任何低氣流區(qū)域；

——提供新的訪問(wèn)權(quán)限并改進(jìn)了維護(hù)；

——占地面積很??；

——運(yùn)營(yíng)成本低；

——比CTE系統(tǒng)所需的資本投資少。

采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件模擬研究了兩個(gè)靠近纖維的平行流動(dòng)系統(tǒng)的工藝情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 CFD模擬——平行氣流傳熱纖維

在經(jīng)模擬模型的驗(yàn)證后，又進(jìn)行了數(shù)次模擬運(yùn)行，以研究熱箱區(qū)溫度、纖維入口溫度、纖維傳輸速度和停留時(shí)間的影響，并計(jì)算分析從纖維中釋放出的熱量及再循環(huán)空氣的速度。

平行氣流系統(tǒng)中，在處理長(zhǎng)度上易形成邊界層，這將影響由纖維到再循環(huán)空氣的熱傳遞。其結(jié)果是，纖維溫度會(huì)隨著處理長(zhǎng)度的增加而升高。研究表明，CTE熱箱中的纖維溫度比E2E系統(tǒng)中的纖維溫度上升更快。造成這種情況的根本原因是在CTE系統(tǒng)的中央氣室處出現(xiàn)有低氣流區(qū)域。

通過(guò)測(cè)量整個(gè)處理室中氣流的流速均勻性，可以證實(shí)，E2E氧化爐系統(tǒng)具有在整個(gè)絲束范圍內(nèi)提供均勻性能的能力。由于最新的CTE系統(tǒng)已可實(shí)現(xiàn)為工業(yè)和航空航天級(jí)碳纖維提供非常好的性能，因此，E2E系統(tǒng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是達(dá)到類(lèi)似的性能。

研究結(jié)果表明，E2E系統(tǒng)優(yōu)于CTE系統(tǒng)，其在整個(gè)處理室中的氣流流速均勻性提高約15%，且系統(tǒng)中沒(méi)有出現(xiàn)低氣流區(qū)域，尤其是中心位置處。E2E系統(tǒng)非常適合加工工業(yè)級(jí)和航空航天用碳纖維。

3 結(jié)語(yǔ)

先進(jìn)的E2E氧化爐具有操作方便、便于維護(hù)、占地面積小、投資成本較低和性能好等優(yōu)點(diǎn)。這使得碳纖維制造商可高效而可靠地運(yùn)行工藝，進(jìn)而使得碳纖維可承受起更大批量的應(yīng)用，且與其他材料相比，更具成本競(jìng)爭(zhēng)力。