УСТАНОВКА КАРБОНИЗАЦИИ ВОЛОКНИСТЫХ ВИСКОЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НИТЕЙ
INSTALLATION OF CARBONISATION OF FIBRE VISCOSE MATERIALS FOR OBTAINING COMPOSITE CARBON FILAMENTS

Предлагаемое изобретение относится к химической технологии, а именно к устройствам для получения углеродных волокнистых материалов в виде нитей, жгутов, лент, тканей, войлоков и т.п. путем термохимической обработки вискозных волокнистых материалов для получения комбинированных углеродных нитей.
Данное техническое предложение наилучшим образом может быть использовано по прямому назначению для изготовления углеродных волокнистых материалов. Кроме того, предлагаемое устройство может быть также применено для сушки волокнистых материалов из химических, полимерных и углеродных волокон, в том числе пропитанных полимерными связующими при получении препрегов, изготовлении наждачных бумаг и тканей и др.
Изготавливаемые углеродные волокнистые материалы находят применение в качестве армирующих наполнителей композитов с полимерной, углеродной, керамической и металлической матрицами различного назначения, а также теплоизоляции высокотемпературного термического оборудования, гибких и жестких электронагревателей, электродов электролитических процессов, высокотемпературных фильтров агрессивных газов, жидкостей и расплавов, в производстве спортивных изделий, в медицине.
Известен агрегат тепловой обработки волокнистого материала из гидратцеллюлозных волокнистых материалов при получении углеродных волокнистых материалов [1]. Агрегат содержит корпус с зонными нагревателями. Внутри корпуса установлена графитовая щелевидная камера, имеющая на входе и выходе затворы и патрубки для отсоса отработанных газообразных продуктов и подачи инертного газа. Под камерой расположено устройство предварительной обработки в виде короба с расположенными по центру по всей длине зонными нагревателями, и имеющее на входе и в средней части патрубки для выбросов продуктов. От входа корпуса рабочей камеры на расстоянии 60-75% всей ее длины установлено обогреваемое устройство для сжигания газообразных продуктов пиролиза. При этом графитовая щелевидная камера выполнена из графитовых плит, уложенных в поперечном направлении с зазором между каждой плитой, составляющим 0,2-0,3 толщины плиты.
Агрегат-аналог, описанный выше, имеет конструкционные недостатки, которые ухудшают процесс карбонизации гидратцеллюлозных волокон и качество получаемых карбонизованных волокон.
Во-первых, вход и выход исходного материала в устройство для предварительной обработки устроены в одном месте. Поэтому обработка материала в данном устройстве осуществляется в две «ветви», не изолированные друг от друга. В результате при движении нижней ветви от входа до новоротного ролика материал подсушивается, а при движении в обратном направлении верхняя ветвь материала адсорбирует влагу и летучие продукты предварительной обработки и материал поступают в камеру карбонизации во влажном состоянии, то есть эффект от такой предварительной обработки сводится к минимуму.
Во-вторых, устройство для удаления летучих продуктов из камеры карбонизации выполнено в виде трубы, вваренной в корпус посередине камеры карбонизации. Такое размещение выпускного отверстия вынуждает летучие продукты, выделяющиеся при низких температурах, перемещаться в зону более высоких температур, и поэтому они взаимодействуют с карбонизуемым материалом при высоких температурах. Химическая активность низкотемпературных летучих увеличивается с возрастанием температуры, результаты их взаимодействия ухудшают качество карбонизуемого материала. Кроме того, летучие продукты карбонизации, выделяющиеся из материала при более высоких температурах и максимальной температуре обработки, вынуждены перемещаться в зону средних температур карбонизации, в которой размещено устройство для удаления летучих из камеры, и взаимодействовать с материалом, температура которого ниже температуры летучих продуктов, конденсируясь на поверхности материала. Образующийся при этом на поверхности материала тонкий слой конденсата перемещается в более высокотемпературные зоны и вторично карбонизуется с образованием на поверхности материала слоя кокса, который повышает жесткость и, следовательно, снижает качество карбонизованного материала.
В-третьих, щелевидные камеры карбонизации и предварительной обработки в агрегате по аналогу снабжены очень узкими щелями для прохождения обрабатываемого материала, которые, как предполагается, должны увеличить скорость летучих продуктов пиролиза относительно карбонизуемого материала, однако увеличение скорости не устраняет взаимодействия летучих продуктов с карбонизуемым материалом, но усиливает интенсивность их взаимодействия за счет возрастания удельного количества летучих, контактирующих с материалом. В результате снижаются показатели свойств получаемого карбонизованного материала.
Оформление выпускного устройства в виде трубы, сечение которой значительно меньше сечения щелевого канала для транспортирования карбонизуемого материала, затрудняет эвакуацию летучих продуктов из камеры карбонизации и увеличивает длительность их контакта с внутренними поверхностями камеры и, следовательно, количество образующегося конденсата, а также вероятность его каплепадения на карбонизуемый материал, что приводит к образованию прогаров и браку карбонизованного материала.
Оформление аспирационных устройств для отсоса летучих продуктов на входе и выходе материала из камеры карбонизации, которые размещены в необогреваемых местах снаружи камеры, создает предпосылки для конденсации летучих продуктов, проникающих из камеры наружу через герметизирующие устройства, которые выполнены в виде прижимных вращающихся роликов, перекрывающих сечения входа и выхода материала; эффективность которых недостаточна для герметизации входных и выходных отверстий камеры карбонизации. Помимо выхода летучих, имеется большая вероятность проникновения воздуха через эти отверстия в камеру карбонизации, что также является отрицательным фактором при формировании свойств карбонизованного материала.
Известна установка для непрерывной карбонизации ткани [2], состоящая из корпуса, в котором заключена камера карбонизации. Торцевые стенки камеры и перегородки, разделяющие камеру на температурные зоны, снабжены щелевидными отверстиями для транспортирования карбонизируемой ткани. Ввод и вывод ткани из камеры оборудованы уплотнительными коробками-затворами для предотвращения выхода летучих из камеры. Перекрытие проема в зазоре, через который транспортируется ткань, осуществляется надувной манжетой, контактирующей с тканью с минимальным трением. В затворе обеспечивается комнатная температура.
Стенки камеры карбонизации выполнены из графитовых плит, внутри нее размещены нагревательные элементы. Снаружи вблизи входа и выхода встроены патрубки для подачи азота, а посередине - патрубок для удаления из камеры газообразных продуктов пиролиза.
По конструкции данная установка наиболее близка предлагаемой установке, поэтому принята в качестве прототипа.
Установка по прототипу имеет конструкционные недостатки, характерные для описанного аналога, а также обладает и другими дополнительными недостатками. Камера карбонизации изготовлена из графитовых плит. Графит обладает низкой термоокислительной стойкостью, подвержен окислению при температуре начиная с 250°C, а также хрупкостью и низкой прочностью. При эксплуатации установки имеют место частые остановы для замены вышедших из строя графитовых деталей.
Манжеты уплотнительных затворов [3] выполнены из эластичного материала, не выдерживающего высоких температур, до которых нагрет карбонизованный материал, выходящий из камеры нагрева. Поэтому в затворе необходимо обеспечивать комнатную температуру.
Цель изобретения - устранение указанных недостатков и повышение качества производимого карбонизированного материала за счет усовершенствования конструкции установки карбонизации.
Поставленная цель достигается за счет того, что в установке для изготовления карбонизованных волокнистых материалов из вискозных волокон, включающей корпус и помещенную в него камеру карбонизации, торцевые стенки которых снабжены щелевыми отверстиями для ввода исходного и вывода карбонизированного материалов и уплотнительными затворами, а также электронагревательными элементами, патрубками для подачи инертного газа и вывода газообразных продуктов пиролиза, согласно предлагаемому изобретению корпус с камерой установлен наклонно под углом 10-15° к горизонтальной плоскости, отверстие для ввода исходного материала устроено в нижнем торце; камера помещена в дополнительный кожух, верхняя стенка которого отстоит от верхней стенки камеры на расстоянии 100-150 мм, снабжена поперечной щелью, протяженной во всю ширину верхней стенки камеры, и сообщается с патрубком пирамидальной формы для удаления летучих, встроенным вблизи выходного торца корпуса установки и снабженным обогревом; при этом теплоизоляция установки размещена между стенками корпуса и кожуха, нагреватели размещены снаружи камеры, причем с нижней стенкой они находятся в непосредственном контакте, а по отношению к верхней стенке крепятся с возможным переменным зазором, а камера выполнена составной из отдельных секций, изготовленных из жаропрочного и коррозионно-стойкого углеродкерамического композиционного материала, герметично сочлененных между собой через размещенную между ними теплоизоляционную прокладку, внутри камеры секции одна от другой отделены гибкими перегородками в виде шторок, перекрывающими сечение канала для транспортирования материала; дополнительно верхняя стенка камеры снабжена перфорацией, к тому же манжеты, перекрывающие проем между крышкой и днищем корпуса уплотнительных затворов, выполнены в виде чехла из гибкого высокотермостойкого углеродного волокнистого материала, заполненного углеродным войлоком, закреплены на крышке, шарнирно сочлененной с днищем корпуса, а между манжетами встроены штуцеры подачи инертного газа в закрытом (рабочем) положении затвора, создающего в нем давление, незначительно превышающее давление газовой среды в установке.
Размещение корпуса установки с камерой наклонно под углом 10-15°, ввод исходного материала в отверстие нижнего торца корпуса, а также наличие объемной полости между верхней стенкой камеры и верхней стенкой кожуха, ширина которой равна ширине верхней стенки камеры и которая сообщается посредством широкой выходной щели с обогреваемым патрубком пирамидальной формы, в комплексе обеспечивают выход летучих продуктов из камеры за счет естественной конвекции, выделяющихся как из нижних низкотемпературных зон нагрева, так и из верхних высокотемпературных зон.
Размещение нагревателей снаружи камеры карбонизации в непосредственном контакте с нижней стенкой улучшает теплопередачу в зоны нагрева, ограниченные секциями, а крепление верхних нагревателей на различном расстоянии над верхней стенкой обеспечивает необходимые условия оптимизации режима эвакуации летучих без каплепадения конденсата, а также теплового режима карбонизации в целом.
Размещение теплоизоляции установки между стенками корпуса и кожуха устраняет образование охлажденных поверхностей и предотвращает образование конденсата на пути эвакуации летучих продуктов и отработанных газов.
Выполнение камеры карбонизации составной из отдельных секций, сочлененных между собой через теплоизоляционную прокладку, предотвращает перетекание тепла от более нагретой секции к секции с меньше температурой за счет прямой кондуктивной теплопередачи, обеспечивая создание оптимального теплового режима карбонизации вискозного волокнистого материала регулированием температуры зон нагрева.
Изготовление отдельных секций камеры из жаропрочного коррозионно-стойкого композиционного материала, каким являются углеродкерамические композиты, позволяет выполнить очень тонкую перфорацию в верхней стенке камеры и обеспечить длительную и стабильную ее работу в условиях повышенных температур и агрессивной газовой среды, включающей органические и неорганические продукты пиролиза, а также возможные нагрузки и удары в процессе эксплуатации. Хрупкость, которая свойственна графиту, зачастую приводит к поломке перфорированной верхней стенки, если она изготовлена из графита.
Снабжение верхней плиты перфорацией в сочетании с отделением одной зоны нагрева от другой посредством гибких перегородок между секциями, перекрывающих канал для транспортирования карбонизуемого материала, создает самые благоприятные условия для удаления летучих продуктов из той зоны нагрева, в которой они выделились, устраняет возможность проникновения летучих из одной зоны в другую и тем самым предотвращает взаимодействие летучих продуктов и материала с различающимися температурами нагрева. Проникновение летучих продуктов из полости эвакуации между стенками камеры и кожуха в камеру карбонизации предотвращается перфорированной верхней стенкой, через отверстия перфорации которой вытекают струи отходящих летучих продуктов пиролиза с давлением, несколько превышающем давление газовой среды в полости эвакуации летучих. Проведение термообработки вискозного волокнистого материала в условиях селективного удаления летучих из зоны реакции пиролиза и минимальной длительности их взаимодействия с материалом в момент выделения из реагирующей системы - один из главных технологических факторов повышения качества получаемого карбонизованного материала.
Уплотнение ввода и вывода материала из камеры путем изготовления манжет из жаростойких углеродных волокнистых материалов (углеродной ткани) обеспечивает решение проблемы термостойкости уплотнительных затворов, снижение нагрузки на транспортируемый через затвор материал и общее усилие трения, создаваемого манжетами, благодаря очень низкому коэффициенту трения углеродной ткани, повышение надежности герметизации рабочей зоны установки за счет пневмосопротивления, создаваемого манжетой и вводимым в затвор нейтральным газом, что вносит весомый вклад в повышение стабильности процесса карбонизации и качества получаемого карбонизованного материала.
На фиг.1 схематично представлена конструкция предлагаемой установки для изготовления карбонизованных волокнистых материалов из вискозных волокон в продольном сечении; на фиг.2 - сечение по А-А на фиг.1; на фиг.3 - уплотнительный затвор в продольном сечении.
Установка состоит из следующих основных узлов: корпуса 1, выполненного из листовой стали, помещенной в него камеры 2 карбонизации, изготовленной составной из секций 3 из углеродкерамического композита; корпус 1 с камерой 2 установлены на станине 4 наклонно, под углом 10° к горизонтальной плоскости; камера 2 и кожух 5 коробчатой формы изготовлены из листовой стали с таким размером по высоте, что верхняя стенка кожуха 5 отстоит от верхней стенки камеры 2 на расстоянии 100-150 мм. Пространство между верхней стенкой камеры 2 и верхней стенкой кожуха 5 представляет полость 6, в которую выделяют газообразные продукты пиролиза вискозного волокнистого материала. Полость 6 сообщается с поперечной пирамидальной щелью 7 длиной во всю ширину верхней стенки камеры 2. Форма щели 7 более отчетливо представлена на фиг.2. Щель 7 находится в теплоизолированном патрубке 8, который снабжен электрообогревом 9. Теплоизоляция 10 установки размещена в зазоре между корпусом 1 и кожухом 5. Верхние стенки секций 3 камеры карбонизации 2 снабжены перфорацией, отверстия 11 которой выполнены с диаметром 3-5 мм и расстоянием между отверстиями 2-3 мм.
Между верхними и нижними стенками секций 3 камеры 2 выполнены щелевидные каналы 12. При стыковке секций 3 щелевидные каналы 12 образуют рабочую (реакционную) зону камеры 2 карбонизации, через которую непрерывно протягивается карбонизуемый вискозный волокнистый материал 13 при помощи приводного механизма (не показан). По торцам корпуса 1 выполнены щелевые отверстия 14 для ввода исходного вискозного материала в камеру 2 карбонизации (нижний торец корпуса) и вывода карбонизованного материала (верхний торец корпуса). Щели 14 в корпусе 1 выполнены напротив щелевидного канала 12, при этом зазор между торцами секций 3 и торцевыми стенками корпуса 1 уплотнен при помощи прокладок 15.
Щели 14 для ввода и вывода материала 13 из камеры 2 снабжены уплотнительными затворами 16, конструкция которых более подробно представлена на фиг.3. Секции 3 для образования камеры 2 карбонизации герметично состыковываются друг с другом через уплотнительные теплоизолирующие прокладки 17. Количество секций 3 может быть различным в зависимости от конкретного теплового режима карбонизации. Зоны нагрева, каждая из которых ограничивается секцией 3, отделяются друг от друга гибкими шторками 18, пневмосопротивление которых превышает пневмосопротивление перфорированной верхней стенки секций 3 и всей камеры 2. Поэтому летучие продукты, выделяющиеся из карбонизуемого материала, покидают реакционную зону камеры 2 карбонизации через отверстия 11 перфорации верхней стенки камеры 2, но не перемещаются вдоль реакционной зоны из одной зоны нагрева в другую зону нагрева, тем самым обеспечивается принцип селективного удаления летучих продуктов пиролиза, заключающегося в удалении летучих из той зоны нагрева, в которой они образовались, не допуская их взаимодействия с материалом, который находится в другой температурной зоне.
Внутри реакционной зоны камеры 2 расположены валки 19 для направления и облегчения протяжки материала и предотвращения его травмирования от соприкосновения с нижней стенкой секций 3 при транспортировании. Электронагреватели 20 размещены снаружи камеры 2 карбонизации так, что нижний ряд нагревателей находится в непосредственном контакте с нижней стенкой секций 3, а верхний ряд нагревателей имеет возможность быть закрепленным над верхней стенкой на различном расстоянии от нее, в зависимости от реально устанавливаемого в процессе изготовления карбонизованного материала теплового режима карбонизации и эвакуации летучих продуктов. Патрубок 8 удаления летучих продуктов карбонизации встроен в корпус 1 над зоной максимальной температуры карбонизации, причем увеличение температуры нагрева в зонах осуществляется в направлении транспортирования материала 13 при карбонизации (обозначен стрелкой направления движения).
На фиг.3 изображен продольный разрез уплотнительного затвора 16. Затвор 16 состоит из днища 21, крышки 22, которая крепится с днищем на шарнире 29, манжет 23, которых может быть несколько, но не менее двух. На фиг.3 изображен вариант конструкции затвора 16 с двумя манжетами. Манжеты 23 выполнены в виде чехла 24 из нескольких слоев углеродной ткани, который заполнен углеродным войлоком 25. Манжеты 23 прижимают карбонизуемый материал 13 к днищу 21. Материал 13 может транспортироваться через затвор в любом направлении (по стрелке А) в зависимости от места присоединения затвора 16 к корпусу 1 (на входе или на выходе). Через патрубок 28, встроенный в крышке 22 затвора, в полость между манжетами 23 подается инертный газ. Затвор 16 посредством фланца 27 крепится к корпусу 1 установки в месте впускного и выпускного щелевых отверстий 14.
Процесс карбонизации вискозного волокнистого материала на предлагаемой установке проводится следующим образом.
Заправочный конец вискозного волокнистого материала, подготовленного к карбонизации, подшивается к материалу-протяжке из стекло- или базальтового волокна. Рулон с вискозным материалом устанавливается в выдающее устройство (не показано). При открытых крышках 22 материал-протяжка с помощью специальных инструментов (не показаны) протягивается через каналы 12 реакционной зоны камеры карбонизации 2 и заправляется в приемный механизм (не показан) на выходе из установки. Крышки 22 опускаются и фиксируются, в штуцер 28 уплотнительного затвора 16 подается инертный газ. На электронагреватели 11 и 9 подается напряжение и устанавливается заданная температура нагрева по зонам, включается транспортирующий механизм и установка считается выведенной на заданный режим карбонизации. Летучие продукты пиролиза проходят через отверстия 11 перфорации в верхней стенке камеры карбонизации 2, попадают в полость 6, по которой перемещаются к щели 7 патрубка 8 посредством естественной конвекции, и улавливаются зонтом вытяжной вентиляции. Летучие продукты на выходе из патрубка 8 способны к самовоспламенению. Для обеспечения более полного сгорания летучих может быть применено устройство для дожига.
При завершении процесса карбонизации к концу карбонизуемого материала подшивается материал-протяжка, который остается в рабочей зоне камеры 2
Источники информации
1. Патент RU 2005829 D06C 7/00, опубликован 15.01.1992 (аналог).
2. Патент RU 2257429 D01F 9/16, опубликован 10.06.2003 (прототип).
3. Патент RU 2249635 D01F 9/133, опубликован 20.01.2004 (прототип).