ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПРОХОДНАЯ ЭЛЕКТРОПЕЧЬ ДЛЯ ГРАФИТАЦИИ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА В ЗАЩИТНОЙ СРЕДЕ ИНЕРТНОГО ГАЗА
HIGH-TEMPERATURE THROUGH-TYPE ELECTRIC FURNACE FOR CARBON FIBER GRAPHITATION IN INERT GAS PROTECTIVE MEDIUM

Изобретение относится к средствам производства углеродных материалов, а именно к муфельным электропечам, и может использоваться для графитации углеродсодержащих материалов.
Известна печь для термической обработки углеродсодержащих материалов, описанная в одноименном патенте РФ №2158401 по кл. F27B 5/00, 7/06, заявл. 14.01.2000, опубл. 27.10.2000.
Известная печь содержит корпус, внутри которого расположены цилиндрическая реторта, нагревательные элементы, огнеупорная изоляция, загрузочные и выгрузочные устройства, а также патрубки для ввода и вывода газообразных реагентов, при этом реторта выполнена с соотношением ее диаметра и длины, равным 1:10-18, спиралей с соотношением диаметров проволоки и спирали как 1:6-10, расположением спирали на расстоянии от реторты, равном 3-5 диаметрам витка, и имеется вытяжной вентилятор, сообщающийся с патрубком выхода газообразных продуктов.
Недостатком является сложность изготовления реторты. Кроме того, ее невозможно использовать для термообработки углеродсодержащих нитей.
Известна электропечь для обжига углеродсодержащих материалов, описанная в одноименном а.с. СССР №1578424 по кл. F27B 5/02, заявл. 16.04.87, опубл. 15.07.90.
Известная электропечь содержит герметичную нагревательную камеру, разделенную на два отсека: шлюзовой (передний) с входным и выходным отверстиями и муфельный с регулируемым по сечению входным отверстием, и снабженную нагревателями, размещенными с наружной стороны камеры, теплоизолирующей крышкой, патрубком для подвода защитного газа, установленный с зазором относительно камеры контейнер, выполненный в виде муфеля с отверстием, крышкой, патрубком для удаления продуктов реакции, и нейтрализатор, размещенный за пределами электропечи и соединенный с полостью муфеля посредством патрубка для удаления продуктов реакции с устройством для регулирования его проходного сечения.
Недостаток - сложность конструкции и невозможность использования ее для графитации углеродсодержащих волокнистых материалов.
Наиболее близкой к заявляемой печи по назначению и технической сущности является протяжная электропечь для графитации углеродного волокна, описанная в книге О.С.Гурвича и др. «Высокотемпературные электропечи с графитовыми элементами», М., «Энергия», 1974 г., стр.47-49.
Известная электропечь содержит камеру нагрева с кожухом, в которой размещен нагреватель с токоподводом, выполненный из графита, размоточное устройство с обрабатываемым материалом, горизонтальное щелевидное рабочее пространство печи для движения по нему обрабатываемого материала, намоточное устройство для обработанного материала. Камера футерована изнутри теплоизолирующими пенококсовыми блоками. При этом камера нагрева печи имеет прямоугольную форму, стенки ее охлаждаются водой. На верхнем торце печи предусмотрена съемная крышка во всю площадь верхней стенки корпуса для монтажа и демонтажа графитового нагревателя, имеющего зигзагообразную форму, выполненного из отдельных частей, скрепленных болтами, и жестко закрепленного на вертикальных цилиндрических выводах с помощью болтов. На крышке смонтированы два смотровых окна с поворотными стеклами для замера температуры на концах нагревателей. На двух вертикальных торцах печи имеются регулируемые по высоте металлические губки, расположенные против щелевых отверстий в теплоизоляции и образующие входное и выходное отверстия для термообрабатываемого материала. Предусмотренное ручное перемещение губок позволяет проводить заправку обрабатываемого материала в холодную печь при их раздвигании, а максимальное сближение губок в рабочем режиме обеспечивает минимально возможный расход защитного газа, чему способствуют также специальная форма внутренних поверхностей губок и наличие защитных шторок из стеклоткани на боковых и торцевых сторонах губок, образующих газовый затвор.
Известная электропечь имеет ряд недостатков, одним из которых является то, что для замены нагревателя, который служит не более 2-х суток, приходится ждать остывания печи, после чего разбирать изоляцию печи почти до ее середины, что занимает порядка 5 суток, чтобы затем извлечь жестко закрепленный нагреватель, что неудобно в эксплуатации и снижает производительность электропечи. Кроме того, при прохождении обрабатываемого материала по рабочему пространству электропечи проходит значительное время до ее разогрева до необходимой температуры, и протянутый через него, но не прокаленный до необходимой температуры обрабатываемый материал уходит в брак. Жесткое крепление нагревателя болтами к цилиндрическим выводам при нагревании вызывает термические напряжения в нагревателе, что ускоряет его разрушение. Из-за выполнения корпуса электропечи в виде прямоугольной коробки он подвергается значительным короблениям, вызываемым термическими напряжениями, что отрицательно влияет на его работоспособность.
Задачей заявляемого изобретения является повышение удобства эксплуатации электропечи при повышении ее производительности и долговечности.
Поставленная задача достигается тем, что в высокотемпературной проходной электропечи для графитации углеродного волокна в защитной среде инертного газа, снабженной прибором контроля температуры, размоточно-намоточными устройствами и содержащей корпус со щелевыми отверстиями в торцевых стенках для входа и выхода обрабатываемого материла с установленными на наружных поверхностях стенок газовыми затворами для предотвращения попадания кислорода в рабочее пространство, размещенным внутри корпуса в муфеле нагревателем с токоподводами, теплоизоляцией снаружи муфеля, отверстиями на поверхностях корпуса для монтажа и демонтажа муфеля и нагревателя, закрепленного горизонтально в рабочем пространстве печи, согласно изобретению корпус печи выполнен цилиндрическим, нагреватель размещен в муфеле таким образом, что одним концом он опирается на подвижную опору, имеющую возможность перемещения в осевом направлении, а другим концом с соединенными с ним токоподводами - на эластичные уплотнения токоподводов, при этом подвижная опора и эластичные уплотнители установлены в охлаждаемых крышках отверстий на боковых поверхностях корпуса, внутренние поверхности муфеля футерованы графитовой фольгой, отражающей внутрь поток тепла от нагревателя, входной и выходной каналы для прохода обрабатываемого материала в горизонтальное щелевидное рабочее пространство примыкают к муфелю и имеют возможность свободного перемещения в продольном направлении, а отверстие для монтажа и демонтажа нагревателя выполнено в виде окна, закрываемого охлаждаемой крышкой, снабженной отверстиями для выхода токоподводов и установки их эластичных уплотнений.
При этом опора для нагревателя может быть выполнена сферической или конической, а отверстие для монтажа и демонтажа нагревателя может быть расположено на боковой или торцевой стенке корпуса. Цилиндрическая форма корпуса камеры, не подверженная короблению при нагреве электропечи, в совокупности с расположением нагревателя на подвижной опоре и эластичных уплотнениях, дающих возможность графитовому нагревателю "растягиваться" при нагреве и "сжиматься" при уменьшении нагрева, устраняет температурные напряжения в нагревателе, увеличивая таким образом срок его службы. Графитовая футеровка внутренних поверхностей муфеля, отражающая поток тепла от нагревателя внутрь рабочего пространства, ускоряет выход электропечи на рабочий режим, что сразу же снижает процент не прошедшего термическую обработку волокна в начале рабочего процесса графитации. Выполнение отверстия для монтажа и демонтажа нагревателя в виде окна в совокупности с расположением нагревателя на опорах облегчает процесс замены нагревателя по окончании срока его службы, позволяя не разбирать для этого печь с муфелем с предварительной выгрузкой теплоизоляции, обеспечивая достаточно простое его "выдергивание" через окно и не требуя полного остывания электропечи в течение нескольких суток, при остывании печи всего лишь в течение 5-6 часов до возможной замены его в огнестойких рукавицах.
Технический результат - снижение трудоемкости замены нагревателя, ускорение выхода на рабочий режим и повышение долговечности нагревателя. Заявляемая электропечь обладает новизной, отличаясь от прототипа такими существенными признаками, как выполнение корпуса камеры цилиндрическим, размещение нагревателя в муфеле таким образом, что одним концом он опирается на подвижную опору, а другим со стороны токоподводов - на эластичные уплотнения, футеровка внутренних поверхностей муфеля графитовой фольгой, отражающей внутрь поток тепла от нагревателя, примыкание входного и выходного каналов для прохода обрабатываемого материала к нагревателю с возможностью свободного перемещения в продольном направлении и выполнение отверстия для монтажа и демонтажа нагревателя в виде окна с крышкой, снабженной отверстиями для токоподводов, обеспечивающих в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, позволяющими достичь в совокупности заданного результата, поэтому он считает, что заявляемая электропечь соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемая высокотемпературная проходная электропечь для графитации углеродного волокна может найти широкое применение на предприятиях по производству углеродных материалов, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Изобретение иллюстрируется чертежами фиг.1 и 2, где показана конструкция заявляемой электропечи.
Высокотемпературная проходная электропечь для графитации углеродного волокна содержит металлический корпус 1, внутри которого в муфеле 2 размещен нагреватель 3 с токоподводами 4 и теплоизоляция 5 снаружи муфеля 2. Корпус 1 печи выполнен цилиндрическим. Нагреватель 3 размещен в муфеле 2 таким образом, что одним концом он опирается на опору 6 (коническую или цилиндрическую), а другим со стороны токоподвода - на эластичные уплотнения 7. При этом внутренние поверхности муфеля 2 футерованы графитовой фольгой 8, отражающей внутрь поток тепла от нагревателя 3. К муфелю 2 примыкают входной и выходной каналы 9 и 10 для прохода обрабатываемого материала, имеющие возможность свободного перемещения в продольном направлении. Отверстие 11 для монтажа и демонтажа нагревателя 3 выполнено в виде окна, размещенного на боковой поверхности корпуса 2. При этом подвижная опора 6 для нагревателя 3 может быть выполнена сферической или конической. Электропечь со стороны входного канала 9 снабжена размоточным устройством 12, а со стороны выходного канала 10 - намоточным устройством 13. Имеется также механизм для протяжки обрабатываемого материала через щелевидное рабочее пространство 14 (на чертежах не показан). Нагреватель 3 выполнен таким образом, что его нагревательные поверхности расположены над и под обрабатываемым материалом. Окно 11 снабжено охлаждаемой с помощью воды съемной крышкой 15. Имеется прибор 16 контроля температуры в печи и газовые затворы 17 и 18 для предотвращения попадания кислорода в рабочее пространство печи.
Заявляемая высокотемпературная проходная электропечь для графитации углеродного волокна работает следующим образом.
С размоточного устройства 12 через газовый затвор 17 и входной канал 9, в холодном состоянии электропечи в щелевидное рабочее пространство 14 заводят подлежащий обработке нитевидный углеродный материал, который далее через выходной канал 10 попадает на намоточное устройство 13. Через токоподводы 4 подают напряжение на нагреватель 3 и включают механизм протяжки нити через рабочее пространство 14. Температура нагревателя 3 повышается. Внутренняя футеровка из фольги 8 муфеля 2 начинает отражать излучаемое им тепло внутрь рабочего пространства 14, нить начинает прокаливаться, продвигаясь к выходному каналу 10, а из него через газовый затвор 18 попадает на намоточное устройство 13. В процессе графитации температура в рабочем пространстве 14 достигает 2650-2800°С, протяжка происходит со скоростью 25-40 м/час. Для демонтажа и замены нагревателя 3 отключают напряжение, дают печи остыть в течение 5-6 часов, затем снимают крышку 15 с окна 11 и рабочий, надев огнеупорные рукавицы, за токоподводы 4 стягивает нагреватель 3 с опоры 6 и вытаскивает его из муфеля 2. Благодаря тому что нагреватель 3 опирается на подвижный опорный стержень 6 и закреплен не жестко, а также тому что отверстие для монтажа и демонтажа выполнено в виде окна 11, не приходится разбирать печь и тратить много времени на замену нагревателя 3.
В сравнении с прототипом конструкция заявляемой высокотемпературной проходной электропечи для графитации углеродного волокна не представляет особых сложностей для замены нагревателя, обеспечивает более быстрый выход на рабочий режим и имеет больший срок службы.