一种碳纤维立式低温碳化炉的氮气密封装置的制作方法

1.本实用新型涉及碳纤维生产领域，特别是涉及一种碳纤维立式低温碳化炉的氮气密封装置。


背景技术：

2.在制造聚丙烯腈基碳纤维过程中，碳化过程是一复杂的物理化学变化和结构转化的过程，是在惰性气体保护下发生热分解、热缩聚过程。其结果使预氧丝的梯形结构转化为碳纤维的乱层石墨结构。在碳化工段，关键设备是碳化炉，核心技术是炉口的设计以及配套的迷宫密封装置。碳化炉分为低温碳化炉(300
‑
800℃)和高温碳化炉(900
‑
1600℃) 两种，两者形成温度梯度，使固相碳化循序进行，使结构转化可控进行。两者的共同特点是在惰性气氛中进行化学反应，防止炉外空气向炉内渗入是一个核心技术，即高效迷宫密封装置成为配套的技术关键设备之一。特别是碳化炉的炉口宽在1m以上，如此宽的路口密封技术成为设计碳化炉的主要技术难度之一。现在提出的所谓“大通道”碳纤维生产线，全线几乎不收幅，这就需要设计宽口碳化炉。开口小的碳化炉，必然形成收幅(由预氧化炉到低温碳化炉)和扩幅(由高温炉到表面处理) 的现象出现，导致乱位和毛丝、断丝现象出现，导致碳纤维性能下降，严重影响到制取优质单向预浸料，限制其应用范围。
3.碳化是在惰性气氛中进行热解和缩聚反应，碳化炉内不能有氧的存在。但是仍有微量氧和水汽进入碳化炉内。氧和水汽进入碳化炉内有三种路径，即：
4.(1)扩散进入：在浓差作用下，通过丝束进出口进入炉内；
5.(2)吸附进入：单丝之间吸附或夹带的空气随丝束运行带入炉内，大丝束更为严重；
6.(3)密封高纯氮其中的微量氧和水，一般要求氧和水含量应在2ppm 以下。
7.碳化炉两端的非接触式迷宫密封装置就是防止炉外空气渗入炉内和炉内废气渗到炉外的装置。传统碳化炉为卧式碳化炉的非接触式迷宫密封装置，例如，申请号为201711400929.3名称为低温碳化炉炉头氮气密封装置的中国发明专利申请，为传统的卧式低温炉炉头氮气密封装置，挡板之间构成膨胀室，喷出气流方向就目前各国生产的碳化炉基本都为垂直运行丝束方向，遇到平板，产生乱流，无法将丝束单丝之间吸附或夹带的空气排出，进而把空气带入碳化炉，氧化碳炉中的纤维和设备。吹扫效果目前的国产碳化炉上述问题非常突出因此，已成为制约国产碳纤维质量的一个重要因数。
8.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

9.本实用新型为了解决现有碳纤维低温碳化炉的密封差，易于带入空气的技术问题，提供一种密封好，不易带入空气的碳纤维立式低温碳化炉的氮气密封装置。
10.本实用新型提供一种碳纤维立式低温碳化炉的氮气密封装置，设有氮气密封腔,
氮气密封腔内设有氮气吹扫管，氮气吹扫管前端设有氮气加热器，氮气密封腔侧壁设有氮气排放阀，氮气密封腔上端设有氮气进气腔，氮气进气腔内设有氮气输送管、压差仪、露点和氧含量取样管；氮气吹扫管自下而上依次设有第一氮气吹扫管、第二氮气吹扫管、第三氮气吹扫管、第四氮气吹扫管和第五氮气吹扫管，氮气排放阀装设在第三氮气吹扫管和第四氮气吹扫管对面。
11.优选地，氮气吹扫管一侧有一道直线型吹扫孔。
12.优选地，第一氮气吹扫管和第二氮气吹扫管分别为一对管线，第一氮气吹扫管和第二氮气吹扫管分别与运行丝束成20
°
至90
°
进行对向吹扫。
13.优选地，氮气排放阀设有第一氮气排放阀和第二氮气排放阀，第一氮气排放阀与第三氮气吹扫管对应，第二氮气排放阀与第四氮气吹扫管对应，第一氮气排放阀与第二氮气排放阀分设在氮气密封腔两侧。
14.优选地，第五氮气吹扫管为一对管线，对向吹扫。
15.优选地，氮气吹扫管和氮气输送管为镜面抛光的不锈钢管。
16.优选地，氮气加热器加热温度设置在300
‑
600℃。
17.本实用新型有益效果：
18.本实用新型设有与运行丝束成20
°
至90
°
进行对向吹扫的两组氮气吹扫管，将丝束中夹带的空气和外界吹扫出氮气密封腔；设有两组与氮气吹扫管对应设置的氮气排放阀，进一步排出的空气；还设有一组对向吹扫的氮气吹扫管，形成一道气帘防止前段的空气进入低温炉炉内；本实用新型通过5层氮气吹扫管，有效的去除了纤维中夹带的空气，有效的阻止了外界空气进入碳化炉，有效防止了碳纤维有碳化炉内被氧和水的氧化，使得碳纤维的毛丝量显著减少，力学性能得到稳步提高，碳化炉的寿命得到了极大的延长。
附图说明
19.图1是本实用新型的主视图；
20.图2是本实用新型的左视图。
21.附图符号说明：
22.1.第一氮气吹扫管；2.第二氮气吹扫管；3.第三氮气吹扫管；4.第四氮气吹扫管；5.第五氮气吹扫管；6.氮气输送管；7.第一氮气排放阀； 8.第二氮气排放阀；9.氮气密封腔；10.氮气进气腔；11.氮气加热器。
具体实施方式
23.下面结合附图和实施例对可本实用新型做进一步说明，以使本实用新型所属技术领域的技术人员能够容易实施本实用新型。
24.实施例1：如图1所示，本实用新型设有氮气加热器11，氮气吹扫管，氮气输送管6，氮气排放阀，氮气密封腔9和氮气进气腔10。氮气吹扫管设有第一氮气吹扫管1、第二氮气吹扫管2、第三氮气吹扫管3、第四氮气吹扫管4和第五氮气吹扫管5，氮气吹扫管镶嵌入氮气密封腔9 内部并向腔内进行吹扫；氮气排放阀设有第一氮气排放阀7和第二氮气排放阀8。
25.第一氮气吹扫管1为一对管线，其与运行丝束成20
°
至90
°
进行对向吹扫，第二氮气吹扫管2为一对管线，其与运行丝束成20
°
至90
°
进行对向吹扫，主要作用是将丝束中夹带的
空气和外界空气吹扫出氮气密封腔9；
26.第一氮气排放阀7与第三氮气吹扫管3对应，将第三氮气吹扫管3 吹扫出来的氮气排放出去，第二氮气排放阀8与第四氮气吹扫管4对应，将第四氮气吹扫管4吹扫出来的氮气排放，主要作用是将第一段丝束中未排出的空气和外界空气从氮气密封腔9中通过排放阀门吹扫排放出去。
27.第五氮气吹扫管5为一对管线形成对向吹扫，主要作用是形成一道气帘防止前段的空气进入低温炉炉内。
28.氮气输送管6置于氮气进气腔10中，并成一定角度向炉内输送氮气。
29.氮气加热器11，用于在氮气进入氮气密封腔9之前将氮气加热至设置温度，加热器加热温度可设置在300
‑
600℃；氮气吹扫管为八根304不锈钢镜面抛光管。
30.对比例1
31.采用传统低温碳化炉炉头氮气密封装置，例如，申请号为 201711400929.3名称为低温碳化炉炉头氮气密封装置，安装此专利申请公开的氮气密封装置在立式低温炉炉头进行实际实验。
32.对比例2
33.采用实施例1的立式低温碳化炉的氮气密封装置，调整氮气密封装置控制参数：
34.1、第一氮气吹扫管1的两侧管路分别与丝束运行方向夹角为30
°
；
35.2、第二氮气吹扫管2的两侧管路分别与丝束运行方向夹角为30
°
；
36.3、第一氮气排放阀7阀门开度40％；
37.4、第二氮气排放阀8阀门开度40％；
38.5、氮气输送管6的两侧管路分别与丝束运行方向夹角为150
°
。
39.对比例3
40.采用实施例1的立式低温碳化炉的氮气密封装置，调整氮气密封装置控制参数：
41.1、第一氮气吹扫管1的两侧管路分别与丝束运行方向夹角为40
°
；
42.2、第二氮气吹扫管2的两侧管路分别与丝束运行方向夹角为40
°
；
43.3、第一氮气排放阀7阀门开度50％；
44.4、第二氮气排放阀8阀门开度50％；
45.5、氮气输送管6的两侧管路分别与丝束运行方向夹角为140
°
。
46.通过对比例1
‑
3制得的t700级24k纤维的数据制得的纤维对比，具体参数见表1。
47.对比例拉伸强度mpa毛丝量对比例149568mg/50m对比例250885mg/50m对比例351962mg/50m
48.表1
49.从表1中可知，对比例3中的低温炉密封腔的效果最好，纤维的力学性能和毛丝量效果最好，传统的密封方式产生的毛丝较多，表示在生产过程中有空气进入炉内氧化纤维，导致纤维毛丝产生，并对纤维的力学性能有相应的影响。总体上，使用本实用新型的立式碳化炉密封腔能够得到较高的力学性能的碳纤维及较少的毛丝量。
50.以上所述仅对本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本
领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡是在本实用新型的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本实用新型的保护范围之内。