КАМЕРА ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ ДЛИННОМЕРНОГО ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2011 года по МПК D01F9/22 

Изобретение относится к оборудованию для производства углеродных волокон, в частности к стадии низкотемпературной обработки, с использованием в качестве сырья полиакрилонитрильных ПАН волокон

Известно устройство для окисления полиакрилонитрильного жгута, содержащее камеру окисления с системой контактирующих со жгутом нагревателей, с транспортирующими роликами, средствами для подачи окислителя и отсоса продуктов пиролиза и имеющее отличительные особенности в том, что нагреватели выполнены в виде коробов с теплопроводной поверхностью, имеющих внутри распределительную решетку и продольные ребра жесткости, кроме этого, нагреватели установлены в регулируемых по высоте опорах [1].

Недостатком данного устройства является сложность выполнения нагревательного элемента, большое количество коробов со сложной конфигурацией создают температурную инерционность рабочего органа вследствие большой массы конструкции. Кроме того, для осуществления теплового контакта волокна с нагревающей поверхностью необходимо плотное прилегание жгутов к коробам, что приводит к травмированию волокна при протяжке. К недостаткам можно отнести также наличие значительного градиента температур по толщине жгута вследствие одностороннего контакта с поверхностью теплообмена малой теплопроводностью жгута.

Известно так же устройство для получения углеродных волокон, содержащее герметичную камеру, расположенные в ней рабочие органы для транспортирования волокна через нее и средства для отвода тепла, выделяющегося в процессе окисления волокна, имеющее отличительные особенности в том, что камера выполнена термостатируемой, рабочие органы выполнены в виде поверхностных барабанов, а средства для отвода тепла выполнены в виде ребер, с неравномерной по длине теплопроводностью, установленных в разных количествах по торцам барабана. Средства для отвода тепла выполнены в виде неподвижных пластин, связанных посредством теплопроводных элементов со стенками камеры, или неподвижных трубок, торцы которых выходят за пределы камеры, а полость их сообщена с атмосферой. Барабаны смонтированы на осях, установленных в охлаждаемых подшипниках [2].

Недостатком данного устройства является повышенный расход электроэнергии и сложное конструктивное исполнение. Кроме того, при такой конструкции устройства практически невозможно осуществить необходимую деформацию волокна. Как и в предыдущем случае односторонний контактный нагрев приводит к нежелательному градиенту температур по толщине жгута и травмированию волокна при скольжении по поверхности нагрева вследствие естественной усадки.

Наиболее близким по техническому решению (протопит) является камера для непрерывной температурной обработки длинномерного материала, включающая корпус проходного типа с отверстиями на торцах для входа и выхода материала, направляющие валы, расположенные за пределами корпуса, перфорированные средства подачи среды, размещенные в корпусе между осями отверстий для подачи материала, имеющая отличительные особенности в том, что средства подачи обрабатывающей среды выполнены в виде конусообразных коробов, установленных навстречу друг другу в направлении уменьшения сечения, а оси отверстий для подачи материала, между которыми размещен патрубок, за пределами корпуса выполнены пересекающимися. При этом камера снабжена герметизирующими перегородками, размещенными в корпусе между отверстиями для подачи материала [3].

Недостатками прототипа являются ограниченная производительность процесса и невозможность достижения высокого качества обработки длинномерного волокнистого материала. Это обусловлено тем, что указанный в изобретении способ обдува волокна обрабатывающей средой не позволяет влиять на температуру среды в рабочем объеме. Предварительно нагретая в нагревательном устройстве вне камеры обрабатывающая среда по мере продвижения в корпусе по конусообразным коробам вследствие теплообмена с окружающей средой через стенки камеры неконтролируемо изменяет свою температур, что приводит к неравномерности свойств обрабатываемого материала. Кроме того, для камер большой производительностью длиной до 10 метров и более практическая реализация предлагаемой конструкции представляется трудноосуществимой, а проблема с изменением температуры обрабатывающей среды вследствие теплообмена с окружающей средой без применения дополнительного подогрева становится еще более острой.

Технической задачей изобретения является интенсификация процесса окисления, снижение энергетических и материальных затрат, повышение равномерности характеристик получаемого волокна, экологическая безопасность производства.

Указанная цель достигается тем, что в предложенном решении камера для непрерывной температурной обработки длинномерного волокнистого материала содержит корпус проходного типа с отверстиями на концах для входа и выхода материала, направляющие валы, средства подачи окислителя и удаления продуктов пиролиза, нагревательные элементы, отличается тем, что камера содержит входной и выходной шлюзовые короба, а рабочая часть ее состоит из последовательно соединенных каналов прямоугольного сечения с газовыми затворами на торцах, выполненными в виде герметично соединенных центральных, входных и выходных модульных секторов, причем нижний канал герметично изолирован от остальных, второй снизу канал модульных секторов выполнен без газовых затворов на торцах. Шлюзовые короба заполняются обрабатывающей газовой средой с температурой 200-220°С под давлением всегда большем, чем давление в каналах.

Входные и выходные модульные сектора каналов идентичны по конструкции, но развернуты на 180° окнами для входа-выхода газовой среды. Центральные модульные сектора окон не имеют. Торцевые газовые затворы ограничивают прохождение газовой среды - окислителя - входной и выходной шлюзовых коробов. В каналах сверху и снизу обрабатываемого материала располагаются резистивные нагревательные элементы, которые могут быть выполнены в виде ТЭНов прямой или U-образной формы, в виде электропроводящих сеток, в частности из нихромовой или нержавеющей металлической сетки с диаметром проволоки 0,1-2 мм и размером ячеек 0,5-2 мм.

На фиг.1 изображено устройство для непрерывной температурной обработки длинномерных волокнистых материалов. Устройство включает раму 1 прямоугольной формы, изготовленную из швеллера. На раме устанавливаются входной 7 и выходной 14 шлюзовые короба, к которым герметично крепятся торцы входных 12 и выходных 11 секторов каналов. Для ограничения попадания газовой среды в шлюзовые короба по торцам каналов установлены газовые затворы 3 и направляющие лопатки 16. Каналы состоят из центральных, входных и выходных секторов, которые герметично крепятся между собой. Входные и выходные сектора каналов идентичны по конструкции, но развернуты на 180° окнами 13 для входа-выхода газовой среды. Таким образом, вся система каналов устройства собирается из двух конструктивных элементов: центрального 10 и торцевых 11, 12 секторов каналов. В каждой секции канала сверху и снизу обрабатываемого материала 15 расположены нагревательные элементы 17. Устройство снабжено транспортной системой, состоящей из тянущих 4 и направляющих 6 вальцов. Нижний канал 18 изолирован от шлюзовых камер перегородками 5. Для уменьшения теплообмена рабочего пространства устройство с внешней стороны и в зазорах между каналами футеровано теплоизоляцией 2. К выходному патрубку 13 последнего канала присоединен нейтрализатор вредных веществ 9.

Электропроводящие металлические сетки изображены на фиг.2.

Принцип работы предлагаемого устройства:

Перед началом работы обрабатываемый материал с подающего устройства с помощью тянущих 4 и направляющих 6 вальцов протягивают через все каналы устройства и закрепляют на приемном устройстве. При протяжке волокна транспортная система обеспечивает задание и автоматическое поддержание скорости движения и силы натяжения волокна. В нижнем канале 18, герметично изолированном от остальных, происходит предварительная обработка волокна: вытяжка, создание определенной влажности, снятие гофр и др. Второй снизу канал выполнен без газовых затворов на торцах, что обеспечивает свободный доступ обрабатывающей газовой среды из входного шлюзового короба в выходной и выравнивание давления в них. Давление в шлюзовых коробах всегда выше, чем в каналах, что исключает попадание вредных веществ в рабочее помещение.

При прохождении обрабатывающей газовой среды по каналам устройства по ходу движения волокна температура ее при помощи нагревателей 17 постепенно по заданной программе повышается с 200-220°С до 250-270°С.

Нагреватели 17 могут быть выполнены в виде ТЭНов прямой или U-образной формы. Предпочтительно изготовление нагревателей из нихромовой или нержавеющей металлической сетки с диаметром проволоки 0,1-2 мм и размером ячейки 0,5-2 мм. Малая инерционность и высокий коэффициент теплоотдачи сетки позволяет производить более тонкую регулировку температурного поля в каналах. Количество регулируемых зон температуры в каждом канале должно обеспечить плавный подъем температуры. Предпочтительное количество зон в зависимости от длины канала составляет 3-6 зон.

Из последнего канала обрабатывающая газовая среда через патрубок 13 поступает в нейтрализатор вредных веществ, где происходит сжигание и каталитическое разложение ядовитых и вредных веществ, выделяющихся при пиролизе обрабатываемого материала.

Модульный принцип конструкции позволяет из одних и тех же конструктивных элементов изготавливать устройства требуемой производительности.

Требования качества получаемого длинномерного волокнистого материала обеспечиваются возможностью гибкого и тонкого регулирования температурного поля во всем рабочем пространстве устройства и правильной организации движения газовой обрабатывающей среды по каналам устройства.

Источники информации

1. Патент РФ № 2167225, D01F 9/00, опубл. 20.05.2001, з. № 99121459 от 11.10.1999, «Способ окисления полиакрилонитрильного жгута и устройство для его осуществления».

2. Патент РФ № 2089680, D01F 9/22, опубл. 10.09.1997, з. №93033125 от 24.06.1993, «Способ получения углеродного волокна и устройство для его осуществления».

3. Патент РФ № 2017867, D01F 9/12, опубл. 15.08.1994, з. №5013114 от 25.11.1991, «Камера для непрерывной температурной обработки длинномерного материала».

Изобретение относится к оборудованию для производства углеродных волокон, в частности к стадии низкотемпературной обработки, с использованием в качестве сырья полиакрилонитрильных ПАН волокон. Камера содержит рабочую часть проходного типа для входа и выхода материала, направляющие валы, средства подачи окислителя, газовой среды и удаления продуктов пиролиза и нагревательные элементы. Рабочая часть состоит из последовательно соединенных секций в виде герметично соединенных между собой центральных, входных и выходных модульных секций с каналами. При этом входные и выходные модульные секции герметично прикреплены торцами к входному и выходному шлюзовым коробам, нижняя секция герметично изолирована, а каналы секций, кроме второй снизу, закрыты на торцах газовыми затворами. Изобретение обеспечивает интенсификацию процесса обработки, повышение равномерности характеристик волокон, безопасности и снижение энергозатрат. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Камера для непрерывной температурной обработки длинномерного волокнистого материала, содержащая рабочую часть проходного типа для входа и выхода материала, направляющие валы, средства подачи окислителя, газовой среды и удаления продуктов пиролиза и нагревательные элементы, в которой рабочая часть состоит из последовательно соединенных секций в виде герметично соединенных между собой центральных, входных и выходных модульных секций с каналами, при этом входные и выходные модульные секции герметично прикреплены торцами к входному и выходному шлюзовым коробам, нижняя секция герметично изолирована, а каналы секций, кроме второй снизу, закрыты на торцах газовыми затворами.

2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что шлюзовые короба заполнены обрабатывающей газовой средой с температурой 200-220°С под давлением всегда большим, чем давление в каналах.

3. Камера по п.1, отличающаяся тем, что центральные модульные секции выполнены без окон, а входные и выходные идентичны по конструкции, но развернуты на 180° окнами для входа-выхода газовой среды.

4. Камера по п.1, отличающаяся тем, что в каналах сверху и снизу обрабатываемого материала располагаются резистивные нагревательные элементы.

5. Камера по п.4, отличающаяся тем, что нагревательные элементы могут быть выполнены в виде ТЭНов прямой или U-образной формы.

6. Камера по п.4, отличающаяся тем, что нагревательные элементы могут быть выполнены в виде электропроводящих сеток.

7. Камера по п.6, отличающаяся тем, что нагревательные элементы электропроводящие сетки могут быть выполнены из нихромовой или нержавеющей стали с диаметром проволоки 0,1-2 мм и размером ячеек 0,5-2 мм.