先進的碳纖維生產用氧化爐

V. K?hler

Eisenmann熱能技術公司(德國)

與許多其他市場類似，碳纖維(CF)生產商也希望在擴大業務的同時，降低生產成本并維持或提高產品質量。為使CF更適合大批量應用，需提高客戶生產設備的效率。交貨時間短和設備易于安裝是促使碳纖維制造商快速和經濟高效地發展業務的重要因素。

氧化過程是CF生產線中要求最嚴苛的環節，目前其設備在CF生產線中的占地空間最大，耗能最多。對氧化爐的性能要求是CF生產線中最具挑戰性的環節，氧化爐應可在整個絲束帶寬度內均勻地氧化產品。在降低生產成本時，所有這些方面都需考慮到。

1 氧化爐氣流系統

目前市場上使用的經驗證的氧化爐系統有兩種不同的類型。這兩種系統的主要區別在于它們的氣流系統是垂直流動還是平行流動的。垂直向下氣流模式主要應用于小型絲束[24 K(24 000 根)或更小)的加工，而中心到末端(CTE)系統主要提供與纖維平行流動的氣流，適用于所有類型絲束。因此，CTE熱箱是當今市場上最受歡迎的氧化爐系統。

工業級CF(通常是重型或大型絲束)的需求不斷增長，這將成為未來對平行流動系統需求的驅動力。盡管CTE系統采用的是先進的技術，但其也存在一項缺陷：CTE熱箱的處理室中間為一個中央氣室，空氣由此分配至熱箱室。在此區域，纖維可能會接觸氣室，從而難以實現均勻的空氣供應，這將導致低氣流區域的出現。

2 端到端氧化爐

Eisenmann公司的端到端(E2E)氧化爐是為克服CTE熱箱的缺點而建立的一種新型熱箱系統。全尺寸生產規模的E2E氧化爐的絲束加工寬度為3 000 mm，加熱長度為13 m，有11道間隔。目前，已通過全面的測試驗證了其性能可達到或超過行業要求。

圖1 Eisenmann技術中心的E2E氧化爐

E2E氧化爐(圖1)采用的是目前最先進的技術，其具有如下優勢：

——在消除了中央氣室的同時，可提供均勻的平行氣流；

——消除了任何低氣流區域；

——提供新的訪問權限并改進了維護；

——占地面積很小；

——運營成本低；

——比CTE系統所需的資本投資少。

采用計算流體動力學(CFD)軟件模擬研究了兩個靠近纖維的平行流動系統的工藝情況，結果如圖2所示。

圖2 CFD模擬——平行氣流傳熱纖維

在經模擬模型的驗證后，又進行了數次模擬運行，以研究熱箱區溫度、纖維入口溫度、纖維傳輸速度和停留時間的影響，并計算分析從纖維中釋放出的熱量及再循環空氣的速度。

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

通過測量整個處理室中氣流的流速均勻性，可以證實，E2E氧化爐系統具有在整個絲束范圍內提供均勻性能的能力。由于最新的CTE系統已可實現為工業和航空航天級碳纖維提供非常好的性能，因此，E2E系統的產品標準是達到類似的性能。

研究結果表明，E2E系統優于CTE系統，其在整個處理室中的氣流流速均勻性提高約15%，且系統中沒有出現低氣流區域，尤其是中心位置處。E2E系統非常適合加工工業級和航空航天用碳纖維。

3 結語

先進的E2E氧化爐具有操作方便、便于維護、占地面積小、投資成本較低和性能好等優點。這使得碳纖維制造商可高效而可靠地運行工藝，進而使得碳纖維可承受起更大批量的應用，且與其他材料相比，更具成本競爭力。