碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维外柔内刚,质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性,在国防军工和民用方面都是重要材料。碳纤的纺丝工艺中,不论是烘干或牵伸定型,电磁加热辊都是其首选的热源提供体。
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背景
碳纤维行业在我国现阶段还处于发展阶段,目前主流产品是T300为主的民用产品,更高等级的产品存在品质不稳定等问题,无法实现大规模生产,与国外企业竞争时处于明显的劣势。造成这种局面的影响因素是多方面的,如原料合成、原丝生产、碳化及后期制品都有不足。原料、工艺、及设备普遍不稳定性。其中,设备的稳定性是最直接表现,如PAN纺丝后处理、碳化后处理、预浸料生产等工艺设备中的加热辊筒对于碳纤维生产尤为重要。对PAN后处理辊体,多数企业以蒸汽加热为主。蒸汽加热辊的加热源为高温蒸汽,存在难以做到单个辊体独立闭环控温、无法实现更高工作温度、无法做到辊面温度的精确控制。这样,在生产过程中,辊面温度始终存在较大幅度的波动,对生产稳定性造成极大的困扰。所以,如何提供稳定可靠的辊面温度,对碳纤维产品质量是其中一个非常重要的因素。
现有碳纤维试验线的致密化和烘干工序加热辊均采用蒸汽加热,一般选取38~64支加热轮或更多。按速度或温度后纺热辊牵伸又可分为前后个工艺段,工艺温度为120℃~200℃,线速度为80~240m/min。现有热辊通过调节蒸汽压力及用蒸汽阀门控制蒸汽量来调节辊体温度(2~4支辊共用一个蒸汽阀门),整个温度控制回路为开环控制,靠工人经验手动调节。
现有技术缺陷
存在如下技术缺陷:
1. 辊面设定温度不可控
a.开环控制,生产过程中因系统管道压差或泄漏等问题致其辊面温度不容易稳定在目标温度附近;
b.同一组热辊中单个辊体因压差或纤维含水率波动致其无法保持工艺温度的一致,也无法针对个别的辊体温度变化进行单独调整。
2. 开环控制,温度滞后严重
蒸汽管路的压差、手工操作蒸汽阀门控温及热负载波动导致辊面工作区温度无法达到设定温度,这些都需要人工响应判断并去处理。这样的控制导致辊面温度波动幅度很大,温度控制滞后,严重影响产品的一致性。
解决方案
如采用替代蒸汽加热辊,可以解决现有工艺及技术中的不足,提供稳定可控的、均一的辊面温度,大幅提升产品的一致性。控制系统由感应加热电源单元、温度控制单元、保护单元及通信单元构成。
和传统的蒸汽加热辊相比,更换后将给产品的质量改善以及成本降低带来显著的效益。主要体现在:
1. 产品品质提升:提供均匀的辊面温度,确保产品的一致性良好;
2. 产品经济效益指标
1)缩小成品尺寸公差,降低原料消耗,增加出品率;
2)在同等辊径条件下热效率增加,为提高生产速度等工艺条件创造可能,提升整机商业价值;
3)降低设备故障率,减少停机时间,提高设备有效工时;
4)降低使用锅炉带来的相关麻烦;
5)取消蒸汽循环系统,提高厂房利用率,有效降低房屋使用成本。
产品相关参数概要:
| 辊体规格 | Φ350~750mm×350~1500mm |
| 辊体材质 | 45#钢、其它合金钢 |
| 辊面镀层 | 铬 |
| 涂层厚度 | 0.06~0.20mm |
| 粗糙度 | Ra≤0.01~0.03 |
| 跳动 | ≤0.01~0.03mm |
| 工作区温度梯度 | ±1℃ |
| 加热功率容量 | 15~60kVA |