高碳炉内部保温结构仿真分析_韩宝灯.pdf
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1、碳纤维是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量的新型纤维材料,是我国经济发展和国防建设不可或缺的战略性新材料。目前制造聚丙烯腈(PAN)基碳纤维需要将原丝进行预氧化及碳化处理。预氧化处理使原丝产生耐热梯型结构,后面的碳化处理是预氧丝在惰性气体氮气保护下,在4001 800 范围内进行热解反应,纤维中非碳原子N、H、O等元素逸走而发生缩聚反应,使预氧丝的耐热梯型结构转化为碳纤维的乱层石墨结构,其中高碳化炉是碳化处理的关键设备,是影响纤维质量的关键所在。高碳炉使用温度一般在1 0001 800 之间,能量消耗较多。保温结构安装在高碳炉炉体内部,同时围绕在加热器及马弗外层,用于保持炉内工作温度的稳定
2、,同时减少热量损失。因此选择合理的保温材料种类及其相关厚度,对降低高碳炉的制造成本,减小单位能耗十分重要。1保温材料的选择高碳炉一般分为57个区,形成由低温区(1 000)到高温区(1 800)的多个温度梯度,对纤维进行加热。一般在低温时使用陶瓷纤维毯做保温材料,陶瓷纤维毯是一种采用高纯原料,经高温熔融、甩丝、针刺后形成的连续落棉平铺纤维毯,具有很高的抗拉强度、良好的抗化学侵蚀能力和平整的表面。理论使用温度可以达到1 200,抗热收缩,不掉渣。高收稿日期:2022-05-19作者简介:韩宝灯(1988),男,工学硕士,工程师,主要从事PAN 碳纤维碳化炉的研究与开发工作.高碳炉内部保温结构仿真
3、分析韩宝灯1,骆倩倩2(1.浙江精功科技股份有限公司,浙江 绍兴312000;2.绍兴方圆检测科技有限公司,浙江 绍兴312000)摘要:为降低高碳炉保温结构的设计成本,缩短设计时间,确定不同保温材料的厚度,减小保温材料的使用量,使用SolidWorks Simulation对保温结构进行热力学分析,得到不同保温材料的温度变化,实现保温结构保温性能的直观判别,对合理选择保温结构的保温材料和保温厚度提供理论依据。关键词:高碳炉;保温结构;导热系数;热力学中图分类号:TQ054;TQ342+.742文献标识码:B文章编号:1001-6988(2023)01-0043-03Simulation An
4、alysis of Internal Insulation Structure of High TemperatureCarbonization FurnaceHAN Baodeng1,LUO Qianqian2(1.Zhejiang Jinggong Science&Technology Co.Ltd.,Shaoxing 312000,China;2.Shaoxing FangyuanInspection Technology Co.Ltd.,Shaoxing 312000,China)Abstract:In order to reduce the design cost of the th
5、ermal insulation structure of the high temperaturecarbonization furnace and shorten the design time,determine the thickness of different insulation materialsto reduce the insulation materials usage,SolidWorks Simulation was used to conduct a thermodynamic anal-ysis of the thermal insulation structur
6、e,and the temperature changes of different thermal insulation materi-als were obtained to realize the intuitive judgment of thermal insulation performance of the thermal insula-tion structure,and provide theoretical basis for reasonable selection of thermal insulation material and ther-mal insulatio
7、n thickness of thermal insulation structure.Key words:high temperature carbonization furnace;thermal insulation structure;thermal conductivity;thermodynamics工 业 炉Industrial Furnace第45卷第1期2023年1月Vol.45 No.1Jan.202343经验交流:高碳炉内部保温结构仿真分析温时使用碳质制品石墨毡做保温材料,石墨毡分为石墨软毡及石墨硬毡,它们以针刺毡作为原料,经过预氧化、低温碳化、高温碳化处理而制得,是性能
8、优异的高温隔热材料,具有密度小、导热性低等特点,适宜作隔热保温材料、耐烧蚀材料,在惰性气体保护下理论使用温度可以达到2 000。2常规计算方法高碳炉炉内保温结构间主要是传导传热形式,现有常规的设计方法是采用多层平壁炉墙的导热公式进行计算,如图1所示,炉墙内、外的温度保持恒定,分别为t1及t4(t1t4),各层厚度分别为S1、S2及S3,各层的材料已知。假定各层紧密接触,各层的平均热导率用m1、m2及m3表示。在稳定态导热时,通过平壁炉墙各层的热流是相等的,可推导出下列传热公式(1)(4):q=t1-t4S1m1+S2m2+S3m3(1)t2=t1-qS1m1(2)t3=t2-qS2m2(3)t
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