姜 蓉 劉 盛

邵陽紡織機械有限責任公司(中國)

目前,瀝青基碳纖維熔融紡絲形成原絲后,原絲還需進行預(yù)氧化、碳化等工序加工,才能形成均勻的石墨化晶體結(jié)構(gòu)而具有優(yōu)異的纖維性能。[1]預(yù)氧化是在高溫狀態(tài)下向纖維原絲內(nèi)部滲入氧原子,脫去氫原子,這是通過一定風速的熱風(熱風中含有氧)對原絲循環(huán)加熱來實現(xiàn)的。

普通預(yù)氧化機一般設(shè)計成若干節(jié),在長度方向一字型排開。這種結(jié)構(gòu)存在2個缺點:一是由于瀝青碳纖維原絲的預(yù)氧化時間很長,約180 min,按照網(wǎng)鏈1 m/min的速度計算,預(yù)氧化機長度至少需180.0 m,這將使廠房和設(shè)備的投資非常大,同時還需要適當增加工位才能使機器良好運行;另一個是由于預(yù)氧化溫度較高,約300 ℃,設(shè)備雖然有保溫措施,但保溫層表面與廠房內(nèi)溫度至少存在25 ℃的溫差,180.0 m長的預(yù)氧化機由于隔熱層散熱面積過大,設(shè)備能耗將非常大,設(shè)備運行成本也相當高。

為此,邵陽紡織機械有限責任公司研發(fā)了層疊式預(yù)氧化機,將網(wǎng)鏈在高度方向?qū)盈B后,以一定的風速對原絲循環(huán)加熱實現(xiàn)預(yù)氧化,這樣不僅能大大縮短設(shè)備的長度,而且還能降低廠房和設(shè)備的投資成本,同時也能減小設(shè)備的散熱面積,降低設(shè)備的運行成本。以預(yù)氧化時間180 min、網(wǎng)鏈速度1 m/min、幅寬1.5 m計算,5層層疊式預(yù)氧化機的設(shè)備長約38.0 m,高4.0 m,寬2.8 m,隔熱層散熱面積約540 m2,而普通型預(yù)氧化機長約需180.0 m,高2.2 m,寬2.2 m,隔熱層散熱面積為1 595 m2,可見,層疊式預(yù)氧化機的隔熱層散熱面積僅僅是普通型式預(yù)氧化機的1/3。本文將對本公司研發(fā)的5層層疊式預(yù)氧化機作一詳細介紹。

1 工作原理

5層層疊式預(yù)氧化機的網(wǎng)鏈為不銹鋼人字網(wǎng),兩側(cè)的鏈條通過穿軸與人字網(wǎng)固結(jié)。在高度方向設(shè)置了5層網(wǎng)鏈,每層網(wǎng)鏈都有熱風循環(huán)系統(tǒng)進行熱風氧化,每層網(wǎng)鏈錯位排列,以使上層網(wǎng)鏈上的纖維氈掉落后立即被下層網(wǎng)鏈接住繼續(xù)熱風氧化,每層網(wǎng)鏈落絲端設(shè)置有擋絲板,以防止纖維氈掉落時意外飛散。各網(wǎng)鏈的運行方向與相鄰網(wǎng)鏈的運行方向相反。網(wǎng)鏈傳動系統(tǒng)由電動機減速器、鏈條傳動、主動鏈輪、軸承座、被動鏈輪、滑動軸承座等組成。每層網(wǎng)鏈單獨傳動,采用同步電動機變頻調(diào)速以確保所有網(wǎng)鏈速度一致。每層網(wǎng)鏈有2個傳動軸,一個為主動軸,另一個為被動軸。電動機減速器通過鏈條傳動將動力傳給主動軸上的主動鏈輪,再通過網(wǎng)鏈與被動鏈輪之間的摩擦力使被動鏈輪轉(zhuǎn)動。為了使網(wǎng)鏈的松邊在下,緊邊在上,每層網(wǎng)鏈的主動軸和被動軸的放置位置與相鄰網(wǎng)鏈的相反。

熱風循環(huán)系統(tǒng)主要由循環(huán)風機、錐形分配室、噴風管、吸風管組成。承載纖維氈的網(wǎng)鏈位于薄型風盒的噴風管和吸風管之間,吸風管在噴風管的正下方,熱風從噴風管的噴風小孔噴出后,往下穿透纖維氈,并由吸風管上的吸風小孔吸附在網(wǎng)鏈上,跟隨網(wǎng)鏈運動,經(jīng)過第一層網(wǎng)鏈的熱風氧化,再翻轉(zhuǎn)掉落至第二層網(wǎng)鏈的熱風氧化,以此類推,直至經(jīng)過第五層(底層)網(wǎng)鏈的熱風氧化,共計5次的熱風氧化。熱風循環(huán)系統(tǒng)始終以一定風速對纖維氈循環(huán)加熱,最終完成預(yù)氧化的工藝要求。

2 工藝流程

紡絲組件落絲→負壓吸附裝置→第一層網(wǎng)鏈→第一層網(wǎng)鏈熱風循環(huán)系統(tǒng)→第二層網(wǎng)鏈→第二層網(wǎng)鏈熱風循環(huán)系統(tǒng)→第三層網(wǎng)鏈→第三層網(wǎng)鏈熱風循環(huán)系統(tǒng)→第四層網(wǎng)鏈→第四層網(wǎng)鏈熱風循環(huán)系統(tǒng)→第五層網(wǎng)鏈→第五層網(wǎng)鏈熱風循環(huán)系統(tǒng)→出絲。

3 層疊式預(yù)氧化機簡介

圖1為層疊式預(yù)氧化機的立面剖視圖、網(wǎng)鏈傳動系統(tǒng)的側(cè)面剖視圖和熱風循環(huán)系統(tǒng)的側(cè)面剖視圖。

1—負壓吸附裝置; 2—紡絲組件; 3—纖維氈; 4—吸風管; 5—噴風管; 6—擋絲板; 7—頂層網(wǎng)鏈; 8—第二層網(wǎng)鏈; 9—第三層網(wǎng)鏈; 10—第四層網(wǎng)鏈; 11—底層網(wǎng)鏈; 12—循環(huán)風機; 13—隔熱門; 14—機架; 15—分配室; 16—電動機減速器; 17—鏈條傳動; 18—軸承座; 19—主動鏈輪; 20—被動鏈輪; 21—滑塊軸承座。圖1 層疊式預(yù)氧化機

3.1 負壓吸附裝置

短纖維從紡絲組件(2)噴絲后,掉落到頂層(第一層)網(wǎng)鏈(7)上,負壓吸附裝置(1)位于頂層網(wǎng)鏈(7)的中間偏左位置,如圖1a)所示。抽風風機通過風管結(jié)合件、調(diào)風管結(jié)合件、調(diào)風板結(jié)合件、分配室與吸風管相連。安裝在調(diào)風管結(jié)合件上的調(diào)風板結(jié)合件的作用是通過手柄手動調(diào)節(jié)吸風口大小,從而控制吸風量,最終使纖維氈的堆砌高度或蓬松度符合氧化生產(chǎn)工藝的相關(guān)要求。抽風風機工作時,在網(wǎng)鏈下方產(chǎn)生一個均勻的負壓區(qū),將短纖維吸住并形成一定厚度的纖維氈(3),防止短纖維飛散。一般負壓區(qū)網(wǎng)鏈表面的風壓設(shè)定為200 Pa左右比較合適,風壓太小吸附效果不好,纖維四處飄散;太大風機功率消耗將成倍增大。

3.2 網(wǎng)鏈系統(tǒng)

本機型在高度方向設(shè)置5層網(wǎng)鏈。網(wǎng)鏈(7～11)為不銹鋼人字網(wǎng),兩側(cè)的鏈條通過穿軸與人字網(wǎng)固結(jié),人字網(wǎng)用于承載纖維氈(3),鏈條用于傳遞動力。每層網(wǎng)鏈錯位排列,以使上層網(wǎng)鏈上的纖維氈掉落后剛好被下層網(wǎng)鏈接住,各網(wǎng)鏈的運行方向與相鄰網(wǎng)鏈的相反。

如圖1a)所示,頂層網(wǎng)鏈(7)以1 m/min左右的速度向右勻速移動,直到頂層網(wǎng)鏈(7)的端頭,同時在網(wǎng)鏈(7～11)端頭設(shè)置擋絲板(6),以防纖維氈掉落時意外飛散。由于頂層網(wǎng)鏈(7)翻轉(zhuǎn),纖維氈(3)因重力作用掉落,第二層網(wǎng)鏈(8)超出頂層網(wǎng)鏈(7),因此纖維氈(3)剛好掉落在第二層網(wǎng)鏈(8)上,第二層網(wǎng)鏈(8)移動方向與頂層網(wǎng)鏈(7)相反,纖維氈(3)反方向運行至第二層網(wǎng)鏈(8)端頭,并落入第三層網(wǎng)鏈(9)……以此類推,直至底層網(wǎng)鏈(11)。

如圖1b)所示,各層網(wǎng)鏈(7～11)都配置1臺電動機減速器(16)傳動,5臺電動機減速器采用同步電動機變頻調(diào)速,以確保各網(wǎng)鏈(7～11)速度一致,相鄰網(wǎng)鏈運行方向相反。每層網(wǎng)鏈(7～11)都有1個主動鏈輪(19),1個被動鏈輪(20)。電動機減速器(16)通過鏈條傳動(17)將動力傳給主動軸上的主動鏈輪(19),再通過網(wǎng)鏈(7～11)兩側(cè)的鏈條帶動被動軸上的被動鏈輪(20)轉(zhuǎn)動。為了防止鏈條傳動時卡住,損壞傳動系統(tǒng),必須使網(wǎng)鏈(7～11)的松邊在下,緊邊在上,因此各層網(wǎng)鏈(7～11)的主動鏈輪和被動鏈輪的放置位置需與相鄰網(wǎng)鏈的相反。

被動鏈輪(20)安裝在被動軸上,網(wǎng)鏈(7～11)的一側(cè)安裝在被動鏈輪(20)上。由于烘房內(nèi)部工作溫度可至350 ℃,網(wǎng)鏈將產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象。經(jīng)計算,工作溫度為350 ℃時,網(wǎng)鏈熱伸長量約為240 mm,因此被動軸的軸頭兩端安裝了滑塊軸承座(21),滑塊軸承座(21)再與氣缸連接,從而起到適當張緊的作用。

3.3 熱風循環(huán)系統(tǒng)

如圖1c)所示,噴風管(5)設(shè)置在網(wǎng)鏈(7～11)的上方,而設(shè)置在網(wǎng)鏈(7～11)下方的吸風管(4)隔著網(wǎng)鏈正對噴風管(5),由于纖維氈(3)比較松散,因此低壓熱風也能穿透纖維氈(3),噴風管(5)的吹風方向為由上往下,且風速控制在8 m/min以下,因此可防止纖維氈飛揚,往下穿透纖維氈,然后纖維氈(3)再被吸風管(4)上的吸風小孔吸附在網(wǎng)鏈上,跟隨網(wǎng)鏈運動,經(jīng)過頂層網(wǎng)鏈(7)的熱風氧化后,纖維氈(3)再翻轉(zhuǎn)掉落至第二層網(wǎng)鏈(8)熱風氧化,以此類推,直至經(jīng)過底層網(wǎng)鏈(11)的熱風氧化,共5次熱風氧化。每層熱風循環(huán)系統(tǒng)都配置了補風部件,這樣熱風循環(huán)系統(tǒng)就可始終以一定的風速對纖維氈(3)循環(huán)加熱,實現(xiàn)預(yù)氧化,最終達到預(yù)氧化的工藝要求。

熱風循環(huán)系統(tǒng)主要由循環(huán)風機(12)、錐形分配室(15)、噴風管(5)、吸風管(4)組成。循環(huán)風機的一端和彎管結(jié)合件、風管結(jié)合件、過濾網(wǎng)結(jié)合件、彎管結(jié)合件、錐形分配室(15)和吸風管(4)連接。過濾網(wǎng)結(jié)合件不僅能有效過濾短小纖維,而且還可保護循環(huán)風機(12)不被雜物纏繞而燒壞,但安裝時要求保留過濾網(wǎng)垂直方向的抽出空間(過濾網(wǎng)使用一段時間后需取出清理);循環(huán)風機另一端和電加熱器、彎管結(jié)合件、錐形分配室(15)及噴風管(5)連接,電加熱器特別訂制,工作溫度約為350 ℃,且要求電熱管可被從保溫層隨意取出,以方便維修。

3.4 烘房系統(tǒng)

烘房是紡織機械烘燥設(shè)備的必要組成部分,烘房的密封性能和隔熱性能直接影響烘房的烘燥效率。[2]烘房系統(tǒng)四周隔熱層的作用是隔絕室內(nèi)熱空氣與室外冷空氣產(chǎn)生對流,防止室內(nèi)熱空氣向外散發(fā)熱量而降低熱空氣溫度或升溫緩慢。為此,隔熱層由數(shù)十塊長方形或正方形的隔熱門組成,安裝在烘房機架上,以防止烘房內(nèi)熱量由隔熱門傳導(dǎo)擴散,在達到工藝溫度要求的同時節(jié)能環(huán)保。

烘房系統(tǒng)的機架(14)主要為框架結(jié)構(gòu),分為出料端機架、吸風端機架、中間段機架、進料端機架和后段機架,每節(jié)烘房長2～4 m,機架零件的制造實現(xiàn)高度通用化,便于設(shè)備生產(chǎn)管理、安裝和運輸。烘房機架(14)之間主要用螺絲對掐連接,各機架部件中間固定,相鄰留有伸縮縫,便于部件的熱脹冷縮。烘房機架(14)伸縮縫之間的伸縮條、蓋板及礦棉板使用方現(xiàn)場配做,安裝時烘房底座也需鋪礦棉板。

烘房系統(tǒng)的隔熱門(13)主要為積木式結(jié)構(gòu),分為出料端隔熱門、吸風端隔熱門、中間段隔熱門、進料端隔熱門和后段隔熱門,隔熱門(13)覆蓋在機架部件(14)外圍,厚度達200 mm,能有效減少隔熱門(13)表面的熱量散失。

隔熱門(13)主要由形狀相同、大小各異的隔熱門結(jié)合件組成。隔熱門結(jié)合件按功能又分為活隔熱門和死隔熱門?；罡魺衢T可以方便地打開檢修或處理異常情況,由把手、里板、面板、密封條和保溫層組成;死隔熱門的作用是保溫和支撐,死隔熱門相對于活隔熱門沒有把手,只是四周多了安裝孔。死隔熱門一般四周通過螺釘和機架連接、固定,側(cè)面通過鉸鏈和活隔熱門連接(作為活隔熱門的支點),最終活隔熱門通過2個鉸鏈及把手上的門鈕(門鈕滑入機架上的安裝孔內(nèi))3個點實現(xiàn)固定,通過把手實現(xiàn)開啟或閉合。

4 結(jié)語

隨著社會節(jié)能環(huán)保意識的不斷強化,邵陽紡織機械有限責任公司生產(chǎn)的層疊式預(yù)氧化機通過縮短設(shè)備長度,適當增加設(shè)備高度,使設(shè)備具有能耗低、生產(chǎn)連續(xù)、適用范圍廣、預(yù)氧化效果顯著、運行成本低等特性,該設(shè)備必將得到更為廣泛的應(yīng)用,可為化纖行業(yè)提高產(chǎn)品檔次、開拓國內(nèi)外市場奠定堅實基礎(chǔ)。