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感应加热在碳纤维高温碳化及高温石墨化 设备中应用的必要性

感应加热在碳纤维高温碳化及高温石墨化 设备中应用的必要性

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随着社会对碳纤维需求的迅速增加,当前碳纤维的生产制备能力显得跟不上发展,只有依靠扩大生产来解决这个问题。

现有的生产设备绝大多数采用电阻加热方式,尤其是百吨级及以上的生产线。从设备角度来看,电阻加热方式存在热效率低、加热不均匀、产品性能不稳定,因此使碳纤维的生产成本大大增加。

有极少数采用中频感应加热方式的,也存在能耗高的问题。

要想解决以上存在的问题就必须从生产工艺和设备着手,在此仅从设备角度加以探讨。

首先采用感应加热方式,其次选择合理的工作频率。

大家都知道能源消耗是直接影响碳纤维生产制备成本的最重要的因素之一,如何降低能耗?在现有的加热方式下很难实现,只有替换现有的加热方式,才能真正达到降低能耗的目的。

感应加热方式具有加热均匀、升温和降温速度快等特点;采用感应加热方式可大大提高设备的温度均匀性,尤其适用于大型碳纤维高温碳化和高温石墨化生产线。根据感应加热可快速升温和降温而不会对设备造成不良影响的特点,可省去电阻加热方式的启停炉过程,大大降低能耗,节约能源,首先从工艺上已可减少很大一部分能源的消耗。

由于各个生产厂家工艺不同,节约的能源也有所不同,但采用感应加热方式并选择合理的工作频率进行碳纤维连续高温碳化和石墨化工艺可减少能源消耗40%~60%。

频率选择多少为合理呢?目前采用的频率为1KHz或2.5KHz,其节能效果并不十分明显,根据感应加热原理及设备的强度考虑,选择20KHz或更高的工作频率比较合理。其能源消耗相比2.5KHz要减少50%以上,这是非常客观的,对我国的碳纤维的发展意义重大。

下面再从发热体的角度看对加热性能及能耗的影响及节能降耗。

目前碳纤维连续式高温碳化及石墨化设备大部分采用石墨发热体,采用石墨发热体是有一定的局限性的,主要表现为发热体体积尺寸方面,长度、宽度和高度都受到石墨坯料的限制;若采用碳/碳复合材料做发热体将能很好的解决发热体体积尺寸受限的问题。

采用了碳/碳复合材料发热体后,随之产生了一个问题,就是加热效率的问题。以目前感应加热方式多为中频感应加热,其频率多为1KHz或2.5KHz,随着设备需求功率的增大,工作频率还将逐步降低的,为了在此参数下达到一定效率,就要求发热体的厚度必须增加,同时能耗也相应增加了。从经济性方面考虑,采用碳/碳复合材料发热体,一般厚度为8mm~10mm(石墨材料发热体也可以加工到此厚度),若再采用传统的1KHz或2.5KHz中频感应加热就非常不合理了,必须提高加热频率达到提高加热效率的目的。这样也正好与前面所说的节能降耗措施相吻合。