浅谈聚酰亚胺纤维牵伸炉的设计

陈 斌，陈 桃，王 祥

（1. 江苏奥神新材料股份有限公司，江苏连云港 222023；2. 江苏苏豪传媒有限公司，江苏南京 210012）

聚酰亚胺纤维属于新兴的高新技术材料，其中重要的牵伸工序是聚酰亚胺纤维成型的重要环节。聚酰亚胺的初生纤维只有在牵伸后才能实现闭环，纤维才能获得更优的物理性能。国内目前还没有成型的可产业化的牵伸设备，必须进行自主研发，牵伸炉的设计是否合理直接影响纤维的性能及产业化。另外，由于聚酰亚胺纤维使用的溶剂具有易燃易爆性[1-3]，所以炉腔内的气体流场分布要求均匀，在炉腔内无死角，挥发出来的溶剂气体要在极短时间内被抽出。如果用实验来验证，有相当大的不安全性，而使用计算机模拟软件CFX 进行数值模拟，便可以实现牵伸炉的结构设计。

1 材料的选型

由于聚酰亚胺纤维的初生丝中仍含有8%的二甲基乙酰胺，而二甲基乙酰胺（DMAC)具有一定的腐蚀性，材料上选为Cr18Ni9 材质。

2 结构设计

聚酰亚胺纤维牵伸工艺要求见表1。

表1 聚酰亚胺纤维牵伸工艺要求

2.1 牵伸炉内尺寸的计算

根据工艺条件中牵伸时间需要1min，初步设计的牵伸速度为10m/min，所以炉子的长度最低为10m，考虑炉口两端的散热性，所以炉长设计为12m。根据工艺条件设定，初生丝旦数为300 万旦，平铺后丝束的宽度约为0.8m，厚度为5mm，考虑到操作性，炉口高度可设计为10cm，炉口的宽度为1.2 m。

2.2 抽风的方式设计及流场分析

在牵伸炉的设计中，炉内的流场至关重要，直接影响丝束的牵伸效果以及溶剂是否被及时抽出。因此，抽风方式一般采取2 种：一是两端炉口进风，单侧抽风；二是两端炉口进风，两侧抽风。

两种吹风方式的优缺点可通过流体模拟软件CFX 进行数值仿真模拟。

2.2.1 两端炉口进风，单侧抽风的流场分布图

从图1 中可以清楚地观察到，单侧抽风形成的流场情况，在炉腔中间位置形成了死角，此处的气体流动性非常小，纤维中释放出的溶剂将不能被及时地带走，在炉腔内易产生积聚现象，极易产生着火或有爆炸风险。因此，单侧抽风无法保证工艺要求。

图1 单侧抽风的流场分布图

2.2.2 两端炉口进风，两侧抽风的流场分布图

图2 为两侧抽风的流场分布图。

图2 两侧抽风的流场分布图

图2 的流场图中，可以观察到两侧抽风形成的流场分布均匀，基本无死角，溶剂能够被有效抽到炉外，完全满足工艺要求，唯一缺点为保证风速，需增大风机功率。

3 加热方式

化纤加热的方式有直接加热和间接加热。直接加热的种类一般有电阻加热、电磁加热和红外线加热；间接加热采取加热热媒介质到一定温度，经过强制循环到散热器的加热方式，虽然间接加热的控制温度误差较小，但是结构较复杂，加工成本较高，而直接加热方式，结构简单，成本低，易于维护。由于工艺要求温度为（350±10）℃，直接加热的方式基本可以满足需要，考虑到经济性，选择电阻式加热方式较为经济可靠。

4 热平衡计算

确定了牵伸炉的结构尺寸、进回风方式以及加热方式，下面对牵伸炉进行热平衡计算，计算步骤为牵伸炉开车升温所需的热量以及正常生产时所要求的热量，两者所需的热量进行对比，取最大值。

4.1 升温时所需的热量计算

正常升温时，所需的热量由以下因素决定：升温的时间、炉表面散失的热量、保温材料所需的热量，炉口与外界对流消耗的热量，炉内空气所需的热量，把以上热量加起来，即可得到牵伸炉升温时，所需的热量。

4.2 正常生产时所需要的热量

正常生产时，所需要的热量由以下因素决定：丝束从室温上升到工艺温度所需要的热量、丝束内溶剂挥发所需要的热量、炉体表面散失的热量，丝束运动带走的热量、炉口与外界对流消耗的热量、炉内补充的冷空气所需的热量，以上热量相加，就是牵伸炉正常生产时所需的热量。

5 绝热厚度计算

根据工艺温度要求，牵伸炉的保温材料采取硅酸铝棉板，厚度由以下公式计算：

δ：保温层厚度；PE：能量价格；λ：平均温度下的导热系数；t：年运行时间；To：设备外表面温度；Ta：环境温度；PT：绝热结构的单位造价；S：绝热工程投资贷款分摊率；ac：放热系数。

6 风机选型及溶剂的回收

6.1 风机选型

根据工艺已经确定了牵伸炉的结构、吹风方式及加热方式，可以计算风机的风量及风压。已知工艺条件：300万旦的丝束含有约8%的溶剂，在有效长度内，需要3s 内抽出，即可以计算出所需要的风量，具体计算公式如下：

Q：风机风量；V：风速；F：风道横截面面积。

6.2 溶剂的回收

已知聚酰亚胺纤维采用的溶剂为二甲基乙酰胺（DMAC），根据溶剂的特性，采取冷凝方式进行回收。二甲基乙酰胺的露点为48℃，冷凝器要把气体由350℃冷却到48℃，需要进行4～5 级冷凝。冷凝器的迎风面积计算需根据冷凝气体量并要求通过冷凝器的风速小于2m/s，确定了冷凝器的迎风面积后，就可以通过热交换公式计算出换热器的换热面积。

7 结语

本课题介绍了聚酰亚胺纤维牵伸炉的材质选用，利用计算机数值模拟软件CFX 进行了牵伸炉的流场分析，确定了抽风方式，介绍了加热方式、热平衡的计算因素以及保温材质的选用，风机的选型及溶剂的回收。由于聚酰亚胺纤维的牵伸工段属于高能耗，在节能降耗的要求下，牵伸炉的设计还需要进一步优化。