层叠式预氧化机

姜 蓉 刘 盛

邵阳纺织机械有限责任公司(中国)

目前,沥青基碳纤维熔融纺丝形成原丝后,原丝还需进行预氧化、碳化等工序加工,才能形成均匀的石墨化晶体结构而具有优异的纤维性能。[1]预氧化是在高温状态下向纤维原丝内部渗入氧原子,脱去氢原子,这是通过一定风速的热风(热风中含有氧)对原丝循环加热来实现的。

普通预氧化机一般设计成若干节,在长度方向一字型排开。这种结构存在2个缺点:一是由于沥青碳纤维原丝的预氧化时间很长,约180 min,按照网链1 m/min的速度计算,预氧化机长度至少需180.0 m,这将使厂房和设备的投资非常大,同时还需要适当增加工位才能使机器良好运行;另一个是由于预氧化温度较高,约300 ℃,设备虽然有保温措施,但保温层表面与厂房内温度至少存在25 ℃的温差,180.0 m长的预氧化机由于隔热层散热面积过大,设备能耗将非常大,设备运行成本也相当高。

为此,邵阳纺织机械有限责任公司研发了层叠式预氧化机,将网链在高度方向层叠后,以一定的风速对原丝循环加热实现预氧化,这样不仅能大大缩短设备的长度,而且还能降低厂房和设备的投资成本,同时也能减小设备的散热面积,降低设备的运行成本。以预氧化时间180 min、网链速度1 m/min、幅宽1.5 m计算,5层层叠式预氧化机的设备长约38.0 m,高4.0 m,宽2.8 m,隔热层散热面积约540 m2,而普通型预氧化机长约需180.0 m,高2.2 m,宽2.2 m,隔热层散热面积为1 595 m2,可见,层叠式预氧化机的隔热层散热面积仅仅是普通型式预氧化机的1/3。本文将对本公司研发的5层层叠式预氧化机作一详细介绍。

1 工作原理

5层层叠式预氧化机的网链为不锈钢人字网,两侧的链条通过穿轴与人字网固结。在高度方向设置了5层网链,每层网链都有热风循环系统进行热风氧化,每层网链错位排列,以使上层网链上的纤维毡掉落后立即被下层网链接住继续热风氧化,每层网链落丝端设置有挡丝板,以防止纤维毡掉落时意外飞散。各网链的运行方向与相邻网链的运行方向相反。网链传动系统由电动机减速器、链条传动、主动链轮、轴承座、被动链轮、滑动轴承座等组成。每层网链单独传动,采用同步电动机变频调速以确保所有网链速度一致。每层网链有2个传动轴,一个为主动轴,另一个为被动轴。电动机减速器通过链条传动将动力传给主动轴上的主动链轮,再通过网链与被动链轮之间的摩擦力使被动链轮转动。为了使网链的松边在下,紧边在上,每层网链的主动轴和被动轴的放置位置与相邻网链的相反。

热风循环系统主要由循环风机、锥形分配室、喷风管、吸风管组成。承载纤维毡的网链位于薄型风盒的喷风管和吸风管之间,吸风管在喷风管的正下方,热风从喷风管的喷风小孔喷出后,往下穿透纤维毡,并由吸风管上的吸风小孔吸附在网链上,跟随网链运动,经过第一层网链的热风氧化,再翻转掉落至第二层网链的热风氧化,以此类推,直至经过第五层(底层)网链的热风氧化,共计5次的热风氧化。热风循环系统始终以一定风速对纤维毡循环加热,最终完成预氧化的工艺要求。

2 工艺流程

纺丝组件落丝→负压吸附装置→第一层网链→第一层网链热风循环系统→第二层网链→第二层网链热风循环系统→第三层网链→第三层网链热风循环系统→第四层网链→第四层网链热风循环系统→第五层网链→第五层网链热风循环系统→出丝。

3 层叠式预氧化机简介

图1为层叠式预氧化机的立面剖视图、网链传动系统的侧面剖视图和热风循环系统的侧面剖视图。

1—负压吸附装置; 2—纺丝组件; 3—纤维毡; 4—吸风管; 5—喷风管; 6—挡丝板; 7—顶层网链; 8—第二层网链; 9—第三层网链; 10—第四层网链; 11—底层网链; 12—循环风机; 13—隔热门; 14—机架; 15—分配室; 16—电动机减速器; 17—链条传动; 18—轴承座; 19—主动链轮; 20—被动链轮; 21—滑块轴承座。图1 层叠式预氧化机

3.1 负压吸附装置

短纤维从纺丝组件(2)喷丝后,掉落到顶层(第一层)网链(7)上,负压吸附装置(1)位于顶层网链(7)的中间偏左位置,如图1a)所示。抽风风机通过风管结合件、调风管结合件、调风板结合件、分配室与吸风管相连。安装在调风管结合件上的调风板结合件的作用是通过手柄手动调节吸风口大小,从而控制吸风量,最终使纤维毡的堆砌高度或蓬松度符合氧化生产工艺的相关要求。抽风风机工作时,在网链下方产生一个均匀的负压区,将短纤维吸住并形成一定厚度的纤维毡(3),防止短纤维飞散。一般负压区网链表面的风压设定为200 Pa左右比较合适,风压太小吸附效果不好,纤维四处飘散;太大风机功率消耗将成倍增大。

3.2 网链系统

本机型在高度方向设置5层网链。网链(7～11)为不锈钢人字网,两侧的链条通过穿轴与人字网固结,人字网用于承载纤维毡(3),链条用于传递动力。每层网链错位排列,以使上层网链上的纤维毡掉落后刚好被下层网链接住,各网链的运行方向与相邻网链的相反。

如图1a)所示,顶层网链(7)以1 m/min左右的速度向右匀速移动,直到顶层网链(7)的端头,同时在网链(7～11)端头设置挡丝板(6),以防纤维毡掉落时意外飞散。由于顶层网链(7)翻转,纤维毡(3)因重力作用掉落,第二层网链(8)超出顶层网链(7),因此纤维毡(3)刚好掉落在第二层网链(8)上,第二层网链(8)移动方向与顶层网链(7)相反,纤维毡(3)反方向运行至第二层网链(8)端头,并落入第三层网链(9)……以此类推,直至底层网链(11)。

如图1b)所示,各层网链(7～11)都配置1台电动机减速器(16)传动,5台电动机减速器采用同步电动机变频调速,以确保各网链(7～11)速度一致,相邻网链运行方向相反。每层网链(7～11)都有1个主动链轮(19),1个被动链轮(20)。电动机减速器(16)通过链条传动(17)将动力传给主动轴上的主动链轮(19),再通过网链(7～11)两侧的链条带动被动轴上的被动链轮(20)转动。为了防止链条传动时卡住,损坏传动系统,必须使网链(7～11)的松边在下,紧边在上,因此各层网链(7～11)的主动链轮和被动链轮的放置位置需与相邻网链的相反。

被动链轮(20)安装在被动轴上,网链(7～11)的一侧安装在被动链轮(20)上。由于烘房内部工作温度可至350 ℃,网链将产生热胀冷缩现象。经计算,工作温度为350 ℃时,网链热伸长量约为240 mm,因此被动轴的轴头两端安装了滑块轴承座(21),滑块轴承座(21)再与气缸连接,从而起到适当张紧的作用。

3.3 热风循环系统

如图1c)所示,喷风管(5)设置在网链(7～11)的上方,而设置在网链(7～11)下方的吸风管(4)隔着网链正对喷风管(5),由于纤维毡(3)比较松散,因此低压热风也能穿透纤维毡(3),喷风管(5)的吹风方向为由上往下,且风速控制在8 m/min以下,因此可防止纤维毡飞扬,往下穿透纤维毡,然后纤维毡(3)再被吸风管(4)上的吸风小孔吸附在网链上,跟随网链运动,经过顶层网链(7)的热风氧化后,纤维毡(3)再翻转掉落至第二层网链(8)热风氧化,以此类推,直至经过底层网链(11)的热风氧化,共5次热风氧化。每层热风循环系统都配置了补风部件,这样热风循环系统就可始终以一定的风速对纤维毡(3)循环加热,实现预氧化,最终达到预氧化的工艺要求。

热风循环系统主要由循环风机(12)、锥形分配室(15)、喷风管(5)、吸风管(4)组成。循环风机的一端和弯管结合件、风管结合件、过滤网结合件、弯管结合件、锥形分配室(15)和吸风管(4)连接。过滤网结合件不仅能有效过滤短小纤维,而且还可保护循环风机(12)不被杂物缠绕而烧坏,但安装时要求保留过滤网垂直方向的抽出空间(过滤网使用一段时间后需取出清理);循环风机另一端和电加热器、弯管结合件、锥形分配室(15)及喷风管(5)连接,电加热器特别订制,工作温度约为350 ℃,且要求电热管可被从保温层随意取出,以方便维修。

3.4 烘房系统

烘房是纺织机械烘燥设备的必要组成部分,烘房的密封性能和隔热性能直接影响烘房的烘燥效率。[2]烘房系统四周隔热层的作用是隔绝室内热空气与室外冷空气产生对流,防止室内热空气向外散发热量而降低热空气温度或升温缓慢。为此,隔热层由数十块长方形或正方形的隔热门组成,安装在烘房机架上,以防止烘房内热量由隔热门传导扩散,在达到工艺温度要求的同时节能环保。

烘房系统的机架(14)主要为框架结构,分为出料端机架、吸风端机架、中间段机架、进料端机架和后段机架,每节烘房长2～4 m,机架零件的制造实现高度通用化,便于设备生产管理、安装和运输。烘房机架(14)之间主要用螺丝对掐连接,各机架部件中间固定,相邻留有伸缩缝,便于部件的热胀冷缩。烘房机架(14)伸缩缝之间的伸缩条、盖板及矿棉板使用方现场配做,安装时烘房底座也需铺矿棉板。

烘房系统的隔热门(13)主要为积木式结构,分为出料端隔热门、吸风端隔热门、中间段隔热门、进料端隔热门和后段隔热门,隔热门(13)覆盖在机架部件(14)外围,厚度达200 mm,能有效减少隔热门(13)表面的热量散失。

隔热门(13)主要由形状相同、大小各异的隔热门结合件组成。隔热门结合件按功能又分为活隔热门和死隔热门。活隔热门可以方便地打开检修或处理异常情况,由把手、里板、面板、密封条和保温层组成;死隔热门的作用是保温和支撑,死隔热门相对于活隔热门没有把手,只是四周多了安装孔。死隔热门一般四周通过螺钉和机架连接、固定,侧面通过铰链和活隔热门连接(作为活隔热门的支点),最终活隔热门通过2个铰链及把手上的门钮(门钮滑入机架上的安装孔内)3个点实现固定,通过把手实现开启或闭合。

4 结语

随着社会节能环保意识的不断强化,邵阳纺织机械有限责任公司生产的层叠式预氧化机通过缩短设备长度,适当增加设备高度,使设备具有能耗低、生产连续、适用范围广、预氧化效果显著、运行成本低等特性,该设备必将得到更为广泛的应用,可为化纤行业提高产品档次、开拓国内外市场奠定坚实基础。