高碳炉内部保温结构仿真分析_韩宝灯.pdf

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，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 Analysis 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 thermal 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 structure,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 insulation 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）t3=t4+qS3m3（4）由于随温度变化，首先假设各界面温度的初值，一般假定值应满足t1t2t3t4。按此算出各层平均导热率的第一次近似值，再由公式分别计算热流密度及各界面的第一次近似值，若界面温度的第一次近似值与假设值相差大于5%，则再将各界面温度的第一次近似值代入，计算各层的平均热导率、热流密度和各界面温度的第二次近似值，直至各界面温度前后两次近似值的差小于5%时为止。这种方法需要多次计算确定平均热导率、热流密度及各界面温度，计算工作量大，计算结果精度低，同时设计人员为提高保温效果会增加保温材料的用量，导致高碳炉制造成本增加。3仿真计算3.1建立仿真模型为了确定不同保温材料的厚度，减小保温材料的使用量，使保温材料内最高温度符合材料参数要求，同时达到炉体外壁冷却板在停水状态下温度小于100 的 目标。我们借 用SolidWorks软件中的Simulation模块对保温结构进行分析，以减小计算工作量。SolidWorks可以快捷地建立各种结构的模型，是目前应用较为广泛的三维设计软件。它采用参数化特征建模技术，可以使设计者方便地修改模型的特征参数，具有很强的操作性。同时Simulation是完全嵌套在SolidWorks中的有限元分析软件，软件操作方便易学。根据高碳炉工艺温度要求保温结构从内向外分别使用石墨硬毡、石墨软毡、陶瓷纤维及冷却板。在SolidWorks中建立有关保温结构三维模型单元，模型如图2所示，其中S1、S2、S3、S4分别代表石墨硬毡、石墨软毡、陶瓷纤维及冷却板的厚度，根据冷却板的结构特点S4厚度为5 mm。一般高碳炉保温结构厚度（不包含冷却板）为315 mm左右，以炉墙内表面温度为1 800 为例计算，设计了四种保温结构厚度，保温结构A为40 mm石墨硬毡+200 m石墨软毡+75 mm陶瓷纤维；保温结构B为40 mm石墨硬毡+190 m石墨软毡+85 mm陶瓷纤维；保温结构C为40 mm石墨硬毡+225 m石墨软毡+50 mm陶瓷纤维；保温结构D为50 mm石墨硬毡+190 m石墨软毡+75 mm陶瓷纤维。现石墨硬毡价格在26万元/m3左右，石墨软毡价格在12万元/m3左右，陶瓷纤维价格在1 200元/m3左右，需要结合成本对不同的保温结构进行仿真计算。3.2参数设定及计算结果经过查询专业厂家资料，得到在氮气保护下保温结构中不同保温材料导热系数，如图3所示。可得到以下规律：石墨硬毡在02 000 之内导热系数在0.180.855 W/（mK）之间变化，石墨软毡在02 000 之内导热系数在0.060.7 W/（mK）之间变化，陶瓷纤维在01 200 之内导热系数在图1多层平壁炉墙导热示意图tt1t2t3t4qS1S2S3x044工 业 炉第 45 卷第 1 期2023 年 1 月0.030.43 W/（mK）之间变化。各保温材料在低温状态下导热系数小，保温效果好，随着温度升高导热系数变大，保温效果变差且导热系数和温度的变化不是线性比例。在400 以下时陶瓷纤维导热系数小于石墨硬毡及石墨软毡，在700 以上时陶瓷纤维导热系数上升较快，大于石墨硬毡及石墨软毡，石墨软毡导热系数一直小于石墨硬毡。石墨硬毡、石墨软毡及陶瓷纤维理论最大使用温度分别为2 000、2 000 及1 200，为安全考虑对三者实际最大使用温度设定为1 800、1 800 及1 000。设定总环境温度为293 K，设定炉壳与空气自由对流区域对流系数为24 W/（m2K），设定各材料之间紧密接触无缝隙。冷却板使用304L不锈钢，导热系数为16 W/（mK）。经过对四种保温结构进行模拟计算并结合保温材料的成本，确认石墨硬毡厚度40 mm，石墨软毡厚度200 mm，陶瓷纤维厚度75 mm，冷却板厚度5 mm时结构最优，保温结构的热力图解如图4所示，使用SolidWorks Simulation中数据提取功能，分别获得不同保温材料内的温度变化，即石墨硬毡温度在1 8001 692 之间，石墨软毡温度在1 692943.2 之间，陶瓷纤维温度在943.296.6 之间，冷却板温度在96.696 之间，各保温材料内实际温度小于最大温度，炉壳温度小于100，符合设计预期。4结论使用SolidWorks Simulation对高碳炉保温结构进行热力学分析，可有效反应保温结构内不同保温材料的温度分布情况，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，可有效降低设计成本，缩短设计时间。参考文献：1杨君刚材料加热炉基础M西安：西北工业大学出版社，2009.2陈超祥，胡其登.Solidworks Simulation高级教程M.杭州新迪数字工程系统有限公司，译.北京：机械工业出版社,2018.3贺福.碳纤维及石墨纤维M.北京：化学工业出版社，2010.4贺福，李润民.生产碳纤维的关键设备碳化炉J.高科技纤维与应用，2006，31（4）:16-245王文胜，孙海英，张贵，等.高温碳化温度对碳纤维性能的影响J.化工科技，2014，22（6）:12-13.6王秉铨.工业炉设计手册M.北京：机械工业出版社，1996.7张毅鹏，孙中心.一种高温碳化炉外部保温材料隔热性能的模拟方法:CN202011275884.3P.2020-11-16.8王寿增，顾静，苗蔚，等.工业窑炉中几种炉衬耐火材料结构的传热分析J.稀有金属材料与工程，2009，38（S2）:1259-1262.9李东辉，孙创，夏新林.多层隔热材料的热设计方法研究J.宇航材料工艺，2013，43（2）:22-25.10卢涛.新型高温碳化炉热-力耦合效应分析及结构优化设计D哈尔滨:哈尔滨工业大学，201711林刚，张永福，乔荫春，等.一种规模化生产碳纤维的高温碳化炉:2012204499602P.2012-09-05.12欧阳艳艳，姚雅萱，刘争，等.碳纤维材料高温碳化过程研究进展概述J.计量科学与技术，2020（10）：68-72.图2三维模型单元结构示意图图4保温结构热力图解S4S3S2S1图3不同保温材料导热系数图0.90.80.70.60.50.40.30.20.100200400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800