一種激光隧道全反射軸心聚焦碳纖維石墨化爐的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種帶淬火功能的激光隧道全反射軸心聚焦碳纖維石墨化爐，特別是涉及石墨化后碳纖維的淬火過程以及密封系統，屬于碳纖維石墨化加工領域。
【背景技術】
[0002]碳質材料的碳原子為不規則排列，只有通過2000?3300°C的高溫熱處理，使碳原子發生再結晶，重新有序排列，才能呈現石墨的晶體結構，從而具有石墨的許多優良性能。石墨化爐的功能就是使碳質材料轉化為人造石墨材料，例如為鋼鐵冶煉、鋁冶煉、負極材料、其它有色金屬行業、核工業等提供優質碳元素的石墨材料。
[0003]目前，使用得最為廣泛的石墨化爐是艾奇遜爐。艾奇遜爐為敞開式長方形爐體結構，生產過程為將碳化物縱向或橫向并列，并在碳化物的周圍填充冶金焦和石英沙，在爐體的長度方向通電，利用焦碳的電阻發熱，最終使被加熱物本身也產生電阻發熱；在焦碳的外圍再用焦粉、碳黑、硅砂、焦碳、碳化硅混合物等襯料進行熱屏蔽以隔熱。但是，艾奇遜爐為臥式、敞開式結構，熱能損耗嚴重，所耗電能按變量單耗為20?40GJ/T，并且產品純度不高；爐體冷卻時間長石墨化過程在通電加熱時需2?7天，但要使大量的填料焦碳冷卻，需要2周左右的較長時間，進行噴水強制冷卻對環境污染影響大，效率低；產品受熱不均，質量不穩定；高溫過程中排放的二氧化硫氣體無法收集治理，造成環境污染。
[0004]為避免高溫下碳纖維被氧化，石墨化爐內部為無氧環境，必須將石墨化爐與外界大氣隔離開來，需要一種動密封裝置。以往大多采用的是非接觸式迷宮密封裝置，該種密封方式的工作原理是:迫使流體通過曲折的途徑，遞減其壓力，以減少泄露，實現密封。非接觸式迷宮密封的結構復雜，拆裝困難，用于氣體密封時有一定泄露，密封效率較低。
[0005]磁流體密封是利用在外加磁場作用下磁流體具有承受壓力差的能力而實現的密封。一般情況下，磁性回路由永久磁鐵、極靴和轉軸組成。放置在導磁性良好的轉軸與極靴頂部之間的磁流體在高性能的永久磁鐵產生的磁場作用下高度集中，形成一個液體O型密封圈，當磁流體受到壓力差作用時，磁流體在非均勻磁場中略微移動，產生了對抗壓力差的磁力，從而達到新的平衡，進而將轉軸與極靴間的縫隙堵死而達到密封的目的。
[0006]磁流體密封中的轉軸可以是磁性體，也可以是非磁性體。前者的磁束集中于轉軸與極靴間的縫隙處，通過轉軸構成磁性回路；后者的磁束并不通過轉軸，而是通過縫隙中的磁流體構成磁性回路。
【發明內容】
[0007]為解決上述問題，本發明提出一種帶淬火功能的激光隧道全反射軸心聚焦碳纖維石墨化爐，利用纖維輸送系統將纖維輸送至石墨化腔，激光加熱系統對纖維加熱，實現石墨化，石墨化后的高溫纖維進入淬火腔，采用液氬對其進行淬火處理，最后用碳纖維卷曲收集裝置收集淬火后的碳纖維。同時，整個裝置采用磁流體螺紋密封與大氣隔絕。激光加熱提高了石墨化效率，降低生產成本和能源消耗，淬火過程使石墨化纖維結晶更加致密，大大提高了纖維的強度和韌性，磁流體螺紋密封安全可靠，無泄漏，易維護，能夠更好地將石墨化爐與外界大氣隔離開，為石墨化過程提供無氧環境，保證碳纖維質量。
[0008]為實現上述功能，本發明采用的技術方案如下:一種激光隧道全反射軸心聚焦碳纖維石墨化爐，由石墨化腔、淬火腔、激光加熱系統、密封系統、纖維輸送系統和安全附件六部分組成，由石墨化腔、淬火腔、激光加熱系統、密封系統、纖維輸送系統和安全附件六部分組成，激光加熱系統位于石墨化腔內，石墨化腔與淬火腔通過密封系統相連，纖維輸送系統帶動纖維分別穿過石墨化腔、密封系統和淬火腔，石墨化腔包括:爐壁、端部法蘭、連接法蘭、鞍座、真空泵、石墨套筒和手孔；淬火腔包括:淬火腔體、液氬入口和液氬出口 ；激光加熱系統包括:激光源、安裝架、無機玻璃板和平面鏡；密封系統包括:緊固螺釘、O型圈、密封端蓋、磁流體、橡膠墊圈、永久磁體、非導磁安裝套筒、螺紋極靴和橡膠墊片；纖維輸送系統包括:纖維輸送裝置和碳纖維卷曲收集裝置；安全附件包括壓力傳感器和溫度傳感器，壓力傳感器和溫度傳感器安裝在爐壁上。石墨化腔提供纖維高溫石墨化的場所，淬火腔內將石墨化后的高溫碳纖維通過液氬冷卻淬火，激光加熱系統提供石墨化所需要的高溫環境，密封系統采用磁流體螺紋密封裝置將石墨化爐內的無氧環境與外界大氣隔絕，纖維輸送系統將纖維持續輸送進入石墨化爐，安全附件用于檢測設備是否正常運行。纖維輸送裝置將碳化后的纖維輸送進入石墨化腔，激光聚焦在石墨化腔軸線上，使該部位溫度達到3200°C，纖維石墨化，然后石墨化纖維進入淬火腔，通過液氬提供的低溫環境對碳纖維進行淬火，最后由碳纖維卷曲收集裝置收集高強度碳纖維，整個裝置采用磁流體螺紋密封裝置。
[0009]本發明一種激光隧道全反射軸心聚焦碳纖維石墨化爐，石墨化腔內裝有激光加熱系統，由激光提供高溫環境，無機玻璃板裝在安裝架上，每個無機玻璃板一端裝有激光源，無機玻璃板上裝有多組平面鏡，激光源發射的激光通過平面鏡匯聚在石墨化腔軸線方向，通過調節無機玻璃板組數和平面鏡角度控制石墨化腔內溫度高低。可根據需要選擇無機玻璃板組數，如四組或更多偶數組。
[0010]本發明一種激光隧道全反射軸心聚焦碳纖維石墨化爐，纖維輸送系統始終對纖維提供牽引力，使纖維在整個裝置中勻速前進，速度可根據石墨化程度適量調節，同時牽引作用對纖維產生拉伸強化，提高纖維軸線方向的強度。
[0011]本發明一種激光隧道全反射軸心聚焦碳纖維石墨化爐，淬火腔與石墨化腔通過連接法蘭連接，淬火腔內通過液氬提供低溫環境，同時，氣化產生的氬氣通過石墨化腔與淬火腔連接處的縫隙補充進入石墨化腔，確保石墨化腔內的無氧環境。淬火腔內裝有壓力傳感器，隨時監控淬火腔內壓力高低，當淬火腔達到0.2MPa時控制激光源和纖維卷曲收集裝置、纖維輸送裝置正常工作，否則自動停止運行。
[0012]本發明一種激光隧道全反射軸心聚焦碳纖維石墨化爐，密封系統采用磁流體螺紋密封裝置，非導磁安裝套筒貫穿淬火腔體，并通過緊固螺釘進行固定，在非導磁安裝套筒內裝有永久磁體、螺紋極靴和磁流體，磁流體在永久磁體產生的磁場作用下被約束在磁場中，從而填滿螺紋極靴的螺紋和孔洞，碳纖維穿過磁流體被密封。螺紋極靴內孔為螺紋孔，螺紋孔內盛滿磁流體，碳纖維從螺紋孔穿過。
[0013]本發明一種激光隧道全反射軸心聚焦碳纖維石墨化爐，石墨化爐正常工作時，先打開石墨化腔的真空泵，將石墨化腔和淬火腔抽真空，然后打開液氬入口處閥門，使液氬進入淬火腔，直至淬火腔處壓力傳感器檢測結果達到0.2MPa時，控制系統自動打開激光源、纖維輸送裝置和碳纖維卷曲收集裝置。纖維勻速通過石墨化腔和淬火腔，實現石墨化，并通過淬火提高強度。
[0014]本發明一種激光隧道全反射軸心聚焦碳纖維石墨化爐，磁流體螺紋密封裝置正常工作時，永久磁體產生的磁場穿過螺紋極靴，從而使螺紋極靴螺紋孔中的磁流體處于磁場的約束下，填滿螺紋極靴的螺紋和孔洞。通過螺紋孔中的磁流體、螺紋極靴和永久磁體構成磁回路。碳纖維穿過磁流體，而磁回路中的磁流體具有承受壓力差的能力，能夠阻擋外界氣體進入爐內，從而實現激光隧道石墨化爐與大氣之間的密封。
[0015]本發明一種激光隧道全反射軸心聚焦碳纖維石墨化爐，其優點和作用為:
[0016](I)激光加熱大大提高了石墨化效率，避免熱量損失，降低生產成本和能源消耗，產品質量穩定，操作安全；
[0017](2)液氬淬火過程使石墨化纖維結晶更加致密，大大提高了纖維的強度和韌性；
[0018](3)磁流體螺紋密封安全可靠，無泄漏，易維護，能夠更好地將石墨化爐與外界大氣隔離開，為石墨化過程提供無氧環境，保證碳纖維質量。
【附圖說明】
[0019]圖1