專利名稱：一種熱處理含鈉碳制品的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及含鈉碳制品的高溫?zé)崽幚?，更具體地，涉及熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的氣態(tài)排出物的處理。
背景技術(shù)：
本發(fā)明應(yīng)用的具體領(lǐng)域是制造碳纖維織物或預(yù)制物以便構(gòu)成復(fù)合材料件(例如碳/樹(shù)脂復(fù)合件，比如C/環(huán)氧樹(shù)脂或C/酚醛樹(shù)脂件、或者熱結(jié)構(gòu)復(fù)合件，比如碳/碳(C/C)復(fù)合件或碳-增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合件)的纖維增強(qiáng)材料。
這種纖維織物通常利用碳前體纖維獲得，因?yàn)樗鼈冊(cè)诔惺苄纬煽椢锼璧目椘分圃觳僮鞣矫姹忍祭w維更好。通常所用的碳前體纖維是預(yù)氧化的聚丙烯腈(PAN)纖維、由瀝青制成的纖維、酚醛樹(shù)脂纖維以及人造纖維。
至少在某些應(yīng)用中，不僅必須將前體轉(zhuǎn)化為碳，而且還必須在通常高于1000℃的高溫以及低壓之下進(jìn)行后續(xù)熱處理，以便消除金屬或金屬雜質(zhì)，尤其是前體中的鈉，和/或以便賦予纖維特殊的物理化學(xué)性質(zhì)。
因而，對(duì)于由來(lái)源于一種預(yù)氧化PAN前體的碳所制成的體，實(shí)踐中通常執(zhí)行兩個(gè)連續(xù)的階段·適于將前體化學(xué)轉(zhuǎn)變成碳的碳化的第一階段，這個(gè)第一階段以工業(yè)規(guī)模地在爐中通過(guò)逐漸地將爐內(nèi)加熱溫度升高到約900℃而進(jìn)行；和
·在高溫下進(jìn)行熱處理的第二階段，試圖通過(guò)升華作用消除任何來(lái)源于前體的鈉，當(dāng)試圖消除其它金屬雜質(zhì)或進(jìn)行碳纖維的非常高溫的熱處理時(shí)，這個(gè)第二階段同樣地在爐中通過(guò)逐漸將其溫度升高到約1600℃或者實(shí)際上約2000℃至2200℃，或者甚至2500℃而進(jìn)行。
第二階段通常在低壓下進(jìn)行同時(shí)用惰性氣體(例如氮?dú)?進(jìn)行清掃。
當(dāng)碳制品由復(fù)合材料件的增強(qiáng)纖維織物構(gòu)成時(shí)，第二階段通常在利用復(fù)合材料的樹(shù)脂、碳或陶瓷基體致密化纖維織物之前進(jìn)行。對(duì)于碳和/或陶瓷基熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，可以用液體方法進(jìn)行致密化，也就是，通過(guò)注入一種液體化合物(例如一種構(gòu)成基體材料前體的樹(shù)脂)，然后借助于熱處理改變前體。致密化也可以通過(guò)氣體方法進(jìn)行，也就是，通過(guò)化學(xué)氣相滲透，此處這兩種方法，液體方法和氣體方法，都是公知的并且可以彼此相結(jié)合地隨意使用。
在現(xiàn)有設(shè)備中，氣態(tài)排出物的冷卻導(dǎo)致了在用于讓排出物離開(kāi)熱處理爐的出口下游的管道壁上形成一種含鈉的沉積物。必須定期清理這些管道，并且清理并不容易，因?yàn)榇嬖谥c沉積物劇烈反應(yīng)的危險(xiǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種通過(guò)在清理氣態(tài)排出物的排出管道的同時(shí)防止管道的壁承受會(huì)潛在構(gòu)成危險(xiǎn)的沉積物從而避免上述缺點(diǎn)的方法。
該目的是通過(guò)一種碳制品在爐中被加熱同時(shí)用惰性氣體在低壓之下進(jìn)行清理的方法獲得的，其中有氣態(tài)排出物從爐中被連續(xù)地抽出，所述排出物尤其包括處于升華狀態(tài)并且沿著排出物排出管移動(dòng)的鈉，在該方法中，根據(jù)本發(fā)明，在緊鄰用于從爐中抽出氣態(tài)排出物的出口的下游處，至少一種鈉中和劑被注入排出物排出管中。
因此，形成于緊鄰爐排出物出口下游的排出物排出管或其它裝置的壁上的沉積物能在后續(xù)階段被很輕易地清除并且毫無(wú)危險(xiǎn)。申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，不僅單質(zhì)鈉與氣態(tài)排出物一起以升華狀態(tài)被排出，而且可排出易于形成具有潛在問(wèn)題或者甚至危險(xiǎn)的沉積物的鈉化合物，例如氧化鈉NaO2。術(shù)語(yǔ)“中和”鈉此處不僅涵蓋中和單質(zhì)鈉，而且也涵蓋中和化合物，例如NaO2。
術(shù)語(yǔ)“鈉中和劑”用于表示任何使得可以獲得穩(wěn)定且相對(duì)容易清除的鈉化合物的物質(zhì)。優(yōu)選地選擇相當(dāng)易于處理的鈉中和劑，例如蒸汽或者優(yōu)選地是可選地與蒸汽相混合的二氧化碳。
鈉中和劑可以在由從爐中排出氣態(tài)排出物的管所形成的彎頭處或者其下游被注入。
注入的鈉中和劑也可在惰性氣體例如氮?dú)庵邢♂尅?br> 在熱處理過(guò)程中，鈉中和劑可以連續(xù)地注入到從爐中抽出的氣態(tài)排出物氣流中，從而形成穩(wěn)定且易于清除的鈉化合物并且避免鈉沉積在排出管的壁上。
在本方法的另一實(shí)施例中，鈉中和劑在排出管被清理之前和熱處理結(jié)束之后被注入排出管中以中和已經(jīng)沉積在排出管的壁上的鈉。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種能實(shí)施這種方法的設(shè)備。
這個(gè)目的是通過(guò)一種熱處理含鈉碳制品的設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，該設(shè)備的類型為包括爐體、用于為清掃目的而向爐內(nèi)供給惰性氣體的裝置、以及用于從爐內(nèi)排出氣態(tài)排出物的管，根據(jù)本發(fā)明，該設(shè)備還包括用于在緊鄰爐出口的后面處將鈉中和劑注入排出管的裝置。


在閱讀下述以非限制性標(biāo)記的方式給出并且參考附圖作出的描述之后，將能理解到本發(fā)明的熱處理方法和設(shè)備的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。在附圖中·圖1是構(gòu)成本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的設(shè)備的高度示意性總圖；·圖2是示出用于從圖1設(shè)備的爐中排出氣態(tài)排出物的裝置的一部分的詳細(xì)視圖；·圖3是示出在本發(fā)明另一實(shí)施例中用于從圖1設(shè)備的爐中排出氣態(tài)排出物的裝置的一部分的詳細(xì)視圖。
具體實(shí)施例方式
以下在高溫?zé)崽幚碛蓮奶记绑w纖維制成的碳化織物而獲得的碳纖維織物的應(yīng)用范圍內(nèi)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。術(shù)語(yǔ)“高溫?zé)崽幚怼庇糜诒硎驹谝粋€(gè)比織物碳化過(guò)程中一般所遇到的溫度要高的溫度下進(jìn)行的處理，即高于1000℃的溫度，通常處于1400℃至2000℃或2200℃或者甚至2500℃的范圍內(nèi)。熱處理過(guò)程在用惰性氣體(例如氮?dú)饣驓鍤?清掃的同時(shí)在低壓下(即壓力低于大氣壓力，并且優(yōu)選地低于50千帕(kPa)，通常處于0.1kPa至50kPa范圍內(nèi)，并且優(yōu)選地低于5kPa)進(jìn)行。本發(fā)明的方法可應(yīng)用于消除纖維中的任何低濃度鈉，例如少于80ppm(百萬(wàn)分之一)，或者清除更高濃度的鈉，例如高于3500ppm。
圖1是爐10的高度示意性表示，爐10包括一個(gè)形式為垂直軸柱體的襯托器12，該垂直軸柱體限定了用于充滿碳制品(未示出)的體積或閉合空間11的側(cè)壁。
襯托器12(例如由石墨制成)頂上覆蓋有蓋板14，并且通過(guò)與繞著該襯托器12的感應(yīng)線圈16感應(yīng)連結(jié)而被加熱，絕熱層18介于襯托器和感應(yīng)線圈之間。感應(yīng)線圈由控制電路20驅(qū)動(dòng)，該控制電路用于傳送隨著爐的加熱需求而變的電能。
感應(yīng)線圈可沿著爐的高度被細(xì)分為多個(gè)段。每個(gè)段獨(dú)立地被電驅(qū)動(dòng)以使得能在爐中限定出溫度可以獨(dú)立調(diào)節(jié)的不同加熱區(qū)域。
爐底由覆蓋有底板24的絕熱體22(例如由石墨制成)形成，并且其上豎立有襯托器12。
該組件容納在例如由金屬制成并且由可拆卸罩28氣密地閉合的外殼26中。
配備有閥31的管30連接至惰性氣體源(未示出)，例如供應(yīng)氮?dú)釴2。為了清掃的目的，管30通過(guò)爐的頂部將惰性氣體供給到爐10中，可選地通過(guò)在爐的外殼26周圍不同位置處開(kāi)口的多個(gè)進(jìn)口32來(lái)供給。
抽出裝置40連接至穿過(guò)爐底的出口管道42以將在碳制品受到熱處理時(shí)所產(chǎn)生的氣態(tài)排出物抽出，從而使得可以特別地消除任何殘留的鈉。
裝置40通過(guò)帶有二氧化碳(CO2)注射進(jìn)口46的排出管44連接至出口管道42。如圖2所詳細(xì)示出，管44在其通過(guò)法蘭45連接至爐出口管道42的端部形成彎頭44a。注射進(jìn)口46連接至管48，管48又連接至輸送CO2氣體并帶有閥49的源(未示出)。管48伸出一個(gè)穿入管44的噴嘴50以將CO2氣體朝著彎頭44a的下游端注入所述管中，從而保證了沒(méi)有CO2氣體意外地通過(guò)出口管道42注入爐內(nèi)。可以沿著管44設(shè)置多個(gè)彼此隔開(kāi)的注入CO2氣體的點(diǎn)。
CO2注入在盡可能靠近爐出口的一個(gè)位置處進(jìn)行，在該位置，排出物中所含的鈉仍處于升華狀態(tài)。通過(guò)管44中的彎頭進(jìn)行的注入促使CO2和氣態(tài)排出物通過(guò)湍流相混合。
兩個(gè)柱狀物52和54串聯(lián)地連接于管44和帶有閥57的管56之間，這兩個(gè)柱狀物52和54帶有將氣體限制為曲折流動(dòng)的擋板53和55。
在閥57和閥59之間的管56中裝配有泵58，以使得允許泵58連入回路或者與之隔離。泵58用于產(chǎn)生爐中的預(yù)定低壓。盡管只是示出了一個(gè)泵，也可以為了冗余的目的優(yōu)選地設(shè)置兩個(gè)泵。由泵58抽出的氣態(tài)排出物被帶入一個(gè)供給到煙囪62的燃燒器60。
爐10配備有連接至控制電路20的溫度傳感器以將加熱溫度調(diào)整至預(yù)定數(shù)值。
舉例來(lái)說(shuō)，兩個(gè)所用的傳感器64a和64b由光學(xué)瞄準(zhǔn)的高溫計(jì)構(gòu)成，傳感器容納在罩28上，并透過(guò)形成于罩中的窗口28a、28b以及貫穿襯托器的蓋板14所形成的開(kāi)口14a和14b進(jìn)行測(cè)量。并不是必須要使用多個(gè)高溫傳感器，但是多個(gè)高溫傳感器使得可以在不同水平上進(jìn)行測(cè)量并且通過(guò)對(duì)比消除異常的測(cè)量結(jié)果。優(yōu)選地使用能產(chǎn)生一直可用的連續(xù)信號(hào)的雙色高溫計(jì)。
由傳感器64a、64b測(cè)得的溫度應(yīng)用于控制電路20以使得可以驅(qū)動(dòng)感應(yīng)線圈從而使得溫度按照預(yù)定的溫度升高曲線而變化。
根據(jù)外殼內(nèi)的溫度，從約1000℃開(kāi)始，包含在纖維織物中的鈉開(kāi)始釋放，并且與氣態(tài)排出物一起以升華狀態(tài)排出，或以單質(zhì)狀態(tài)或可選地以化合物狀態(tài)，例如以氧化鈉NaO2的形式排出。通過(guò)打開(kāi)閥49，CO2以受控的速率注入管44，從而Na(或NaO2)一離開(kāi)爐就被中和，并且防止其沉積在管44的壁上。
為了安全的原因，CO2在低于900℃的溫度開(kāi)始注入。這種注入優(yōu)選地是連續(xù)的，至少直到處理結(jié)束。所得到的碳酸鈉被收集起來(lái)，具體地收集在擋板柱狀物52、54中。凈化了鈉的氣態(tài)排出物被帶入燃燒器60中。
應(yīng)當(dāng)注意的是，和在沒(méi)有鈍化時(shí)所觀察到的含量相比，用CO2中和鈉也增大了由柱狀物52和54所收集的沉積物中氰根離子(CN-)含量的降低，并且從而增加了由于沒(méi)有任何Na沉積物而獲得的安全性。
具體地，抽出裝置40，或者至少其包括擋板柱狀物52、54以及可能還有管44的那部分，被定期地清理以消除沉積的碳酸鈉。清理可通過(guò)在原處用水沖洗或者在至少部分地拆卸抽出裝置之后在清洗容器的水中清洗而進(jìn)行。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例(圖3)中，鈉通過(guò)水合而中和。為此，管44設(shè)有一個(gè)或多個(gè)注射裝置70，例如以繞著管44的中空環(huán)72的形式。注射裝置70緊接地置于彎頭44a的下游，并且隔離閥71插在爐的出口42和注射裝置70之間。在所示實(shí)例中，兩個(gè)環(huán)沿著管44彼此隔開(kāi)地布置。注射環(huán)72由管74并聯(lián)供應(yīng)，管74通過(guò)帶有閥75的管76連接至鈉中和劑的源(例如蒸汽源)，并且同時(shí)通過(guò)帶有閥79的管道78連接至惰性氣體(例如氮?dú)饣驓鍤?的源。
從注射裝置70向下，在氣態(tài)排出物的流動(dòng)方向上，管44提供了一個(gè)凈化口，該凈化口連接至帶有閥81的凈化管80。從其與凈化管的連接處向下，管44可通過(guò)閥57直接連接至泵58，此例中并不是必須使用擋板柱狀物。設(shè)備的其余部分與上述設(shè)備類似。
每個(gè)注射環(huán)72形成了一個(gè)繞著管44的曲折管道并且通過(guò)穿過(guò)管壁的孔74彼此相通?？?4可相對(duì)于管44的壁的法線傾斜，從而將鈉中和劑流向下導(dǎo)向。
在如上所述通過(guò)注入CO2的熱處理過(guò)程中可以注入H2O+N2混合物，或者也可以在熱處理過(guò)程結(jié)束之后注入，以水合已經(jīng)沉積在管44的壁上的鈉。
在任一情況下，為了保證沒(méi)有鈉沉積在從最靠近爐出口的注射裝置向上的管44的壁上，管44可沿著其將出口管42連接到所述注射裝置的部分被保溫，保溫層43用于避免鈉由于氣態(tài)排出物冷卻太快而在管44的壁上的任何過(guò)早凝結(jié)。保溫層43可由加熱裝置(例如電阻)替換或與之相連。
在通過(guò)連續(xù)注入氣態(tài)排出物氣流從而將包含在氣態(tài)排出物中的鈉水合的熱處理結(jié)束階段之后，或者在鈉沉積物在熱處理之后已被水合之后，管44被凈化或清理。
為此，打開(kāi)閥75和81，并閉合閥71、57和79，讓液態(tài)的水進(jìn)入管76并從該管進(jìn)入注射裝置70。管44可在多種后續(xù)情況下進(jìn)行清洗以消除通過(guò)中和鈉而得到的氫氧化鈉。
清洗之后，可僅僅通過(guò)打開(kāi)閥57并將泵58設(shè)置為運(yùn)行狀態(tài)同時(shí)關(guān)閉閥75和81而干燥管44。
盡管可以利用圖3的實(shí)施例主動(dòng)地注入蒸汽，但優(yōu)選地用氮?dú)鈱⑵湎♂屢员苊馀c鈉的過(guò)度反應(yīng)，假設(shè)待中和的鈉的數(shù)量很小的話。
在圖1和2的實(shí)施例中，注入的CO2也可以通過(guò)與氮?dú)饣旌隙♂尅?br> 其它不同的實(shí)施例也是可能的，尤其通過(guò)對(duì)圖1和2的實(shí)施例進(jìn)行修改從而不是連續(xù)地注入CO2，而是蒸汽或者CO2與蒸汽的混合物，可能由惰性氣體所稀釋。
無(wú)論如何，應(yīng)當(dāng)注意到，和H2O相比，借助于CO2中和鈉是有利的，因?yàn)槠洚a(chǎn)生的碳酸鈉更易于處理，更少腐蝕性，并且沒(méi)有氫氧化鈉活潑。
上述方法和設(shè)備尤其適用于由從預(yù)氧化的PAN前體制得的體所獲得的碳制品，尤其適于用于制造碳/樹(shù)脂、C/C或碳/陶瓷類型的復(fù)合材料(例如具有碳化硅基體(C/SiC)或硅、硼和碳三重基體(C/Si-B-C)的)中所用的碳纖維織物。
織物是利用處于碳前體狀態(tài)的纖維制得的，這時(shí)纖維在經(jīng)受織物制造操作上比其為碳纖維時(shí)更好?？椢锟梢允且痪S(例如紗線或纖維束)，兩維(例如由平行的纖維束或紗線構(gòu)成的編織物或編織片)，或者實(shí)際上三維(例如通過(guò)纏繞細(xì)絲，或者通過(guò)將織物或片堆疊、纏繞或起皺成層疊狀或可選地比如針織或縫合連結(jié)在一起所得到的預(yù)制物)。纖維預(yù)制物的例子是用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴喉管或分叉部分的預(yù)制物或者用于制動(dòng)片的預(yù)制物。
本發(fā)明也應(yīng)用于由預(yù)氧化PAN之外的其它碳前體材料所獲得的碳制品，并且其也包含待消除的鈉或者可能的一種或多種其它金屬或金屬雜質(zhì)。這樣的前體包括瀝青、酚醛樹(shù)脂材料以及人造絲。
本發(fā)明的方法是優(yōu)選的，因?yàn)槠涫沟每梢韵w維中濃度非常低的鈉，例如濃度低于80ppm(百萬(wàn)分之一)，用例如在水中沖洗的方法不可能消除這種鈉。這種方法也能用于消除纖維中更高濃度的鈉，例如濃度超過(guò)3500ppm。
除了鈉之外，還可能通過(guò)升華作用消除鈣和/或鎂。
當(dāng)碳制品需要表現(xiàn)為非常高的純度時(shí)，除了鈉之外，也可能需要消除例如Fe、Ni和Cr等金屬。那么就需要進(jìn)行溫度高到足以能使這些金屬汽化的熱處理，例如，達(dá)到2000℃或2200℃的溫度，或者甚至達(dá)到2500℃。
權(quán)利要求
1.一種熱處理含鈉碳制品的方法，在該方法中，該碳制品在爐中于低壓之下被加熱同時(shí)用惰性氣體進(jìn)行清掃，并且將處于升華狀態(tài)的含鈉氣態(tài)排出物通過(guò)排出物排出管從爐中連續(xù)抽出，該方法的特征在于，在緊鄰用于從爐中抽出氣態(tài)排出物的出口的下游處，將至少一種鈉中和劑注入排出物排出管中。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該鈉中和劑選自于二氧化碳和蒸汽。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，該鈉中和劑在一個(gè)彎頭處或其下游被注入，該彎頭由用于從爐中排出排出物的管形成。
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，該注入的鈉中和劑在一種惰性氣體中被稀釋。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，該惰性氣體是氮?dú)饣驓鍤狻?br> 6.如權(quán)利要求1至5中任一所述的方法，其特征在于，該鈉中和劑被連續(xù)地注入到在熱處理過(guò)程中從爐中抽出的氣態(tài)排出物氣流中。
7.如權(quán)利要求1至5中任一所述的方法，其特征在于，該鈉中和劑在熱處理結(jié)束之后被注入該排出管中，以便在進(jìn)行清理之前中和沉積在該排出管壁上的鈉。
8.一種熱處理含鈉碳制品的設(shè)備，該設(shè)備包括爐(10)、為清掃目的而向爐內(nèi)供給惰性氣體的裝置(40)、以及用于從爐內(nèi)排出氣態(tài)排出物的管(44)，該設(shè)備的特征在于，還包括用于在緊鄰爐出口的后面處將鈉中和劑注入排出管(44)的裝置(50；72)。
9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，包括至少一個(gè)用于注入該鈉中和劑的噴嘴(50)，該噴嘴穿入該排出管(44)。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，該噴嘴(50)穿入該排出管(44)的彎頭(44a)。
11.如權(quán)利要求8至10中任一所述的設(shè)備，其特征在于，具有多個(gè)用于注入鈉中和劑的點(diǎn)，這些點(diǎn)沿著該排出管彼此隔開(kāi)。
12.如權(quán)利要求8至10中任一所述的設(shè)備，其特征在于，該排出管(44)帶有凈化裝置(80，81)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種方法，其包括，碳制品在爐(10)中于低壓之下被加熱同時(shí)用惰性氣體進(jìn)行清掃，并且處于升華狀態(tài)的含單質(zhì)或化合物鈉的氣態(tài)排出物通過(guò)排出物排出管(44)從爐中連續(xù)地被抽出。在緊鄰用于從爐中抽出氣態(tài)排出物的出口的下游處，至少一種鈉中和劑被注入排出物排出管中。鈉中和劑選自于二氧化碳和蒸汽，并且其能被連續(xù)地注入氣態(tài)排出物氣流中。
文檔編號(hào)F27B5/16GK1668789SQ03816588
公開(kāi)日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2003年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月12日
發(fā)明者讓－艾蒂安·隆克勒, 雅基·米內(nèi) 申請(qǐng)人:Snecma固體燃料推進(jìn)器公司