[发明专利]低温碳化炉系统中的碳布张力自动控制装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种自动控制领域的机电自动控制装置，具体是一种燃料电池用碳布低温碳化炉系统中的碳布张力自动控制装置。

背景技术

在燃料电池用碳布的低温碳化工艺过程中碳布的张力是一个很重要的参数，它直接影响碳布的强度。国际上通用的碳纤维生产工艺是先将聚丙烯腈纤维预氧化后经1000-1500℃的碳化，如经过更高温度的处理则可得到石墨纤维或石墨化碳纤维。目前石墨化碳纤维产品主要由国外进口，生产石墨化碳纤维的关键之一是专用生产设备能否满足生产工艺要求。现有的改进工艺是先将预氧化纤维纱线编织成布，然后通过碳化炉碳化，最后再经石墨化高温处理。在碳化过程中碳布本身会有热收缩现象。对这种热收缩不加管理，将直接导致构成纤维的碳原子排列无序、构成纱线的纤维之间松散，从而降低纱线乃至布的强度。控制这种热收缩的有效方法是对行进在碳化炉中的布施加牵伸张力。牵伸张力通过收放丝机构差速实现，但牵伸张力的大小往往无法显示，或者能够显示往往没有实现自动控制，因此不能在最佳牵伸力的条件下生产，致使牵伸不能发挥应有的作用。

经对现有技术文献的检索发现，发明名称为：一种高强高模碳纤维专用生产设备，申请号CN02135138.4，申请日2002.6.20公开日2002.12.18，该技术自述：高频加热反应管分段设计，依次由脱氧段、裂解段、石墨化段、气冷段和水冷段组成，碳纤维在分段的反应管中连续的通过，石墨化段的反应温度控制在2500—2650℃，在催化剂的作用下完成碳纤维的石墨化过程。牵伸装置增加了牵伸力显示器；通过光学测温使反应管内微小的温度变化变成电信号反馈到高频发生器内，由计算机控制和调节高频发生器的输出功率。采用该装置生产的石墨化碳纤维具有高强、高模的力学性能，强度>3.5GPa，模量>400GPa。但是该技术仅通过前组合轮的阻力作用和调速电机的转速调节控制对碳纤维的牵伸力，没有述及牵伸力的反馈控制，而且该技术仅是使牵伸力定量化显示。

日本专利名称为：METHOD FOR PRODUCING CARBON FIBER(一种制备碳纤维的方法)，申请号JP2007314901，申请日2006.05.24，公开日2007.12.06，但该技术仅公开了应用于长丝纤维的技术方案，对于碳布的实施方式并无记载，同时该技术对张力的控制局限于很小范围。

再经检索发现，日本三菱丽阳株式会社的中国专利申请，名称为：用于碳纤维的丙烯腈基前体纤维及其制备方法，CN200410006862.1，申请日1999.07.22，公开日2004.10.13，该技术揭示了一种碳纤维的丙烯腈基前体纤维的制备方法，该技术的缺陷在于：必须通过滚筒多次加温拉伸以提高碳纤维的拉伸比。

现有技术采用碳化炉和石墨化炉内加热碳素纤维，同时沿纤维方向加轴向张力牵伸，使石墨微晶层沿纤维轴向重新排列取向，达到提高抗拉模量和强度的效果。由于碳纤维中存在着大量石墨微晶，这些微晶尺寸及完善化程度及之间互相联结关系对最终形成的石墨化纤维力学性能有重要的影响，这就大大增加了设备的造价和工艺操作难度。这就使得低温碳化炉内的设计上具有很高的难度，使成品率降低，价格昂贵，以及无法实现真正连续化纤维的加工。由于国际上仅有少数几个国家能够生产该项产品，为满足尖端学科和军工部门的需要，需要以4000-6000元/kg的高价从国外进口。上述因素均严重限制了我国石墨化纤维的研发和推广应用。

上述现有技术存在明显问题和不足，由于碳布在低温碳化炉内随着挥发份的逸出会有收缩，即使上述三项现有技术相结合，亦未能解决基于无超调PID算法的反馈控制策略的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种低温碳化炉系统中的碳布张力自动控制装置，由张力传感器直接测出碳布的实际张力值反馈回张力控制器，构成闭环张力自动控制系统，达到了精确控制碳布张力的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：电位器、进口变频控制器、进口驱动辊、张力控制器、张力辊、出口变频控制器和出口驱动辊，其中：进口驱动辊置于低温碳化炉前，进口变频控制器与电位器和进口驱动辊组成闭环反馈链路，低温碳化炉后依次放置张力辊和出口驱动辊，张力控制器分别与张力辊和出口变频控制器连接，出口变频控制器连接出口驱动辊输出碳布。

所述的进口驱动辊包括：变频调速电机、减速箱、进口动力辊和进口压紧辊，其中：变频调速电机与减速箱相连，减速箱连接至进口动力辊，两个进口压紧辊分别置于进口动力辊的前后用于将碳布压紧。