1、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 400 1 800 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
2、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 1 000 1 800 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
3、 分 为 5 7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
4、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
5、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 Temperature Carbonization Furnace HAN Baodeng 1,LUO Qianqian 2（1.Zhejiang Jinggong Science&Technology Co.Ltd.,Shao
6、xing 312000,China;2.Shaoxing Fangyuan Inspection Technology Co.Ltd.,Shaoxing 312000,China）Abstract:In order to reduce the design cost of the thermal insulation structure of the high temperature carbonization furnace and shorten the design time,determine the thickness of different insulation material
7、s to 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
8、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;thermodynami
9、cs 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 0
10、00。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 t 1及 t 4（t 1 t 4），各 层 厚 度 分 别 为 S 1、S 2及 S 3，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）
11、：q=t 1-t 4S 1 m1+S 2 m2+S 3 m3（1）t 2=t 1-q S 1 m1（2）t 3=t 2-q S 2 m2（3）t 3=t 4+q S 3 m3（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 t 1 t 2 t 3 t 4。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
12、 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
13、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 S
14、olidWorks 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 S 1、S 2、S 3、S 4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 S 4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
15、 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
16、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 0 2 000 之 内 导 热系 数 在 0.18 0.855 W/（m K）之 间 变 化，石 墨 软 毡 在 0 2 000 之 内 导 热系 数 在 0.06 0.7 W/（m K）之 间 变 化，陶瓷 纤 维 在 0 1 200 之 内 导 热系 数 在 图 1 多 层 平 壁
17、炉墙 导 热示意图 t t 1t 2t 3t 4q S 1S 2 S 3x 044工 业炉 第 45卷 第 1期 2023年 1月 0.03 0.43 W/（m K）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
18、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/（m 2 K），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/（m K）。经 过 对 四 种 保温结构进 行 模拟 计 算 并
19、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 1 800 1 692 之 间，石 墨 软 毡 温 度 在 1 692 943.2 之 间，陶瓷 纤 维 温 度 在 943.2 96.6 之 间，冷却 板 温 度 在 96.6 96 之 间，各
20、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
21、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）:16-24 5 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
22、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
23、 哈 尔 滨:哈 尔 滨 工业 大 学，2017 11 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 S 4 S 3 S 2 S 1图 3 不同 保 温 材 料 导 热 系 数图 0.90.80.70.60.50.40.30.20.100 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000导 热 系 数/W（m K）-1温 度/软 毡 硬 毡 陶瓷 纤 维 45
