《高模量碳纖維生產(chǎn)用石墨化爐技術(shù)條件》行業(yè)標準制訂報批

《高模量碳纖維生產(chǎn)用石墨化爐技術(shù)條件》行業(yè)標準制訂報批資料《高模量碳纖維生產(chǎn)用石墨化爐技術(shù)條件》行業(yè)標準編制說明（征求意見稿）《高模量碳纖維生產(chǎn)用石墨化爐技術(shù)條件》行業(yè)標準2019年9月《高模量碳纖維生產(chǎn)用石墨化爐技術(shù)條件》行業(yè)標準編制說明（征求意見稿）工作簡況任務來源2018年12月，中華人民共和國工業(yè)和信息化部《關(guān)于印發(fā)2018年第五批行業(yè)標準制修訂計劃的通知》下達了標準制訂計劃要求。主要工作過程2018年12月組成標準編制組，構(gòu)思了標準制訂方案，開始收集相關(guān)信息、進行調(diào)研。聯(lián)系了國內(nèi)有代表性的單位，起草了標準草案。2019年3月起草了標準工作稿。2019年5月11-12日，編制組在山東威海召開了第一次工作會議，中國建筑材料聯(lián)合會標準主管部門負責人出席了會議。經(jīng)過充分討論，編制組達成了如下共識：為避免歧義，針對高溫碳化爐的用途，將標準名稱修改為《高模量碳纖維生產(chǎn)用石墨化爐技術(shù)條件》；在會后進行樣本采集、開展驗證試驗；按會議確定的驗證試驗項目和試驗方法開展驗證試驗；外觀和尺寸的驗證試驗由各參編生產(chǎn)單位按照試驗方法自行進行，將試驗結(jié)果匯總給編制組。期間，編制組共對來自不同廠家的2臺石墨化爐樣本進行了驗證試驗。2019年6月，編制組向相關(guān)單位和人員以及社會進行了公開的意見征求工作，并根據(jù)收到的回函意見提出了意見處理草案。2019年8月6-7日，在山東威海召開了第二次編制組工作會議，會上編制組人員討論確定了征求意見處理表內(nèi)容，對標準草案進行了逐字逐句的討論并達成共識，形成了標準送審稿修改意見。此后，編制組根據(jù)第二次編制組工作會議的意見對標準文本進行了修改整理，形成了標準送審資料。主要參加單位和工作組成員及其所做的工作標準編制工作得到了全體編制單位的大力支持。工作組由建筑材料工業(yè)技術(shù)監(jiān)督研究中心牽頭，威海光威精密機械有限公司負責執(zhí)筆標準文件的編制和全面驗證試驗，北京化工大學、威海拓展纖維有限公司、威海光威復合材料股份有限公司、山東光威碳纖維產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院、工業(yè)和信息化部威海電子信息技術(shù)綜合研究中心、威海市計量所、濟南力冠電子科技有限公司等進行調(diào)研、部分驗證試驗、樣品收集、標準文本修改等工作。各編制單位和人員全面參與了標準的修訂工作，提出了很多很好的建議，奠定了本標準的基礎，使標準編制工作得以順利進行。項目背景高模量碳纖維生產(chǎn)用石墨化爐是制造高模量碳纖維的關(guān)鍵設備，發(fā)達國家嚴格限制石墨化爐對我國的出口。目前，石墨化爐已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化，由于缺乏相關(guān)標準，石墨化爐性能良莠不齊，技術(shù)參數(shù)不統(tǒng)一，產(chǎn)品性能及設備使用壽命差異大，一定程度上限制了高模量碳纖維的產(chǎn)生和應用。目前急需制訂本標準對國內(nèi)高模量碳纖維生產(chǎn)用石墨化爐的制造提供指導技術(shù)條件并進行規(guī)范。行業(yè)調(diào)研情況高模量碳纖維生產(chǎn)用石墨化爐是制造高模量碳纖維最關(guān)鍵的設備，決定著高模量碳纖維最終的力學性能。發(fā)達國家對我國進口石墨化爐實施許可證制度，嚴重制約我國高模量碳纖維的制造生產(chǎn)和相關(guān)應用的發(fā)展。高模量碳纖維生產(chǎn)用石墨化爐在我國起步比較晚，近年來隨著設備和制造工藝的突破，我國已陸續(xù)研制成功M40J、M45J、M55J等一系列高模量碳纖維，很大程度上擺脫了對國外材料的依賴。隨著技術(shù)和新材料的發(fā)展與應用，設計和制備高溫碳化爐的技術(shù)逐步取得突破，在原來只能制造用于實驗室的單區(qū)段管式爐的基礎上，發(fā)展出了具有5個區(qū)段以上的矩形石墨化爐，降低了爐內(nèi)的溫度梯度，增大了工藝自由度，可以更好地滿足纖維生產(chǎn)的工藝要求，提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量穩(wěn)定性。隨著加工設備和加工水平的進步，各零部件的加工精度也得到極大提高，從而保證了各連接件尤其是加熱結(jié)構(gòu)的連接穩(wěn)定性和部件的互換性，提高了石墨化爐的穩(wěn)定性和降低了維護成本。在石墨化爐的應用中經(jīng)常出現(xiàn)加熱元件使用壽命短、維護保養(yǎng)頻率高的問題，易造成頻繁停爐，導致生產(chǎn)效率降低，生產(chǎn)成本增加，應對使用壽命加以規(guī)定，提高生產(chǎn)效率，降低維護成本。石墨化爐的壽命長短以及碳纖維的質(zhì)量與爐內(nèi)保護氣氛的純度息息相關(guān)，氣氛中含氧量和含水量越低，其與纖維、石墨材料及碳素纖維隔熱材料發(fā)生的反應越少，從而可以保證碳纖維的生產(chǎn)質(zhì)量，同時延長爐內(nèi)其它材料的使用壽命，因此需要對爐內(nèi)保護氣氛加以規(guī)定。石墨化爐屬于超高溫電熱裝置，其冷卻系統(tǒng)的合理性和穩(wěn)定性對于石墨化爐的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，因此需要對冷卻系統(tǒng)加以規(guī)定。石墨化爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定性和均勻性關(guān)系到高模量碳纖維的質(zhì)量穩(wěn)定性和同批次高模量碳纖維的質(zhì)量分布，對于高模量碳纖維的成品率起著重要的作用，因此需要對爐溫的穩(wěn)定度和均勻度加以規(guī)定。GB/T10067.4-2005《電熱裝置基本技術(shù)條件第4部分：間接電阻爐》產(chǎn)品類型中不包括高模量碳纖維生產(chǎn)用石墨化爐，目前國內(nèi)尚沒有針對高模量碳纖維生產(chǎn)用石墨化爐的產(chǎn)品標準。中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要中將高性能碳纖維列為重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)；同時“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃中提出重點研制碳纖維及其復合材料，突破制備、評價、應用等核心關(guān)鍵技術(shù)。標準編制原則和主要內(nèi)容的說明標準編制原則本標準的編寫按照GB/T1.1-2009的要求進行。在本標準的編寫過程中注意貫徹協(xié)調(diào)一致的原則，與已發(fā)布的相關(guān)國家標準、行業(yè)標準和規(guī)范相協(xié)調(diào)。既考慮相關(guān)規(guī)范標準，也注重產(chǎn)品的實際生產(chǎn)與應用情況和質(zhì)量水平。本標準確定的性能及指標，緊扣生產(chǎn)和使用的特點，既考慮產(chǎn)品的材質(zhì)特性，也充分考慮了使用環(huán)境對產(chǎn)品的要求。本標準規(guī)定的試驗方法和檢驗規(guī)則強調(diào)切實可行，具有科學性和可操作性，試驗方法盡量采用已有的國際標準、國家或行業(yè)的標準。本著標準的最大自由度原則，對產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)制造工藝不加限制，但要求產(chǎn)品應滿足高模量碳纖維生產(chǎn)基本的技術(shù)要求和盡可能長的使用壽命。本標準主要技術(shù)路線是：通過調(diào)研，廣泛收集各方意見，考慮其典型使用條件，通過驗證試驗，制訂出產(chǎn)品的技術(shù)指標、檢驗方法、檢驗規(guī)則和運輸貯存等標準要求?？紤]產(chǎn)品的技術(shù)進步和引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。標準主要內(nèi)容的說明范圍本節(jié)規(guī)定了本標準的適用范圍，即規(guī)定了碳纖維石墨化化階段使用的、連續(xù)性生產(chǎn)的石墨化爐的分類和標記、技術(shù)要求、性能要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志、包裝、運輸和貯存及訂購和供貨的要求。規(guī)范性文件本節(jié)列出了在本標準中所引用的國家標準。術(shù)語和定義為便于使用標準的各方的理解，大部分術(shù)語和定義仍采用國家標準，對有本產(chǎn)品特色的術(shù)語和定義進行了編寫。分類和標記為鼓勵規(guī)格的標準化以便于工程的選用，根據(jù)多年工程的應用情況，列出了幾個常用爐型規(guī)格。為便于國內(nèi)外貿(mào)易，規(guī)定了產(chǎn)品的標記方法并進行舉例。技術(shù)要求根據(jù)多年產(chǎn)品的實際工程應用情況，對石墨化爐的總體設計、制造的技術(shù)要求進行了規(guī)定。一般要求本節(jié)結(jié)合目前石墨化爐的實際運行情況，對石墨化爐爐襯材料和加熱元件的使用期限提出要求，減少用戶因為爐襯（尤其是碳素纖維隔熱材料）損壞或更換加熱元件所造成的停爐次數(shù)，確保用戶生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。設計本節(jié)規(guī)定了石墨化爐的總體設計要求。5.2.1提出了石墨化爐的一般結(jié)構(gòu)形式，為臥式、兩端敞開結(jié)構(gòu)，由爐殼、爐襯、加熱元件、石墨腔、冷卻系統(tǒng)和保護氣體系統(tǒng)等部分組成。由于石墨化爐內(nèi)的加熱元件屬于易損件，需根據(jù)氧化腐蝕情況更換，5.2.2規(guī)定了在設計時需考慮將該部分結(jié)構(gòu)設計成易拆卸、易更換的結(jié)構(gòu)，避免拆爐耗費時間長，更換難度大的問題。由于正常工作時爐體會出現(xiàn)熱膨脹的問題，所以連接到爐體上的各裝置應考慮可隨爐體的熱膨脹而移動或兩者之間采用柔性連接方式連接。由于紅外測溫傳感器在800℃以上才能開始正常測量工作，為避免出現(xiàn)溫度檢測空白期，根據(jù)石墨化爐有效寬度推薦設置測溫傳感器的種類和數(shù)量，確保在不同溫度下均可以連續(xù)穩(wěn)定地對爐內(nèi)溫度進行檢測。制造本節(jié)規(guī)定了石墨化爐的制造要求。5.3.1主要強調(diào)石墨化爐殼體制造中應保證其整體的密封性和穩(wěn)定性，防止爐外氧氣和水氣滲入爐內(nèi)，延緩有害氣氛對爐內(nèi)爐襯和石墨材料被侵蝕，延長其使用壽命。由于石墨化爐爐內(nèi)溫度已經(jīng)超過大多數(shù)金屬和非金屬材料的熔點甚至沸點，所以不得有穿透爐襯的非石墨材料的緊固件，避免緊固件熔化或汽化進而侵蝕爐襯或石墨元件，同時也避免失去緊固件而留下空洞導致的熱量外傳。5.3.2在石墨化爐的工作溫度下，所有常規(guī)和絕大部分特種隔熱材料均已無法使用，因此各區(qū)段內(nèi)層爐襯材料應采用碳素纖維隔熱材料，外層可以使用其它隔熱材料，但應確保兩種爐襯接觸面的溫度不可過高，避免采用其它爐襯可能出現(xiàn)的高溫下?lián)]發(fā)、結(jié)晶，甚至是兩種爐襯材料相互發(fā)生化學反應的情況。5.3.3推薦加熱元件采用細顆粒等靜壓石墨，具有良好的體積密度均勻性。加熱元件會均勻的與爐內(nèi)的有害氣氛發(fā)生反應，同時石墨材料在高溫下的升華也會在加熱元件表面通均勻地發(fā)生，從而保證元件加熱性能的穩(wěn)定性。為確保加熱元件的使用壽命，對加熱元件所采用石墨材料的理化性能和工作時的電負荷提出要求。對加熱元件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性提出要求。為提高加熱效率，對加熱管的相對位置提出推薦性要求。5.3.4石墨腔起間隔纖維和爐內(nèi)其它元件、保護纖維的作用，主要要求其結(jié)構(gòu)性強度高，一般厚度較大，同時為減少其氧化、升華速率，延長其使用壽命，推薦采用致密性較好的細顆粒石墨。體積小的石墨腔可以用整塊石墨整體加工；體積大的石墨腔推薦采用石墨板拼接的方式組合而成，減少材料浪費，節(jié)約成本，同時石墨板拼接時應考慮熱膨脹的影響，預留膨脹空間。5.3.5規(guī)定冷卻水應采用循環(huán)給水的方式，冷卻系統(tǒng)設計上應保證對各部位尤其是高溫部位的冷卻效果，可以實時監(jiān)測各支路的循環(huán)情況。給出冷卻系統(tǒng)工作壓力、進出水溫度以及硬度的推薦值。5.3.6當工作溫度較低時推薦采用成本較低的高純氮氣作為保護氣體；當工作溫度較高時，應采用高純氬氣作為保護氣體，并對保護氣體的純度、含氧量和露點提出要求。石墨化爐為連續(xù)生產(chǎn)的敞開式結(jié)構(gòu)，需要在爐體兩端設置氣體密封裝置，阻止爐外及夾雜在纖維中的氧氣和水分進入爐內(nèi)。由于冷卻系統(tǒng)和保護氣體系統(tǒng)的正常運行對石墨化爐的穩(wěn)定安全至關(guān)重要，所以需建議用戶設置備用應急水源和應急氣源來應對冷卻系統(tǒng)及保護氣體系統(tǒng)的突發(fā)故障。5.3.7對測量、控制和記錄用儀表提出要求，需配備微氧儀和露點儀來實時監(jiān)控氣源及爐內(nèi)各監(jiān)控點的氣氛是否滿足運行要求，推薦增加一氧化碳分析儀來進一步監(jiān)控爐內(nèi)氣氛。性能要求列出了高模量碳纖維生產(chǎn)時石墨化爐需要達到的各項主要性能指標，作為石墨化爐設計、使用和驗收的指導性參數(shù)。石墨化爐的最高工作溫度根據(jù)生產(chǎn)的高模量碳纖維種類和工藝的差異而不同，需要用戶提出具體溫度要求。試驗方法尺寸偏差試驗方法：用最小分度值不大于1mm的測量器具測量樣本的爐口有效寬度、高度和爐體長度以所有樣本的測量值與標稱值之差的極限值作為試驗結(jié)果。標準指標：項目尺寸偏差要求爐口有效寬度，mm≤±3mm/m且不超過±8mm爐口高度，mm≤±5mm爐體長度，mm≤±5mm/m且不超過±25mm試驗結(jié)果：爐口寬度驗證數(shù)據(jù)樣品號12標稱值，mm500965試驗結(jié)果，mm0～1-1爐口高度驗證數(shù)據(jù)樣品號12標稱值，mm5050試驗結(jié)果，mm00爐體長度驗證數(shù)據(jù)樣品號12標稱值，mm70009000試驗結(jié)果，mm-9～-4-5～2合格率：100%。最高工作溫度試驗方法：石墨化爐現(xiàn)場安裝完畢，具備升溫條件后，在空爐的情況下，按技術(shù)文件中規(guī)定的升溫條件和升溫速率進行升溫操作，最高溫區(qū)段的爐溫上升到標牌額定的最高工作溫度。標準指標：樣品號12最高標稱溫度值，℃27002400試驗結(jié)果：最高工作溫度驗證數(shù)據(jù)樣品號12試驗結(jié)果，℃2700～27062400～2403合格率：100％。爐溫均勻度試驗方法：按標準草案7.5的規(guī)定進行。標準指標：序號最高工作溫度爐溫均勻度有效寬度≤500mm有效寬度＞500mm～1500mm有效寬度＞1500mm1≤2500℃±6℃±9℃±12℃2＞2500～3000℃±8℃±12℃±16℃試驗結(jié)果：爐溫均勻度驗證試驗數(shù)據(jù)樣品號12試驗結(jié)果，℃-2～5-3～5合格率：100％。爐溫穩(wěn)定度試驗方法：按標準草案7.6的規(guī)定進行。標準指標：序號最高工作溫度爐溫穩(wěn)定度1≤2500℃±5K/2h2＞2500～3000℃±10K/2h試驗結(jié)果：爐溫穩(wěn)定度驗證試驗數(shù)據(jù)樣品號12試驗結(jié)果，K/2h-3～4-3～2合格率：100％。表面溫升試驗方法：按標準草案7.7的規(guī)定進行。標準指標：爐體表面溫升≤50K。試驗結(jié)果：表面溫升驗證試驗數(shù)據(jù)樣品號12爐殼試驗結(jié)果，K-4.3～58.3-5.2～44.7爐門試驗結(jié)果，K28.4～72.423.6～65.8合格率：100％。噪聲試驗方法：按標準草案7.8的規(guī)定進行。標準指標：距高溫碳化爐外壁1m處噪聲≤85dB。試驗結(jié)果：噪聲驗證試驗數(shù)據(jù)樣品號12試驗結(jié)果，dB69.4～78.366.2～74.6合格率：100％。驗證情況分析在驗證的2組樣品中，綜合合格數(shù)為2，綜合合格率率為100.0％，驗證試驗數(shù)據(jù)匯總見附件1。標準中涉及專利情況本標準中未涉及到專利及其它知識產(chǎn)權(quán)問題。產(chǎn)業(yè)化情況、推廣應用論證和預期達到的經(jīng)濟效果石墨化是高模量碳纖維制備過程中的一個最重要階段，一般是在高純度的保護氣體氣氛內(nèi)將碳纖維加熱到2200～3000℃，進一步去掉非碳原子，將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為具有層狀六方晶格石墨結(jié)構(gòu)、含碳量高于99%的纖維。石墨化階段決定了高模量碳纖維最終的分子結(jié)構(gòu)和力學性能。高模量碳纖維生產(chǎn)用石墨化爐是制造高模量碳纖維的關(guān)鍵設備，石墨化爐的突破既打破了國外的壟斷封鎖，又推動了高模量碳纖維研制、制備和規(guī)?；陌l(fā)展。目前，石墨化爐已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化，由于缺乏國家或者行業(yè)標準，石墨化爐性能良莠不齊，技術(shù)參數(shù)不統(tǒng)一，產(chǎn)品性能及設備使用壽命差異大，一定程度上限制了高模量碳纖維的研制和制備技術(shù)的發(fā)展。近年來，國內(nèi)高模量碳纖維生產(chǎn)用石墨化爐不斷取得突破，其設計、制造、應用已形成了一個比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈，生產(chǎn)廠家2-3家，產(chǎn)值過億元。隨著近年來我國高模量碳纖維的研制取得突破性進展，越來越多的應用到航天等領(lǐng)域，對石墨化爐的需求量也將呈現(xiàn)較高增長，經(jīng)濟效益顯著。本標準的制訂，將有助于從根本上扭轉(zhuǎn)缺乏標準、產(chǎn)品質(zhì)量保障不力的局面，為實現(xiàn)十三五規(guī)劃綱要發(fā)展碳纖維的目標，規(guī)范市場經(jīng)濟秩序、提升裝備質(zhì)量并為高模量碳纖維的研發(fā)、制備和規(guī)?；l(fā)展起到積極作用。本標準的制訂，將有助于