מסגרת מבנית של תנור/כבשן/תנור פחמן:
תנור הפחמן מסיבי פחמן מורכב בעיקר מגוף התנור, מערכת חימום, מערכת בקרת אוויר, התקן משיכה ומערכת בקרת טמפרטורה.
מבנה בסיסי של גוף תנור/תנור פחמן:
גוף התנור הוא המעטפת החיצונית של תנור הפחמן, העשוי בדרך כלל מפלדת אל-חלד עמידה לטמפרטורות גבוהות ויכול לעמוד בטמפרטורות גבוהות ולחצים מסוימים. שכבת בידוד חום תותקן גם בתוך גוף התנור. חומרי בידוד חום נפוצים כוללים צמר קרמי, שיכול להפחית ביעילות את אובדן החום. זה כמו להניח שכבה חמה על התנור, שיכולה לא רק להבטיח שהטמפרטורה בתוך התנור יציבה, אלא גם למנוע בעיות בטיחות הנגרמות מטמפרטורה חיצונית מוגזמת. לחלק מתנורי הפחמן בקנה מידה קטן המשמשים לניסויים יש גופי תנור קטנים יחסית ועובי שכבת הבידוד החום יכול להיות 5-10 ס"מ; בעוד שלתנורי הפחמן המשמשים לייצור תעשייתי בקנה מידה גדול יש גופי תנור גדולים ועובי שכבת הבידוד החום יכול להגיע ליותר מ-20 ס"מ.
הרכב מערכת החימום של תנור/תנור פחמן:
מערכת החימום היא "לב" תנור הפחמן, המספק חום לתהליך הפחמן. שיטות חימום נפוצות הן חימום חשמלי וחימום בגז. חימום חשמלי משתמש בדרך כלל בחימום באמצעות חוט התנגדות, וחוט ההתנגדות מסודר באופן שווה בתוך התנור. בתנורי פחמן קטנים במעבדות, חימום באמצעות חוט התנגדות נפוץ מאוד מכיוון שיש לו בקרת טמפרטורה מדויקת יותר. חימום בגז מייצר חום על ידי שריפת גז טבעי או גז פחם. תנורי פחמן תעשייתיים גדולים משתמשים בעיקר בשיטה זו, שיכולה לספק במהירות הרבה חום. לדוגמה, במפעל גדול המייצר סיבי פחמן, תנור פחמן המחומם בגז יכול לצרוך עשרות מטרים מעוקבים של גז טבעי לשעה, ולהעלות במהירות את הטמפרטורה בכבשן לטמפרטורה הגבוהה הנדרשת לפחמן.
מערכת בקרת גז של תנור/כבשן/תנור פחמן:
מערכת בקרת הגז אחראית על הכנסת גז מגן לתוך הכבשן ופליטת גז הפליטה. גז ההגנה הוא בדרך כלל חנקן או ארגון, שיכולים למנוע את חמצון הסיבים במהלך תהליך הפחמן. לפני הפעלת כבשן הפחמן, כמות גדולה של חנקן תוכנס לכבשן כדי לפלוט את האוויר וליצור סביבת גז אינרטי. מערכת פליטת גזי הפליטה חייבת לפלוט במהירות את הגזים המזיקים הנוצרים במהלך תהליך הפחמן, כגון פחמן חד-חמצני ופחמן דו-חמצני. באזורים מסוימים עם דרישות גבוהות להגנת הסביבה, מערכת פליטת גזי הפליטה של כבשן הפחמן תצויד גם במכשיר טיהור לטיפול בגז הפליטה לפני פליטתו.
התקן משיכה של תנור/כבשן/תנור פחמן:
התקן המשיכה נועד לאפשר לחומר הסיבים לנוע במהירות אחידה בתוך התנור כדי להבטיח קרבוניזציה אחידה. הוא מורכב ממנוע, רצועת הילוכים וגליל הנחיה. המנוע מניע את רצועת ההילוכים לסיבוב, ורצועת ההילוכים מניעה את גליל ההנחיה לסיבוב, וחומר הסיבים נלכד בין רצועת ההילוכים לגליל ההנחיה ונע קדימה. בייצור בפועל, יש להתאים את מהירות המשיכה בהתאם לסוג הסיבים ולתהליך הקרבוניזציה. לדוגמה, בעת ייצור סיבי פחמן בעלי ביצועים גבוהים, ניתן לשלוט על מהירות המשיכה בכמה מטרים לדקה; בעוד שכאשר מייצרים סיבי פחמן רגילים, המהירות עשויה להיות מהירה יותר, ולהגיע ליותר מעשרה מטרים לדקה.
מערכת בקרת טמפרטורה של תנור/כבשן/תנור פחמן:
מערכת בקרת הטמפרטורה היא המפתח להבטחת איכות הפחמן. היא כוללת חיישני טמפרטורה, בקרים והתקני כוונון חימום. חיישני טמפרטורה מפוזרים במיקומים שונים של גוף הכבשן כדי לנטר את הטמפרטורה בכבשן בזמן אמת. הבקר משווה את הטמפרטורה בפועל המוזנת על ידי החיישן בהתאם לעקומת הטמפרטורה שנקבעה, ולאחר מכן שולט בהתקן כוונון החימום כדי להתאים את עוצמת החימום. לדוגמה, כאשר החיישן מזהה שהטמפרטורה בכבשן נמוכה מהערך שנקבע, הבקר יורה למערכת החימום להגדיל את ההספק; כאשר הטמפרטורה גבוהה מדי, ההספק יופחת. במהלך תהליך הפחמן, עקומת הטמפרטורה נקבעת באמצעות בדיקות חוזרות ונשנות. דרישות הטמפרטורה בשלבים שונים שונות. יש להעלות את הטמפרטורה במהירות בשלב המוקדם, הטמפרטורה צריכה להיות יציבה בשלב הבידוד האמצעי, ויש לשלוט גם על מהירות הקירור בשלב מאוחר יותר.
מבנה דלת של תנור/כבשן/תנור פחמן:
דלת הכבשן חייבת להיות אטומה היטב כדי למנוע אובדן חום וכניסת אוויר. דלת הכבשן בדרך כלל מאמצת מבנה דו-שכבתי, השכבה הפנימית היא חומר עקשן עמיד בטמפרטורה גבוהה, והשכבה החיצונית עשויה מפלדת אל-חלד. ישנן דרכים רבות לאטום את דלת הכבשן. הנפוצה ביותר היא איטום טבעת גומי. טבעת איטום גומי עמידה בטמפרטורה גבוהה מותקנת על קצה דלת הכבשן, שיכולה להתאים היטב לגוף הכבשן כאשר הדלת סגורה. חלק מתנורי הפחמן הגדולים משתמשים גם במכשירי איטום הידראוליים כדי ללחוץ את דלת הכבשן בחוזקה דרך המערכת ההידראולית, מה שיש לו אפקט איטום טוב יותר. לאחר פתיחת דלת הכבשן כדי לקלוט ולהכניס חומרים בכל פעם, יש לבדוק האם טבעת האיטום שלמה והאם היא פגומה או ישנה.
תצורת מערכת קירור של תנור/תנור פחמן:
הטמפרטורה של סיבי פחמן לאחר הפחמן גבוהה מאוד, ונדרשת מערכת קירור כדי לקרר אותם. ישנן שתי מערכות קירור: קירור אוויר וקירור מים. קירור אוויר הוא נשיפת אוויר ליציאת התנור דרך מאוורר כדי להוציא את החום של סיבי הפחמן. שיטה זו פשוטה יחסית, אך מהירות הקירור איטית יחסית. קירור מים הוא הצבת מיכל קירור מים ביציאת התנור, וסיבי הפחמן יתקררו במהירות בעת מעברם דרך מיכל קירור המים. בייצור בקנה מידה גדול, קירור מים נפוץ יותר, שיכול להפחית במהירות את טמפרטורת סיבי הפחמן ממאות מעלות צלזיוס לטמפרטורת החדר. לדוגמה, בחברת ייצור סיבי פחמן, טמפרטורת המים של מיכל קירור המים תישמר על 20-30 ℃, והחום יילקח באופן רציף על ידי מים במחזור.
מבנה תמיכה של תנור/כבשן/תנור פחמן:
מבנה התמיכה של תנור הפחמן חייב להיות יציב ולשאת את משקל גוף התנור והחומרים הפנימיים. מבנה התמיכה מרותך בדרך כלל עם חתיכות פלדה, כגון חתיכות פלדה גדולות בצורת H, בעלות מאפיינים של חוזק גבוה ויציבות טובה. בעת התקנת תנור/כבשן/תנור הפחמן, יש להתקין את מבנה התמיכה על קרקע ישרה ויש לבצע כיול אופקי כדי להבטיח שגוף התנור מאוזן. אם מבנה התמיכה אינו יציב וגוף התנור מוטה, הדבר ישפיע על תנועת הסיבים בתנור ועל אפקט הפחמן.
נקודות מפתח בבניית שכבת בידוד:
איכות הבנייה של שכבת הבידוד משפיעה ישירות על צריכת האנרגיה של תנור הפחמן. בעת הנחת חומרי בידוד כגון צמר קרמי, יש לשים לב למילוים הדוק ללא פערים. עבור פינות ומפרקים מסוימים, יש להשתמש בדבק מיוחד עמיד בטמפרטורה גבוהה לאיטום. בבנייה בפועל, העובדים יניחו תחילה שכבה של נייר אלומיניום מחזיר אור בתוך גוף התנור, ולאחר מכן ימלאו אותו בחומרי בידוד, מה שיכול לשפר עוד יותר את אפקט הבידוד. חלק מהמפעלים גם יעטפו שכבת רשת תיל מחוץ לשכבת הבידוד כדי למנוע מחומר הבידוד ליפול.
התקני הגנה בטיחותיים:
תנור הפחמן מצויד במגוון התקני בטיחות. התקן אזעקת חום יתר ישמיע אזעקה וינתק אוטומטית את אספקת החשמל לחימום כאשר הטמפרטורה בכבשן עולה על ערך הבטיחות שנקבע. התקן הגנת הלחץ יכול לנטר את הלחץ בכבשן ולפתוח אוטומטית את שסתום שחרור הלחץ כאשר הלחץ גבוה מדי. ישנו גם התקן לגילוי דליפות גז. לאחר גילוי דליפת גז מגן או גז פליטה, הוא יפעיל מיד אזעקה ויפעיל את מערכת האוורור. בסדנת הייצור, התקני בטיחות אלה משמשים כמו "שומרים" נאמנים, שתמיד מבטיחים את בטיחות הציוד והצוות.
חיבור עם ציוד אחר:
תנור/תנור הפחמן/הפחמן אינו פועל באופן עצמאי, אלא צריך להיות מחובר לציוד טיפול מקדים לסיבים מלפנים ולציוד טיפול לאחר סיב הפחמן מאחור. לפני שהסיב נכנס לתנור הפחמן, הוא צריך לעבור תהליכי טיפול מקדים כגון שרטוט וחמצון מקדים; לאחר הפחמן, הוא צריך לעבור תהליכי טיפול לאחר סיום כגון טיפול פני השטח וגודל. לכן, בעת תכנון תנור הפחמן, יש לקחת בחשבון את התאמת הממשק והתהליך לציוד זה. לדוגמה, מהירות המשיכה של תנור הפחמן חייבת להיות עקבית עם מהירות הפריקה של ציוד הטיפול המקדים כדי להבטיח תהליך ייצור חלק.
