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2018年，帝人（Teijin）破土動工，據(jù)報道，該工廠是目前產(chǎn)能最大的碳纖維生產(chǎn)線。這條生產(chǎn)線已經(jīng)全面投入使用近兩年，有很大的擴張空間。
帝人位于南卡羅來納州格林伍德的18.5萬平方英尺碳纖維生產(chǎn)設(shè)施占地440英畝，占地12英畝，提供了充足的增長空間。
2001年，南卡羅來納州的格林伍德是美國經(jīng)濟最蕭條的縣之一。到2007年，該地區(qū)的六家主要紡織廠停止運營。收入中位數(shù)暴跌近28%，格林伍德縣的貧困水平在短短3年內(nèi)翻了一番。
在此期間，全球先進材料公司有限公司帝人有限公司（Teijin Ltd.）正在尋找一個新的美國碳纖維生產(chǎn)設(shè)施。該公司之前在田納西州洛克伍德有一條Tenax碳纖維生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線最終轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)該公司的Pyromex氧化聚丙烯腈（PAN）纖維，用于阻燃絕緣、碳/碳制動器和燃料電池的氣體擴散層。幾年后，出口挑戰(zhàn)和運輸物流的增加促使該公司投資于一家新的美國工廠，專門生產(chǎn)Tenax結(jié)構(gòu)碳纖維。
最初正在考慮20個潛在地點，根據(jù)公用事業(yè)、熟練勞動力、基礎(chǔ)設(shè)施以及州和地方政府支持等關(guān)鍵因素，重點很快縮小到六個選項。Teijin Carbon America股份有限公司（Greenwood，S.C.，U.S.）的業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理艾倫·布喬克（Aaron Buchok）表示：“這些園區(qū)提供給我們的服務(wù)幾乎完全相同。我們之所以選擇Greenwood，是因為我們覺得它可以對社區(qū)產(chǎn)生重大影響，并高效運營。”。該園區(qū)還提供了一個受過紡織品培訓(xùn)的人才庫，以及通往亞特蘭大、夏洛特以及查爾斯頓和薩凡納港口的鐵路通道，提供了航運和物流優(yōu)勢。
增長空間
除了這些好處之外，格林維爾縣占地約440英畝的場地也為未來的擴建提供了充足的空間。帝人（Teijin）設(shè)想了多條碳纖維生產(chǎn)線，包括前體材料的生產(chǎn)，從而確保該工廠的制造過程自給自足。
雖然格林伍德工廠的PAN前體目前是從日本靜岡縣的帝人（Teijin）三島工廠進口的，但該公司表示，隨著市場的充分增長，這條生產(chǎn)線可能會成為格林伍德未來擴張的一部分。
布喬克說：“我們之所以選擇這個園區(qū)，是因為我們有能力擴展它。”。“我們有足夠的空間來支持這里的多條碳纖維生產(chǎn)線以及前體，所以我們也可以在這里生產(chǎn)自己的原料。”
帝人（Teijin）于2017年購買了這處房產(chǎn)，在南卡羅來納州的幫助下，預(yù)計到2030年將創(chuàng)造220個全職職位。該公司于2018年6月破土動工，如今185000平方英尺的格林伍德工廠占地12英畝多一點。其運營的碳纖維生產(chǎn)線已經(jīng)生產(chǎn)材料近兩年，服務(wù)于從航空航天到汽車等行業(yè)。
“我們今天正在生產(chǎn)可銷售的材料，”布喬克說。“大部分產(chǎn)能用于支持我們的預(yù)浸客戶或?qū)⑵渚幙棾筛杉徔椘返目蛻簟?rdquo;
目前，格林伍德工廠正在生產(chǎn)標準和中等模量形式的工業(yè)和航空航天級12K和24K纖維。布喬克說，該公司已經(jīng)做了將高模量纖維引入工廠的初步工作。
“最初，它幾乎是100%的工業(yè)，”他說。“在我們的行業(yè)中，我們必須獲得航空航天評級，我們通過在一系列生產(chǎn)過程中證明穩(wěn)定的產(chǎn)量來做到這一點。一旦我們超過了這個數(shù)字，我們就可以向航空航天客戶群推銷。第一年我們的重點是完成我們以航空航天客戶群體期望的質(zhì)量和一致性生產(chǎn)材料的能力的證明。”
該工廠的標準模量纖維已經(jīng)達到航空航天級一年多了。雖然帝人（Teijin）不會透露南卡羅來納州工廠的確切產(chǎn)量，但據(jù)說該工廠與2008年在日本三島工廠增加的2700公噸/年的生產(chǎn)線相似。
關(guān)注氫市場
帝人（Teijin）的增長愿景是基于公司與新興市場的戰(zhàn)略結(jié)盟，氫能存儲就是一個例子。隨著氫動力汽車和工業(yè)應(yīng)用的需求激增，格林伍德工廠提供了靈活性，以滿足客戶不斷變化的需求。
布喬克說：“今天，我們看到汽車制造商已經(jīng)將氫動力汽車投入使用。”。“我們有地面4型用于工業(yè)應(yīng)用的儲氫設(shè)施已經(jīng)在世界上推出。這是真實的，至少在未來十年內(nèi)，它將對復(fù)合材料市場產(chǎn)生重大影響。”
帝人（Teijin）是如何定位自己來服務(wù)于這個市場的，這也影響了其格林伍德工廠的設(shè)計。用于氫氣應(yīng)用的壓力容器制造商通常更喜歡使用更大的無捻紗——12K、24K或更高的無捻紗——這使他們能夠用更少的人力和更少的機器時間更快地建造復(fù)合材料儲罐。格林伍德工廠專門圍繞更大的絲束尺寸（12K及以上）制造，這有助于該公司在不久的將來成為為氫能行業(yè)提供材料的領(lǐng)先者。
該設(shè)施的排氣管被送回空氣過濾系統(tǒng)進行處理。
基于經(jīng)驗
從帝人(Teijin）的格林伍德辦公室走到工廠，房子的大小顯而易見。該設(shè)施被田野和樹林包圍，帝人(Teijin）管理著該場地的一個注冊濕地區(qū)域。員工經(jīng)常會遇到鹿在建筑物之間的區(qū)域吃草。布喬克說：“我們這里的野生動物數(shù)量非常多，我們有義務(wù)確保負責(zé)任地對待它們。”。
帝人(Teijin）非常重視其對物業(yè)的管理。布喬克表示，選擇該場地是為了以可持續(xù)和負責(zé)任的方式進行管理。該公司在運營產(chǎn)出、穩(wěn)健性和可持續(xù)性方面借鑒了國際上最好的設(shè)施設(shè)計。
廢水被捕獲并在工業(yè)過程中重復(fù)使用。不能重復(fù)使用的東西被從現(xiàn)場移走，以便按照環(huán)保局的要求進行處理。
該設(shè)施的廢水也得到了同樣的處理。帝人(Teijin）盡可能多地從工廠回收水，以便在其工業(yè)過程中重復(fù)使用。不能重復(fù)使用的東西會在現(xiàn)場收集，以便按照環(huán)保局的要求進行處理。沒有釋放到周圍環(huán)境中。
進入工廠時，布喬克重申，帝人（Teijin）設(shè)計Greenwood工廠的基礎(chǔ)與海外工廠的結(jié)構(gòu)相似，并向其在德國和日本的工廠尋求經(jīng)驗教訓(xùn)和可能應(yīng)用的地方。一個例子是最終采用了旨在減少碳纖維轉(zhuǎn)化能耗的新技術(shù)，該技術(shù)最初是在另一個設(shè)施中開發(fā)的。已經(jīng)派遣了一個團隊從該地點收集見解，并計劃在未來3-4年內(nèi)最終在格林伍德實施同樣的技術(shù)。
帝人(Teijin）工廠之間共享的架構(gòu)和流程有助于創(chuàng)新的快速轉(zhuǎn)化。在許多方面，格林伍德工廠代表了該公司過去努力的成果，希望未來的迭代將超過當前標準，從而在后續(xù)生產(chǎn)中不斷改進。
帝人(Teijin）的碳纖維制造業(yè)通過了ISCC國際可持續(xù)性與碳認證（ISCC-International Sustainability & Carbon Certification）的全面認證，這是一項可持續(xù)性制造認證，確保產(chǎn)品制造過程的所有階段都具有完整的可追溯性。帝人(Teijin）的每一道工藝都符合ISCC認證流程的要求，從前體制造到交付。
布喬克說：“當我們建造這個園區(qū)時，所有這些都被整合到了里面。”。“它具有全能量監(jiān)測功能。我們可以進行高保真的生命周期分析。我們可以以高度精確的水平告訴您，我們的排放量和能源消耗量與我們生產(chǎn)的產(chǎn)品有關(guān)。”
布喬克說，這些工具使工廠能夠從能源消耗的角度確定任何工藝變化的全部影響，最終轉(zhuǎn)化為可持續(xù)性和成本。
碳纖維前體多次通過氧化爐。在離開氧化階段時，紗線完全由碳組成。
氧化
在三層樓上，碳纖維生產(chǎn)從PAN前體的大筒子開始。PAN前體是碳纖維生產(chǎn)中使用的主要前體，具有優(yōu)異的強度和耐熱性。纖維通過一系列氧化爐來去除任何溶劑或雜質(zhì)。
當PAN離開第一個氧化爐時，油已經(jīng)被去除，并且已經(jīng)轉(zhuǎn)化為金琥珀色。當PAN通過額外的腔室時，纖維被連續(xù)氧化和純化，去除任何非碳的物質(zhì)。在氧化過程中，纖維股會來回多次，每次循環(huán)都會進一步“烹飪”纖維并使其逐漸變黑。纖維在完全氧化之前會經(jīng)過另一組烤箱。
布喬克說，氧化階段實際上是藝術(shù)和科學(xué)發(fā)揮作用的地方，經(jīng)過氧化步驟的一切都是一個相當成熟的過程。他說：“這是每個人都有自己的秘密醬汁的地方，他們在上面涂上了自己的個人風(fēng)格。”。
他接著解釋說，不同制造商的氧化程序略有不同，這導(dǎo)致市場上不同碳纖維的性能不同。帝人(Teijin）專門設(shè)計其前驅(qū)物，使其與氧化過程協(xié)同工作。
當紗線離開第五個氧化爐時，它已經(jīng)完全變黑并進行化學(xué)精煉。該工藝的后續(xù)步驟使用高溫爐和可控的張力來構(gòu)建和細化碳原子的微觀結(jié)構(gòu)或排列。
考慮到碳纖維生產(chǎn)的放熱特性，布喬克很快指出了帝人(Teijin）已經(jīng)采取的一些安全措施。他說：“當我們攪拌（纖維）時，它們釋放的能量比我們投入的能量更多。”。“隨之而來的是合理的火災(zāi)風(fēng)險。所有這些烤箱都設(shè)計有火災(zāi)傳感器。如果它檢測到纖維有問題——如果任何纖維開始像灰燼一樣發(fā)光——它將觸發(fā)一個三級消防系統(tǒng)，包括防火幕、霧系統(tǒng)和噴水系統(tǒng)。”
他還指出了處理較小斷裂纖維的斜槽。在烘箱的大氣之外，仍在反應(yīng)的纖維可能會燃燒起來。操作人員將這些斷股放入處理槽中，處理槽將其浸泡在水中，將其撲滅。然后，纖維落入工廠地下室的收集箱中，以便稍后處理或回收。
在完成氧化階段的參觀后，布喬克解釋了技術(shù)人員如何在工藝的任何特定階段處理任何斷裂的紗線。其中一股紗線斷裂會觸發(fā)警報，警報會從一個區(qū)域轉(zhuǎn)移到另一個區(qū)域，直到操作員找到斷裂處，將其打結(jié)，重新捆扎，然后在整個過程中跟蹤紗線。根據(jù)帝人(Teijin）的零浪費目標，這些較短的紗線被收集并分揀成較小的線軸、短線軸，甚至切碎的產(chǎn)品，以獲得二級收入。
在碳化階段，碳纖維受到極端的熱和張力，以排列其微觀結(jié)構(gòu)，從而提高機械性能。
碳化作用
經(jīng)過氧化，是烤箱和爐子之間的分界點。經(jīng)過氧化的纖維現(xiàn)在將在專門的爐子里進行碳化，溫度超過1500°C，在受控惰性氣氛（氮氣或氬氣，具體取決于運行的產(chǎn)品）中。這種氣氛可以防止燃燒，并確保碳纖維不會與外部元素結(jié)合。在這個階段，紗線經(jīng)歷一系列的化學(xué)反應(yīng)，將它們轉(zhuǎn)化，排列它們的微觀結(jié)構(gòu)以獲得機械性能。
在這個階段，根據(jù)生產(chǎn)線上運行的產(chǎn)品，纖維以不同的速度、不同的溫度和不同的張力進行加工。當纖維進入碳化爐時，它們以更緊密的配置捆扎在一起，從而實現(xiàn)更小的占地面積，從而節(jié)省能源。
布喬克說，帝人(Teijin）的每個工廠都使用了類似的熔爐設(shè)計，允許冗余和從其他地方采購備件。
在生產(chǎn)線上工作
培訓(xùn)一名操作員至少需要6個月，培訓(xùn)一名班長至少需要一年。即使是當?shù)赜屑徔椊?jīng)驗的人才，學(xué)習(xí)如何穿線和操作碳纖維生產(chǎn)設(shè)備也是一項專業(yè)技能。
該工廠在所有可能出現(xiàn)問題的區(qū)域都配備了幾個支持設(shè)備，使操作員能夠及時檢測過程中的異常情況。這些設(shè)備還允許安全、操作和合規(guī)技術(shù)人員遠程監(jiān)控操作。
在整個生產(chǎn)過程中，我們實施了嚴格的質(zhì)量控制措施，以確保碳纖維在強度、模量、密度和其他機械性能方面符合嚴格的規(guī)范。這包括對原材料、中間產(chǎn)品和最終產(chǎn)品進行定期測試和檢查，以確定任何缺陷或與標準的偏差。
格林伍德工廠的主控制室位于生產(chǎn)線末端，靠近上漿階段。當線路運行時，它100%由操作員控制。這項工作至少需要7年的工作經(jīng)驗，是工廠中技術(shù)密集度最高的工作。該操作員負責(zé)生產(chǎn)線上每個人的安全，并對整個生產(chǎn)過程進行持續(xù)監(jiān)控，包括配方、溫度、張力和生產(chǎn)線速度。
格林伍德工廠設(shè)有冗余的控制室，所有流程都可以在任何一個位置運行，并由包括工廠經(jīng)理辦公室在內(nèi)的其他幾個位置進行監(jiān)控。
離開碳化爐后，碳纖維通過上漿站，然后進行最終檢查。
表面處理和施膠
當纖維離開碳化爐時，輥引導(dǎo)它們離開緊密捆綁的結(jié)構(gòu)，通過水浴洗滌纖維，然后通過干燥爐。
在這個階段，碳纖維經(jīng)過表面處理，以改善復(fù)合材料制造過程中的處理，并增強附著力、機械性能和與各種樹脂系統(tǒng)的兼容性。帝人(Teijin）擁有數(shù)十種不同漿料和飾面的產(chǎn)品目錄，以滿足客戶的不同需求。
格林伍德工廠設(shè)有兩個上漿站，可在需要更換上漿時最大限度地減少甚至消除停機時間。如果需要，運營商甚至可以中途更改漿料。在上漿站的末端，一個烤箱為某些上漿提供熱處理。雖然這不是一個常見的要求，但它是一個重要的要求——例如，許多壓力容器應(yīng)用都需要進行這種處理。
包裝前對每個線軸進行檢查和稱重
檢查、纏繞和包裝
一旦碳纖維經(jīng)過加工和處理，它們就會被送回一個水平進行質(zhì)量檢查，這是使用光學(xué)相機和目視檢查進行的。通過該過程的每根紗線都可以從單個錠子追溯到其前體批次，使帝人(Teijin）能夠追蹤任何問題并輕松識別任何其他受影響的產(chǎn)品。
從那里，碳纖維被反饋到一個水平面，并準備好纏繞到線軸上進行包裝。格林伍德工廠擁有一條全自動的檢測和包裝生產(chǎn)線。帝人(Teijin）的收卷機設(shè)置為當線軸裝滿時自動更換為新線軸。該工廠的標準包裝為每個線軸3、6和8公斤，并能根據(jù)需要進行倒帶。
一個機器人將碳纖維卷軸裝進紙箱進行運輸。
然后目視檢查每個線軸的包裝完整性。從那里，它經(jīng)過許多工作站。首先，將具有可追溯性信息的條形碼應(yīng)用到假脫機上——在該過程的早期，將相同的條形碼應(yīng)用于堆芯。接下來，它移動到一個自動縮放系統(tǒng)進行稱重。在這里，計算機將推斷并記錄重量——每個線軸都提供給客戶，上面有碳纖維的實際重量。在最后一步，線軸被收縮包裝并準備運輸。
操作員目視檢查生產(chǎn)運行中的碳纖維樣品。
在實驗室里
參觀的最后一站是回到設(shè)施實驗室所在的第三層。樓下的一個計算機系統(tǒng)跟蹤所有生產(chǎn)的線軸，并隨機分配要拉動的線軸進行測試。該系統(tǒng)被編程為根據(jù)客戶的要求提取樣品，并將在每次運行的頭部和尾部指定確定數(shù)量的輥進行測試。
對生產(chǎn)運行中的樣品進行密度測試
使用化學(xué)和物理測試相結(jié)合的方法進行了許多評估。紗線經(jīng)過重量和密度測試。上漿化學(xué)成分也通過使用溶劑來消除化學(xué)成分來進行檢查。對裸露的纖維進行稱重，以推斷在該過程中實際添加了多少上漿劑，并與規(guī)定的量進行比較。實驗室還配備了一條小型浸漬線，可以用環(huán)氧樹脂潤濕試樣進行機械測試。
帝人(Teijin）傾向于在生產(chǎn)開始時進行更大規(guī)模的抽樣，以確保其設(shè)備在投入全部生產(chǎn)之前是正確的。結(jié)果將與存儲客戶認證的數(shù)據(jù)庫進行比較，從而使質(zhì)量控制技術(shù)人員能夠輕松地評估批次并對批次進行認證，以便將批次交付給客戶。
展望未來
帝人(Teijin）希望擴大其在格林伍德工廠的業(yè)務(wù)時，該公司的做法非常謹慎，優(yōu)先努力最大限度地減少碳足跡，同時最大限度地提高運營效率。布喬克強調(diào)：“我們建造這家工廠是為了能夠利用我們在全球基礎(chǔ)設(shè)施中學(xué)到的每一個教訓(xùn)。”。
隨著格林伍德工廠的第一階段全面投入運營，帝京正在制定一條雄心勃勃的路線，以幫助確保當前和新興市場的碳纖維穩(wěn)定供應(yīng)，減少公司對環(huán)境的影響，并與日益嚴格的全球環(huán)境法規(guī)保持一致。
布喬克表示，該工廠能夠處理六條以上的碳纖維生產(chǎn)線以及研究和原材料制造設(shè)施，所有這些都是帝京目標的一部分。“這可能是一個以幾十年為單位的計劃，”他說。
原文見，1.《Plant tour: Teijin Carbon America Inc, Greenwood, S.C., U.S.》2024.5.27
楊超凡 2024.5.28