石墨化工艺的设备现状
引言
炭-石墨资料具有优秀的化学稳定性、力学性 能和导电导热性能，在电工电子、 机械、化工、冶金、核能、军工、航空航天等范畴有着普遍的应用，在一些尖端范畴占有重要的位置。炭-石墨资料在家用电器、医疗器材等范畴也有普遍的应用。
随着人类生死水平的进步，对能源的需求急剧增加，各国对能源特别是新能源、可持续能源日益注重 。太阳能产业对特种石墨资料的需求颇为旺盛;核用石墨资料的研讨开发与消费日益迫切;电动汽车的兴起也大大带动了锂离子电池等动力电池用炭资料及高性能添加剂的开展;高性能电极、电刷、 高速铁路导电滑块、炭块等传统炭资料也随着人们对高性能产品的开发仍在继续研发和消费。
我国大规格、超大规格各向同性石墨需求量很大，但国内产量却很匮乏。各向同性石墨、 高纯石墨等在太阳能发电、核电、机电设备等方面是必不可少的配套产品。
不论是大规格的各向同性石墨，还是小规格的电刷、导电滑块，以至是锂离子电池负极资料等一 系列的炭-石墨制品，石墨化都是其工业消费过程的一个关键技术环节。石墨化工艺依照加热方式可分为直接法和间接法，依照运转方式可分为间歇式和连续式。1895年E.G.艾奇逊(Acheson)创造石墨化炉 (称为艾奇逊炉)以来，人造石墨的消费曾经有一百多年的历史。随着工业的开展，石墨化炉的构造也有了很大的开展。艾奇逊炉有了直流电炉和交流电炉。除了艾奇逊炉以外，还有了内串式石墨化炉、连续式石墨化炉等。
1间歇石墨化
间歇石墨化是指消费过程中不连续的石墨化工艺。其特性是石墨化过程中物料装炉后不挪动，经过升温、石墨化、降温等过程后断电出炉。其消费设备主要有艾奇逊石墨化炉和内串式石墨化炉等。
1.1 艾奇逊石墨化炉
艾奇逊石墨化炉的开展曾经有很长的历史， 目前国内人造石墨行业中普通多采用艾奇逊炉。这种炉构造简单、巩固耐用、容易维修，不断是我国炭素行业中备受喜爱的石墨化设备。艾奇逊石墨化炉按加热方式来分类属于直接加热式炉。所谓直接加热，就是制品自身是导电体，经过电阻加热，从而使制品完成石墨化。早期艾奇逊石墨化炉采用的是交流电，但交流电存在着功率小、电流密度低、功率因数低、送电时间长等缺陷。20世纪60年代后随着整流设备的快速开展， 艾奇逊石墨化炉开端采用直流供电，大大降低了能耗。
石墨化炉是耗费电量很大的热工设备，因而如何在保证产质量量的前提下，减少电量耗费是石墨化炉节能的主要课题，也是降低石墨化消费本钱的殊途同归。石墨化炉中的电阻主要由电阻料提供，可见在整个石墨化过程中，热量主要是由电阻料传入制品的，进入制品的电流比率很小。
若电阻料的电阻不平均，会形成炉芯温度不平均，从而招致石墨化制品产生裂纹，成为废品。在通电开端时，功率过大及功率上升过快，都会使炉 心温度上升过快，这对大规格的和细构造的石墨产品极易产生裂纹。石墨化最好的状况是维持制品在前几道工序中产生的裂纹不再增大，但通常状况裂纹都是继续增大的。
李刚对艾奇逊石墨化炉的节能增产提出了一些技术改良，包括炉底砌砖办法、导电电极喷水内冷和用铝氧粉做端墙填充料等技术，同时采用愈加合理的送电工艺，大大进步了石墨化炉的废品率，减少了单体能耗。
顾鹂鋆等采用数学建模方式，树立了石墨化炉热-电耦合数学模型，经过大范围的模仿计算，研讨了各项参数对石墨化炉内温度散布和演化的影响，对控制艾奇逊石墨化炉的消费工艺、进步产品的废品率有很大影响。
刘明研讨了艾奇逊石墨化炉阻，经过对炉 阻的组成剖析和炉阻在石墨化过程中的变化剖析，比拟了理想模型与实践的差异，树立了模型公式并将其与实践关联，推算出石墨化送电后期特定目的时的后期炉阻公式。应用这一公式，经过调整装炉办法和产品规格等，可选择适宜的后期炉阻，这对实践消费有一定的指导意义。
经过改良石墨化工艺技术、加强保温料的保温效果、改良石墨化炉体构造、避免导电电极氧化、改动石墨化炉与变配电变压器系统的衔接方式等措施，都能够降低艾奇逊石墨化炉石墨化工艺电量耗费，到达节约能源的目的。
随着现代工业的快速开展，人们对环境越来越注重，气候变化已成为国际社会关注的热点和焦点。我国制定的《“十二五” 节能减排综合性工作计划》对节能减排提出了高请求。由于艾奇逊石墨化炉的自身特性，其只要30%的电能被用于制品石墨化，并且还随同着有害气体的排放，需求昂贵的配套环保设备。若将艾奇逊石墨化炉用于消费附 加值较低的石墨化制品，其竞争力已不如内串式石墨化炉。但由于艾奇逊石墨化炉有着石墨化温度高的特性，可以满足一些对石墨化度请求高的产品的石墨化，特别是炭石墨类锂离子电池负极资料，因而仍被普遍采用。
石墨化工艺是炭石墨类锂离子电池负极资料消费的重要工艺，石墨化度是锂离子电池负极资料的重要指标。在石墨化的同时，高温还可以完成提纯除杂的目的。当石墨化温度进步到接近2200℃时，锂离子电池负极资料的杂质根本上曾经被扫除。
气热提纯就是应用反响气体(Cl2)使杂质转换为沸点很低的各种元素的氯化物，例如氯化铁其沸点为319℃。这种工艺保证了产品的高纯度，同时还可防止降温时某些元素的反凝结，比方硅。
石墨类锂离子电池负极资料对石墨化温度请求高。对艾奇逊石墨化设备加以改造以通入反响气体，可完成在石墨化的同时停止提纯，一箭双雕。因而，炭石墨类锂离子电池资料的石墨化工艺是艾奇逊石墨化炉今后的主要开展方向。
1.2 内串式石墨化炉
内串式石墨化炉是内热式串接石墨化炉， 是由美国人卡斯特纳创造的，分为卧式内串和平面内串。内串式石墨化工艺与艾奇逊石墨化工艺的主要区别是产品加热直接经过电极自身，而不需电阻资料发热。这也是内串式石墨化工艺较艾奇逊石墨化工艺改良的主要特性。由于内串式石墨化工艺没有填充料，因此能够减少热量的带出，即可减少热量带出10 %，降低电耗20 %~35 %。内串式石墨化炉具有热效率高、送电时间短等特性，在高温阶段仅需1~2 h。产品直接加热时电阻平均，产品的废品率高。从20世纪80年代开端，德国、美国、日本等国的炭素厂消费大规格超高功率石墨电极多数已采用内串式石墨化工艺。内串式石墨化炉的炉型可分为I型、U型、W型和梅花型。其中U型炉较多，有单柱和多柱的，有两折、四折以至多折的。
20世纪80年代，兰州炭素厂和吉林炭素厂开端研讨内串式石墨化炉。经过二十多年的开展，其工艺技术曾经十分成熟，构成很大的消费力。内串式石墨化工艺电单耗坚持在 2800~3200 kW·h， 送电时间14~18 h，产品合格率高，产品均质性好。
周卓先对内串式石墨化炉的送电工艺停止 了讨论研讨，总结了节能的内串式石墨化炉的送电特性。内串式石墨化炉在送电前期需求快速升温，这样才干到达节能的目的。详细升温速率应分离各消费厂家坯料的特性停止控制。将温度控制在2000 ℃左右，即石墨化过程开端的温度，有利于应用石墨化过程放出的潜热加速完成石墨化。变压器容量越大，炉芯温度越高，石墨化过程就停止得越快，且大功率运转时间相对较短，热损耗较低，送电单耗相对较低。采用恒功率输出整流变压器可有效进步炉芯温度。配料时参加一定量的石墨粉对降低石墨化送电单耗有一定的益处，长尺电极相比短尺电极送电单耗较低。
赵杰三提出了一种新的内串式石墨化炉运转方式，即送电一次送两炉。该技术重新对炉头停止了设计改造，将整流机组一分为二。低负荷时，一台机组各带一台炉子，各走各的送电曲线;高负荷时停掉一台炉子， 两台机组并联冲击一台炉子至终炉，然后再并联冲击另一台炉子至终炉。
影响内串式石墨化产品指标的要素有很多，例如较快的升温速率和同直流石墨化相比相对较高的整体温度，以及运用低档原料和过度追求产品较低电阻率等，在极高的石墨化温度下产品接触部位及电极芯部产生的升华现象也都会对石墨化产品产生影响。在消费过程中综合思索各个要素，从消费本钱到产品自身的指标请求，分离内串式石墨化炉的工艺特性，最终得到契合市场请求的合格产品。
内串式石墨化炉的产生对炭素资料石墨化来讲是非常重要的，特别是在当今社会对能源和环境请求越来越高，在消费炭电极等石墨化制品时艾奇逊石墨化炉这种能耗较高、能源应用率低的工艺曾经越来越不合适。但内串式石墨化也有一定的缺陷，如炉温不及艾奇逊石墨化炉高。置信今后炭素制品的石墨化，特别是传统的电极和等静压制品的石墨化会越来越多地采用内串式石墨化的工艺。
2连续石墨化炉
连续石墨化炉其实不是一种特定的石墨化工艺炉，现有的连续石墨化炉有多种方式。所谓连续石墨化工艺是相关于间歇式石墨化工艺来讲的。所谓的连续石墨化工艺，普通是指消费中没有断电的过程，石墨化的产品需求经过一系列的温区，从而完成连续石墨化。
东新电碳厂在20世纪70年代就开端研讨连续式的石墨化计划，设计了采用“外热法”的连续石墨化炉。炉子采用的石墨电极通道是一个加热的通道，采用炭黑作为外部保温资料，制品采用机械推进方式，炉门处采用双层密封避免空气进入。
连续石墨化炉也有另外一种方式，与内串式石墨化法类似，电极在炉中首尾相接，串接成电极柱，电流直接流经电极柱产生焦耳热，从而完成石墨化。与串接石墨化办法不同的是，在连续石墨化炉中电极柱是挪动的， 石墨化炉的不同部位温度不一样。从进料局部开端温度逐步升高，到炉体局部 温度最高，从炉体到出料局部温度又逐步降低。
石墨化炉正常运转时，炉子各局部的温度坚持不变，待石墨化的电极随电极柱的挪动，先在进料局部预热，逐步升温，在炉体内到达最高温度，然后温度又逐步降落，在出料局部降到最低温度，然后出炉。也就是说，电极的温度随电极柱在炉中的挪动而变化，炉中不同部位的电极端装出炉、预热、石墨化和冷却过程同时停止。由于电极自热，而且还需求挪动，所以这种工艺在操作上比拟复杂，不如外热法即间接加热的连续石墨化工艺成熟。
影响连续石墨化工艺的主要有以下几个问题。首先是耐火层问题。由于要有一个温度在3000℃的温区，这就请求炉体耐火资料有较高的耐火度，但目前没有如此高耐火度的耐火资料，也就是炉子没有方法到达如此高的石墨化的温度。处理的方法只能是经过加厚保温层，如加厚保温炭黑，使热量较少地传到外层保温层，同时采用水对炉子外层进 行冷却。另外一个问题就是如何快速地冷却产品，从而使产品不被氧化。处理的办法是采用水冷，同时加维护气体，如氮气。
碳管炉，这是一种外加热的小型连续石墨化 炉，它处理了以上的两个问题。其主要采用热提纯的原理，用于石墨的高温提纯，这或许是今后连续石墨化的一个开展方向。它采用了圆柱形石墨舟作为物料的器皿，采用机械推进的方式使物料进入高温区。该设备的工艺简单，人员占用少，同时消费的高纯石墨产品可以到达99.995 %以上。由于消费高纯石墨不同于石油焦产品的石墨化，不会产生大量烟气，没有烟气排放问题。
连续石墨化消费工艺在国内应用不是很多， 特别是炭石墨电极的石墨化消费。其主要缘由是连续式石墨化工艺还不成熟，比方石墨化温度低，消费量小，很难消费大型号的石墨化电极等。自然石墨的热提纯或许是连续石墨化工艺的一个开展方向。随着国度对环境的注重，酸法提纯曾经越来越难以立足。普通高纯产品只需求温度在2700℃以上即 可，温度降低了，连续炉的耐火问题也好处理了。
3开展趋向
不管是间歇石墨化炉还是连续石墨化炉， 实践都未能真正完成连续化工业消费，也不能真正满足国内外市场对高纯石墨资料的需求。近年来，多家企业结合高校展开连续化消费配备研发，获得了很大的停顿。湖南顶立科技有限公司开发出高温连续石墨纯化炉，采用电阻加热，连续消费，可导入惰性气体或反响气体。株洲弗拉德科技有限公司停止石墨超高温连续纯化配备的研发， 胜利开发出一种高温立式连续感应加热炉， 可用于炭石墨类锂离子电池负极资料的连续石墨化消费。与艾奇逊石墨化炉相比，连续化设备的消费才能和效率都得到了大幅进步，能耗大大降低，有害气体的排放也大为减少，这是将来石墨化炉开展的必然趋向。
4结论
石墨化工艺是炭石墨资料制品中最复杂最关键的工艺。我国是石墨制品大国，大到石墨电极、等静压石墨，小到电刷等，都需求采用石墨化工艺。石墨化工艺的开展也见证了我国炭素行业的开展。国内应用最多的还是间歇式石墨化办法，但随着内串式石墨化炉工艺技术的开展和逐步成熟，国内大多数的石墨化工艺都采用了这种新办法。
而艾奇逊石墨化炉以其本身的优点占领了国内炭石墨负极资料石墨化大局部市场，特别是经过改进可以停止气热提纯的艾奇逊石墨化炉更是遭到石墨负极资料厂商的喜爱。随着高温连续石墨纯化配备的开发和不时改良，连续石墨化消费将成为将来的开展方向。
上一篇： 镍钴锰酸锂简介
下一篇： 三种不同的天然石墨简介
相关新闻