CN103153852B - 石墨化炉及制造石墨的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种石墨化炉及制造石墨的方法。利用石墨化炉并利用作为碳源的粉末制造石墨。石墨化炉具备：具有为了收放上述粉末而构成的凹部的导电性坩埚；电极，该电极具有柱状的轴与头部，该头部设在上述轴的端部，具有从由球、半球、边缘倒圆的圆柱、圆锥及顶点倒圆的圆锥构成的组中选择的一个形状；以及为了使电流经过上述坩埚及上述电极流向上述粉末而构成的电源。

Description

石墨化炉及制造石墨的方法

技术领域

本发明涉及用于通过加热碳粉末来制造石墨的石墨化炉及制造石墨的方法。

背景技术

石墨（graphite）是碳的同位素的一种，呈六方晶体。石墨是固体且润滑性优异，并且具有热传导性、耐热性、耐药性等有效的特性，因此具有广泛的用途。

作为制造石墨的方法之一，具有下述方法：通过将焦炭或木炭那样的碳源（通常含有非晶质或杂质）加热到极高的温度、例如2500～3000℃左右，从而石墨化（结晶化及精制）。

由于石墨化如上述那样需要极高的温度，因此加热应该应用哪种方法、或保持石墨的结构的耐热性的观点来看，具有困难的课题。例如，石墨加热器那样的外部加热机构无法实现超过2500℃的温度，在之前加热器自身会产生热损伤。因此，以往一直利用了通过对碳源通电而加热碳源的、所谓艾奇逊（Acheson）炉及其变化。

专利文献1～3表示相关的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本国专利公开公报第10-338512号

专利文献2：日本国专利公开公报第2005-291515号

专利文献3：日本国专利公开公报第2009-190907号

发明内容

根据现有的艾奇逊炉及其变化，工序是成批处理式，在效率上存在问题，另外，由于加热不均匀，因此在品质及产量上也存在问题。本发明是为了解决该问题而完成的。

根据本发明的第一方案，利用作为碳源的粉末得到石墨的石墨化炉具备：具有为了收放上述粉末而构成的凹部的导电性坩埚；电极，该电极具有柱状的轴与头部，该头部设在上述轴的端部，具有从由球、半球、边缘倒圆的圆柱、圆锥及顶点倒圆的圆锥构成的组中选择的一个形状；以及为了使电流经过上述坩埚及上述电极流向上述粉末而构成的电源。

根据本发明的第二方案，利用作为碳源的粉末制造石墨的方法将上述粉末收放在导电性坩埚的凹部，使电极与上述粉末接触，该电极具备柱状的轴与头部，该头部设在上述轴的端部，具有从球、半球、边缘倒圆的圆柱、圆锥及顶点倒圆的圆锥构成的组中选择的一个形状，使电流从电源经过上述坩埚及上述电极流向上述粉末。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的石墨化炉的内部的立面图。

图2是由图1的II-II线剖切的剖视图，表示电极插入到碳粉末中的状态。

图3是由图1的III-III线剖切的剖视图，表示电极插入碳粉末中之前的状态。

图4是表示电极与坩埚的组合的变化的示意剖视图。

图5是表示电极的另一变化的示意剖视图。

图6是表示坩埚的另一变化的示意剖视图。

图7是表示具备附加的加热机构的坩埚的例子的示意剖视图。

图8是说明本实施方式的制造石墨的方法的各阶段的流程图。

图9是上述方法的石墨的温度记录的一个例子。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的几个示例的实施方式。

根据本发明的实施方式，利用由通电产生的焦耳热加热作为碳源的粉末而进行石墨化。作为碳源，当然使用由碳构成的粉末，但也能够使用碳纤维或粒状及块状碳，或者代替碳使用碳化硅（carborundum）等陶瓷。或者可以在其他导电性物质中应用本实施方式。为了便于说明，在整个说明书及权利要求中将原料简称为粉末。

主要参照图1，本实施方式的石墨化炉100具备用于收放粉末1的坩埚10、用于使电流流向粉末1的装置20、以及包围坩埚10的分室40。坩埚10从分室40的一端搬入，一边接受预热一边依次在分室40内通过，并且接受由装置20进行的加热，在冷却后从分室40的另一端搬出。

主要参照图2、3，坩埚10具备构成为用于收放粉末1的凹部12，凹部12在坩埚10的上面朝上方开口。坩埚10为了对粉末1通电而需要由导电性物质构成，另外，该导电性物质需要具有耐得住2500℃以上的高温的耐热性。作为这种物质，能够示例石墨，但如果可能的话，也可以是其他物质。坩埚10为了便于加工而具有圆筒形的外形，但外形并不限定于此。

凹部12由圆筒形的上部12a和半球状的下部12b构成，也能如后述那样进行各种变形。

返回图1，坩埚10可以各自单独地插入分室40内，但为了便于处理，载置在托盘32上。托盘32由耐得住2500℃以上的高温的石墨等适当的耐热材料构成，为了防止坩埚10的摆动，具有保持坩埚的适当的形状。

分室40在其一端具备前室42，在中间具备主室44，在另一端具备后室46。在外部与前室42之间、前室42与主室44之间、主室44与后室46之间、以及后室46与外部之间分别具有连通相互彼此的开口，并且设有分别闭塞这些开口的门43a、43b、47a、47b。

门43a、43b、47a、47b构成为分别气密地堵塞开口。另外，通过门43a、43b、47a、47b垂直地升降，能够打开开口。代替垂直的升降，也可以是在水平或其他方向上移动的形式。为了移动，能够使用液压缸或气压缸，但并不限定于此。另外，为了维持门的闭塞状态或打开状态，可以设置适当的卡定装置。

在门43a、43b、47a、47b闭塞了开口时，分室40构成为能控制其内部气氛。另外，前室42、主室44及后室46分别构成为能单独地控制气氛。即，通过前室42及后室46介于中间，即使在搬入及搬出坩埚10时，外部空气也不会侵入主室44内，从而能够维持内部的气氛。

分室40为了将坩埚10从其一端向另一端搬运，还具备形成在主室44的大致全长上的轨道48。轨道48可以具备线状地排列在支柱49b所支撑的导轨49b上的辊48a，或者只要保证坩埚的滑动，还可以只具备导轨。如果可能的话，轨道48还可以具备用于搬运坩埚10的机构，但通常坩埚10利用由后续的坩埚产生的推压、或由之前的坩埚产生的牵引而移动。为了可靠地进行推压或牵引，各托盘32或各坩埚10也可以具备连接彼此的钩或其均等物。

石墨化炉100为了便于坩埚10的搬入及搬出，还在分室40外具备推进装置41及牵拉装置45。推进装置41及牵拉装置45例如是具备能解除地配合在坩埚10或托盘32上的臂并水平移动的促动器。为了该驱动，能利用液压缸或空气压力缸、或滚珠丝杠等其他机构。为了一体驱动包括搬入及搬出的坩埚10在内的分室100内的一连串的坩埚10，推进装置41及牵拉装置45应具有充分的驱动力。

主室44主要能够区分为区域A、区域B及区域C。

在区域A中，多个加热器34配置为沿轨道48接近坩埚10，以此对坩埚10进行预热。作为加热器34，例如能够利用电阻加热器、煤气加热器、燃烧器等，但并不限定于此。另外，作为电阻加热器，能够利用石墨加热器等。在坩埚10到达区域B时，需要以粉末1成为充分接近石墨化温度（例如2500～3000℃）的温度（例如2000～2300℃）的方式适当地设定加热器34的能力。

在区域A及B中，为了抑制向外部的热辐射，并且以提高能效为目的，可以设置绝热壁36。绝热壁36能够应用由碳纤维构成的成形绝热材料，但也能够应用毛毡或短切纤维的形式。另外，也能够在区域C上设置绝热壁。

在区域B中设有一组或多组用于使电流流过的装置20。参照图2、3，各装置20具备电源28、通过电缆25分别电连接在电源28上的电极22及相反电极24。或者，电极22可以构成为在搬入石墨化炉100以前没入粉末1中，在坩埚10到达区域B时与电极28电连接。

电极22具备柱状的轴22a与连接在其下部的头部22b。头部22b例如是半球状，但也能如后述那样进行多种变形。

电极22通过贯通孔36a插入绝热壁36的内部。电极22的上端被引出到绝热壁36的外侧，通过端子板27a电连接在电缆25上。端子板27a利用水冷套管等冷却机构适当地冷却。为了电极22与绝热壁36的电绝缘，在其间保持间隙，但如果可能的话，也可以使适当的绝缘部件介于其间。

相反电极24也与电极22相同，通过贯通孔36b插入绝热壁36的内部，其下端通过被冷却的端子板27b与电缆25电连接。相反电极24与绝热壁36之间也电绝缘。

电极22及相反电极24任一个都由耐得住上述石墨化温度的适当的导电性材料构成。作为这种材料，例如能够示例石墨，但如果可能的话，也可以是其他材料。

各装置20为了使电极22升降，具备升降装置26。升降装置26具备由液压驱动的液压缸26a，或者也可以应用气压缸或滚珠丝杠等其他驱动机构。升降装置26通过适当的绝缘体29固定在主室44的上部。

为了能够使电极22从如图3那样至少电极22的头部22b位于比粉末1及坩埚10靠上方的第一位置驱动到图2那样电极22的头部22b没入粉末1中的第二位置，对液压缸26a给予充分的可动范围。在第一位置中，坩埚10能够在电极22的下方通过，在第二位置中，能够使电流从电极22流向粉末1。

相反电极24构成为当坩埚10来到其正上方时，与之电接触。或者，为了使相反电极24能动地与坩埚10接触，也可以设置上升装置26b。上升装置26b通过适当的绝缘体29固定在主体44的下部。

液压缸26a与上升装置26b一起由控制装置30控制并驱动。控制装置30还控制电源28，与电极的驱动同步地对其供给电流。

即使在区域B中，也可以设置多个加热器38。作为加热器38，能够利用例如石墨加热器那样的电阻加热器、煤气加热器、燃烧器等，但并不限定于此。加热器38配置为不仅加热粉末1，还对电极22进行预热。该预热在缓和由电极22与粉末1接触产生的局部的温度下降这方面是有效的。

区域C构成为促进粉末1的冷却。为了在坩埚10到达后室46时冷却到适于搬出的温度，区域C应确保适当的长度。

如上所述，电极22的头部22b与坩埚10的凹部12分别能进行多种变形。

头部22b可以例如如图4（A）那样，代替半球状，也可以是边缘倒圆的圆柱的形状。或者如图4（B）那样，可以使头部22b为球状。另外，也可以如图4（C）那样，使头部22b为圆锥形状或顶点倒圆的圆锥形状。

球、半球、边缘倒圆的圆柱、圆锥或顶点倒圆的圆锥的形状的头部容易较深地没入粉末中，并在其周围产生均匀性的较高的电场。这可以提高电流密度的均匀性，因此，在加热的均匀化方面是有效的。从容易没入粉末中的观点来看，尤其圆锥形状或顶点倒圆的圆锥形状是有效的。

凹部12代替具有半球状的下部的圆筒形，能变形为与头部22b对应的形状。例如，在图4（A）至图4（C）的例子中，坩埚10的内表面在哪个部位都相对于头部22b为等距离。这也对提高电流密度的均匀性有利。

当然，头部22b与凹部12的内表面的距离可以不是等距离。粉末1的温度由发热与散热均衡决定，但即使通过电流密度的均匀化使发热均匀化，散热也不均匀。例如，在粉末1的上表面附近，与其他部位相比，散热比较大。头部22b的形状能够考虑补偿这种差异而设计。

图5（A）～（C）是这种例子。在图5（A）的例子中，头部22b是圆锥形状，但其上部比轴22a更沿径向朝外侧突出。在突出的部分，由于与凹部12的内表面的距离近，因此电流密度变大，因此，发热也比其他部位大。另外，通过覆盖粉末1的上表面，散热变得比较小。由此，可使粉末1的温度均匀化。

当然，头部22b可以如图5（B）的例子那样是顶点倒圆的圆锥形，或者可以是图5（C）的例子那样边缘倒圆的圆柱形，或者是其他形状。

或者，可以使坩埚的形状变形。在图6的例子中，在坩埚11的上部，其厚度比较厚，越向下部越薄。在该结构中，在粉末1的下部散热变大，由于能够与上表面的散热相同，因此结果可使粉末1的温度均匀化。

或者，可以设置辅助的加热机构。在图7的例子中，配置为设有感应加热线圈IC，加热粉末1的上表面附近。根据该结构，由于能够附加足以补偿来自粉末1的上表面的散热的发热，因此结果可使粉末1的温度均匀化。

另外，也可以追加覆盖粉末1的上表面的绝热材料。

另外，通过使头部22b没入粉末1中，在粉末1的下部，与上部相比，密度更大，因此，比电阻变小。因此，在下部具有电流密度变大、发热也变大的倾向。电极的头部的形状或坩埚的形状、或辅助的加热机构或绝热材料的追加，希望还考虑该要素而适当地设计。

根据上述的石墨化炉，如下那样制造石墨。

与图1至图7组合地参照图8，首先在导电性的坩埚10的凹部12中收放粉末1（S1）。优选通过对坩埚10施加振动或按压粉末1的上表面，提高粉末1的容积密度。该动作能提高由通电产生的加热的效率。

同时，将分室100内控制为惰性气氛。作为实现惰性气氛的方法，可以列举由氮、氩等稀有气体或卤等进行的净化或使内部为真空，但如果有可能的话，也可以是其他方法。

将坩埚10与粉末1一起载置在托盘32上，将推进装置41配合在此。打开门43a，利用推进装置41将坩埚10与粉末1一起搬入前室42内。

闭塞门43a，将前室42内控制为与主室44内相同的气氛。接着，打开门43b，利用推进装置41将坩埚10与粉末1一起搬入主室44的加热器加热区域A（S2）。此时，在之前的其他坩埚10位于主室44内的场合，推进装置41一起推压它们。即，一连串的坩埚10在图1中一齐向右侧移动。之后，闭塞门43b。

在主室44内的加热器加热区域A中，粉末1与坩埚10一起由加热器34预热（S3）。在到达通电加热区域B之前，以粉末1上升到充分接近石墨化温度的温度（例如2000～2300℃）的方式适当地调整加热器34的输出。

通过利用后续的坩埚10依次推压，将坩埚10搬入通电加热区域B（S4）。此时，利用加热器38预热电极22及相反电极24。

位于坩埚10的正下方的相反电极24利用上升装置26b上升，与坩埚10电接触（S5）。此时，坩埚10与托盘32电绝缘。

接着，电极22利用液压缸26a下降（S6）。此时，电极22的头部22b与粉末1电接触。此时，头部22b没入粉末1中，粉末1局部地受到压缩。适当地控制液压缸26a，为了调整粉末1的密度分布，使头部22b与所控制的量相应地没入粉末1中。

电流从电源28经过坩埚10及电极22流向粉末1（S7）。电流量以粉末到达石墨化温度（例如2500～3000℃）的方式被适当地控制。

此时，为了加热粉末1的上表面，配置高频感应线圈，可以在该高频感应线圈上施加高频。或者，可以利用绝热材料至少局部地覆盖上表面。

如图1的例子那样，在设有多组用于使电流流过的装置20的场合，上述通电工序也反复多次进行。电极22的位置可以在各个通电机会改变。另外，将电极22反复在粉末1中插拔，但也可以不拔出电极22地反复通电。

利用通电加热粉末，并石墨化。将电极22从石墨拔出（S8），通过利用后续的坩埚10依次推压，将坩埚10搬入冷却区域C（S9）。在区域C中，慢慢地冷却石墨（S10），冷却到能搬出的温度。

如果坩埚10将要到达门47a，则打开门47a，通过利用后续的坩埚10推压，将坩埚10搬入后室46。闭塞门47a，将外部空气导入后室46内。接着，打开门47b，利用牵拉装置45与石墨一起搬出坩埚10（S11）。

粉末经历的温度变化例如是图9那样。在此，横轴t_p是距将粉末搬入石墨化炉的时间，纵轴T是温度。T2是区域A的加热温度，例如是2000～2300℃，T1是石墨化温度，例如是2500～3000℃。

如上述理解那样，由于粉末在坩埚中被均匀地加热，因此得到的石墨品质优异，并且得到较高的产量。另外，由预热、加热、冷却构成的一连串的工序由于以流水线作业的方式实行，因此可实现较高的生产性。另外，由于后续的工序能够利用之前的工序的余热，因此可实现优异的能量效率。

利用优选的实施方式说明了本发明，但本发明并不限定于上述实施方式。根据上述公开内容，具有该技术领域的通常的技术的人员能够利用实施方式的修正或变形来实施本发明。

产业上的可利用性

利用连续且生产性好的工序，能够得到优异的品质的石墨。

Claims (9)

1.一种石墨化炉，其利用作为碳源的粉末得到石墨，具备：

具有为了收放上述粉末而构成的凹部的导电性坩埚；

电极，该电极具有柱状的轴与头部，该头部设在上述轴的端部，具有从由球、半球、边缘倒圆的圆柱、圆锥及顶点倒圆的圆锥构成的组中选择的一个形状；以及

为了使电流经过上述坩埚及上述电极流向上述粉末而构成的电源，

该石墨化炉的特征在于，

上述电极的上述头部至少局部从上述轴在径向朝外侧突出。

2.根据权利要求1所述的石墨化炉，其特征在于，

还具备为了至少加热上述粉末的上面而配置的高频感应线圈。

3.根据权利要求1所述的石墨化炉，其特征在于，

上述坩埚的厚度随着朝向上述凹部的下端而变薄。

4.根据权利要求1所述的石墨化炉，其特征在于，还具备：

分室，该分室是具有包围上述坩埚的尺寸且为了将上述粉末放置于可控气氛下而构成的分室，具有第一端及第二端，在该第一端及第二端分别具有能够闭塞的开口；

将上述坩埚从上述第一端朝向上述第二端搬运的搬运机构；以及

对上述粉末进行预热的第一加热器。

5.根据权利要求1所述的石墨化炉，其特征在于，

还具备对上述电极进行预热的第二加热器。

6.一种制造石墨的方法，其利用作为碳源的粉末制造石墨，该方法包括如下步骤：

将上述粉末收放在导电性坩埚的凹部，

使电极与上述粉末接触，该电极具备柱状的轴与头部，该头部设在上述轴的端部，具有从由球、半球、边缘倒圆的圆柱、圆锥及顶点倒圆的圆锥构成的组中选择的一个形状，

使电流从电源经过上述坩埚及上述电极流向上述粉末，

该方法的特征在于，

上述电极的上述头部至少局部从上述轴在径向朝外侧突出。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

还包括为了调整上述粉末的密度分布而使上述电极的上述头部以所控制的量没入上述粉末中的工序。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

还包括下述工序：

利用分室包围上述坩埚，该分室用于将上述粉末放置于可控气氛下，并具备第一端及第二端，在该第一端及第二端分别具有能够闭塞的开口，

对上述粉末进行预热，

将上述坩埚从上述第一端朝向上述第二端搬运。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

还包括对上述电极进行预热的工序。