CN1041576A - 碳素件石墨化工艺过程和设备发明背景 - Google Patents

Abstract

在石墨化炉中使碳素件石墨化，所述炉体中充满惰性气体、碳素件排成一列以步进方式送中炉中，成串的碳素件在轴向方向上被夹持，并在其中形成压应力，此应力足可以使成串件自持。在顺次的送进工序之间，当取下一个已石墨化的碳素件并加上一个待石墨化的碳素件时，在成串的碳素件中保持该轴向压力。

Description

本发明涉及一种使碳素件石墨化的工艺过程，这些碳素件首尾相接成一线，形成一水平成串件，此成串件按送进工序沿轴向通过一石墨化炉，送进距离不小于一件碳素件的长度。在所述炉中，成串件全长的至少一部分以通过电流方式加热到石墨化温度。在顺次的两次送进之间，由于在炉体的出口端移走了至少一个已石墨化了的碳素件，所述成串件即变短。在炉体的进口端，由于添加了至少一个待石墨化的碳素件，而使成串件变长。本发明还涉及一种实现此工艺过程的设备。

准备石墨化的已预烧过的碳素件首尾相接成一线，形成一成串件，此成串件被送进到石墨化炉中，在其中通过电极通以电流，这样即可通过焦耳效应，将碳素件加热到要求的石墨化温度。为了在石墨化炉中不出现氧化性气氛，在炉中或充以惰性气体或装入碳粒。装入碳粒的好处是，如果成串件水平放置，碳粒即可将它支撑住而不会下沉。缺点是，装入的碳粒与成串件一起被加热，从而需要更多的能源。当碳粒的温度提高后，它们的导电性将提高，这样便在填充物件中形成与成串件平行的导电层。

使用碳粒作为成串件的缺点可以这样来避免，即在石墨化炉中以惰性气代替所述填充物。但在这种情况下，成串件中的碳素件将不得不借助其它种方法予以合宜的支持，因为成串件不再由粒状填充物所支持。因为成串件在一个充有惰性气的炉中不由粒状填充物支持，所以很难对一移动中的成串件通以电流。成串件连续通过石墨化炉的方案，只是以使用填充有碳粒的石墨化炉披露出来（EP-B-O    121    530）。在此已知的工艺过程中，成串件在炉中是按工序通过的，在每次送进之后，在炉体的出口端由于移走了一件已石墨化了的碳素件，而使成串件缩短。而在炉体的进口端，由于添加一件待石墨化的碳素件而使成串件变长。当成串件移动时，它是由抓持头夹持的，抓持头安装在炉体的两端，成串件由所述抓持头推动进行轴向移动，其距离等于一件碳素件的长度。之后，抓持头自成串件端面处脱开，从而使成串件能分别变短和变长。在顺次的两次送进之间，成串件上不施加轴向压力是没有什么影响的，因为成串件是由碳粒填充物支持的，还由于在顺次的两次送进之间，电流已被切断，这样，便不需要将碳素件挤在一起以便在相邻的碳素件之间能导电。填充物中的碳粒可在电极之间比较简单地形成导电层，炉中的电极径向地伸向成串件。由于碳粒的温度提高之后，在靠近电极处便具有了适宜的导电性，这样，电流便可通过端子通过来。端子在成串件的整个长度上是这样分布的，即在预热区、石墨化区和冷却区是有差别的。在冷却区有一些散热片伸入到炉体内部，以便将热量从冷却区更多地传送出去。但是这种结构无法消除由于使用碳粒填充物造成的缺点。此外，这种对成串件的良好支撑作用将会增加对成串件送进运动的阻力，而成串件的表面，由于成串件在送进过程中与碳粒接触而可能受损。

本发明的一个目的是改进一种工艺过程，这种工艺过程是上面首先说明的那种，它用于使碳素件石墨化，由碳素件构成的成串件，能够以较少的能量连续地进行石墨化，炉中不需要使用碳粒填充物。

按照本发明，上述目的已实现，成串件将通过炉体，炉体中充满惰性气体，成串件在轴向方向上被夹持，并在其中形成轴向压力，此压力足可以使成串件自持。在顺次的两次送进工序之内，当成串件变短和变长时，此轴向的压力仍然存在。

因为当一件已石墨化了的碳素体，在炉体的出口端从成串件上移走时，以及一件准备石墨化的碳素件，在炉体的进口端添加到成串件上时，能够使成串件自持的轴向压力仍然存在，所以成串件能够连续地按工序被送入并通过石墨化炉，虽然所述炉中并没有碳粒填充物。由于这个原因，炉中可充入一种惰性气体，这样便可以避免由于使用碳粒填充物带来的缺点，同时，由于不需要加热粒状填充物，因而减少了能量消耗。以在轴向夹持成串件方式而使其能自持的，为实现这种夹持所需要的压力，必须低于碳素件的抗压强度。令人惊奇地发现，即使成串件相当长时，这种要求也能满足。由于这个原因，便有可能使成串件具有这样的长度，即成串件所显现的电阻足够使施加的合理电源电压产生的电流，能达到额定的电流值。在成串件中产生的轴向压应力，还可对已石墨化了的碳素件中的晶粒取向，产生人们期望的影响。

如果成串件在石墨化炉中移动并顺次通过预热区、石墨化区和冷却区时，则成串件在冷却区中散发的热量有可能被利用去预热成串件。这时可使惰性气体以与成串件送进方向相反的方向流过石墨化炉，并使惰性气体对石墨化区旁路。这样，在预热区便可将所述惰性气在冷却室中自成串件上吸收的热的一部分，传送给成串件。因为已使惰性气对石墨化区旁路，因而在石墨化区中对成串件进行的热处理，将不会受来自冷却区的惰性气的不利影响，而惰性气也不会自石墨化区中为热交换被抽出。

在本发明的范畴内，如果对自预热区中抽出的惰性气体进行净化和冷却，然后再循环流到石墨化炉的冷却区，便可形成特别理想的加热条件。当初用来预热成串件的惰性气体余热，在冷却惰性气体时仍可利用，同时使惰性气循环流动，将会使所需要的惰性气体量最少。

可以利用已知的石墨化炉和一间歇式传送机实现本工艺过程。有两个抓持头，它们分别安装在石墨化炉的前方和后方，并可在轴向方向上，将碳素件成串件夹持在所述抓持头之间。它们在炉体轴线方向上是可调节的，调节距离至少等于一件碳素件的长度。石墨化炉中充有惰性气体，并为成串件装置有十分重要的气密通道，在炉体的进口端和出口端各装置有一个辅助抓持器，它有可径向运动的抓持爪，此爪可径向地夹持住成串件。在送进开始时，被抓持爪夹持的碳素件是与位于炉体出口端的抓持头接触的。在送进结束时，被抓持爪夹持的碳素件是与位于炉体进口端的抓持头接触的。辅助抓持器的抓持爪动作时可使位于石墨化炉中的成串件部分产生必要的压应力，从而不受成串件变短和变长的影响。在两个抓持头中的至少一个从成串件上退回之前，由所述辅助抓持器即可产生轴向压应力。结果是，位于两个辅助抓持器之间的成串件部分，在轴向压应力作用下仍可继续被夹持住，此压应力足够大可使成串件自持。这对使成串件通过石墨化炉所需要的送进运动是重要的。下面情况取决于具体条件，一是径向动作的抓持爪必须承受轴向压力的作用，或者所述抓持爪仅能保持住已由抓持头产生的轴向压应力。如果在轴向方向上无法动作的辅助抓持器之间形成的对成串件的径向夹持作用，不足以维持必须的最小轴向压应力时，成串件可以夹持在辅助抓持器中的一个和位于炉体某端的抓持头之间，此抓持头与所述的一个辅助抓持器位于炉体的各一端，因为成串件的变短和变长，不需要同时都实现，但可以依次地实现。

因为石墨化炉中充满惰性气体，为容纳位于靠近炉体进口端和出口端的成串件，炉体中必须有十分重要的气密通道。用于此通道口的密封件可以是一种滑动接触密封件，它以密封接触方式围住成串件。然而这种接触方式在成串件被送进时，会产生不希望有的滑动摩擦。为了在密封件和成串件之间不产生滑动摩擦，可以在炉体的进口端和出口端各安装一个套筒状的密封室，它可以对炉壳在轴向方向上作相对移动，移动距离等于间隙传送器的送进长度。所述密封室有一容纳成串件的通道口，在靠近所述通道口处可以安装一密封室密封件，它位于成串件四周并可沿径向动作以接触成串件。在这种情况下，在每次送进过程中，套筒状密封室能与成串件一起动作，在每次送进过程中，成串件是在不与这种密封件接触的情况下移动的。当密封室密封件自成串件上脱开之后，将在相继的两次送进之间，密封室可退回到它的起始位置上。密封室密封件可以由成为环形的许多个密封块构成，这些密封块在环的周围方向上彼此重叠，并可在与成串件平行的轴上摆动。环状密封室的密封件内径，由于密封块可以摆动，因而是无级可调的，即是一个可调的环。

在密封室退回到其起始位置的过程中，炉壳应始终处于气密状态为此目的，可以在靠近炉体的进口端和出口端处各安装一个炉壳密封件，它们位于成串件周围，并可沿径向动作以接触成串件。每一个密封室密封件和附近的炉壳密封件，都可以交替地动作并接触成串件。因为所述密封件构成了锁气室，所以在每次送进过程中和顺次的两次送进之间，在靠近炉体的进口端和出口端部将对成串件形成一气密通道，此通道的形成没有使用与成串件配合作用的滑动密封件。在炉壳和在所述炉壳二端安装的二炉壳密封件之间，安装有气密接头便足够了。构成这种气密接头并不难，因为套筒状密封室安装在炉壳的外侧，并可沿轴向滑动。

在装有碳粒填充物的石墨化炉中，是利用装有电极的端子装置对石墨化炉中的成串件通电的。这些电极位于一个垂直于成串件轴线的平面上，它们穿过炉壳径向地伸向成串件。位于所述电极和成串件之间的填充物碳粒，将构成一导电层，这种端子装置也可以应用在根据本发明提出的石墨化炉中，只要端子装置中的电极安装在与炉体轴线垂直的隔板之间，这些隔板中的每一个为通过成串件都有一个通道口，还有，在所述二隔板之间装有碳粒填充物。仅在有限的部位装有所述填充物，此填充物仅为导电用。石墨化炉中的惰性气并不受所述在局部部位碳粒填充物的有害影响。因为这种端子装置构成了几个热处理区，还由于一般不希望在相邻的热处理区之间有惰性气体流动，所以安装这种隔板以限制碳粒填充物，将导致使石墨化炉被分成几个纵向区段的理想结果。

石墨化炉可以安装有二端子装置，它们构成了一个石墨化区，并将炉体，从进口端至出口端分隔开，这样，所述端子装置便可将石墨化炉内部划分成一个预热区，一个石墨化区和一个冷却区。如果将石墨化区和出口端之间的冷却区与炉体进口端和石墨化区之间的预热区，用至少一个用于输送惰性气体并对石墨化区旁路的管子连接起来，则这种分隔便可用来在惰性气体和成串件之间实现理想的热传递。在这种情况下，流动方向与成串件的送进方向相反的惰性气体，将从冷却区流向预热区。这样，由惰性气体在冷却区中从成串件上吸收的热量的一部分，便可传送给预热区中的成串件。安装在石墨化炉体外侧的热交换器，可用来回收惰性气体中的尚存的余热。然后，被冷却了的惰性气体即可再循环至冷却区。

图1展示了根据本发明提出的碳素件石墨化工艺过程所用设备的纵向断面视图。

图2为图1所示靠近端子装置的石墨化炉部分的纵向断面视图的放大图。

图3所示为送进之前带有挡板炉进口部位所处位置的部分纵向断面视图。

图4所示视图与图3所示部位视图相同，为送进之后带有挡板炉进口部位所处位置的视图。

图5所示为沿图2V-V线所取的断面视图。

图6所示为沿图2V₁-V₁线所取的断面视图。

根据本发明所涉及的工艺过程将结合附图详细地予以说明。

所示的石墨化碳素件设备为石墨化炉1，有一间歇式传送机，它可使已预燃碳素件3（它们已头尾相紧接，成一线地形成一水平的成串件2）通过炉1。间歇式传送机有两个抓持头6，它们位于石墨化炉1的外边并分别靠近炉体的进口端4和出口端5。炉中装有液压油缸（未示出），它们可使所述抓持头6顶住成串件2，并施加一预定压力，从而使所述抓持头6沿成串件2的轴线移动一定距离，即送进长度，与此同时始终保持有压力的作用。结果是，在抓持头6之间夹持的成串件2按送进工序通过石墨化炉。每一个送进工序之后，一个已石墨化的碳素件3将在炉体出口端5自成串件中移走，而一个待石墨化的新碳素件3，将在炉体的进口端4被送入成串件中。石墨化炉1包括有炉壳7，其中有一绝热衬8，炉内为惰性气。由于这一原因，成串件2在通过炉壳7时，其长度的大部分必须是自持的。为达此目的，抓持头6必须使成串件2承受轴向压力，该压力必须足以使成串件能够自持，在每次送进时，此压力必须始终存在。在相继的送进过程中，成串件2将相继缩短和伸长。为此目的，两个辅助抓持头可径向地抓持成串件2，它们装有抓持爪9，可借助滚压缸10沿径向运动与成串件2接触并在径向方向上抓持住后者。所述辅助抓持头之一安装在靠近碳素件处，在开始送进时，该碳素件与位于炉1出口端的抓持头6接触。另一所述辅助抓持爪安装在这样一个碳素件附近：此碳素件在送进结束时，与安装在靠近炉1进口端的抓持头6接触。在每次送进之后，辅助抓持爪即动作，抓住成串件，但不会抓住已石墨化的碳素件，此碳素件即将被移走，但仍留在成串件中，此时轴向压力仍须足以使成串件自持。安装在炉体出口端5附近的抓持头6这时即可从成串件2处退回，然后即可将已石墨化的碳素件从成串件2上移走。另外，安装于靠近炉体进口端4的抓持头，可从成串件2处退回的距离至少达到一个碳素件的长度，这样成串件2可在靠近炉体进口端4处添加一碳素件3而增长。当已石墨化的碳素件从成串件上移走，而待石墨化的碳素件推送到成串件上之后，两个抓持头6即动作并与成串件接触同时施加所需压力，这时抓持爪9即可脱离成串件2这样即可进行下一次送进。因为成串件2一方面被抓持爪9夹持与另一方面被抓头6抓持的时间重叠，所以至少对在被辅助抓持爪夹持的成串件部分须始终保持有所需要的轴向压力。

在本实施例中，由于安装有套筒状的密封室11，从而在靠近炉体的进口端4和出口端5处形成容纳成串件2的气密通道。密封室11可沿轴向滑动，安装在炉壳7的外侧，它的动作范围与间歇式传送机的送进长度对应。所述的备密封件都有一接纳成串件2的通道开口12，在开口12附近装有密封件13，它包围住成串件2并可沿径向运动，达到与成串件2接触，图3和图4已特别清楚地展示了这一点。所述的各密封件13可由多个密封块组成，它们在圆周方向上是彼此重叠的，总体构成一个环。因为各密封块可绕一轴摆动，该轴与成串件2的轴线平行，此密封块很易于调节以与碳素件的直径匹配。为了使密封件13与成串件接触，密封块必须进行摆动，也就是成为一个可调节的环。这种装置本身已为人们了解，因而未予示出。

相似的炉壳密封件14，它们是可动的并可与成串件2接触。这些密封件安装在炉壳7上，位于炉壳的进口端和出口端。这些安装在靠近炉体进口端4和出口端5的密封件13和14，可以间隔地与成串件2接触以构成锁气室。在每次送进时，各密封室11的密封件13将与成串件接触，密封室11将与成串件2一起动作，此时炉壳密封件14是打开的。在密封室11退回到它们的起始位置之前，炉壳密封件14即与成串件2接触，而密封件13即打开，这样，在成串件2之间将没有滑动摩擦，在密封件13和14上也无滑动摩擦。

借助于三个电端子装置15、16和17，形成各个热处理区。这些电端子沿成串件2分布。热处理区18是在端子装置16（它装置在石墨化炉1中，与炉体进口端4相隔一距离）和端子装置15（它由一电极构成，此电极安装在靠近炉体进口端的抓持头6上，并与成串件2的靠近端面接触）间形成的。石墨化区19是在端子装置16和另一个端子装置17间形成的。冷却区20在端子装置17和炉体出口端5间形成。所形成的所述不同热处理区可以较好地利用热，因为惰性气体在石墨化炉1中的流动方向与成串件2的送进方向相反。惰性气体从冷却区（位于炉体出口端5的前方）通过一管子21（石墨化区19的旁路）流向预热区18，这样，惰性气体在冷却成串件2过程中吸收的部分热可以传送给预热区18中的成串件2。为了回收惰性气体中的余热，可以将惰性气体从靠近进口端的密封室11抽出，然后可以在过滤器22中净化，随后通过一热交换器再送入一管子23，进入冷却区。可以看出，与密封室11连接的管子，当所述的密封室移动时，也必须随同移动，为此，这些管子的长度必须是可调的。

安置在炉体1内部的端子装置16和17，在成串件2移动时必须能向成串件2供电。为此，各端子装置16和17中都包括两个以上电极24。这些电极位于垂直炉体轴线的平面上，它们穿过炉壳7径向地伸向成串件。各端子装置16或17的电极24安装在两个隔板25之间，这两个隔板在垂直于炉体轴线的位置上，它们与容纳成串件2的通道，并在它们之间形成一个碳粉室26，这样，便在各电极24的端面和成串件2之间形成一个导电层。当成串件2通过靠近炉体出口端的隔板25上的通道口时，由成串件2所带出的碳粉，可以通过一适当的管子27回收，送碳粉管28在需要时可用于将碳粉送入碳粉室26中。从图2、5、6中可以清楚地看出，导电气件是电绝缘的，这些元件的径向内端部位具有足够的绝缘性。

为了确保电极对成串件2是均匀分布的，在石墨化炉1中的各端子装置16、17的前方可以装一个用于支持成串件2的滚珠29。电流将使靠近端子装置16和17处的炉壳7的温度升高。由于这个原因，至少在所述位置处的炉壳上可以安装一个冷却水套30。

当碳素件3被抓持头6集中在一起并成为成串件2时，为了使碳素件石墨化，可将所述成串件按步送入石墨化炉1中，并在该炉的不同区中进行加热。图1和3所示为送进动作开始前的原始位置。在每次送进之后，辅助抓持器的抓持爪9即压在成串件2上，这样，即使抓持头6已从成串件上退回，使成串件2能自持所需要的轴向压力将仍然存在，这时便可在炉体1的出口端将一块碳素件3从成串件2上移走，同时将一块新的碳素件在炉体的进口端添加到成串件2上。当成串件2按这种方式变短和变长时，抓持头6将再次顶住成串件2的端面，并向成串件2施加所需压力。之后，抓持爪9即可与成串件脱离，这样，在通电以加热成串件之后，抓持头6便可操作，使成串件2在石墨化炉中产生另一个送进动作。

Claims (8)

1、一种使碳素件石墨化的处理方法，所述碳素件首尾相接成一线，构成一水平成串件，此成串件按送进工序沿轴向通过一石墨化炉，送进距离不小于一件碳素件的长度，在所述炉中，碳素件成串件全长的至少一部分以通过电流方式加热到石墨化温度，在顺次的两次送进之间，由于在炉体的出口端移走至少一个已石墨化了的碳素件，所述成串件将变短，而在炉体的进口端，由于添加了至少一个待石墨化的碳素件，而使成串件变长，其特征在于，成串件通过一充满惰性气体的炉体，成串件被轴向地夹持住，从而在成串件中产生轴向压力，此压力足可以使成串件自持，在顺次的两次送进之间，当成串件变短和变长时，此轴向压力始终存在。

2、根据权利要求1提出的处理方法，成串件在石墨化炉中将顺次通过一预热区，一石墨化区和一冷却区，其特征在于，惰性气体在石墨化炉中的流动方向与成串件的送进方向相反，惰性气体对石墨化区旁路，而对预热区中的成串件传送一部分热，此部分热是被所述惰性气体从位于冷却区中的成串件上吸收走的。

3、根据权利要求2提出的处理方法，其特征在于，从预热区中被抽走的惰性气体将被净化和冷却，然后再循环至石墨化炉的冷却区。

4、一种实现根据权利要求1至3中的任一个提出的处理方法的设备，包括有一石墨化炉和一间歇式传送机，传送机上装有两个抓持头，它们分别装置在石墨化炉体的前方和后方，在所述抓持头之间，碳素件成串件被轴向地夹持住，抓持头沿炉体轴线运动的距离是可调的，调节距离至少有一件碳素件的长度，其特征在于，石墨化炉中充满一种惰性气体，其中有至少大至气密的成串件通路，在炉体的进口端和出口端装有辅助抓持器，此种抓持器上装有径向上夹持成串件的可沿径向运动的抓持爪，此抓持爪夹持的成串件上的碳素件，在送进工序开始时，与安装在炉体出口端的抓持头是接触的，被夹持的另一成串件上的碳素件，是在送进工序结束时，与安装在炉体进口端的抓持头是接触的。

5、根据权利要求4提出的一种设备，其特征在于，石墨化炉在其进口端和出口端各装有一个套筒状的密封室，这些密封室相对于炉壳可沿轴向移动，移动长度为间歇式传送机的送进长度，所述密封室有一允许成串件通过的通道口，在所述通道口附近安装有包围住并可径向运动以接触成串件的密封室密封件。

6、根据权利要求5提出的一种设备，其特征在于，在靠近炉体进口端和出口端，石墨化炉壳上各安装一炉壳密封装置，此密封装置包围住并可径向运动以接触成串件，各密封室密封件及靠近的炉壳密封装置都可运动，并可依次与成串件接触。

7、根据权利要求4至6中的任一个提出的一种设备，它包括有可向石墨化炉中的成串件，通过电极通电的端子装置，这些电极位于一个垂直于炉体轴线的平面上，并穿过炉壳径向地伸向成串件，在电极和成串件之间为充满碳粒的导电层，其特征在于，端子装置中的电极位于膈板之间，隔板面垂直于炉体的轴线，各隔板都带有允许成串件通过的通道口，在所述隔板之间充满碳粉。

8、根据权利要求7提出的一种设备，其特征在于，石墨化炉中有两个端子装置，它们之间为一石墨化区，此区位于炉体的进口端和出口端之间，这样，所述端子装置将石墨化炉内部分隔成一预热区，一石墨化区和一冷却区，冷却区在石墨化区和炉子出口端之间，冷却区与位于炉体进口端和石墨化区之间的预热区，用至少一根管子连通，此管子用于通过惰性气体，并对石墨化区旁路。

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