CN104628004B - 一种电池硅基类负极材料制备罐和制备炉窑及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池硅基类负极材料制备罐和制备炉窑及制备方法，制备罐的真空度为1Pa～5Pa，制备罐的加热罐体是离心铸造的含有稀土的耐热钢罐体，在加热罐体外壁设有陶瓷涂层，加热罐体是耐热温度不低于1400℃的罐体；在芯筒与结晶器之间设有挡火板，在制备罐上设有氮气接口；制备炉窑按照生产工艺操作的功用在炉体垂直方向上划分为燃烧控制区、工艺操作区和卸渣清理区，每层区域为独立空间又相互连通；制备炉窑中设有多个竖直放置的制备罐，在制备炉窑宽度方向的两侧壁上设有燃烧器；本发明的有益效果是：实现了在高温、高真空环境下规模化制备SiO，制备低成本、稳定可靠，制备成品品质高，可进行自动化连续生产。

Description

一种电池硅基类负极材料制备罐和制备炉窑及制备方法

技术领域

本发明属于电池材料冶炼装置，尤其涉及一种电池硅基类负极材料制备罐和制备炉窑及制备方法。

背景技术

锂电池具有体积小、容量大、寿命长、无记忆性、可以反复充放电等优点，被广泛运用在通讯设备、IT数码、电动工具等行业。随着国家大力推广新能源电动汽车，锂电池也越来越多的被运用在电动汽车上。目前电动汽车的制造瓶颈就在锂电池环节，这一环节存在着成本高、续航里程短、充电不易、充电时间长等问题。从技术角度来看，锂电池的关键在电池材料，电池材料的关键在负极，目前已经实现商业化的负极材料为碳负极类，细分为天然石墨、人造石墨、中间相三小类，其最大比容量在340～380mAh/g范围,很难满足电动汽车行驶里程的需求。而硅和硅基类负极材料的比容量高达4000mAh/g ，是碳素材料的10倍，因此研究开发硅和硅基类负极材料大有前途，迫在眉睫。SiO是一种较好的电池负极材料，国内常用的制备方法是：将SiO₂含量为99.5%的二氧化硅粉末和煤沥青粉末混合，C/SiO₂混合摩尔比为2.0，混合物经减压加热处理，其温度为1600℃，压力为1.013 kPa，经还原反应生成SiO蒸气，通入氩气，将SiO蒸气凝结输送，制成0.1 μm以下的一氧化硅粉末。这种方法需要极高温度，配套设施条件苛刻，现实中成本费用极高，制取较难。目前，国内有些地方在实验室内利用电加热方式加热到1350℃，压力为1Pa～5 Pa,可以少量制备，但其囿于设备体积和电加热布置的局限，产量很小，而且不稳定，成本极高，产品基本用于研究开发，其制备方式很难推广到规模化生产。

发明内容

本发明的目的是提出一种电池硅基类负极材料制备罐和制备炉窑及制备方法的技术方案；采用新式炉窑，能够规模化生产SiO，实现制备低成本、高品质、稳定可靠、可自动化连续生产。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种电池硅基类负极材料制备罐，包括加热罐体、设置在加热罐体之上的操作罐体、设置在加热罐体之下的排渣口、芯筒、结晶器，结晶冷却水套；所述加热罐体和操作罐体是真空罐体，所述芯筒设置在所述加热罐体内，结晶器设置所述操作罐体中，结晶器位于芯筒的上方，环绕操作罐体设有所述结晶冷却水套，在操作罐体上设有真空管道接口和装料口；所述加热罐体和操作罐体的真空度为1Pa～5Pa，所述加热罐体采用添加了稀土元素的耐热钢离心铸造而成，在加热罐体的外壁喷涂耐高温防腐陶瓷类涂层，加热罐体是耐热温度不低于1400℃的罐体；在芯筒与结晶器之间设有挡火板，在操作罐体上设有保护气体接口。

更进一步，所述结晶冷却水套是通入不同水温的双回路冷却水套；结晶冷却水套上设有第一冷却水进口、第一冷却水出口和第二冷却水进口、第二冷却水出口，所述第一冷却水进口和第一冷却水出口连通结晶冷却水套的内腔，所述第二冷却水进口和第二冷却水出口连通一条设置在结晶冷却水套的内腔的冷却水管路。

更进一步，所述加热罐体材料是Gr25Ni20耐热钢，在加热罐体的材料中添加有总含量不高于0.01%的铈或镧；加热罐体外壁的陶瓷类涂层是采用等离子法喷涂的纳米级氧化锆涂层。

更进一步，所述挡火板采用莫来石质浇注料砌制而成，在挡火板内部设有耐热钢骨架，挡火板与罐体之间留有环形气体溢散通道。

一种电池硅基类负极材料制备炉窑，所述制备炉窑是采用权利要求1所述的电池硅基类负极材料制备罐进行硅基类负极材料制备的炉窑,所述制备炉窑设有炉膛、燃烧器,并与制备罐相结合布置，对制备罐进行加热促其内部物料充分反应同时满足制备罐内装料及卸渣等操作工艺；按照生产工艺操作的功用在炉体垂直方向上划分为三层区域进行布局，中部区域为燃烧控制区域，上部区域是装料出料以及真空冷却等工艺操作区域，下部区域是卸渣清理区域，每层区域为独立空间但可相互连通；

所述炉膛是制备炉窑的燃烧控制区，炉膛上方的炉顶以上的区域是进行装料、出料、抽取真空、冷却的所述操作区，炉膛下方的炉底以下的区域是所述卸渣清理区；在所述制备炉窑中设有多个所述制备罐，制备罐竖直设置；制备罐的所述加热罐体位于制备炉窑的炉膛中，处于所述燃烧控制区；所述操作罐体从制备炉窑的上部伸出炉膛，处于所述操作区；所述排渣口从制备炉窑的下部伸出炉膛，处于所述卸渣清理区；

所述制备罐的真空管道接口连接真空管道，所述制备罐的结晶冷却水套连接冷却水管道，所述制备罐的保护气体接口连接设有阀门的保护气体管道。

更进一步，所述制备炉窑设有长方体的炉膛，在制备炉窑宽度方向的两侧壁上设有所述燃烧器；

所述燃烧器是HTAC燃烧器，有多个燃烧器在制备炉窑的两侧壁上两两对应设置，每个燃烧器的烧嘴设有六个高温空气喷口和两个燃气喷口，六个高温空气喷口为2×3矩形布置，高温空气喷口设有向炉膛内开放的扩散角，两个燃气喷口位于高温空气喷口的居中位置；炉墙内的燃气通道采用氧化铝陶瓷管。

更进一步，所述真空管道设置有预抽真空管道和主抽真空管道，预抽真空管道和主抽真空管道分别连接预抽真空机组和主抽真空机组；每个制备罐的真空管道接口通过真空控制阀门分别与主抽真空管道和预抽真空管道相连。

更进一步，所述连接制备罐上结晶冷却水套的冷却水管道是双回路冷却水管道，所述双回路冷却水管道包括第一冷却水回路和第二冷却水回路。

一种电池硅基类负极材料制备方法，所述方法是采用权利要求5所述的一种电池硅基类负极材料制备炉窑进行硅基类负极材料制备的方法；其特征在于，所述方法的步骤包括：

a. 对原料进行磨碎处理，原料中包括SiO₂ 和Si，SiO₂ 和Si的摩尔比为1:1，磨碎处理后的原料粒度等级高于100目；

b. 对由步骤a处理后的原料进行充分混合，将混合后的原料压制成杏核形状；

c. 加热制备炉窑，轮换燃烧在制备炉窑的两侧壁上两对应的燃烧器，使排出炉膛的烟气温度低于150℃，使制备炉窑的炉膛温度稳定保持在1200℃～1400℃；

d. 打开制备罐的装料口，放入芯筒；

e. 将原料装入制备罐中，使原料位于所述加热罐体与芯筒之间的空间中；

f. 将挡火板和结晶器放入制备罐中；

g. 关闭制备罐的装料口，使制备罐处于密封状态；

h. 操作真空控制阀门使预抽真空管道连通操作罐体，当操作罐体和加热罐体内的真空压力低于1kPa之后，操作真空控制阀门使主抽真空管道连通操作罐体，使操作罐体和加热罐体内的真空压力达到并保持在1Pa～5Pa；

i.使第一冷却水回路通入45℃～55℃的冷却水，连续运行；在冷却作用下，制备罐内物质反应后生成的气态SiO在结晶器内壁冷凝成固态形成SiO结晶体；

j. 当制备罐内的物质反应完成后，切断操作罐体与真空管道的连接，缓慢开启保护气体管道的阀门，向操作罐体内通入保护气体，同时使第二冷却水回路持续通入20℃～30℃的冷却水；

k. 打开制备罐的装料口，取出结晶器。

更进一步:在步骤b中，将混合后的原料压制成粒度为15mm～40mm的杏核形状；在步骤c中，使制备炉窑的炉膛温度稳定保持在1350℃～1400℃；在步骤j中，向操作罐体内通入的保护气体包括常温常压的氮气或其他惰性气体。

本发明的有益效果是：实现了在高温、高真空环境下规模化制备SiO，制备低成本、稳定可靠，制备成品品质高，可进行自动化连续生产。

下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。

附图说明

图1是本发明电池硅基类负极材料制备罐结构图；

图2是本发明电池硅基类负极材料制备炉窑剖面图；

图3是本发明电池硅基类负极材料制备炉窑的燃烧器布置图；

图4是本发明电池硅基类负极材料制备炉窑的真空管道示意图，图中仅画出连接一行制备罐的真空管道，其余各行真空管道结构相同；

图5是本发明电池硅基类负极材料制备炉窑的冷却水管道和保护气体管道示意图，图中仅画出连接一行制备罐的冷却水管道和氮气，其余各行冷却水管道和保护气体气管道结构相同；

图6是本发明电池硅基类负极材料制备炉窑的燃烧器结构图；

图7是图6的A向视图；

图8是HTAC（高温空气助燃）燃烧器原理图，左侧烧嘴燃烧；

图9是HTAC（高温空气助燃）燃烧器原理图，右侧烧嘴燃烧。

具体实施方式

如图1，一种电池硅基类负极材料制备罐100，包括加热罐体110、设置在加热罐体之上的操作罐体120、设置在加热罐体之下的排渣口130、芯筒140、结晶器150，结晶冷却水套160；所述加热罐体和操作罐体是真空罐体，所述芯筒设置在所述加热罐体内，结晶器设置所述操作罐体中，结晶器位于芯筒的上方，环绕操作罐体设有所述结晶冷却水套，在操作罐体上设有真空管道接口121和装料口122；所述加热罐体和操作罐体的真空度为1Pa～5Pa，所述加热罐体采用添加了稀土元素的耐热钢离心铸造而成，在加热罐体的外壁喷涂耐高温防腐陶瓷类涂层，加热罐体是耐热温度不低于1400℃的罐体；在芯筒与结晶器之间设有挡火板170，在操作罐体上设有保护气体接口123。

所述结晶冷却水套是通入不同水温的双回路冷却水套；结晶冷却水套上设有第一冷却水进口161、第一冷却水出口162和第二冷却水进口163、第二冷却水出口164，所述第一冷却水进口和第一冷却水出口连通结晶冷却水套的内腔，所述第二冷却水进口和第二冷却水出口连通一条设置在结晶冷却水套的内腔的冷却水管路165。

所述加热罐体材料是Gr25Ni20耐热钢，在加热罐体的材料中添加有总含量不高于0.01%的铈或镧；加热罐体外壁的陶瓷类涂层是采用等离子法喷涂的纳米级氧化锆涂层。

所述挡火板采用莫来石质浇注料砌制而成，在挡火板内部设有耐热钢骨架，挡火板与罐体之间留有环形气体溢散通道171。

如图2、图3，图4、图5，一种电池硅基类负极材料制备炉窑200，所述制备炉窑是采用上述电池硅基类负极材料制备罐进行硅基类负极材料制备的炉窑,所述制备炉窑设有燃烧器210和炉膛220；并与制备罐相结合布置，对制备罐进行加热促其内部物料充分反应同时满足制备罐内装料及卸渣等操作工艺；按照生产工艺操作的功用在炉体垂直方向上划分为三层区域进行布局，中部区域为燃烧控制区域，上部区域是装料出料以及真空冷却等工艺操作区域，下部区域是卸渣清理区域，每层区域为独立空间但可相互连通。

所述炉膛是制备炉窑的燃烧控制区，炉膛上方的炉顶以上的区域是进行装料、出料、抽取真空、冷却的操作区，炉膛下方的炉底以下的区域是卸渣清理区；在所述制备炉窑中设有多个所述制备罐100，制备罐竖直设置；制备罐的所述加热罐体110位于制备炉窑的炉膛中，处于所述燃烧控制区；所述制备罐的操作罐体120从制备炉窑的上部伸出炉膛，处于所述操作区；所述制备罐的排渣口130从制备炉窑的下部伸出炉膛，处于所述卸渣清理区。

所述制备罐的真空管道接口连接真空管道230，所述制备罐的结晶冷却水套连接冷却水管道240，所述制备罐的保护气体接口连接设有阀门的保护气体管道250。

所述制备炉窑设有长方体的炉膛，在制备炉窑宽度方向的两侧壁上设有所述燃烧器。

如图6、图7，所述燃烧器是HTAC燃烧器，有多个燃烧器在制备炉窑的两侧壁上两两对应设置，每个燃烧器的烧嘴设有六个高温空气喷口211和两个燃气喷口212，六个高温空气喷口为2×3矩形布置，高温空气喷口设有向炉膛内开放的扩散角D，两个燃气喷口位于高温空气喷口的居中位置；炉墙内的燃气通道采用氧化铝陶瓷管。

所述真空管道设置有预抽真空管道231和主抽真空管道232，预抽真空管道和主抽真空管道分别连接预抽真空机组和主抽真空机组；每个制备罐的真空管道接口通过真空控制阀门233分别与主抽真空管道和预抽真空管道相连。

所述连接制备罐上结晶冷却水套的冷却水管道是双回路冷却水管道，所述双回路冷却水管道包括第一冷却水回路241和第二冷却水回路242（如图5所示）。

一种电池硅基类负极材料制备方法，所述方法是采用上述的一种电池硅基类负极材料制备炉窑进行硅基类负极材料制备的方法；其制备反应的基础原理为：SiO₂ + Si → 2SiO，反应过程在密闭的高温真空环境(温度1200℃～1400℃，真空1Pa～5Pa)中进行。所述方法的步骤包括：

a. 对原料进行磨碎处理，原料中包括SiO₂ 和Si，SiO₂ 和Si的摩尔比为1:1，磨碎处理后的原料粒度等级高于100目；

b. 对由步骤a处理后的原料进行充分混合，将混合后的原料压制成杏核形状；

c. 加热制备炉窑，轮换燃烧在制备炉窑的两侧壁上两对应的燃烧器，使排出炉膛的烟气温度低于150℃，使制备炉窑的炉膛温度稳定保持在1200℃～1400℃；

d. 打开制备罐的装料口，放入芯筒；

e. 将原料装入制备罐中，使原料位于所述加热罐体与芯筒之间的空间中；

f. 将挡火板和结晶器放入制备罐中；

g. 关闭制备罐的装料口，使制备罐处于密封状态；

h. 操作真空控制阀门使预抽真空管道连通操作罐体，当操作罐体和加热罐体内的真空压力低于1kPa之后，操作真空控制阀门使主抽真空管道连通操作罐体，使操作罐体和加热罐体内的真空压力达到并保持在1Pa～5Pa；

i.使第一冷却水回路通入45℃～55℃的冷却水，持续运行；在冷却作用下，制备罐内物质反应后生成的气态SiO在结晶器内壁冷凝成固态形成SiO结晶体；

j. 当制备罐内的物质反应完成后，切断操作罐体与真空管道的连接，缓慢开启保护气体管道的阀门，向操作罐体内通入保护气体，同时使第二冷却水回路持续通入20℃～30℃的冷却水；

k. 打开制备罐的装料口，取出结晶器。

为获得较佳的制备效果，在步骤b中，将混合后的原料压制成粒度为15mm～40mm的杏核形状；在步骤c中，使制备炉窑的炉膛温度稳定保持在1350℃～1400℃；

在步骤j中，向操作罐体内通入的保护气体包括常温常压的氮气或其他惰性气体。

实施例一：

如图1，一种电池硅基类负极材料制备罐100，包括加热罐体110、设置在加热罐体之上的操作罐体120、设置在加热罐体之下的排渣口130、芯筒140、结晶器150，结晶冷却水套160。

加热罐体要求工作在1200℃～1400℃的高温和1Pa～5Pa真空度，加热罐体采用添加了稀土元素的耐热钢离心铸造而成。本实施例的加热罐体材料是Gr25Ni20耐热钢，在加热罐体的材料中添加有总含量不高于0.01%的铈或镧，采用含有稀土元素的耐热钢作为加热罐体的材质，能够防止加热罐体产生高温蠕变，加热罐体能够在最高1400℃的高温下工作。

加热罐体外壁采用离子喷涂方式喷涂高性能陶瓷涂层，可使加热罐体具有耐高温冲刷耐氧化腐蚀等特点，大大延长罐体使用寿命。陶瓷涂层可采用氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化镁、莫来石等类材质，本实施例采用等离子法喷涂的纳米级氧化锆涂层。

所述芯筒设置在加热罐体内，结晶器设置所述操作罐体中，结晶器位于芯筒的上方，在芯筒与结晶器之间设有挡火板170，挡火板位于加热罐体的上端、操作罐体的下方，挡火板在制备罐内的作用是将加热罐体和操作罐体分隔为两个温度不同的区域，挡火板下方的加热罐体为高温反应区域，挡火板上方的操作罐体为低温结晶区域。由于挡火板的存在，整个制备罐的温度在挡火板处形成明显的突变，两个区域温度互不影响。档火板采用莫来石质浇注料砌制而成，具有耐高温、强度高、轻便的特性。在挡火板内部设有耐热钢骨架，挡火板与加热罐体之间留有环形气体溢散通道171，避免加热罐体的高温辐射对操作罐体中的结晶区的影响。

环绕操作罐体设有所述结晶冷却水套，所述结晶冷却水套是通入不同水温的双回路冷却水套；结晶冷却水套上设有第一冷却水进口161、第一冷却水出口162和第二冷却水进口163、第二冷却水出口164，所述第一冷却水进口和第一冷却水出口连通结晶冷却水套的内腔，所述第二冷却水进口和第二冷却水出口连通一条设置在结晶冷却水套的内腔的冷却水管路165。

在操作罐体上设有真空管道接口121和装料口122；在加热罐体的下方设有卸渣口130。

在操作罐体上设有保护气体接口123，用于输入保护气体。在反应结束前，通入保护气体，对操作罐体的内结晶器进行遮盖保护，避免出料时的氧化损耗。同时也能够对结晶器进行冷却。

实施例二：

如图2至图7，一种电池硅基类负极材料制备炉窑200，所述制备炉窑是采用实施例一的电池硅基类负极材料制备罐100进行硅基类负极材料制备的炉窑。

制备炉窑结合竖式制备罐形式进行生产布局结构，按照生产工艺操作的功用在炉体垂直方向上划分为三层区域进行布局。中部区域为燃烧控制区；上部区域是装料出料以及真空冷却等工艺操作区域；下部区域是卸渣清理区域。每层区域为独立空间但可相互连通，使生产操作更简单便利。

所述制备炉窑设有长方体的炉膛220。制备炉窑的本体结构包括钢结构骨架和耐火内衬。按照制备罐操作的功用在垂直方向上划分为三层区域。中部区域布置炉膛，是制备炉窑的燃烧控制区，制备罐的加热罐体安装在炉膛中，是制备炉窑燃烧、罐内物料反应的主要区域；上部区域即炉膛上方的炉顶以上的区域，是进行装料、出料、抽取真空、冷却的操作区，制备罐的操作罐体设置在操作区；炉膛下方的炉底以下的区域是卸渣清理区，是制备罐底部开口区域，可以对罐内积聚之废料杂质等进行卸除，此区域采用钢管立柱做支撑，内部可以运行小车260，以便于排渣或清理罐内附着物等。每层区域为独立空间但相互连通，使生产操作更简单便利。制备炉窑的侧墙耐火内衬采用三层结构形式，即纤维隔热层+隔热耐火砖层+耐火浇注料层，炉顶采用锚固砖吊挂形式，采用重质和轻质浇注料两层砌筑；炉底采用三层结构形式，即纤维隔热层+隔热耐火砖层+耐火砖层。

在炉窑内设有20支所述制备罐，20支制备罐成行列排列，在制备炉窑的宽度方向每列4支，沿制备炉窑的长度方向设有5列。制备罐竖直设置，制备罐的加热罐体位于制备炉窑的炉膛中，制备罐的操作罐体从制备炉窑的上部伸出炉膛，制备罐的卸渣口从制备炉窑的下部伸出炉膛。采用多支制备罐可以提高炉体利用率，便于燃烧系统及真空冷却系统的量级优化控制，达到节约化模块化生产的目的。

在制备炉窑宽度方向的两侧壁上设有12个燃烧器210。燃烧器是HTAC燃烧器，12个燃烧器在制备炉窑的两侧壁上两两对应设置，构成6对。

如图8，每对燃烧器位于制备炉窑的两侧，燃烧器的烧嘴内设蓄热室213，空气经过换向阀214进入左侧烧嘴的蓄热室被预热到1000℃左右然后再通过烧嘴喷口喷入炉膛。预热后的空气和燃气在炉内相遇急速燃烧产生大量的热量，加热制备罐的加热罐体。燃烧产生的烟气经由右侧的烧嘴喷口进入右侧的蓄热室中。此时右侧的蓄热室处于吸热状态，烟气经过时，烟气中携带的大量热量被右侧蓄热室中的蓄热体吸收，烟气温度下降到150℃以下再经由换向阀排出。

如图9，两侧烧嘴内部蓄热体充分蓄热或放热后，换向阀214动作，空气和燃气从右侧烧嘴进入，原先吸热的蓄热室组放热，原先放热的蓄热室组吸热。以上过程，通过换向阀控制不断地相互切换，周而复始，延续不断。

HTAC(高温空气助燃)技术优势是：大大降低排出炉膛的烟气温度（由炉内1350℃降低为150℃以下）可以使炉窑的热利用率由传统的8～10%提高到50%以上，具有很好的节能减排效果。升温速度快，提高了生产效率和产品品质，降低了能耗和人员管理费用。

燃烧效率提高，减少了对环境的污染。由于空气助燃后大大提高了炉内燃烧强度，空燃气在整个炉膛内全方位混合燃烧，形成了幕式扩散燃烧，炉内温度场均匀，炉温稳定，便于调节。燃气燃烧充分，不易形成炭黑粒子等未完全燃烧产物，同时控制精确的空气量，可以大大减少烟气中氮氧化合物的含量，满足大气污染物排放一级标准的要求。

炉内燃烧的幕式特征以及均匀炉温，确保制备罐罐体不被集中的高温火焰冲刷，各部位受热温度均匀，制备罐的耐久性提高，延长了制备罐使用寿命。

由于炉内燃烧强度提高，除天然气、焦炉煤气等高热值燃料外，一些低热值的发生炉煤气或转炉煤气等也可以加以燃烧利用，提高了炉窑的燃料适应性。

蓄热烧嘴布置在炉窑两侧，而不是两端，这样炉内火焰流程短，炉窑宽度方向上温度更加均匀；同时可以通过调节各个烧嘴的空燃气流量来确保沿炉窑长度方向上炉温依然均匀。而烧嘴在炉窑两端布置时，火焰流程长，必然导致炉窑两端温度高、中间低的现象，而且无法调节，再比如中间几支制备罐处于开盖装料出料状态时，其周围区域温度将大大降低，必然影响炉内其他罐内物料的正常化学反应，造成产量低、热耗大等缺点。

每个燃烧器的烧嘴设有六个高温空气喷口211和两个燃气喷口212，六个高温空气喷口为2×3矩形布置，两个燃气喷口位于高温空气喷口的居中位置。高温空气喷口设有向炉膛内开放的扩散角D=50°，使空气流席卷靠近的天然气流，进行充分扩散燃烧，不会形成集中的火焰中心，避免天然气直接冲刷炉墙和加热罐体，延长了炉体和制备罐的寿命。

炉墙内的燃气通道采用氧化铝陶瓷管,可确保煤气经过单独封闭良好的通道进入炉膛，避免溢散入炉墙墙体导致炉墙烧损或其他意外事故发生。

所述制备罐的真空管道接口连接真空管道230，所述真空管道设置有预抽真空管道231和主抽真空管道232，预抽真空管道和主抽真空管道分别连接预抽真空机组和主抽真空机组；每个制备罐的真空管道接口通过真空控制阀门233分别与主抽真空管道和预抽真空管道相连。

本实施例中，真空机组分别采用机械真空泵或者蒸汽射流泵两种设备来实现。管道上设过滤器234，滤除杂质和粉尘，避免对真空抽吸设备的损害，提高真空油的使用寿命。

真空控制阀门可以使制备罐分别与预抽真空管道和主抽真空管道相连通，可以在预抽真空管道和主抽真空管道之间方便切换，保证不同生产状态下不同的真空要求。

真空机组系统运行采用自动控制，在预抽真空管道和主抽真空管道上分别安装电子真空测量计，其数据远传回中央控制中枢，中央控制系统经过采集并分析数据，运算输出指令，对各台机械真空泵进行启停操作，并适时开启或关闭泵前电动阀门，保证真空及时、适时满足生产要求，并且最大限度地减少启动运行的真空泵数量，达到节能降耗的目的。

所述制备罐的结晶冷却水套连接冷却水管道240；连接结晶冷却水套的冷却水管道是双回路冷却水管道，所述双回路冷却水管道包括第一冷却水回路241和第二冷却水回路242。结晶冷却水套上设有第一冷却水进口141、第一冷却水出口142和第二冷却水进口143、第二冷却水出口144。所述第一冷却水回路连通第一冷却水进口和第一冷却水出口，第二冷却水回路连通第二冷却水进口和第二冷却水出口。制备罐内物料在反应期间只采用一个回路冷却，在反应末期增加另一个回路（两回路水温不同），以提高冷却效率，满足生成物需要快速冷却凝华的要求。

制备罐的保护气体接口连接保护气体管道250，在保护气体管道上设有阀门。在反应结束时，通入保护气体，对罐内结晶器进行遮盖冷却和保护，避免出料时的氧化损耗，提高产量和成品率。

整个炉窑设备采用双套中央控制系统，即现场和总控室各设一套系统，两套系统可以同时运行，相互切换，总控室侧重于总体监测和对燃烧系统的控制，而现场侧重于对真空、冷却系统的控制以及对装出料和排渣等生产工艺的控制。两套系统有机结合，保证生产运行有序进行。本实施例中的控制相同是DCS系统。

实施例三：

一种电池硅基类负极材料制备方法，所述方法是采用实施例二的一种电池硅基类负极材料制备炉窑进行硅基类负极材料制备的方法；其制备反应的基础原理为：SiO₂ + Si → 2SiO，反应过程在密闭的高温真空环境(温度1200℃～1400℃，真空1Pa～5Pa)中进行。所述方法的步骤包括：

a. 原料中包括SiO₂ 和Si，SiO₂ 和Si的摩尔比为1:1，磨碎处理后的原料粒度等级高于100目；

b. 对由步骤a处理后的原料进行充分混合，将混合后的原料压制成粒度为杏核形状；较佳的选择是将混合后的原料压制成粒度为15mm～40mm的杏核形状；

c. 加热制备炉窑，轮换燃烧在制备炉窑的两侧壁上两对应的燃烧器，使排出炉膛的烟气温度低于150℃，使制备炉窑的炉膛温度稳定保持在1200℃～1400℃；较佳的选择是使制备炉窑的炉膛温度保持在1350℃~1400℃范围；

d. 打开制备罐的装料口，放入芯筒；

e. 将原料装入制备罐中，使原料位于所述加热罐体与芯筒之间的空间中；

f. 将挡火板和结晶器放入制备罐中；

g. 关闭制备罐的装料口，使制备罐处于密封状态；

h. 操作真空控制阀门使预抽真空管道连通操作罐体，当操作罐体和加热罐体内的真空压力低于1kPa之后，操作真空控制阀门使主抽真空管道连通操作罐体，使操作罐体和加热罐体内的真空压力达到并保持在1Pa～5Pa；

i. 使第一冷却水回路通入45℃～55℃的冷却水，持续运行；在冷却作用下，制备罐内物质反应后生成的气态SiO在结晶器内壁冷凝成固态形成SiO结晶体；

j. 当制备罐内的物质反应完成后，切断操作罐体与真空管道的连接，缓慢开启保护气体管道的阀门，向操作罐体内通入常温常压的氮气，同时使第二冷却水回路持续通入20℃～30℃的冷却水；

k. 打开制备罐，取出结晶器。

Claims (10)

1.一种电池硅基类负极材料制备罐，包括加热罐体、设置在加热罐体之上的操作罐体、设置在加热罐体之下的排渣口，还包括芯筒、结晶器，结晶冷却水套；所述加热罐体和操作罐体是真空罐体，所述芯筒设置在所述加热罐体内，结晶器设置所述操作罐体中，结晶器位于芯筒的上方，环绕操作罐体设有所述结晶冷却水套，在操作罐体上设有真空管道接口和装料口；其特征在于：所述加热罐体和操作罐体的真空度为1Pa～5Pa，所述加热罐体采用添加了稀土元素的耐热钢离心铸造而成，在加热罐体的外壁喷涂耐高温防腐陶瓷类涂层，加热罐体是耐热温度不低于1400℃的罐体；在芯筒与结晶器之间设有挡火板，在操作罐体上设有保护气体接口。

2.根据权利要求1所述的一种电池硅基类负极材料制备罐，其特征在于，所述结晶冷却水套是通入不同水温的双回路冷却水套；结晶冷却水套上设有第一冷却水进口、第一冷却水出口和第二冷却水进口、第二冷却水出口，所述第一冷却水进口和第一冷却水出口连通结晶冷却水套的内腔，所述第二冷却水进口和第二冷却水出口连通一条设置在结晶冷却水套的内腔的冷却水管路。

3.根据权利要求1所述的一种电池硅基类负极材料制备罐，其特征在于，所述加热罐体材料是Cr25Ni20耐热钢，在加热罐体的材料中添加有总含量不高于0.01%的铈或镧；加热罐体外壁的陶瓷类涂层是采用等离子法喷涂的纳米级氧化锆涂层。

4.根据权利要求1所述的一种电池硅基类负极材料制备罐，其特征在于，所述挡火板采用莫来石质浇注料砌制而成，在挡火板内部设有耐热钢骨架，挡火板与加热罐体之间留有环形气体溢散通道。

5.一种电池硅基类负极材料制备炉窑，所述制备炉窑是采用权利要求1所述的电池硅基类负极材料制备罐进行硅基类负极材料制备的炉窑,所述制备炉窑设有炉膛、燃烧器,并与制备罐相结合布置，对制备罐进行加热促其内部物料充分反应同时满足制备罐内装料及卸渣的操作工艺；其特征在于，按照生产工艺操作的功用在炉体垂直方向上划分为三层区域进行布局，中部区域为燃烧控制区域，上部区域是装料出料以及真空冷却的工艺操作区域，下部区域是卸渣清理区域，每层区域为独立空间但可相互连通；

所述炉膛是制备炉窑的燃烧控制区域，炉膛上方的炉顶以上的区域是进行装料、出料、抽取真空、冷却的所述操作区域，炉膛下方的炉底以下的区域是所述卸渣清理区域；在所述制备炉窑中设有多个所述制备罐，制备罐竖直设置；制备罐的所述加热罐体位于制备炉窑的炉膛中，处于所述燃烧控制区域；所述操作罐体从制备炉窑的上部伸出炉膛，处于所述操作区域；所述排渣口从制备炉窑的下部伸出炉膛，处于所述卸渣清理区域；

所述制备罐的真空管道接口连接真空管道，所述制备罐的结晶冷却水套连接冷却水管道，所述制备罐的保护气体接口连接设有阀门的保护气体管道。

6.根据权利要求5所述的一种电池硅基类负极材料制备炉窑，其特征在于，所述制备炉窑设有长方体的炉膛，在制备炉窑宽度方向的两侧壁上设有所述燃烧器；

所述燃烧器是HTAC燃烧器，有多个燃烧器在制备炉窑的两侧壁上两两对应设置，每个燃烧器的烧嘴设有六个高温空气喷口和两个燃气喷口，六个高温空气喷口为2×3矩形布置，高温空气喷口设有向炉膛内开放的扩散角，两个燃气喷口位于高温空气喷口的居中位置；炉墙内的燃气通道采用氧化铝陶瓷管。

7.根据权利要求5所述的一种电池硅基类负极材料制备炉窑，其特征在于，所述真空管道设置有预抽真空管道和主抽真空管道，预抽真空管道和主抽真空管道分别连接预抽真空机组和主抽真空机组；每个制备罐的真空管道接口通过真空控制阀门分别与主抽真空管道和预抽真空管道相连。

8.根据权利要求7所述的一种电池硅基类负极材料制备炉窑，其特征在于，所述连接制备罐上结晶冷却水套的冷却水管道是双回路冷却水管道，所述双回路冷却水管道包括第一冷却水回路和第二冷却水回路。

9.一种电池硅基类负极材料制备方法，所述方法是采用权利要求8所述的一种电池硅基类负极材料制备炉窑进行硅基类负极材料制备的方法；其特征在于，所述方法的步骤包括：

a. 对原料进行磨碎处理，原料中包括SiO₂ 和Si，SiO₂ 和Si的摩尔比为1:1，磨碎处理后的原料粒度等级高于100目；

b. 对由步骤a处理后的原料进行充分混合，将混合后的原料压制成杏核形状；

c. 加热制备炉窑，轮换燃烧在制备炉窑的两侧壁上两对应的燃烧器，使排出炉膛的烟气温度低于150℃，使制备炉窑的炉膛温度稳定保持在1200℃～1400℃；

d. 打开制备罐的装料口，放入芯筒；

e. 将原料装入制备罐中，使原料位于所述加热罐体与芯筒之间的空间中；

f. 将挡火板和结晶器放入制备罐中；

g. 关闭制备罐的装料口，使制备罐处于密封状态；

h. 操作真空控制阀门使预抽真空管道连通操作罐体，当操作罐体和加热罐体内的真空压力低于1kPa之后，操作真空控制阀门使主抽真空管道连通操作罐体，使操作罐体和加热罐体内的真空压力达到并保持在1Pa～5Pa；

i.使第一冷却水回路通入45℃～55℃的冷却水，连续运行；在冷却作用下，制备罐内物质反应后生成的气态SiO在结晶器内壁冷凝成固态形成SiO结晶体；

j. 当制备罐内的物质反应完成后，切断操作罐体与真空管道的连接，缓慢开启保护气体管道的阀门，向操作罐体内通入保护气体，同时使第二冷却水回路持续通入20℃～30℃的冷却水；

k. 打开制备罐的装料口，取出结晶器。

10.根据权利要求9所述的一种电池硅基类负极材料制备方法，其特征在于:

在步骤b中，将混合后的原料压制成粒度为15mm～40mm的杏核形状；

在步骤c中，使制备炉窑的炉膛温度稳定保持在1350℃～1400℃；

在步骤j中，向操作罐体内通入的保护气体包括常温常压的氮气或其他惰性气体。