CN111721115A - 冶炼炉及冶炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冶炼炉，包括炉体及导电电极，导电电极自炉体内伸出并与外部电源连通，炉体内埋设有保温层，保温层的内部中空并形成隔热腔。本发明还提供一种冶炼方法，应用于冶炼炉上，冶炼炉包括炉体及腔体调节装置，炉体内埋设有保温层，保温层的内部中空并形成隔热腔，冶炼方法包括：将原材料设置于炉体的内部，通过腔体调节装置将保温层的隔热腔调节为隔热状态；冶炼原材料；冶炼完成后利用腔体调节装置将保温层的隔热腔调节为散热状态。本发明提供的冶炼炉通过设置中空的保温层，减少了冶炼炉内部热量向外的逸散过程，从而提高提高了生产效率。本发明提供的冶炼方法，利用中间隔热层的可变隔热能力压缩了生产周期。

Description

冶炼炉及冶炼方法

技术领域

本发明涉及材料冶炼技术领域，尤其涉及一种冶炼炉及冶炼方法。

背景技术

冶炼炉作为冶炼和制备材料的重要设备，在材料、化工等工程领域具有广泛的应用。以石墨化电冶炼炉炉为例，现有的石墨化电冶炼炉不仅保温隔热性能较差，能量逸散现象十分明显，各个部位之间的温度也并不均衡。这降低了生产效率和冶炼品质，使得现有石墨化电冶炼炉的并不能满足高品质与大批量生产的市场需求。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种改进的冶炼炉及冶炼方法，该冶炼炉的保温隔热性能相对较佳，该冶炼方法的生产效率和冶炼品质较高。

本发明提供一种冶炼炉，包括炉体及导电电极，所述导电电极自所述炉体内伸出并与外部电源连通，所述炉体内埋设有保温层，所述保温层的内部中空并形成隔热腔。

进一步地，所述冶炼炉包括腔体调节装置，所述腔体调节装置连通所述隔热腔并能够调节所述隔热腔的气体密度。

进一步地，所述腔体调节装置包括真空泵，所述保温层的壁面上开设有连通所述隔热腔的第一接口，所述真空泵通过所述第一接口抽取所述隔热腔内的气体并调节所述隔热腔的气体密度。

进一步地，所述保温层的壁面上开设有连通所述隔热腔的第二接口及第三接口，所述第二接口及第三接口能够连通外界并冷却所述隔热腔。

进一步地，所述保温层由多块不锈钢板围设而成，多块所述不锈钢板之间的间隙组成所述隔热腔。

进一步地，所述隔热腔的厚度为200至500毫米；及/或，

所述隔热腔的壁厚为5毫米。

本发明还提供一种冶炼方法，应用于冶炼炉上，所述冶炼炉包括炉体及腔体调节装置，所述炉体内埋设有保温层，所述保温层的内部中空并形成隔热腔，所述冶炼方法包括：

将原材料设置于炉体的内部，通过所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔调节为隔热状态；

冶炼原材料；

冶炼完成后利用所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔调节为散热状态。

进一步地，所述将原材料设置于炉体的内部，通过所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔调节为隔热状态的步骤包括：

将原材料设置于炉体的内部，通过所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔抽离为真空状态。

进一步地，所述冶炼完成后利用所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔调节为散热状态的步骤包括：

冶炼完成后利用所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔调节为与外界等压的状态。

进一步地，所述腔体调节装置包括真空泵，所述冶炼完成后利用所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔调节为散热状态的步骤包括：

冶炼完成后利用所述真空泵风冷所述隔热腔。

本发明提供的冶炼炉通过设置中空的保温层，利用保温层内的隔热腔来冶炼炉在冶炼过程中的热量，减少了冶炼炉内部热量向外的逸散过程，从而提高提高了生产效率；由于保温层的热交换作用，炉体各个部分的热量分布被匀化，冶炼出的材料品质能够得到保证。本发明提供的冶炼方法，利用中间隔热层的可变隔热能力，使得冶炼炉在升温和保温阶段的隔热能力提升，在降温阶段的隔热能力降低，从而快速压缩生产周期。

附图说明

图1为本发明一个实施方式中冶炼炉的结构示意图；

图2为图1所示冶炼炉在第一侧视视角下的结构示意图；

图3为图1所示冶炼炉在第二侧视视角下的结构示意图；

图4为图1所示炉体中一层墙体的结构示意图；

图5为图1所示炉体中另一层墙体的结构示意图；

图6为本发明一个实施方式中冶炼方法的流程示意图。

主要元件符号说明

冶炼炉	100
		炉体	10
冶炼腔	11
		导电电极	20
保温层	30
		隔热腔	31
支撑件	32
		第一接口	33
第二接口	34
		第三接口	35
腔体调节装置	40
		真空泵	41
压力传感器	42

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前42提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接装设在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1至图3，图1为本发明一个实施方式中冶炼炉100的结构示意图，图2为图1所示冶炼炉100在第一侧视视角下的结构示意图，图3为图1所示冶炼炉100在第二侧视视角下的结构示意图。

冶炼炉100用于冶炼和制备材料，其利用热能煅烧原材料并冶炼出符合工艺要求的材料，在材料和化工领域都具有广泛的应用前景。

本实施方式中，冶炼炉100为石墨化炉，其利用“艾奇逊”石墨生产法并利用电流的热效应来煅烧石墨原材料，从而制备出符合锂离子电池负极性能要求的石墨材料。可以理解，在其他的实施方式中，冶炼炉100还可以作为炼钢炉、炼铁炉等其他类型的冶炼炉使用，也即冶炼炉100还可以冶炼和制备钢、铁等其他类型的材料，只要该种材料能够使用本发明提供的冶炼炉100即可。

冶炼炉100包括炉体10及导电电极20，导电电极20伸入炉体10的内部并连通外部电源。炉体10用于容置并冶炼石墨原料，其作为直接煅烧炉并提供石墨制备的反应场所；导电电极20用于连通外部电源，从而为煅烧和冶炼供给能量。

炉体10的内部中空以形成供石墨原料冶炼和煅烧的冶炼腔11，导电电极20伸入冶炼腔11的内部并能够与容置在冶炼腔11内石墨原料接触。本实施方式中，为了便于炉体10在地面上的放置，炉体10大致为箱体。可以理解，在其他的实施方式中，炉体10还可以采用圆球形、椭球形等除箱体之外的其他形状，只要炉体10能够完成石墨材料的制备和冶炼即可。

本实施方式中，考虑到耐火砖具有较佳的耐高温性能和较为突出的成本优势，炉体10由耐火砖砌成的墙体围设而成。当然，在其他的实施方式中，炉体10还可以采用除耐火砖之外的其他材料围设而成。

请一并参阅图4及图5，图4为图1所示炉体10中一层墙体的结构示意图，图5为图1所示炉体10中另一层墙体的结构示意图。为了提高炉体10的结构强度，本实施方式中的炉体10采用梅花砌墙法中的一顺两丁砌墙法砌筑而成。

梅花砌墙法是指每一层墙体由横顺分布、不同摆设方向的砖体依次砌成的砖体布设方法，长边平行于墙面砌筑的砖体为顺砖，长边垂直于墙面砌筑的砖体为丁砖，梅花砌墙法是指在每一层墙体中布设依次间隔的顺砖和丁砖，炉体10采用该种砌筑方法能够提高炉体10的结构一致性。

当然，在其他的实施方式中，炉体10也可以采用其他的砌墙方法砌筑而成。

请再参阅图1至图3，导电电极20与外部电源连通并与石墨原料一起构成电回路。石墨原料作为电回路中的一部分，当电路导通时，石墨原料在电流热效应的作用下发热煅烧并被制备成复合锂离子电池负极特性要求的石墨材料，从而完成材料的制备过程。

在实际使用中，导电电极20往往为多根，多根导电电极20相互间隔并且平行排列，每两根导电电极20相对设置，石墨原料位于两根相对的导电电极20之间以构成电回路；设置数量较多的导电电极20有助于提高产能。

本实施方式中，导电电极20为圆柱形的一次焙烧的石墨电极，采用石墨电极有助于提高制备出的石墨材料的纯度，能够避免引入外界杂质。可以理解，导电电极20也可以采用其他类型的电极，其尺寸可以根据实际的工况要求选择。

现有的冶炼炉100在进行材料制备时的保温隔热能力较为薄弱，各个部位之间的温度也并不均衡。这不仅降低了生产效率，也降低了冶炼出的材料的品质。本发明提供的冶炼炉100在炉体10的内部设置有保温层30，保温层30镶埋于炉体10的墙体内部，其内部中空并形成隔热腔31，由于保温层30能够利用内部形成的气体来隔绝冶炼炉100在升温、保温阶段的热量，减少了冶炼炉100内部热量向外的逸散过程，从而提高提高了生产效率；由于保温层30的热交换作用，炉体10各个部分的热量分布被匀化，冶炼出的材料品质能够得到保证。

在本发明的一个实施方式中，保温层30由多块不锈钢板围设而成，保温层30采用不锈钢板拼合而成的方式，由于不锈钢板的结构强度较大，保温层30能够保持在温差较大的冶炼状态和停炉状态下的结构稳定性，避免在两个状态之间切换时内部的气体因热胀冷缩而产生过大的变形，从而提升冶炼炉100的可靠性与稳定性。

当然，在其他的实施方式中，保温层30也可以采用除多锈钢板之外的其他板材制成，只要该种材料不会因为冶炼状态和停炉状态下的温差和温度变形影响冶炼炉100的正常冶炼即可。

进一步地，保温层30由六块不锈钢板通过焊接的方式围设而成，保温层30呈中空的四棱柱状；保温层30的数量为两个，两个保温层30布设在箱形炉体10与地面接触的两个长边墙体内，每个保温层30隔绝炉体10中一个长边墙体的热量逸散；将保温层30的数量设置为两个并设置在炉体10的长边墙体内，能够在保证隔热效果的基础上减少成本，在性价比上具有较佳的优势。

可以理解，保温层30还可以采用除六块之外的其他数量的不锈钢板围设而成，不锈钢板之间的连接方式也不限于焊接这一种，只要围设而成的保温层30能够保证气密性即可；保温层30在炉体10内部的布设方式也不仅限于只能采用上述的长边墙体埋设的方式，只要保温层30能够实现其隔热功能即可。

进一步地，保温层30内隔热腔31的厚度α为200至500毫米，将保温层30内的隔热腔31的厚度α优选为200至500毫米，能够在保证保温层30隔热保温性能的基础上控制保温层30的尺寸，使得保温层30埋设在炉体10内时不会过多的扩展炉体10的尺寸，有助于冶炼炉100在受限场地中的工作。

需要额外说明的是，保温层30的隔热腔31的厚度α指的是在冶炼炉100在俯视视角下，所观察到的保温层30的内部尺寸，也即图示中埋设在冶炼炉100两个长边墙体内的两个不锈钢板之间的距离，也是墙体厚度减去两个不锈钢板的厚度之后所余下的厚度。

进一步地，不锈钢板的壁厚优选为5至10毫米，此时不锈钢板的强度和性能相对较佳，能够满足性能要求，在成本上也具有一定优势。

在本发明的一个实施方式中，保温层30的内部设置有多个支撑件32，支撑件32与保温层30的内壁接触并支撑保温层30。在保温层30的内部设置支撑件32，能够提高保温层30的结构强度，使得保温层30对自身热致变形的抵抗能力增强，从而提高冶炼炉100的可靠性与稳定性。

进一步地，支撑件32呈“米”字形，其由四根或其他数量的支撑杆交汇固定形成，每根支撑杆均与保温层30的内壁相固定；当保温层30在温度和内部隔热腔31自身压力变化的影响下发生变形时，支撑件32能够支撑和固定保温层30，限制保温层30的变形。由于“米”字形能够交叉形成多个三角形结构，稳定性较其他形状的支撑件要更佳，能够较大的提升冶炼炉100的稳定性。

在本发明的一个实施方式中，为了提升保温层30的隔热能力，保温层30内部的隔热腔31设置为真空状态，由于真空的隔热能力要进一步强于空气，因此保温层30的隔热能力进一步提升。

具体地，保温层30内部的真空状态的实现，可以在厂家处直接定制符合隔热性能要求的处于内部真空状态的保温层30，也可以在冶炼炉100中设置腔体调节装置来调节保温层30内部的压力状态，根据具体的工况需求来调节保温层30内部的真空度。

本实施方式中，冶炼炉100内设置有连通隔热腔31的腔体调节装置40，腔体调节装置40用于抽取保温层30内隔热腔31中的空气，使得保温层30的的隔热腔31能够处于真空状态。

具体地，腔体调节装置40包括真空泵41，保温层30上开设有供真空泵41连通的第一接口33，真空泵41通过第一接口33连通保温层30内部的的隔热腔31。真空泵41运转并抽取保温层30中隔热腔31内的空气，直至保温层30内的空气达到真空状态。

在实际使用中，当保温层30镶埋在炉体10的内部后，真空泵41运转并抽取隔热腔31内的空气，保温层30的隔热能力随着内部空气的不断抽出而逐渐提升直至其内部隔热腔31达到真空状态；之后，冶炼炉100开始升温冶炼并制备石墨材料。

进一步地，腔体调节装置40包括压力传感器42，压力传感器42用于检测隔热腔31的压力状态，从而可控的抽取保温层30内部空气，避免出现抽取的空气过多而导致抽取时间过久以及抽取的空气过少而导致隔热性能薄弱等现象。

在本发明的一个实施方式中，由于冶炼炉100的生产周期包括升温、保温及降温三个生产阶段，在升温和保温阶段倾向于冶炼炉100具有较佳的保温隔热性能，在降温阶段倾向于冶炼炉100能够更快速的降温以缩短冷却时间，从而达到压缩生产周期的目的。考虑到对生产周期的压缩，冶炼炉100将保温层30设置为能够快速冷却的状态，从而使得保温层30在冶炼炉100升温和保温阶段中具有隔热保温的能力，在降温阶段又能够快速冷却自身以及炉体10。

具体地，保温层30上开设有第二接口34及第三接口35，第二接口34及第三接口35均与隔热腔31相连通。当冶炼炉100处于升温和保温阶段时，第二接口34及第三接口35封闭，真空泵41运转使得保温层30发挥其隔热保温的功能；当冶炼炉100完成材料制备而处于降温阶段时，第二接口34及第三接口35处的密封件拆除，保温层30通过第二接口34及第三接口35连通外界并实现散热。

此时，第二接口34及第三接口35中的一个作为进风口，另一个作为出风口，隔热腔31在由第二接口34及第三接口35构成风冷通路中快速冷却，从而实现快速降低。

此外，当冶炼炉100处于降温阶段时，真空泵41也可以打开，此时第二接口34及第三接口35均作为进风口来冷却炉体10，炉体10能够以较佳的速率快速冷却。

进一步地，第一接口33、第二接口34及第三接口35上均设置有控制阀(图未示)，控制阀用于控制对应连接的第一接口33、第二接口34及第三接口35的连通状态。

优选地，第一接口33开设于炉头处，第二接口34开设于炉尾处，第三接口35开设于炉体中部位置；第一接口33、第二接口34及第三接口35的孔径优选为200毫米。如此设置，冶炼炉100的可靠性与稳定性提升，冶炼出的材料品质也相对较高。

本发明提供的冶炼炉100通过设置中空的保温层30，利用保温层30内的隔热腔31来冶炼炉100在冶炼过程中的热量，减少了冶炼炉100内部热量向外的逸散过程，从而提高提高了生产效率；由于保温层30的热交换作用，炉体10各个部分的热量分布被匀化，冶炼出的材料品质能够得到保证。

请一并参阅图6，图6为本发明一个实施方式中冶炼方法的流程示意图。本发明还提供一种冶炼方法，所述冶炼方法应用于冶炼炉中，所述冶炼炉包括炉体、导电电极及腔体调节装置，所述炉体内埋设有保温层，所述保温层的内部中空并形成隔热腔，所述腔体调节装置连通所述隔热腔并能够调节所述隔热腔的气体密度。

所述冶炼方法包括：

步骤S61：将原材料设置于炉体的内部，通过所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔调节为隔热状态。具体地，所述隔热状态指的是所述保温层在冶炼的升温和保温过程中所具有的隔热状态相对较高的状态。

本实施方式中，所述原材料为石墨原料，所述冶炼方法用于冶炼和制备出符合锂离子电池负极材料性能要求的石墨材料。

可以理解，还可以采用类真空态等其他状态；所述冶炼方法也可以适用于石墨材料之外的其他材料的制备过程中。

步骤S62：冶炼原材料。具体地，为所述导电电极与原材料所构成的电回路供电，利用电流的热效应来冶炼及焙烧原材料。

步骤S63：冶炼完成后利用所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔调节为散热状态。具体地，利用所述腔体调节装置向所述保温层的隔热腔内重新注入空气，使得所述隔热腔处于与外界等压的状态下，此时所述隔热腔的隔热能力弱，也即处于散热状态。

本发明提供的所述冶炼方法，将保温层的保温能力设置为可调状态，使得炉体在升温和保温阶段与外界的换热减少，以实现快速升温和恒温控制；在降温阶段与外界的换热增加，以实现快速降温。不仅降低了冶炼周期，提高了生产效率，还提升了制备出的材料的品质，具有广泛的应用前景。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤S61包括步骤S611。

步骤S611：将原材料设置于炉体的内部，通过所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔抽离为真空状态。具体地，将所述隔热腔抽离为真空状态，也即所述隔热状态为真空状态，由于真空的隔热能力较佳，所述保温层的保温能力提升。当然，所述隔热状态也不限于仅能够采用上述的真空状态。

此时，所述冶炼方法包括：

步骤S611：将原材料设置于炉体的内部，通过所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔抽离为真空状态；

步骤S62：冶炼原材料；

步骤S63：冶炼完成后利用所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔调节为散热状态。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤S63包括步骤S631。

步骤S631：冶炼完成后利用所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔调节为与外界等压的状态。具体地，将所述隔热腔充气与外部空气等压的状态，也即所述散热状态为等压状态，此时所述保温层的保温能力减弱，有利于冶炼炉在冶炼完成后的降温。当然，所述散热状态也不限于仅能够采用上述的等压状态。

此时，所述冶炼方法包括：

步骤S61：将原材料设置于炉体的内部，通过所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔调节为隔热状态。

步骤S62：冶炼原材料；

步骤S631：冶炼完成后利用所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔调节为与外界等压的状态。

在本发明的一个实施方式中，所述冶炼炉包括真空泵，所述保温层的壁面上开设有第二接口及第三接口，第二接口及第三接口与所述保温层的隔热腔连通，所述第二接口及第三接口中的一个为进风口，另一个为出风口；所述冶炼方法的所述步骤S63中包括步骤S632。

步骤S632：冶炼完成后利用所述真空泵风冷所述隔热腔。采用风冷的方式使得隔热腔快速达到散热状态并且以较快的速度散热，能够进一步提升冶炼的效率，缩短冶炼的生产周期。

本发明提供的冶炼方法，利用中间隔热层的可变隔热能力，使得冶炼炉在升温和保温阶段的隔热能力提升，在降温阶段的隔热能力降低，从而快速压缩生产周期。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种冶炼炉，包括炉体及导电电极，所述导电电极自所述炉体内伸出并与外部电源连通，其特征在于，所述炉体内埋设有保温层，所述保温层的内部中空并形成隔热腔。

2.如权利要求1所述的冶炼炉，其特征在于，所述冶炼炉包括腔体调节装置，所述腔体调节装置连通所述隔热腔并能够调节所述隔热腔的气体密度。

3.如权利要求2所述的冶炼炉，其特征在于，所述腔体调节装置包括真空泵，所述保温层的壁面上开设有连通所述隔热腔的第一接口，所述真空泵通过所述第一接口抽取所述隔热腔内的气体并调节所述隔热腔的气体密度。

4.如权利要求3所述的冶炼炉，其特征在于，所述保温层的壁面上开设有连通所述隔热腔的第二接口及第三接口，所述第二接口及第三接口能够连通外界并冷却所述隔热腔。

5.如权利要求1所述的冶炼炉，其特征在于，所述保温层由多块不锈钢板围设而成，多块所述不锈钢板之间的间隙组成所述隔热腔。

6.如权利要求1所述的冶炼炉，其特征在于，所述隔热腔的厚度为200至500毫米；及/或，

所述隔热腔的壁厚为5毫米。

7.一种冶炼方法，应用于冶炼炉上，其特征在于，所述冶炼炉包括炉体及腔体调节装置，所述炉体内埋设有保温层，所述保温层的内部中空并形成隔热腔，所述冶炼方法包括：

将原材料设置于炉体的内部，通过所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔调节为隔热状态；

冶炼原材料；

冶炼完成后利用所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔调节为散热状态。

8.如权利要求7所述的冶炼方法，其特征在于，所述将原材料设置于炉体的内部，通过所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔调节为隔热状态的步骤包括：

将原材料设置于炉体的内部，通过所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔抽离为真空状态。

9.如权利要求7所述的冶炼方法，其特征在于，所述冶炼完成后利用所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔调节为散热状态的步骤包括：

冶炼完成后利用所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔调节为与外界等压的状态。

10.如权利要求7所述的冶炼方法，其特征在于，所述腔体调节装置包括真空泵，所述冶炼完成后利用所述腔体调节装置将所述保温层的隔热腔调节为散热状态的步骤包括：

冶炼完成后利用所述真空泵风冷所述隔热腔。

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