CN115466122A - 一种反应烧结碳化硅辊棒的制备系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种反应烧结碳化硅辊棒的制备系统，包括：均与电源电性连接的烧结温度控制系统、辅助控制系统、混料装置、成型装置、烘干装置、烧结装置、后续处理装置以及测试装置。烧结温度控制系统，包括：真空烧结炉腔内温度控制系统和真空烧结炉炉壳温度控制系统。真空烧结炉腔内温度控制系统控制使反应烧结过程真空烧结炉腔内温度分三阶段升温，两个阶段降温。本发明制备系统制备的碳化硅辊棒相比于同类型的产品，低温和高温强度性能更加优越，并具有优良的抗热震、抗氧化和可导热性，且在极冷极热环境中性能良好，使用寿命长达3年。

Description

一种反应烧结碳化硅辊棒的制备系统
技术领域
本发明涉及新能源领域，具体涉及一种锂电窑炉用反应烧结碳化硅辊棒的制备系统。
背景技术
随着新能源锂电领域的大力发展，对其相关产品的制备设备要求也越来越高。现有技术中，锂电窑炉中所使用的的辊棒有氧化铝辊棒和碳化硅辊棒，其中氧化铝辊棒抗热震稳定性差，高温下使用时易炸裂，而且当温度过高时，其高温负荷会随着温度升高而迅速下降，使用寿命短。而碳化硅辊棒虽然性能较氧化铝辊棒有所提升，但制造成本也相应提高，且依旧存在使用寿命短、高温性能不能够满足使用要求等问题，因此在一定程度上影响其大规模的应用。此外，现有技术中碳化硅辊棒的制备系统，物料的转运过程较多，生产效率不高；而且整个生产过程中能量消耗大、产生废物多，若产生的废物直接排放更会对环境造成污染，而且还存在资源浪费等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，研发工作者投入大量的时间和精力，通过不断地理论和实际生产结合，反复实验，最终发现三段升温两端降温控制反应烧结过程，可以很好的解决现有生产技术中亟待解决的碳化硅辊棒关键性能问题。但应用在实际反应烧结炉制备碳化硅辊棒过程，由于反应烧结过程几乎处于高温过程，仅仅对炉腔内温度进行控制很难实现三段升温两端降温的过程。因此，结合新的问题，又经过反复研究，发现通过炉腔内温度和炉壳温度分别控制，可以达到目的。同时，研发工作者创造性地将温度控制系统于整个制备系统有效结合，实现智能化控制生产，也大大提高了生产效率、降低了生产成本。
因此，本发明的目的旨在提供一种可以提高碳化硅辊棒强度的同时降低锂电窑炉用碳化硅辊棒制造成本的的制备系统。
本发明涉及一种反应烧结碳化硅辊棒的制备系统，包括：烧结温度控制系统和烧结装置，烧结装置包括：真空烧结炉。
进一步，本发明所述烧结温度控制系统，包括两个温度控制系统，即：真空烧结炉腔内温度控制系统和真空烧结炉炉壳温度控制系统。
进一步，本发明所述真空烧结炉腔内温度控制系统，包括：风冷循环系统和辅助控制系统。
进一步，本发明所述辅助控制系统，包括：单片机、红外温度检测装置、电动空气控制阀和加热电极，所述单片机根据红外温度检测装置反馈的具体温度控制加热电极或电动空气控制阀来调节所述真空烧结炉腔内的温度；协同控制使反应烧结过程真空烧结炉腔内温度分三阶段升温，两个阶段降温。
进一步，本发明所述真空烧结炉炉壳温度控制系统，包括：冷却系统中的机冷装置和水冷装置，协同控制反应烧结过程中，真空烧结炉的炉壳温度范围为35℃～60℃。
真空烧结炉壳温度起到炉腔内温度与外界空气环境连接过度桥梁的作用，合理控制炉壳温度一方面保证炉腔内温度按照反应要求完成升温降温过程；另一方面，是对烧结炉体的结构材料起到保护做作用，延长真空烧结装置的使用寿命，降低生产成本。
进一步，本发明所述真空烧结炉腔内温度控制系统的三阶段升温过程为：
(1)加热电极将炉内温度由25℃升至480～520℃，并保温110～130min，升温速率为3～4℃/min；
(2)然后继续升温至840～860℃，保温15～25min，该段升温速率为2～3℃/min；
(3)接着继续升温至1680～1710℃，保温160～200min，升温速率为2～3℃/min；
所述两个阶段降温过程：
(1)完成升温过程后，所述单片机控制关闭所述加热电极(704)随炉冷却18～24h；
(2)当所述红外温度检测装置反馈的炉内温度为480℃±5℃时，所述单片机控制所述电动空气控制阀来开启所述风冷循环系统，降温1.5h±0.5h，调节所述真空烧结炉腔内的温度降为300℃±5℃，方可开炉取出碳化硅辊棒。
在真空烧结炉壳温度合理控制的基础上，真空烧结炉腔内温度进行三阶段升温和两个阶段降温过程。可实现碳化硅质量分数可达85％以上的碳化硅辊棒弯曲强度达420MPa。相比于同类型的产品，性能更为优越，在市场上也占据了很大的产品优势。
进一步，本发明所述风冷循环系统，包括：嵌套设于所述真空烧结炉内的内壁层和与电机电性连接的抽吸泵，所述内壁层形状可以是圆形、方形、矩形或者其它形状，所述内壁层和所述真空烧结炉之间组成风冷循环通道；所述风冷循环通道宽度W＝30～60cm，所述风冷循环通道内的气体流速V＝250L/min～300L/min。
风冷循环系统在碳化硅辊棒反应烧结温度控制系统的降温过程起到关键作用，实现降温速率的控制，需要根据风冷循环通道宽度W调节气体流速V。实际过程中气体流速V与风冷循环通道宽度W成正向关系调节，即：风冷循环通道宽度W越大，气体流速V越大；并且W与V可形成系数关系：W＝k*V，(k为常数系数)。
进一步，本发明反应烧结碳化硅辊棒的制备系统，还包括：均与电源电性连接的混料装置、成型装置、烘干装置、后续处理装置以及测试装置，位于所述真空烧结炉前端的装炉料架，设置于真空烧结炉内的排胶装置。
进一步，本发明所述混料装置、成型装置、烘干装置、烧结装置、后续处理装置以及测试装置之间均设有嵌入地面的轨道，所述轨道匹配设置在料车底部的行走轮。
进一步，本发明所述红外温度检测装置和加热电极均设于所述真空烧结炉腔内，所述电动空气控制阀设置于所述抽吸泵上，电动空气控制阀控制抽吸泵空气流速，根据红外温度检测装置的温度显示实现电动空气控制阀的开启、关闭和调节。
进一步，本发明所述水冷装置包括冷却塔、水冷池和冷却管道。
进一步，本发明所述冷却管道，包括两个冷却支路，即：支路A和支路B。
进一步，本发明所述支路A通过所述机冷装置进入设于所述真空烧结炉上设置的中空法兰，所述加热电极贯穿法兰的中心，经过所述冷却装置用于冷却所述加热电极的冷却水温度为5℃～8℃，实现电极保护作用。
进一步，本发明所述支路B用于冷却真空烧结炉的炉壳，所述支路B中的冷却水温度为30℃～40℃。
进一步，本发明所述装炉料架，包括：输送板和等间距设置于所述输送板上的多个固定板，所述输送板底部设置有与电源电性连接的驱动装置。
进一步，本发明所述成型装置包括成型挤出机，和位于所述成型挤出机前端和后端的搭料台和观测台，所述成型挤出机的挤出机头内安装有棍棒模具。
进一步，本发明所述后续处理装置包括喷砂机、辊棒检查机和超声波清洗机。
进一步，本发明所述测试装置包括打压机和测试平台。
进一步，本发明所述排胶装置通过管道连接有收集桶，所述管道包括水平段和竖直段，且所述管道上设有至少2个球阀。
进一步，本发明所述混料装置包括依次设置的搅拌锅、混料机和捏合机、高速搅拌器和存料台，所述存料台上方设置有喷雾装置，所述高速搅拌器外设有冷却腔，所述冷却腔连通有冷却塔。
进一步，本发明所述烘干装置包括至少一间烘房和位于所述烧结装置前端的锯料台，所述烘房开设有放料口，远离所述放料口的一端设有风机，所述烘房的内顶部设有干燥设备、温湿度传感器，以及与所述温湿度传感器电性连接的显示屏；所述烘房内设有至少一层放置架，所述放置架上铺设有吸水防粘层；所述锯料台两端均设有电锯，所述锯料台上还设有打孔机。
本发明的有益效果包括：
本发明所述的制备系统适合批量化生产锂电窑炉用碳化硅辊棒，通过设置排胶装置和冷却系统，不仅能够使本发明的整个生产系统更加于节能降耗，更是实现了污染物的零排放。各装置之间轨道于料车的配合使用，提高了物料、中间品以及成品的转移运输效率。装炉料架等自动化设备取代了原本的人工操作，节省人力的同时，也进一步提高了辊棒成品的品质。由其所述的制备系统制得的反应烧结碳化硅辊棒中碳化硅质量分数可达85％以上，相比于同类型的产品，性能更加优越。在20℃时的弯曲强度可达330MPa，高温1200℃时弯曲强度可达420MPa，并具有优良的抗热震、抗氧化和可导热性，且在极冷极热环境中性能良好。辊棒用在锂电窑炉内，使用寿命长达3年，远高于目前普遍的1年的使用寿命。
附图说明
图1为本发明所述制备系统的示意图；
图2位本发明所述辅助控制系统700的示意图；
图3真空烧结炉剖面A-A
其中：100、混料装置，101、搅拌锅，102、混料机，103、捏合机，104、高速搅拌器，105、存料台，106、喷雾装置，107、冷却腔；200、成型装置，201、成型挤出机，202、搭料台，203、观测台；300、烘干装置，301、烘房，302、锯料台，303、放料口，304、风机，305、干燥设备，306、温湿度传感器，307、显示屏，308、放置架，309、电锯，310、打孔机；400、烧结装置，401、真空烧结炉，402、装炉料架，403、排胶装置，404、冷却系统，405、机冷装置，406、水冷装置，407、内壁层，408、冷却塔，409、水冷池，410、冷却管道，411、抽吸泵，412、中空法兰，413、输送板，414、固定板，415、驱动装置，416、管道，417、收集桶；500、后续处理装置，501、喷砂机，502、辊棒检查机，503、超声波清洗机；600、测试装置，601、打压机，602、测试平台；700、辅助控制系统，701、单片机，702、红外温度检测装置，703、电动空气控制阀，704、加热电极；800、轨道，801、料车，802、行走轮。
具体实施方式
为使本发明具体实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。具体实施方式中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。
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技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在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，不是旨在限制本发明。
实施例1：
如图1和2所示，本发明的一种反应烧结碳化硅辊棒的制备系统，包括：均与电源电性连接的反应烧结温度控制系统、混料装置100、成型装置200、烘干装置300、烧结装置400、后续处理装置500以及测试装置600。
所述反应烧结温度控制系统，包括：真空烧结炉(401)腔内温度控制系统和真空烧结炉(401)炉壳温度控制系统。
所述真空烧结炉(401)腔内温度控制系统，包括：风冷循环系统和辅助控制系统(700)，协同控制使反应烧结过程真空烧结炉(401)腔内温度分三阶段升温，两个阶段降温。
所述真空烧结炉(401)炉壳温度控制系统，包括：冷却系统(404)中的机冷装置(405)和水冷装置(406)，协同控制反应烧结过程中，真空烧结炉(401)的炉壳温度范围为35℃～60℃。
所述混料装置100包括依次设置的搅拌锅101、混料机102和捏合机103、高速搅拌器104和存料台105，所述存料台105上方设置有喷雾装置106，所述高速搅拌器104外设有冷却腔107，所述冷却腔107连通有冷却塔408。
所述成型装置200包括成型挤出机201，和位于所述成型挤出机201前端和后端的搭料台202和观测台203，所述成型挤出机201的挤出机头内安装有棍棒模具。
所述烘干装置300包括至少一间烘房301和位于所述烧结装置400前端的锯料台302，所述烘房301开设有放料口303，远离所述放料口303的一端设有风机304，所述烘房301的内顶部设有干燥设备305、温湿度传感器306，以及与所述温湿度传感器306电性连接的显示屏307；所述烘房301内设有至少一层放置架308，所述放置架308上铺设有吸水防粘层；所述锯料台302两端均设有电锯309，所述锯料台302上还设有打孔机310。通过锯料台302两端设置的电锯309同时将完成干燥的辊棒两端且平，然后根据需要利用打孔机310在棍棒上开孔，可以为圆形孔、条形孔等。
所述烧结装置400包括真空烧结炉401和位于所述真空烧结炉401前端的装炉料架402，所述真空烧结炉401内设有排胶装置403和冷却系统404，所述冷却系统404包括机冷装置405、水冷装置406和风冷循环系统。
所述排胶装置403通过管道416连接有收集桶417，所述管道416包括水平段和竖直段，且所述管道416上设有至少2个球阀。
所述水冷装置406包括冷却塔408、水冷池409和冷却管道410；所述风冷循环系统包括嵌套设于所述真空烧结炉401内的内壁层407和与电机电性连接的抽吸泵411，所述内壁层407和所述真空烧结炉401之间组成风冷循环通道。
所述冷却管道410的支路A通过所述机冷装置405进入设于所述真空烧结炉401上设置的中空法兰412，所述加热电极704贯穿法兰412的中心，经过所述冷却装置405用于冷却所述加热电极704的冷却水温度为5℃～8℃；所述冷却管道410的支路B用于冷却真空烧结炉401的炉壳，所述支路B中的冷却水温度为30℃～40℃。
所述装炉料架402包括输送板413和等间距设置于所述输送板413上的多个固定板414，所述输送板414底部设置有与电源电性连接的驱动装置415。通过固定板414实现装炉过程中对辊棒素坯的固定，使其平稳地进入真空烧结炉401。
所述后续处理装置500包括喷砂机501、辊棒检查机502和超声波清洗机503；通过喷砂机501喷射碳化硅颗粒，可在不引入杂质的情况下改善辊棒外观。所述测试装置600包括打压机601和测试平台602。分别通过打压机601和测试平台602来检测辊棒的强度与直线度，测得室温下的弯曲强度为330MPa，远超于国标要求；直线度为0.5‰～0.8‰，也远远好于国标中要求的1％。
所述辅助控制系统700包括单片机701，以及与单片机701电性连接的红外温度检测装置702、电动空气控制阀703和加热电极704，所述红外温度检测装置702和加热电极704均设于所述真空烧结炉401腔内，所述电动空气控制阀703设置于所述抽吸泵413上；所述单片机701根据红外温度检测装置702反馈的具体温度控制加热电极704或电动空气控制阀703来调节所述真空烧结炉401腔内的温度。
所述混料装置100、成型装置200、烘干装置300、烧结装置400、后续处理装置500以及测试装置600之间均设有嵌入地面的轨道800，所述轨道800匹配设置在料车801底部的行走轮802，所述料车可方便运输各装置之间的物料、半成品以及辊棒。
实施例2：
在本发明的另一实施例中，根据实施例1中，所述真空烧结炉(401)腔内温度控制系统的三阶段升温过程为：
(1)加热电极(704)将炉内温度由25℃升至480～520℃，并保温110～130min，升温速率为3～4℃/min；
(2)然后继续升温至840～860℃，保温15～25min，该段升温速率为2～3℃/min；
(3)接着继续升温至1680～1710℃，保温160～200min，升温速率为2～3℃/min；
所述两个阶段降温过程：
(1)完成升温过程后，所述单片机(701)控制关闭所述加热电极(704)随炉冷却18～24h；
(2)当所述红外温度检测装置(702)反馈的炉内温度为480℃±5℃时，所述单片机(701)控制所述电动空气控制阀(703)来开启所述风冷循环系统，降温1.5h±0.5h，调节所述真空烧结炉(401)腔内的温度降为300℃±5℃，方可开炉取出碳化硅辊棒。
如图1和3所示，所述风冷循环系统，包括嵌套设于所述真空烧结炉(401)内的内壁层(407)和与电机电性连接的抽吸泵(411)。所述内壁层(407)形状可以是圆形或方形。所述内壁层(407)和所述真空烧结炉(401)之间组成风冷循环通道。所述风冷循环通道宽度W＝30～60cm，所述风冷循环通道内的气体流速V＝250L/min～300L/min。
根据风冷循环通道宽度W调节气体流速V，气体流速V与风冷循环通道宽度W成正向关系调节，即：风冷循环通道宽度W越大，气体流速V越大。并且，W与V可形成系数关系：W＝k*V，(k为常数系数)。
虽然上文已经基于第1和2实施例描述了本发明，但是这些实施例和变型示例不限制根据权利要求的本发明。应注意，并非实施例中所述的特征的所有组合对于本发明所采用的问题的解决方案都是必不可少的。
本发明可以在本发明的要旨的范围内通过省略或替换一些组件或者添加其它组件适当地改变来实施。此外，可以组合上述实施例和变型示例的一些组件。

Claims (10)

1.一种反应烧结碳化硅辊棒的制备系统，包括：烧结温度控制系统和烧结装置(400)，烧结装置(400)包括：真空烧结炉(401)；
其特征在于，所述烧结温度控制系统，包括：真空烧结炉(401)腔内温度控制系统和真空烧结炉(401)炉壳温度控制系统；
所述真空烧结炉(401)腔内温度控制系统，包括：风冷循环系统和辅助控制系统(700)；
所述辅助控制系统(700)，包括：单片机(701)、红外温度检测装置(702)、电动空气控制阀(703)和加热电极(704)，所述单片机(701)根据红外温度检测装置(702)反馈的具体温度控制加热电极(704)或电动空气控制阀(703)来调节所述真空烧结炉(401)腔内的温度；协同控制使反应烧结过程真空烧结炉(401)腔内温度分三阶段升温，两个阶段降温；
所述真空烧结炉(401)炉壳温度控制系统，包括：冷却系统(404)中的机冷装置(405)和水冷装置(406)，协同控制反应烧结过程中，真空烧结炉(401)的炉壳温度范围为35℃～60℃。
2.根据权利要求1所述的反应烧结碳化硅辊棒的制备系统，其特征在于：所述真空烧结炉(401)腔内温度控制系统的三阶段升温过程为：
(1)加热电极(704)将炉内温度由25℃升至480～520℃，并保温110～130min，升温速率为3～4℃/min；
(2)然后继续升温至840～860℃，保温15～25min，该段升温速率为2～3℃/min；
(3)接着继续升温至1680～1710℃，保温160～200min，升温速率为2～3℃/min；
所述两个阶段降温过程：
(1)完成升温过程后，所述单片机(701)控制关闭所述加热电极(704)随炉冷却18～24h；
(2)当所述红外温度检测装置(702)反馈的炉内温度为480℃±5℃时，所述单片机(701)控制所述电动空气控制阀(703)来开启所述风冷循环系统，降温1.5h±0.5h，调节所述真空烧结炉(401)腔内的温度降为300℃±5℃，方可开炉取出碳化硅辊棒。
3.根据权利要求2所述的反应烧结碳化硅辊棒的制备系统，其特征在于：所述风冷循环系统，包括：嵌套设于所述真空烧结炉(401)内的内壁层(407)和与电机电性连接的抽吸泵(411)，所述内壁层(407)和所述真空烧结炉(401)之间组成风冷循环通道；所述风冷循环通道宽度W＝30～60cm，所述风冷循环通道内的气体流速V＝250L/min～300L/min。
4.根据权利要求1～3任意所述的反应烧结碳化硅辊棒的制备系统，其特征在于，还包括：均与电源电性连接的混料装置(100)、成型装置(200)、烘干装置(300)、后续处理装置(500)以及测试装置(600)，位于所述真空烧结炉(401)前端的装炉料架(402)，设置于真空烧结炉(401)内的排胶装置(403)；
所述混料装置(100)、成型装置(200)、烘干装置(300)、烧结装置(400)、后续处理装置(500)以及测试装置(600)之间均设有嵌入地面的轨道(800)，所述轨道(800)匹配设置在料车(801)底部的行走轮(802)。
5.根据权利要求4所述的反应烧结碳化硅辊棒的制备系统，其特征在于，所述红外温度检测装置(702)和加热电极(704)均设于所述真空烧结炉(401)腔内，所述电动空气控制阀(703)设置于所述抽吸泵(411)上；
所述水冷装置(406)包括冷却塔(408)、水冷池(409)和冷却管道(410)。
6.根据权利要求5所述的反应烧结碳化硅辊棒的制备系统，其特征在于：所述冷却管道(410)，包括支路A和支路B；
所述支路A通过所述机冷装置(405)进入设于所述真空烧结炉(401)上设置的中空法兰(412)，所述加热电极(704)贯穿法兰(412)的中心，经过所述冷却装置(405)用于冷却所述加热电极(704)的冷却水温度为5℃～8℃；
所述支路B用于冷却真空烧结炉(401)的炉壳，所述支路B中的冷却水温度为30℃～40℃。
7.根据权利要求6所述的反应烧结碳化硅辊棒的制备系统，其特征在于：所述装炉料架(402)，包括：输送板(413)和等间距设置于所述输送板(413)上的多个固定板(414)，所述输送板(414)底部设置有与电源电性连接的驱动装置(415)。
8.根据权利要求7所述的反应烧结碳化硅辊棒的制备系统，其特征在于：所述成型装置(200)包括成型挤出机(201)，和位于所述成型挤出机(201)前端和后端的搭料台(202)和观测台(203)，所述成型挤出机(201)的挤出机头内安装有棍棒模具；
所述后续处理装置(500)包括喷砂机(501)、辊棒检查机(502)和超声波清洗机(503)；
所述测试装置(600)包括打压机(601)和测试平台(602)；
所述排胶装置(403)通过管道(416)连接有收集桶(417)，所述管道(416)包括水平段和竖直段，且所述管道(416)上设有至少2个球阀。
9.根据权利要求8所述的反应烧结碳化硅辊棒的制备系统，其特征在于：所述混料装置(100)包括依次设置的搅拌锅(101)、混料机(102)和捏合机(103)、高速搅拌器(104)和存料台(105)，所述存料台(105)上方设置有喷雾装置(106)，所述高速搅拌器(104)外设有冷却腔(107)，所述冷却腔(107)连通有冷却塔(408)。
10.根据权利要求9所述的反应烧结碳化硅辊棒的制备系统，其特征在于：所述烘干装置(300)包括至少一间烘房(301)和位于所述烧结装置(400)前端的锯料台(302)，所述烘房(301)开设有放料口(303)，远离所述放料口(303)的一端设有风机(304)，所述烘房(301)的内顶部设有干燥设备(305)、温湿度传感器(306)，以及与所述温湿度传感器(306)电性连接的显示屏(307)；所述烘房(301)内设有至少一层放置架(308)，所述放置架(308)上铺设有吸水防粘层；所述锯料台(302)两端均设有电锯(309)，所述锯料台(302)上还设有打孔机(310)。
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