CN116007390A - 一种带有快速主动冷却系统的石墨化炉 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带有快速主动冷却系统的石墨化炉，包括：炉体和主动冷却系统，所述主动冷却系统设有若干个介质回路单元以及用于控制所述介质回路单元的介质流速的控制单元，每个所述介质回路单元均在所述炉体的炉腔内预埋有若干取热管，所述取热管设有连通所述介质回路单元的介质流道。本发明中的带有快速主动冷却系统的石墨化炉可实现石墨化炉的快速主动冷却、周转时间短、能源利用效率高，并且适用性广，既适用于新石墨化炉建设，也适用于原有艾奇逊间歇式石墨化炉改造。
Description
技术领域
本发明属于石墨化炉技术领域，具体涉及一种带有快速主动冷却系统的石墨化炉。
背景技术
石墨化炉是人造石墨成本最大、污染和能耗最大的环节，目前石墨行业多用艾奇逊间歇性石墨化炉进行石墨及炭素材料生产。艾奇逊石墨化炉在生产过程中炉内最高温度达2800℃，保温层温度在1000℃以上，加热结束后通常采用自然冷却后出料。冷却时间长达30-40天，能量利用率低。
在加快石墨化炉生产效率及能源利用方面主要有两种发展方向，一种是使用连续石墨化炉方案，一种则是加快间歇性石墨化炉冷却。前者产能较小，能耗大；后者目前主要在停炉后对炉壁耐火砖外侧进行主动冷却及炉顶移动式逐层冷却，操作复杂，见效低；均具有一定的局限性。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种带有快速主动冷却系统的石墨化炉，通过直接对石墨化炉内部的料体进行冷却，实现一次性冷却，无需分层进行，较传统冷却方式而言，能够实现更快的冷却效率、换热效率。
根据本发明实施例的带有快速主动冷却系统的石墨化炉，包括：炉体和主动冷却系统，所述主动冷却系统设有若干个介质回路单元以及用于控制所述介质回路单元的介质流速的控制单元，每个所述介质回路单元均在所述炉体的炉腔内预埋有若干取热管，所述取热管设有连通所述介质回路单元的介质流道。
根据本发明实施例的带有快速主动冷却系统的石墨化炉，至少具有以下有益效果：
本发明中的带有快速主动冷却系统的石墨化炉，在炉体的高温堆料内预埋有取热管，同时设置有对取热管进行冷却介质供应、控制的控制单元，在石墨化炉处于加热及保温阶段的时候，可以控制冷却介质处于最小循环流速，仅用于防止取热管的管壁超温，而在冷却阶段则增大介质流速实现炉内取热、加速冷却的作用，加热后的冷却介质可以用作其他使用场景放热或者作为储备热源。因此，本发明中的带有快速主动冷却系统的石墨化炉可实现石墨化炉的快速主动冷却、周转时间短、能源利用效率高，并且适用性广，既适用于新石墨化炉建设，也适用于原有艾奇逊间歇式石墨化炉改造。
根据本发明的一些实施方式，所述介质回路单元设有介质输入管和介质输出管，所述介质流道的介质引入口连接所述介质输入管、介质引出口连接所述介质输出管，所述控制单元包括介质泵、用于控制所述介质输入管的输入控制组件和用于控制所述介质输出管的输出控制组件。
根据本发明的一些实施方式，所述输入控制组件和所述输出控制组件均设有流量调节阀、温度计、压力表和流量计。
根据本发明的一些实施方式，所述炉体为长方体厢式结构，所述炉体的两个窄端设有电极，所述炉体的炉腔内形成有炉芯和位于炉芯两侧的保温层，所述取热管竖直预埋在所述保温层。
根据本发明的一些实施方式，所述取热管采用外径为0.01m-0.5m、长度为0.2m-6m、耐受600℃以上温度的管道结构。
根据本发明的一些实施方式，所述取热管插入料体的深度为0.1m-5m。
根据本发明的一些实施方式，所述取热管到所述炉体炉墙的距离为0m-0.6m，相邻两根所述取热管之间间距为0.3m-10m。
根据本发明的一些实施方式，所述取热管安装于固定支架上，所述固定支架安装于所述炉体炉墙的预埋件上或者设于所述炉体外侧的钢架上。
根据本发明的一些实施方式，所述取热管包括：
管体组件，所述介质流道设于所述管体组件；
套设于所述管体组件外侧的石英管或设于所述管体组件外表面的绝缘耐热层。
根据本发明的一些实施方式，预埋于所述炉体同一侧保温层的所述取热管并排分布或者成多排分布。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明中炉体的一种整体结构示意图；
图2为炉体宽度方向的一种结构示意图；
图3为炉体长度方向的一种结构示意图；
图4为炉体长度方向上取热管的一种安装示意图；
图5为炉体宽度方向上取热管的一种安装示意图；
图6为冷却介质为熔盐的一种结构设置示意图；
图7为冷却介质为水的一种结构设置示意图；
图8为冷却介质为二氧化碳的一种结构设置示意图；
图9为取热管的一种结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，多个指的是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1至图9所示，本发明一种实施例的带有快速主动冷却系统的石墨化炉，包括炉体100和主动冷却系统，主动冷却系统设有若干个介质回路单元以及用于控制介质回路单元的介质流速的控制单元，每个介质回路单元均在炉体100的炉腔内预埋有若干取热管201，取热管201设有连通介质回路单元的介质流道。需要说明的是，关于取热管201的预埋，并非是指取热管201通过炉体100的炉墙103预埋件进行固定而称之为预埋，也非预埋在炉墙103内，而是位于炉体100的炉腔内，通过生产作业时向炉体100内填装保温料及原料之后，料堆堆埋的方式实现的“预埋”，即，取热管201的预埋是相对于工作状态下的石墨化炉，是填装了料堆之后的状态，而非空炉状态下的炉体100。
可以理解的是，石墨化炉的炉体100通常为长方体厢式结构，介质回路单元优选设置在炉体100长端的两侧位置，并可以根据实际尺寸、介质回路的设计情况，沿炉体100的长度方向设置一个或多个介质回路单元。在采用多个介质回路单元的情况下，当某一介质回路单元出现泄漏等情况需要维护的时候，可以快速关闭单一介质回路单元，而不影响其他单元的工作，适用于泄漏风险高的介质情况；而采用一个介质回路单元，更适用于介质稳定性较好、泄漏风险低的情况。当然，也可以针对每一根取热管201设置可拆卸的连接结构，以单独控制每一根取热管201的开闭隔绝。
本发明中的带有快速主动冷却系统的石墨化炉，在炉体100的高温堆料内预埋有取热管201，同时设置有对取热管201进行冷却介质供应、控制的控制单元，在石墨化炉处于加热及保温阶段的时候，可以控制冷却介质处于最小循环流速，仅用于防止取热管201的管壁超温，而在冷却阶段则增大介质流速实现炉内取热、加速冷却的作用，加热后的冷却介质可以用作其他使用场景放热或者作为储备热源。因此，本发明中的带有快速主动冷却系统的石墨化炉可实现石墨化炉的快速主动冷却、周转时间短、能源利用效率高，并且适用性广，既适用于新石墨化炉建设，也适用于原有艾奇逊间歇式石墨化炉改造。并且可以理解的是，冷却介质不局限于水、熔盐、二氧化碳、氮气或其他气体。
在本发明的一些实施方式中，介质回路单元设有介质输入管202和介质输出管203，同一个介质回路单元的取热管201对应连接介质输入管202和介质输出管203，具体的，每根取热管201内部的介质流道的介质引入口连接介质输入管202、介质引出口连接介质输出管203。控制单元包括介质泵、用于控制介质输入管202的输入控制组件和用于控制介质输出管203的输出控制组件。其中输入控制组件和输出控制组件包括但不限于流量调节阀、温度计、压力表和流量计中的一种。本领域技术人员可以根据实际需要灵活设定。本实施例中的带有快速主动冷却系统的石墨化炉，通过介质泵提供冷却介质循环动力，泵送冷却介质从介质输入管202进入同一单元的各根取热管201，在炉内换热后从介质输出管203引出。期间，可以通过流量调节阀、温度计、压力表、流量计来检测进入取热管201的冷却介质的状态和从取热管201内送出的冷却介质的状态，综合判断取热管201内的取热情况、受热情况，再反向调节泵送速度、流量，确保取热管201处于正常受热状态，避免超温受损，也避免冷却介质在取热管201内过度加热而损坏取热管201。
需要说明的是，在实际设置时，位于炉体100同一侧的多个介质回路单元的输入端、输出端可以连接同一总的输入管、总的输出管，再对应总的输入管、总的输出管设置输入控制组件和输出控制组件，从而降低设备成本。也可以针对每一个介质回路单元设置，以提高对于每个介质回路单元工作状态的监控精度和及时性，比如在某根取热管201出现泄漏点的时候，介质输出管203的压力、温度会受到影响，与其他介质回路单元的情况相比出现异常，此时便可及时发现，并对该介质回路单元进行隔离，避免进一步泄漏。
在本发明的一些实施方式中，炉体100的两个窄端设有电极104，炉体100的炉腔内形成有炉芯101和位于炉芯101两侧的保温层102，取热管201竖直预埋在保温层102。由于炉芯101区域温度最高，在艾奇逊石墨化炉加热保温阶段，炉芯101能够达到2000℃，而保温料形成的保温层102区域则要低很多，只有1000℃，因此将取热管201预埋在保温层102，不会对取热管201提出过大的设计难度，可以确保取热管201的可实施及正常工作。
可以理解的是，根据实际炉体100的尺寸不同、冷却要求的不同、石墨化炉的种类的不同、加工情况的不同等，取热管201可以采用外径为0.01m-0.5m、长度为0.2m-6m、耐受600℃以上温度的管道结构。并且取热管201插入料体的深度为0.1m-5m。同时根据保温层102的宽度尺寸的不同，取热管201到炉体100炉墙103的距离为0m-0.6m，根据保温层102长度尺寸的不同，相邻两根取热管201之间间距为0.3m-10m。
由于在炉芯101的同一侧并不一定仅设置一排取热管201，即位于炉芯101同一侧的取热管201成多排分布，这种情况下，可以先设定相邻两排的取热管201的间距，再设定同一排的相邻两根取热管201的间距，并且两根取热管201之间的间距并不局限于一个值，比如同一排的三根取热管201之间设置两个不同的间距，因此不会与上述所描述的间距设定矛盾。
在本发明的一些实施方式中，取热管201安装于一固定支架上，固定支架安装于炉体100炉墙103的预埋件上，从而保持取热管201固定在炉腔内。其中预埋件是在砌筑炉墙103的时候进行设置。
在本发明的另一些实施方式中，固定支架设于炉体100外侧的钢架上。固定支架与钢架通过从炉墙103上端越过实现连接。
在本发明的一些实施方式中，取热管201设有管体组件，介质流道设于管体组件，比如U形管、套管等结构。并且取热管201在管体组件外侧套设石英管2011，或者在管体组件外表面设置绝缘耐热层。由于艾奇逊石墨化炉的两端设有电极104，炉腔内处于电场、磁场环境，通过石英管2011或者绝缘耐热层的设置，可以避免受到高温料场内电场、磁场的影响，同时也可以避免影响到石墨化炉正常加热、保温。
参照图9，在本发明的一些实施方式中，管体组件同轴设置有冷却内管2013和冷却外管2012，冷却内管2013的上端设有送入口、下端设置开口；冷却外管2012套设在冷却内管2013外侧，冷却外管2012上设有送出口。冷却介质经送入口导入冷却内管2013，向下流经冷却内管2013底部的开口进入冷却外管2012，再向上从送出口导出，以此形成介质流道。
在采用石英管2011套设在冷却外管2012外侧的时候，冷却外管2012选用材料耐受温度超过500℃的合金管，而冷却内管2013因冷却介质流经其内、外表面，因此选材范围更广，耐受温度可以低于500℃。并且石英管2011与冷却外管2012之间保有间距。采用石英管2011的情况下，管体组件的受热形式而热辐射，吸热稳定、受热均匀。
在上述石英管2011设置的基础上，冷却外管2012表面设置吸热层来提高换热效率，具体采用耐高温远红外辐射陶瓷节能涂料层。涂层厚度优选在50μm-500μm。
在采用绝缘耐热层设置在冷却外管2012外表面的时候，绝缘耐热层为设于冷却外管2012表面的纳米复合耐高温涂料层，纳米复合耐高温涂料层厚度为50μm-500μm。并且由于没有石英管2011隔热，因此冷却外管2012采用材料耐受温度超过1000℃的合金管。
在本发明的一些实施方式中，冷却内管2013的侧壁开设有多个扰流孔，扰流孔相对于冷却内管2013的管壁成角度周向布置，并且冷却内管2013和冷却外管2012之间设有扰流组件，扰流组件用于对冷却内管2013和冷却外管2012之间的介质通道部分进行分流扰流。本实施例通过扰流孔的设置，能够提高换热效率，避免局部出现膜态沸腾。同时结合扰流组件的扰流作用，既可以确保冷却内管2013的安装稳定性，又能够配合扰流孔提高扰流效果，避免出现膜态沸腾，进而增强换热效率。
在本发明的一些实施方式中，扰流孔与冷却内管2013的径向夹角为20°-70°，并且扰流孔沿冷却内管2013的轴向按间隔10cm-200cm的方式设置。
在本发明的一些实施方式中，扰流组件设有多个静叶片。优选的，静叶片的长度方向同时沿冷却内管2013的轴向和周向延伸，从而形成相对于冷却内管2013螺旋扭转的叶片形式。并且静叶片沿冷却内管2013的轴向设置多级(即多个)，相邻的两级静叶片的扭转角度相反。
实施例1
参照图6，本实施例的带有快速主动冷却系统的石墨化炉设有炉体100，炉体100四周为耐火砖构成的炉墙103，炉体100的左右两端设置电极104。炉体100的前后两侧炉墙103设置保温料构成的保温层102(业内也称绝热层)，炉体100顶部设置保温料构成的炉盖。炉体100前后两个炉墙103外侧各设有一个介质回路单元，每个介质回路单元设有一介质输入管202和一介质输出管203，同时在所靠近的保温层102内沿炉体100的长度方向并排竖直布置多根取热管201，每根取热管201内的介质流道连接介质输入管202和介质输出管203，形成完整的通路。介质输入管202和介质输出管203均设有流量计、压力表、温度计及调节阀，以用于实现相应监测、调节，同时至少介质输入管202设有介质泵。本实施例中的冷却介质采用熔盐。取热管201采用外径0.1m、管长4m、耐600℃以上高温金属合金管，取热管201插入粉体3.5m，取热管201横向分布间距2m，取热管201距炉墙103距离0.3m。
采用本实施例的结构设置，具有以下优势：
1)熔盐介质性能稳定，使用温区广，且泄漏风险低，故可以采用2路总管进入两侧冷却系统，简化结构；
2)熔盐介质换热性能较好，故采用取热管201顺排布置方式，方便安装；
3)熔盐换热无相变，换热稳定，能抗较强热冲击，故取热管201布置在距炉墙103距离0.3m温度较高的保温层102中心位置，可以增强换热。
实施例2
参照图7，本实施例的带有快速主动冷却系统的石墨化炉设有炉体100，炉体100四周为耐火砖构成的炉墙103，炉体100的左右两端设置电极104。炉体100的前后两侧炉墙103设置保温料构成的保温层102，炉体100顶部设置保温料构成的炉盖。炉体100前后两个炉墙103外侧各设有四个介质回路单元，每个介质回路单元设有一介质输入管202和一介质输出管203，同时在所靠近的保温层102内沿炉体100的长度方向并排竖直布置多根取热管201，每根取热管201内的介质流道连接同一单元的介质输入管202和介质输出管203，形成完整的通路。并且前侧的四个介质回路单元连接同一总的输入管、总的输出管，后侧的四个介质回路单元连接同一总的输入管、总的输出管，前后两侧的两个总的输入管、总的输出管均设有温度计、压力表、流量计以实时监测，同时每个介质回路单元的输入、输出端设置调节阀。本实施例中的冷却介质采用水，取热管201采用外径0.2m、管长4.5m、耐600℃以上高温金属合金管，取热管201插入粉体4m，取热管201横向分布间距3m，取热管201与炉墙103距离0.1m。
采用本实施例的结构设置，具有以下优势：
1)因水介质换热会发生相变，且泄漏后风险较大，故采用上述方式进入两侧炉墙103冷却，出现泄漏后能够及时将该炉取热管201隔离，有效防止事故扩大；
2)水换热性能较好，故采用取热管201顺排布置方式可以快速冷却；
3)因水相变后体积变化较大，系统抗热冲击能力较小，故取热管201布置在靠近炉墙103侧温度较低位置(离炉芯101距离较远)。
实施例3
参照图8，本实施例的带有快速主动冷却系统的石墨化炉设有炉体100，炉体100四周为耐火砖构成的炉墙103，炉体100的左右两端设置电极104。炉体100的前后两侧炉墙103设置保温料构成的保温层102，炉体100顶部设置保温料构成的炉盖。炉体100前后两个炉墙103外侧各设有一个介质回路单元，每个介质回路单元设有一介质输入管202和一介质输出管203，同时在所靠近的保温层102内沿炉体100的长度方向竖直布置多根取热管201，其中取热管201以前后错位交替的方式排布，每根取热管201内的介质流道连接介质输入管202和介质输出管203，形成完整的通路。介质输入管202和介质输出管203均设有流量计、压力表、温度计及调节阀，以用于实现相应监测、调节，同时至少介质输入管202设有介质泵。本实施例中的冷却介质采用二氧化碳。取热管201采用外径0.15m、管长4m、耐600℃以上高温金属合金管，取热管201插入粉体3.5m，取热管201横向分布间距1m，近炉墙103侧取热管201排距炉墙103距离0.1m，远炉墙103侧取热管201排距炉墙103距离0.4m。
采用本实施例的结构设置，具有以下优势：
1)二氧化碳介质性能稳定，使用温区广，且泄漏风险低，故采用2路总管进入冷却即可，结构简单；
2)二氧化碳介质换热性能较差，但抗冲击能力较强，适用于预埋在高温炉场内的复杂环境，采用取热管201叉排布置方式，可以增加取热管201布置数量，弥补换热性能。
上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (10)
1.一种带有快速主动冷却系统的石墨化炉，其特征在于，包括：
炉体；
主动冷却系统，所述主动冷却系统设有若干个介质回路单元以及用于控制所述介质回路单元的介质流速的控制单元，每个所述介质回路单元均在所述炉体的炉腔内预埋有若干取热管，所述取热管设有连通所述介质回路单元的介质流道。
2.根据权利要求1所述的带有快速主动冷却系统的石墨化炉，其特征在于，所述介质回路单元设有介质输入管和介质输出管，所述介质流道的介质引入口连接所述介质输入管、介质引出口连接所述介质输出管，所述控制单元包括介质泵、用于控制所述介质输入管的输入控制组件和用于控制所述介质输出管的输出控制组件。
3.根据权利要求2所述的带有快速主动冷却系统的石墨化炉，其特征在于，所述输入控制组件和所述输出控制组件均设有流量调节阀、温度计、压力表和流量计。
4.根据权利要求1所述的带有快速主动冷却系统的石墨化炉，其特征在于，所述炉体为长方体厢式结构，所述炉体的两个窄端设有电极，所述炉体的炉腔内形成有炉芯和位于炉芯两侧的保温层，所述取热管竖直预埋在所述保温层。
5.根据权利要求4所述的带有快速主动冷却系统的石墨化炉，其特征在于，所述取热管采用外径为0.01m-0.5m、长度为0.2m-6m、耐受600℃以上温度的管道结构。
6.根据权利要求4所述的带有快速主动冷却系统的石墨化炉，其特征在于，所述取热管插入料体的深度为0.1m-5m。
7.根据权利要求4所述的带有快速主动冷却系统的石墨化炉，其特征在于，所述取热管到所述炉体炉墙的距离为0m-0.6m，相邻两根所述取热管之间间距为0.3m-10m。
8.根据权利要求4所述的带有快速主动冷却系统的石墨化炉，其特征在于，所述取热管安装于固定支架上，所述固定支架安装于所述炉体炉墙的预埋件上或者设于所述炉体外侧的钢架上。
9.根据权利要求4至8任一项所述的带有快速主动冷却系统的石墨化炉，其特征在于，所述取热管包括：
管体组件，所述介质流道设于所述管体组件；
套设于所述管体组件外侧的石英管或设于所述管体组件外表面的绝缘耐热层。
10.根据权利要求4至8任一项所述的带有快速主动冷却系统的石墨化炉，其特征在于，预埋于所述炉体同一侧保温层的所述取热管并排分布或者成多排分布。
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