CN116428856A

CN116428856A - 一种连续石墨化、纯化炉

Info

Publication number: CN116428856A
Application number: CN202310373099.9A
Authority: CN
Inventors: 龚进; 龚俊; 刘永清
Original assignee: Hunan Bobangshan River New Materials Co ltd
Current assignee: Hunan Bobangshan River New Materials Co ltd
Priority date: 2023-04-10
Filing date: 2023-04-10
Publication date: 2023-07-14

Abstract

一种连续石墨化、纯化炉，包括炉体（1），与炉体（1）底部连接的感应线圈（2），若干同轴叠置的无底坩埚（3），保温层（4），与炉体连接的给料机构（5），与炉体连接的第一驱动装置（6），与第一驱动装置（6）传动连接的第一石墨轴（7），与第一石墨轴（7）连接的上搅拌叶片（8），与炉体连接的排气管道（9），与炉体（1）连接的冷却器（10），与冷却器（10）连接的第二驱动装置（11），与第二驱动装置（11）传动连接的第二石墨轴（12），与第二石墨轴（12）连接的下搅拌叶片（13），与冷却器（10）连接的出料机构（14），与出料机构连接的储料仓（15），与炉体（1）连接的隋性气体管（16），测温通道（17），红外测温仪（18）。

Description

一种连续石墨化、纯化炉

技术领域

本发明涉及炭素材料连续石墨化、纯化技术领域，尤其是涉及一种用于制备石墨化物料的连续石墨化、纯化炉。

背景技术

随着锂离子电池在电动汽车和储能领域的广泛应用，锂电行业持续高速发展，对碳负极材料的石墨化提出了更高的要求。目前，负极材料石墨化一般都是在艾奇逊石墨化炉、箱式炉和内串石墨化炉中进行，需经过进料、石墨化处理、冷却、出料过程。石墨化处理中由于温度差异会造成石墨化程度存在差异，各阶段大多是在同一个设备里单独进行，石墨化过程不连续，生产周期很长且生产效率低，冷却大多为自然冷却配合水冷却，大量的热量排放到空气中，能源利用率低；各阶段无法密封运行，无法有效做到烟气、粉尘的集中处理和有组织排放，导致石墨化生产环境恶劣。

CN217330648U公开了一种用于碳材料的连续石墨化、纯化炉，包括炉体、支撑顶台、支撑底台、送料机构、封闭罩体、水冷装置、集料装置，炉体底部依靠支撑底台支撑并连接水冷装置，顶部设置有进料筒体，水冷装置的出口连接集料装置，支撑顶台固定在炉体顶部，送料机构固定在支撑顶台上，并与进料筒体之间连接封闭罩体；炉体从上至下分为预热段、高温段和冷却段，冷却段的底端和顶端分别设置有冷气入口通道和热气出口通道，预热段的底端和顶端分别设置有热气入口通道和气体出口通道，热气出口通道与热气入口通道连通，气体出口通道与冷气入口通道经过冷却装置连通。炉体的冷却段设置有冷却段多孔通道，冷却段多孔通道包括若干个冷料通道和若干个冷气通道，若干个冷气通道包围若干个冷料通道；冷却段多孔通道的顶部设置有与其连通的所述热气出口通道，底部设置有与其连通的所述冷气入口通道，热气出口通道的出口位于炉体外，冷气入口通道的入口位于炉体外。

然而，上述专利文件报道的技术方案高温段采用多孔通道，大幅度降低了石墨化物料相互连接成环的概率，降低了在电磁环境下感应自发热的效率，使生产能力和效率降低。其它方面，现有的连续石墨化、纯化炉也或多或少存在技术上难以有效解决的问题，因此，研究开发新型连续石墨化、纯化炉仍是急需解决的问题。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的多个或至少一个缺陷。为此，本发明解决的技术问题在于提出一种连续石墨化、纯化炉，能够实现石墨化过程连续生产，提高生产效率低。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种连续石墨化、纯化炉，包括炉体，设置在所述炉体内、与所述炉体底部连接的感应线圈，若干位于所述感应线圈的芯部、同轴叠置的无底坩埚，位于所述无底坩埚与感应线圈之间的保温层，与所述炉体顶部连接的给料机构，与所述炉体顶端连接的第一驱动装置，与所述第一驱动装置传动连接的第一石墨轴，与所述第一石墨轴连接的上搅拌叶片，与所述炉体顶部连接的排气管道，与所述炉体底端连接的冷却器，与所述冷却器连接的第二驱动装置，与所述第二驱动装置传动连接的第二石墨轴，与所述第二石墨轴连接的下搅拌叶片，与所述冷却器连接的出料机构，与所述出料机构连接的储料仓，与所述炉体连接的隋性气体管，若干穿过所述感应线圈和保温层、直达无底坩埚的测温通道，与所述炉体连接，测量所述无底坩埚温度的红外测温仪；上下相邻无底坩埚之间通过分别设置在上下相邻无底坩埚的凸止口和凹止口配合连接。

为了削弱保温层的电磁感应自发热，使无底坩埚内热场温度更加均匀，提高保温性能和保温层的使用寿命。作为进一步的改进技术方案，本发明提供的连续石墨化、纯化炉，所述保温层包括内层框架体、中间体和外层保温体；所述内层框架体由三维针刺碳纤维坯体，经定型，通入碳源气体进行化学气相沉积增密至1.4g/cm³~1.6g/cm³后制备碳/碳复合材料，再由所述碳/碳复合材料在温度为1800~2500℃、惰性气体或氮气保护下进行石墨化处理后制得；所述中间体包括至少一层由若干块碳纤维硬毡块拼接而成的碳纤维硬毡层，所述碳纤维硬毡块由若干层碳纤维碳毡且在碳纤维碳毡层间刷或喷涂树脂经固化定型，碳化、纯化处理后，将成型后的碳纤维硬毡切割成若干块制得，相邻碳纤维硬毡块之间的碳纤维被切断存在相互错位，所述树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、脲醛树脂、乙烯基树脂；所述外层保温体包括缠绕在所述中间体外面的若干层碳毡，和用于捆绑固定所述碳毡的碳绳。

为了控制进料和连续石墨化、纯化炉运行的稳定性，作为进一步的改进技术方案，本发明提供的连续石墨化、纯化炉，还包括检测无底坩埚内石墨化物料高度的料位计，与所述料位计电连接的PLC或工控机，所述PLC或工控机与所述给料机构电控制连接，控制给料机构的给料量。

作为进一步的改进技术方案，本发明提供的连续石墨化、纯化炉，所述出料机构为出料螺旋输送机，所述冷却器具有水冷夹套，与所述水冷夹套连通的进水管和出水管。

作为进一步的改进技术方案，本发明提供的连续石墨化、纯化炉，所述炉体包括筒体，与所述筒体上端连接的上盖，与所述筒体下端连接的下盖。

为了避免无底坩埚内外物料互窜，提高石墨化物料的纯度，作为进一步的改进技术方案，本发明提供的连续石墨化、纯化炉，无底坩埚之间的止口连接处设有密封机构，所述密封机构包括在凸止口上设有至少一道环形槽，设置在所述凸止口的外侧面与所述凹止口的内侧面之间的软毡层，分别设置在所述凸止口的端面与凹止口的底面之间、和所述凸止口的底面与凹止口的端面之间的石墨粉与树脂胶固化层，位于所述环形槽处，梱扎所述软毡层的石墨绳；所述密封机构由包括以下过程制得，将软毡裁剪成合适的宽度，软毡两端搭口处分别设有L型接合面，将软毡包裹在凸止口上后用石墨绳捆紧，将石墨粉和树脂胶混合均匀后，分别涂抹在凹止口的端面和底面，将包裹好软毡后的凸止口插入凹止口内，将无底坩埚叠置装配好，轴心对齐，放到工业烤箱里烘烤固化。

在上述改进方案的基础上，作为进一步的改进技术方案，本发明提供的连续石墨化、纯化炉，所述环形槽的深度与石墨绳的直径相适应。

本发明提供的技术方案，石墨化物料在无底坩埚、冷却器内流动过程中，经历了预热升温排气、保温石墨化和降温出料三个阶段，实现了石墨化过程的连续生产，且连续石墨化、纯化炉内具有稳定的温场，提高了生产效率和产品质量；在坩埚内有上下搅拌，其中上搅拌主要目的是加快石墨化物料预热和通畅排气，下搅拌主要目的是排气和加快石墨化物料冷却；通过调整出料机构的出料量，能方便地控制石墨化过程的时间，从而能提高产品的质量，均衡生产。

本发明提供的技术方案，适用最高温度在2000℃~3150℃之间的使用，以适应不同石墨化度或提纯纯度要求。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为实施例连续石墨化、纯化炉的结构示意图；

图2为实施例中的保温层的断面结构示意图；

图3为图2的A部放大图；

图4为实施例中上下相邻无底坩埚的连接结构示意图；

图5为图4的I部放大图；

图6为实施例中的软毡层展开时的主视结构示意图；

图7为实施例中的软毡层展开时的俯视结构示意图；

图8为实施例中的冷却器的局部的结构示意图；

图9为实施例中的冷却器的局部的俯视结构示意图。

实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示的连续石墨化、纯化炉，包括炉体1，设置在所述炉体1内、与所述炉体1底部连接的环形感应线圈2，若干位于所述感应线圈2的芯部、同轴叠置的无底坩埚3，位于所述无底坩埚3与感应线圈2之间的环形保温层4，与所述炉体1顶部连接的给料机构5，与所述炉体1顶端连接的第一驱动装置6，与所述第一驱动装置6传动连接的第一石墨轴7，与所述第一石墨轴7连接的上搅拌叶片8，与所述炉体1顶部连接的排气管道9，与所述炉体1底端连接的冷却器10，与所述冷却器10连接的第二驱动装置11，与所述第二驱动装置11传动连接的第二石墨轴12，与所述第二石墨轴12连接的下搅拌叶片13，与所述冷却器10连接的出料机构14，与所述出料机构连接的储料仓15，与所述炉体1连接的隋性气体管16，若干穿过所述感应线圈2和保温层4、直达无底坩埚的测温通道17，与所述炉体1连接，测量所述无底坩埚3温度的红外测温仪18；上下相邻无底坩埚之间通过分别设置在上下相邻无底坩埚的凸止口19和凹止口20配合连接。

如图1所示，炉体1包括筒体，与所述筒体上端连接的上盖25，与所述筒体下端连接的下盖26。筒体、上盖25和下盖26为设备的主体支撑部分，其外形和尺寸可以根据实际需要进行选择设计，作为其中的一个实施例筒体为圆筒状筒体、上盖25和下盖26选用封头形状。圆筒状筒体、上盖25、下盖26和冷却器10均为夹层结构，配上冷却水，满足连续化生产对设备降温的要求。感应线圈2呈环状座落于下盖26上。如图4和图5所示，上下无底坩埚3之间通过止口配合连接，无底坩埚3叠置时同轴，可根据要求叠置相应的高度，采用多个无底坩埚3叠置能同时满足无底坩埚制造，设备产能和炉内物料在石墨化过程中停留时间的要求。叠加后的无底坩埚3位于感应线圈2的芯部，及感应线圈2的芯部向上的延长线上，无底坩埚3与感应线圈2之间有保温腔，保温腔内用填充保温层4。如图1所示，第一驱动装置6可以是电机带动减速机的常用结构，第一驱动装置6与第一石墨轴7传动连接，上搅拌叶片8与第一石墨轴7连接，第一驱动装置6通过第一石墨轴7带动上搅拌叶片8旋转，对上部无底坩埚3内的物料进行搅拌，使石墨化物料在预热过程中受热均匀，达到升温均匀的目的，同时，有利于挥发出来的气体的逸出。第二驱动装置11可以是电机带动减速机的常用结构，第二驱动装置11与第二石墨轴12传动连接，下搅拌叶片13与第二石墨轴12连接，第二驱动装置11通过第二石墨轴12带动下搅拌叶片13旋转，对下部无底坩埚3内的物料进行搅拌，使石墨化物料在冷却过程中能不断与冷却器10接触，且达到降温均匀的目的。如图1所示，感应线圈2和保温层4的上中下部有若干测温通道17，工作中无底坩埚最高温度能达到2800摄氏度以上，有多个测温通道17穿过感应线圈2、保温层4直达无底坩埚3外表面，多个红外测温仪18通过测温通道扫描无底坩埚可检测无底坩埚的温度。红外测温仪18有高温和低温区别，在1200摄氏度以内用低温红外测温仪，在超过1200摄氏度用高温红外测温仪，确保升温过程温度监控的准确度。如图1所示，作为其中的一个实施例，给料机构5具有粉料仓，与粉料仓出料口连接的流量控制阀，粉料通过自重从粉料仓经流量控制阀落入无底坩埚内。如图1、图8和图9所示，冷却器10的顶端与下盖26相连，冷却器10的底部呈逐步缩小的倾斜结构，在冷却器10的轴心方向，设有与倾斜面连接的轴套筒，第二驱动装置11与轴套筒的下端连接，第二石墨轴12穿过轴套筒后与第二驱动装置11传动连接，出料机构14与冷却器10的底部连接，出料机构14控制无底坩埚3和冷却器10内的物料的流速，维持石墨化反应时间，并实现连续出料。

作业时，石墨化物料由给料机构5进入无底坩埚的上部、无底坩埚的上部的石墨化物料通过上搅拌叶片8的搅拌，使石墨化物料在无底坩埚的上部预热均匀，排出挥发性物质，挥发性物质在无底坩埚的上方的空腔内聚集后，经排气管道9排出，隋性气体管16向连续石墨化、纯化炉内通入保护性气体，使连续石墨化、纯化炉内维持正压和保护性气氛环境。石墨化物料经无底坩埚的上部、中部、下部，利用重力逐渐降落到冷却器10内，经冷却器10冷却后，通过出料机构14进入储料仓15内。石墨化物料在无底坩埚内的流动过程中，经历了预热升温排气、保温石墨化和降温出料三个阶段，实现了石墨化、纯化过程的连续生产，提高了生产效率低。

在上述基础方案的基础上，作为其中的一个实施例，如图2和图3所示，本发明提供的连续石墨化、纯化炉，所述保温层4包括内层框架体21、中间体22和外层保温体23。其中内层框架体21由三维针刺碳纤维坯体，经定型，通入碳源气体进行化学气相沉积增密至1.4g/cm³~1.6g/cm³后制备碳/碳复合材料，再由所述碳/碳复合材料在温度为1800~2500℃、惰性气体或氮气保护下进行石墨化处理后制得；所述中间体22包括至少一层由若干块碳纤维硬毡块拼接而成的碳纤维硬毡层，所述碳纤维硬毡块由若干层碳纤维碳毡且在碳纤维碳毡层间刷或喷涂树脂经固化定型，碳化、纯化处理后，将成型后的碳纤维硬毡切割成若干块制得，相邻碳纤维硬毡块之间的碳纤维被切断存在相互错位，所述树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、脲醛树脂、乙烯基树脂；所述外层保温体23包括缠绕在所述中间体外面的若干层碳毡，和用于捆绑固定所述碳毡的碳绳。

上述技术方案，包裹在无底坩埚3外部的保温材料采用三维针刺碳纤维复合材料，三维针刺碳纤维经化学气相沉积后，密度由0.5g/cm³增密至1.4g/cm³~1.6g/cm³，再在温度为1800~2500℃、惰性气体或氮气保护下进行石墨化处理后，使其具有抗氧化，抗腐蚀、隔热功能。因内层框架体21是一个整体结构，导热均匀，因此有利于无底坩埚3内热场达到均温。中间体22使用由若干块碳纤维硬毡块拼接而成的碳纤维硬毡，相邻碳纤维硬毡块拼接，因对碳纤维进行了切断，相邻碳纤维硬毡块之间的碳纤维存在相互错位，多块组合时，大幅度降低了碳纤维能相互连接成环的概率，作为导体的碳纤维没有连接成环，则在电磁环境下不会感应发热，从而大幅度降低了在电磁环境下的感应自发热。使用碳纤维硬毡能提高保温层的刚度。碳纤维硬毡密度低，起到良好的保温作用。碳纤维硬毡的碳化温度为600~1200℃，纯化处理温度为1600~2400℃，碳化和纯化处理过程均在氩气或者氮气气氛中进行，碳纤维硬毡经高温热处理法纯化处理后，降低了杂质含量，从而降低导电率，降低在电磁环境下的感应自发热。外层保温体23由多层碳毡缠绕形成，位于最外层，电磁感应自发热强度已大幅度降低，但能提供很好的保温效果。内层框架体21、中间体22和外层保温体23相互结合，功能互补且产生协同作用，使得保温层4具有优异的性能。

在上述基础方案的基础上，作为其中的一个实施例，如图1所示，本发明提供的连续石墨化、纯化炉，还包括检测无底坩埚内石墨化物料高度的料位计24，与所述料位计24电连接的PLC或工控机，所述PLC或工控机与所述给料机构5电控制连接，控制给料机构5的给料量。达到稳定进料和稳定连续石墨化、纯化炉运行的目的。

在上述基础方案的基础上，作为其中的一个实施例，如图1所示，本发明提供的连续石墨化、纯化炉，所述冷却器10具有水冷夹套，与所述水冷夹套连通的进水管和出水管。往水冷夹套内通冷却水对物料进行冷却。

在上述基础方案的基础上，作为其中的一个实施例，如图4和图5所示，本发明提供的连续石墨化、纯化炉，无底坩埚之间的止口连接处设有密封机构，所述密封机构包括在凸止口19上设有至少二道环形槽27，设置在所述凸止口19的外侧面与所述凹止口20的内侧面之间的软毡层28，分别设置在所述凸止口19的端面与凹止口20的底面之间、和所述凸止口19的底面与凹止口20的端面之间的石墨粉与树脂胶固化层29，位于所述环形槽27处，梱扎所述软毡层28的石墨绳30；所述密封机构由包括以下过程制得，如图6和7所示，将软毡裁剪成合适的宽度，软毡两端搭口处分别设有L型接合面，将软毡包裹在凸止口19上后用石墨绳30捆紧，将石墨粉和树脂胶混合均匀后，分别涂抹在凹止口20的端面和底面，将包裹好软毡后的凸止口19插入凹止口20内，将无底坩埚叠置装配好，轴心对齐，放到工业烤箱里烘烤，烘烤温度为200～250℃，时间不少于24小时。所述环形槽27的深度与石墨绳30的直径相适应。

目前坩埚与坩埚之间的密封，通过对接合面采用精加工，提高坩埚与坩埚之间的配合精度来实现，因坩埚内外往往存在一定的压差，接合面密封方法可靠性低，易造成坩埚内外物料互窜，影响坩埚内的石墨化物料纯度。经上述技术方案处理后，即使无底坩埚内外存在一定压差，无底坩埚之间的止口连接处也不会泄漏。石墨粉中的树脂胶在石墨化炉内经高温石墨化后，其中的碳元素或被石墨化，其它物质会挥发出去，软毡层27、石墨绳29、石墨粉均能耐高温，不易损坏。能提高连续石墨化、纯化炉内无底坩埚之间的密封可靠性，避免造成无底坩埚内外物料互窜，提高连续石墨化、纯化炉生产的石墨化物料的纯度。

本发明不限于以上优选实施方式，还可在本发明权利要求和说明书限定的精神内，进行多种形式的变换和改进，能解决同样的技术问题，并取得预期的技术效果，故不重述。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接或联想到的所有方案，只要在权利要求限定的精神之内，也属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种连续石墨化、纯化炉，其特征在于，包括炉体（1），设置在所述炉体（1）内、与所述炉体（1）底部连接的感应线圈（2），若干位于所述感应线圈（2）的芯部、同轴叠置的无底坩埚（3），位于所述无底坩埚（3）与感应线圈（2）之间的保温层（4），与所述炉体（1）顶部连接的给料机构（5），与所述炉体（1）顶端连接的第一驱动装置（6），与所述第一驱动装置（6）传动连接的第一石墨轴（7），与所述第一石墨轴（7）连接的上搅拌叶片（8），与所述炉体（1）顶部连接的排气管道（9），与所述炉体（1）底端连接的冷却器（10），与所述冷却器（10）连接的第二驱动装置（11），与所述第二驱动装置（11）传动连接的第二石墨轴（12），与所述第二石墨轴（12）连接的下搅拌叶片（13），与所述冷却器（10）连接的出料机构（14），与所述出料机构连接的储料仓（15），与所述炉体（1）连接的隋性气体管（16），若干穿过所述感应线圈（2）和保温层（4）、直达无底坩埚的测温通道（17），与所述炉体（1）连接，测量所述无底坩埚（3）温度的红外测温仪（18）；上下相邻无底坩埚之间通过分别设置在上下相邻无底坩埚的凸止口（19）和凹止口（20）配合连接。

2.根据权利要求1所述的连续石墨化、纯化炉，其特征在于，所述保温层（4）包括内层框架体（21）、中间体（22）和外层保温体（23）；所述内层框架体（21）由三维针刺碳纤维坯体，经定型，通入碳源气体进行化学气相沉积增密至1.4g/cm³~1.6g/cm³后制备碳/碳复合材料，再由所述碳/碳复合材料在温度为1800~2500℃、惰性气体或氮气保护下进行石墨化处理后制得；所述中间体（22）包括至少一层由若干块碳纤维硬毡块拼接而成的碳纤维硬毡层，所述碳纤维硬毡块由若干层碳纤维碳毡且在碳纤维碳毡层间刷或喷涂树脂经固化定型，碳化、纯化处理后，将成型后的碳纤维硬毡切割成若干块制得，相邻碳纤维硬毡块之间的碳纤维被切断存在相互错位，所述树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、脲醛树脂、乙烯基树脂；所述外层保温体（23）包括缠绕在所述中间体外面的若干层碳毡，和用于捆绑固定所述碳毡的碳绳。

3.根据权利要求1所述的连续石墨化、纯化炉，其特征在于，还包括检测无底坩埚内石墨化物料高度的料位计（24），与所述料位计（24）电连接的PLC或工控机，所述PLC或工控机与所述给料机构（5）电控制连接，控制给料机构（5）的给料量。

4.根据权利要求1所述的连续石墨化、纯化炉，其特征在于，所述出料机构（14）为出料螺旋输送机，所述冷却器（10）具有水冷夹套，与所述水冷夹套连通的进水管和出水管。

5.根据权利要求1所述的连续石墨化、纯化炉，其特征在于，所述炉体（1）包括筒体，与所述筒体上端连接的上盖（25），与所述筒体下端连接的下盖（26）。

6.根据权利要求1所述的连续石墨化、纯化炉，其特征在于，无底坩埚之间的止口连接处设有密封机构，所述密封机构包括在凸止口（19）上设有至少一道环形槽（27），设置在所述凸止口（19）的外侧面与所述凹止口（20）的内侧面之间的软毡层（28），分别设置在所述凸止口（19）的端面与凹止口（20）的底面之间、和所述凸止口（19）的底面与凹止口（20）的端面之间的石墨粉与树脂胶固化层（29），位于所述环形槽（27）处，梱扎所述软毡层（28）的石墨绳（30）；所述密封机构由包括以下过程制得，将软毡裁剪成合适的宽度，软毡两端搭口处分别设有L型接合面，将软毡包裹在凸止口（19）上后用石墨绳（30）捆紧，将石墨粉和树脂胶混合均匀后，分别涂抹在凹止口（20）的端面和底面，将包裹好软毡后的凸止口（19）插入凹止口（20）内，将无底坩埚叠置装配好，轴心对齐，放到工业烤箱里烘烤固化。