KR102315610B1 - 수직형 흑연화로 시스템 - Google Patents

수직형 흑연화로 시스템 Download PDF

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신인승
박형석
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에스아이에스 주식회사
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Abstract

본 발명은 도가니관 하부로부터 상부로의 불활성 가스의 흐름을 원활히 하고, 도가니관 내부에서 생성된 배기가스가 외부로 누설되지 않고, 제조된 흑연의 냉각이 충분히 이루어질 수 있는 수직형 흑연화로 시스템에 관한 것으로, 흑연화하기 위한 원료를 이송 공급하는 이송부; 상기 이송부에 연결되되, 중간호퍼 및 가열장치로 이루어져 원료를 가열하여 건조시키는 건조부; 상기 건조부에 연결되되, 내부에 원료가 충전되어 흑연화처리가 이루어지는 도가니관 및 상기 도가니관을 가열하는 다수의 전극봉이 구비되어 있는 바디부를 포함하여 원료의 흑연화처리가 이루어지는 수직형 흑연화로; 수평으로 배치되어 상기 수직형 흑연화로에서 제조된 흑연을 냉각시키는 회전냉각부; 및 상기 회전냉각부를 거치면서 냉각된 흑연을 외부로 이송하여 저장하는 처리부;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

수직형 흑연화로 시스템{Vertical graphitization furnace system}
본 발명은 수직형 흑연화로 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 도가니관 내의 불활성 가스의 흐름이 원활해지고 도가니관 내부의 가열이 균일하게 이루어질 수 있는 수직형 흑연화로 시스템에 관한 것이다.
인조흑연은 이차전지용 음극재, 제철·제강용 전극봉, 방전가공전극, 핵융합로, 반도체 및 태양전지 등의 분야에서 널리 사용되고 있다.
이러한 인조흑연은 천연흑연에 비해 흑연화도가 낮고 제조 공정 비용으로 인해 가격이 높은 단점이 있지만 수명 특성이 상대적으로 우수한 장점이 있어, 특히 이차전지의 음극재로 각광받고 있다.
일반적으로, 인조흑연은 대부분 애치슨로를 이용하여 제조된다. 즉, 도가니에 원료를 담아 흑연화로에 장입한 후 저항재, 보온재 등의 부자재로 도가니를 덮고 도가니를 3000℃ 정도의 고온으로 2~3일 정도 가열 처리하며 자연 냉각 과정과 부수적인 프로세스를 거침으로써 제조된다.
그러나 이러한 방식은 많은 도가니가 필요하고 제조 설비에 많은 부수 장비가 필요하며 도가니의 교체에 따른 비용 상승 등의 문제가 있고 흑연화 공정이 연속적이지 못하므로, 보다 효율적인 인조흑연 제조를 위하여 연속적인 공정이 가능한 수직형 흑연화로가 개발되고 있다.
아래의 특허문헌 1은 흑연의 제조방법에 관한 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이 수직형 흑연화로(1)는 호퍼(2), 관(3), 불활성 가스 도입관(4), 가열존(5) 및 냉각존(6)을 포함하여 구성된다.
그러나 상기 불활성 가스 도입관(4)에서 관(3) 내부로 유입된 불활성 가스는 관(3)의 하부로부터 상부로의 흐름이 원활히 이루어지지 않고, 이로 인해 관(3) 내부에서 불활성 가스의 유동 경로가 불균일하게 되며 흑연화재료에서 발생한 불순물이 국부적으로 진한 농도로 관(3)의 벽면에 접촉함으로써 관(3)의 내면에 열화가 현저하게 일어나 관(3)의 수명을 단축시키게 되고, 불활성 가스의 유동 경로가 제대로 확보되지 않음으로써 제조된 흑연의 품질에 악영향을 초래하게 된다.
또한, 흑연화처리 과정에서 배기 가스가 흑연화로 외부로 누설될 수 있고 이로 인해 주변 대기가 오염되는 문제가 있다.
특허문헌 2는 고주파를 사용한 2단 가열방식 수직형 흑연화로에 관한 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 계량피더(6), 호퍼(7), 노(2a), 가열장치(8) 및 냉각재킷(11)을 포함하여 구성되고, 노(2a)의 상부에 코일(3)을 감아 유도가열영역을 형성하는 것을 특징으로 한다.
특허문헌 3은 수직형 흑연화로에 관한 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이 계량피더(6), 호퍼(7), 노(2a), 가열장치(8) 및 냉각재킷(11)을 포함하여 구성되고, 노(2a)의 상부에 전극(3a-1, 3a-2)을 구비하여 통전영역을 형성하는 것을 특징으로 한다.
그러나 상기 특허문헌 2 및 3은 노(2a)의 일부분을 유도가열영역과 통전영역을 형성하여 탄소재료를 가열하고 다른 부분을 가열장치(8)로 탄소재료를 가열함으로써 노(2a) 내부에서의 탄소재료의 가열이 균일하게 이루어지기 어렵다는 문제가 있다.
또한, 상기 특허문헌 1의 냉각존(6)과 특허문헌 2 및 3의 냉각재킷(11)은 모두 수직방향으로 이동하는 흑연의 외부에 위치하는 구조이므로 흑연의 이동 중 냉각이 충분히 이루어지지 않는다는 문제가 있다.
일본 특허공보 제5996473호(2016. 9. 21. 공고) 일본 특허공보 제6215112호(2017. 10. 18. 공고) 일본 특허공보 제6230944호(2017. 11. 15. 공고)
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 도가니관 하부로부터 상부로의 불활성 가스의 흐름을 원활히 하고, 도가니관 내부에서 생성된 배기가스가 외부로 누설되지 않고, 제조된 흑연의 냉각이 충분히 이루어질 수 있는 수직형 흑연화로 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 수직형 흑연화로 시스템은, 흑연화하기 위한 원료를 이송 공급하는 이송부; 상기 이송부에 연결되되, 중간호퍼 및 가열장치로 이루어져 원료를 가열하여 건조시키는 건조부; 상기 건조부에 연결되되, 내부에 원료가 충전되어 흑연화처리가 이루어지는 도가니관 및 상기 도가니관을 가열하는 다수의 전극봉이 구비되어 있는 바디부를 포함하여 원료의 흑연화처리가 이루어지는 수직형 흑연화로; 수평으로 배치되어 상기 수직형 흑연화로에서 제조된 흑연을 냉각시키는 회전냉각부; 및 상기 회전냉각부를 거치면서 냉각된 흑연을 외부로 이송하여 저장하는 처리부;로 이루어진다.
또한 본 발명의 수직형 흑연화로 시스템은, 상기 회전냉각부가 상부 일측에 배출관이 연결되고 하부 일측에 이송관이 연결되는 이송드럼, 상기 이송드럼의 내부에 배치되되 나선형의 블레이드로 구성되는 로터, 상기 로터를 회전시키는 구동부, 및 상기 이송드럼의 외주면에 구비되는 냉각채널로 이루어진다.
또한 본 발명의 수직형 흑연화로 시스템은, 상기 배출관의 일측에 불활성 가스가 공급되는 가스관이 연결되고, 상기 도가니관에 결합되어 도가니관 하부로부터 상부로의 불활성 가스의 흐름을 원활히 하는 진공제어부가 구비된다.
또한 본 발명의 수직형 흑연화로 시스템은, 상기 진공제어부가 상기 도가니관 내부에 일단이 배치된 흡입관, 상기 흡입관에 연결된 진공제어밸브 및 상기 진공제어밸브에 연결되어 흡입력을 제공하는 진공펌프로 이루어진다.
또한 본 발명의 수직형 흑연화로 시스템은, 상기 도가니관의 상단 깔때기 부분에 측벽 쪽으로 절곡된 배플이 더 구비된다.
또한 본 발명의 수직형 흑연화로 시스템은, 상기 커버의 상부로 누설된 가스를 포집하고 이를 별도의 저장탱크로 이송시키는 포집 하우징이 구비되고, 상기 포집 하우징과 투입관 및 흡입관의 결합 부위에는 실링부재가 더 구비된다.
본 발명의 수직형 흑연화로 시스템에 의하면, 진공제어부에 의해 도가니관 하부로부터 상부로의 불활성 가스의 흐름이 원활해지므로 원료에서 발생한 불순물 제거가 확실히 이루어지고 도가니관의 수명 연장에 도움이 되며 제조된 흑연의 품질도 향상되게 된다.
또한 본 발명의 수직형 흑연화로 시스템에 의하면, 포집 하우징이 구성됨으로써 도가니관 내부에서 생성된 배기가스가 외부로 누설되지 않으므로 주변 대기를 오염시킬 염려가 없다.
또한 본 발명의 수직형 흑연화로 시스템에 의하면, 수평으로 배치된 회전냉각부를 통해 제조된 흑연의 냉각이 충분히 이루어지게 된다.
도 1은 종래기술에 따른 수직형 흑연화로 시스템의 구성도이다.
도 2는 다른 종래기술에 따른 수직형 흑연화로 시스템의 구성도이다.
도 3은 또 다른 종래기술에 따른 수직형 흑연화로 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수직형 흑연화로 시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수직형 흑연화로 시스템의 상부 구조물을 확대 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수직형 흑연화로 시스템의 하부 구조물을 확대 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 수직형 흑연화로 시스템은 이송부(100), 건조부(200), 수직형 흑연화로(300), 회전냉각부(400) 및 처리부(500)로 이루어진다.
이하, 각 구성별로 본 발명의 구체적인 내용을 설명한다.
상기 이송부(100)는 흑연화하기 위한 원료를 이송 공급하는 구성으로서, 도 5에 도시된 바와 같이 이송호퍼(110), 게이트 밸브(120) 및 스크류 컨베이어(130)를 포함하여 구성된다.
상기 원료는 코크스와 바인더를 적절히 혼합하여 펠릿 형태로 제조하되, 상기 팰릿의 크기는 3~30㎜로 한다.
여기서, 팰릿의 크기가 3㎜ 보다 작으면 흑연화로 내부의 불활성 가스의 흐름이 나빠지고 팰릿의 크기가 30㎜ 보다 커지면 조작성이나 흑연화의 진행 속도가 장소에 따라 달라지거나 파손되기 쉬어진다.
상기 이송호퍼(110)에는 이러한 팰릿 형태의 원료가 저장되고, 이송호퍼(110)의 말단에 구비된 게이트 밸브(120)를 통해 스크류 컨베이어(130)로 전달된다.
상기 스크류 컨베이어(130)는 원료를 건조부(200)로 공급하게 된다.
상기 건조부(200)는 원료를 수직형 흑연화로(300)에 투입하기 전에 가열하여 건조시키는 구성으로서, 도 5에 도시된 바와 같이 중간호퍼(210) 및 가열장치(220)로 이루어진다.
상기 이송호퍼(110)로부터 공급되는 원료에는 수분이 포함되어 있어 이를 가열하여 건조시킴으로써 원료의 뭉침을 방지하고 원료의 이송이 보다 원활히 이루어질 수 있게 된다.
또한, 상기 중간호퍼(210) 내부에 교반기(230)가 더 설치될 수 있는데, 이는 건조의 효율성을 높이기 위함이다.
상기 중간호퍼(210)의 하부에는 투입관(10)이 연결되고, 상기 투입관(10)의 어느 일측에는 원료를 도가니관(310) 내부로 정량으로 투입하기 위한 제1 제어밸브(15)가 구비되어 있으며, 상기 가열장치(220)는 중간호퍼(210)의 외주에 감겨진 코일로 이루어질 수 있다.
상기 수직형 흑연화로(300)는 수직으로 설치되어 원료의 흑연화처리가 이루어지는 공간으로서 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 도가니관(310), 바디부(320) 및 커버(330)로 이루어진다.
구체적으로, 상기 도가니관(310)은 내부에 원료가 충전되어 흑연화처리가 이루어지는 원통형 용기로 이루어지고, 그 상단 및 하단은 상광하협의 깔때기 형상으로 되어 있다.
그리고 상기 도가니관(310)의 상단은 투입관(10)과 후술하는 흡입관(610)이 관통하는 부분을 제외하고 밀폐되어 있으며, 상기 도가니관(310)의 하단에는 배출관(20)이 연결되어 있다.
또한, 상기 배출관(20)의 일측에 불활성 가스가 공급되는 가스관(30)이 연결되어 있고, 상기 가스관(30)은 도가니관(310) 내부에서의 불활성 가스의 균일한 이동을 위하여 배출관(20)에 수직 방향으로 복수 개가 대칭 구조로 마련되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 불활성 가스는 고온으로 가열되는 도가니관(310)의 안전과 불순물의 제거를 위하여 공급되는 것이고, 별도의 가스공급장치(미도시)를 통해 공급된다.
또한, 상기 배출관(20)의 다른 일측에 제2 제어밸브(25)가 구비되어 있고, 상기 제2 제어밸브(25)는 초기에 폐쇄되어 도가니관(310) 내부로 어느 정도의 높이까지 원료가 충전될 수 있도록 하며, 그 후 개방시켜 흑연화처리된 흑연을 일정량만큼 배출시킴으로써 연속적인 흑연 제조가 가능해진다.
한편, 본 발명에서는 도가니관(310) 하부로부터 상부로의 불활성 가스의 흐름을 원활히 하기 위하여 도가니관(310)에 결합된 진공제어부(600)가 구비된다.
즉, 상기 진공제어부(600)는 도가니관(310) 내의 공기를 흡입 배출시킴으로써 도가니관 하부로부터 공급된 불활성 가스가 상부로 원활히 흐를 수 있게 한다.
구체적으로, 상기 진공제어부(600)는 도 5에 도시된 바와 같이 도가니관(310) 내부에 일단이 배치된 흡입관(610), 상기 흡입관(610)에 연결된 진공제어밸브(620) 및 상기 진공제어밸브(620)에 연결되어 흡입력을 제공하는 진공펌프(630)로 이루어진다.
또한, 도가니관(310)의 상단 깔때기 부분에는 측벽 쪽으로 절곡된 배플(640)이 더 구비되고, 이로 인해 도가니관(310) 내부에서 부유하는 흑연이 흡입관(610)으로 유입되는 것을 최대한 억제함으로써 진공제어부(600)의 기능 발휘에 도움이 된다.
또한, 도가니관(310) 내부의 압력을 측정하는 수단을 더 구비하여 압력 데이터를 추출할 수 있고, 이 압력 데이터와 함께 상기 가스공급장치로부터 공급되는 불활성 가스량에 대한 데이터를 연계함으로써 도가니관(310) 내부로 공급되는 불활성 가스량과 도가니관(310) 내부의 압력을 조절하기 위한 진공제어밸브(620)의 개도 조절을 연동하여 실시할 수 있다.
상기 바디부(320)는 도가니관(310)의 둘레를 감싸 배치된 원통형의 외벽으로서, 도가니관(310)을 가열하기 위한 다수의 전극봉(315)이 구비되어 있다.
상기 커버(330)는 도가니관(310)이 매우 고온으로 가열되는 점에서 도가니관(310)의 상부 깔때기 부분이 외부로 노출되면 바람직하지 않으므로 안전을 위해 구비하는 구성으로서, 바디부(320)의 상부에 구비되고, 그 내부로 도가니관(310)의 깔때기 부분이 배치되도록 하며, 상면에는 투입관(10)과 흡입관(610)이 통과하는 통공이 각각 마련되어 있다.
한편, 도가니관(310) 내부에서 원료가 고온에서 흑연화처리되면서 배기가스가 발생하는데, 이러한 배기가스는 도가니관(310) 상단을 통해 누설될 수 있고 누설된 배기가스는 다시 커버(330)를 통해 외부로 누설될 수 있는바, 본 발명에서는 커버(330)의 상부로 누설된 배기가스를 포집하고 이를 별도의 저장탱크로 이송시키는 포집 하우징(340)이 더 구비될 수 있다.
또한, 배기가스가 포집 하우징(340) 외부로 누설되지 않도록 포집 하우징(340)과 투입관(10) 및 흡입관(610)의 결합 부위에는 실링부재(345)가 더 구비될 수 있다.
그리고 상기 실링부재(345)는 커버의 통공에도 구비될 수 있음은 물론이다.
상기 회전냉각부(400)는 수평으로 배치되어 수직형 흑연화로(300)에서 제조된 흑연을 냉각시키는 구성으로서, 도 6에 도시된 바와 같이 이송드럼(410), 로터(420), 구동부(430) 및 냉각채널(440)로 이루어진다.
구체적으로, 상기 이송드럼(410)은 수직형 흑연화로(300)의 바디부(320) 하부로부터 배출된 흑연이 유입되고 유출되는 통로를 제공한다.
여기서, 이송드럼(410)의 상부 일측에 배출관(20)이 연결되고 이송드럼(410)의 하부 일측에 이송관(40)이 연결된다.
앞서 설명한 제2 제어밸브(25)가 배출관(20)에 설치되는 대신 상기 이송관(40)에 설치될 수도 있다.
상기 로터(420)는 이송드럼(410)의 내부에 배치되되 나선형의 블레이드로 구성되고, 이송드럼(410)의 상부 일측으로 유입된 흑연을 이송관(40) 쪽으로 이송시킨다.
상기 구동부(430)는 로터(420)를 회전시키기 위한 구동 수단이다.
상기 냉각채널(440)은 이송드럼(410)의 내부를 이동하는 흑연을 강제 냉각시키기 위한 구성으로서, 이송드럼(410)의 외주면에 구비된다.
또한, 상기 냉각채널(440)은 냉각수를 유입, 유출시키는 유로를 형성한 재킷 타입으로 구성될 수 있다.
한편, 이송드럼(410) 내부로 유입된 흑연은 로터(420)의 회전에 의해 이송드럼(410) 내부 벽면으로 분산되면서 이송되는바, 이때 이송드럼(410)의 외주면에 구비된 냉각채널(440)에 의해 흑연은 냉각되게 된다.
이와 같이 흑연은 이송드럼(410) 내부를 이동하는 동안 냉각채널(440)에 충분한 시간과 면적으로 접촉하게 되므로 냉각이 확실히 이루어지게 된다.
상기 처리부(500)는 회전냉각부(400)를 거치면서 냉각된 흑연을 외부로 이송하여 저장하는 구성으로서, 도 6에 도시된 바와 같이 저장호퍼(510) 및 저장수단(520)를 포함하여 구성된다.
상기 저장호퍼(510)는 이송관(40)에 연결되어 흑연을 일시 저장하는 구성으로서 하부에 로터리 밸브(530)가 구비되어 흑연의 배출량을 조절하게 된다.
상기 저장수단(520)은 흑연이 저장되어 보관되는 벌크백이나 저장탱크로 구성될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.
100: 이송부
110: 이송호퍼 120: 게이트 밸브 130: 스크류 컨베이어
200: 건조부
210: 중간호퍼 220: 가열장치
300: 수직형 흑연화로
310: 도가니관 320: 바디부 330: 커버 340: 포집 하우징
400: 회전냉각부
410: 이송드럼 420: 로터 430: 구동부 440: 냉각채널
500: 처리부
510: 저장호퍼 520: 저장수단
600: 진공제어부
610: 흡입관 620: 진공제어밸브 630: 진공펌프 640: 배플

Claims (6)

  1. 흑연화하기 위한 원료를 이송 공급하는 이송부;
    상기 이송부에 연결되되, 중간호퍼 및 가열장치로 이루어져 원료를 가열하여 건조시키는 건조부;
    상기 건조부에 연결되되, 내부에 원료가 충전되어 흑연화처리가 이루어지는 도가니관 및 상기 도가니관을 가열하는 다수의 전극봉이 구비되어 있는 바디부를 포함하여 원료의 흑연화처리가 이루어지는 수직형 흑연화로;
    수평으로 배치되어 상기 수직형 흑연화로에서 제조된 흑연을 냉각시키는 회전냉각부; 및
    상기 회전냉각부를 거치면서 냉각된 흑연을 외부로 이송하여 저장하는 처리부;
    로 이루어지며,
    상기 도가니관의 상단에 투입관이 하단에 배출관이 연결되되, 상기 배출관의 일측에 불활성 가스가 공급되는 가스관이 연결되고,
    상기 도가니관에 결합되어 도가니관 하부로부터 상부로의 불활성 가스의 흐름을 원활히 하는 진공제어부가 구비되며,
    상기 진공제어부는
    상기 도가니관 내부에 일단이 배치된 흡입관, 상기 흡입관에 연결된 진공제어밸브 및 상기 진공제어밸브에 연결되어 흡입력을 제공하는 진공펌프로 이루어지고,
    상기 도가니관의 상단 깔때기 부분에는 측벽 쪽으로 절곡된 배플이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 수직형 흑연화로 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전냉각부는
    상부 일측에 배출관이 연결되고 하부 일측에 이송관이 연결되는 이송드럼,
    상기 이송드럼의 내부에 배치되되 나선형의 블레이드로 구성되는 로터,
    상기 로터를 회전시키는 구동부, 및
    상기 이송드럼의 외주면에 구비되는 냉각채널,
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직형 흑연화로 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바디부의 상부에 커버가 구비되되, 상기 커버의 상부로 누설된 가스를 포집하고 이를 별도의 저장탱크로 이송시키는 포집 하우징이 구비되고,
    상기 포집 하우징과 투입관 및 흡입관의 결합 부위에는 실링부재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 수직형 흑연화로 시스템.
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