RU2140392C1

RU2140392C1 - Method and installation for graphitization of carbon blanks

Info

Publication number: RU2140392C1
Application number: RU95119124A
Authority: RU
Inventors: В.П. Перевезенцев
Original assignee: Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита
Priority date: 1995-11-13
Filing date: 1995-11-13
Publication date: 1999-10-27

Abstract

FIELD: carbon materials. SUBSTANCE: installation contains electrical heating furnace with sealed tunnel-type canals with inlet and outlet branches for advancement of banks. The two branches are disposed in parallel in single canal for radiant transfer of heat from graphitized blanks to blanks to be heated and graphitized. Installation is provided with curtain-type partitions made from elastic carbon material disposed in canal at intervals equal to 1.2-1.4 length of blank. Installation additionally has heat- reflection carbon cloth shields placed on walls and ceiling of the canal. Power consumption per 1 t graphite equals 1100 kW/hr and cycle time at least 65 min. EFFECT: enhanced process efficiency. 2 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к производству углеграфитовых материалов, в частности к способам и устройствам для графитации углеродных заготовок. The invention relates to the production of carbon-graphite materials, in particular to methods and devices for graphitization of carbon blanks.

Известен способ графитации углеродных заготовок в промышленных печах, при котором заготовки разовой загрузкой укладывают в керн печи, окружают керн теплоизоляционным углеродным материалом в виде зернистой пересыпки, нагревают до температуры графитации, пропуская через керн электрический ток [1]. Извлекают заготовки после остывания всей загрузки печи. There is a method of graphitization of carbon blanks in industrial furnaces, in which blanks are loaded into the core of the furnace with a one-time loading, the core is surrounded by heat-insulating carbon material in the form of a granular powder, heated to a graphitization temperature by passing an electric current through the core [1]. The preforms are removed after the entire furnace charge has cooled.

Способ широко применяется в промышленности, однако требует большого количества пересыпочных материалов (коксовой мелочи, пекового кокса и т.п.), так как одна и та же пересыпка может использоваться только однократно из-за изменения ее физических свойств (повышения тепло- и электропроводности). Расход пересыпки в связи с этим составляет 1-2 тонны на одну тонну заготовки. Кроме этого, велик и расход электроэнергии: на тонну заготовок в зависимости от марки материала расходуется 4 - 5,5 тыс.кВт/ч. The method is widely used in industry, however, it requires a large number of bulk materials (coke breeze, pitch coke, etc.), since the same bulk can be used only once due to a change in its physical properties (increased thermal and electrical conductivity) . In this regard, the filling charge is 1-2 tons per ton of billet. In addition, electricity consumption is high: per ton of billets, depending on the grade of material, 4-5.5 thousand kW / h are consumed.

Известен способ графитации углеродных заготовок, основанный на постепенной, последовательной, поочередной подаче заготовок в печь графитации и извлечении путем проталкивания заготовок цепочкой в канал на выходную ветвь, где происходит остывание их в процессе продвижения от печи [2]. В таком способе предусмотрен двухэтапный нагрев заготовок, на первом из которых осуществляется предварительный нагрев теплом, отобранным от охлаждаемых после графитации заготовок, а на втором - электронагрев заготовок пропусканием через них электрического тока. A known method of graphitization of carbon blanks, based on the gradual, sequential, sequential supply of blanks to the graphitization furnace and extraction by pushing the blanks in a chain into the channel to the output branch, where they are cooled in the process of moving from the furnace [2]. In this method, a two-stage heating of the workpieces is provided, the first of which is pre-heated with heat taken from the workpieces cooled after graphitization, and the second one is the electric heating of the workpieces by passing an electric current through them.

Для осуществления первого этапа нагрева имеются две самостоятельных удаленных между собой ветви канала: одна - для заготовок, подлежащих предварительному нагреву, а вторая - для заготовок, продвигаемых на охлаждение после электронагрева и графитации. Перенос тепла от "горячих" заготовок к "холодным" осуществляется конвективным путем, для чего в установке предусмотрена система принудительного движения инертного газа, сначала по ветви канала, по которой продвигаются "горячие" заготовки, а затем по ветви канала с "холодными" заготовками. На фиг. 1, 2, и 3 приведены схемы такой установки в двух вариантах исполнения: с горизонтальным и вертикальным расположением заготовок. To carry out the first stage of heating, there are two independent remote branches of the channel: one for workpieces subject to preliminary heating, and the second for workpieces advanced for cooling after electric heating and graphitization. Heat is transferred from the “hot” blanks to the “cold” ones by convective means, for which the system provides for the inert gas forced movement system, first along the channel branch along which the “hot” blanks advance, and then along the channel branch with the “cold” blanks. In FIG. 1, 2, and 3 are diagrams of such an installation in two versions: with horizontal and vertical arrangement of blanks.

Конвективный теплообмен в известном способе малоэффективен в силу больших потерь тепла при транспортировании подогретого газа по протяженному каналу установки графитации (много тепла отбирает нагрев стенок канала, имеющих большую площадь). Конвективным способом "холодные" заготовки можно нагреть до 1300-1400^oC, если температура "горячих" заготовок составляет 2200^oC.Convective heat transfer in the known method is ineffective due to large heat losses during transportation of heated gas through an extended channel of a graphitization unit (a lot of heat is taken away by heating the channel walls having a large area). In a convective way, "cold" billets can be heated to 1300-1400 ^o C, if the temperature of the "hot" billets is 2200 ^o C.

Необходимость создания условий для конвективного теплообмена ведет к усложнению таких установок графитации, требует оснащения их системами, обеспечивающими движение инертного газа по каналу. The need to create conditions for convective heat transfer leads to the complication of such graphitization installations, requires equipping them with systems that ensure inert gas movement along the channel.

В основу изобретения положена задача уменьшения расхода энергии при графитации углеродных заготовок за счет более глубокой утилизации тепла от прографитированных заготовок. The basis of the invention is the task of reducing energy consumption during graphitization of carbon blanks due to a deeper heat recovery from prografitirovannyh blanks.

Решение поставленной задачи в способе графитации углеродных заготовок, включающем двухэтапный нагрев заготовок, на первом из которых осуществляют предварительный нагрев за счет тепла прошедших электронагрев и графитацию заготовок, а на втором - дополнительно электронагрев пропусканием через заготовку электрического тока, обеспечивается тем, что предварительный нагрев заготовок производят путем лучистой передачи тепла от прошедших электронагрев и графитацию заготовок заготовкам, подлежащим электронагреву. The solution of the problem in the method of graphitization of carbon preforms, including two-stage heating of the preforms, the first of which is pre-heated by the heat of electrically heated and graphitized preforms, and the second is additionally electrically heated by passing electric current through the preform, which ensures that the preforms are preheated by radiant heat transfer from past electric heating and graphitization of the workpieces to workpieces subject to electric heating.

При этом уменьшение расхода энергии достигается за счет того, что эффективность теплообмена лучеиспусканием в области высоких температур значительно выше эффективности при конвективном теплообмене (интенсивность лучистого теплообмена пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры), а тепловые потери за счет нагрева стенок канала могут быть существенно снижены экранированием стенок канала. In this case, the reduction in energy consumption is achieved due to the fact that the heat transfer efficiency by radiation in the high temperature region is much higher than the efficiency during convective heat transfer (the radiant heat transfer is proportional to the fourth power of the absolute temperature), and the heat loss due to heating of the channel walls can be significantly reduced by shielding the channel walls .

В установке для графитации углеродных заготовок, содержащей пост электронагрева с изолированным от внешней атмосферы каналом туннельного типа, с выходной и выходной ветвями продвижения заготовок и шлюзовыми камерами, а также средства продвижения заготовок в канале, решение поставленной задачи обеспечивается тем, что входная и выходная ветви продвижения заготовок размещены параллельно в едином канале, с возможностью лучистой передачи тепла от заготовок, прошедших электронагрев и графитацию, заготовкам, подлежащим электронагреву и графитации. In the installation for graphitization of carbon blanks containing an electric heating post with a tunnel-type channel isolated from the external atmosphere with the output and output branches of the workpieces advancement and lock chambers, as well as means for promoting the workpieces in the channel, the task is solved by the fact that the input and output branches of the advancement blanks are placed in parallel in a single channel, with the possibility of radiant heat transfer from blanks that have undergone electric heating and graphitization, to blanks subject to electric heating and gr fitatsii.

Оснащение такой установки дополнительно разделительными шторными перегородками также способствует повышению эффективности утилизации тепла прошедших электронагрев и графитацию заготовок, так как обеспечивает теплообмен между двумя параллельно расположенными в канале заготовками "горячей" и "холодной". Equipping such an installation with additional dividing curtain walls also contributes to the efficiency of heat recovery of electrically heated and graphite blanks, as it provides heat exchange between the two hot and cold blanks located in parallel in the channel.

Этому также способствует и оснащение установки теплоотражающими экранами, предотвращающими потери излучаемого тепла через стенки и потолок канала печи. Equipping the installation with heat-reflecting screens to prevent the loss of radiated heat through the walls and ceiling of the furnace channel also contributes to this.

Изобретение поясняется чертежом (фиг.4), где представлено схематическое изображение предлагаемой установки. The invention is illustrated in the drawing (figure 4), which presents a schematic representation of the proposed installation.

Установка для графитации углеродных заготовок содержит: 1 - корпус установки, 2 - заготовки, 3 - разделительные перегородки шторного типа, 4 - шлюзовые камеры, 5 - шиберы, 6 - систему газоснабжения, 7 - отсеки канала печи, 8 - промежуточный отсек для подачи заготовок на пост нагрева и приема после графитации, 9 - гидросистема для зажима заготовок между токоподводами, 10 - токоподводы, 11 - пост нагрева заготовок, 12 - агрегат электропитания, 13 - поддон с подставками для заготовки. Installation for graphitization of carbon billets contains: 1 - installation casing, 2 - billets, 3 - curtain dividing walls, 4 - lock chambers, 5 - gates, 6 - gas supply system, 7 - furnace channel compartments, 8 - intermediate compartment for supplying billets to the heating and reception post after graphitization, 9 - a hydraulic system for clamping workpieces between current leads, 10 - current leads, 11 - workpiece heating post, 12 - power supply unit, 13 - a pallet with supports for the workpiece.

Порядок проведения операции графитации и работы установки следующие. The order of the graphitization operation and the operation of the installation are as follows.

В момент включения электропитания на посту нагрева заготовки (11) промежуточный отсек (8) свободен, а во всех остальных отсеках (7) находятся заготовки (2) попарно - "горячая" и "холодная". Во всех отсеках происходит лучистый теплообмен между этими заготовками, пока их температура не сравняется. После проведения операции графитации на посту нагрева (11) заготовку устанавливают на поддон (13), отводят токоподводы (10) и поддон с заготовкой перемещают в промежуточный отсек, на ветвь "горячих" заготовок, т.е. перед каналом для их охлаждения. После удаления из шлюзовой камеры (4a) канала заготовки с поддоном все заготовки, находящиеся на ветви охлаждения, проталкиваются на одну позицию справа налево. После выдержки в таком положении 5 - 7 минут все заготовки, находящиеся на ветви предварительного нагрева, продвигаются слева направо на одну позицию. В шлюзовую камеру вводится новая заготовка, оказавшаяся в промежуточном отсеке, подается на пост нагрева, зажимается в токоподводах. Включается электропитание и цикл повторяется. When the power is turned on, the intermediate compartment (8) is free at the heating station of the workpiece (11), and in all other compartments (7) there are workpieces (2) in pairs - “hot” and “cold”. In all compartments, radiant heat exchange occurs between these preforms until their temperature is even. After the graphitization operation at the heating station (11), the workpiece is mounted on a tray (13), current leads (10) are withdrawn, and the tray with the workpiece is moved to the intermediate compartment, to the branch of “hot” workpieces, i.e. in front of the channel to cool them. After removing the billet channel with a pallet from the lock chamber (4a), all the billets located on the cooling branch are pushed one position from right to left. After holding in this position for 5 - 7 minutes, all the workpieces located on the preheating branch move from left to right one position. A new workpiece is introduced into the airlock, which is in the intermediate compartment, fed to the heating station, clamped in the current leads. The power turns on and the cycle repeats.

Пример. Графитации подвергали углеродные заготовки размером ⌀ 200 х 1000 мм с начальной температурой 800^oC, т.е. сразу после обжига, без охлаждения. Расчеты показали, что при толщине теплоизоляции 300 мм и применении в качестве боковой, подинной (в поддонах) и потолочной теплоизоляции сажи и при наличии экранов в виде штор из углеродной ткани потери в каждом из отсеков не превышают 30% начального теплосодержания заготовок. В соответствии с расчетами с учетом этих потерь заготовки, находящиеся на ветви предварительного нагрева, нагреваются в результате лучистого теплообмена с "горячими" заготовками до 2000^oC. В таблице представлены результаты теплового расчета по отсекам. Расчетным путем получены равновесные температуры в каждом отсеке и количество тепла, отданного "горячей" заготовкой и полученного "холодной" с учетом указанных выше потерь.Example. Graphitization was performed on carbon blanks measuring ⌀ 200 x 1000 mm with an initial temperature of 800 ^o C, i.e. immediately after firing, without cooling. Calculations showed that with a thermal insulation thickness of 300 mm and using soot as a side, bottom (in pallets) and ceiling thermal insulation and in the presence of screens in the form of carbon fabric curtains, the losses in each compartment do not exceed 30% of the initial heat content of the workpieces. In accordance with the calculations, taking into account these losses, the workpieces located on the preheating branches are heated as a result of radiant heat exchange with "hot" workpieces up to 2000 ^o C. The table shows the results of the heat calculation by compartments. By calculation, the equilibrium temperatures in each compartment and the amount of heat given off by the “hot” billet and obtained “cold” taking into account the above losses were obtained.

Как видно из таблицы, наиболее быстро процесс теплообмена до достижения одинаковой температуры заготовок в отсеке идет при высоких температурах (т. к. интенсивность лучистого теплообмена пропорциональна четвертой степени температуры). В первом отсеке время теплообмена составило 60 - 65 мин, а в 4-м отсеке всего 5 - 10 мин. Для максимальной утилизации тепла в этом конкретном случае время цикла должно быть не менее 65 мин. As can be seen from the table, the heat exchange process is most rapid until the workpieces reach the same temperature in the compartment at high temperatures (since the radiant heat transfer intensity is proportional to the fourth degree of temperature). In the first compartment, the heat exchange time was 60 - 65 minutes, and in the 4th compartment only 5 - 10 minutes. For maximum heat recovery in this particular case, the cycle time should be at least 65 minutes.

Расчеты применительно к приведенному конкретному примеру показали, что удельный расход энергии на тонну графита составляет 1100 кВт/ч. Это в 4 раза меньше, чем по способу Ачесона. При расчете учитывали потери в токоподводы в количестве 50% от полезнозатраченной энергии и учли дополнительно оснастку в количестве 0,4 от веса заготовки, которая также нагревается вместе с заготовкой до той же температуры. С учетом всех перечисленных потерь и потерь тепла в теплоизоляцию (0,3 от теплосодержания заготовки) утилизируется примерно 60% тепла. Это выше, чем у прототипа. Кроме того, предлагаемые способ и установка позволяют увеличить съем продукции с 1 м² производственных площадей. В нашем примере при размерах устройства 12 м х 2,5 м и цикле 90 мин имеет 1,5 кг/м² ч, в то время как, например, в промышленной секции графитации завода, реализующего известную технологию, проектная величина съема составляет 1 кг/м² ч.Calculations in relation to the given specific example showed that the specific energy consumption per ton of graphite is 1100 kW / h. This is 4 times less than the Acheson method. In the calculation, losses in current leads in the amount of 50% of the useful energy were taken into account and additional equipment in the amount of 0.4 of the weight of the workpiece, which also heats with the workpiece to the same temperature, was taken into account. Taking into account all the listed losses and heat losses, approximately 60% of heat is utilized in the thermal insulation (0.3 from the heat content of the workpiece). This is higher than the prototype. In addition, the proposed method and installation can increase the removal of products from 1 m ^{2 of} production space. In our example, with a device size of 12 mx 2.5 m and a cycle of 90 min, it has 1.5 kg / m ² h, while, for example, in the industrial section of the graphitization plant that implements the known technology, the design removal rate is 1 kg / m ² hours

Таким образом, по основным характеристикам предлагаемые способ и установка для графитации углеродных заготовок превосходят показатели и промышленных установок, и прототипа. Кроме всего, процесс графитации согласно предлагаемому способу и установке легко автоматизировать и выстроить в непрерывные линии по производству графита, включающие весь комплекс технологических операций. Thus, the main characteristics of the proposed method and installation for graphitization of carbon blanks are superior to both industrial plants and the prototype. In addition, the graphitization process according to the proposed method and installation is easy to automate and build in continuous lines for the production of graphite, including the whole range of technological operations.

Источники информации
1. Чалых Е.Ф. "Технология и оборудование электродных и электроугольных предприятий" М, 1972, Металлургия, с.185-195.Sources of information
1. Chalykh E.F. "Technology and equipment of electrode and electro-coal enterprises" M, 1972, Metallurgy, p.185-195.

2. Пат. США N 4017673, кл. 13-7 (27B 9/00) заявк. 20.1.75 г. опубл. 12.04.77 г., приор. ФРГ 17.12.74 г. N 2459576. 2. Pat. U.S. N 4017673, CL 13-7 (27B 9/00) applications. 20.1.75, publ. 04/12/77, prior. Germany December 17, 74 N 2459576.

Claims

1. The method of graphitization of carbon blanks, including two-stage heating of single blanks, the first of which is pre-heated by heat cooling the blanks after graphitization, and the second is electric heating by passing electric current through each blank, characterized in that the pre-heating of the blanks is carried out by radiant heat transfer from electrically heated preforms to preforms subject to electrical heating.

2. Installation for graphitization of carbon blanks, containing an electric heating furnace with a tunnel-type channel isolated from the external atmosphere with input and output branches for moving blanks and lock chambers, as well as means for promoting blanks in the channel, characterized in that the input and output branches for moving blanks are placed in parallel in a single channel, with the possibility of radiant heat transfer from workpieces that have undergone electric heating and graphitization, to workpieces subject to electric heating and graphitization.

3. The installation according to claim 2, characterized in that it is equipped with curtain-type dividing walls, dispersed in the channel with an interval of 1.2 - 1.4 lengths of the workpiece.

4. Installation according to claim 3, characterized in that the partitions are made of elastic carbon material.

5. Installation according to claim 2 to 4, characterized in that it is equipped with heat-reflecting screens located on the walls and ceiling of the furnace channel.

6. Installation according to claim 5, characterized in that the screens are made on the basis of carbon fabric.