TWI444582B - Graphite furnaces and methods of making graphite - Google Patents

Description

石墨化爐及製造石墨的方法

本發明是關於一種加熱碳的粉末而用來製造石墨的石墨化爐及製造石墨的方法。

石墨(graphite)，是碳的同素體的一種，做成六方晶結晶者。石墨是雖為固體，但在潤滑性上優異，更進一步因具有熱傳導性、耐熱性、耐藥品性等的有用特性，因此具有廣泛的用途。

作為製造石墨的一種方法，有著：利用將如焦煤或木炭的碳源(通常，包括非晶質或不純物)加溫至例如2500℃～3000℃左右的極高溫度，而形成石墨化(例如結晶化及精製)的方法。

如上所述地，石墨化，從由於需要極高的溫度，而在加熱上須適用那一種手段，或是保持該手段的構造的耐熱性的各點來看，皆提示了困難的課題。例如碳加熱器，外部加熱手段是無法實現超過2500℃的溫度，而在其以前就會在熱性上損及加熱器本身。因此，以往就利用通電於碳源來加熱該碳源的所謂艾奇遜(Acheson)爐及其改良裝置。

下述的專利文獻1～3，是揭示關連的技術。

專利文獻1：日本國專利公報第10-338512號

專利文獻2：日本國專利公報第2005-291515號

專利文獻3：日本國專利公報第2009-190907號

依照以往的艾奇遜爐及其改良裝置，則工序是批量式而在效率上有問題，更進一步因加熱上未均勻，因此在品質及產量上也有問題。本發明是為了解決此些問題而所研發的發明。

依照本發明的第1形態，一種石墨化爐，是從碳源的粉末獲得石墨的石墨化爐，其特徵為：具備導電性坩堝、電極、及電源，該導電性坩堝具備：為了收容上述粉末所構成的凹部，該電極具備柱狀的軸、及頭部，該頭部設在前述軸之端，具有從「球、半球、邊緣經修圓的圓柱、圓錐；及頂點經修圓的圓錐所形成」的群組中所選出的一種形狀，該電源構成：可使電流經由上述坩堝與上述電極而流至上述粉末。

依照本發明的第2形態，一種製造石墨的方法，是從碳源的粉末製造石墨的方法，其特徵為包括：將上述粉末收容於導電性坩堝的凹部；使電極接觸於上述粉末，該電極具備柱狀的軸，及頭部，該頭部設在前述軸之端，具有從球、半球、邊緣經修圓的圓柱、圓錐，及頂點經修圓的圓錐所形成的群組中所選出的一種形狀；使電流從電源經由從上述坩堝與上述電極而流至上述粉末。

參照所附圖式，在以下說明本發明的幾種例示性的實施形態。

依照本發明的實施形態，碳源的粉末利用通電所導致的焦耳熱所加熱而形成石墨化。作為碳源，當然可利用由碳所形成的粉末，但也可利用碳纖維或粒狀乃至於塊狀碳，或是可利用碳化矽(carborundum)等的陶瓷來替代碳。或是於其他的導電性物質適用本實施形態也可以。為了說明上方便，在專利說明書及申請專利範圍中，將原料僅通稱為粉末。

主要參照第1圖，本實施形態的石墨化爐100，具備：用來收容粉末1的坩堝10，及用來將電流流至粉末1的裝置20，及包圍坩堝10的處理室40。坩堝10是從處理室40的一端被搬入，一面受到預熱一面依次通過處理室40內，受到裝置20所形成的加熱，經由冷卻之後，從處理室40的另一端被搬出。

主要參照第2、3圖，坩堝10，是具備能夠收容粉末1所構成的凹部12，凹部12是在坩堝10的上表面而朝向上方開口。坩堝10，由於對粉末1通電的緣故而必須從導電性物質所形成，更進一步，該導電性物質是必須具有可承受2500℃以上高溫的耐熱性。就這些物質而言，可列舉出石墨，但也可能為其他的物質。坩堝10，是為了加工的方便上具有圓筒形的外形，但外形並不受限於此。

凹部12，是由圓筒形的上部12a，及半球狀的下部12b所形成，但如下所述地可做各種變形。

回到第1圖，坩堝10，雖然可單獨地被插入至處理室40內，但為了操作的方便上而被載置於托盤32。托盤32，為了能夠承受2500℃以上高溫而由石墨等的適當耐熱材料所形成，為了防止坩堝10的搖動而具有可保持坩堝的適當形狀。

處理室40，是於其一方的端具備前室42，於中間具備主室44，於另一端具備後室46。在外部與前室42之間、前室42與主室44之間、主室44與後室46之間、及後室46與外部之間，有分別相互連通的開口，更進一步，設有分別閉塞上述開口的門43a、43b、47a、47b。

門43a、43b、47a、47b，是構成能夠氣密地閉塞各開口。更進一步，門43a、43b、47a、47b，是利用垂直地昇降，就可打開開口。也可以是朝向水平或其他的方向移動的形態，來替代垂直地昇降。為了移動可利用油壓缸或是氣壓缸，但並不受限於此。更進一步，為了維持門的閉塞狀態或打開狀態，也可以設置適當的卡止裝置。

當門43a、43b、47a、47b閉塞開口時，處理室40便構成能控制其內部環境。更進一步，前室42、主室44及後室46，是分別構成可個別地控制環境。亦即，藉由介設前室42與後室46，即使將坩堝10予以搬入及搬出之際，也不會使外氣侵入至主室44內，而維持著內部之環境。

處理室40，是為了將坩堝10從其一方的一端搬送至另一方的一端，更進一步具備遍及主室44的大約全長的軌道48。軌道48可具備：線狀地排列在被支柱49a所支承之導軌49b上的滾子48a，或是只要能夠保證坩堝的滑動，也能僅具備軌道。可能的話，軌道48，也可以具備用來搬送坩堝10的機構，但通常，坩堝10是利用後續的坩堝所導致的推壓，或先行的坩堝所導致的牽引而移動。為了確實地推壓或牽引，各托盤32或各坩堝10，也可以具備互相地連結的鉤子或是類似的構造。

更進一步，石墨化爐100，為了坩堝10的搬入及搬出的方便，在處理室40外面具備推進裝置41及拉出裝置45。推進裝置41及拉出裝置45，例如是具備可解除地卡合於坩堝10或托盤32的臂部且水平地移動的致動器。為了致動器的驅動可利用油壓缸或氣壓缸、或滾珠螺旋等的其他手段。推進裝置41及拉出裝置45，不僅能搬入與搬出的坩堝10，為了能一體地驅動處理室100內的一連串之坩堝10，應具有充分驅動力。

主室44，是主要可區分成區域A、區域B及區域C。

在區域A中有複數加熱器34，配置成可沿著軌道48而接近坩堝10，所以坩堝10被預熱。作為加熱器34，例如可利用電阻加熱器、氣體加熱器、燃燒器等，但並不限定於此。此外，就電阻加熱器而言，可利用碳加熱器等。當坩堝10到達至區域B時，必須將加熱器34的能力適當地設定成使粉末1成為充分接近於石墨化溫度(例如2500℃～3000℃)的溫度(2000℃～2300℃)。

在區域A及區域B中，為了抑制對外部的熱輻射，並且基於提高能量效率的目的，也可設置隔熱壁36。在隔熱壁36，可適用由碳纖維所形成的成形隔熱材料，但也可適用毛氈或短纖維(chopped fiber)的形態者。此外，隔熱壁是也可設於區域C。

在區域B，設有一組或複數組用來流動電流的裝置20。參照第2、3圖；各裝置20具備：電源28，及經由電纜25分別電氣性地被連接於電源28的電極22與相反側電極24。或者，電極22亦可構成：在搬入石墨化爐100前預先埋入粉末1中，當坩堝10到達區域B時，與電極28形成電氣連接。

電極22具備：柱狀的軸22a，及連續於其下部的頭部22b。頭部22b例如是半球狀，也可以是如下所述的各種變形。

電極22，是通過貫通孔36a而被插入至隔熱壁36的內部。電極22的上端是被拉出至隔熱壁36的外側，而經由端子板27a被電氣性地連接於電纜25。端子板27a，是利用水冷套等的冷卻手段被適當地冷卻。因電極22與隔熱壁36的電氣性地絕緣，雖然在其中間被保持著間隙，若可能也可以介裝著適當的絕緣構件。

相反側電極24也與電極22相同，通過貫通孔36b而被插入至隔熱壁36的內部，其下端是經由已被冷卻的端子板27b被電氣性地連接於電纜25。相反側電極24與隔熱壁36的中間也形成電氣性絕緣。

電極22及相反側電極24，都是由可承受上述石墨化溫度之適當的導電性材料所形成。做為此種材料，可例示有例如石墨，可能的話也可以是其他材料。

各裝置20，具備能夠將電極22予以昇降的昇降裝置26。昇降裝置26雖然具備利用油壓驅動的壓缸26a，但也可採用氣壓缸或滾珠螺旋等的其他驅動手段。昇降裝置26，是經由適當的絕緣體29被固定於主室44的上部。

應該對壓缸26a賦予充分的可動範圍，以便於驅動電極22，使其從「第3圖所示，電極22的頭部22b至少位置較粉末1與坩堝10更上方」的第1位置，移動至「如第2圖所示，電極22的頭部22b沈入粉末1中」的第2位置為止。在第1位置中，坩堝10可通過電極22的下方，而在第2位置，可將電流從電極22流至粉末1。

相反側電極24構成：當坩堝10來到其正上方時，便與坩堝10形成電氣性連接。或是，為了能使相反側電極24可動地接觸於坩堝10，亦可設置上昇裝置26b。上昇裝置26b，是經由適當的絕緣體29被固定於主室44的下部。

壓缸26a與上昇裝置26b，都是由控制裝置30所控制驅動。控制裝置30，也控制電源28，並與電極的驅動同步而將電流供應於電極。

在區域B中，也可以設有複數個加熱器38。作為加熱器38，例如可利用如碳加熱器的電阻加熱器、氣體加熱器、燃燒器等，但並不限定於此。加熱器38，是配置成不僅加熱粉末1，還能預熱電極22。此種預熱，有助於緩和電極22接觸於粉末1所導致之局部性的溫度降低。

區域C，是構成用來促進粉末1的冷卻。當坩堝10到達後室46時，為了使其冷卻至適合搬出的溫度，區域C應確保適當的長度。

如上所述，電極22的頭部22b與坩堝10的凹部12，是可分別做各種變形。

例如第4(A)圖所示頭部22b，也可以是邊緣經修圓的圓柱形狀，來取代半球狀。或是，如第4(B)圖所示，也可以將頭部22b做成球狀。或是如第4(C)圖所示，也可以將頭部22b做成圓錐形狀，或頂點經修圓的圓錐形狀。

「球、半球、邊緣經修圓的圓柱、圓錐；或是頂點經修圓的圓錐形狀」的頭部，容易深深地沈入粉末中，而於其周圍發生均勻性高的電場。此種作法可提高電流密度的均勻性，因此有助於加熱的均勻化。從易於沈入粉末中的觀點來看，特別是圓錐形狀，或頂點經修圓的圓錐形狀較有利。

凹部12，可變形成對應於頭部22b的形狀來代替具有半球狀的下部的圓筒形。例如，在第4(A)圖至第4(C)圖的例子中，坩堝10的內面，是設成在任一部位都對頭部22b形成相等距離。上述作法也有助於提高電流密度的均勻性。

當然，頭部22b與凹部12內面的距離，也可以非相等距離。雖然粉末1的溫度，是由「使發熱與散熱均衡」所決定，但即使藉由電流密度的均勻化使發熱一致化，散熱也不會一致。例如在粉末1的上面附近，與其他部位相比較，散熱較大。頭部22b的形狀，是考慮到須補償上述情形而可加以設計。

第5(A)圖至第5(C)圖，是上述情形的例子。在第5(A)圖的例子中，雖然頭部22b是圓錐形狀，但其上部是比軸22a還更朝向徑方向突出於外側。在突出的部分因與凹部12的內面的距離較接近，使得電流密度變大，因此發熱會比其他部位還要大。此外，利用粉末1覆蓋其上面，散熱變得較小。藉此，粉末1的溫度被均勻(一致)化。

當然，頭部22b也可以如第5(B)圖的例子，呈現頂點經修圓的圓錐形，或亦可如第5(C)圖的例子，呈現邊緣經修圓的圓柱形或者也可以是其他的形狀。

或者，也可以將坩堝的形狀予以變形。在第6圖的例子中，在坩堝11的上部，其厚度較厚，而愈往下部愈變薄。在此種構造中，在粉末1的下部使散熱變大，由於可與「上部的散熱」相等，故就結果而言可使粉末1的溫度一致化。

或者，亦可設置輔助性的加熱手段。在第7圖的例子中，設有感應加熱線圈IC，配置成可對粉末1的上面附近加熱。根據上述的構造，由於可附加足以補償「從粉末1的上面所散熱之熱量」的加熱，因此就結果而言可使粉末1的溫度一致化。

倘若可能，也可以更進一步追加覆蓋粉末1上面的隔熱材料。

再者，利用將頭部22b沈入粉末1中，在粉末1的下部與上部相比較使得密度變更大，因此電阻係數會變小。所以，在下部，電流密度會變大，而有發熱也變大的趨勢。電極的形狀或坩堝的形狀，或是追加輔助性的加熱手段或隔熱材料，是也須考慮到此種要素而盼望做成最合適的設計。

依照上述的石墨化爐，石墨是如以下所說明的方式製造。

組合第1圖至第7圖而參照第8圖，首先，於導電性坩堝10的凹部12收容粉末1(步驟S1)。最好是對坩堝10賦予振動，或是利用推壓粉末1的上面等，來提高粉末1的容積密度。此種動作是可提高通電所導致的加熱效率。

在執行上述動作的同時，處理室100內被控制成惰性環境。就實現惰性環境的手段而言，例舉有氮氣、或氬氣等的惰性氣體，或鹵素等所導致的排淨(purge)，或將內部做成真空，但倘若可能，也可以採用其他的手段。

坩堝10與粉末1一起被載置於托盤32，使推進裝置41卡合於托盤32。打開門43a，坩堝10與粉末1一起利用推進裝置41被搬入至前室42內。

關閉門43a，前室42內經控制成與主室44內相同的環境。之後，打開門43b，坩堝10是與粉末1一起利用推進裝置41被搬入至主室44的加熱器加熱區域A(步驟S2)。這時候，先行的其他的坩堝10若仍在主室44時，則推進裝置41是一起推壓這些坩堝。亦即，一連串的坩堝10，是在第1圖中朝向右邊一起移動。然後，將門43b關閉。

在主室44內的加熱器加熱區域A中，粉末1是與坩堝10是一起利用加熱器34被預熱(步驟S3)。直到加熱器加熱區域B為止，加熱器34的輸出是須合適地調整成為粉末1充分地接近於石墨化溫度的溫度(例如2000℃～2300℃)。

藉由利用後續的坩堝10依次推壓，將坩堝10搬入至加熱器加熱區域B(步驟S4)。這時候，利用加熱器38，對電極22及相反側電極24預熱。

位於坩堝10的正下方的相反側電極24，是利用上昇裝置26b而上昇，並電氣性地接觸於坩堝10(步驟S5)。這時候，坩堝10是從托盤32被電氣性地絕緣。

然後，電極22，是利用壓缸26a被降下(步驟S6)。這時候，電極22的頭部22b是電氣性地接觸於粉末1。這時候，頭部22b沈入至粉末1中，而粉末1是局部性地受到壓縮。合適地控制壓缸26a，為了調整粉末1的密度分布，使頭部22a僅朝粉末1沈入經控制的量。

從電源28經由坩堝10及電極22，使電流流至粉末1(步驟S7)。電流量是被合適地控制成粉末能達到石墨化溫度(例如2500℃～3000℃)。

這時候，也可以配置能夠加熱粉末1上面的高頻感應線圈，而將高頻施加於粉末1。或是，也可以利用隔熱材料至少局部性地覆蓋上面。

如第1圖的例子，設有用來流動電流的複數組裝置20時，上述的通電工序也重複複數次。電極22的位置，也可以在各該通電時機加以變更。此外，雖然電極22是重複插入拔出於粉末1，但也可以未拔出電極22而重複通電。

利用通電，粉末被加熱，並被石墨化。電極22從石墨被拔出(步驟S8)，藉由利用後續的坩堝10依次被推出，而將坩堝10搬入至冷卻區域C(步驟S9)。在區域C，石墨是慢慢地被冷卻(步驟S10)，並被冷卻至可搬出的溫度為止。

當坩堝10到達至門47a的正前方時，則門47a被打開，藉由利用後續的坩堝10被推壓，將坩堝10搬入至後室46。關閉門47a，將外氣導入至後室46內。然後，門47b被打開，利用拉出裝置45，將坩堝10與石墨一起搬出(步驟S11)。

粉末所經歷的溫度曲線，譬如是第9圖所示。在此，橫軸t_p 是粉末被搬入至石墨化爐起的時間，縱軸T是溫度。T2是區域A的加熱溫度，例如2000℃～2300℃，T1是石墨化溫度，例如2500℃～3000℃。

由上述可瞭解，粉末是在坩堝中被均勻地加熱之故，因而所得到之石墨的品質優異，又可得到高產量。此外，由預熱、加熱、冷卻所形成的一連串的處理，由於是連續地執行，因而實現高生產性。還有，由於後續的處理可利用先前處理的餘熱，因而實現優異的能量效率。

藉由合適的實施形態來說明本發明，但本發明並不被限定於上述實施形態者。依據上述揭示內容，具有該技術領域的通常技術者，利用實施形態的修正或變形可實施本發明。

[產業上的利用可能性]

利用連續性又生產性優異的處理，可得到品質優異的石墨。

1．．．粉末

10．．．坩堝

12．．．凹部

20．．．裝置

22．．．電極

24．．．相反側電極

26．．．昇降裝置

28．．．電源

30．．．控制裝置

32．．．托盤

34．．．加熱器

36．．．隔熱壁

38．．．加熱器

40．．．處理室

42．．．前室

43a、43b、47a、47b．．．門

44．．．主室

46．．．後室

48．．．軌道

100．．．石墨化爐

第1圖是表示本發明的一實施形態的石墨化爐內部的立體圖

第2圖是表示從第1圖的II-II線所得到的斷面圖，為電極被插入於碳的粉末中的狀態。

第3圖是表示從第1圖的III-III線所得到的斷面圖，為電極被插入於碳的粉末中之前的狀態。

第4(A)圖至第4(C)圖是表示組合電極與坩堝的變形的模式性斷面圖。

第5(A)圖至第5(C)圖是表示電極的其他變形的模式性斷面圖。

第6圖是表示坩堝的其他變形的模式性斷面圖。

第7圖是表示具備附加性之加熱手段的坩堝的例子的模式性斷面圖。

第8圖是說明製造本實施形態所導致的石墨之方法的各階段的流程圖。

第9圖是上述方法之石墨的溫度履歷的一例。

1．．．粉末

10．．．坩堝

20．．．裝置

32．．．托盤

34．．．加熱器

36．．．隔熱壁

38．．．加熱器

40．．．處理室

41．．．推進裝置

42．．．前室

43a、43b、47a、47b．．．門

44．．．主室

45．．．拉出裝置

46．．．後室

48．．．軌道

48a．．．滾子

100．．．石墨化爐

A、B、C．．．區域

Claims (9)

1. 一種石墨化爐，是從碳源的粉末獲得石墨的石墨化爐，其特徵為：具備導電性坩堝、電極、及電源，該導電性坩堝具備：為了收容上述粉末所構成的凹部，該電極具備柱狀的軸、及頭部，該頭部設在前述軸之端，具有從球、半球、邊緣經修圓的圓柱、圓錐、及頂點經修圓的圓錐所形成的群組中所選出的一種形狀，該電源構成：可使電流經由上述坩堝與上述電極而流至上述粉末，上述電極的上述頭部，至少一部分在徑方向較上述軸更朝外側突出。
2. 如申請專利範圍第1項所述的石墨化爐，其中更進一步具備高頻感應線圈，該高頻感應線圈被配置成可至少對上述粉末的上面加熱。
3. 如申請專利範圍第1項所述的石墨化爐，其中上述坩堝的厚度，是朝向上述凹所的下端變薄。
4. 如申請專利範圍第1項所述的石墨化爐，其中更進一步具備處理室、搬送手段、及第1加熱器，該處理室構成：具有可包圍上述坩堝的尺寸，可將上述粉末放置在經控制的環境下，且具備第1端與第2端，該第1端與第2端分別具備可閉塞的開口，該搬送手段，是用來將上述坩堝從上述第1端朝上述 第2端搬送，該第1加熱器，是用來對上述粉末進行預熱。
5. 如申請專利範圍第1項所述的石墨化爐，其中更進一步具備對上述電極進行預熱的第2加熱器。
6. 一種製造石墨的方法，是從碳源的粉末製造石墨的方法，其特徵為包括：將上述粉末收容於導電性坩堝的凹部，使電極接觸於上述粉末，該電極具備柱狀的軸、及頭部，該頭部設在前述軸之端，具有從球、半球、邊緣經修圓的圓柱、圓錐、及頂點經修圓的圓錐所形成的群組中所選出的一種形狀，使電流從電源經由上述坩堝與上述電極而流至上述粉末，上述電極的上述頭部，至少一部分在徑方向較上述軸更朝外側突出。
7. 如申請專利範圍第6項所述的方法，其中更進一步包括：為了調整上述粉末的密度分布，而僅以經控制的量使上述電極的上述頭部朝上述粉末中沈入。
8. 如申請專利範圍第6項所述的方法，其中更進一步包括：為了將上述粉末放置於經控制的環境下，而藉由具備第1端與第2端的處理室包圍上述坩堝，該第1端與第2端分別具備可閉塞的開口， 對上述粉末進行預熱，將上述坩堝從上述第1端朝上述第2端搬送。
9. 如申請專利範圍第6項所述的方法，其中更進一步包括：對上述電極進行預熱。