TWI750863B - 石墨化爐之終止送電的管控方法 - Google Patents
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Abstract
一種石墨化爐之終止送電的管控方法。在此方法中， 建立石墨化爐之爐芯溫度預測模型。利用石墨化爐之爐芯在溫度3000℃以下的製程參數數據與爐芯溫度預測模型進行疊代計算操作，以獲得石墨化爐之爐芯之升溫歷程曲線。利用石墨化爐之數個爐次所分別獲得之一介相石墨碳微球產品之數個介相石墨碳微球電容量、以及利用爐芯之升溫歷程曲線所取得之對應送電終止溫度建立送電終止與介相石墨碳微球電容量之關係式。以送電終止與介相石墨碳微球電容量之關係式為依據，進行石墨化爐之終止送電管控。
Description
本揭露是有關於一種電阻爐之操控技術，且特別是有關於一種石墨化爐之終止送電的管控方法。
石墨化爐是一種電阻爐。石墨化爐之主要功能係對介相碳微球(mesophase graphite powder，MGP)進行加熱至3000℃以上的石墨化程序，藉以形成介相石墨碳微球。介相石墨碳微球可應用在鋰電池之負極材料，適用於手機、筆記型電腦、電動車等。
由於介相石墨碳微球之電容量與石墨化製程之送電終止溫度密切相關，而受限於目前的溫度量測技術無法準確量測3000℃以上的溫度，因而無法以爐芯溫度作為停止送電的指標。雖然一些技術聚焦於開發石墨化爐之爐芯的溫度量測或預測，但仍無法有效掌握送電終止溫度。
因此，目前石墨化爐都以單耗，即電量/介相石墨碳微球填充量，作為停止送電的管控依據。這樣的管控方式導致介相石墨碳的品質不穩定，例如介相石墨碳的電容量變異。
因此，本揭露之一目的就是在提供一種石墨化爐之終止送電的管控方法，其利用現有製程數據結合熱傳預測模型，來推算3000℃以上的爐芯溫度，並依照產品類型建立送電完成之爐芯溫度與電容量關係式。藉此，可利用達到石墨碳微球之電容量管制值的爐芯溫度作為停止送電之判斷指標。故，可有效管控石墨碳微球之品質。
本揭露之另一目的就是在提供一種石墨化爐之終止送電的管控方法，其可以石墨化爐之爐芯溫度作為停止送電之判斷指標，因此可提升產能，並節省能源。
根據本揭露之上述目的，提出一種石墨化爐之終止送電的管控方法。在此方法中，建立石墨化爐之爐芯溫度預測模型，其中爐芯溫度預測模型包含石墨化爐之熱傳模型。利用石墨化爐之爐芯在溫度3000℃以下的數個製程參數數據與爐芯溫度預測模型進行疊代計算操作，以獲得石墨化爐之爐芯之升溫歷程曲線。利用石墨化爐之數個爐次所分別獲得之一介相石墨碳微球產品之數個介相石墨碳微球電容量、以及利用爐芯之升溫歷程曲線所取得之對應這些爐次之數個送電終止溫度建立一送電終止與介相石墨碳微球電容量之關係式。以此送電終止與介相石墨碳微球電容量之關係式為依據，進行石墨化爐於製作此一介相石墨碳微球產品之終止送電管控。
依據本揭露之一實施例，上述之熱傳模型包含電阻料熱平衡方程式、坩堝熱平衡方程式、石墨原料熱平衡方程式、保溫料熱平衡方程式、以及耐火磚熱平衡方程式。
依據本揭露之一實施例，上述之爐芯溫度預測模型更包含爐阻模型。此爐阻模型之方程式為：
，
其中R
e為爐芯總爐阻，T
e為爐芯溫度，m為爐芯內坩堝橫排數量，n為爐芯內坩堝縱排數量，a為橫排間坩堝間距，d為坩堝直徑，h為坩堝高度，f
ρ為爐阻模型之修正因子，ρ為爐芯內電阻料的電阻率。
依據本揭露之一實施例，上述進行疊代計算操作包含利用爐芯在溫度3000℃以下之數個爐芯量測溫度來修正爐芯溫度預測模型。
依據本揭露之一實施例，上述修正爐芯溫度預測模型包含修正爐芯溫度預測模型之熱傳模型中之數個熱傳方程式中的比熱參數。
依據本揭露之一實施例，上述之爐芯量測溫度分別對應利用爐芯溫度預測模型所計算出之數個爐芯計算溫度，且修正爐芯溫度預測模型係在每個爐芯量測溫度與對應之爐芯計算溫度之誤差絕對值百分比等於或大於一預設百分比時進行。
依據本揭露之一實施例，上述預設百分比為10%。
依據本揭露之一實施例，上述進行石墨化爐於製作此介相石墨碳微球產品之終止送電管控包含將此介相石墨碳微球產品之電容量管制值代入送電終止與介相石墨碳微球電容量之關係式中，以獲得介相石墨碳微球產品之送電終止溫度。
石墨化爐雖設有紅外線測溫儀來量測生產過程中之爐芯溫度，但受限於目前儀器量測極限，無法取得3000℃以上的爐芯溫度。由於在石墨化爐之送電加熱過程中，會監測爐阻、電流、電壓、與送電功率等相關製程數據，因此本揭露在此以現有之製程數據結合熱傳理論模型，來預測3000℃以上之爐芯溫度。再依據介相石墨碳微球之產品類型，建立送電完成後之爐芯溫度與介相石墨碳微球之電容量之間的關係式。因此，應用本揭露，可使操作人員能以爐芯溫度為依據來進行爐操，而可有效管控介相石墨碳微球之品質。
請參照圖1，其係繪示依照本揭露之一實施方式的一種石墨化爐之終止送電的管控方法的流程圖。進行石墨化爐之終止送電的管控方法時，可先進行步驟100，以建立石墨化爐之爐芯溫度預測模型。此爐芯溫度預測模型包含此石墨化爐之熱傳模型。
請參照圖2，其係繪示依照本揭露之一實施方式的一種石墨化爐之爐內熱傳現象的示意圖。在一些例子中，爐芯區域，即電阻料200，在受到焦耳熱E
g,e後會對坩堝210與坩堝210內之石墨原料220進行熱傳，同時熱量E
1也會再傳遞至保溫料230，而由耐火磚240的壁面散失掉。爐芯溫度可經由一維暫態熱傳理論計算而得。外壁邊界條件可例如採用自然對流熱傳式，對流係數可由爐壁溫度量測修正而得。因此，石墨化爐之熱傳模型可包含電阻料熱平衡方程式、坩堝熱平衡方程式、石墨原料熱平衡方程式、保溫料熱平衡方程式、以及耐火磚熱平衡方程式。
如圖2所示，電阻料熱平衡方程式為焦耳熱E
g,e=電阻料熱量E
st,e+傳至保溫料230的熱量E
1，展開後可表示為下式(1)：
式(1)，
其中i為流經石墨化爐之爐芯總電流，單位為kA；R
e為爐芯總爐阻，單位為mΩ；V
e為爐芯容積，單位為m
3；m
e為電阻料質量，單位為kg；C
p,e為電阻料比熱，單位為J/kg℃；f
cp為比熱修正因子；k
e、k
i、與k
c分別為電阻料熱傳導係數、保溫料熱傳導係數、與坩堝熱傳導係數，單位為W/m·k；L
1、L
2、與L
3分別為電阻料厚度、保溫料厚度、與坩堝厚度，單位為m；A
e,i與A
e,c分別為電阻料200和保溫料230間的熱傳面積與電阻料200和坩堝210間的熱傳面積，單位為m
2；T
e、T
i、與T
c分別為爐芯溫度、保溫料溫度、與坩堝溫度，單位為℃。
坩堝熱平衡方程式為電阻料200傳到坩堝210的熱量E
2=坩堝熱量E
st,c+傳到石墨原料220的熱量E
3，展開後可表示為下式(2)：
式(2)，
其中m
c為坩堝質量，C
p,c為坩堝比熱，k
g為石墨原料熱傳導係數，L
4為石墨原料厚度，A
c,g為坩堝210和石墨原料220間的熱傳面積，T
g為石墨原料溫度。
石墨原料熱平衡方程式為坩堝210傳到石墨原料220的熱量E
3=石墨原料熱量E
st,g，展開後可表示為下式(3)：
式(3)
其中m
g為石墨原料質量，C
p,g為石墨原料比熱。
保溫料熱平衡方程式為傳至保溫料230的熱量E
1=保溫料熱量E
st,i+保溫料230傳到耐火磚240的熱量E
0，展開後可表示為下式(4)：
式(4)，
其中m
w為爐壁質量，C
p,w為爐壁比熱，h
w為熱對流係數， T
∞為大氣環境溫度。熱對流係數之單位為W/m
2·k。
耐火磚熱平衡方程式為保溫料230傳到耐火磚240的熱量E
0=耐火磚熱量E
st,w+耐火磚壁面散失掉的熱量E
w，展開後可表示為下式(5)：
式(5)，
其中m
w為爐壁質量，C
p,w為爐壁比熱，h
w為熱對流係數， T
∞為大氣環境溫度。
在一些例子中，爐芯溫度預測模型更可包含爐阻模型。可例如以實場石墨化爐之爐芯內坩堝擺放方式為依據來建立爐阻模型。爐阻模型之方程式可表示為下式(6)：
式(6)，
其中m為爐芯內坩堝橫排數量，n為爐芯內坩堝縱排數量，a為橫排間坩堝間距，d為坩堝直徑，h為坩堝高度，f
ρ為爐阻模型之修正因子，ρ為爐芯內電阻料的電阻率。在一些示範例子中，爐芯內坩堝橫排數量m為4組，爐芯內坩堝縱排數量n為20組，橫排間坩堝間距a為0.08mm，坩堝直徑d為0.5m，坩堝高度h為1.7m。爐阻模型之修正因子f
ρ可依不同爐溫區間進行修正。電阻料之電阻率ρ會隨著溫度的變化而變化。
電阻率會隨溫度而變化。在一些例子中，可從實際製程數據中取得電阻數值，來建立不同溫度區間之爐溫與電阻率的關係方程式。在一些示範例子中，建立爐阻模型時可包含建立第一溫度區間之第一爐溫與電阻率之關係方程式以及第二溫度區間之第二爐溫與電阻率之關係方程式。第一溫度區間可例如為30℃至509℃，第二溫度區間可例如為509℃至3000℃。第一爐溫與電阻率之關係方程式可表示為下式(7)：
，
式(7)。
第二爐溫與電阻率之關係方程式可表示為下式(8)：
，
式(8)。
請再次參照圖1，接著，可進行步驟110，以利用石墨化爐之爐芯在溫度3000℃以下的製程參數數據與所建立之爐芯溫度預測模型進行疊代計算操作，以獲得石墨化爐之爐芯之升溫歷程曲線。此外，進行此疊代計算操作時，可利用爐芯在溫度3000℃以下的多個爐芯量測溫度來修正爐芯溫度預測模型，以使爐芯升溫歷程符合量測現況。在一些示範例子中，修正爐芯溫度預測模型時係修正爐芯溫度預測模型之熱傳模型中之這些熱傳方程式中的比熱參數。
在一些例子中，請參照圖3，其係繪示依照本揭露之一實施方式的一種石墨化爐之爐芯溫度的預測流程圖。預測石墨化爐之爐芯溫度，可先進行步驟300，以建立爐芯溫度預測模型。步驟300所建立之爐芯溫度預測模型即為步驟100所建立之爐芯溫度預測模型。
接著，可進行步驟310，以將石墨化爐之爐芯在溫度3000℃以下的製程數據，例如爐阻、電流、電壓、與功率等，代入爐芯溫度預測模型中，藉以計算出對應這些製程參數之爐芯計算溫度T，例如對應於一送電時間之送電功率的爐芯計算溫度T。在此送電時間下，有量測到的爐芯量測溫度T*。即，每個送電時間有彼此對應之爐芯計算溫度T與爐芯量測溫度T*
接下來，可進行步驟320，以判斷爐芯量測溫度T*與對應之爐芯計算溫度T之誤差絕對值百分比是否小於一預設百分比。此預設百分比可例如為10%，如圖3所示。進行步驟320時，可先計算誤差絕對值百分比。誤差絕對值百分比的公式如下：
。
當爐芯量測溫度T*與爐芯計算溫度T之誤差絕對值百分比小於預設百分比時，即可進行步驟330，以將此爐芯計算溫度T作為此送電時間下之爐芯溫度之一預測值。
而當量測到之爐芯溫度T*與計算出之爐芯溫度T之誤差絕對值百分比等於或大於預設百分比時，代表利用爐芯溫度預測模型所計算出之爐芯溫度過於偏離實際爐芯溫度。因此，可對爐芯溫度預測模型進行修正調整。在一些示範例子中，此時可進行步驟340，以導入修正因子來對爐芯溫度預測模型之熱傳模型中之熱傳方程式中的比熱參數進行調整。然後，根據上述流程再重複進行爐芯溫度的預測。
利用上述方式修正3000℃以內的爐芯溫度預測模型後，可結合石墨化爐之製程操作數據計算3000℃以上的爐芯溫度，取得送電終止之爐芯溫度。
在另一些例子中，可利用預設送電功率曲線與爐阻模型及熱傳模型進行疊代計算操作，藉以獲得對應不同送電時間之石墨化爐的爐芯溫度，直到送電總時數等於一預設值。舉例而言，進行疊代計算操作時，可以預設之送電功率曲線作為輸入條件，並透過爐阻模型求得電流與功率，而所計算出來的功率可作為熱傳模型之輸入條件。接下來，透過熱傳模型之熱平衡方程式可計算出爐芯溫度，持續疊代計算後，即可得到石墨化爐之爐芯的升溫曲線。
接著，請再次參照圖1，可進行步驟120，以建立石墨化爐之送電終止與介相石墨碳微球電容量之關係式。可針對不同之介相石墨碳微球產品類型，分別建立送電終止與介相石墨碳微球電容量之關係式。在一些例子中，可利用石墨化爐進行多個爐次的石墨化製程，以分別獲得這些爐次所生產出之一介相石墨碳微球產品的對應介相石墨碳微球電容量。並從爐芯之升溫歷程曲線取得這些爐次的送電終止溫度。接著，可利用此介相石墨碳微球產品之介相石墨碳微球電容量與對應之送電終止溫度建立送電終止與介相石墨碳微球電容量之關係式。此送電終止與介相石墨碳微球電容量之關係式可由多爐次之送電終止溫度與對應之介相石墨碳微球電容量線性回歸而得。可建立每個介相石墨碳微球產品之送電終止與介相石墨碳微球電容量之關係式。
隨後，可進行步驟130，以送電終止與介相石墨碳微球電容量之關係式為依據，來進行石墨化爐於製作此介相石墨碳微球產品的終止送電管控。針對一介相石墨碳微球產品之終止送電管控時，可將此介相石墨碳微球產品之電容量管制值代入其送電終止與介相石墨碳微球電容量之關係式中，藉此即可獲得此介相石墨碳微球產品之送電終止溫度。操作人員可以所求得之送電終止溫度為依據，來進行此介相石墨碳微球產品的終止送電管控。
以下利用一實施例來說明本揭露之石墨化爐之終止送電的管控方法的應用。本實施例以中鋼碳素化學股份有限公司的介相石墨碳微球產品MG11為例。首先，建立爐芯溫度預測模型，並以量測到的爐芯溫度來修正爐芯溫度預測模型。再利用修正後之爐芯溫度預測模型與製程參數計算爐芯溫度，而取得爐芯升溫歷程。
請參照圖4，其係繪示依照本揭露之一實施方式的一種石墨化爐之爐芯量測升溫歷程與爐芯預測升溫歷程圖。圖4所示為8個爐次之平均爐芯溫度量測與預測結果。由圖4可知本實施例之修正後的爐芯預測模型具工程準確性。在第31小時可量測到的最高爐芯溫度為2899.2℃。第31小時後，利用製程數據及修正後之爐芯預測模型計算爐芯溫度，可求得送電完成之爐芯溫度為3184.2℃，總送電時數為46.4小時。
請參照圖5，其係繪示依照本揭露之一實施方式的一種終止送電之爐芯溫度與介相石墨化碳微球之電容量的關係圖。圖5所示為圖4之8個爐次中的其中6個爐次之送電完成的爐芯溫度與量測電容量結果。由於採目標單耗管控生產，因此各爐次所生產之介相石墨化碳微球的電容量呈現變異。
可依據圖5所示之結果，來建立介相石墨化碳微球MG11之送電完成之爐芯溫度與電容量的關係式。可利用線性回歸方式建立爐芯溫度與電容量的關係式。如圖5所示，在一些示範例子中，介相石墨化碳微球MG11之送電完成之爐芯溫度與電容量的關係式為y=1.1464x+2787.5，其中x為電容量，y為爐芯溫度。介相石墨化碳微球MG11的電容量管制值為347mAh/g。由此關係式可知，當預測之爐芯溫度到達3185.3℃時，介相石墨化碳微球MG11之電容量即符合管制值。此時即可終止送電程序。因此，本揭露之應用有助於標準化介相石墨化碳微球產品的電容量。
請參照圖6，其係繪示以目標單耗14kWh/kg管控送電至停止送電之一爐次之介相石墨化碳微球MG11的爐芯升溫過程。由圖6可知，停止送電點400係以目標單耗14kWh/kg來判斷，送電總時數為43.8小時，送電完成後之預測爐芯溫度為3189.6℃。量測電容量為350.2mAh/g，預測電容量為350.8 mAh/g，預測誤差為0.2%。如此代表圖5之關係式的預測具工程準確性。
若改依照本實施例以爐芯溫度來判斷停止送電點410的管控方法，當爐芯溫度到達3185.3℃時，停止送電。送電總時數為43.1小時，電容量為347 mAh/g。因此，送電總時數減少0.7小時，送電單耗減少0.3kWh/kg，可同時達到提升產能與節電之目的。
由上述之實施方式可知，本揭露之一優點就是因為本揭露之石墨化爐之終止送電的管控方法利用現有製程數據結合熱傳預測模型，來推算3000℃以上的爐芯溫度，並依照產品類型建立送電完成之爐芯溫度與電容量關係式。藉此，可利用達到石墨碳微球之電容量管制值的爐芯溫度作為停止送電之判斷指標。故，可有效管控石墨碳微球之品質。
由上述之實施方式可知，本揭露之另一優點就是因為本揭露之石墨化爐之終止送電的管控方法可以石墨化爐之爐芯溫度作為停止送電之判斷指標，因此可提升產能，並節省能源。
雖然本揭露已以實施例揭示如上，然其並非用以限定本揭露，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:步驟
110:步驟
120:步驟
130:步驟
200:電阻料
210:坩堝
220:石墨原料
230:保溫料
240:耐火磚
300:步驟
310:步驟
320:步驟
330:步驟
340:步驟
400:停止送電點
410:停止送電點
E
0:熱量
E
1:熱量
E
2:熱量
E
3:熱量
E
g,e:焦耳熱
E
st,c:坩堝熱量
E
st,e:電阻料熱量
E
st,g:石墨原料熱量
E
st,i:保溫料熱量
E
st,w:耐火磚熱量
E
w:熱量
T:爐芯計算溫度
T*:爐芯量測溫度
為讓本揭露之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
［圖1］係繪示依照本揭露之一實施方式的一種石墨化爐之終止送電的管控方法的流程圖；
［圖2］係繪示依照本揭露之一實施方式的一種石墨化爐之爐內熱傳現象的示意圖；
［圖3］係繪示依照本揭露之一實施方式的一種石墨化爐之爐芯溫度的預測流程圖；
［圖4］係繪示依照本揭露之一實施方式的一種石墨化爐之爐芯量測升溫歷程與爐芯預測升溫歷程圖；
［圖5］係繪示依照本揭露之一實施方式的一種終止送電之爐芯溫度與介相石墨化碳微球之電容量的關係圖；以及
［圖6］係繪示以目標單耗14kWh/kg管控送電至停止送電之一爐次之介相石墨化碳微球MG11的爐芯升溫過程。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無
國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無
100:步驟
110:步驟
120:步驟
130:步驟
Claims (8)
- 一種石墨化爐之終止送電的管控方法，包含： 建立一石墨化爐之一爐芯溫度預測模型，其中該爐芯溫度預測模型包含該石墨化爐之一熱傳模型； 利用該石墨化爐之一爐芯在溫度3000℃以下的複數個製程參數數據與該爐芯溫度預測模型進行一疊代計算操作，以獲得該石墨化爐之該爐芯之一升溫歷程曲線； 利用該石墨化爐之複數個爐次所分別獲得之一介相石墨碳微球產品之複數個介相石墨碳微球電容量、以及利用該爐芯之該升溫歷程曲線所取得之對應該些爐次之複數個送電終止溫度建立一送電終止與介相石墨碳微球電容量之關係式；以及 以該送電終止與介相石墨碳微球電容量之關係式為依據，進行該石墨化爐於製作該介相石墨碳微球產品之終止送電管控。
- 如請求項1所述之方法，其中該熱傳模型包含一電阻料熱平衡方程式、一坩堝熱平衡方程式、一石墨原料熱平衡方程式、一保溫料熱平衡方程式、以及一耐火磚熱平衡方程式。
- 如請求項2所述之方法，其中該爐芯溫度預測模型更包含一爐阻模型，該爐阻模型之一方程式為：， 其中R e為爐芯總爐阻，T e為爐芯溫度，m為爐芯內坩堝橫排數量，n為爐芯內坩堝縱排數量，a為橫排間坩堝間距，d為坩堝直徑，h為坩堝高度，f ρ為該爐阻模型之修正因子，ρ為爐芯內電阻料的電阻率。
- 如請求項1所述之方法，其中進行該疊代計算操作包含利用該爐芯在溫度3000℃以下之複數個爐芯量測溫度來修正該爐芯溫度預測模型。
- 如請求項4所述之方法，其中修正該爐芯溫度預測模型包含修正該爐芯溫度預測模型之該熱傳模型中之複數個熱傳方程式中的比熱參數。
- 如請求項4所述之方法，其中該些爐芯量測溫度分別對應利用該爐芯溫度預測模型所計算出之複數個爐芯計算溫度，且修正該爐芯溫度預測模型係在每一該些爐芯量測溫度與對應之該爐芯計算溫度之一誤差絕對值百分比等於或大於一預設百分比時進行。
- 如請求項6所述之方法，其中該預設百分比為10%。
- 如請求項1所述之方法，其中進行該石墨化爐於製作該介相石墨碳微球產品之終止送電管控包含將該介相石墨碳微球產品之一電容量管制值代入該送電終止與介相石墨碳微球電容量之關係式中，以獲得該介相石墨碳微球產品之一送電終止溫度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW109136973A TWI750863B (zh) | 2020-10-23 | 2020-10-23 | 石墨化爐之終止送電的管控方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW109136973A TWI750863B (zh) | 2020-10-23 | 2020-10-23 | 石墨化爐之終止送電的管控方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI750863B true TWI750863B (zh) | 2021-12-21 |
| TW202216592A TW202216592A (zh) | 2022-05-01 |
Family
ID=80681520
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW109136973A TWI750863B (zh) | 2020-10-23 | 2020-10-23 | 石墨化爐之終止送電的管控方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
| TW (1) | TWI750863B (zh) |
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| US20040173142A1 (en) * | 2003-03-06 | 2004-09-09 | Willis Peter M. | Analytical furnace with predictive temperature control |
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2020
- 2020-10-23 TW TW109136973A patent/TWI750863B/zh active
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