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石墨化設備——五種類型石墨化爐介紹

發布時間:2021-09-10󰇰瀏覽次數:693

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石墨化的表述很多,簡單來說,石墨化就是熱處理。使原本分布雜亂無章的碳原子整齊排列。值得注意的是,不管是大規格的各向同性石墨,還是小規格的電刷、導電滑塊,甚至是鋰離子電池負極材料等一系列的炭—石墨制品,石墨化都是其工業生產過程的一個關鍵技術環節。

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石墨化晶格轉變示意圖


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石墨化過程自動控制系統

石墨化按照加熱方式可分為直接法和間接法,按照運行方式可分為間歇式和連續式。石墨化工藝是炭石墨類鋰離子電池負極材料生產的重要工藝,石墨化度 是鋰離子電池負極材料的重要指標。在石墨化溫度提高到接近2200℃時,鋰離子電池負極材料的雜質基本上已經被排除。要對材料進行石墨化,就要用到加工設備——石墨化爐。

一、五種類型石墨化爐介紹



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圖片來自:李子坤.石墨化技術的現狀與發展


石墨化設備按不同的方式分為兩大類:即按加熱方式分為直接加熱爐和間接加熱爐。直接加熱爐以待受熱處理的物料直接作為發熱體;間接加熱爐是物料只是受熱體,熱量來自于物料外圍的發熱體。


按運行設計方式分類分為艾奇遜石墨化爐、內串式石墨化爐、真空石墨化爐、連續式石墨化爐以及箱體式石墨化爐五種主要類型。


艾奇遜石墨化爐


1985年,E.G.艾奇遜發明石墨化爐,隨著工業的發展,石墨化爐的結構也有了很大的發展。艾奇遜爐有了直流電爐和交流電爐。這種爐子結構簡單、堅固耐用、容易維修。


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圖片來自:李子坤.石墨化技術的現狀與發展


艾奇遜石墨化爐按加熱方式分類,它屬于直接加熱式電爐。直接加熱式爐就是制品本身是導電體,通過電阻加熱,從而使制品完成石墨化。


早期的艾奇遜石墨化爐采用的是交流電,但交流電存在功率小、電流密度低、功率因數低、送電時間長等缺點。20世紀60年代后隨著整流設備的快速發展,艾奇遜石墨化爐開始采用直流供電,大大降低了能耗。石墨化爐中的電阻主要由電阻料提供,可見在整個石墨化過程中,熱量主要是由電阻料傳入制品的,進入制品的電流比率很小。


若電阻料的電阻不均勻,會造成爐芯溫度不均勻,從而導致石墨化制品產生裂紋,成為廢品。在通電開始時,功率過大及功率上升過快,都會使爐心溫度上升過快,這對大規格的和細結構的石墨產品極易產生裂紋。


艾奇遜石墨化爐是目前國內生產高純石墨的主要爐型之一,該爐生產周期長、能耗大、效率低、間斷式生產。據有關資料介紹,艾奇遜石墨化爐生產電耗約為 4000 ~ 4800kwh/t。


內串式石墨化爐

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圖片來自:李子坤.石墨化技術的現狀與發展


內串式石墨化爐是內熱式串接石墨化爐,是由美國人卡斯特鈉發明的,分為臥式內串和立體內串。內串式石墨化工藝與艾奇遜石墨化工藝的主要區別是產品加熱直接通過電極本身,而不需要電阻材料發熱。這也是內串式石墨化工藝較艾奇遜石墨化工藝改進的主要特點。由于內串式石墨化工藝沒有填充料,因而可以減少熱量的帶出,即可減少熱量帶出10%,降低電耗20%~35%。內串式石墨化爐具有熱效率高、送電時間短等特點,在高溫階段僅需1~2h。產品直接加熱時電阻均勻,產品的成品率高。從20世紀80年代開始,德國、美國、日本等國的炭素廠生產大規格超高功率石墨電極多數已采用內串式石墨化工藝。內串式石墨化爐的爐型可分為I型U型W型和梅花型,其中U型爐較多,有單柱和多柱的,有兩折、四折甚至多折的。


影響內串式石墨化產品指標的因素有很多,例如較快的升溫速率和同直流石墨化相比相對較高的整體溫度,以及使用低檔原料和過度追求產品較低 電阻率等,在極高的石墨化溫度下產品接觸部位及電極芯部產生的升華現象也都會對石墨化產品產生影響。


但內串式石墨化也有一定的缺點,如爐溫不及艾奇遜石墨化爐高。據有關資料介紹,內熱串接石墨化爐生產電耗約為3300~4000kwh/t。


真空石墨化爐


真空石墨化爐是在“真空”環境下對物料進行高溫處理的中小型石墨化爐,一般用于實驗室或者小批次生產的裝置,采用電阻加熱形式,溫度可達3000℃;且溫度均勻性好;特殊的高溫紅外測量技術,控溫準確,誤差??;外循環冷系統,單爐生產周期短,效率高。


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圖片來自:李子坤.石墨化技術的現狀與發展


連續式石墨化爐


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圖片來自:李子坤.石墨化技術的現狀與發展


連續石墨化爐其實不是一種特定的石墨化工藝爐,現有的連續石墨化爐有多種形式。所謂連續石墨化工藝是相對于間歇式石墨化工藝來講的。所謂的連續石墨化工藝,一般是指生產中沒有斷電的過程,石墨化的產品需要經過一系列的溫區,從而實現連續石墨化。


連續石墨化爐也有另外一種形式,與內串式石墨化法相似,電極在爐中首尾相接,串接成電極柱,電流直接流經電極柱產生焦耳熱,從而實現石墨化。


影響連續石墨化工藝的主要有以下幾個問題。首先是耐火層問題。因為要有一個溫度在3000 ℃的溫區,這就要求爐體耐火材料有較高的耐火度。另外一個問題就是如何快速地冷卻產品,從而使產品不被氧化。


碳管爐是一種外加熱的小型連續石墨化爐,主要采用熱提純的原理,用于石墨的高溫提純。其主要采用熱提純的原理,用于石墨的高溫提純。


連續式石墨化爐爐體為一豎直的長方體外殼,采用直流電,左右分布兩根電極。當兩電極之間加以電壓產生的電流通過物料后,物料因其自身電阻將電能轉換為熱能,物料被逐漸加熱煅燒。隨著物料的下移,物料被逐步加熱到2500~3000℃,進行高溫石墨化,發生碳原子的晶格轉變,成為高純石墨化焦。石墨化焦逐步下移,經過冷卻后經排料設備排出。


優勢


實現封閉式的連續生產,自動化程度高;爐內溫度均勻,石墨化焦石墨化程度高;能耗較低等。此外該石墨化爐原料為散裝料,產品為散裝石墨化焦。相對于只能生產一定形狀石墨產品的石墨化爐而言,散裝石墨化焦可根據不同的工藝要求制作出不同的石墨制品,滿足不同領域的不同生產要求。


箱體式石墨化爐


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圖片來自:李子坤.石墨化技術的現狀與發展




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二、不同石墨化爐項目對比及選擇



石墨負極材料用石墨化爐對比

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圖片來自:李子坤.石墨化技術的現狀與發展



艾奇遜石墨化爐與內熱串接石墨化爐熱平衡

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負極材料對石墨化爐的選擇性

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圖片來自:李子坤.石墨化技術的現狀與發展



石墨化爐的設計理念

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圖片來自:李子坤.石墨化技術的現狀與發展



石墨化爐能耗分布、成本構成

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圖片來自:李子坤.石墨化技術的現狀與發展



石墨化構成要素:爐阻、電阻料/保溫料

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圖片來自:李子坤.石墨化技術的現狀與發展




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