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石墨化設(shè)備——石墨化爐介紹 

2020年12月16日，由中國粉體網(wǎng)主辦的“2020石墨基鋰離子電池負(fù)極材料研究網(wǎng)絡(luò)研討會”在粉體公開課直播平臺如期舉行。本次研討會就鋰離子電池用負(fù)極材料的發(fā)展、工藝、設(shè)備及市場現(xiàn)狀進(jìn)行深入探討。貝特瑞新材料集團(tuán)股份有限公司研究院副院長李子坤博士從石墨化理論基礎(chǔ)內(nèi)容、石墨化關(guān)鍵技術(shù)及石墨化發(fā)展趨勢三個方面為大家?guī)砹思?xì)致地講解與分享。其中在介紹石墨化設(shè)備——石墨化爐環(huán)節(jié)吸引了小編的興趣，今天我們就結(jié)合李博士的內(nèi)容為大家進(jìn)行整理關(guān)于石墨化爐的知識供大家參考！

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(guī)格的各向同性石墨，還是小規(guī)格的電刷、導(dǎo)電滑塊，甚至是鋰離子電池負(fù)極材料等一系列的炭—石墨制品，石墨化都是其工業(yè)生產(chǎn)過程的一個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。



石墨化晶格轉(zhuǎn)變示意圖



石墨化過程自動控制系統(tǒng)

石墨化按照加熱方式可分為直接法和間接法，按照運(yùn)行方式可分為間歇式和連續(xù)式。石墨化工藝是炭石墨類鋰離子電池負(fù)極材料生產(chǎn)的重要工藝，石墨化度 是鋰離子電池負(fù)極材料的重要指標(biāo)。在石墨化溫度提高到接近2200℃時，鋰離子電池負(fù)極材料的雜質(zhì)基本上已經(jīng)被排除。要對材料進(jìn)行石墨化，就要用到加工設(shè)備——石墨化爐。

五種類型石墨化爐介紹



圖片來自：李子坤.石墨化技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

石墨化設(shè)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(fā)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(fā)熱體。

按運(yùn)行設(shè)計方式分類分為艾奇遜石墨化爐、內(nèi)串式石墨化爐、真空石墨化爐、連續(xù)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(fā)明石墨化爐，隨著工業(yè)的發(fā)展，石墨化爐的結(jié)構(gòu)也有了很大的發(fā)展。艾奇遜爐有了直流電爐和交流電爐。這種爐子結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、容易維修。



圖片來自：李子坤.石墨化技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)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(dǎo)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(shù)低、送電時間長等缺點。20世紀(jì)60年代后隨著整流設(shè)備的快速發(fā)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(jìn)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(dǎo)致石墨化制品產(chǎn)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?fàn)t心溫度上升過快，這對大規(guī)格的和細(xì)結(jié)構(gòu)的石墨產(chǎn)品極易產(chǎn)生裂紋。

艾奇遜石墨化爐是目前國內(nèi)生產(chǎn)高純石墨的主要爐型之一，該爐生產(chǎn)周期長、能耗大、效率低、間斷式生產(chǎn)。據(jù)有關(guān)資料介紹，艾奇遜石墨化爐生產(chǎn)電耗約為 4000 ～ 4800kwh/t。

?內(nèi)串式石墨化爐



圖片來自：李子坤.石墨化技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

內(nèi)串式石墨化爐是內(nèi)熱式串接石墨化爐，是由美國人卡斯特鈉發(fā)明的，分為臥式內(nèi)串和立體內(nèi)串。內(nèi)串式石墨化工藝與艾奇遜石墨化工藝的主要區(qū)別是產(chǎn)品加熱直接通過電極本身，而不需要電阻材料發(fā)熱。這也是內(nèi)串式石墨化工藝較艾奇遜石墨化工藝改進(jìn)的主要特點。由于內(nèi)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(nèi)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(chǎn)品直接加熱時電阻均勻，產(chǎn)品的成品率高。從20世紀(jì)80年代開始，德國、美國、日本等國的炭素廠生產(chǎn)大規(guī)格超高功率石墨電極多數(shù)已采用內(nèi)串式石墨化工藝。內(nèi)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(nèi)串式石墨化產(chǎn)品指標(biāo)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(chǎn)品較低 電阻率等，在極高的石墨化溫度下產(chǎn)品接觸部位及電極芯部產(chǎn)生的升華現(xiàn)象也都會對石墨化產(chǎn)品產(chǎn)生影響。

但內(nèi)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(jù)有關(guān)資料介紹，內(nèi)熱串接石墨化爐生產(chǎn)電耗約為3300～4000kwh/t。

?真空石墨化爐

真空石墨化爐是在“真空”環(huán)境下對物料進(jìn)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(chǎn)的裝置，采用電阻加熱形式，溫度可達(dá)3000℃；且溫度均勻性好；特殊的高溫紅外測量技術(shù)，控溫準(zhǔn)確，誤差?。煌庋h(huán)冷系統(tǒng)，單爐生產(chǎn)周期短，效率高。