阅读说明：本技术 一种立式连续锂电池负极材料生产用炉窑及其生产工艺 () 是由 张瑞林 陈国教 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种立式连续锂电池负极材料生产用炉窑,解决的问题是石墨化炉炉内温度最高只能达到2600℃,制得的石墨类碳负极材料的石墨化度低,产品合格率低,冷却装置结构复杂、排料系统更换慢,使用寿命短。本发明包括炉体和支撑架,炉体上方设有炉盖,炉体下方设有冷却系统,冷却系统下部设有排料冷却系统；所述的支撑架包括立柱,立柱上设有横梁,炉体设置在横梁上方。本发明炉内物料温度即使达到2800℃,也不会对炉盖造成损坏,大大增大炉盖和炉体的使用寿命。()

一种立式连续锂电池负极材料生产用炉窑及其生产工艺

技术领域

本发明涉及锂电池负极材料生产领域，具体涉及一种立式连续锂电池负极材料生产用炉窑。

背景技术

在锂离子电池负极材料中，石墨类碳负极材料以其来源广泛，价格便宜，一直是负极材料的主要类型；碳质材料是石墨类锂电池负极材料的主要原料，碳质材料的碳原子为不规则排列，只有在炉窑如石墨化炉内通过2200～3000℃的高温热处理，使碳原子发生再结晶，重新有序排列，才能呈现石墨的晶体结构，从而具有石墨的许多优良性能，如导电性和导热性显著提高，化学和热稳定性更好，杂质减少，硬度降低，更易于机械加工等等。石墨化炉的功能就是使碳质材料转化为人造石墨材料，例如为钢铁冶炼、铝冶炼、负极材料、其它有色金属行业、核工业等可以提供优质碳元素的石墨材料。

目前使用得最为广泛的石墨化炉是艾奇逊炉。艾奇逊炉为敞开式长方形炉体结构，生产过程为将炭化物纵向或横向并列，并在炭化物的周围填充冶金焦和石英沙，在炉体的长度方向通电，利用焦炭的电阻发热，最终使被加热物本身也产生电阻发热；在焦炭的***再用焦粉、炭黑、硅砂/焦炭/碳化硅混合物等衬料进行热屏蔽以隔热。但是现有的艾奇逊炉不能达到节能减排，操作安全，产品质量稳定的要求。

对此，专利号为“CN201010108180.7”的专利公开了一种“竖式高温连续石墨化炉”。但是这种石墨化炉炉内温度最高只能达到 2600℃，制得的石墨类碳负极材料的石墨化度低，产品合格率低。

传统竖式石墨化炉的冷却系统是在周边冷却装置内设置中央冷却区域，中央冷却区域的冷却需要单独设置冷却水管将冷却水通入中央冷却区域上部，冷却水在从中央冷却区域上部落到中央冷却区域下部后经过排水口排出，同时，物料从中央冷却区域外侧通过并排出，物料通过中央冷却区域时被周边冷却装置和中央冷却区同时冷却，冷却效果好；但是周边冷却装置得下出口需要集成中央冷却区域冷却水的进出口、物料出口等涉及到的阀门和管道等，切要做到互不干扰，总体结构较为复杂，生产过程容易损坏，使用寿命短。

传统竖式石墨化炉的炉盖均是采用多块的耐火砖堆砌而成的平面结构，并辅助设置支撑横梁、吊扣圈架、T型金属栓等结构，结构较为复杂，且相邻耐火砖之间设有填缝剂、粘合剂等，相邻耐火砖之间的缝隙容易密封不严，导致保温效果差，外部空气进入石墨化炉，石墨被氧化，影响产品质量；且高温烧结单个的耐火砖易脱落，使用寿命短，炉盖的正常使用寿命仅为1-3年。平面结构的设置使得耐火砖与炉体高温区较近，耐高温效果差，影响炉内温度的提高。

传统的石墨化炉的排料系统都是设置一个出料口，出料口一旦损坏，需要停产更换，在连续石墨化炉的生产过程中，停产后再生产需要消耗时间长，需要对炉窑重新加热升温，大大增加企业生产成本，且严重影响生产效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是石墨化炉炉内温度最高只能达到2600℃，制得的石墨类碳负极材料的石墨化度低，产品合格率低，冷却装置结构复杂、排料系统更换慢，使用寿命短，提供一种炉内温度高、结构简单，使用寿命长的立式连续锂电池负极材料生产用炉窑。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种立式连续锂电池负极材料生产用炉窑，包括炉体和支撑架，炉体上方设有炉盖，炉体下方设有冷却系统，冷却系统下部设有排料冷却系统；所述的支撑架包括立柱，立柱上设有横梁，炉体设置在横梁上方。

所述的炉盖为向上凸起的球面结构，所述的炉盖包括若干个扇形块，所述扇形块的顶角处设有弧形槽，扇形块的扇面上设有外层孔和内层孔。

所述炉盖内表面的最高处于下表面之间的垂直距离h大于 450mm。

所述的扇形块有块，每块扇形块的圆心角为90°，四块扇形块的弧形槽构成圆形电极孔；

每块扇形块上分别设有一个内层孔、两个外层孔。

所述扇形块的一侧设有凸起、另一侧设有凹槽，相邻扇形块之间通过凸起与凹槽的配合相连接，相邻扇形块的凸起与凹槽之间设有保温棉；

所述扇形块外侧的下表面为平面，用于与炉体的上表面相配合。

所述的冷却系统包括若干级冷却水套，所述的冷却水套从上到下依次包括一级水套、二级水套和三级水套，三级水套与排料冷却系统连接，一级水套的横截面积大于二级水套的横截面积，二级水套上部与一级水套之间设有环形冷却水盘；

所述的环形冷却水盘内部由冷却水管逐圈盘绕而成。

所述二级水套和三级水套的内壁上设有石墨内衬层；

所述一级水套、二级水套和三级水套均为圆柱筒结构。

排料冷却系统包括连接板，连接板上方与三级水套连接，连接板下方设有四级水套和五级水套，四级水套和五级水套之间通过锥形水套连接。

所述的连接板下方设有两个四级水套，连接板的下表面设有滑轮；所述的立柱上还设有移动横梁，移动横梁设置在三级水套下方，移动横梁上设有滑轨，滑轮与滑轨相配合；

所述的三级水套下方设有方形板，方形板两侧设有两个盖板，盖板与方形板铰接连接。

一种立式连续锂电池负极材料生产用炉窑的生产工艺，包括以下步骤：①将炉窑内装满物料，开始向炉窑内电极进行若干次间隔送电，间隔送电结束后观察炉内物料，炉内物料红透，烟道内没有水蒸气，物料温度达到1200℃以上，此时开始正式送电；

②正式送电后，送电功率控制在680～780千伏安，炉盖温度达到600～700度，窑炉内物料继续升温至2200℃，开始从排料口连续排料，同时从物料管道连续加料；

③步骤②所述的向炉窑内连续加料和连续加料的同时，炉盖温度达到800～950度，物料温度继续升高至2800℃，当物料温度达到2800℃，开始从物料管道连续加料，同时从排料口连续排出合格产品。

本发明的炉盖制成球面结构，使得炉盖远离高温区，炉内温度可以烧的更高而不至于损坏炉盖，且炉盖制成一体结构，结实耐用；冷却系统延长，结构更加简单，减少设备维修，增大设备使用寿命；排料冷却系统设置有两套，两套系统可以轻松更换，减少停机维修次数，降低企业成本。

本发明采用间隔送电的方式，对炉体起到保护作用，正常生产时，炉盖较高，可以耐受更高的温度，使得炉内物料温度即使达到2800℃，也不会对炉盖造成损坏，大大增大炉盖和炉体的使用寿命。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是图1的局部结构示意图；

图3是本发明炉盖俯视俯视结构示意图；

图4是本发明炉盖横截面结构示意图；

图5是本发明炉盖侧面结构示意图之一；

图6是本发明炉盖侧面结构示意图之二；

图7是本发明排料冷却结构示意图；

图8是本发明三级水套下部结构示意图；

图9是本发明排料冷却俯视结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图9示，一种立式连续锂电池负极材料生产用炉窑，包括炉体1和支撑架5，炉体上方设有炉盖4，炉体1下方设有冷却系统2，冷却系统2下部设有排料冷却系统3；所述的支撑架5包括立柱51，立柱51上设有横梁52，炉体1设置在横梁52上方。

所述的炉盖4为向上凸起的球面结构，所述的炉盖4包括若干个扇形块41，所述扇形块41的顶角处设有弧形槽42，扇形块41的扇面上设有外层孔43和内层孔44。采用扇形块41组装而成的炉盖具有整体性，炉盖的正常使用寿命达到8-10年，大大提高了炉盖的使用寿命。

所述炉盖4内表面的最高处于下表面49之间的垂直距离h大于450mm。本发明球面结构的炉盖4内表面的最高处于下表面49 之间的垂直距离为500mm，扇形块41的厚度为180-220mm，增大了炉盖本体与炉体高温区的距离，使得炉体内温度即使达到2800℃以上，炉盖仍然不会损坏，更高的炉体温度，大大的提高了产品的石墨化度。本发明生产的锂电池负极材料的石墨化度达到96％，含碳量达到99％以上，而传统工艺制得的锂电池负极材料的石墨化度仅仅能达到90％左右，含碳量仅在99％以内。本发明制备的锂电池负极材料的质量有了质的飞跃。

且采用本发明设计的炉窑，脱硫时间也大大缩短，传统的炉窑脱硫完成需要6-7个小时，脱硫后的含硫量在0.05-1.5％之间，而本发明脱硫完成仅需要3-4个小时，成品的含硫量经检测达到 0.05％以内。

所述的扇形块41有4块，每块扇形块的圆心角为90°，四块扇形块41的弧形槽42构成圆形电极孔45；炉窑的正极电极插在电极孔45内，用于向窑炉内部放电。

每块扇形块41上分别设有一个内层孔44、两个外层孔43。四块扇形块41上共有四个内层孔44，八个外层孔43，其中两个内层孔 44用于窑炉的烟道管插孔，另外两个内层孔44用于窑炉的防爆气囊插孔；八个外层孔43用于物料的进料管道插孔。本发明的扇形块也可以是三块、五块、六块等，需要留够相应的外层孔43和内层孔44的数量即可。

所述扇形块41的一侧设有凸起46、另一侧设有凹槽47，相邻扇形块41之间通过凸起46与凹槽47的配合相连接，相邻扇形块41的凸起46与凹槽47之间设有保温棉48。凸起46的外部尺寸与凹槽47 的内部尺寸相配合，安装时，只需将一个扇形块41的凸起卡进相邻扇形块的凹槽内，依次完成所有连接即可；设置保温棉48，起到填充相邻扇形块41的凸起46与凹槽47之间缝隙的作用，同时起到保温作用，防止热量从二者之间的缝隙泄露。

所述扇形块41外侧的下表面49为平面，用于与炉体1的上表面相配合。使扇形块41可以平稳的安装在炉体上。

所述的冷却系统2包括若干级冷却水套，所述的冷却水套从上到下依次包括一级水套21、二级水套22和三级水套23，三级水套23 与排料冷却系统3连接，一级水套21的横截面积大于二级水套的横截面积，二级水套22上部与一级水套21之间设有环形冷却水盘26。一级水套21上部与炉体连接。冷却系统2的各级冷却水套内部均包括冷却水管，冷却水通过冷却水管不满整个冷却水套，且各冷却水套均有独立的进水口和独立的出水口，形成分层次的冷却装置，降低了成本，提高了冷却效率。

所述的环形冷却水盘26内部由冷却水管逐圈盘绕而成。环形冷水盘具有更大的冷却面积，适合冷却温度较高的高温产品，其设置在一级水套和二级水套之间，从而使从一级水套出来的高温物料得到大幅的降温，然后物料再经过二级水套、三级水套、排料冷却系统进行逐步降温，冷却层次分明，冷却分工明确，提高了冷却效率，优化了冷却效果。

所述二级水套22和三级水套23的内壁上设有石墨内衬层27。石墨内衬层27传热效果好，传热快，加快物料与冷却水之间的换热速度，适用于物料温度较高的二级水套22区域和三级水套23区域。而一级水套21区域不设置石墨内衬层27，因为刚从炉体落下的物料在一级水套区域被初步的冷却，这种冷却力度不能太大。防止影响炉体下部电极的温度，保护下部电极，防止炉体***，初步降低高温物料的温度。

所述一级水套21、二级水套22和三级水套23均为圆柱筒结构。物料从圆柱筒中间穿过。

排料冷却系统3包括连接板34，连接板34上方与三级水套23 连接，连接板34下方设有四级水套31和五级水套32，四级水套31 和五级水套32之间通过锥形水套33连接。所述的四级水套31和五级水套32均为圆柱筒结构。物料从圆柱筒中间穿过。四级水套31、锥形水套33和五级水套32分别具有独立的进水口和独立的出水口，使得冷却分级进行，冷却效果好。排料冷却系统3作为冷却系统的一部分，将冷却系统大大拉长，加大物料下落时的冷却距离，增大冷却效果，结构简单，各级冷区水套及排料冷却系统3通过简单的固定连接即可，结构简单，使用寿命长。

所述的连接板34下方设有两个四级水套31，连接板34的下表面设有滑轮35；所述的立柱51上还设有移动横梁53，移动横梁53 设置在三级水套23下方，移动横梁53上设有滑轨531，滑轮35与滑轨531相配合。滑轮35在滑轨531内移动，实现连接板34上任何一个四级水套31与三级水套23的对接。

所述的三级水套23下方设有方形板232，方形板232两侧设有两个盖板231，盖板231与方形板232铰接连接。当选择连接板34 上某一个四级水套31的进料口与三级水套23的落料口相对应时，连接板34另一个四级水套31的进料口被相对应的盖板231盖上，对该四级水套31起到防护作用。

本发明一个连接板34下配套设置了两套排料冷却系统，当其中一个排料冷却系统发生损坏时，只需要轻轻一推，就可以将另一个排料冷却系统四级水套31的进料口与三级水套23的落料口相对应，操作过程快速、简单，避免停机给企业造成的损失，提高工作效率，降低生产成本。

一种立式连续锂电池负极材料生产用炉窑的生产工艺，包括以下步骤：①将炉窑内装满物料，开始向炉窑内电极进行若干次间隔送电，间隔送电结束后观察炉内物料，炉内物料红透，烟道内没有水蒸气，物料温度达到1200℃以上，此时开始正式送电；

②正式送电后，送电功率控制在680～780千伏安，炉盖温度达到600～700度，窑炉内物料继续升温至2200℃，开始从排料口连续排料，同时从物料管道连续加料；

③步骤②所述的向炉窑内连续加料和连续加料的同时，炉盖温度达到800～950度，物料温度继续升高至2800℃，当物料温度达到2800℃，开始从物料管道连续加料，同时从排料口连续排出合格产品。本发明物料在炉窑内的总时间小于12个小时，步骤②物料温度为2200℃时，炉窑生产性能不稳定，温度不够高，排出的物料为不合格品，步骤③物料温度达到2800℃时，炉窑生产性能开始稳定，从炉窑内排出的物料为合格产品。步骤①所述的间隔送电期间，对物料进行间隔拉动并排出，间隔送电期间排出的物料也为不合格品。

正常生产后要严格控制炉内炉盖温度，炉盖温度控制在800～950 度，不能过高也不能过低。如果温度过高必须考虑加大排料速度和电极距离调整，同时必须疏通烟道调整烟道风门，平时生产过程中必须一天清理烟道一次，确保炉内烟气畅通无阻。如果正常生产一段时间产品质量出现问题，炉内温度居高不下，电极严重发热，慎重考虑卸炉降温后再恢复正常生产。

步骤①所述间隔送电的具体步骤为：a、第一次向电极送电4小时，送电功率控制在200千伏安内，送电结束停止送电12小时后进行第二次送电，此时物料煅后焦的温度达到100℃；有较多物料内的水蒸气挥发，明显感觉物料潮湿。停止送电期间每4小时慢慢拉动炉内物料一次并排出炉窑，每次约30kg，物料从排料口排出物料的同时从进料管道加入相同量的物料，保持炉内物料量不变。

b、第二次向电极送电5小时，送电功率控制在300千伏安内，送电结束停止送电12小时后开始第三次送电；此时物料煅后焦的温度达到200℃-300℃；有较多物料内的水蒸气挥发，明显感觉物料潮湿，有水滴形成。停止送电期间每4小时慢慢拉动炉内物料一次并排出炉窑，每次约30kg，物料从排料口排出物料的同时从进料管道加入相同量的物料，保持炉内物料量不变。

c、第三次向电极送电6小时，送电功率控制在400千伏安内，送电结束停止送电12小时后开始第三次送电；此时物料煅后焦的温度达到400℃-500℃；有较多物料内的水蒸气挥发，感觉物料潮湿，水滴减少。停止送电期间每4小时慢慢拉动炉内物料一次并排出炉窑，每次约50kg，物料从排料口排出物料的同时从进料管道加入相同量的物料，保持炉内物料量不变。

d、第四次向电极送电6小时，送电功率控制在500千伏安，送电结束停止送电8小时后开始第五次送电，此时物料煅后焦的温度达到800-1000℃；水蒸气消失，停止送电期间每4小时慢慢拉动炉内物料一次并排出炉窑，每次约50kg，物料从排料口排出物料的同时从进料管道加入相同量的物料，保持炉内物料量不变。

e、第五次向电极送电6小时，送电功率控制在400千伏安内；第五次送电结束后观察炉内物料，如果炉内物料红透，烟道内没有水蒸气，此时加大送电功率到680～780千伏安开始正式生产，物料煅后焦温度达到1200℃；反之进行第六次送电。第五次送电结束后，看炉内物料和烟道内水蒸气及温度情况决定是否进行第六次送电。煅后焦内部结构在1200℃开始变化，1700℃开始排出硫份，物料达到2200℃后按正常生产要求逐步排料，此时排出的物料为不合格品；随着正常生产逐步排料的进行，炉内热量累计，炉盖温度控制在800～950度，炉内物料温度可以达到2800℃，开始从物料管道连续加料，正常排料，生产处合格产品，开始连续生产。

f、第六次向电极送电6小时，送电功率控制在500千伏安内，送电结束后停止送电6小时，加大送电功率到680～780千伏安后开始正式生产。待炉内气分正常后加大送电功率到680～780千伏安；发明正式生产后按生产要求和顺序排料得到合格产品，合格产品从进料到出料在炉窑内的时间控制在12小时以内。

步骤a所述的第一次向电极送电之前进行烘炉操作，具体步骤为：向电极送电6小时，送电功率控制在200千伏安内，送电结束后停止送电12小时；本步骤适用于新建炉的首次使用，此次送电后，物料煅后焦的温度没有升高，但有少量筑炉时炉体内残留的水蒸气挥发，体感物料煅后焦潮湿。停止送电期间保持炉内温度，起到烘炉的作用。

本发明由于炉盖加高了500mm，且采用整体结构设计，使得炉盖的耐高温性能增加，且延常了炉体的高温区域，使得炉内温度可以达到2800℃以上，炉内温度达到2800℃以后，炉内物料的石墨化度大大增高，含碳量增大，金属杂质变少，产品质量得到了质的飞跃。

采用上述技术方案生产出的石墨，各项数据明显优于国家标准，且由于同行业其它工艺生产出的锂电池负极材料的各项数据，本发明4个批次生产出的石墨的具体检测数据见下表1：

表1：本发明各批次生产的石墨的具体检测数据表