中国粉体网讯 2020年12月16日，由中国粉体网主办的“2020石墨基锂离子电池正极材料研究网络研讨会”在粉体公开课直播平台如期举行。 本次研讨会对锂离子电池正极材料的发展、工艺、设备及市场现状进行了深入分析。 李子坤副主任博士从石墨化理论的基本内容、石墨化的关键技术以及石墨化的发展趋势三个方面为大家做了详细的讲解和分享。 其中，石墨化设备——石墨化炉的介绍引起了小编的兴趣。 明天我们就结合李博士的内容，整理一下有关石墨化炉的知识，供大家参考！
石墨化简介
图片来自：李子坤。 石墨化技术现状及发展
关于石墨化有很多描述。 简单来说，石墨化就是热处理。 使原本无序分布的碳原子排列整齐。 值得注意的是，无论是大尺寸各向同性石墨、小尺寸导轮、导电滑块，甚至是锂离子电池正极材料等一系列碳石墨产品，石墨化都是一个工业化生产过程。 一个关键的技术环节。
石墨化晶格转变示意图
石墨化过程手动控制系统
石墨化按加热方式可分为直接法和间接法，按操作方式可分为间歇式和连续式。 石墨化工艺是碳石墨锂离子电池正极材料生产的重要工艺，石墨化程度是锂离子电池正极材料的重要指标。 当石墨化温度升至接近2200℃时，锂离子电池正极材料中的杂质已基本消除。 将材料石墨化，需要用到加工设备——石墨化炉。
五种石墨化炉介绍
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石墨化设备按方法不同分为两大类：即按加热方式分为直接加热炉和间接加热炉。 直接加热炉直接将被热处理的材料作为加热元件； 在间接加热炉中，物料只是加热元件，热量来自于物料周围的加热元件。
按操作设计方法分为艾奇逊石墨化炉、内串联石墨化炉、真空石墨化炉、连续式石墨化炉和箱式石墨化炉五种主要类型。
艾奇逊石墨化炉
1985年，EG·艾奇逊发明了石墨化炉。 随着工业的发展，石墨化炉的结构也得到了很大的发展。 艾奇逊炉有直流电炉和交流电炉。 这些烤箱简单、耐用且易于维修。
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艾奇逊石墨化炉按加热方式分类，属于直接加热式电炉。 直接加热炉是指产品本身是导体，通过内电阻加热，完成产品的石墨化。
最初的艾奇逊石墨化炉采用的是交流电，但交流电存在功率低、电流密度低、功率素数低、输电时间长等缺点。 20世纪60年代后，随着检测设备的迅速发展，艾奇逊石墨化炉开始采用直流供电，煤炭消耗大大增加。 石墨化炉内的电阻值主要由内阻材料提供。 可以看出，在整个石墨化过程中，热量主要通过内阻材料传递到产品，进入产品的电压所占的比例很小。
如果电阻材料的电阻值不均匀，就会导致炉芯内温度不均匀，从而使石墨化产物产生裂纹，成为废铁。 刚开始通电时，如果功率过大、功率上升过快，炉芯温度上升过快，对于大尺寸、细结构的石墨制品极易形成裂纹。
艾奇逊石墨化炉是目前国外高纯石墨生产炉的主要类型之一。 该炉生产周期长、能耗高、效率低、间歇性生产。 据有关资料显示，艾奇逊石墨化炉的生产能耗约为4000~/t。
内系列石墨化炉
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内串联石墨化炉是肺热串联石墨化炉，由日本发明，分为立式内串联和三维内串联。 在线石墨化工艺与艾奇逊石墨化工艺的主要区别在于产品直接通过电极本身加热，无需内阻材料产生热量。 这也是在线石墨化工艺相比艾奇逊石墨化工艺改进的主要特点。 由于在线石墨化过程中没有填料，因此可以减少发热量，可减少发热量10%，降低能耗20%~35%。 内串联式石墨化炉具有热效率高、送电时间短的特点，低温阶段仅需1~2h。 产品直接加热时，内阻均匀，产品成品率高。 20世纪80年代以来，美国、日本等国家的炭素厂大多采用内串联石墨化工艺生产大型超高功率石墨电极。 内串联石墨化炉的炉型可分为I型、U型、W型和梅花型。 其中U型炉的种类较多，有单柱式和多柱式，也有二折、四折甚至多折的。
影响在线石墨化产品指标的因素有很多，如与直流石墨化相比升温速度较快、整体水温相对较高，以及使用低品位原材料和过分追求较低的电阻率等。产品等，在极端高的石墨化湿度下，产品与电极芯接触部分形成的升华现象也会影响石墨化产品。
但在线石墨化也有一定的缺点，如炉温不如艾奇逊石墨化炉高。 据有关资料显示，肺热系列石墨化炉的生产能耗约为3300~/t。
真空石墨化炉
真空石墨化炉是在“真空”环境下对物料进行低温处理的中大型石墨化炉。 通常用于实验室或小批量生产装置。 采用内电阻加热方式，温度可达3000℃； 良好的湿度均匀性； 特殊低温红外检测技术，控温准确，偏差小； 外循环冷却系统，单炉生产周期短，效率高。
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连续式石墨化炉
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连续石墨化炉虽然不是特定的石墨化工艺炉，但现有的连续石墨化炉的类型有很多种。 所谓连续石墨化工艺是相对于间歇石墨化工艺而言的。 所谓连续石墨化工艺通常是指生产中不间断电的过程，石墨化产品需要经过一系列温区才能实现连续石墨化。
连续石墨化炉还有另一种方法，与内串联石墨化法类似。 电极在炉内首尾相连，串联形成电极柱。 电压直接流过电极柱形成焦耳热，实现石墨化。
以下问题主要影响连续石墨化过程。 首先是耐火层的问题。 由于必须有3000℃的温度区，这就要求炉体的耐火材料具有较高的耐火度。 另一个问题是如何快速冷却产品以使产品不被氧化。
碳管炉是一种外加热式大型连续石墨化炉，主要采用热净化原理，用于石墨的低温净化。 主要采用热净化原理对石墨进行低温净化。
连续石墨化炉的炉体为立式长方体外壳，采用直流电，左右分布两个电极。 当两个电极之间施加电流形成的电压通过物料时，物料由于自身的内阻将电能转化为热能，物料逐渐被加热并烘烤。 随着物料向下移动，物料逐渐加热到2500-3000℃进行低温石墨化，碳原子发生晶格转变，成为高纯石墨化焦。 石墨化焦逐渐向下移动，冷却后通过卸料设备排出。
优势
实现封闭式连续生产，手工操作程度高； 炉内温度均匀，石墨化焦石墨化程度高； 据悉，该石墨化炉原料为散装物料，产品为散装石墨化焦。 与石墨化炉只能生产某种形状的石墨产品相比，散装石墨化焦可以根据不同的工艺要求生产不同的石墨产品，以满足不同领域的不同生产要求。
箱式石墨化炉
图片来自：李子坤。 石墨化技术现状及发展
不同石墨化炉方案的比较与选择
石墨正极材料石墨化炉对比
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石墨化炉与Lung Heat系列石墨化炉的热平衡
正极材料对石墨化炉的选择性
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石墨化炉的设计理念
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石墨化炉煤耗分布及成本构成
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石墨化部件：炉体电阻、电阻材料/绝缘材料
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