一种石墨生产线及其连续式石墨化炉的制作方法

本发明涉及石墨生产技术领域，特别是涉及一种连续式石墨化炉。此外，本发明还涉及一种包括上述连续式石墨化炉的石墨生产线。

背景技术：

连续式石墨化炉是以连续的产出方式生产石墨化制品的加工炉。目前，连续式石墨化炉大多保温性差，能耗高。具体来说，用以生产石墨的坩埚内的热量容易沿其供碳纤维进出的通道流失，为了保证坩埚内的温度维持在工作温度，需要耗费大量的电能或设置额外的产热装置以补偿坩埚流失的热能。此外，连续式石墨化炉还具有密封性差，寿命短的缺陷。

因此，如何提供一种保温性较佳、低能耗的连续式石墨化炉是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种连续式石墨化炉，该连续式石墨化炉结构简单，保温性好，解决了需要额外耗费大量电能的问题。本发明的另一目的是提供一种包括上述连续式石墨化炉的石墨生产线。

为实现上述目的，本发明提供一种连续式石墨化炉，包括：用以供碳纤维反应生成石墨的炉体；与所述炉体的两端相连的炉盖；设于所述炉盖的外端、用以牵引驱动碳纤维进入所述炉体内的牵引收卷机；其中，所述炉体内设有：用以供碳纤维反应生成石墨的石墨坩埚；两个分别设于所述石墨坩埚的进出口、用以避免所述石墨坩埚内的热量散失的保温门。

优选地，还包括两个分别与两个所述炉盖相连、用以避免空气进入所述炉体内的气体密封装置和分别与两个所述气体密封装置相连、用以支撑所述气体密封装置的支架。

优选地，所述气体密封装置包括：用以供碳纤维输送的通道；设于所述支架、用以供保护气体进入的气体分配器；与所述气体分配器相连、用以向所述通道内吹入保护气体的出气管。

优选地，所述气体密封装置的底座设有用以供循环水冷却其温度的第一水冷夹层；所述气体密封装置的盖板设有用以供循环水冷却其温度的第二水冷夹层。

优选地，所述气体密封装置的外端还设有用以封堵所述通道端口的封堵装置。

优选地，还包括设于所述炉盖内侧、用以向所述通道以及所述炉体内吹入保护气体的矩形吹气管；其中，所述矩形吹气管的进气口穿过所述炉盖并与所述气体分配器相连。

优选地，所述矩形吹气管的进气口处设有：用以调整进入所述矩形吹气管内保护气体的量的阀门；和用以检测进入所述矩形吹气管内保护气体的量的气体流量计。

相对于上述背景技术，本发明提供的连续式石墨化炉通过在石墨坩埚的进出口设置保温门以减少热量从石墨坩埚内流失。具体来说，在能够使碳纤维进入和石墨制品输出的基础上，保温门阻绝热量从石墨坩埚的进出口处流失，从而能够减少电能的消耗。

本发明还提供一种石墨生产线，包括真空泵和无功补偿装置，还包括与所述真空泵和所述无功补偿装置相连、如上述任一项所述的连续式石墨化炉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种连续式石墨化炉的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1中a-a向的示意图；

图4为图1中石墨坩埚的结构示意图；

图5为本发明所提供的连续式石墨化炉内的气体流动示意图；

图6为本发明所提供的一种气体密封装置的结构示意图；

图7为本发明所提供的气体密封装置内的气体流动示意图；

图8为本发明所提供的气体密封装置的腔室内的进气管的气体流动示意图；

图9为图6中盖板和底座的水冷夹层的结构示意图；

图10为图6中封堵装置的结构示意图；

图11为图5中ⅰ部分的正视图；

图12为图5中ⅰ部分的俯视图；

图13为本发明所提供的矩形吹气管的正视图；

图14为本发明所提供的矩形吹气管的俯视图；

图15为本发明所提供的矩形吹气管的侧视图；

图16为本发明所提供的一种石墨生产线的示意图；

其中，

1-炉体、11-石墨坩埚、111-保温门、12-硬质碳毡保温层、13-软质碳毡保温层、14-绝缘层、15-感应线圈、16-真空口、2-炉盖、21-测温口、3-气体密封装置、31-气体分配器、32-出气管、33-盖板、331-第一进水口、332-第一出水口、34-高温密封条、35-底座、351-第二进水口、352-第二出水口、36-封堵装置、361-上挡板、362-上调节机构、363-下挡板、364-下调节机构、37-法兰座、38-矩形吹气管、4-牵引收卷机、5-电极口、51-电极、6-支架、7-真空泵、8-无功补偿装置、9-中频电源。

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做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。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图16，图1为本发明所提供的一种连续式石墨化炉的结构示意图；图2为图1的俯视图；图3为图1中a-a向的示意图；图4为图1中石墨坩埚的结构示意图；图5为本发明所提供的连续式石墨化炉内的气体流动示意图；图6为本发明所提供的一种气体密封装置的结构示意图；图7为本发明所提供的气体密封装置内的气体流动示意图；图8为本发明所提供的气体密封装置的腔室内的进气管的气体流动示意图；图9为图6中盖板和底座的水冷夹层的结构示意图；图10为图6中封堵装置的结构示意图；图11为图5中ⅰ部分的正视图；图12为图5中ⅰ部分的俯视图；图13为本发明所提供的矩形吹气管的正视图；图14为本发明所提供的矩形吹气管的俯视图；图15为本发明所提供的矩形吹气管的侧视图；图16为本发明所提供的一种石墨生产线的示意图。

本发明所提供的一种连续式石墨化炉，如图1至图4所示，该连续式石墨化炉包括：用以供碳纤维反应生成石墨的炉体1；与炉体1的两端相连的炉盖2；设于炉盖2的外端、用以牵引驱动碳纤维进入炉体1内的牵引收卷机4；其中，炉体1内设有：用以供碳纤维反应生成石墨的石墨坩埚11；与石墨坩埚11相连、用以避免石墨坩埚11内的热量散失的保温部；保温部包括：两个分别设于石墨坩埚11进出口的保温门111和设于石墨坩埚11外侧壁面的保温层。具体来说，由于硬质碳毡的耐热性不如石墨，为了避免石墨坩埚11内的高温烧毁保温门111，在石墨坩埚11的进出口处均设有由石墨制成的限位板，两个限位板的中间均设有供碳纤维进入以及供石墨制品输出的通孔，两个限位板通过石墨螺栓固定于石墨坩埚11的进出口处，以避免保温门111与石墨坩埚11内的反应腔直接接触，提高了保温门111的使用寿命。在碳纤维连续地进出石墨坩埚11的过程中，保温门111能够阻挡大部分热量从石墨坩埚11的进出口散失，从而能够节省用于加热石墨坩埚11的电能，此外，由于石墨坩埚11的散热量减少，石墨坩埚11内的温度变化梯度相应变小，也即使石墨坩埚11内温度分布均匀，这样也有利于提高石墨制品的品质。

需要说明的是，上述保温门111可以由硬质碳毡制成，也可以由硬质碳毡和软质碳毡两部分组成，其中，硬质碳毡的部分靠向石墨坩埚11，而软质碳毡的部分则相对远离石墨坩埚11，也即保温门111的软质碳毡部分位于硬质碳毡部分的外侧；如图3所示，上述保温层包括：包裹石墨坩埚11外侧避免的硬质碳毡保温层12，和包裹硬质碳毡保温层12的软质碳毡保温层13，也即，石墨坩埚11位于硬质碳毡保温层12内侧，硬质碳毡保温层12位于软质碳毡保温层13内侧，通过硬质碳毡保温层12和软质碳毡保温层13保证石墨坩埚11内的热量难以通过其外侧壁面向外传导；如图1所示，为了便于安装保温门111，上述保温层的长度应至少等于石墨坩埚11的长度与两个保温门111的长度之和，也即通过硬质碳毡保温层12向石墨坩埚11两端方向延伸并超过石墨坩埚11的部分来固定保温门111，以将两个保温门111分别插入硬质碳毡保温层12的两端超出石墨坩埚11所形成的空间内，并通过石墨坩埚11进出口处的限位板固定保温门111的位置；上述炉体1内还设有：设于保温层外侧面的绝缘层14和设于绝缘层14外侧面用以使石墨坩埚11内部升温的感应线圈15，其中，绝缘层14优选为双层刚玉绝缘层；感应线圈15优选为公开号为cn10827050a的棺形感应线圈，本文不再赘述。

考虑到需要得到较长长度的石墨制品，仅在炉体1内设置一个石墨坩埚11可能无法获得所需长度的石墨制品，因此炉体1内还可以设置多个首尾相连的石墨坩埚，且上一个石墨坩埚的出料口与下一个石墨坩埚的进料口通过子母槽相连，以将碳纤维反应生成所需长度的石墨制品。

由于炉体1内温度很高，尤其是石墨坩埚11的内部及其附近的环境，因此，若是含有氧气的空气进入炉体1内，会使炉体1内的石墨坩埚11、碳纤维、保温门111、保温层等碳制品会发生氧化，这样会使炉体1内的各个部件受到损坏，进而会降低石墨制品的品质。为了避免空气进入炉体1内，如图1和图2所示，本连续式石墨化炉还包括两个分别与两个炉盖2相连、用以避免空气进入炉体1内的气体密封装置3和分别与两个气体密封装置3相连、用以支撑气体密封装置3的支架6。具体来说，如图6所示，气体密封装置3具有法兰座37，该法兰座37用于与炉盖2的进出料口处的法兰座相连，并通过密封垫进行密封。

需要说明的是，本文中炉盖2的进出料口具体是指两个炉盖2中一个设于进料方向的炉盖2的进料口，和一个设于出料方向的炉盖2的出料口。

如图5至图8所示，上述气体密封装置3还包括：用以供碳纤维输送的通道；设于支架6、用以供保护气体进入的气体分配器31；与气体分配器31相连、用以向通道内吹入保护气体的出气管32。具体来说，气体密封装置3的底座35内设置通道，也即底座35呈一侧敞开的盒状，该通道用以连通外界和炉体1，以供碳纤维通过通道从外界进入炉体1内，并从炉体1通过另一个通道输送至外界，盖板33通过螺栓与底座35连接，也即通过盖板33盖住底座35那敞开的一侧，并固定出气管32的位置，此外为了达到密封效果，在盖板33和底座35之间设置高温密封条34密封，以便于对气体密封装置3进行维护和清理；底座35内设有多个腔室，并相应地将通道分隔成多个部分，任意相邻的两个腔室之间设有开孔以连通两个腔室的空间，全部腔室的开孔形成供碳纤维输送的通道，每个腔室内上下两侧均设有一个出气管32，其中，出气管32优选为u型出气管，即出气管32的两个端口穿出腔室并与气体分配器31相连，而位于腔室内的部分开有多个出风口，其中，出风口的位置朝向不同方向，以保证每个腔室内均不存在气体死区，也即整个气体密封装置3内仅充满了保护气体，而不含有其他气体；其中，气体死区是指保护气体不会流经的地方。

作为优选，气体密封装置3中沿气体密封装置3的通道远离法兰座37的方向，每个腔室内的气压依次减小，以利于保护气体向外界吹出，以阻挡空气沿气体密封装置3的进出料口进入炉体1内，其中，每个腔室内的气压通过每个腔室内出气管32吹出气体的气压调整，也即通过调整每个出气管32的气压以调整每个腔室内的气压；而最靠近炉体1的出气管32会主要沿着通道向外侧的腔室内吹入保护气体，还会向炉体1内吹入保护气体。作为优选，位于气体密封装置3的进出料口处的腔室内的气压比当地环境的气压大20pa-100pa。

还需要说明的是，为了表述方便，本文中气体密封装置3的进出料口应理解为两个气体密封装置3中一个设于进料方向的气体密封装置3的进料口和另一个设于出料方向的气体密封装置3的出料口。

如图6所示，上述气体密封装置3中的腔室优选设置五个，也即优选设置十个出气管32以避免空气沿气体密封装置3内的通道进入炉体1内。需要说明的是，上述五个以及十个这些具体数值的描述仅是举个例子，腔室的数目以及出气管32的数目应如何设置应根据实际情况而定，具体来说，腔室的数目越多，出气管32的数目也越多，气体密封装置3的密封效果越好，相应地，气体密封装置3的造价也会越高，进而应折中考虑气体密封装置3的密封性以及造价来确定腔室的设置数目以及出气管32的设置数目。

为了避免底座35的温度过高，底座35内设置第一水冷夹层，以供循环水对底座35进行冷却。具体来说，如图9所示，底座35的外端设有第二进水口351和第二出水口352，以供循环水在底座35内的第一水冷夹层中流动，已达到对底座35进行降温的目的，进而便于对气体密封装置3进行维护工作。其中，上述“底座35的外端”应理解为气体密封装置3的进出料口处。

作为优选，上述第二进水口351设于底座35的底部，而第二出水口352设于底座35的顶部，也即由下至上地供给循环水，以避免水冷夹层内产生气泡而导致冷却效果下降。

同样地，为了避免盖板33的温度过高，盖板33内设置第二水冷夹层，以供循环水对盖板33进行冷却。具体来说，如图9所示，盖板33上设有第一进水口331和第一出水口332，以供循环水在盖板33内的第二水冷夹层中流动，以达到对盖板33进行降温的目的，进而便于对气体密封装置3进行维护工作。因此，通过在底座35内设置第一水冷夹层和在盖板33内设置第二水冷夹层能够对整个气体密封装置3的进行冷却，进而便于快捷地拆卸气体密封装置3并对其进行检修工作。

可以理解的是，除了能够降低气体密封装置3整体的温度，上述盖板33内的水冷夹层和底座35内的水冷夹层还可以对气体密封装置3内的碳纤维和石墨制品进行冷却，以避免碳纤维和石墨制品温度过高而与氧气结合并发生反应，尤其是在高温的石墨制品经过气体密封装置3的出料口并暴露于外界环境时，进而保证石墨制品的品质。

此外，为了避免重复设置水循环系统，上述第二出水口352优选与第一进水口331相连，以实现一个气体密封装置3仅配备一套水循环系统。当然，上述第二进水口351还可以与第一出水口332相连，这样也可以实现一个气体密封装置3仅配备一套水循环系统。

如图10所示，上述气体密封装置3的外端还设有用以封堵通道端口的封堵装置36。具体来说，上述封堵装置36包括：两个上下分布的挡板和控制两个挡板之间距离大小的调节机构，也即上调节机构362调节上挡板361的位置，而下调节机构364调节下挡板363的位置。当需要观察炉体1的内部时，控制上调节机构362和下调节机构364使上挡板361和下挡板363之间的距离增大，以便于人眼观察炉体1的内部；在向炉体1内输送碳纤维和从炉体1向外输送石墨制品的过程中，控制上调节机构362和下调节机构364分别调整上挡板361和下挡板363的位置，使上挡板361和下挡板363之间的距离在满足不刮擦到碳纤维和石墨制品的基础上尽可能地小，以避免外界空气沿气体密封装置3进入炉体1内，并节省保护气体的用量。

在炉体1内进行石墨化反应时，将上挡板361和下挡板363之间的距离尽可能地调小，这样一方面可以阻挡外界的空气沿气体密封装置3进入炉体1内，进而减小保护气体的消耗量，另一方面还可以减小炉体1向外界散失的热量，进而提高了炉体1的保温效果，相应地节省了供上述感应线圈15用于加热石墨坩埚11的电耗。

在炉体1没有进行石墨化反应时，由于上挡板361和下挡板363无法实现对气体密封装置3的端口进行封堵，这样会耗费大量的保护气体来避免外界空气进入炉体1的内部，为了减小保护气体的消耗量，封堵装置36还包括：具有密封圈的密封挡板。具体来说，在本连续式石墨化炉不生产石墨的时候，例如在将炉体1内的温度从室温升高到石墨化的生产温度时，或者在需要停机的时候，取下上挡板361和下挡板363，并将密封挡板固定于原上挡板361和下挡板363所在的位置，使密封挡板挡住气体密封装置3的进出料口，且通过密封圈贴合气体密封装置3进出料口的侧壁，以实现密封气体密封装置3的进出料口。

需要说明的是，由于在不生产石墨的时候，仍需要向炉体1内充入少量的保护气体，但是炉体1两端的气体密封装置3均已被密封挡板所封堵，因此，为了避免炉体1内压力过高，优选在炉体1出料端的气体密封装置3的封堵装置36处设置出气阀，使保护气体从出气阀处排出，以保证炉体1内压力稳定。此外，在启动(也即加热)炉体1之前，需要通过密封挡板封堵气体密封装置3的端口，并关闭出气阀，以保证外界空气不会沿气体密封装置3进入炉体1内，进而完成对炉体1的抽真空，以保证在加工碳纤维时炉体1内不存在氧气。

可以看出，通过密封挡板和出气阀的设置，使本连续式石墨化炉在停机或刚启动等不生产石墨的时候能够无需过多地消耗用于保证气体密封装置3密封性的保护气体。

为了避免上调节机构362和下调节机构364靠近碳纤维的侧壁面的尖锐部分(即棱角处)刮擦到碳纤维，在上调节机构362和下调节机构364的棱角处设置圆弧状的倒角，以避免碳纤维的表面受到磨损，进而保证石墨制品的形状完好。

如图5、和图11至图15所示，本连续式石墨化炉还包括：设于炉盖2内侧、用以向通道以及炉体1内吹入保护气体的矩形吹气管38；其中，矩形吹气管38的进气口穿过炉盖2并与气体分配器31相连。具体来说，为了进一步保证外界的空气不会进入炉体1的内部，在炉体1两端的炉盖2的内侧均设置矩形吹气管38，矩形吹气管38通过气体分配器31进气，一方面向炉体1内吹入保护气体；另一方面向气体密封装置3的通道内吹入保护气体，以作为最后一道保障，使外界的空气无法进入炉体1内。

需要说明的是，矩形吹气管38吹出的保护气体的气压应大于气体密封装置3内最靠近炉盖2的腔室中的气压，以避免气流逆向流动进入炉体1内，以保证炉体1内的无氧环境。

为了控制矩形吹气管38向炉体1内吹入的保护气体的量，以避免保护气体被过量地被吹入炉体1内造成浪费，或者避免保护气体过少地被吹入炉体1内而起不到保护作用，在矩形吹气管38的进气口处设有：用以调整进入矩形吹气管38内保护气体的量的阀门；和用以检测进入矩形吹气管38内保护气体的量的气体流量计。具体来说，矩形吹气管38与气体分配器31之间沿气流方向依次设置阀门和气体流量计，气体流量计实时测量并显示由矩形吹气管38吹入炉体1内保护气体的量，若吹入的保护气体较少，则开大阀门，增大保护气体的吹入量，以保证石墨制品的质量；若吹入的保护气体较多，则关小阀门，减小保护气体的吹入量，以减小保护气体的耗费量，避免保护气体的浪费，降低石墨制品的制造成本。

如图1所示，上述进料端的炉盖2设有测温口21，并用以设置1000-3000℃红外测温仪对石墨坩埚11内的温度进行实时闭环控制和监视；此外，测温口21附近还设有钨徕热电偶，以对炉体1内进行实时温度监测，进而判断保温层的损坏程度和保温性能，若炉体1内温度过高，则表示保温层受损，使石墨坩埚11内的热量流失较大，以提醒工作人员对保温层进行检修。

需要说明的是，炉体1内的其他部分可以参照公开号为cn206126857u的卧式石墨化炉，本文不再对现有技术中炉体1内的其他部件进行说明。

还需要说明的是，在说明书附图中，图1中的箭头代表碳纤维和石墨制品输送的方向；图5、图7、图8、图11以及图12中的箭头代表保护气体流动的方向。

本发明所提供的一种石墨生产线，如图3和图16所示，该石墨生产线包括真空泵7和无功补偿装置8，还包括与真空泵7和无功补偿装置8相连、如上所述的连续式石墨化炉。具体来说，真空泵7与炉体1上的真空口16相连，该真空泵7用以在炉体1内升温加工碳纤维之前抽出炉体1内的气体，其中，被抽出的气体包括氧气，以保证在生成石墨制品的过程中炉体1内不存在氧气，进而避免石墨坩埚11、碳纤维以及石墨制品等部件在高温条件下与氧气反应；无功补偿装置8与电极51相连，其中，电极51设于炉体1上的电极口5；上述无功补偿装置8还与中频电源9相连，用以向本连续式石墨化炉内的感应线圈15供电。真空泵7、无功补偿装置8、中频电源9以及石墨生产线的其他部分可以参照现有技术，本文不再展开。

以上对本发明所提供的石墨生产线及其连续式石墨化炉进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。