СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГРАФИТАЦИИ УГЛЕРОДНЫХ ЗАГОТОВОК Российский патент 1999 года по МПК C01B31/04 

Изобретение относится к производству углеграфитовых материалов, в частности к способам и устройствам для графитации углеродных заготовок.

Известен способ графитации углеродных заготовок в промышленных печах, при котором заготовки разовой загрузкой укладывают в керн печи, окружают керн теплоизоляционным углеродным материалом в виде зернистой пересыпки, нагревают до температуры графитации, пропуская через керн электрический ток [1]. Извлекают заготовки после остывания всей загрузки печи.

Способ широко применяется в промышленности, однако требует большого количества пересыпочных материалов (коксовой мелочи, пекового кокса и т.п.), так как одна и та же пересыпка может использоваться только однократно из-за изменения ее физических свойств (повышения тепло- и электропроводности). Расход пересыпки в связи с этим составляет 1-2 тонны на одну тонну заготовки. Кроме этого, велик и расход электроэнергии: на тонну заготовок в зависимости от марки материала расходуется 4 - 5,5 тыс.кВт/ч.

Известен способ графитации углеродных заготовок, основанный на постепенной, последовательной, поочередной подаче заготовок в печь графитации и извлечении путем проталкивания заготовок цепочкой в канал на выходную ветвь, где происходит остывание их в процессе продвижения от печи [2]. В таком способе предусмотрен двухэтапный нагрев заготовок, на первом из которых осуществляется предварительный нагрев теплом, отобранным от охлаждаемых после графитации заготовок, а на втором - электронагрев заготовок пропусканием через них электрического тока.

Для осуществления первого этапа нагрева имеются две самостоятельных удаленных между собой ветви канала: одна - для заготовок, подлежащих предварительному нагреву, а вторая - для заготовок, продвигаемых на охлаждение после электронагрева и графитации. Перенос тепла от "горячих" заготовок к "холодным" осуществляется конвективным путем, для чего в установке предусмотрена система принудительного движения инертного газа, сначала по ветви канала, по которой продвигаются "горячие" заготовки, а затем по ветви канала с "холодными" заготовками. На фиг. 1, 2, и 3 приведены схемы такой установки в двух вариантах исполнения: с горизонтальным и вертикальным расположением заготовок.

Конвективный теплообмен в известном способе малоэффективен в силу больших потерь тепла при транспортировании подогретого газа по протяженному каналу установки графитации (много тепла отбирает нагрев стенок канала, имеющих большую площадь). Конвективным способом "холодные" заготовки можно нагреть до 1300-1400^oC, если температура "горячих" заготовок составляет 2200^oC.

Необходимость создания условий для конвективного теплообмена ведет к усложнению таких установок графитации, требует оснащения их системами, обеспечивающими движение инертного газа по каналу.

В основу изобретения положена задача уменьшения расхода энергии при графитации углеродных заготовок за счет более глубокой утилизации тепла от прографитированных заготовок.

Решение поставленной задачи в способе графитации углеродных заготовок, включающем двухэтапный нагрев заготовок, на первом из которых осуществляют предварительный нагрев за счет тепла прошедших электронагрев и графитацию заготовок, а на втором - дополнительно электронагрев пропусканием через заготовку электрического тока, обеспечивается тем, что предварительный нагрев заготовок производят путем лучистой передачи тепла от прошедших электронагрев и графитацию заготовок заготовкам, подлежащим электронагреву.

При этом уменьшение расхода энергии достигается за счет того, что эффективность теплообмена лучеиспусканием в области высоких температур значительно выше эффективности при конвективном теплообмене (интенсивность лучистого теплообмена пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры), а тепловые потери за счет нагрева стенок канала могут быть существенно снижены экранированием стенок канала.

В установке для графитации углеродных заготовок, содержащей пост электронагрева с изолированным от внешней атмосферы каналом туннельного типа, с выходной и выходной ветвями продвижения заготовок и шлюзовыми камерами, а также средства продвижения заготовок в канале, решение поставленной задачи обеспечивается тем, что входная и выходная ветви продвижения заготовок размещены параллельно в едином канале, с возможностью лучистой передачи тепла от заготовок, прошедших электронагрев и графитацию, заготовкам, подлежащим электронагреву и графитации.

Оснащение такой установки дополнительно разделительными шторными перегородками также способствует повышению эффективности утилизации тепла прошедших электронагрев и графитацию заготовок, так как обеспечивает теплообмен между двумя параллельно расположенными в канале заготовками "горячей" и "холодной".

Этому также способствует и оснащение установки теплоотражающими экранами, предотвращающими потери излучаемого тепла через стенки и потолок канала печи.

Изобретение поясняется чертежом (фиг.4), где представлено схематическое изображение предлагаемой установки.

Установка для графитации углеродных заготовок содержит: 1 - корпус установки, 2 - заготовки, 3 - разделительные перегородки шторного типа, 4 - шлюзовые камеры, 5 - шиберы, 6 - систему газоснабжения, 7 - отсеки канала печи, 8 - промежуточный отсек для подачи заготовок на пост нагрева и приема после графитации, 9 - гидросистема для зажима заготовок между токоподводами, 10 - токоподводы, 11 - пост нагрева заготовок, 12 - агрегат электропитания, 13 - поддон с подставками для заготовки.

Порядок проведения операции графитации и работы установки следующие.

В момент включения электропитания на посту нагрева заготовки (11) промежуточный отсек (8) свободен, а во всех остальных отсеках (7) находятся заготовки (2) попарно - "горячая" и "холодная". Во всех отсеках происходит лучистый теплообмен между этими заготовками, пока их температура не сравняется. После проведения операции графитации на посту нагрева (11) заготовку устанавливают на поддон (13), отводят токоподводы (10) и поддон с заготовкой перемещают в промежуточный отсек, на ветвь "горячих" заготовок, т.е. перед каналом для их охлаждения. После удаления из шлюзовой камеры (4a) канала заготовки с поддоном все заготовки, находящиеся на ветви охлаждения, проталкиваются на одну позицию справа налево. После выдержки в таком положении 5 - 7 минут все заготовки, находящиеся на ветви предварительного нагрева, продвигаются слева направо на одну позицию. В шлюзовую камеру вводится новая заготовка, оказавшаяся в промежуточном отсеке, подается на пост нагрева, зажимается в токоподводах. Включается электропитание и цикл повторяется.

Пример. Графитации подвергали углеродные заготовки размером ⊘ 200 х 1000 мм с начальной температурой 800^oC, т.е. сразу после обжига, без охлаждения. Расчеты показали, что при толщине теплоизоляции 300 мм и применении в качестве боковой, подинной (в поддонах) и потолочной теплоизоляции сажи и при наличии экранов в виде штор из углеродной ткани потери в каждом из отсеков не превышают 30% начального теплосодержания заготовок. В соответствии с расчетами с учетом этих потерь заготовки, находящиеся на ветви предварительного нагрева, нагреваются в результате лучистого теплообмена с "горячими" заготовками до 2000^oC. В таблице представлены результаты теплового расчета по отсекам. Расчетным путем получены равновесные температуры в каждом отсеке и количество тепла, отданного "горячей" заготовкой и полученного "холодной" с учетом указанных выше потерь.

Как видно из таблицы, наиболее быстро процесс теплообмена до достижения одинаковой температуры заготовок в отсеке идет при высоких температурах (т. к. интенсивность лучистого теплообмена пропорциональна четвертой степени температуры). В первом отсеке время теплообмена составило 60 - 65 мин, а в 4-м отсеке всего 5 - 10 мин. Для максимальной утилизации тепла в этом конкретном случае время цикла должно быть не менее 65 мин.

Расчеты применительно к приведенному конкретному примеру показали, что удельный расход энергии на тонну графита составляет 1100 кВт/ч. Это в 4 раза меньше, чем по способу Ачесона. При расчете учитывали потери в токоподводы в количестве 50% от полезнозатраченной энергии и учли дополнительно оснастку в количестве 0,4 от веса заготовки, которая также нагревается вместе с заготовкой до той же температуры. С учетом всех перечисленных потерь и потерь тепла в теплоизоляцию (0,3 от теплосодержания заготовки) утилизируется примерно 60% тепла. Это выше, чем у прототипа. Кроме того, предлагаемые способ и установка позволяют увеличить съем продукции с 1 м² производственных площадей. В нашем примере при размерах устройства 12 м х 2,5 м и цикле 90 мин имеет 1,5 кг/м² ч, в то время как, например, в промышленной секции графитации завода, реализующего известную технологию, проектная величина съема составляет 1 кг/м² ч.

Таким образом, по основным характеристикам предлагаемые способ и установка для графитации углеродных заготовок превосходят показатели и промышленных установок, и прототипа. Кроме всего, процесс графитации согласно предлагаемому способу и установке легко автоматизировать и выстроить в непрерывные линии по производству графита, включающие весь комплекс технологических операций.

Источники информации
1. Чалых Е.Ф. "Технология и оборудование электродных и электроугольных предприятий" М, 1972, Металлургия, с.185-195.

2. Пат. США N 4017673, кл. 13-7 (27B 9/00) заявк. 20.1.75 г. опубл. 12.04.77 г., приор. ФРГ 17.12.74 г. N 2459576.

Использование: получение конструкционных материалов на основе графита. Сущность изобретения: способ и установка для графитации углеродных заготовок, содержащая печь электронагрева с изолированным от атмосферы каналом туннельного типа с входной и выходной ветвями продвижения заготовок, размещенными параллельно в едином канале с возможностью лучистой передачи тепла от графитированных заготовок, заготовкам, подлежащим нагреву и графитации. Установка снабжена перегородками шторного типа из эластичного углеродного материала, размещенными в канале с интервалом 1,2 - 1,4 длины заготовки. Установка дополнительно оснащена теплоотражающими экранами из углеродной ткани, расположенными на стенках и потолке канала. Расход электроэнергии на 1 т графита 1100 кВт/ч, время цикла не менее 65 мин, 2 c. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ графитации углеродных заготовок, включающий двухэтапный нагрев одиночных заготовок, на первом из которых осуществляют предварительный нагрев за счет тепла остывающих после графитации заготовок, а на втором - электронагрев пропусканием электрического тока через каждую заготовку, отличающийся тем, что предварительный нагрев заготовок производят путем лучистой передачи тепла от прошедших электронагрев заготовок заготовкам, подлежащим электронагреву. 2. Установка для графитации углеродных заготовок, содержащая печь электронагрева с изолированным от внешней атмосферы каналом туннельного типа с входной и выходной ветвями продвижения заготовок и шлюзовыми камерами, а также средства продвижения заготовок в канале, отличающаяся тем, что входная и выходная ветви продвижения заготовок размещены параллельно в едином канале, с возможностью лучистой передачи тепла от заготовок, прошедших электронагрев и графитацию, заготовкам, подлежащим электронагреву и графитации. 3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что она оснащена разделительными перегородками шторного типа, рассредоточенными в канале с интервалом 1,2 - 1,4 длины заготовки. 4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что перегородки выполнены из эластичного углеродного материала. 5. Установка по п.2 - 4, отличающаяся тем, что она оснащена теплоотражающими экранами, расположенными на стенах и потолке канала печи. 6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что экраны выполнены на основе углеродной ткани.