CN114180566A - 一种连续型石墨化设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续型石墨化设备，包括若干制块机、上料机械臂、进舱输送装置、进料真空过渡舱、舱体自动密封装置、若干抽真空装置、真空石墨化舱、若干磁等离子体发生器、热沉装置、若干测温装置、出料真空过渡舱、出舱输送装置、下料机械臂、电源系统、控制系统。进料真空过渡舱、真空石墨化舱、出料真空过渡舱通过舱体自动密封装置依次连接，构成真空舱；若干磁等离子体发生器设于真空石墨化舱顶部，若干测温装置设于真空石墨化舱舱内外两侧，热沉装置用于提供冷却水；上料机械臂用于衔接制块机和进舱输送装置，下料机械臂用于衔接出舱输送装置和成品托架。可以进行高效率、高质量、连续性的炭基材料石墨化加工。

Description

一种连续型石墨化设备

技术领域

本发明涉及石墨化技术领域，尤其涉及一种连续型石墨化设备。

背景技术

一般炭基材料的石墨化过程大多采用艾奇逊炉来实现，艾奇逊炉石墨化是在耐火材料构筑的长形炉体内，装入炭的坯料和颗粒料，组成导电的炉芯，在炉芯的四周是绝热保温料。作为炉头的两上端墙上设置有导电电极，并与电源相连接，构成通电的回路，当电路接通，炉芯由于电阻的作用即发热升温，经高温热处理而转变为人造石墨。但是，艾奇逊炉最高温度只能达到2800℃，通用炉生产时间在35天左右，石墨化产品不均匀，一致性差，石墨化度小于92%，无法制备高端石墨化产品，而且能耗大，污染性大。

磁等离子体发生器是通过大电流产生的高温电弧电离推进剂，并注入能量，利用磁场和电流的洛伦兹力来加速等离子体，产生高密度高能粒子，形成高温尾焰。在高强度热源下，基本粒子的活动能量远大于分子间化学键作用，物质微观运动以原子热运动为主，原有物质被高能粒子打碎，从而将成分或结构复杂的物质提纯。

发明内容

为解决现有技术不足，本发明提供一种连续型石墨化设备，可以进行高效率、高质量、连续性的炭基材料石墨化加工。

为了实现本发明的目的，拟采用以下方案：

一种连续型石墨化设备，包括若干制块机、上料机械臂、进舱输送装置、进料真空过渡舱、舱体自动密封装置、若干抽真空装置、真空石墨化舱、若干磁等离子体发生器、热沉装置、若干测温装置、出料真空过渡舱、出舱输送装置、下料机械臂、电源系统、控制系统。

制块机用于将原材料制备成预设的尺寸、形状，进料真空过渡舱、真空石墨化舱、出料真空过渡舱通过舱体自动密封装置依次连接，构成真空舱，真空舱的两端也设有舱体自动密封装置，抽真空装置通过真空管路与真空舱连接；

若干磁等离子体发生器设于真空石墨化舱顶部，若干测温装置设于真空石墨化舱舱内外两侧，热沉装置通过水管与真空石墨化舱、磁等离子体发生器连接，用于提供冷却水；

上料机械臂和进舱输送装置构成原料进舱组件，上料机械臂用于衔接制块机和进舱输送装置，下料机械臂和出舱输送装置构成产品出舱组件，下料机械臂用于衔接出舱输送装置和成品托架。

进一步的，抽真空装置包括真空泵组和真空计，真空泵组用于真空舱的抽真空和真空度维持，真空计用于实时监测真空舱的真空度。

进一步的，热沉装置包括冷水机组、供水泵组和散热片，冷水机组、供水泵组设于真空舱外部，散热片设于真空舱内部。

进一步的，进舱输送装置、出舱输送装置均分为舱外段和舱内段，进舱输送装置和出舱输送装置的舱内段位于真空舱内。

进一步的，电源系统用于为石墨化设备提供直流或交流动力能源，维持设备的正常运行。

进一步的，控制系统为总控系统，用于通过控制指令来石墨化设备的动作、开启关闭以及点火。

进一步的，制块机包括夹持机构、切割机构和支撑块，夹持机构包括操作台和位于操作台内的夹持件、竖向杆，夹持件包括滑套、四个第一杆、四个V形杆和行程组件，滑套设于竖向杆上，行程组件用于使滑套上下滑动，滑套圆周方向依次设有四个水平杆，水平杆铰接第一杆，第一杆铰接V形杆的其中一个支段，V形杆的尖端铰接于竖向杆，V形杆的另一个支段设有水平设置的夹板，V形杆的开口倾斜朝下设置，操作台的顶板上围绕竖向杆依次设有四个贯穿槽，夹板分别位于四个贯穿槽下方，支撑块设于操作台的顶板上，且位于四个贯穿槽之间，支撑块上用于放置待切割的原材料，切割机构包括切割头和气动升降杆，切割头底部对准支撑块设置。

进一步的，行程组件包括转动电机、转盘、调节杆，转动电机设于操作台的底板上，操作台的底板上设有支撑杆，转动电机的输出轴连接转盘一侧，转盘另一侧设有导向槽，调节杆一端铰接于支撑杆，另一端设有U形夹，滑套侧壁设有一圈限位槽，限位槽位于水平杆下方，U形夹两个支段限位于限位槽内，调节杆上设有导向柱，导向柱位于导向槽内。

进一步的，导向槽为一圈对称的封闭图形，分为四段槽，第一段槽和第三段槽为弧形槽，且第一段槽的半径大于第三段槽，第二段槽过渡连接第一段槽、第三段槽的一端，第四段槽过渡连接第一段槽、第三段槽的另一端。

进一步的，支撑块四周侧壁设有夹持槽，夹持槽与夹板匹配，当夹板固定住支撑块时，夹板顶部高于支撑块，支撑块顶部设有柱形槽。

本发明的有益效果在于：

1、可实现石墨化产品的连续化生产，采用高温等离子体在真空下进行炭基材料的石墨化，石墨化温度可达到3500℃及以上，可提高石墨化产品质量，同时，温度场形成时间短，3-5分钟内便可完成单批次炭基材料石墨化过程，大大提高了石墨化产品的生产效率；

2、设备采用智能热平衡控制系统，实现石墨化舱内真空度、温度以及磁等离子体发生器供电电流的平衡控制，保持舱内温度场维持，降低能耗，避免石墨化过程高温化学反应，降低了石墨化工艺过程的污染；

3、通过机械臂、自动化输送装置以及真空过渡舱等工艺设备，实现原材料进舱、石墨化过程及成品出舱的全程自动化，提高了制备效率，提高了产品均匀性和一致性，降低了人工参与风险；

4、通过制块机可以将原材料制备成适合的尺寸、形状，以便实现石墨化过程受温的均匀性，提高产品质量和制备效率，在制块的过程中，利用转动电机带动转盘，通过导向柱与导向槽的配合使调节杆带动滑套上下移动，从而实现夹板的开合，结构巧妙，可以将支撑块和原材料固定于操作台上。

附图说明

图1为实施例的石墨化设备结构图；

图2为实施例的石墨化设备俯视图；

图3为实施例的石墨化设备正视图；

图4为实施例的上料机械臂结构图一；

图5为实施例的上料机械臂结构图二；

图6为实施例的进料真空过渡舱结构图；

图7为实施例的真空石墨化舱结构图；

图8为实施例的进舱输送装置结构图；

图9为实施例的热沉装置结构图；

图10为实施例的制块机结构图；

图11为实施例的夹持件平面结构图；

图12为实施例的夹持件结构图；

图13为实施例的操作台顶部结构图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本实施例提供了一种连续型石墨化设备，包括若干制块机1、上料机械臂2、进舱输送装置3、进料真空过渡舱5、舱体自动密封装置4、若干抽真空装置6、真空石墨化舱8、若干磁等离子体发生器9、热沉装置7、若干测温装置10、出料真空过渡舱12、出舱输送装置14、下料机械臂13、电源系统11、控制系统15。

具体的，进料真空过渡舱5、真空石墨化舱8、出料真空过渡舱12通过舱体自动密封装置4依次连接，构成真空舱，真空舱的两端也设有舱体自动密封装置4，舱体自动密封装置4可自动打开和关闭。

具体的，进料真空过渡舱5一端与真空石墨化舱8连接，另一端为进料入口，进料真空过渡舱5用于炭基原材料进入真空石墨化舱8前的真空过渡，可确保两舱真空度基本保持一致，提高进料过程的效率。

具体的，真空石墨化舱8的结构如图6所示，真空石墨化舱8是进行炭基材料石墨化工艺过程的容器，出料真空过渡舱12一端与真空石墨化舱8连接，一端为石墨化产品出口，出料真空过渡舱12用于石墨化产品出舱前的真空过渡，可确保两舱真空度基本保持一致，提高出料过程的效率。

更具体的，抽真空装置6通过真空管路与真空舱连接，抽真空装置6包括真空泵组6-1和真空计6-2，真空泵组6-1用于真空舱的抽真空和真空度维持，真空计6-2用于实时监测真空舱的真空度。

具体的，如图7所示，若干磁等离子体发生器9设于真空石墨化舱8顶部，为石墨化过程提供高温等离子体热源。

具体的，若干测温装置10设于真空石墨化舱8舱内外两侧，测温装置10可实现3500℃以内温度测量，一是可以实时检测石墨化过程温度，二是可以实时检测舱内温度，为石墨化过程提供温度监测数据，以便进行动态调控，提高效率，降低能耗。

更具体的，热沉装置7通过水管与真空石墨化舱8、磁等离子体发生器9连接，如图9所示，热沉装置7包括冷水机组7-2、供水泵组7-1和散热片，冷水机组7-2、供水泵组7-1设于真空舱外部，为舱内提供冷却水源，散热片安装在真空舱内部，用于舱内散热，防止因高温出现设备损坏。

具体的，如图4、图 5所示，为上料机械臂2的结构图，如图8所示，为进舱输送装置3的结构图，上料机械臂2和进舱输送装置3构成原料进舱组件，上料机械臂2用于制块机1和进舱输送装置3的之间的自动化衔接，上料机械臂2可将制备好的炭基材料工艺块从制块机1抓取放置到进舱输送装置3上。

具体的，下料机械臂13结构与上料机械臂2结构相同，进舱输送装置3和出舱输送装置14结构相同，下料机械臂13和出舱输送装置14构成产品出舱组件，下料机械臂13用于出舱输送装置14与成品托架之间的自动化衔接，下料机械臂13可将石墨化后的产品从出舱输送装置14抓取放置成品托架上。

更具体的，进舱输送装置3、出舱输送装置14均分为舱外段和舱内段，进舱输送装置3用于炭基材料工艺块从进料真空过渡舱5舱外输送到舱内，出舱输送装置14用于石墨化产品从出料真空过渡舱12舱内输送到舱外。

更具体的，电源系统11安装在舱体外部，为独立系统，用于整个设备的供电，一是供大功率交流电源，一是供大功率直流电源。

更具体的，控制系统15为总控系统，用于实现整个设备连续化生产的自动化控制、舱内热平衡智能调节，从而降低能耗，提高生产效率。

具体的，制块机1可以将原材料制备成适合的尺寸、形状，以便实现石墨化过程受温的均匀性，提高产品质量和制备效率。

更具体的，如图10所示，制块机1包括夹持机构1-1、切割机构1-2和支撑块111，夹持机构1-1包括操作台1-3和位于操作台1-3内的夹持件、竖向杆1-31，如图11所示，竖向杆1-31连接操作台1-3的顶板和底板，夹持件包括滑套112、四个第一杆113、四个V形杆114和行程组件，滑套112设于竖向杆1-31上，滑套112圆周方向依次设有四个水平杆1121，水平杆1121铰接第一杆113一端，第一杆113倾斜朝向滑套112外侧，且第一杆113位于水平杆1121上方，第一杆113另一端铰接V形杆114的其中一个支段，V形杆114的尖端通过连接杆铰接于竖向杆1-31，V形杆114的另一个支段设有水平设置的夹板1141，V形杆114的开口倾斜朝下，且朝向滑套112外侧。

更具体的，如图13所示，操作台1-3的顶板上围绕竖向杆1-31依次设有四个贯穿槽1-32，夹板1141分别位于四个贯穿槽1-32下方，支撑块111设于操作台1-3的顶板上，且位于四个贯穿槽1-32之间，支撑块111上用于放置待切割的原材料，切割机构1-2设于操作台1-3上，切割机构1-2包括切割头1-21和气动升降杆1-22，气动升降杆1-22用于升降切割头1-21，切割头1-21底部对准支撑块111设置，切割头1-21可以是切割刀或者锣刀，用于切割原材料。

更具体的，行程组件用于使滑套112上下滑动，当滑套112向上移动时，因为水平杆1121、第一杆113、V形杆114的铰接作用，又因为V形杆114的尖端铰接于竖向杆1-31，所以，夹板1141会以V形杆114的尖端为支点向上转动，四个夹板1141分别通过相应的贯穿槽1-32后达到聚拢效果，从而固定住支撑块111和原材料。

更具体的，为了进一步提高支撑块111的稳定性，支撑块111四周侧壁设有夹持槽1111，夹持槽1111与夹板1141匹配，当夹板1141固定住支撑块111后，夹板1141的高度高于支撑块111，夹板1141顶部用于夹持原材料。

更具体的，支撑块111顶部设有柱形槽1112，当原材料切割好以后，多余的材料会被处理掉，待石墨化的材料会暂时存储在柱形槽1112内，便于后期利用上料机械臂2将其转移至进舱输送装置3上。

更具体的，如图12所示，行程组件包括转动电机115、转盘116、调节杆117，转动电机115设于操作台1-3的底板上，操作台1-3的底板上设有支撑杆1-33，转动电机115的输出轴连接转盘116一侧，转盘116另一侧设有导向槽1161，调节杆117一端铰接于支撑杆1-33，另一端设有U形夹1171，U形夹1171开口远离调节杆117，滑套112侧壁设有一圈限位槽1122，限位槽1122位于水平杆1121下方，U形夹1171两个支段通过滚柱限位于限位槽1122内，调节杆117上设有导向柱1172，且导向柱1172更加倾向于调节杆117朝向支撑杆1-33的一端，导向柱1172位于导向槽1161内。

更具体的，导向槽1161为一圈对称的封闭图形，分为四段槽，第一段槽和第三段槽为弧形槽，且第一段槽的半径大于第三段槽，第二段槽过渡连接第一段槽、第三段槽的一端，第四段槽过渡连接第一段槽、第三段槽的另一端。

通过转动电机115带动转盘116，因为导向柱1172与导向槽1161的配合，可以使调节杆117带动滑套112上下移动，具体移动过程如下：

当导向柱1172位于第三段槽和第四段槽的交界处，此时，调节杆117从支撑杆1-33端倾斜向下，也就是说，导向柱1172低于调节杆117与支撑杆1-33的连接点；

然后转动电机115逆时针转动，导向柱1172沿第四段槽移动时，导向柱1172距离转盘116的中心越来越远，又因为调节杆117与支撑杆1-33连接的这一端高度不变，所以U形夹1171只能带着滑套112向上滑动；

当导向柱1172达到第一段槽时，此时，滑套112位于最高处，且夹板1141又水平状态移动至竖直装置，四个夹板1141将支撑块111和待切割的原材料固定于操作台1-3的顶板上；

当导向柱1172沿着第一段槽移动时，导向柱1172距离转盘116的中心一直不变，夹板1141也一直处于夹持状态，在这个过程中，利用切割头1-21将原材料切割成预设形状；

切割完成后，导向柱1172开始沿着第二段槽移动，此时，导向柱1172距离转盘116的中心越来越近，滑套112开始向下滑动，夹板1141逐渐松开支撑块111；

当导向柱1172沿着第三段槽移动，此时，夹板1141位于贯穿槽1-32下方，导向柱1172距离转盘116的中心保持不变，在这个过程中，利用上料机械臂2将待石墨化的材料转移至进舱输送装置3上，还会将下一个待切割原材料放置于支撑块111上。

综合以上，通过本实施例可以实现石墨化工艺过程的连续化生产，提高石墨化工艺效率；采用磁等离子体发生器产生的高温等离子体焰炬，可实现3500℃高温石墨化，提高了产品的石墨化度和质量；在真空环境进行石墨化工艺过程，避免过多的化学反应，减少了环境污染；采用智能热平衡控制系统，实现石墨化舱内真空度、温度以及磁等离子体发生器供电电流的平衡控制，保持舱内温度场维持，降低能耗。

以上实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，并不表示是唯一的或是限制本发明。本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围情况下，对本发明进行的各种改变或同等替换，均属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种连续型石墨化设备，其特征在于，包括若干制块机（1）、上料机械臂（2）、进舱输送装置（3）、进料真空过渡舱（5）、舱体自动密封装置（4）、若干抽真空装置（6）、真空石墨化舱（8）、若干磁等离子体发生器（9）、热沉装置（7）、若干测温装置（10）、出料真空过渡舱（12）、出舱输送装置（14）、下料机械臂（13）、电源系统（11）、控制系统（15）；

制块机（1）用于将原材料制备成预设的尺寸、形状，进料真空过渡舱（5）、真空石墨化舱（8）、出料真空过渡舱（12）通过舱体自动密封装置（4）依次连接，构成真空舱，真空舱的两端也设有舱体自动密封装置（4），抽真空装置（6）通过真空管路与真空舱连接；

若干磁等离子体发生器（9）设于真空石墨化舱（8）顶部，若干测温装置（10）设于真空石墨化舱（8）舱内外两侧，热沉装置（7）通过水管与真空石墨化舱（8）、磁等离子体发生器（9）连接，用于提供冷却水；

上料机械臂（2）和进舱输送装置（3）构成原料进舱组件，上料机械臂（2）用于衔接制块机（1）和进舱输送装置（3），下料机械臂（13）和出舱输送装置（14）构成产品出舱组件，下料机械臂（13）用于衔接出舱输送装置（14）和成品托架。

2.根据权利要求1所述的连续型石墨化设备，其特征在于，抽真空装置（6）包括真空泵组（6-1）和真空计（6-2），真空泵组（6-1）用于真空舱的抽真空和真空度维持，真空计（6-2）用于实时监测真空舱的真空度。

3.根据权利要求1所述的连续型石墨化设备，其特征在于，热沉装置（7）包括冷水机组（7-2）、供水泵组（7-1）和散热片，冷水机组（7-2）、供水泵组（7-1）设于真空舱外部，散热片设于真空舱内部。

4.根据权利要求1所述的连续型石墨化设备，其特征在于，进舱输送装置（3）、出舱输送装置（14）均分为舱外段和舱内段，进舱输送装置（3）和出舱输送装置（14）的舱内段位于真空舱内。

5.根据权利要求1所述的连续型石墨化设备，其特征在于，电源系统（11）用于为石墨化设备提供直流或交流动力能源，维持设备的正常运行。

6.根据权利要求1所述的连续型石墨化设备，其特征在于，控制系统（15）为总控系统，用于通过控制指令来石墨化设备的动作、开启关闭以及点火。

7.根据权利要求1~6任一项所述的连续型石墨化设备，其特征在于，制块机（1）包括夹持机构（1-1）、切割机构（1-2）和支撑块（111），夹持机构（1-1）包括操作台（1-3）和位于操作台（1-3）内的夹持件、竖向杆（1-31），夹持件包括滑套（112）、四个第一杆（113）、四个V形杆（114）和行程组件，滑套（112）设于竖向杆（1-31）上，行程组件用于使滑套（112）上下滑动，滑套（112）圆周方向依次设有四个水平杆（1121），水平杆（1121）铰接第一杆（113），第一杆（113）铰接V形杆（114）的其中一个支段，V形杆（114）的尖端铰接于竖向杆（1-31），V形杆（114）的另一个支段设有水平设置的夹板（1141），V形杆（114）的开口倾斜朝下设置，操作台（1-3）的顶板上围绕竖向杆（1-31）依次设有四个贯穿槽（1-32），夹板（1141）分别位于四个贯穿槽（1-32）下方，支撑块（111）设于操作台（1-3）的顶板上，且位于四个贯穿槽（1-32）之间，支撑块（111）上用于放置待切割的原材料，切割机构（1-2）包括切割头（1-21）和气动升降杆（1-22），切割头（1-21）底部对准支撑块（111）设置。

8.根据权利要求7所述的连续型石墨化设备，其特征在于，行程组件包括转动电机（115）、转盘（116）、调节杆（117），转动电机（115）设于操作台（1-3）的底板上，操作台（1-3）的底板上设有支撑杆（1-33），转动电机（115）的输出轴连接转盘（116）一侧，转盘（116）另一侧设有导向槽（1161），调节杆（117）一端铰接于支撑杆（1-33），另一端设有U形夹（1171），滑套（112）侧壁设有一圈限位槽（1122），限位槽（1122）位于水平杆（1121）下方，U形夹（1171）两个支段限位于限位槽（1122）内，调节杆（117）上设有导向柱（1172），导向柱（1172）位于导向槽（1161）内。

9.根据权利要求8所述的连续型石墨化设备，其特征在于，导向槽（1161）为一圈对称的封闭图形，分为四段槽，第一段槽和第三段槽为弧形槽，且第一段槽的半径大于第三段槽，第二段槽过渡连接第一段槽、第三段槽的一端，第四段槽过渡连接第一段槽、第三段槽的另一端。

10.根据权利要求8或9所述的连续型石墨化设备，其特征在于，支撑块（111）四周侧壁设有夹持槽（1111），夹持槽（1111）与夹板（1141）匹配，支撑块（111）顶部设有柱形槽（1112）。

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