石墨化爐及制造石墨的方法
【專利說明】石墨化爐及制造石墨的方法
[0001]本申請為分案申請，原申請的國際申請日為2011年9月22日，國際申請號為PCT/JP2011/071694，國家申請號為2011800467367，發明名稱為石墨化爐及制造石墨的方法。
技術領域
[0002]本發明涉及用于通過加熱碳粉末來制造石墨的石墨化爐及制造石墨的方法。
【背景技術】
[0003]石墨(graphite)是碳的同位素的一種，呈六方晶體。石墨是固體且潤滑性優異，并且具有熱傳導性、耐熱性、耐藥性等有效的特性，因此具有廣泛的用途。
[0004]作為制造石墨的方法之一，具有下述方法:通過將焦炭或木炭那樣的碳源(通常含有非晶質或雜質)加熱到極高的溫度、例如2500?3000°C左右，從而石墨化(結晶化及精制)。
[0005]由于石墨化如上述那樣需要極高的溫度，因此加熱應該應用哪種方法、或保持石墨的結構的耐熱性的觀點來看，具有困難的課題。例如，石墨加熱器那樣的外部加熱機構無法實現超過2500°C的溫度，在之前加熱器自身會產生熱損傷。因此，以往一直利用了通過對碳源通電而加熱碳源的、所謂艾奇遜(Acheson)爐及其變化。
[0006]專利文獻1?3表示相關的技術。
[0007]現有技術文獻
[0008]專利文獻
[0009]專利文獻1:日本國專利公開公報第10-338512號
[0010]專利文獻2:日本國專利公開公報第2005-291515號
[0011]專利文獻3:日本國專利公開公報第2009-190907號
【發明內容】
[0012]根據現有的艾奇遜爐及其變化，工序是成批處理式，在效率上存在問題，另外，由于加熱不均勻，因此在品質及產量上也存在問題。本發明是為了解決該問題而完成的。
[0013]根據本發明的第一方案，利用作為碳源的粉末得到石墨的石墨化爐具備:具有為了收放上述粉末而構成的凹部的導電性坩禍；電極，該電極具有柱狀的軸與頭部，該頭部設在上述軸的端部，具有從由球、半球、邊緣倒圓的圓柱、圓錐及頂點倒圓的圓錐構成的組中選擇的一個形狀；以及為了使電流經過上述坩禍及上述電極流向上述粉末而構成的電源。
[0014]根據本發明的第二方案，利用作為碳源的粉末制造石墨的方法將上述粉末收放在導電性坩禍的凹部，使電極與上述粉末接觸，該電極具備柱狀的軸與頭部，該頭部設在上述軸的端部，具有從球、半球、邊緣倒圓的圓柱、圓錐及頂點倒圓的圓錐構成的組中選擇的一個形狀，使電流從電源經過上述坩禍及上述電極流向上述粉末。
【附圖說明】
[0015]圖1是表示本發明的一個實施方式的石墨化爐的內部的立面圖。
[0016]圖2是由圖1的I1-1I線剖切的剖視圖，表示電極插入到碳粉末中的狀態。
[0017]圖3是由圖1的II1-1II線剖切的剖視圖，表示電極插入碳粉末中之前的狀態。
[0018]圖4是表示電極與坩禍的組合的變化的示意剖視圖。
[0019]圖5是表示電極的另一變化的示意剖視圖。
[0020]圖6是表示坩禍的另一變化的示意剖視圖。
[0021]圖7是表示具備附加的加熱機構的坩禍的例子的示意剖視圖。
[0022]圖8是說明本實施方式的制造石墨的方法的各階段的流程圖。
[0023]圖9是上述方法的石墨的溫度記錄的一個例子。
【具體實施方式】
[0024]以下參照【附圖說明】本發明的幾個示例的實施方式。
[0025]根據本發明的實施方式，利用由通電產生的焦耳熱加熱作為碳源的粉末而進行石墨化。作為碳源，當然使用由碳構成的粉末，但也能夠使用碳纖維或粒狀及塊狀碳，或者代替碳使用碳化娃(carborundum)等陶瓷。或者可以在其他導電性物質中應用本實施方式。為了便于說明，在整個說明書及權利要求中將原料簡稱為粉末。
[0026]主要參照圖1，本實施方式的石墨化爐100具備用于收放粉末1的坩禍10、用于使電流流向粉末1的裝置20、以及包圍坩禍10的分室40。坩禍10從分室40的一端搬入，一邊接受預熱一邊依次在分室40內通過，并且接受由裝置20進行的加熱，在冷卻后從分室40
的另一端搬出。
[0027]主要參照圖2、3，坩禍10具備構成為用于收放粉末1的凹部12，凹部12在坩禍10的上面朝上方開口。坩禍10為了對粉末1通電而需要由導電性物質構成，另外，該導電性物質需要具有耐得住2500°C以上的高溫的耐熱性。作為這種物質，能夠示例石墨，但如果可能的話，也可以是其他物質。坩禍10為了便于加工而具有圓筒形的外形，但外形并不限定于此。
[0028]凹部12由圓筒形的上部12a和半球狀的下部12b構成，也能如后述那樣進行各種變形。
[0029]返回圖1，坩禍10可以各自單獨地插入分室40內，但為了便于處理，載置在托盤32上。托盤32由耐得住2500°C以上的高溫的石墨等適當的耐熱材料構成，為了防止坩禍10的擺動，具有保持坩禍的適當的形狀。
[0030]分室40在其一端具備前室42，在中間具備主室44，在另一端具備后室46。在外部與前室42之間、前室42與主室44之間、主室44與后室46之間、以及后室46與外部之間分別具有連通相互彼此的開口，并且設有分別閉塞這些開口的門43a、43b、47a、47b。
[0031 ] 門43a、43b、47a、47b構成為分別氣密地堵塞開口。另外，通過門43a、43b、47a、47b垂直地升降，能夠打開開口。代替垂直的升降，也可以是在水平或其他方向上移動的形式。為了移動，能夠使用液壓缸或氣壓缸，但并不限定于此。另外，為了維持門的閉塞狀態或打開狀態，可以設置適當的卡定裝置。
[0032]在門43a、43b、47a、47b閉塞了開口時，分室40構成為能控制其內部氣氛。另外，前室42、主室44及后室46分別構成為能單獨地控制氣氛。即，通過前室42及后室46介于中間，即使在搬入及搬出坩禍10時，外部空氣也不會侵入主室44內，從而能夠維持內部的氣氛。
[0033]分室40為了將坩禍10從其一端向另一端搬運，還具備形成在主室44的大致全長上的軌道48。軌道48可以具備線狀地排列在支柱49b所支撐的導軌49b上的輥48a，或者只要保證坩禍的滑動，還可以只具備導軌。如果可能的話，軌道48還可以具備用于搬運坩禍10的機構，但通常坩禍10利用由后續的坩禍產生的推壓、或由之前的坩禍產生的牽引而移動。為了可靠地進行推壓或牽引，各托盤32或各坩禍10也可以具備連接彼此的鉤或其均等物。
[0034]石墨化爐100為了便于坩禍10的搬入及搬出，還在分室40外具備推進裝置41及牽拉裝置45。推進裝置41及牽拉裝置45例如是具備能解除地配合在坩禍10或托盤32上的臂并水平移動的促動器。為了該驅動，能利用液壓缸或空氣壓力缸、或滾珠絲杠等其他機構。為了一體驅動包括搬入及搬出的坩禍10在內的分室100內的一連串的坩禍10，推進裝置41及牽拉裝置45應具有充分的驅動力。
[0035]主室44主要能夠區分為區域A、區域B及區域C。
[0036]在區域A中，多個加熱器34配置為沿軌道48接近坩禍10，以此對坩禍10進行預熱。作為加熱器34，例如能夠利用電阻加熱器、煤氣加熱器、燃燒器等，但并不限定于此。另夕卜，作為電阻加熱器，能夠利用石墨加熱器等。在坩禍10到達區域B時，需要以粉末1成為充分接近石墨化溫度(例如2500?3000°C )的溫度(例如2000?2300°C )的方式適當地設定加熱器34的能力。
[0037]在區域A及B中，為了抑制向外部的熱輻射，并且以提高能效為目的，可以設置絕熱壁36。絕熱壁36能夠應用由碳纖維構成的成形絕熱材料，但也能夠應用毛氈或短切纖維的形式。另外，也能夠在區域C上設置絕熱壁。
[0038]在區域B中設有一組或多組用于使電流流過的裝置20。參照圖2、3，各裝置20具備電源28、通過電纜25分別電連接在電源28上的電極22及相反電極24。或者，電極22可以構成為在搬入石墨化爐100以前沒入粉末1中，在坩禍10到達區域B時與電極28電連接。
[0039]電極22具備柱狀的軸22a與連接在其下部的頭部22b。頭部22b例如是半球狀，但也能如后述那樣進行多種變形。
[0040]電極22通過貫通孔36a插入絕熱壁36的內部。電極22的上端被引出到絕熱壁36的外側，通過端子板27a電連接在電纜25上。端子板27a利用水冷套管等冷卻機構適當地冷卻。為了電極22與絕熱壁36的電絕緣，在其間保持間隙，但如果可能的話，也可以使適當的絕緣部件介于其間。
[0041]相反電極24也與電極22相同，通過貫通孔36b插入絕熱壁36的內部，其下端通過被冷卻的端子板27b與電纜25電連接。相反電極24與絕熱壁36之間也電絕緣。
[0042]電極22及相反電極24任一個都由耐得住上述石墨化溫度的適當的導電性材料構成。作為這種材料，例如能夠示例石墨，但如果可能的話，也可以是其他材料。
[0043]各裝置20為了使電極22升降，具備升降裝置26。升降裝置26具備由液壓驅動的液壓缸26a，或者也可以應用氣壓缸或滾珠絲杠等其他驅動機構。升降裝置26通過適當的絕緣體29固定在主室44的上部。
[0044]為了能夠使電極22從如圖3那樣至少電極22的頭部22b位于比粉末1及坩禍10靠上方的第一位置驅動到圖2那樣電極22的頭部22b沒入粉末1中的第二位置，對液壓缸26a給予充分的可動范圍。在第一位置中，坩禍10能夠在電極22的下方通過，在第二位置中，能夠使電流從電極22流向粉末1。
[0045]相反電極24構成為當坩禍10來到其正上方時，與之電接觸。或者，為了使相反電極24能動地與坩禍10接觸，也可以設置上升裝置26b。上升裝置26b通過適當的絕緣體29固定在主體44的下部。
[0046]液壓缸26a與上升裝置26b —起由控制裝置30控制并驅動。控制裝置30還控制電源28，與電極的驅動同步地對其供給電流。
[0047]即使在區域B中，也可以設置多個加熱器38。作為加熱器38，能夠利用例如石墨加熱器那樣的電阻加熱器、煤氣加熱器、燃燒器等，但并