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石墨烯氮氣生長爐生產線設計
作者：87569388    來源：江蘇前錦爐業設備有限公司    時間：2016/3/21    點擊：3731

    適用工藝：石墨烯在無氧環境下的生長燒結。
    關鍵詞：石墨烯   推板爐  氮氣  燒結爐   隧道窯  1400度
    設計單位：江蘇前錦爐業設備有限公司    作者：崔伯龍
    前言：手機充電只需幾秒鐘？史上最薄電燈泡？光驅動飛行器？關于石墨烯非凡應用的新聞不斷出現在人們的視野當中，似乎石墨烯已經成為了無所不能的超級材料。石墨烯是什么？到底有什么特性讓它備受推崇？
石墨烯目前最有潛力的應用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產未來的超級計算機。據相關專家分析，用石墨烯取代硅，計算機處理器的運行速度將會快數百倍。
    另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發光板和太陽能電池板。
    作為目前發現的最薄、最堅硬、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”。
如此高端的材料，量產一直是困擾這個材料的市場化最大問題。
    筆者通過與國內及國際頂尖的石墨烯研究者探討，與國內石墨烯廠家共同研發了國內第一條雙推板式的氮氣保護的生長爐。一下就是筆者整理兩年來關于石墨烯工業化的推板生長爐的詳細介紹。
設計條件

燒成原料
1）  原料形態            石墨類粉體材料
2）  裝料匣缽尺寸        φ320×150mm（定作方提供）,
3）  燒成時間            詳見溫度曲線
4）  燒結氣氛            氮氣（99.999%）少量酸性揮發氣氛
5）  最高設計溫度        1400℃ 
6）  長期使用溫度        1300℃ 
7）  堆放形式            雙板單層
8）     推送速度            1100mm/h    （500-2000mm/h無極可調）
9）     日處理量：          3Kg/24小時（比重0.003g/cm3，燒失率60％
                         每缽0.0198 Kg 
 

設備用途及結構簡述

設備用途
石墨類粉體材料在保護氣氛中的連續性燒成。
根據燒成工藝特別設計。
結構簡述
此電爐為隧道式、雙推、全自動回轉、推板式電阻爐。
隧道內上下布置加熱元件加熱，根據工藝設定各溫區溫度，推板上裝料缽在隧道內連續運行，液壓推進。推板外循環軌道全自動運轉。

主要技術參數

設備名稱
全自動氮氣保護雙推板電窯
型號
 RTB-180-14型
爐膛尺寸
12100L×750W×225H（mm），爐膛高度含匣缽高度和蓋板高度mm，推板厚度30mm和空間高度30mm。
推板尺寸
340L×340W×30H（mm）   (材質：氮化硅結合碳化硅）
裝載高度
推板以上裝載高度≤165（mm）
設備外形尺寸
約17500L×5500W×2000H（mm）
推板離地面高度
865（mm）
回轉方向
□  順時針          □  逆時針  （定作方定）
額定功率
約180 KW
保溫功率
約100 KW
電源電壓
3相380V
窯體外側殼壁溫升
45ºC。遠離測溫點元件及加熱元件的距離≥150mm。
控溫精度
±1ºC
爐膛溫度均勻度
±5ºC（恒溫區）
產品出口溫度
80ºC

溫區、加熱元件、控溫點分布

升溫段： 約6750mm；恒溫段：約3710mm；降溫段：約2290mm；水冷段：約3250mm
 
區間
 不加熱
    1-5區
  降溫區
區間長度（mm）
600
      每區長度1230
   4120
溫區
6溫區
 
加熱方式
上下水平加熱
 
加熱元件
等直徑硅碳棒φ25
 
控溫點
12個
 
測溫點
2個（雙金屬溫度計）
 
熱電偶
K型熱電偶4 支，S分度的熱電偶8支
 

進排氣系統

 

區間
  1-6區
   降溫區
區間長度（mm）
  每區長度1230
  4120
進氣量m3/h
     1-5/個
  1-5/個
流量計數量
 12
  4
排氣煙囪布置
共3個煙囪，
 
爐體設16路進氣，每個溫區底部配設陶瓷進氣管，形成橫截面均勻進氣，使氣體充分預熱后進入爐膛。進氣總管道直徑為φ48，分管道直徑為1/2”管。
全爐低溫區共設有3路排氣煙囪。用于排除窯內廢氣和調整爐內氣氛，排氣煙囪采用316不銹鋼材質焊接而成，能有效防止爐內腐蝕性氣體的侵蝕。排氣量大小由高溫蝶閥閥控制。爐襯內煙囪為直徑φ120高溫陶瓷材質，爐外煙囪分管為φ200SUS316不銹鋼材質。
爐體結構
爐襯結構
連續生產工藝下制備材料時，優良的熱場是除氣氛外的另一個必要條件。為使熱場均勻，加熱元件的布置方式非常重要，輻射形成的熱場應在確定范圍的不同位置上，其偏差在額定的指標內。
根據上述工藝要求，設計一種用于材料連續式制備工藝的輻射式加熱結構：加熱元件在獨立腔體內與合成室隔離，通過流量控制閥調節氣體流量，使加熱元件腔體相對合成室維持微正壓，因此合成室內的氣體就很難進入加熱元件腔體，從而達到加熱元件的長壽命化；同時，均熱隔離板的存在，使加熱元件與制品之間保持合理距離，避免了局部高溫，有利于合成室的溫度均勻恒定。該結構一方面保證加熱元件較長的工作壽命；另一方面又能滿足輻射熱的較好傳遞并獲得均勻的熱場。
爐膛材料：頂磚均采用剛玉莫來石材質（氧化鋁含量≥80%），爐膛保溫材料采用莫來石聚輕磚（TJM26）以及日本阿爾賽陶瓷纖維板砌筑。防腐蝕，隔熱效果極佳，熱容量小，節能環保。
滑道采用99剛玉瓷導軌材質（氧化鋁含量≥99.5%），結構采用異型耐火磚支撐五點滑軌結構，提高傳熱效果、降低推板和導軌的摩擦以及有效降低能耗。
密封結構
爐體密封
本設備為滿足直通式的窯腔通道內氧分壓要求，將采用全密封爐體、氣氛隔離倉（前后各1個）與氣幕相結合的方式進行密封。
為了確保設備內穩定的氧分壓和氣流走向，設備除爐體采用全密封結構外，在制品出、入口處還將設置相互聯鎖的雙閘門過渡密封倉結構。同時設置大流量惰性氣體垂直氣幕封門，使空氣不能進入爐體內。當密封倉內的產品出來后，兩閘門都緊閉時，對密封倉進行強制性清洗換氣，并在內閘門再次打開之前，將倉內氧分壓從21%降低到50PPm以下。嚴格保證在密封倉清洗換氣之后，內閘門打開之前，密封倉內部的惰性氣體壓力和氧分壓等同于爐體與密封倉相接處的壓力和氧分壓值。運行過程中，爐體出、入口處的氣幕將始終保持，從而阻止外界氣流對合成區域的干擾，在確保爐內氣氛滿足工藝要求的前提下盡可能降低保護氣體的消耗。
⑵ 保證氣氛的穩定、均勻
對制備設備而言，在爐體內部砌有爐襯，合成室內裝有窯具及制品，由于各處流體阻力不同，在爐襯的各個縫隙及制品堆垛之間的阻力相差很大。應采用多點層流凈化結構。工藝氣體由爐底多點均勻進入，從爐頂排出。高純氮氣由爐底進入合成室，由下向上以一定的推力將空氣從爐頂出口管排擠出去，直到最后合成室內全部充滿高純氮氣，并有高純氮氣從出口管逸出。這樣，既可保證合成室內氣氛潔凈，所消耗的氣量又是最少。
沿設備長度方向，設置保護氣體總輸入管，在各區段的分支，經過調節閥的必要調節和流量計的流量監測，向加熱室輸入所需要的高純氮氣，并經過加熱組預熱后進入合成區段。同時，在設備各控制段都設置氧分壓和壓力抽樣檢測點，隨時檢測窯腔橫截面上各點的氧分壓和氣氛壓力。窯體進氣全部采用下部進氣，廢物排放區上部排氣方式：保護氣體進入窯內后，先進入下加熱室，經加熱室預熱以后分多點層流式進入爐膛。
⑶ 爐內的氣氛清洗
為了達到合成室內的氧含量要求，除了設備嚴格密封外，加熱室空腔及耐火保溫材料釋放的氣體應采用獨特的爐內氣氛清洗技術：下加熱室逐個清洗；上加熱室由一路保護其余各加熱室。另外，制備設備頂部、加熱室等處都預留放氣閥，當制備設備初次啟用并充入保護氣體時，以較大的壓力通以較大流量的保護氣體，同時打開設備各頂蓋板、加熱室蓋板上的放氣閥，以排除窯內襯所吸收的氧氣，保證恒溫區氧含量為10PPm。
整個設備配置一臺電化學式氧含量分析儀，用來檢測爐內氧含量。
全自動推進系統
推進方式
均為液壓推進。爐頭設置1個液壓站，爐尾設置1個液壓站，為設備提供動力。液壓站設有油溫顯示、油溫加熱和冷卻裝置，防止溫度變化對速度控制系統的影響。整個系統進推車自動轉換，設有超時、超壓、匣缽擺放不正等聲光報警裝置。
推進控制
PLC自動控制，具有互鎖及報警功能，提高其安全性、可靠性。電爐兩端設手動按鈕操控臺。行程開關選用日本OMRON品牌。
推進行程
約850（mm）。
主推推力
5T /單缸      德國進口力士樂精密調速閥精密調速
主推進速度
500-2000mm/h（無極調速）
常用速度
1100mm/h
外循環系統
本設備液壓站由入口站和出口站兩個站及控制元件組成，低壓大流量泵裝置用于推板的快速推進以及快速退回；高壓小流量泵裝置用于推板的工進。推板工進時，低壓大流量泵停止工作，節能效果顯著，系統溫升小。液壓系統工作可靠性十分重要，該系統采用臺灣公司生產的各種中、高壓液壓閥,由集成塊組合成系統，結構緊湊，外形整齊美觀，使用維修方便。其中主推進調速閥采用德國力士樂公司原裝進口產品，最小穩定流量達0.02L/min，保證了主推進的液壓缸運行穩定可靠。還應設有超壓報警，確保系統能夠正常工作，工作電機設有熱保護繼電器，對電機進行過載保護。采用全封閉式油箱，油路進出口均配有高精度濾油器，本液壓站能在惡劣環境下正常工作。主要技術參數如下：
系統額定壓力： 6.3Mpa；工作壓力：  ≤3Mpa
溫度控制系統
系統組成
溫控系統采用上海國龍數字智能儀表控溫，具有連續PID調節、超溫、斷偶報警以及溫度補償等功能。德國西門康可控硅模塊移相觸發，浙江華通低壓電器
控溫方式
采用可控硅移相調壓方式（SCR）控溫。
控溫精度
≤±1ºC（穩態后）
功率測量手段
有功電度表，每路有一塊電流表
開關
每路均有斷路器
SCR冷卻
散熱片+風機風冷
控制柜
控制柜面板上設有溫控儀表以及總電流、電壓表以及每個溫區的電流、電壓表、電度表、開關按鈕、指示燈等，并標有相應的指示標牌。控制柜頂部安裝有排氣扇，結合柜體兩側的百葉窗對柜內電器元器件進行降溫，柜內還設有照明裝置。
觸摸屏 + PLC自動控制監控系統
系統組成
觸摸屏+ PLC
控制方式
在窯頭設置一個操作柜，各種控制元件均安裝在控制柜內，控制柜臺面上設有觸摸品，全窯的運行狀態一目了然。為了便于操作，在窯頭、窯尾設有手動操作盤。全窯控制分為手動控制和自動控制，自動控制分為隨時啟動（用于停電而造成的運行停止，來電時重新啟動）和初始位置啟動（用于運行出現故障停機，排除故障后的啟動），這既可以給操作帶來方便，又可以避免故障未完全排除又啟動而造成更大損失。選擇歐姆龍公司生產的可編程序控制器，保證了控制系統的可靠性。合理的程序設計，使產品進窯時間控制準確，可靠的連鎖與互鎖防止了誤操作對設備損壞。同時設有運行周期報警及每個動作運行超時失誤報警
電氣配置
主要電器元件
電氣柜內主要安裝有：觸摸屏、空氣開關、接觸器、PLC、溫控表、互感器、指示燈、按鈕開關等。
電氣柜
2臺。
設備外觀
外觀要求
制造精細，美觀氣派。掛板噴塑（包括回流線）
外觀顏色
爐體高溫銀粉漆，電氣柜橘紋灰色。
此文特別感謝：江南石墨烯研究院 山東玉皇新能源 中科院過程工程研究所 清華大學 北京大學 利物浦約翰摩爾斯大學 十八所 天津普蘭納米 墨西科技 
 
聯系電話：13771375139、0501-87560011