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石墨烯氮?dú)馍L(zhǎng)爐生產(chǎn)線設(shè)計(jì)
作者：87569388    來(lái)源：江蘇前錦爐業(yè)設(shè)備有限公司    時(shí)間：2016/3/21    點(diǎn)擊：3726

    適用工藝：石墨烯在無(wú)氧環(huán)境下的生長(zhǎng)燒結(jié)。
    關(guān)鍵詞：石墨烯   推板爐  氮?dú)?nbsp; 燒結(jié)爐   隧道窯  1400度
    設(shè)計(jì)單位：江蘇前錦爐業(yè)設(shè)備有限公司    作者：崔伯龍
    前言：手機(jī)充電只需幾秒鐘？史上最薄電燈泡？光驅(qū)動(dòng)飛行器？關(guān)于石墨烯非凡應(yīng)用的新聞不斷出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中，似乎石墨烯已經(jīng)成為了無(wú)所不能的超級(jí)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(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。據(jù)相關(guān)專家分析，用石墨烯取代硅，計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會(huì)快數(shù)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(wú)法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽(yáng)能電池板。
    作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)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(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”。
如此高端的材料，量產(chǎn)一直是困擾這個(gè)材料的市場(chǎng)化最大問(wèn)題。
    筆者通過(guò)與國(guó)內(nèi)及國(guó)際頂尖的石墨烯研究者探討，與國(guó)內(nèi)石墨烯廠家共同研發(fā)了國(guó)內(nèi)第一條雙推板式的氮?dú)獗Ｗo(hù)的生長(zhǎng)爐。一下就是筆者整理兩年來(lái)關(guān)于石墨烯工業(yè)化的推板生長(zhǎng)爐的詳細(xì)介紹。
設(shè)計(jì)條件

燒成原料
1）  原料形態(tài)            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(shí)間            詳見(jiàn)溫度曲線
4）  燒結(jié)氣氛            氮?dú)猓?9.999%）少量酸性揮發(fā)氣氛
5）  最高設(shè)計(jì)溫度        1400℃ 
6）  長(zhǎng)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(wú)極可調(diào)）
9）     日處理量：          3Kg/24小時(shí)（比重0.003g/cm3，燒失率60％
                         每缽0.0198 Kg 
 

設(shè)備用途及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

設(shè)備用途
石墨類粉體材料在保護(hù)氣氛中的連續(xù)性燒成。
根據(jù)燒成工藝特別設(shè)計(jì)。
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述
此電爐為隧道式、雙推、全自動(dòng)回轉(zhuǎn)、推板式電阻爐。
隧道內(nèi)上下布置加熱元件加熱，根據(jù)工藝設(shè)定各溫區(qū)溫度，推板上裝料缽在隧道內(nèi)連續(xù)運(yùn)行，液壓推進(jìn)。推板外循環(huán)軌道全自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

主要技術(shù)參數(shù)

設(shè)備名稱
全自動(dòng)氮?dú)獗Ｗo(hù)雙推板電窯
型號(hào)
 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(zhì)：氮化硅結(jié)合碳化硅）
裝載高度
推板以上裝載高度≤165（mm）
設(shè)備外形尺寸
約17500L×5500W×2000H（mm）
推板離地面高度
865（mm）
回轉(zhuǎn)方向
□  順時(shí)針          □  逆時(shí)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(cè)殼壁溫升
45ºC。遠(yuǎn)離測(cè)溫點(diǎn)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(qū)）
產(chǎn)品出口溫度
80ºC

溫區(qū)、加熱元件、控溫點(diǎn)分布

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

進(jìn)排氣系統(tǒng)

 

區(qū)間
  1-6區(qū)
   降溫區(qū)
區(qū)間長(zhǎng)度（mm）
  每區(qū)長(zhǎng)度1230
  4120
進(jìn)氣量m3/h
     1-5/個(gè)
  1-5/個(gè)
流量計(jì)數(shù)量
 12
  4
排氣煙囪布置
共3個(gè)煙囪，
 
爐體設(shè)16路進(jìn)氣，每個(gè)溫區(qū)底部配設(shè)陶瓷進(jìn)氣管，形成橫截面均勻進(jìn)氣，使氣體充分預(yù)熱后進(jìn)入爐膛。進(jìn)氣總管道直徑為φ48，分管道直徑為1/2”管。
全爐低溫區(qū)共設(shè)有3路排氣煙囪。用于排除窯內(nèi)廢氣和調(diào)整爐內(nèi)氣氛，排氣煙囪采用316不銹鋼材質(zhì)焊接而成，能有效防止?fàn)t內(nèi)腐蝕性氣體的侵蝕。排氣量大小由高溫蝶閥閥控制。爐襯內(nèi)煙囪為直徑φ120高溫陶瓷材質(zhì)，爐外煙囪分管為φ200SUS316不銹鋼材質(zhì)。
爐體結(jié)構(gòu)
爐襯結(jié)構(gòu)
連續(xù)生產(chǎn)工藝下制備材料時(shí)，優(yōu)良的熱場(chǎng)是除氣氛外的另一個(gè)必要條件。為使熱場(chǎng)均勻，加熱元件的布置方式非常重要，輻射形成的熱場(chǎng)應(yīng)在確定范圍的不同位置上，其偏差在額定的指標(biāo)內(nèi)。
根據(jù)上述工藝要求，設(shè)計(jì)一種用于材料連續(xù)式制備工藝的輻射式加熱結(jié)構(gòu)：加熱元件在獨(dú)立腔體內(nèi)與合成室隔離，通過(guò)流量控制閥調(diào)節(jié)氣體流量，使加熱元件腔體相對(duì)合成室維持微正壓，因此合成室內(nèi)的氣體就很難進(jìn)入加熱元件腔體，從而達(dá)到加熱元件的長(zhǎng)壽命化；同時(shí)，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(jié)構(gòu)一方面保證加熱元件較長(zhǎng)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(chǎng)。
爐膛材料：頂磚均采用剛玉莫來(lái)石材質(zhì)（氧化鋁含量≥80%），爐膛保溫材料采用莫來(lái)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(jié)能環(huán)保。
滑道采用99剛玉瓷導(dǎo)軌材質(zhì)（氧化鋁含量≥99.5%），結(jié)構(gòu)采用異型耐火磚支撐五點(diǎn)滑軌結(jié)構(gòu)，提高傳熱效果、降低推板和導(dǎo)軌的摩擦以及有效降低能耗。
密封結(jié)構(gòu)
爐體密封
本設(shè)備為滿足直通式的窯腔通道內(nèi)氧分壓要求，將采用全密封爐體、氣氛隔離倉(cāng)（前后各1個(gè)）與氣幕相結(jié)合的方式進(jìn)行密封。
為了確保設(shè)備內(nèi)穩(wěn)定的氧分壓和氣流走向，設(shè)備除爐體采用全密封結(jié)構(gòu)外，在制品出、入口處還將設(shè)置相互聯(lián)鎖的雙閘門過(guò)渡密封倉(cāng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)設(shè)置大流量惰性氣體垂直氣幕封門，使空氣不能進(jìn)入爐體內(nèi)。當(dāng)密封倉(cāng)內(nèi)的產(chǎn)品出來(lái)后，兩閘門都緊閉時(shí)，對(duì)密封倉(cāng)進(jìn)行強(qiáng)制性清洗換氣，并在內(nèi)閘門再次打開(kāi)之前，將倉(cāng)內(nèi)氧分壓從21%降低到50PPm以下。嚴(yán)格保證在密封倉(cāng)清洗換氣之后，內(nèi)閘門打開(kāi)之前，密封倉(cāng)內(nèi)部的惰性氣體壓力和氧分壓等同于爐體與密封倉(cāng)相接處的壓力和氧分壓值。運(yùn)行過(guò)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(duì)合成區(qū)域的干擾，在確保爐內(nèi)氣氛滿足工藝要求的前提下盡可能降低保護(hù)氣體的消耗。
⑵ 保證氣氛的穩(wěn)定、均勻
對(duì)制備設(shè)備而言，在爐體內(nèi)部砌有爐襯，合成室內(nèi)裝有窯具及制品，由于各處流體阻力不同，在爐襯的各個(gè)縫隙及制品堆垛之間的阻力相差很大。應(yīng)采用多點(diǎn)層流凈化結(jié)構(gòu)。工藝氣體由爐底多點(diǎn)均勻進(jìn)入，從爐頂排出。高純氮?dú)庥蔂t底進(jìn)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(nèi)全部充滿高純氮?dú)�，并有高純氮�(dú)鈴某隹诠芤莩�。這樣，既可保證合成室內(nèi)氣氛潔凈，所消耗的氣量又是最少。
沿設(shè)備長(zhǎng)度方向，設(shè)置保護(hù)氣體總輸入管，在各區(qū)段的分支，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥的必要調(diào)節(jié)和流量計(jì)的流量監(jiān)測(cè)，向加熱室輸入所需要的高純氮?dú)�，并�?jīng)過(guò)加熱組預(yù)熱后進(jìn)入合成區(qū)段。同時(shí)，在設(shè)備各控制段都設(shè)置氧分壓和壓力抽樣檢測(cè)點(diǎn)，隨時(shí)檢測(cè)窯腔橫截面上各點(diǎn)的氧分壓和氣氛壓力。窯體進(jìn)氣全部采用下部進(jìn)氣，廢物排放區(qū)上部排氣方式：保護(hù)氣體進(jìn)入窯內(nèi)后，先進(jìn)入下加熱室，經(jīng)加熱室預(yù)熱以后分多點(diǎn)層流式進(jìn)入爐膛。
⑶ 爐內(nèi)的氣氛清洗
為了達(dá)到合成室內(nèi)的氧含量要求，除了設(shè)備嚴(yán)格密封外，加熱室空腔及耐火保溫材料釋放的氣體應(yīng)采用獨(dú)特的爐內(nèi)氣氛清洗技術(shù)：下加熱室逐個(gè)清洗；上加熱室由一路保護(hù)其余各加熱室。另外，制備設(shè)備頂部、加熱室等處都預(yù)留放氣閥，當(dāng)制備設(shè)備初次啟用并充入保護(hù)氣體時(shí)，以較大的壓力通以較大流量的保護(hù)氣體，同時(shí)打開(kāi)設(shè)備各頂蓋板、加熱室蓋板上的放氣閥，以排除窯內(nèi)襯所吸收的氧氣，保證恒溫區(qū)氧含量為10PPm。
整個(gè)設(shè)備配置一臺(tái)電化學(xué)式氧含量分析儀，用來(lái)檢測(cè)爐內(nèi)氧含量。
全自動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)
推進(jìn)方式
均為液壓推進(jìn)。爐頭設(shè)置1個(gè)液壓站，爐尾設(shè)置1個(gè)液壓站，為設(shè)備提供動(dòng)力。液壓站設(shè)有油溫顯示、油溫加熱和冷卻裝置，防止溫度變化對(duì)速度控制系統(tǒng)的影響。整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)推車自動(dòng)轉(zhuǎn)換，設(shè)有超時(shí)、超壓、匣缽擺放不正等聲光報(bào)警裝置。
推進(jìn)控制
PLC自動(dòng)控制，具有互鎖及報(bào)警功能，提高其安全性、可靠性。電爐兩端設(shè)手動(dòng)按鈕操控臺(tái)。行程開(kāi)關(guān)選用日本OMRON品牌。
推進(jìn)行程
約850（mm）。
主推推力
5T /單缸      德國(guó)進(jìn)口力士樂(lè)精密調(diào)速閥精密調(diào)速
主推進(jìn)速度
500-2000mm/h（無(wú)極調(diào)速）
常用速度
1100mm/h
外循環(huán)系統(tǒng)
本設(shè)備液壓站由入口站和出口站兩個(gè)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(jìn)以及快速退回；高壓小流量泵裝置用于推板的工進(jìn)。推板工進(jìn)時(shí)，低壓大流量泵停止工作，節(jié)能效果顯著，系統(tǒng)溫升小。液壓系統(tǒng)工作可靠性十分重要，該系統(tǒng)采用臺(tái)灣公司生產(chǎn)的各種中、高壓液壓閥,由集成塊組合成系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，外形整齊美觀，使用維修方便。其中主推進(jìn)調(diào)速閥采用德國(guó)力士樂(lè)公司原裝進(jìn)口產(chǎn)品，最小穩(wěn)定流量達(dá)0.02L/min，保證了主推進(jìn)的液壓缸運(yùn)行穩(wěn)定可靠。還應(yīng)設(shè)有超壓報(bào)警，確保系統(tǒng)能夠正常工作，工作電機(jī)設(shè)有熱保護(hù)繼電器，對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。采用全封閉式油箱，油路進(jìn)出口均配有高精度濾油器，本液壓站能在惡劣環(huán)境下正常工作。主要技術(shù)參數(shù)如下：
系統(tǒng)額定壓力： 6.3Mpa；工作壓力：  ≤3Mpa
溫度控制系統(tǒng)
系統(tǒng)組成
溫控系統(tǒng)采用上海國(guó)龍數(shù)字智能儀表控溫，具有連續(xù)PID調(diào)節(jié)、超溫、斷偶報(bào)警以及溫度補(bǔ)償?shù)裙δ堋５聡?guó)西門康可控硅模塊移相觸發(fā)，浙江華通低壓電器
控溫方式
采用可控硅移相調(diào)壓方式（SCR）控溫。
控溫精度
≤±1ºC（穩(wěn)態(tài)后）
功率測(cè)量手段
有功電度表，每路有一塊電流表
開(kāi)關(guān)
每路均有斷路器
SCR冷卻
散熱片+風(fēng)機(jī)風(fēng)冷
控制柜
控制柜面板上設(shè)有溫控儀表以及總電流、電壓表以及每個(gè)溫區(qū)的電流、電壓表、電度表、開(kāi)關(guān)按鈕、指示燈等，并標(biāo)有相應(yīng)的指示標(biāo)牌�？刂乒耥敳堪惭b有排氣扇，結(jié)合柜體兩側(cè)的百葉窗對(duì)柜內(nèi)電器元器件進(jìn)行降溫，柜內(nèi)還設(shè)有照明裝置。
觸摸屏 + PLC自動(dòng)控制監(jiān)控系統(tǒng)
系統(tǒng)組成
觸摸屏+ PLC
控制方式
在窯頭設(shè)置一個(gè)操作柜，各種控制元件均安裝在控制柜內(nèi)，控制柜臺(tái)面上設(shè)有觸摸品，全窯的運(yùn)行狀態(tài)一目了然。為了便于操作，在窯頭、窯尾設(shè)有手動(dòng)操作盤。全窯控制分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，自動(dòng)控制分為隨時(shí)啟動(dòng)（用于停電而造成的運(yùn)行停止，來(lái)電時(shí)重新啟動(dòng)）和初始位置啟動(dòng)（用于運(yùn)行出現(xiàn)故障停機(jī)，排除故障后的啟動(dòng)），這既可以給操作帶來(lái)方便，又可以避免故障未完全排除又啟動(dòng)而造成更大損失。選擇歐姆龍公司生產(chǎn)的可編程序控制器，保證了控制系統(tǒng)的可靠性。合理的程序設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品進(jìn)窯時(shí)間控制準(zhǔn)確，可靠的連鎖與互鎖防止了誤操作對(duì)設(shè)備損壞。同時(shí)設(shè)有運(yùn)行周期報(bào)警及每個(gè)動(dòng)作運(yùn)行超時(shí)失誤報(bào)警
電氣配置
主要電器元件
電氣柜內(nèi)主要安裝有：觸摸屏、空氣開(kāi)關(guān)、接觸器、PLC、溫控表、互感器、指示燈、按鈕開(kāi)關(guān)等。
電氣柜
2臺(tái)。
設(shè)備外觀
外觀要求
制造精細(xì)，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(guò)程工程研究所 清華大學(xué) 北京大學(xué) 利物浦約翰摩爾斯大學(xué) 十八所 天津普蘭納米 墨西科技 
 
聯(lián)系電話：13771375139、0501-87560011