CN1285496A - 石墨旋转管式炉 - Google Patents

Abstract

一种适于用来在1500°到2800°的温度范围内的可控气体环境中工作的旋转管式炉,包括一个通常可以水平转动的石墨管,该石墨管可滑动地支承在水冷开环石墨轴承上。该石墨管在一个不锈钢驱动盘的作用下旋转,并且容纳在一个柔性气体密封装置和用于在该管子内部和周围容纳一种选择的气体环境的罩子中,并允许在运行中出现顺流和逆流气流。在石墨管内部的辐射挡板阻止管子端部的辐射热量散失。该石墨管可以由两个或多个部件构成,这些部件具有螺纹端部以便于安装,并便于为维修目的而进行的拆卸和更换。该管子的一个加热部件是由容纳在一个绝缘加热室中的多个石墨电加热元件来加热的。

Description

石墨旋转管式炉

本发明涉及一种用于在惰性气体中高温处理各种材料的石墨旋转管式炉。

在非常高的温度下比如在从1500℃到高达3000℃或更高的温度下的处理材料，在对所用的处理设备的设计方面存在许多必须克服的问题。首先，结构材料的选择受到限制。当在非常高的温度进行处理的时候通常选择石墨作为材料。这样高的温度经常要求处理过程在一种惰性气体如一种非氧化性气体环境下进行，以避免所处理的材料发生不必要的反应。另外，当该装置是由石墨构成的时候，结构材料本身可能会在非常高的温度下与空气中的氧气发生反应。因此就有必要，或最好用一种惰性气体包围住该石墨装置以及所要处理的材料。在移动装置的情况下，如本发明的石墨旋转管式炉，在运行期间，保持管子内部和石墨管周围的惰性气体环境会出现特殊的困难。

在Ferment的美国专利文献US 3，656，910中公开了在管状反应器中采用石墨，该文献公开了一种用于生产碳纤维材料产品的石墨管式炉。

Passarotto的美国专利US 5，144，108公开了一种旋转管式炉，该炉子具有内部转动叶片以帮助材料通过该管子进行传送。

Coucher的美国专利US 4，988，289公开了一种反应炉，该反应炉包括一个位于一个加热外壳内部的转动芯。管子侧面的叶片部分以一种螺旋状的形式设置以帮助材料通过该管子。

Croker等的美国专利US 5，251，231公开了一种炉子，它具有围绕着整个炉子的冷却液。

Freiberger等的美国专利US 5，393，225公开了一种转动管式窖，它包括一个由一个管状套管所包围并彼此相隔一个间隙的可更换的转动管。

然而仍然需要一种改进了的旋转炉或窖，适于用来在一种可控的气体环境中在非常高的温度下处理微粒材料。

本发明的一个目的在于提供一种石墨旋转管式炉，适于在3000℃高温或更高的温度下连续工作。

本发明的另一个目的在于提供一种高性能的且可在极高温度下工作的转动管式炉，它采用了可方便更换的部件。

本发明还有一个目的在于提供一种机械驱动的石墨旋转管式炉，其中在炉子转动期间，所进行处理的产品和该炉子两者都可以容纳在一个可控的高温气体环境中。

本发明还有一个目的在于提供一种石墨旋转管式炉，其特征在于具有极好的热效率，并能够提供单一或多个温度控制区域。

本发明还有一个目的在于提供一种能够在高温下工作的旋转管式炉，其中管子端部处的辐射热损失被减到最小。

上述目的以及其它目的可以通过本发明获得，本发明提供一种适于在可控的高温气体环境中工作的旋转管式炉，该炉子包括：一个通常水平地延伸的可转动的石墨管，该石墨管具有一个进料区域、一个加热区域以及一个产品排出区域，该石墨管支承在连接有冷却装置的多个石墨轴承上；一个间接安装在石墨管上的驱动盘，用于在那里提供转动运动；一个柔性气体密封装置，用于在转动期间在石墨管内部和周围容纳一种选择的气体环境；一个包围着加热部件的绝热加热室；以及至少一个位于加热室内部的加热元件。

本发明的石墨旋转管式炉适于在摄氏温度高达3000℃或更高的温度下并且最好是在大约1500℃到2800℃的温度范围内处理微粒的材料。

支承着石墨管的石墨轴承可以是一种半环形，围绕着石墨管的圆周的下面部分进行安装，以便为石墨管提供支承并提供一个石墨管可以在上面滑动地转动的表面。该石墨轴承最好是石墨全环的形式，安装在石墨管的圆周上并最好裂开以方便安装。在一个优选的实施例中，该可转动的石墨管支承在安装在一个开环水冷套管支承结构中的开环石墨轴承上。另外，水冷套管可以水平地延伸以便为产品提供冷却，例如在产品排出端部处水平延伸。

该石墨管可以是一种具有要求长度的单一部件，或者最好是一种多个内部相连的石墨管部件的形式，以便于制作或便于在维修或其他目的所需要的时候进行拆卸和更换。该石墨管最好包括两个或多个最好是三个部件，这些部件可在其端部进行螺纹安装或其它可拆卸地安装，以便把这些部件连接起来。

在一个优选的实施例中，该石墨管包括多个绕着周边安装的半圆形挡板以阻挡来自炉子的加热部件的直接辐射，这样就保持进料端和产品排出端更凉爽并将端部处的辐射热量散失减到最小。该辐射挡板可以由一种合适的耐热材料做成，如钽，锆或最好是石墨。

可包括一个或多个石墨管部件的加热区域可以采用多个加热元件最好是石墨电加热元件进行加热，这些加热元件通常是棒状或盘状形式，设计有单个或多个电源接头，这些接头是水平地或垂直地或两者皆有地安装在加热室内部的管子外侧。加热元件的配置可以设成在加热室内提供用于单一或多介温度区域的弹性，以允许热的分布和递增能力。比如，多个加热元件可设置在需要补尝热损失的加热室端部处附近，为允许提供较多热能输入并因而保持整个加热室的稳定温度。另外，可以在电源输入方面进行改变以允许在微粒材料通过加热区域的时候逐渐升高或逐渐降低温度。如果需要的话，加热室可以分隔成由绝缘隔板隔开的温度区域，这就可以为热成形提供更大的温度限制。

该石墨管的每一个端部都被包在或被包围在一个用于容纳气体、灰尘或类似物的罩子中。加热室、柔性气体密封装置、每一端的罩子以及围绕着开环轴承的水冷套管共同形成了一个外壳，用来在石墨管内部和周围保持一种选择的气体环境。

驱动盘是由一种耐热材料最好是不锈钢做成的，适于耐受炉子工作所处的高温。该驱动盘最好间接地通过一个键槽或花键连接与石墨管相连，这使得在金属驱动盘和石墨管之间可以产生膨胀和收缩的差异。在运行中，驱动盘用来把转动力矩传递到石墨管上，这力矩是通过一个链轮、齿轮或其它与该驱动盘相连的驱动装置施加的。在转动期间，通过一个或数个石墨环获得和保持一种气体密封，该石墨环设置在驱动盘一侧或两侧，并且通过一个或多个柔性波纹管或其它能够将一种类似弹簧弹力的力施加在石墨环上的装置压靠在驱动盘上。此外，这个柔性密封装置用来将一个水平力施加在上述外壳的其它部件上，以便在工作期间在石墨管周围保持一种气体密封，补偿热膨胀和收缩以及转动的一些偏心。

本发明以及本发明实施的方式将参照附图进行进一步地描述，其中：

图1所示为本发明石墨旋转管式炉的侧面剖视图。

图2所示为沿着图1中的基准线2-2剖开的本发明石墨旋转管式炉的剖视图。

图3所示为沿着基准线3-3剖开的本发明石墨旋转管式炉加热部分的剖视图。

在图1中，本发明石墨旋转管式炉1的侧面剖视图包括一个石墨管2，该石墨管包括一个入口区域3、一个加热区域4以及一个产品排出区域5。对于那些本领域的普通技术人员来说，虽然本发明的石墨旋转管式炉被指定和描述成基本水平的，然而实际上该炉子可以从水平方向倾斜，以便有助于材料从那里通过。在所描述的实施例中，石墨管2由三个通过螺丝接头6连接的部件组装而成。然而，在其它实施例中，石墨管2可以设计成一种单个部件或者具有任意多个部件，这取决于各种考虑，比如所要求的整体长度和在沿着该长度在对产品进行处理中的变量，从而导致出于维修目的的不同更换方案。

象微粒材料这样要处理的材料可以通过材料入口7被引导进入位于入口区域3的罩子10中，并通过罩子8从产品排出区域5排出，并收集在安装在排出区域的容器中(未示出)。加热部件4包括一个位于绝缘罩9内部的加热室11，而该绝缘罩被包围在金属外壳31中，该金属外壳本身又可以是一种合适的耐热材料，如不锈钢。加热室11可以包含一个或多个电加热元件12(图3)。绝缘罩9是一种高温绝缘材料，例如石墨或一种合适的纤维绝缘材料如碳(或石墨)纤维绝缘材料。在一个优选的实施例中，石墨绝缘体9还可以装在一个水冷的外壳体13中，该壳体可以由一种耐热材料如不锈钢做成。

石墨管2由一个最好是由不锈钢做的驱动盘14驱动旋转。驱动盘14可以间接地通过一个键槽或花键或类似的连接15安装在石墨管2上，以便把来自动力源(未示出)的转动力矩通过驱动盘传递到石墨管2上，同时允许在热膨胀中出现偏差。

石墨管2在沿其长度的两个或多个位置处由开环石墨轴承16支承。如该优选的实施例中所述，石墨轴承安装在开环水冷套管17中，以使将该轴承维持在一个较低的温度下。在为该石墨轴承提供一个低温度之外，该水冷套管还可以延伸，以便为该炉子的各种部件提供冷却区域。因此，比如，在图1中描述的实施例中，开环水冷套管17水平地延伸，以便在产品排出区域提供额外的冷却，从而在产品从产品出口28排出所述炉子的时候使该产品达到一个所要求的较低温度。另外，在所述的实施例中，设有气体入口21和气体出口27，以便让冷却气体在石墨轴承之间穿过，从而在产品从产品出口28排出炉子之前，在产品通过排出区5时，有助于产品的进一步冷却。

在某些实施例中，最好去掉位于一些石墨轴承上方的水冷套管。比如，在石墨管更长的实施例的情况下，必须通过在加热室11中设置附加石墨轴承来提供附加的支承，因此最好去掉在加热室中包围着那些轴承的水冷套管。还有，如果要求产品排出温度更高的话，那么在产品排出端5中包围着石墨轴承16的水冷套管17就可以做的小一些或者可以不要。

在高温运行中，在石墨管2的内部以及外部最好保持一种非氧化性的气体，例如氮气、氩气或类似的气体，以防止石墨管发生氧化作用。内部气体可以通过通入一种非氧化性的气体如氮气来控制，例如在一个逆流方向上气体通过排出区域5中罩子8的入口25进入，并通过入口区域3中罩子10的出口26离开。如果要求一种顺流气流的话，那么把入口25和出口26的功能倒过来，以便气流就以相反的方向流动。另外，入口25和出口26也可用来使所选择的反应气体穿过其内部以便对经过的材料进行特定的处理。

可以通过在包围石墨管的空间内，尤其在较高温度使问题更为突出的加热区4内保持非氧化气体环境，例如氮气、氩气等气体环境，来防止石墨管2外表面氧化，或防止石墨发生其它不必要的化学反应。采用气体入口/出口通道32和33可以在整个加热室11中使气体保持一种正压。在石墨管2转动期间，当可能出现一些偏心运动的时候，借助于一个柔性气密密封件或其它装有弹簧的密封装置保持一种气密密封，施加正的密封弹性力。该柔性气密密封件包括滑动地压靠在具有一个或多个波纹管19的驱动盘14的一侧或两侧的石墨密封环18，波纹管19，或其它密封装置，以及驱动盘14最好由不锈钢做成，以使承受住炉子的工作条件。气体入口29最好设在石墨密封环18内部，用于输送一种惰性气体，如氮气、氩气等气体，以便在驱动盘14周围和在炉子的产品出口端3的区域中的石墨管2外部保持一种正压惰性气体。

安装在加热室11之中的加热元件12最好为电加热元件，最好是石墨加热元件。它们可以是垂直地或水平地安装，或者两者都有。它们可以按要求设置和供电，以便在整个加热部分4内提供一个单一而稳定的温度，或为热成形提供多个温度区域。

为了防止石墨管2的端部辐射热量过度散失，可以安装多个由合适的耐热材料如钽、锆等材料或最好是石墨做成的半圆形辐射挡板24。这些挡板可以沿着石墨管的内部圆周例如通过胶结进行安装，从而阻止辐射热量直接通过石墨管的端部从加热部件4中散失。

虽然通过参照特定的最佳实施例已经对本发明进行了说明，但是对于本领域普通技术人员来说，应该知道可以对本发明作出各种改进和变化，而不会脱离后附的权利要求所限定的本发明实质和范围。

Claims (20)

1．一种旋转管式炉，包括：

一个通常水平延伸的可旋转的石墨管，具有一个进料区域，一个加热区域以及一个产品排出区域；

多个滑动地支承着所述可旋转石墨管的石墨轴承；

至少一个所述的开环石墨轴承由一个水冷套管进行冷却；

一个驱动盘，安装在所述石墨管上，以便把转动力矩传递到石墨管上；

一个包围着所述石墨管的壳体，用来在所述石墨管中和其周围保持一种选择的气体环境，所述壳体包括，两个石墨环，每一个石墨环通过一个柔性气体密封装置压靠在所述驱动盘的一个对应侧上，从而在所述石墨环和所述带动盘之间保持一个可滑动的密封关系；

一个包围着所述加热区域的绝缘加热室，包含有一个或一个以上的加热元件；

用于气体出入的气体入口和出口装置，为所述壳体提供一种选择的气体环境。

2．一种如权利要求1所述的旋转管式炉，其特征在于，所述石墨管具有多个安装在其内表面上的辐射挡板，用来阻止所述进料端部和所述产品排出端部处的辐射热量的散失。

3．一种如权利要求1所述的旋转管式炉，其特征在于，所述石墨管包括两个或多个管子部件。

4．一种如权利要求3所述的旋转管式炉，其特征在于，所述管子部件设有用于安装和拆卸的螺纹端部。

5．一种如权利要求3所述的旋转管式炉，其特征在于，所述石墨管包括三个可拆卸的和可更换的部件。

6．一种如权利要求5所述的旋转管式炉，其特征在于，所述管子部件设有用于安装和拆卸的螺纹端部。

7．一种如权利要求2所述的转动管式炉，其特征在于，所述辐射挡板是用石墨做成的。

8．一种如权利要求1所述的旋转管式炉，其特征在于，所述柔性气体密封装置包括至少一个波纹管，该波纹管是围绕着所述石墨管同心地设置的，并将一个类似弹簧弹力的力施加在所述一个石墨环上，以使在所述石墨环和所述驱动盘之间保持一种可滑动密封关系。

9．一种如权利要求8所述的旋转管式炉，其特征在于，所述气体密封装置包括两个所述的波纹管，每一个压靠在所述驱动盘的对应侧上的一个所述石墨环，从而在所述石墨环和所述驱动盘之间保持一种可滑动密封的关系。

10．一种如权利要求9所述的旋转管式炉，其特征在于，所述围绕着所述石墨管的外壳包括一组部件，包括一个位于所述石墨管的所述入口区域的一端的第一罩子，一个位于所述石墨管的所述排出区域的一端的第二罩子，一个或多个水冷套管，一个围绕着所述加热区域的绝缘加热室，所述两个石墨环，所述驱动盘，所述部件在一个由所述柔性气密封装置产生的类似弹簧弹力的力的作用下保持密封关系。

11．一种如权利要求10所述的旋转管式炉，其特征在于，所述绝缘加热室包括一个气体入口和气体出口，以便让气体可以出入，从而在所述加热室中的所述石墨管周围保持一种选择的气体环境。

12．一种如权利要求11所述的旋转管式炉，其特征在于，所述加热室包含多个能够为多个加热区域提供多个温度加热元件。

13．一种如权利要求10所述的旋转管式炉，其特征在于，所述第一罩子和所述第二罩子每一个都包括一个用于气体进入或排出的气体进出口，以便使气体顺流或逆流通过所述石墨管。

14．一种如权利要求3所述的旋转管式炉，其特征在于，所述每一个石墨环都包括一个气体入口通道，用于输送和保持正压的气体作用于所述带动盘上。

15．一种如权利要求1所述的旋转管式炉，其特征在于，所述产品排出区域包括一个冷却装置。

16．一种如权利要求1所述的旋转管式炉，其特征在于，所述石墨轴承是开环石墨轴承。

17．一种如权利要求16所述的旋转管式炉，其特征在于，所述每一个开环石墨轴承被一个开环水冷套管所包围。

18．—种旋转管式炉，包括：

一个通常是水平延伸的可旋转的石墨管，包括两个或多个可拆卸的和可更换的管子部件，所述石墨管具有一个进料区域，一个加热区域，以及一个产品排出区域；

多个石墨辐射挡板，它们安装在所述石墨管的内表面上以阻止辐射热量的散失；

多个滑动地支承着所述可旋转石墨管的开环石墨轴承，至少一个开环轴承位于所述入口区域内，并且至少一个开环轴承位于所述产品排出区域内；

在所述入口区域和所述产品排出区域内的所述每一个开环石墨轴承由一个水冷套管所包围；

一个不锈钢驱动盘，安装在所述石墨管上，以便传递转动力矩给石墨管，所述驱动盘通过一个键槽或花键连接被安装在所述石墨管上，以便允许在热膨胀或收缩中出现偏差；

一个围绕着所述石墨管的外壳，用来在所述石墨管内和其周围保持一种选择的气体环境，所述外壳包括两个石墨环，每一个都通过一个柔性气体密封装置压靠在所述驱动盘的一个对应侧上，从而在所述石墨环和所述驱动盘之间保持一种可滑动密封关系，一个位于所述石墨管的所述入口区域的一个端部处的第一罩子，一个位于所述石墨管的所述产品排出区域一端的第二罩子，至少两个所述的水冷套管，一个围绕着所述加热区域的绝缘加热室，所述两个石墨环，以及所述驱动盘，所述部件在由所述柔性气体密封装置产生的类似弹簧弹力的力的作用下保持一种密封关系；

在所述绝缘加热室中的用于气体进出气体入口和出口装置，用来在所述加热室内提供一种选择的气体环境；

一个在所述第一罩子中的第一气体通道，以及一个在所述第二罩子中的第二气体通道，用来使气体顺流或逆流通过所述石墨管；

一个在每一个所述石墨环中的气体入口通道，用来输送并保持正压的气体作用于所述带动盘上。

19．一种如权利要求18所述的旋转管式炉，其特征在于，所述石墨管包括三个可拆卸并可更换的管子部件。

20．一种如权利要求18所述的旋转管式炉，其特征在于，所述柔性气体密封装置包括两个金属波纹管，每一个都在一个方向上对所述驱动盘对应侧的一个所述石墨环，施加一个类似弹簧膨胀的力，从而在所述石墨环和所述驱动盘之间保持一种可滑动的密封关系，并且该力以相反的方向作用于所述壳体的其它所述部件上。

Images