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一、概述
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艾奇逊石墨化炉（Acheson furnace）是指以发明者艾奇逊的名字命名的一种石墨化炉。艾奇逊炉于1895年发明并首先在美国取得专利，它的雏形是：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，使炭的坯料在2200~2300℃的温度下，经高温热处理而转变为人造石墨。二、艾奇逊石墨化炉结构
艾奇逊石墨化炉（如下图所示）由耐火材料铺砌的型炉底（砌在钢筋混凝土基础上）和两个装砌有导电电极组的端墙组成，呈长方形分布。端墙的作用是固定导电电极组，其外侧砌耐火砖或炭块，内侧砌石墨块，墙体中部用石墨粉填充构成密封填料空间，数根导电电极(石墨电极)穿过端墙，导电电极直径和数量根据石墨化炉通电时的电流强度而定，相关石墨化石油焦产品参数供参考，在通电期间电极温度不断升高，因此要对导电电极进行冷却。炉身两旁用耐火砖砌成侧墙，也可用耐热混凝土制成的墙板立放在炉两侧代替炉墙。侧墙的作用是保证所装制品和辅助料所占据的空间。![]( "艾奇逊石墨化炉示意图.jpg")
小型艾奇逊石墨化炉炉身长10~12m，炉身宽1m左右，每次可装20t左右焙烧品；中型艾奇逊石墨化炉炉身长14~16m，炉身宽3m左右，每次可装40~50t焙烧品；大型艾奇逊石墨化炉炉身长18~20m，炉身宽4m左右，每次可装100t左右焙烧品。 艾奇逊石墨化炉是全球应用得相当广泛的石墨化炉，自1895年发明后，在国内外得到迅速推广，在相当长的一段时间内，一直占据着石墨化炉的主导地位。艾奇逊石墨化炉问世百年来也在不断地改进和完善，从交流炉发展到直流炉是其重大的技术突破。一些主要技术指标(如送电时间、单位电耗)及产品质量都得到大幅度改善，但艾奇逊石墨化炉的固有缺点，如热效率低、单产能力小、温度不均匀等缺点依然存在。串接石墨化炉的应用结束了艾奇逊石墨化炉一统天下的局面。石墨化市场资讯，关注我们更多了解。三、艾奇逊石墨化炉与厢式炉、连续化石墨化炉的比较？艾奇逊炉坩埚法是目前石墨化主流生产工艺。按照加热方法不同，石墨化主要有间歇式和连续式两种生产工艺。间歇式石墨化过程中物料需要经历装炉、升温、石墨化、降温断电出炉等工序。以目前主流的艾奇逊炉为例，石墨化过程主要包括将负极材料均匀放入石墨坩埚内，再通过天车吊起平放入石墨化炉中，将电阻料放入炉芯处石墨坩埚外围，再包覆保温料，将炉体填满，即完成装炉。将炉体装满后，即进入电加热过程，通过石墨化炉两侧的电极进行通电加热，在炉内达到一定温度后加盖炉顶并设置集气罩，炉内温度将继续升至2800 - 3000 ℃，最终将坩埚内含碳物质在高温热处理下，实现减少无定型碳微晶结构边缘杂质，使其具备石墨晶体结构特征。通电加热结束后，将炉顶打开，静置冷却至材料恢复常温，即结束该生产过程。通常情况下，石墨化工序或提纯工序一个周期将达到15-22天。连续式石墨化具有成本、效率、环保等方面的优势，成为产业化探索新方向。连续式石墨化生产过程中没有断电，石墨原料经过一系列的温区从而实现连续石墨化。其原理是先将备好的粒度为1~30 mm的散状石油焦由上料装置送入进料斗，经过干燥、煅烧阶段，将产生的蒸汽和挥发分排出；而后进入高温区完成石墨化；最终进入炉底冷却器，冷却到200~300 ℃时，打开冷却器底部的闸板出料，自然冷却至室温。连续石墨化具备以下优势：1)热能利用率更高(连续法25%，艾奇逊法10-15%)；2)生产辅料节约，设备法几乎不消耗辅料，艾奇逊法没生产1吨产品大概消耗4吨辅料；3)废气集中处理，对环境友好，连续法生产过程密闭，由专门的辅机收集处理废气，艾奇逊法是敞开式冶炼环境，无法有效收集废气）；4)碳排放很低，设备法仅为艾奇逊法碳排放当量的25%；5)设备法生产组织模式具有连续性，中间产品“不落地”，节省大量人力、运输运转费用。根据山河智能反馈，行业艾奇逊法平均耗电8000-14000度/吨，而连续法耗电量将比传统艾奇逊法降低30%左右且辅料大大减少。但目前看实现连续石墨化升温至2800度以上相对困难，且由于其生产过程密闭杂质气化易使炉内压力过高。目前贝特瑞、山河智能等企业在尝试突破中。连续化石墨炉是一种高度自动化的新型石墨化装备， 理论研究已经多年，在生产周期、清洁环保方面具有优势，但 是因石墨化炉需要承受近 3000 摄氏度的高温，对石墨化炉耐 火层的耗材要求极高，新材料，新装备，两者相辅相成，而在 目前材料体系内，在高度自动化装备下，寻求低成本、高效率、 低维护、安全系数高的耐超高温的受热耗材，难度较大。在目 前小炉子的试验阶段，热效率低，电耗远高于成熟的艾奇逊炉 子，炉子放大试验目前还难以开展，截至目前，连续化石墨化 炉尚未规模量产应用。厢式炉大幅提高单炉量，降低能耗，头部负极企业逐步导入。石墨化工艺的关键环节之一是装炉，厢式炉工艺相较于坩埚法可以提高单炉装炉量。厢式炉工艺将整个炉芯空间分成若干个等容积腔室，负极材料直接放置于石墨板材所围成的厢体空间中，石墨板材具有导电性，厢体通电后自身发热，在作为负极材料容器的同时能够达到材料加热的目的。厢式炉工艺避免了负极材料重复装入、装出坩埚工作，且由于厢体自身材质及形状特点，厢体之间无需添加保温电阻料，仅需保留厢体四周与炉壁之间的保温材料，增大了炉内负极材料的有效容积及使用效率。根据璞泰来定增回复函，箱式炉工艺可以使单炉有效容积成倍增加，于此同时总耗电量仅增加约10%，从而带来产品单位耗电降低40%-50%左右。与坩埚装填方式相比，厢式法工艺厢板拼接过程精度较高，装料吸料操作难度加大，加热过程需更加精确地控制送电曲线及温度测量，所以整体对石墨化工艺掌握程度及技术优化水平要求较高，目前行业内仅有贝特瑞、璞泰来、杉杉股份、凯金能源、翔丰华等少数头部企业掌握并规模化使用。厢式炉目前在国内有部分厂商量产应用，具有能耗低、单炉加工量较大，不需要石墨坩埚，生产成本相比传统艾奇逊石 墨化低，但是石墨化度相比艾奇逊石墨化炉低些，无法满足中 高端负极材料石墨化要求，升温、保温和降温慢，导致生产周 期长，而且物料大批量集中于厢式炉腔内，送电曲线、温度控 制不好掌控，使得物料受热不均匀，物料的稳定性、均一性差， 尤其负极关键指标-比表面难以精确控制。公司全部是艾奇逊坩埚石墨化炉，经过多次迭代更新，作 为行业艾奇逊坩埚炉优秀代表，在能耗、成本控制方面与领先的厢式炉不相上下，而且在物料石墨化度、产品稳定与均一性、 比表面积控制、安全性等方面优于厢式炉，能够满足中高端负 极材料的大规模交付要求，另外厢式炉的送电和冷却周期较 长，周转效率远低于艾奇逊坩埚石墨化炉。四、艾奇逊石墨化炉的能量平衡
由于艾奇逊石墨化炉是现行炭素工业石墨化生产的主要炉型，弄清楚艾奇逊石墨化炉的电热效率和能量平衡，对于炭素制品的石墨化生产和石墨化炉的节能有着十分重要的作用。根据能量守恒定律，对于由电能转化为热能达到加热石墨制品的艾奇逊石墨化炉，可以从理论上由电能的数值计算出各个时刻石墨化炉芯内的温度，但是仅由焦耳一楞次定律Q=0.24IRT，还不能完全求出炉芯内的温度。因为，电阻热除了加热炉芯制品、升高炉芯温度之外，还有很大一部分热量通过各种途径散失掉了。那么，总电能中有多少用于加热炉芯，升高炉芯温度的能量是多少，通过各种途径散失的能量是多少，由能量守恒定律得知，这三者是平衡的。
从艾奇逊石墨化炉的电热平衡分析可知，石墨化炉是消耗电量很大的热工设备，因此如何在保证产品质量的前提下，减少电量消耗是石墨化炉节能的主要内容，也是降低石墨化生产成本的必由之路。艾奇逊石墨化炉的节能，其制品的石墨化难易程度也是影响其石墨化工艺电量消耗的因素之一，除了尽可能提高制品石墨化成品率，减少各种类型的废品外，我们还可以通过改进石墨化工艺技术、增强保温料的保温效果、改进石墨化炉体结构、防止导电电极氧化、改变石墨化炉与变配电变压器系统的连接方式等措施，以降低艾奇逊石墨化炉石墨化工艺电量消耗，节约能源。石墨化是人造石墨制备中的核心工序，构建产品性能品质保证。石墨具备良好的电子电导率和离子电导率，其平面六角的层状结构和较低的充放电电压十分适合Li+的脱嵌运动，是目前较为理想的负极材料。石墨化是将热力学不稳定的炭原子实现由乱层结构向石墨晶体结构的有序转化的过程。人造石墨以石油焦或针状焦为主要原料，在高温电炉内保护性介质（多为氮气）中加热到2800 ℃以上，改变焦类材料的空间结构，使之具备良好的体积密度、导电率、导热率、抗腐蚀性能及机械加工性能。应该说，石墨化在一定程度上决定了人造石墨产品的品质和质量的稳定性。石墨化约占人造石墨负极成本50%，企业生产经验保证石墨化环节质量。石墨化工艺流程主要包括铺炉底、砌炉芯、负极材料前驱体及保温料体的装炉、送电、冷却、出炉、包装等过程。一个周期石墨化一般要20-30天，其中送电升温用时40-100小时是石墨化工序的关键环节。为得到较好的石墨化效果，企业需要根据电阻材料性能的不同，调整物料间的距离；且需要根据石墨化炉的容量和产品规格，调整通电曲线，控制石墨化过程中升温和降温的速率。由于加工过程中看不到炉中的反应情况，无法返工，因此，厂商的生产经验在石墨化环节非常重要。由于整个环节需要高温，能耗较高，石墨化工序约占人造石墨负极成本50%。
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