正极材料磷酸铁锂气氛辊道炉—高温烧结的设计细节

 

正较材料磷酸铁锂气氛辊道炉—高温烧结的设计细节

关键词：锂电正较材料、高温烧结、磷酸铁锂、磷酸铁、窑炉、电炉、推板炉、辊道炉、气氛炉、辊道窑炉、氮气保护

用于锂电池磷酸铁锂正较材料在氮气气氛下的烧结及热处理工艺，具体说明如下：

一、用户需求

1）  烧结材料：磷酸铁锂正较材料；2）  材料特性：粉体，烧失率20%；

3）  匣钵规格：320×320×160mm；4）  工艺时间：Rt-720℃（4h），720℃保温（6-8h），720℃-60℃（7h）；5）  工作温度：较高950℃，长期750℃；

6）  炉膛气氛：氮气；7）  四列单层；

二、设计计算

1）  工艺参考时间：17h；2）  单钵产量：12×80%=9.6kg/b；3）  传动速度：30000/17=1764 mm/h；4）  每小时出钵：1764/320×4=22b/h；

5）  日产量：22×9.6×24=5t/d；6）  区域划分：

工艺时间	升温4h	保温6h	降温7-8h	合计17h
加热长度	1764*4=7056	1764*6=10584	1764*7=12348	29988
温区划分	进口过渡2500+833*5=6665	833+2500*3+1666=10000	833（较后1个温区）+2500+10000=13333	30000
区域划分	加热区域：16665		13333	30000

 

表1 炉体结构计算表

三、技术指标与基本配置

产品型号：RDGN520-9

额定温度：950℃；工作温度：750℃

主传动：碳化硅辊道（辊棒规格Φ35mm，辊棒间距78mm）；

进出口传动：金属轴陶瓷辊道；

主传输速度：500～2500mm/h，变频调速，数字显示；

加热元件：石英内穿丝管；

炉口尺寸（辊道上表面到炉顶）：1400×200mm；

有效承载高度：200mm；

匣钵尺寸：320×320×160mm（客户自备）；

烧结气氛：氮气；

气路组成：13路进气，1路排气，进口置换室排气烟囱汇总到炉膛排气；

	位置	流量	置换	工作	作用
进气E1	进口置换仓	24-240l/min	开启	开启	置换进口空气
进气E2	升温段1	48-480l/min	开启	开启	升温段炉膛置换
进气E3	升温段2	48-480l/min	开启	开启	升温段炉膛置换
进气E4	恒温段	24-240l/min	开启	关闭	恒温段炉膛置换
进气E5	降温段	24-240l/min	开启	关闭	降温段炉膛置换
进气E6	水冷段	48-480l/min	开启	开启	水冷段炉膛置换，匣钵气冷降温
进气E7	出口置换仓	24-240l/min	开启	开启	置换出口空气
进气E8-E13	炉体传动密封仓	6*（24-240l）/min	开启	开启	传动端降温、维持炉膛正常气氛，调节温度均匀性；
排气	4排烟囱

表2 气氛位置状态表

排胶处理：加热保温，防止冷凝回滴；

冷却方式：钢制水冷套；

炉体结构划分：进口过渡区：2500mm

加热区：15000mm（833*6+2500*3+1667+833）

降温区：2500mm

进口平台：500mm（有动力）

出口平台：1000mm（无动力）

控温稳定度：±1℃

水冷区：10000mm

炉体总长：30000mm

进口气室：1800mm

出口气室：1800mm

 

炉膛温度均匀度：±3℃（恒温区700℃，检测方法：每5m炉体预留单排4个热偶检测孔）

温区个数：11个

控温点数：11点（每温区中点控温，左右2点测温，比例输出）+1点（烟囱加热）

启动紧急信号保护：超温、断偶、速度、钵位、氧含量、气压等声光启动紧急信号保护（指示灯指示）；

断棒指示：机械棒位指示，端头玻璃窗人工观测

表面温升：＜35℃

出料料温（正常装料量情况下）：＜60℃

非常大功率：372.6kw+16kw=388.6kw

典型保温功率：≤200Kw（正常工艺）

工作压力：0.2-0.4Mpa；

气氛耗量：工作压力下氮气非常大耗量：230m³/h，常用150m³/h

炉膛压力监测：炉体共1点在炉膛前部。

氧含量控制：（满钵空载热态）

区域	氧含量值
进口置换仓	≤60ppm
低于500℃加热区域	≤50ppm
高于500℃加热区域	≤30ppm
水冷段	≤50ppm
出口置换仓	≤50ppm

表3 氧含量状态表

氧含量检测方式：6点（进出口2点、炉膛3点、水冷1点），二位三通阀巡检；

冷却水量：15-18m³/h；

进水温度：≤30℃；

重量：约30000Kg（不含循环线）

安装尺寸：35100mm×4500m×1920mm（不含控制柜）

进水压力：0.15-0.2Mpa；

回水压力：无压回水；

电源：3相5线，380/220VAC，50Hz；

四、总体技术说明

整个窑炉主要分为四大部分，即窑体、气氛控制系统、温度控制系统和传输系统。

4.1 窑体设计

设备总长33.6m，炉体长30m，分成过渡、加热、降温和冷却区。炉膛内辊道采用碳化硅制品，进出口辊道采用金属轴陶瓷辊道，延长辊道寿命和均匀磨损。炉体外密封设计，保证烧成气氛要求。

采用上下加热，左中右3点比例控制，分别检测控制炉膛宽度的左中右三个区域，实现温度高均匀性，采用铁铬铝合金加热丝，高表面负荷，高电阻率，高寿命。

过渡区长2.5m，为自然过渡区，不布置加热元件。加热区长15m，布置11个温区。功率分布如下表：

温区	1-6	7到9	10	11	合计
单温区长度（mm）	833	2500	1667	833	23.75
上温区加热功率（kw）	10.8	16.2	16.2	9
下温区加热功率（kw）	21.6	21.6	21.6	18
单温区加热功率（kw）	32.4	37.8	37.8	27	372.6
单温区加热棒根数（根）	12	21	21	9	165

 

表4 温区功率分布表

进出口置换采用直插式钢板闸结构，通过多级置换建立工艺气氛，结构简单，运行可靠，无需更换密封件。置换腔内安装多道耐火布帘，能有效阻止热能从进出炉口的散失。

约有20%的热能是通过碳化硅辊棒的端头散失的。

为此，该气氛辊道炉专门设计了单独传动密封腔，正对每根辊棒端头安装有氮气喷嘴，直接气吹冷却辊棒两端，同时密封腔内的氮气从辊棒安装孔的间隙压入炉膛内，一方面对氮气进行预热，另一方面由于正压作用，有效防止棒孔散热！

炉膛侧壁喷涂柔性陶瓷涂料，避免水汽对炉膛保温材料的侵蚀。

加热元件采用陶瓷内穿丝防止水汽侵蚀，炉膛全部采用日本伊索产轻质莫来石耐火砖，采用日本原版拱形结构砌筑而成，窑炉保温内层为1260机制板，外层为普通纤维制品.

由于完全采用了超轻质材料保温，热容小，升降温快，因此温度控制灵敏，并且有明显的节能效果。

在升温段设置4排烟囱，手阀控制废气排放，保证炉膛内部气氛为正压。配合高顶大腔结构，保证胶质有效及时的排出。陶瓷烟囱管外套保温加热器（总功率16kw），防止胶质遇冷回滴。

降温区长2.5m，不布置温区，在该段炉膛顶/底部开有许多小孔，大量氮气通过小孔吹入炉膛，对匣钵和工件进行降温。

水冷段长10m，为多节蛇形水道钢制水套。利用水冷换热进行降温。水套底部设有进气气盒，可以辅助降温冷却。

4.2 气氛控制系统设计

通入气氛共分成12路。

4.3 控制系统的设计

RGDN-520-9型气氛辊道炉采用德国倍福嵌入式计算机控制系统，安装在单独的电气控制柜内，通过电缆和热偶补偿导线与炉体连接，对窑炉进行控制。该系统基于PC控制技术和现场总线、总线端子模块以及Twincat自动化软件。

倍福模块化控制器将工业PC和PLC无缺结合在一起，可以完全取代温控仪表，直接通过计算机屏幕对各个温区实施PID控制；同时作为PLC，它还可以操控辊道的逻辑循环动作。倍福控制系统具有如下特点：

1．  独特的温控算法，具有较高的温度稳定性；

2．  环形网络拓扑结构增加了系统的网络备份（当网络出现一个支路故障时，不影响整个系统的信号传输）；

3．  实时操作系统提高了系统的可靠性；

4．  未来系统的可拓展性。系统预留了足够的硬件，便于以后增加远程故障诊断、维修等功能；

本设备加热区由11个温区组成，分别由多组交流接触器分组供电，这样可以减小设备对电网的瞬时电流冲击，结合恒力专门研发的不等功率分布单管加热器，分别检测控制炉膛宽度的左中右三个区域，通过调节每个区域的设定温度及上下加热输出比，保证炉膛有效空间的均匀度小于±3℃。

并且当某个温区温度发生超温现象时，相应区域的温度超温启动紧急信号系统立即发出声光启动紧急信号信号，面板上的对应温区启动紧急信号信号灯点亮，蜂鸣器发出断续的启动紧急信号声。

控制方式为K分度热偶检测区域温度，固态继电器过零触发方式，并实现平衡加热，以减少对电网和周遍设备的干扰，并延长控制器件的寿命。

4.3.1 软件功能

（一）分级登录功能

计算机系统采取分级管理和登录机制，一般操作人员只能观察和记录显示数据，无法修改；只有指定系统人员才可以操作软件的所有功能，包括可以新建用户、分配用户等级、修改用户密码等功能；管理和调用真实数据。

（二）实时显示信息功能

主控界面可以实时显示各温区实测温度（PV）、设置温度（SV）、辊道和匣钵速度、并且有指示各种启动紧急信号状态、匣钵运行状态到位等。

（三）系统参数设置功能

本软件具有参数设置界面，操作员级用户登录后进入此窗口操作。通过填表格的方式输入各温区设定温度、PID参数、启动紧急信号限、自整定和循环周期等控制参数，可以作为工艺设置文件存储以供下次方便调用。

（四）数据记录查看功能

本软件具有历史数据和启动紧急信号记录查看窗口，在此窗口可查看较近一天的温度、动作和事件情况，这些历史数据均保存在硬盘上，可以单独打印任何时间记录的数据。

4.3.2 软件窗口组成

本软件具有5个功能界面：

1、主界面：信息显示和温度设置。

 2、用户管理窗口：用户分级管理和登录。

3 、工艺设置窗口：工艺参数显示、保存和文件存储。

4、系统设置窗口：通讯和设备参数设置。

5、数据查看窗口：查看和打印历史记录数据。

4.4 传动循环系统的设计

主传输系统采用分段式人字齿轮，驱动碳化硅辊道直接带动匣钵运动，速度变频器无级可调。

为防止匣钵在整个循环运动的过程中跑偏造成卡炉，在辊道入口端设计有匣钵自动找正对齐机构；在辊棒被动端安装有指示，当辊棒正常运转时，所有指示角度一致，当某个指示与其他不一致时，可以通过炉膛传动密封腔侧面玻璃观察窗观察到，说明此处辊棒运动出现问题。

五、设备组成

设备由主机、推进循环道、控制柜等组成，交货一览表如下：

		名称	主要内容	数量
1	基本组成	窑炉主机	不含加热棒、推进及控制系统	1台
2		控制柜	温度、速度、顺序控制等	3台
3		匣钵	320×320×160mm（用户自备）	500只
4		加热元件	陶瓷内穿丝管	165套
5		辊道	SiC辊棒	384套
6		气氛系统	12路进气/1路排气	1套
7	附件	检验合格证	各主要外购组件合格证	1套
8		技术文件	使用说明书、各主要外购件随机技术文件等	1套
9	备件	加热元件	陶瓷穿丝管	10根
10		辊道	SiC辊棒	10套
11	软件	嵌入式系统	19″液晶	1套

六、设备条件

6.1 设备的运输与现场安装

设备运抵买方现场后，由买方负责设备的卸装和向安装现场的搬运。卸装和搬运主要使用叉车、液压拖车、滚杠等搬运工具。

如果买方安装在非底层，需要采用提升搬运，一般采用吊车。如买方希望通过货运电梯（非客梯）搬运，必须在设备设计前通知卖方，买方需充分考虑货梯、拐弯和入门等细节。

现场安装前，买方需提前做好动力、抽风等条件准备。具体动力、抽风以及场地安装布置要求，在设计后，经买方确认执行。

在买方现场的设备安装，包括现场结构对接、窑炉砌筑、布线（距离炉体10m内的电缆由卖方提供，10m外需另外购买）等工作。但配电柜以前的配电、抽排风系统（含风罩的等），由买方负责。

卖方负责现场安装、砌筑和功能调试，并协助买方进行工艺调试。

6.2 正常运行条件

安装场地	37.5×5.5×4m（L×W×H，不含控制柜），安装面积207m2
通风系统	3排烟囱，非接触接入用户排气系统，抽排能力大于500m3/h
地面承载	地面承重大于500Kg/m2，地表无明显振动，水平干燥
环境条件	设备环境温度<40℃、环境湿度<80%RH；控制柜环境温度10-25℃、环境湿度<50%RH；现场无腐蚀性气氛，尤其是氯、硫等腐蚀性气体；无强烈气流扰动
动力条件	380/220V±10%，50Hz±5%，3相5线（A、B、C、地、0），单独供电，总容量大于520KVA。

七、质量保证

7.1  质量管理措施

严格按照GB/T19001-2000要求，严格进行一体质量控制，实行项目管理。

窑炉砌筑严格按照《GBJ-211-8工业炉砌筑施工及验收规范》执行。

质量控制要点包括合同评审、方案论证、过程评审、图纸审核、可靠供应商保证、入检、制造质量控制、装配质量控制、调试质量控制、信息沟通管理等管理。项目管理采取项目组形式，负责项目实现的全过程的管理。

 

本文感谢北大先行、深圳贝特瑞、深圳比亚迪、安徽国轩、湖南升华、天津斯特兰、贵州安达、湖北万润、湖南杉杉、中信国安、北京当升科技等公司给予的技术支持和帮助！

 

备注：可根据客户要求设计制造，更多规格、参数以及详细技术方案可来电索取。

联系作者：周生    TEL:13771355028  

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