新型全自動氮氣推板爐在磷酸鐵鋰燒結中的應用

黃 晨，李柳芽

(中國電子科技集團公司第四十三研究所，安徽合肥230088)

磷酸鐵鋰是一種新型鋰離子電池電極材料。目前全球已經有很多廠家開始了工業化生產，如美國的Valence（威能）公司和A123（高博），加拿大的Phostech，國內天津斯特蘭，北大先行，BYD等。磷酸鐵鋰電池特點是放電容量大，價格低廉，無毒性，不造成環境污染。磷酸鐵鋰電池應用領域廣泛，終端產品如電動工具、UPS電源、礦燈、玩具、電動自行車、電動汽車等都是關系民生的消費量很大的產品，此外在軍事和航天領域也是一種最佳的動力電池。但是磷酸鐵鋰材料研發和生產有著較高的技術含量，進入這個領域有一定的門檻，工業化生產不僅要掌握材料配方，而且要求掌握成熟的工藝。氮氣保護推板爐是磷酸鐵鋰生產環節中的重要設備，窯爐的一些重要指標如：爐膛溫度控制精度、爐膛均勻度、爐膛氣氛控制直接影響磷酸鐵鋰的電性能。

1 氮氣推板爐結構

1.1 機械結構

采用全新液壓推進機構的氮氣保護推板爐主要由置換氣室、爐膛溫區、回推滾道、液壓推進系統、密封裝置、氣氛管路、水路、電氣控制柜組成。整個設備控制系統為自動運行，只需把需燒結的磷酸鐵鋰粉料置于滾道上，設備自動將粉料送進氣室置換，置換完畢后送進爐膛進行氣氛保護燒結，最后在計量好的工藝時間內自動把燒成的粉料送出爐膛，且出爐的粉料溫度在50℃以下，保證粉料出爐后不被空氣氧化。

1.2 控制系統

窯爐的控制系統由溫度控制系統，液壓控制系統，爐膛氣氛控制系統和計算機數據采集系統四大部分組成（見圖1）。

圖1 推板爐控制系統結構

1.2.1 溫度控制系統

主要由若干個溫區組成。每個溫區都是由單獨的溫控儀控制，溫控儀把采集的熱電偶信號通過放大轉換后，與設定值比較，通過PID計算，控制輸出率大小來調節加熱功率大小，從而達到控溫的目的。PID實際是一個放大系數可自動調節的放大器，動態時，為了防止系統出現超調與振蕩，所以放大系數較低。靜態時，放大系數較高，可以蒱捉到小誤差信號，提高控制精度。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制(見圖2所示)。

圖2 PID反饋控制原理

1.2.2 窯爐動作控制

動作系統主要由液壓站、油泵、若干個油路和電磁閥組成。油缸推進的時候，PLC控制電磁閥打開，油泵進油從而推動油缸運動，到達位置后，位置傳感器把到位信號給PLC，PLC檢測到位信號后，控制電磁閥關閉。通過位置傳感器把檢測信號送入PLC，PLC按設定程序讓各個油缸穩定有步驟的運行。圖3為油缸循環自動推進動示意圖。箭頭方向為動作運行方向。

圖3 油缸循環自動推進動作示意圖

1.2.3 氣氛控制系統

主要由若干個氣路和若干電磁閥組成。爐膛內始終是氮氣置換，這樣可以保證爐膛壓力高于外界大氣壓，外界空氣不能進入。對于置換氣室，當氧含量傳感器檢測到氧含量超標時，給出信號送入PLC，PLC控制電磁閥開啟，充入氮氣直到氧含量達標，達標后自動關閉充氣閥門。當充入氮氣過多導致壓力超標時，排氣電磁閥自動開啟釋放壓力。

1.2.4 計算機數據采集體統

主要有工控機和窯爐監控軟件組成。計算機監控系統采用集散控制系統，上位機和下位機通過RS485進行通訊，上位機采用工業計算機，下位機包括溫控儀、PLC、變頻器等。計算機監控軟件采用VB編寫，界面友好，可以設置溫度參數，顯示和存儲實時工藝參數、溫度數據、報警狀態，記錄氧含量等功能(見圖4所示)。

圖4 監控軟件主界面

2 氮氣保護推板爐應用

全自動氮氣保護推板爐是針對磷酸鐵鋰的生產特性，專門開發的新型設備。其主要特點：

（1）控溫采用先進的PID控制算法儀表，溫度控制精度高，減小了爐膛溫度的波動。

（2）爐膛氧含量控制在20×10-6以下。

（3）設備采用液壓系統控制推進速度，速度平滑穩定，有效地解決了電動推桿推力過小的不足。

（4）設備在保溫過程中能耗較低，保溫功率只有滿功率的50%左右。

（5）整個推進系統自動運行，可以連續放料和出料，能保證產量。

（6）計算機全程記錄各個溫區參數、推進速度，記錄爐子運行狀態，以便查詢。

（7）窯爐生產時為全自動運行，檢修時候可以切換到手動運行。

目前磷酸鐵鋰材料的生產廠家眾多，各家廠商的材料配方工藝都有區別。在低溫預燒后，采用全自動氮氣保護推板爐在高溫燒結，這是一種方法。大部分廠家的粉料在預燒過程中會產生大量化學物質，甚至是帶有腐蝕性的揮發物，我們稱這些物質為膠質。若不經過預燒直接從氮氣推板爐內排膠并燒結，這也是一種工藝方法。此方法缺點是產生的膠質腐蝕會縮短氮氣保護推板爐的使用壽命。膠質容易腐蝕設備上的傳感器和零部件，導致維修成本增加。順暢排出揮發物不污染環境，保證爐膛氧含量穩定不波動是氮氣保護推板爐設計過程中一大難點。針對這一問題，在爐體的設計上這就要求合理分布溫區，合理設計煙囪位置，控制爐膛內氣體的流向，從而達到順暢排膠和保證爐膛氧含量不超標的目的。就目前國內而言，相當大部分磷酸鐵鋰通過使用全氣氛保護推板窯來實現制備，效果非常好。目前我公司研制的全自動氮氣保護推板爐已經用在國內十幾個廠家的生產線中，有用于測試階段的，也有用于量產的。

3 結束語

我們相信，磷酸鐵鋰電池作為一種實用新型鋰電池，代表了電池未來的發展方向。國內的磷酸鐵鋰產業投資熱正在興起，其勢頭超過了其他任何國家，制造出更穩定、更可靠、更節能、更經濟的設備是我們的目標。氮氣推板爐制造技術的不斷發展和成熟將為磷酸鐵鋰制造業提供有力支持，同時也可大大提高我國裝備制造業的水平。

[1]陶永華，尹怡欣.新型PID控制及應用[M].北京:機械工業出版社，1998.