淺析鋰電池正極材料輥道窯拱窯故障的原因與對策

張繼豐

（天津國安盟固利新材料科技股份有限公司，天津 300301）

鋰電池正極材料鈷酸鋰生產工序由混合、一次合成、一次粉碎（氣流粉碎）、二次混合（除鐵）、二次合成、二次粉碎（機械粉碎）、批混、過篩除鐵、包裝組成。在生產過程中，合成工序設備窯爐作為關鍵工序的關鍵設備，其利用率及窯爐溫場的均勻性、周期的誤差、進排氣，直接影響著產品的產出及產品的性能指標。綜上所述，鋰電池正極材料生產過程中，合成工序窯爐設備運行的穩定性要求很高。在日常生產過程中，需要識別出導致窯爐長時間故障停機的原因，包括設備自身原因以及其他因素（工藝、匣缽質量等）。識別出導致長時間停機故障原因后進行分析、解決，提高窯爐設備的利用率，保證生產的順利進行。

1 鋰電池正極材料生產合成工序窯爐設備介紹

我司選用的是38．88米四列雙層輥道窯爐，窯爐由升溫區、恒溫區、降溫區組成，每個溫區有上下硅碳棒加熱系統組成。燒結周期為15～30小時可調，主傳動采用斜齒輪傳動。窯爐每溫區進排風系統流量在一定范圍內可調。原料（前驅體、氫氧化鋰）在配料混合工序按一定比例混合均勻后，進入窯爐喂料系統。窯爐喂料系統將混合均勻的原料裝入匣缽中，匣缽中的物料通過搖勻、切塊后，通過置換室輥軸被輸送窯爐入口，匣缽在輥棒拖動下，進入爐膛，通過升溫區、恒溫區進行化學合成，降溫區進行冷卻，經過合成后的物料輸送到下一道工序。

2 窯爐設備一次長時間停機故障的影響

窯爐降溫、維修、升溫共計影響生產15天左右，共計影響58噸物料產出，造成4．9噸物料品質異常，窯爐維修備件、材料費用約10萬元。

3 窯爐設備拱窯故障描述

我司合成工序窯爐于2019年4月14日、9月29日發生兩次拱窯故障。故障發生前，窯爐主傳動異響，窯爐出口出現破碎的匣缽，19、20溫區積缽，破碎的匣缽已經頂到隔區梁，另外，此兩溫區的輥棒大面積斷裂。如圖1所示。

圖1

4 故障窯爐拱窯故障原因分析

（1）匣缽破損，匣缽破損碎塊或其他異物將輥棒卡住，輥棒斷裂導致積缽拱窯（處理此次拱窯事故清理出斷裂匣缽如圖2所示）。（2）加熱棒保護套斷裂掉落雙層匣缽上，破碎的套管隨匣缽輸送到溫區的隔區梁卡住，導致積缽、拱窯。（3）輥棒從動端翹起將匣缽頂起，與隔區梁相撞導致積缽拱窯，輥棒斷裂（4）輥棒異常斷裂導致積缽拱窯。輥棒斜齒輪傳動不穩定，整條窯爐輥棒轉動速度不均勻，匣缽在爐膛內堆積導致拱窯。（5）輥棒從動測陶瓷輪襯套卡頓，輥棒翹起，爐膛內部匣缽運行順序錯亂，導致匣缽刮壁。（6）斷棒檢測功能異常，沒有檢測出輥棒斷裂，導致窯爐拱窯。

圖2

5 針對以上六點窯爐拱窯故障原因分析對應的對策

（1）故障原因5．1對應的對策：匣缽在使用過程中，增加對匣缽外表質量的檢查頻次，發現有裂紋等殘缺，匣缽需立即更換；重新評估匣缽的使用批次，制定合理的匣缽更換批次標準。

（2）故障原因5．2對應的對策：①修改窯爐升溫、降溫曲線，降低窯爐升、降溫速率，延長窯爐保溫時間（目前，窯爐升、降溫保溫時間為8小時，窯爐技術附件要求窯爐各階段保溫16小時），減少由于窯爐升降溫速度過快導致的加熱棒保護管破損、掉落到匣缽上卡住隔區梁導致拱窯。②擬定窯爐加熱棒保護套管更換頻次。窯爐升降溫2次，更換恒溫區加熱棒保護套管，防止破碎的套管隨匣缽輸送到溫區的隔區梁卡住，導致積缽、拱窯。

（3）故障原因5．3、5．4、5．5、5．6、5．7對應的對策：窯爐主傳動結構改造。現有窯爐主傳動結構斜齒輪咬合間隙過小、傳動可調性不一、輥棒長時間運行存在不穩定等問題，導致輥棒斷裂、窯爐積拱窯故障。具體改造方案及技術要求如下：一是主傳動改造前后結構如圖3所示，此改造項目涉及主傳動整體支撐的改造，要求支架強度滿足要求，確保主傳動在長期運行狀態下斜齒輪咬合良好，無跳齒問題，主傳動軸無彎曲問題，主傳動橫軸需要考慮多增加軸承座支撐，另外，在現有每條窯爐4臺主傳動電機基礎上增加至6臺傳動電機，提高主傳動運行的穩定性，選用現有品牌電機和變頻器。二是主傳動改造輥棒萬向節聯軸器需與設備再裝輥棒連接相匹配。三是斜齒輪模數、齒數、壓力角等參數與在裝設備斜齒輪相關參數一致或者確保窯爐原設計周期15～30h周期連續可調，窯爐周期誤差不大于5分鐘。斜齒輪、主傳動橫軸聯軸器耐磨、防腐處理。四是涉及主傳動的軸承座，均需加注潤滑脂油嘴，設備安裝后所有的潤滑點均需要加注高溫潤滑脂（包括斜齒輪、傳動軸承等）。五是萬向節聯軸器與其安裝板之間配合的軸套需要耐磨，配套的軸封需要選用耐高溫材質，密封性良好。六是輥棒支撐瓷輪、無油襯套在長期高溫狀態下無卡阻且與設備本體無干涉；杜絕選用非金屬、石墨等材質不耐磨襯套；每條窯爐需要額外準備1/3窯爐使用的輥棒支撐瓷輪和無油襯套，便于在改造過程中發現損壞的齒輪、無油襯套的更換。七是輥棒能夠實現正反轉功能并且運行穩定；主傳動需要增加安全銷報警機構，報警信息寫入原有設備程序中。確保驅動機構檢測及時有效，報警信息解除需要增設權限（只有設備維修人員確認后才能消除蜂鳴報警。八是每根輥棒需要安裝斷棒檢測功能和輥棒錯位功能（輥棒運行過程中從動側輥棒轉到瓷輪上方檢測功能），所選的檢測元件需要耐高溫、耐腐蝕，且檢測元件使用周期至少2年以上，檢測報警信息寫入原有設備程序中。確保斷棒檢測功能及時有效，報警信息解除需要增設權限（只有設備維修人員確認后才能消除蜂鳴報警）。九是設備改造過程中涉及與現場原設備干涉的部位或為了便于安裝需要拆卸的部位，在主傳動安裝后需要恢復，確保現場設備的完整性。十是設備改造、調試過程中損壞的的備件需要由施工方負責購買、更換，備件的規格、型號、材質、品牌需要與現場原有設備相應的備件一致。十一是設備安裝后、調試前需要對輥棒水平度、平行度進行調整，整窯輥棒水平度在5mm以內，輥棒平行度3mm以內；確保匣缽冷熱狀態下出窯蛇形量左右小于等于30mm，前后小于等于50mm，并且無塌缽現象。

圖3

6 結語

通過對窯爐拱窯這一故障原因全面分析，找到了引起窯爐拱窯故障長時間停機的原因。同時，采取了有針對性的措施：主傳動結構改造；擬定合理的窯爐升溫、降溫、保溫時間；制定合理窯爐保護套管更換頻次；重新制定匣缽更換頻次。通過以上四方面改善措施，有效地改善了窯爐設備運行的穩定性，提高了鋰電池正極材料生產過程中關鍵工序關鍵設備的利用率，保障了生產的穩定進行。