網(wǎng)帶式磷酸鐵鋰燒結(jié)爐設(shè)計(jì)分析

梁錦勝

（佛山高砂工業(yè)窯爐有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

結(jié)合新時(shí)期發(fā)展特征，為了進(jìn)一步提升磷酸鐵鋰生產(chǎn)質(zhì)量，優(yōu)化生產(chǎn)效果，需要進(jìn)一步聯(lián)系磷酸鐵鋰生產(chǎn)工藝特征，合理研制全新網(wǎng)帶式燒結(jié)爐，借助獨(dú)特設(shè)計(jì)方法打造全密封爐膽，優(yōu)化爐襯選材，輔助磷酸鐵鋰實(shí)現(xiàn)高效批量生產(chǎn)，在進(jìn)一步擴(kuò)大整體產(chǎn)量基礎(chǔ)上，提升節(jié)能效果，提升溫度控制精度，保障窯爐安全、平穩(wěn)運(yùn)行，降低生產(chǎn)制造成本。

1 研究背景分析

磷酸鐵鋰作為新型電池中的重要組成材料，其具有價(jià)格低廉、材料來源廣泛、材料熱穩(wěn)定性突出、無污染等特征，同時(shí)利用磷酸鐵鋰制作的電池?fù)碛辛己玫陌踩阅埽M(jìn)一步擴(kuò)大了其在動(dòng)力能源領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，具有巨大發(fā)展?jié)摿ΑＯ嚓P(guān)動(dòng)力電源關(guān)于材料體積方面的條件和儲(chǔ)存容量相比整體較低，但對(duì)于材料環(huán)保性能、價(jià)格以及安全性等方面提出更高要求。促進(jìn)磷酸鐵鋰朝著高性能和高應(yīng)用開發(fā)價(jià)值的方向發(fā)展，打造高質(zhì)量蓄電池材料。磷酸鐵鋰核心生產(chǎn)工藝為熱處理以及粉體加工，可以有效預(yù)防材料氧化現(xiàn)象，針對(duì)磷酸鐵鋰嚴(yán)格的生產(chǎn)技術(shù)要求，需要在全面總結(jié)分析現(xiàn)有生產(chǎn)窯爐應(yīng)用狀況基礎(chǔ)上，聯(lián)系以往生產(chǎn)網(wǎng)帶燒結(jié)爐的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，合理設(shè)計(jì)一種全新網(wǎng)帶式燒結(jié)爐[1]。

2 網(wǎng)帶式燒結(jié)爐設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

結(jié)合具體要求分析，網(wǎng)帶式燒結(jié)爐應(yīng)用溫度最高為850℃，其中常用燒結(jié)溫度為800℃，控制精度在1.5℃之間，爐膛截面溫度對(duì)應(yīng)均勻度控制在3℃以下，加熱區(qū)域內(nèi)所用不銹鋼爐管尺寸為長×寬×高=1600cm×68cm×21cm。傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)網(wǎng)帶寬是66cm，具體運(yùn)行速度維持在每小時(shí)500～1500mm 之間，能夠?qū)嵤┻B續(xù)任意調(diào)節(jié)。加熱元件可以借助遠(yuǎn)紅外管實(shí)施上下水平加熱，爐體出口溫度控制在50℃以下，爐體表面溫度控制在40℃以下[2]。

3 網(wǎng)帶式燒結(jié)爐設(shè)備整體組成框架

3.1 爐體

此次所設(shè)計(jì)的網(wǎng)帶式燒結(jié)爐主要包括水路和氣路、網(wǎng)帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、爐體、控制系統(tǒng)四種部分工程，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)帶式燒結(jié)爐組成結(jié)構(gòu)

爐襯結(jié)構(gòu)中，爐膛設(shè)計(jì)成整體密封的馬弗爐膽結(jié)構(gòu)，加熱部分爐膽選擇長度為16m 的不銹鋼進(jìn)行整體彎折，成型操作，針對(duì)橫斷面部分實(shí)施無焊縫處理，通過該種處理措施，可以改善傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝技術(shù)下，拼焊爐膽由于高溫問題影響所產(chǎn)生的裂縫現(xiàn)象，充分滿足制備磷酸鐵鋰的溫度要求。除了應(yīng)用高鋁磚建造不銹鋼爐膽下方支撐以外，需要應(yīng)用具有良好耐火性能的硅酸鋁硬板制作隔梁磚、頂磚和剩余壁磚。為幫助合理控制設(shè)備重量，可以針對(duì)頂層選擇設(shè)置硅酸鋁纖維棉。聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用效果分析，輕型硅酸鋁纖維材料因其蓄熱少，擁有良好抗沖擊和耐熱性能，導(dǎo)熱系數(shù)低以及重量輕等優(yōu)勢(shì)，可以將網(wǎng)帶式燒結(jié)爐內(nèi)燃燒熱效率提升30%左右，具有突出的節(jié)能效果。在選擇應(yīng)用各種輕型材料過程中，進(jìn)一步縮減爐體鋼架運(yùn)行負(fù)荷，使所用鋼材節(jié)約1/3。應(yīng)用者對(duì)應(yīng)生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間僅為1～2d，用戶從停爐維修至恢復(fù)正常運(yùn)行整個(gè)過程得到有效控制和縮短。針對(duì)爐膛兩個(gè)加熱區(qū)間中間位置合理設(shè)置軟性金屬隔離墻。其中的軟性金屬隔離墻主要借助載物網(wǎng)帶類似寬度以及相同編制手段結(jié)構(gòu)，于爐膛頂層設(shè)置數(shù)個(gè)金屬掛鉤實(shí)施固定處理，并在爐膛內(nèi)部進(jìn)行懸掛。金屬隔離墻下層以及網(wǎng)帶上層加熱管水平中心線接近，下部分為自由狀態(tài)，爐頂兩個(gè)攪拌風(fēng)機(jī)分別屬于兩種加熱區(qū)，能夠提升新鮮氣體循環(huán)效率，擴(kuò)大氣氛利用率[3]。

冷卻水套方面，爐內(nèi)燒結(jié)產(chǎn)品經(jīng)過初步高溫處理后融入冷卻區(qū)內(nèi)，從500℃起經(jīng)過長達(dá)4m 的迅速冷卻區(qū)間，需要于抵達(dá)出口位置后溫度穩(wěn)定在45℃左右，整體耗時(shí)5h，為此需要選擇水冷作為主要冷卻方法。冷卻水套每節(jié)長度是2m，通過內(nèi)外兩層不銹鋼進(jìn)行組合焊接構(gòu)成，處于夾層內(nèi)設(shè)置加強(qiáng)筋柱以及導(dǎo)流槽。對(duì)應(yīng)進(jìn)水形式設(shè)計(jì)成從末端底部進(jìn)入，順著前端頂層流出進(jìn)水管道中通過合理設(shè)置止回閥能夠幫助預(yù)防因?yàn)橥Ｋ斐傻睦鋮s套內(nèi)部水倒流問題，從而破壞爐膽內(nèi)部。假如冷卻水以循環(huán)利用方式為主實(shí)施冷卻，需要額外在出水口等部位設(shè)置排氣閥，避免出現(xiàn)因?yàn)樗疁剡^高所形成的汽化問題，導(dǎo)致爐膽內(nèi)部變形。

爐體外殼部分，此次設(shè)計(jì)爐體外殼主要是以鋼結(jié)構(gòu)位置，搭配應(yīng)用其他角鋼、槽鋼以及鋼板等材料實(shí)施分段組裝焊接，提升整個(gè)外觀美觀性和系統(tǒng)可靠牢固性。爐體頂蓋板以及側(cè)掛板為可拆卸模式，維修操縱十分方便。為預(yù)防爐膽在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生熱變形問題，馬弗式爐膽可以設(shè)置在留有導(dǎo)向缺口高鋁重質(zhì)支撐當(dāng)中，能夠自由伸展?fàn)t膽。針對(duì)爐體出口以及入口等部位，可以在馬弗爐膽下層額外設(shè)置滾輪，在爐體加熱階段，處于高溫影響下，爐膽順著爐體長度方向不斷膨脹過程中，對(duì)應(yīng)滾輪模塊設(shè)置在爐體鋼架導(dǎo)軌中順著縱向方向進(jìn)行自由滾動(dòng)，如此能夠有效改善馬弗爐膽內(nèi)部所形成熱膨脹問題，部分限位角鋼設(shè)置了調(diào)整螺栓后能夠確保整個(gè)爐膽順著預(yù)測(cè)方向有序移動(dòng)[4]。

3.2 網(wǎng)帶驅(qū)動(dòng)

網(wǎng)帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具體如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

網(wǎng)帶式燒結(jié)爐中的網(wǎng)帶傳送模塊主要是由滾輪、網(wǎng)帶、鏈條、鏈輪、減速裝置以及變頻電機(jī)等部分組成，具體運(yùn)行原理是利用主輪周圍大包角所形成摩擦力驅(qū)動(dòng)整個(gè)網(wǎng)帶運(yùn)行。對(duì)應(yīng)網(wǎng)帶的運(yùn)行速度設(shè)計(jì)需要保證連續(xù)可調(diào)性，通過變頻調(diào)速裝置輔助顯示設(shè)置和帶速設(shè)置。針對(duì)爐體出入口兩側(cè)設(shè)置網(wǎng)帶糾偏裝置，確保網(wǎng)帶能夠順著爐膛中心穩(wěn)定運(yùn)行。主動(dòng)輪相關(guān)直徑為φ300mm。兩端額外添加兩種壓緊輪，壓緊輪能夠幫助對(duì)網(wǎng)帶和主動(dòng)輪間摩擦力實(shí)施靈活調(diào)整，促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。電機(jī)功率普遍設(shè)置在1.5kW，設(shè)置為變頻無極調(diào)速，選擇二級(jí)減速裝置以及一級(jí)鏈傳動(dòng)，對(duì)應(yīng)減速比設(shè)置為20×43×35。

網(wǎng)帶式燒結(jié)爐對(duì)應(yīng)傳送爐內(nèi)傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該具備預(yù)防低速爬行功能，盡管爐體內(nèi)馬弗爐膽是由長度為16m 的整塊不銹鋼板材彎折形成，進(jìn)而將整個(gè)爐膽底層更為平整，進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)帶運(yùn)行平穩(wěn)度，但關(guān)于長度達(dá)到十幾米的網(wǎng)帶傳統(tǒng)系統(tǒng)而言，需要提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行調(diào)試等工作的重視程度。聯(lián)系網(wǎng)帶具體受力分析結(jié)果，能夠進(jìn)一步了解到，網(wǎng)帶所承擔(dān)靜動(dòng)摩擦差值、傳動(dòng)剛度、主動(dòng)輪運(yùn)行速度以及承載產(chǎn)品重量等因素都會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)帶爬行水平。在工藝條件限制下，想要順利處理網(wǎng)帶爬行問題，需要注重控制整個(gè)網(wǎng)帶系統(tǒng)運(yùn)行中的動(dòng)靜摩擦力差值，適當(dāng)提升傳動(dòng)系統(tǒng)整體剛度。主要處理措施包括針對(duì)網(wǎng)帶絲實(shí)施加密加粗處理，盡量選擇聚四氟乙烯充當(dāng)托帶件，避免應(yīng)用拖帶輥，保證其中所用傳動(dòng)過渡滾輪的操作靈活性，減少卡滯問題出現(xiàn)，借助有效處理措施，提升網(wǎng)帶傳送效果。

3.3 水路和氣路

為進(jìn)一步預(yù)防產(chǎn)品出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，確保爐膽內(nèi)部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)含氧量要求，優(yōu)化爐膽操作工藝，流入氮?dú)夤埠邪私M近氣位置。爐體對(duì)應(yīng)出入口盡量按照先設(shè)置氣簾，后設(shè)置氣幕等措施抑制空氣隨意流入爐膽。氣簾可以選擇0.4mm 厚不銹鋼實(shí)施共同組焊形成，至于各組氣簾全部需要額外設(shè)置四層隔離，如此可以對(duì)爐膛中的外部空氣流入實(shí)施合理控制，保證產(chǎn)品進(jìn)場操作不會(huì)滲透大量外部空氣，減少爐溫波動(dòng)變化，指導(dǎo)網(wǎng)帶和產(chǎn)品穩(wěn)定運(yùn)行。兩種不銹鋼噴管和氣幕之間實(shí)施順暢銜接，氣簾內(nèi)部針對(duì)爐膽兩側(cè)和相關(guān)噴管實(shí)施全面焊接密封，爐膛等高噴管中設(shè)置0.4mm 寬氣流槽，促進(jìn)氮?dú)饬骶鶆蚍植荚谡麄€(gè)爐膛當(dāng)中。對(duì)于進(jìn)出口氣幕對(duì)應(yīng)爐膽兩側(cè)，綜合設(shè)置六對(duì)進(jìn)氣孔。并在兩段降溫水套兩側(cè)分別設(shè)置三對(duì)加熱區(qū)、一對(duì)降溫區(qū)。八對(duì)進(jìn)氣孔全面通入氮?dú)猓獨(dú)鈴牡獨(dú)庠错樦偨刂归y、壓力繼電器、過濾減壓閥、流量計(jì)傳入不同進(jìn)氣口，選擇同一流量計(jì)對(duì)各個(gè)進(jìn)氣點(diǎn)實(shí)施綜合控制的措施確保爐膽內(nèi)部均勻填充氮?dú)猓鱾€(gè)流量計(jì)對(duì)應(yīng)進(jìn)氣量可以維持在5～45min/L，在該范圍內(nèi)進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，內(nèi)部壓力繼電器能夠發(fā)揮出氣源低壓預(yù)警功能。產(chǎn)品燒結(jié)環(huán)節(jié)所排放煙氣順著爐膽兩側(cè)集氣罩通過管道實(shí)施凈化處理后直接排放至戶外。

水路通常應(yīng)用循環(huán)水把運(yùn)行到降溫水套區(qū)域的產(chǎn)品實(shí)施強(qiáng)制降溫處理，從而滿足產(chǎn)品出口溫度條件。進(jìn)水部位設(shè)置15mm 管以及止回閥，避免停水狀態(tài)下產(chǎn)生水套內(nèi)部水分倒流現(xiàn)象，總排水管選擇設(shè)置50mm直徑管。產(chǎn)品整體燒結(jié)過程中所形成的水順著爐膽進(jìn)出口兩側(cè)排水箱順利排出，對(duì)應(yīng)排水管直徑為φ48mm。爐體對(duì)應(yīng)冷卻水管道內(nèi)部合理增加設(shè)置漏斗形式排水口，方便對(duì)不同部位冷卻水流量實(shí)施細(xì)致觀察，改善原本爐頂設(shè)置兩個(gè)循環(huán)風(fēng)機(jī)所導(dǎo)致的冷卻水?dāng)嗔鳠o法及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題。

3.4 電氣控制系統(tǒng)

網(wǎng)帶式磷酸鐵鋰燒結(jié)爐內(nèi)部電氣控制系統(tǒng)可以分為運(yùn)轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)以及溫度控制系統(tǒng)兩部分組成。其中溫度控制系統(tǒng)包括十一組控溫系統(tǒng)，針對(duì)遠(yuǎn)紅外石英管實(shí)施水平上下加熱，遠(yuǎn)紅外石英管是某種新型加熱系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)化速度快、效率高，熱輻射面積廣，具有高溫不變形以及化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。實(shí)踐操作中，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、抗腐蝕能力好、熱響應(yīng)速度快、化學(xué)性能穩(wěn)定，即便長時(shí)間運(yùn)行，也不會(huì)出現(xiàn)設(shè)備功能退化以及出現(xiàn)輻射性問題。可以利用固態(tài)繼電器實(shí)施全面控制，加強(qiáng)過零管控，設(shè)置進(jìn)口溫度控制系統(tǒng)。利用自帶智能溫度整定控制器的控制裝置針對(duì)爐膛內(nèi)部燃燒溫度實(shí)施合理控制。選擇K 分度熱點(diǎn)偶以及溫度記錄裝置針對(duì)恒溫區(qū)實(shí)施巡回檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)爐溫存在異常現(xiàn)象需要即可進(jìn)行預(yù)警，并將加熱電源徹底切斷。合理設(shè)置安全報(bào)警措施，除了利用設(shè)備中所設(shè)置各種漏電保護(hù)開關(guān)部件提升設(shè)備運(yùn)行安全狀態(tài)之外，設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中還存在網(wǎng)帶異常停運(yùn)、加熱元件運(yùn)行異常、斷偶、斷水、斷氣以及水溫超限、氮?dú)鈿饽涣髁啃∮谙孪薜阮A(yù)警功能，能夠朝應(yīng)用者預(yù)警設(shè)備運(yùn)行故障，促進(jìn)整個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行生產(chǎn)。

針對(duì)網(wǎng)帶運(yùn)行偏移合理進(jìn)行報(bào)警設(shè)計(jì)，針對(duì)加料臺(tái)部位，網(wǎng)帶兩邊可以分別設(shè)計(jì)一組限位探頭，在網(wǎng)帶處于長期運(yùn)行階段，假如對(duì)應(yīng)偏移量超出允許范圍移動(dòng)區(qū)域，則網(wǎng)帶便會(huì)碰觸限位探頭，偏移檢測(cè)系統(tǒng)能夠自動(dòng)發(fā)揮出預(yù)警，帶動(dòng)網(wǎng)帶主動(dòng)輪電機(jī)直接停止運(yùn)行，需要通過手動(dòng)操作來啟動(dòng)電機(jī)，同時(shí)借助網(wǎng)帶偏移相關(guān)調(diào)節(jié)設(shè)備改善網(wǎng)帶運(yùn)行偏差。借助數(shù)字化設(shè)計(jì)以及傳感器裝置對(duì)網(wǎng)帶拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行有效控制和檢測(cè)，可以直接通過數(shù)字計(jì)數(shù)器對(duì)網(wǎng)帶運(yùn)行速度進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，并對(duì)工藝時(shí)間進(jìn)行靈活調(diào)整，進(jìn)一步改善原本利用旋鈕調(diào)速開關(guān)方法導(dǎo)致網(wǎng)帶運(yùn)行速度調(diào)控重復(fù)性差等缺陷，提升網(wǎng)帶運(yùn)行速度整體調(diào)控精確性。

4 網(wǎng)帶式燒結(jié)爐應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

通過總結(jié)網(wǎng)帶式磷酸鐵鋰燒結(jié)爐實(shí)際應(yīng)用狀況分析，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)帶式燒結(jié)爐具有突出應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)應(yīng)爐膛材料主要是以具有良好耐熱性的不銹鋼爐膛為主，進(jìn)行一體式無縫銜接，對(duì)應(yīng)爐膛壁厚為5mm。保溫材料為輕質(zhì)全纖維材料，保溫層設(shè)置厚度為200mm，保溫功率在38kW 左右，爐膛內(nèi)部具有較快的氣體置換速度，對(duì)應(yīng)耗氣量在6.5～9m3/h，加熱元件為遠(yuǎn)紅外石英管加熱處理，擁有良好的耐腐蝕性能，裝置占地面積相對(duì)較小，傳送系統(tǒng)具體傳輸控制操作十分簡單，爐體焊接主要以斷續(xù)焊接為主，方便操作，升溫時(shí)間低于一天，方便日常維護(hù)管理，成本造價(jià)較低。通過分析發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)帶式磷酸鐵鋰燒結(jié)爐在運(yùn)行指標(biāo)、材料成本以及爐體結(jié)構(gòu)等方面具有突出優(yōu)勢(shì)，只需進(jìn)行稍加改動(dòng)能夠有效應(yīng)用于其他電子元件生產(chǎn)領(lǐng)域。

5 結(jié)語

綜上所述，處于新時(shí)期綠色清潔發(fā)展主流趨勢(shì)下，需要積極創(chuàng)新磷酸鐵鋰生產(chǎn)工藝，優(yōu)化生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)，保障順利實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)目標(biāo)，在提升整體生產(chǎn)質(zhì)量基礎(chǔ)上，節(jié)約能耗，提升溫控精度，降低生產(chǎn)成本，保障整個(gè)生產(chǎn)過程的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。