網(wǎng)帶式磷酸鐵鋰燒結(jié)爐設(shè)計分析

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)合新時期發(fā)展特征，為了進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，借助獨特設(shè)計方法打造全密封爐膽，優(yōu)化爐襯選材，輔助磷酸鐵鋰實現(xiàn)高效批量生產(chǎn)，在進一步擴大整體產(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，同時利用磷酸鐵鋰制作的電池擁有良好的安全性能，進一步擴大了其在動力能源領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，具有巨大發(fā)展?jié)摿?。相關(guān)動力電源關(guān)于材料體積方面的條件和儲存容量相比整體較低，但對于材料環(huán)保性能、價格以及安全性等方面提出更高要求。促進磷酸鐵鋰朝著高性能和高應(yīng)用開發(fā)價值的方向發(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，針對磷酸鐵鋰嚴格的生產(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)計經(jīng)驗，合理設(shè)計一種全新網(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。傳動系統(tǒng)對應(yīng)網(wǎng)帶寬是66cm，具體運行速度維持在每小時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紅外管實施上下水平加熱，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)計的網(wǎng)帶式燒結(jié)爐主要包括水路和氣路、網(wǎng)帶驅(qū)動系統(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 的不銹鋼進行整體彎折，成型操作，針對橫斷面部分實施無焊縫處理，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，可以針對頂層選擇設(shè)置硅酸鋁纖維棉。聯(lián)系實際應(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，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，進一步縮減爐體鋼架運行負荷，使所用鋼材節(jié)約1/3。應(yīng)用者對應(yīng)生產(chǎn)準備時間僅為1～2d，用戶從停爐維修至恢復(fù)正常運行整個過程得到有效控制和縮短。針對爐膛兩個加熱區(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)個金屬掛鉤實施固定處理，并在爐膛內(nèi)部進行懸掛。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)，爐頂兩個攪拌風機分別屬于兩種加熱區(qū)，能夠提升新鮮氣體循環(huán)效率，擴大氣氛利用率[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4m 的迅速冷卻區(qū)間，需要于抵達出口位置后溫度穩(wěn)定在45℃左右，整體耗時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)外兩層不銹鋼進行組合焊接構(gòu)成，處于夾層內(nèi)設(shè)置加強筋柱以及導(dǎo)流槽。對應(yīng)進水形式設(shè)計成從末端底部進入，順著前端頂層流出進水管道中通過合理設(shè)置止回閥能夠幫助預(yù)防因為停水所造成的冷卻套內(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)因為水溫過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施分段組裝焊接，提升整個外觀美觀性和系統(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)支撐當中，能夠自由伸展爐膽。針對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行自由滾動，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爐膽順著預(yù)測方向有序移動[4]。

3.2 網(wǎng)帶驅(qū)動

網(wǎng)帶驅(qū)動系統(tǒng)具體如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)帶驅(qū)動系統(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等部分組成，具體運行原理是利用主輪周圍大包角所形成摩擦力驅(qū)動整個網(wǎng)帶運行。對應(yīng)網(wǎng)帶的運行速度設(shè)計需要保證連續(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)定運行。主動輪相關(guān)直徑為φ300mm。兩端額外添加兩種壓緊輪，壓緊輪能夠幫助對網(wǎng)帶和主動輪間摩擦力實施靈活調(diào)整，促進整個系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定運行。電機功率普遍設(shè)置在1.5kW，設(shè)置為變頻無極調(diào)速，選擇二級減速裝置以及一級鏈傳動，對應(yīng)減速比設(shè)置為20×43×35。

網(wǎng)帶式燒結(jié)爐對應(yīng)傳送爐內(nèi)傳動系統(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，進而將整個爐膽底層更為平整，進一步優(yōu)化網(wǎng)帶運行平穩(wěn)度，但關(guān)于長度達到十幾米的網(wǎng)帶傳統(tǒng)系統(tǒng)而言，需要提高系統(tǒng)設(shè)計、安裝和運行調(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，能夠進一步了解到，網(wǎng)帶所承擔靜動摩擦差值、傳動剛度、主動輪運行速度以及承載產(chǎn)品重量等因素都會影響整個網(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，需要注重控制整個網(wǎng)帶系統(tǒng)運行中的動靜摩擦力差值，適當提升傳動系統(tǒng)整體剛度。主要處理措施包括針對網(wǎng)帶絲實施加密加粗處理，盡量選擇聚四氟乙烯充當托帶件，避免應(yīng)用拖帶輥，保證其中所用傳動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

為進一步預(yù)防產(chǎn)品出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，確保爐膽內(nèi)部達到標準含氧量要求，優(yōu)化爐膽操作工藝，流入氮氣共含有八組近氣位置。爐體對應(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，如此可以對爐膛中的外部空氣流入實施合理控制，保證產(chǎn)品進場操作不會滲透大量外部空氣，減少爐溫波動變化，指導(dǎo)網(wǎng)帶和產(chǎn)品穩(wěn)定運行。兩種不銹鋼噴管和氣幕之間實施順暢銜接，氣簾內(nèi)部針對爐膽兩側(cè)和相關(guān)噴管實施全面焊接密封，爐膛等高噴管中設(shè)置0.4mm 寬氣流槽，促進氮氣流均勻分布在整個爐膛當中。對于進出口氣幕對應(yīng)爐膽兩側(cè)，綜合設(shè)置六對進氣孔。并在兩段降溫水套兩側(cè)分別設(shè)置三對加熱區(qū)、一對降溫區(qū)。八對進氣孔全面通入氮氣，氮氣從氮氣源順著總截止閥、壓力繼電器、過濾減壓閥、流量計傳入不同進氣口，選擇同一流量計對各個進氣點實施綜合控制的措施確保爐膽內(nèi)部均勻填充氮氣，各個流量計對應(yīng)進氣量可以維持在5～45min/L，在該范圍內(nèi)進行靈活調(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)水把運行到降溫水套區(qū)域的產(chǎn)品實施強制降溫處理，從而滿足產(chǎn)品出口溫度條件。進水部位設(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出口兩側(cè)排水箱順利排出，對應(yīng)排水管直徑為φ48mm。爐體對應(yīng)冷卻水管道內(nèi)部合理增加設(shè)置漏斗形式排水口，方便對不同部位冷卻水流量實施細致觀察，改善原本爐頂設(shè)置兩個循環(huán)風機所導(dǎo)致的冷卻水斷流無法及時發(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)，針對遠紅外石英管實施水平上下加熱，遠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穩(wěn)定性強等特點。實踐操作中，化學穩(wěn)定性強、抗腐蝕能力好、熱響應(yīng)速度快、化學性能穩(wěn)定，即便長時間運行，也不會出現(xiàn)設(shè)備功能退化以及出現(xiàn)輻射性問題?？梢岳霉虘B(tài)繼電器實施全面控制，加強過零管控，設(shè)置進口溫度控制系統(tǒng)。利用自帶智能溫度整定控制器的控制裝置針對爐膛內(nèi)部燃燒溫度實施合理控制。選擇K 分度熱點偶以及溫度記錄裝置針對恒溫區(qū)實施巡回檢測，如果發(fā)現(xiàn)爐溫存在異?，F(xiàn)象需要即可進行預(yù)警，并將加熱電源徹底切斷。合理設(shè)置安全報警措施，除了利用設(shè)備中所設(shè)置各種漏電保護開關(guān)部件提升設(shè)備運行安全狀態(tài)之外，設(shè)備實際運行中還存在網(wǎng)帶異常停運、加熱元件運行異常、斷偶、斷水、斷氣以及水溫超限、氮氣氣幕流量小于下限等預(yù)警功能，能夠朝應(yīng)用者預(yù)警設(shè)備運行故障，促進整個設(shè)備實現(xiàn)正常運行生產(chǎn)。

針對網(wǎng)帶運行偏移合理進行報警設(shè)計，針對加料臺部位，網(wǎng)帶兩邊可以分別設(shè)計一組限位探頭，在網(wǎng)帶處于長期運行階段，假如對應(yīng)偏移量超出允許范圍移動區(qū)域，則網(wǎng)帶便會碰觸限位探頭，偏移檢測系統(tǒng)能夠自動發(fā)揮出預(yù)警，帶動網(wǎng)帶主動輪電機直接停止運行，需要通過手動操作來啟動電機，同時借助網(wǎng)帶偏移相關(guān)調(diào)節(jié)設(shè)備改善網(wǎng)帶運行偏差。借助數(shù)字化設(shè)計以及傳感器裝置對網(wǎng)帶拖動電機運行速度進行有效控制和檢測，可以直接通過數(shù)字計數(shù)器對網(wǎng)帶運行速度進行科學設(shè)置，并對工藝時間進行靈活調(diào)整，進一步改善原本利用旋鈕調(diào)速開關(guān)方法導(dǎo)致網(wǎng)帶運行速度調(diào)控重復(fù)性差等缺陷，提升網(wǎng)帶運行速度整體調(diào)控精確性。

4 網(wǎng)帶式燒結(jié)爐應(yīng)用優(yōu)勢分析

通過總結(jié)網(wǎng)帶式磷酸鐵鋰燒結(jié)爐實際應(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，對應(yīng)爐膛材料主要是以具有良好耐熱性的不銹鋼爐膛為主，進行一體式無縫銜接，對應(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，對應(yīng)耗氣量在6.5～9m3/h，加熱元件為遠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，升溫時間低于一天，方便日常維護管理，成本造價較低。通過分析發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)帶式磷酸鐵鋰燒結(jié)爐在運行指標、材料成本以及爐體結(jié)構(gòu)等方面具有突出優(yōu)勢，只需進行稍加改動能夠有效應(yīng)用于其他電子元件生產(chǎn)領(lǐng)域。

5 結(jié)語

綜上所述，處于新時期綠色清潔發(fā)展主流趨勢下，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，保障順利實現(xiàn)批量生產(chǎn)目標，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，保障整個生產(chǎn)過程的穩(wěn)定、安全運行。