防堵塞氣力輸送系統(tǒng)在鋰電池混料中的應用

王秦越，陳禮群，賀關麗，蔡志端，許宇翔

（1.湖州職業(yè)技術(shù)學院 機電與汽車工程學院，浙江 湖州 313000；2.浙江管工智能機械設備有限公司，浙江 湖州 313000；3.湖州師范學院 工學院，浙江 湖州 313000)

1 緒論

鋰電池的生產(chǎn)工藝中，第一步是混料?；炝鲜侵笇⒄摌O活性材料、導電劑、粘結(jié)劑、溶劑等漿料或粉體通過氣力輸送系統(tǒng)，傳輸?shù)綌嚢韫拗谢旌暇鶆蛑频脻{料，漿料成型后才能作為電池的正負極材料。

氣力輸送系統(tǒng)是根據(jù)固氣兩相流的原理，以普通空氣或惰性氣體為載體，利用壓縮氣體的靜壓或動壓，使干燥粉末和顆粒物料按照指定的路徑在管道中進行連續(xù)運送的一種現(xiàn)代物流系統(tǒng)。由于該傳輸方式傳輸時是全封閉狀態(tài)，即采用密封式輸送管道代替?zhèn)鹘y(tǒng)的敞開式機械輸送，這樣不僅能保證物料在運送過程中仍然能保持原有特性，大大提高了物料回收或傳輸?shù)男?，而且能達到良好的環(huán)境保護效果，同時具有成本低、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點。鋰離子電池材料屬微米級粉體材料，其生產(chǎn)加工過程與其他粉體材料類似，且具有流動性好、堆積密度小等特點，滿足氣力輸送的基本要求條件。

混料是電池生產(chǎn)的第一步，也是保證后續(xù)生產(chǎn)工藝的重要基礎，因此混料過程在鋰電池的質(zhì)量控制中具有十分重要的意義。而管道堵塞乃至爆裂等情況的發(fā)生，則是制約氣力輸送系統(tǒng)在鋰電池混料過程中提升生產(chǎn)安全性和效率的關鍵之一。

目前國內(nèi)外對氣力輸送系統(tǒng)堵塞問題的研究相對較少。有的學者使用CFD-DEM方法，建立了管道中帶電顆粒流的仿真模型并進行了分析，提出了通過加大入口處氣流速率來提升顆粒流動狀態(tài)的方法，以減少堵塞的出現(xiàn)。但加大輸送氣流速度，會影響氣力輸送系統(tǒng)在進行動態(tài)稱重時的稱量精度，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。有的學者分析了管道堵塞發(fā)生的原因，并提出了通過優(yōu)化輸送管道中的壓差，選擇適宜固氣比來避免輸送堵塞的方法。但是這一方法選擇的固氣比僅適用于粉煤灰輸送，沒有考慮不同物料間各自顆粒特性的不一，不具有泛用性。文獻提出了一種刮板輸送機，并將其應用于氣力輸送系統(tǒng)。該輸送機在管道堵塞時能夠及時運行，去除并輸送走堵塞積壓的粉料，使設備恢復正常運行。但該輸送機僅能在堵塞發(fā)生后才運行，系統(tǒng)缺乏預警機制與功能。文獻研究了管道旋轉(zhuǎn)對堵塞坍塌的影響，使用CFD-DEM方法，建立了管道中流體特性與旋轉(zhuǎn)速度的仿真模型，并通過實驗結(jié)果證明了管道旋轉(zhuǎn)能夠加速氣力輸送過程中管道堵塞的消除。但在實際生產(chǎn)過程中，管道的旋轉(zhuǎn)無疑會進一步增加能耗。有的研究介紹了一種精密增壓系統(tǒng)和方法，以產(chǎn)生更合理的增壓流場，并配反向氣力輸送，從而消除管道堵塞。但該方法在處理管道堵塞等故障后，缺乏反饋機制，仍需人工檢查判斷系統(tǒng)是否可恢復正常運行。

可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的氣力輸送系統(tǒng)在面對管道堵塞等問題時，雖然已考慮需要實時監(jiān)控氣力輸送過程中的固氣比、壓力及流量等參數(shù)的變化，但由于上述參數(shù)之間相互耦合，常見的氣力輸送系統(tǒng)中的監(jiān)控與報警單元僅能單純地記錄上述參數(shù)，缺少智能化在線監(jiān)控與診斷。

針對上述問題，文章提出了一種新型的防堵塞氣力輸送系統(tǒng)，用于鋰電池正負極的混料生產(chǎn)過程。該系統(tǒng)主要針對鋰電池正負極材料在輸送過程中可能出現(xiàn)的物料堵塞、管道爆裂等故障，一方面基于多源傳感技術(shù)，實現(xiàn)氣壓、流量等參數(shù)的在線狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測，采用智能故障診斷方法，通過氣力雙向輸送方式去堵塞；另一方面通過在管道中安裝清理裝置，自動、持續(xù)去除管道內(nèi)的積料，消除堵塞，以提高系統(tǒng)的安全性和輸送效率。

2 防堵塞氣力輸送系統(tǒng)

該防堵塞氣力輸送系統(tǒng)主要由供料與集料裝置、輸送管路及控制閥、防堵塞裝置、氣體動力源、傳感檢測裝置等多個基本部分組成，氣力輸送系統(tǒng)的輸送過程簡圖如圖1所示。

圖1 氣力輸送系統(tǒng)流程簡圖

2.1 參數(shù)檢測與系統(tǒng)在線監(jiān)控

系統(tǒng)運行過程中，管道堵塞或爆裂等故障在發(fā)生時或發(fā)生前，必然會導致系統(tǒng)的氣壓、流量等各項參數(shù)發(fā)生變化，因此需要對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。系統(tǒng)通過氣壓傳感器、流量傳感器等裝置，自動監(jiān)測氣壓、流量等實時參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)變化發(fā)出相應報警或預警信號，與系統(tǒng)的其他相關部件共同實現(xiàn)故障的閉環(huán)控制。

參數(shù)檢測與系統(tǒng)在線監(jiān)控實現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)在線監(jiān)控與故障預警框圖

2.2 雙向注吹去堵塞方法

系統(tǒng)發(fā)出故障或故障預警信號時，一方面通過控制各類氣泵供給氣流壓力大小，結(jié)合工藝需求參數(shù)，使氣壓和流量等參數(shù)維持在安全閾值內(nèi)，同時在該段堵塞管道兩端正、逆雙向反復注吹氣流，將物料流化后進行疏導。若超過一定時間或一定次數(shù)仍然無法消除故障或預警，則快速停機，并將報警信號升級。程序處理流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖

2.3 積料清理裝置

該裝置結(jié)構(gòu)如圖2～4所示。圖中1為支撐環(huán)，外緣呈環(huán)形陣列設計了4個支撐臂，固定在管道上。支撐環(huán)內(nèi)固定安裝有伺服電機，伺服電機的電機軸另一端安裝有固定軸套，軸套的外緣面上呈環(huán)形陣列構(gòu)造有4個抵接于管壁的弧形刮塵臂，弧形刮塵臂遠離于軸套側(cè)設計有4個矩形刮塵臂，矩形刮塵臂抵接于管道臂。該裝置工作時，通過啟動伺服電機帶動聯(lián)接有刮塵臂的固定軸套轉(zhuǎn)動，通過4個弧形刮塵臂和矩形刮塵臂完成對于管道軸向和徑向積料的處理。

圖4 清理裝置結(jié)構(gòu)示意圖

此外，為便于維護，該裝置的安裝座朝向支撐環(huán)的一側(cè)對稱開設有兩個供螺栓活動設置的通孔，且兩個螺栓穿過通孔的一端螺紋連接于管道壁內(nèi)，通過拆卸螺栓即可將該清理裝置取出。如圖5所示。

圖5 清理裝置立體結(jié)構(gòu)拆分示意圖

3 實驗研究與分析

對4臺同型號氣力輸送仿真實驗設備進行對比性研究實驗，其中2臺未經(jīng)過任何技術(shù)性改造，2臺加入了文章所設計的防堵塞系統(tǒng)。仿真設備裝置結(jié)構(gòu)與實際生產(chǎn)用設備一致，體積等比例縮小，計量罐承載上限為30 kg。

實驗物料采用的是石墨碳粉，石墨碳粉是鋰電池生產(chǎn)中的重要原料之一，因此實驗具有實際意義。

將4臺設備在同樣的工況環(huán)境下共運行1個工作日。實驗結(jié)果表明，加裝防堵塞系統(tǒng)后，氣力輸送設備大大減少了堵塞次數(shù)和停機維護次數(shù)，且設備運行總時長、輸送物料質(zhì)量也得到了相應提升。

4 結(jié)論

通過實驗證明了防堵塞氣力輸送系統(tǒng)在解決氣力輸送過程中管道堵塞問題方面的有效性。不僅提高了氣力輸送的效率，且無需人工進行頻繁維護，提高了企業(yè)的自動化生產(chǎn)水平。