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      鋰電池材料烘干回轉爐的設計

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      《工業爐雜志》2016年第6期

      摘要:

      隨著綠色能源的推廣與普及,鋰電池材料的需求量逐年攀升。回轉爐以其產量大、占地小、輔助裝置少等優勢,在電池材料燒結領域越來越受到重視。文章介紹了鋰電池材料某鈷酸鋰前驅體低溫烘干回轉爐的主要設計計算過程,并對加熱裝置、密封裝置、保溫層等關鍵結構進行了優化設計,提出了相應的高性能結構。投產運行表明,該回轉爐產能高、運行平穩、產品質量好。

      關鍵詞:

      鋰電池材料;回轉爐;設計

      近年來,隨著新能源行業的發展與技術改進,回轉爐逐步引入到鋰電池材料燒結行業。回轉爐由回轉爐管、密封裝置、支撐及傾角調節裝置、加熱系統、控溫系統、進排氣系統、傳動系統等構成,具有動態燒結、生產效率高等特征。鈷酸鋰電池作為國內一種主流鋰電池材料,其制備需要大量的某含鈷前驅體。作為該前驅體的制備的一道關鍵工藝,由于其含有約9%~12%的物理水,需要對其進行脫水處理。該工藝的特殊之處在于既要保證生產效率,又要嚴格將烘干溫度控制在120℃以內(超過120℃物料變性)。本文通過對回轉爐關鍵部位進行技術研究與改進,設計出專用于鋰電池材料低溫烘干的回轉爐。

      1回轉爐設計計算

      1.1爐管尺寸計算

      生產單位要求含鈷前驅體的設計產能為330kg/h,其物理參數見表1。根據實驗得知該含鈷前驅體在120℃內烘干時間為70min左右。物料停留時間計算公式如下:t=m•kLDi•n•sinα式中:t—物料停留時間,minL—爐管長度,mm、k—系數Di—爐管內徑,mn—轉速,r/minα—爐管傾角,°通常回轉爐爐管傾角為0~3°,轉速為1~3r/min可調,式中傾角α取2°,轉速n取2r/min;系數m取決于爐管內抄板的結構形式,其中升舉式m=0.5;系數k取決于物料密度以及爐管內熱流方向與物料方向,據物料密度及設計流向,k取1.5。根據產能要求和物料的物理特性,將數據帶入上式可得出長徑比L/Di=6.51。小型化工回轉爐內徑常用規格有500mm、600mm、800mm、1000mm、1200mm等,小口徑爐管具有結構剛性好、管內溫度均勻等優點,但產量較低,對于330kg/h的產量要求,宜選取爐管內徑為800mm。由長徑比得出爐管長L=6.51×800=5208mm,取5.2m。為了防止物料在烘干后吸潮,出爐的物料需要及時入袋封包。由于物料溫度不高,只需在加熱區后加裝一節1.5m水冷爐管即可。通過分析計算,初步選取加熱爐管尺寸為Φ800mm×824mm×5200mm,材質為SUS304;水冷區爐管尺寸為Φ800mm×820mm×1500mm,材質為SUS304。

      1.2爐管力學計算

      在同等爐管厚度的前提下,為了最大限度降低爐管的應力載荷,增強爐管壽命,同時,確保爐管使用的安全性和穩定性,需要對爐管進行力學分析。由于爐管轉速較低,通常計算其靜態下的受力情況。在爐管長度低于15m的情況下,爐管一般采用兩檔支撐。通常爐管的支撐靠近兩端,這樣方便預留更多的空間作為加熱區;但本案由于溫度較低,支撐部位熱量流失相對較小,為了減小爐管中部撓度、改善爐管受力情況,將支撐裝置選取在相對靠中的位置。圖1為爐管結構圖以及受力分析圖。爐管的受力主要包括自重均布載荷力qa1、qa2、管內粉體重力均布載荷力qs、支撐檔對爐管的支撐反力F1、F2;通過計算這些受力,得到爐管受力的剪力圖(Fs-x)和扭矩圖(M-x)。適當調整支撐檔的位置,使得剪力F1、F2盡量相當,以及支撐檔、中部三處扭矩盡量相等。

      1.3電熱功率計算

      1.3.1物料平衡

      物料平衡表(見表2)可以看出,物料的烘干主要是物料中物理水的蒸發;物料在回轉過程中被揚料板揚起,有4.34%的物料隨廢氣一同排出爐外。

      1.3.2熱平衡

      低溫烘干回轉爐熱平衡見表3。從熱平衡表可以看出,熱收入主要來源于電能生熱;熱支出部分中,水分蒸發汽化占一大部分,水冷裝置散熱占熱量支出總數的12.1%,該部分熱量可用作余熱利用。根據電能生熱所需熱量計算加熱電功率:P=Qa3600式中:P—電功率,kWQa—電能生熱量,kJ根據表3的數據,Qa=145612.06kJ,帶入上式得:P=40.4kW。考慮實際生產各種因素的影響,確保加熱功率有足夠的裕量,該值適當放大并圓整,P最終取值50kW。

      1.4傳動功率計算

      采用杜馬公式計算低溫回轉爐傳動功率:N=0.184•D3i•n•L•γ•Φ•KND=Ki•N式中:N—爐管轉動所需功率,kWD—爐管內徑,mΦ—填充率K—抄板系數,升舉式抄板取1.5~1.6L—爐管長度,mn—爐管轉速,r/minγ—物料堆密度,t/m3ND—電機功率,kWKi—系數,1.1~1.3回轉爐物料填充率的取值范圍通常為10%~20%,本窯爐處理料為物理水烘干,且爐管內置揚料板,對熱流密度要求不高,因此選取填充率為15%;抄板系數取1.6;爐管轉速范圍為0.5~3r/min,取最大值3r/min;考慮電機的工作環境多塵,Ki取值1.3。將數據帶入上式中得,N=0.727kW,ND=0.95kW。電機選取1.1kW。由于傳動扭矩較小,電機與減速機的傳動方式為皮帶輪傳動,減速機與爐管的傳動方式為鏈傳動。減速機的速比i=87。

      2關鍵部位優化設計

      2.1密封裝置

      回轉爐密封裝置密封性能的優劣直接影響回轉爐的保溫、能耗、爐內氣氛、粉料泄露。回轉爐密封裝置可分為非接觸式與接觸式,其中非接觸式主要是氣封型和迷宮型,多用于密封要求不高的場合;而接觸式又可分為徑向密封和軸向密封,主要型式有石墨塊密封、魚鱗片式密封、彈簧桿式密封、摩擦片式密封、氣缸式密封等。對于密封性特別高的回轉爐,有時采用幾種密封的組合。本例中,爐管內粉料飛揚容易泄露,應采用接觸式密封結構。接觸式密封裝置包括動/靜摩擦片和壓緊裝置,常用摩擦片材料(盤根)有石墨、石棉、陶瓷纖維、耐磨金屬、聚四氟乙烯等;壓緊裝置有重錘式、彈簧式、氣缸式等。由于爐管溫度在120℃以內,采用聚四氟乙烯作為密封材料,在模具中注塑成圓錐環;圓錐環一端用螺栓固定在窯頭/尾罩上,另一端利用其自身的彈性與摩擦環端面壓緊。由于爐管加工精度的誤差和運轉時產生的熱變形,摩擦面會產生周向跳動和軸向偏差,從而影響密封性能,該結構巧妙地解決了這個問題。為了延長聚四氟乙烯密封環使用壽命,在摩擦端面上設置水冷溝(水環)降低摩擦面溫度。具體結構見圖2。

      2.2加熱裝置

      回轉爐的加熱方式可分為內熱式和外熱式,按熱源來分又可分為電熱、燃氣、重油、煤粉加熱等。對于管徑較小、物料嚴格無摻雜要求的化工回轉爐而言,宜采用外熱式電加熱。電外加熱又可分為底部加熱、上下加熱、四周加熱等結構形式。本例設計出一種類似于四周加熱結構的雙弧形加熱模塊結構,可在爐內溫度相對較低、物料流通量大時,最大程度提高爐管截面溫度均勻性。單塊弧形加熱模塊由一整根電熱絲彎制成一排(L=480mm),再經模具壓制成半圓形(R466mm);兩塊弧形加熱模塊合圍成爐管的加熱區的一段,具體結構如圖3所示(4段)。

      2.3保溫結構

      外熱式回轉爐的保溫結構通常由耐熱磚、保溫磚、保溫棉板等砌筑而成,本例設計出模塊化保溫結構,減低施工成本,提高保溫性能。如圖4所示,保溫結構由多塊硅酸鋁纖維模塊拼接而成,結構內部預留電熱絲安裝槽;陶瓷掛鉤穿過保溫層將電熱絲固定在保溫層內壁,兩半金屬爐殼將保溫層機構固定在內。硅酸鋁纖維模塊為1/8圓柱體,內徑為852mm,厚度130mm,長度為500mm;單塊弧形加熱模塊正好可鑲嵌于4塊硅酸鋁纖維模塊內。

      3整體結構

      低溫烘干回轉爐整體結構說明(見圖5)。(1)料斗設有高/低料位計,可在料滿/料空時發出警報,支持人工上料或自動上料;料斗上設有破拱裝置;(2)進料為雙螺旋輸送器,防止濕料成團、滯留;(3)爐管首尾分別設有變徑法蘭和螺旋推料錐管,可提高密封性能;(4)加熱區由三個溫區組成,功率分配為20kW/15kW/15kW;(5)采用兩檔支撐,鏈條傳動,設有停電緊急手搖裝置;(6)廢氣從進料端排出,窯頭/尾罩均設有補氣裝置;支座設有傾角可調裝置,調幅為0.5°~3°;(7)從冷卻段頂部引入自來水,分兩股(平行爐管軸線)均勻噴淋在水冷爐管上方;底部設有水槽,收集并引入水冷塔,循環利用。

      4結論

      該回轉爐在設計制造并安裝完畢后,進入投產,運行結果表明:

      (1)設備運行平穩可靠,能夠滿足某含鈷磷酸鐵鋰前驅體的烘干要求,達到產品各項性能指標;

      (2)由于加熱結構和保溫結構進行了優化設計,粉料烘干均勻、一致性高,一定程度地印證了爐內溫度場均勻;

      (3)設備降溫效果好,實測粉料出口溫度為38℃,可直接入袋包裝;

      (4)聚四氟乙烯密封環結構密封性能好,長時間運行無粉料泄露。水環冷卻裝置很好地控制了摩擦面的溫度,實測窯頭/窯尾聚四氟乙烯密封環摩擦面的溫度分別為76℃和66℃,延長了聚四氟乙烯密封環的使用壽命;鋰電池材料烘干回轉爐的設計和應用,解決了某含鈷磷酸鐵鋰前驅體的高產量烘干的問題。該低溫烘干回轉爐不僅可用于某含鈷磷酸鐵鋰前驅體的烘干,通過適當修改功率參數還可以應用到其他電池材料的脫水與烘干(如二水磷酸鐵和二水草酸鈷等),應用前景十分可觀。

      參考文獻:

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      作者:曾帥強 蘇文生 余永雄 劉文 單位:中國電子科技集團公司第四十八研究所

      工業爐雜志責任編輯:馮紫嫣    閱讀:人次
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