鋰電池材料烘干回轉(zhuǎn)爐的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

曾帥強(qiáng)，蘇文生，余永雄，劉文

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙410111）

鋰電池材料烘干回轉(zhuǎn)爐的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

曾帥強(qiáng)，蘇文生，余永雄，劉文

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙410111）

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?；剞D(zhuǎn)爐以其產(chǎn)量大、占地小、輔助裝置少等優(yōu)勢(shì)，在電池材料燒結(jié)領(lǐng)域越來(lái)越受到重視。文章介紹了鋰電池材料某鈷酸鋰前驅(qū)體低溫烘干回轉(zhuǎn)爐的主要設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，并對(duì)加熱裝置、密封裝置、保溫層等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了相應(yīng)的高性能結(jié)構(gòu)。投產(chǎn)運(yùn)行表明，該回轉(zhuǎn)爐產(chǎn)能高、運(yùn)行平穩(wěn)、產(chǎn)品質(zhì)量好。

鋰電池材料；回轉(zhuǎn)爐；設(shè)計(jì)

近年來(lái)，隨著新能源行業(yè)的發(fā)展與技術(shù)改進(jìn)，回轉(zhuǎn)爐逐步引入到鋰電池材料燒結(jié)行業(yè)?；剞D(zhuǎn)爐由回轉(zhuǎn)爐管、密封裝置、支撐及傾角調(diào)節(jié)裝置、加熱系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等構(gòu)成，具有動(dòng)態(tài)燒結(jié)、生產(chǎn)效率高等特征。鈷酸鋰電池作為國(guó)內(nèi)一種主流鋰電池材料，其制備需要大量的某含鈷前驅(qū)體。作為該前驅(qū)體的制備的一道關(guān)鍵工藝，由于其含有約9%~12%的物理水，需要對(duì)其進(jìn)行脫水處理。該工藝的特殊之處在于既要保證生產(chǎn)效率，又要嚴(yán)格將烘干溫度控制在120℃以?xún)?nèi)（超過(guò)120℃物料變性）。本文通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)爐關(guān)鍵部位進(jìn)行技術(shù)研究與改進(jìn)，設(shè)計(jì)出專(zhuān)用于鋰電池材料低溫烘干的回轉(zhuǎn)爐。

1 回轉(zhuǎn)爐設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 爐管尺寸計(jì)算

生產(chǎn)單位要求含鈷前驅(qū)體的設(shè)計(jì)產(chǎn)能為330 kg/h，其物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 某含鈷前驅(qū)體物理參數(shù)表

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得知該含鈷前驅(qū)體在120℃內(nèi)烘干時(shí)間為70 min左右。物料停留時(shí)間計(jì)算公式如下：

式中：t—物料停留時(shí)間，min

L—爐管長(zhǎng)度，m

m、k—系數(shù)

Di—爐管內(nèi)徑，m

n—轉(zhuǎn)速，r/min

α—爐管傾角，°

通?；剞D(zhuǎn)爐爐管傾角為0~3°，轉(zhuǎn)速為1~3 r/min可調(diào)，式中傾角α取2°，轉(zhuǎn)速n取2 r/min；系數(shù)m取決于爐管內(nèi)抄板的結(jié)構(gòu)形式，其中升舉式m=0.5；系數(shù)k取決于物料密度以及爐管內(nèi)熱流方向與物料方向，據(jù)物料密度及設(shè)計(jì)流向，k取1.5。

根據(jù)產(chǎn)能要求和物料的物理特性，將數(shù)據(jù)帶入上式可得出長(zhǎng)徑比L/Di=6.51。小型化工回轉(zhuǎn)爐內(nèi)徑常用規(guī)格有500 mm、600 mm、800 mm、1 000 mm、1 200 mm等，小口徑爐管具有結(jié)構(gòu)剛性好、管內(nèi)溫度均勻等優(yōu)點(diǎn)，但產(chǎn)量較低，對(duì)于330 kg/h的產(chǎn)量要求，宜選取爐管內(nèi)徑為800 mm。由長(zhǎng)徑比得出爐管長(zhǎng)L=6.51×800=5 208 mm，取5.2 m。

為了防止物料在烘干后吸潮，出爐的物料需要及時(shí)入袋封包。由于物料溫度不高，只需在加熱區(qū)后加裝一節(jié)1.5 m水冷爐管即可。

通過(guò)分析計(jì)算，初步選取加熱爐管尺寸為Φ800 mm×824 mm×5 200 mm，材質(zhì)為SUS304；水冷區(qū)爐管尺寸為Φ800 mm×820 mm×1 500 mm，材質(zhì)為SUS304。

1.2 爐管力學(xué)計(jì)算

在同等爐管厚度的前提下，為了最大限度降低爐管的應(yīng)力載荷，增強(qiáng)爐管壽命，同時(shí)，確保爐管使用的安全性和穩(wěn)定性，需要對(duì)爐管進(jìn)行力學(xué)分析。由于爐管轉(zhuǎn)速較低，通常計(jì)算其靜態(tài)下的受力情況。在爐管長(zhǎng)度低于15 m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(yù)留更多的空間作為加熱區(qū)；但本案由于溫度較低，支撐部位熱量流失相對(duì)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(duì)靠中的位置。圖1為爐管結(jié)構(gòu)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(nèi)粉體重力均布載荷力qs、支撐檔對(duì)爐管的支撐反力F1、F2；通過(guò)計(jì)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(dāng)調(diào)整支撐檔的位置，使得剪力F1、F2盡量相當(dāng)，以及支撐檔、中部三處扭矩盡量相等。

1.3 電熱功率計(jì)算

1.3.1 物料平衡

圖1 爐管受力分析圖（剪力、扭矩）

物料平衡表（見(jiàn)表2）可以看出，物料的烘干主要是物料中物理水的蒸發(fā)；物料在回轉(zhuǎn)過(guò)程中被揚(yáng)料板揚(yáng)起，有4.34%的物料隨廢氣一同排出爐外。

表2 低溫烘干回轉(zhuǎn)爐物料平衡表

1.3.2 熱平衡

低溫烘干回轉(zhuǎn)爐熱平衡見(jiàn)表3。

表3 低溫烘干回轉(zhuǎn)爐熱平衡表

從熱平衡表可以看出，熱收入主要來(lái)源于電能生熱；熱支出部分中，水分蒸發(fā)汽化占一大部分，水冷裝置散熱占熱量支出總數(shù)的12.1%，該部分熱量可用作余熱利用。

根據(jù)電能生熱所需熱量計(jì)算加熱電功率：

式中：P—電功率，kW

Qa—電能生熱量，kJ

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，Qa=145 612.06 kJ，帶入上式得：P=40.4 kW。考慮實(shí)際生產(chǎn)各種因素的影響，確保加熱功率有足夠的裕量，該值適當(dāng)放大并圓整，P最終取值50 kW。

1.4 傳動(dòng)功率計(jì)算

采用杜馬公式計(jì)算低溫回轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)功率：

式中：N—爐管轉(zhuǎn)動(dòng)所需功率，kW

D—爐管內(nèi)徑，m

Φ—填充率

K—抄板系數(shù)，升舉式抄板取1.5~1.6

L—爐管長(zhǎng)度，m

n—爐管轉(zhuǎn)速，r/min

γ—物料堆密度，t/m3

ND—電機(jī)功率，kW

Ki—系數(shù)，1.1~1.3

回轉(zhuǎn)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(nèi)置揚(yáng)料板，對(duì)熱流密度要求不高，因此選取填充率為15%；抄板系數(shù)取1.6；爐管轉(zhuǎn)速范圍為0.5~3 r/min，取最大值3 r/min；考慮電機(jī)的工作環(huán)境多塵，Ki取值1.3。將數(shù)據(jù)帶入上式中得，N=0.727 kW，ND=0.95 kW。電機(jī)選取1.1 kW。

由于傳動(dòng)扭矩較小，電機(jī)與減速機(jī)的傳動(dòng)方式為皮帶輪傳動(dòng)，減速機(jī)與爐管的傳動(dòng)方式為鏈傳動(dòng)。減速機(jī)的速比i=87。

2 關(guān)鍵部位優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 密封裝置

回轉(zhuǎn)爐密封裝置密封性能的優(yōu)劣直接影響回轉(zhuǎn)爐的保溫、能耗、爐內(nèi)氣氛、粉料泄露?；剞D(zhuǎn)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(chǎng)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(yú)鱗片式密封、彈簧桿式密封、摩擦片式密封、氣缸式密封等。對(duì)于密封性特別高的回轉(zhuǎn)爐，有時(shí)采用幾種密封的組合。

本例中，爐管內(nèi)粉料飛揚(yáng)容易泄露，應(yīng)采用接觸式密封結(jié)構(gòu)。接觸式密封裝置包括動(dòng)/靜摩擦片和壓緊裝置，常用摩擦片材料（盤(pán)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?xún)?nèi)，采用聚四氟乙烯作為密封材料，在模具中注塑成圓錐環(huán)；圓錐環(huán)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(huán)端面壓緊。由于爐管加工精度的誤差和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱變形，摩擦面會(huì)產(chǎn)生周向跳動(dòng)和軸向偏差，從而影響密封性能，該結(jié)構(gòu)巧妙地解決了這個(gè)問(wèn)題。為了延長(zhǎng)聚四氟乙烯密封環(huán)使用壽命，在摩擦端面上設(shè)置水冷溝（水環(huán)）降低摩擦面溫度。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 密封裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 加熱裝置

回轉(zhuǎn)爐的加熱方式可分為內(nèi)熱式和外熱式，按熱源來(lái)分又可分為電熱、燃?xì)?、重油、煤粉加熱等。?duì)于管徑較小、物料嚴(yán)格無(wú)摻雜要求的化工回轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)形式。本例設(shè)計(jì)出一種類(lèi)似于四周加熱結(jié)構(gòu)的雙弧形加熱模塊結(jié)構(gòu)，可在爐內(nèi)溫度相對(duì)較低、物料流通量大時(shí)，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=480 mm），再經(jīng)模具壓制成半圓形（R466 mm）；兩塊弧形加熱模塊合圍成爐管的加熱區(qū)的一段，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示（4段）。

2.3 保溫結(jié)構(gòu)

外熱式回轉(zhuǎn)爐的保溫結(jié)構(gòu)通常由耐熱磚、保溫磚、保溫棉板等砌筑而成，本例設(shè)計(jì)出模塊化保溫結(jié)構(gòu)，減低施工成本，提高保溫性能。如圖4所示，保溫結(jié)構(gòu)由多塊硅酸鋁纖維模塊拼接而成，結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)留電熱絲安裝槽；陶瓷掛鉤穿過(guò)保溫層將電熱絲固定在保溫層內(nèi)壁，兩半金屬爐殼將保溫層機(jī)構(gòu)固定在內(nèi)。硅酸鋁纖維模塊為1/8圓柱體，內(nèi)徑為852 mm，厚度130 mm，長(zhǎng)度為500 mm；單塊弧形加熱模塊正好可鑲嵌于4塊硅酸鋁纖維模塊內(nèi)。

圖3 加熱模塊結(jié)構(gòu)圖

圖4 保溫結(jié)構(gòu)圖

3 整體結(jié)構(gòu)

低溫烘干回轉(zhuǎn)爐整體結(jié)構(gòu)說(shuō)明（見(jiàn)圖5）。

圖5 低溫烘干回轉(zhuǎn)爐整體結(jié)構(gòu)圖

（1）料斗設(shè)有高/低料位計(jì)，可在料滿(mǎn)/料空時(shí)發(fā)出警報(bào)，支持人工上料或自動(dòng)上料；料斗上設(shè)有破拱裝置；

（2）進(jìn)料為雙螺旋輸送器，防止?jié)窳铣蓤F(tuán)、滯留；

（3）爐管首尾分別設(shè)有變徑法蘭和螺旋推料錐管，可提高密封性能；

（4）加熱區(qū)由三個(gè)溫區(qū)組成，功率分配為20 kW /15 kW/15 kW；

（5）采用兩檔支撐，鏈條傳動(dòng)，設(shè)有停電緊急手搖裝置；

（6）廢氣從進(jìn)料端排出，窯頭/尾罩均設(shè)有補(bǔ)氣裝置；支座設(shè)有傾角可調(diào)裝置，調(diào)幅為0.5°～3°；

（7）從冷卻段頂部引入自來(lái)水，分兩股（平行爐管軸線(xiàn)）均勻噴淋在水冷爐管上方；底部設(shè)有水槽，收集并引入水冷塔，循環(huán)利用。

4 結(jié)論

該回轉(zhuǎn)爐在設(shè)計(jì)制造并安裝完畢后，進(jìn)入投產(chǎn)，運(yùn)行結(jié)果表明：

（1）設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)可靠，能夠滿(mǎn)足某含鈷磷酸鐵鋰前驅(qū)體的烘干要求，達(dá)到產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)；

（2）由于加熱結(jié)構(gòu)和保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，粉料烘干均勻、一致性高，一定程度地印證了爐內(nèi)溫度場(chǎng)均勻；

（3）設(shè)備降溫效果好，實(shí)測(cè)粉料出口溫度為38℃，可直接入袋包裝；

（4）聚四氟乙烯密封環(huán)結(jié)構(gòu)密封性能好，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行無(wú)粉料泄露。水環(huán)冷卻裝置很好地控制了摩擦面的溫度，實(shí)測(cè)窯頭/窯尾聚四氟乙烯密封環(huán)摩擦面的溫度分別為76℃和66℃，延長(zhǎng)了聚四氟乙烯密封環(huán)的使用壽命；

鋰電池材料烘干回轉(zhuǎn)爐的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，解決了某含鈷磷酸鐵鋰前驅(qū)體的高產(chǎn)量烘干的問(wèn)題。該低溫烘干回轉(zhuǎn)爐不僅可用于某含鈷磷酸鐵鋰前驅(qū)體的烘干，通過(guò)適當(dāng)修改功率參數(shù)還可以應(yīng)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(yīng)用前景十分可觀。

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Design and Optimization of Rotary Kiln for Lithium Battery Material Drying

ZENG Shuaiqiang,SU Wensheng,YU Yongxiong,LIU Wen
（No.48 Research Institute of CETC,Changsha 410111,China）

With the promotion and popularization of green energy,the demand for lithium battery materials is increasing year by year.Rotary kiln has been paid more and more attention in the field of battery material sintering with its advantages such as large output,small occupied area and little auxiliary device.The main design calculation process of the low-temperature drying rotary kiln for lithium battery materials,a cobalt acid lithium precursor body is introduced,and the optimal design of the heating device,sealing device,insulation layer and other key structure design is carried out,and the corresponding high performance structure is put forward.The commissioning test shows that the rotary kiln runs smoothly and its production capacity are high,and its productquality is good.

lithium battery material;rotary kiln;design

TQ051.8+92

A

1001-6988（2016）06-0022-04

2016-08-31

曾帥強(qiáng)（1988—），男，工程師，主要從事窯爐結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計(jì)方面工作.