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《工業(yè)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(chǎn)量大、占地小、輔助裝置少等優(yōu)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(qū)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(yōu)化設計，提出了相應的高性能結構。投產(chǎn)運行表明，該回轉爐產(chǎn)能高、運行平穩(wěn)、產(chǎn)品質(zhì)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(yè)的發(fā)展與技術改進，回轉爐逐步引入到鋰電池材料燒結行業(yè)。回轉爐由回轉爐管、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)、進排氣系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等構成，具有動態(tài)燒結、生產(chǎn)效率高等特征。鈷酸鋰電池作為國內(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(chǎn)效率，又要嚴格將烘干溫度控制在120℃以內(nèi)（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(chǎn)單位要求含鈷前驅(qū)體的設計產(chǎn)能為330kg/h，其物理參數(shù)見表1。根據(jù)實驗得知該含鈷前驅(qū)體在120℃內(nèi)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(shù)Di—爐管內(nèi)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(diào)，式中傾角α取2°，轉速n取2r/min；系數(shù)m取決于爐管內(nèi)抄板的結構形式，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)物料密度及設計流向，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)帶入上式可得出長徑比L/Di=6.51。小型化工回轉爐內(nèi)徑常用規(guī)格有500mm、600mm、800mm、1000mm、1200mm等，小口徑爐管具有結構剛性好、管內(nèi)溫度均勻等優(yōu)點，但產(chǎn)量較低，對于330kg/h的產(chǎn)量要求，宜選取爐管內(nèi)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(qū)后加裝一節(jié)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(zhì)為SUS304；水冷區(qū)爐管尺寸為Φ800mm×820mm×1500mm，材質(zhì)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(wěn)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(tài)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(qū)；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(nèi)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(diào)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(fā)；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(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算加熱電功率：P=Qa3600式中：P—電功率，kWQa—電能生熱量，kJ根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，Qa=145612.06kJ，帶入上式得：P=40.4kW。考慮實際生產(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(nèi)徑，mΦ—填充率K—抄板系數(shù)，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(shù)，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(nèi)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(shù)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(huán)境多塵，Ki取值1.3。將數(shù)據(jù)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(yōu)化設計

2.1密封裝置

回轉爐密封裝置密封性能的優(yōu)劣直接影響回轉爐的保溫、能耗、爐內(nèi)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(nèi)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(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轉時產(chǎn)生的熱變形，摩擦面會產(chǎn)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(huán)使用壽命，在摩擦端面上設置水冷溝（水環(huán)）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(nèi)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(nèi)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(jīng)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(qū)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(nèi)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(nèi)壁，兩半金屬爐殼將保溫層機構固定在內(nèi)。硅酸鋁纖維模塊為1/8圓柱體，內(nèi)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(nèi)。

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(fā)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?jié)窳铣蓤F、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(qū)由三個溫區(qū)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(diào)裝置，調(diào)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(huán)利用。

4結論

該回轉爐在設計制造并安裝完畢后，進入投產(chǎn)，運行結果表明：

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

（2）由于加熱結構和保溫結構進行了優(yōu)化設計，粉料烘干均勻、一致性高，一定程度地印證了爐內(nèi)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(huán)結構密封性能好，長時間運行無粉料泄露。水環(huán)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(huán)摩擦面的溫度分別為76℃和66℃，延長了聚四氟乙烯密封環(huán)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(qū)體的高產(chǎn)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(qū)體的烘干，通過適當修改功率參數(shù)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。

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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