梁錦勝
(佛山高砂工業(yè)窯爐有限公司,廣東 佛山 528000)
結(jié)合新時(shí)期發(fā)展特征,為了進(jìn)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(jìn)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(dú)特設(shè)計(jì)方法打造全密封爐膽,優(yōu)化爐襯選材,輔助磷酸鐵鋰實(shí)現(xiàn)高效批量生產(chǎn),在進(jìn)一步擴(kuò)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(yùn)行,降低生產(chǎn)制造成本。
磷酸鐵鋰作為新型電池中的重要組成材料,其具有價(jià)格低廉、材料來(lái)源廣泛、材料熱穩(wěn)定性突出、無(wú)污染等特征,同時(shí)利用磷酸鐵鋰制作的電池?fù)碛辛己玫陌踩阅埽M(jìn)一步擴(kuò)大了其在動(dòng)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(dòng)力電源關(guān)于材料體積方面的條件和儲(chǔ)存容量相比整體較低,但對(duì)于材料環(huán)保性能、價(jià)格以及安全性等方面提出更高要求。促進(jìn)磷酸鐵鋰朝著高性能和高應(yīng)用開(kāi)發(fā)價(jià)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(duì)磷酸鐵鋰嚴(yán)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(jì)經(jīng)驗(yàn),合理設(shè)計(jì)一種全新網(wǎng)帶式燒結(jié)爐[1]。
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(duì)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(zhǎng)×寬×高=1600cm×68cm×21cm。傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)網(wǎng)帶寬是66cm,具體運(yùn)行速度維持在每小時(shí)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(yuǎn)紅外管實(shí)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]。
此次所設(shè)計(jì)的網(wǎng)帶式燒結(jié)爐主要包括水路和氣路、網(wǎng)帶驅(qū)動(dòng)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(jì)成整體密封的馬弗爐膽結(jié)構(gòu),加熱部分爐膽選擇長(zhǎng)度為16m 的不銹鋼進(jìn)行整體彎折,成型操作,針對(duì)橫斷面部分實(shí)施無(wú)焊縫處理,通過(guò)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(wèn)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(duì)頂層選擇設(shè)置硅酸鋁纖維棉。聯(lián)系實(shí)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(shì),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(guò)程中,進(jìn)一步縮減爐體鋼架運(yùn)行負(fù)荷,使所用鋼材節(jié)約1/3。應(yīng)用者對(duì)應(yīng)生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間僅為1~2d,用戶從停爐維修至恢復(fù)正常運(yùn)行整個(gè)過(guò)程得到有效控制和縮短。針對(duì)爐膛兩個(gè)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(gè)金屬掛鉤實(shí)施固定處理,并在爐膛內(nèi)部進(jìn)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(gè)攪拌風(fēng)機(jī)分別屬于兩種加熱區(qū),能夠提升新鮮氣體循環(huán)效率,擴(kuò)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(guò)初步高溫處理后融入冷卻區(qū)內(nèi),從500℃起經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)4m 的迅速冷卻區(qū)間,需要于抵達(dá)出口位置后溫度穩(wěn)定在45℃左右,整體耗時(shí)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(zhǎng)度是2m,通過(guò)內(nèi)外兩層不銹鋼進(jìn)行組合焊接構(gòu)成,處于夾層內(nèi)設(shè)置加強(qiáng)筋柱以及導(dǎo)流槽。對(duì)應(yīng)進(jìn)水形式設(shè)計(jì)成從末端底部進(jìn)入,順著前端頂層流出進(jìn)水管道中通過(guò)合理設(shè)置止回閥能夠幫助預(yù)防因?yàn)橥K斐傻睦鋮s套內(nèi)部水倒流問(wèn)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(shí)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?yàn)樗疁剡^(guò)高所形成的汽化問(wèn)題,導(dǎo)致?tīng)t膽內(nèi)部變形。
爐體外殼部分,此次設(shè)計(jì)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(shí)施分段組裝焊接,提升整個(gè)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(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生熱變形問(wèn)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(dāng)中,能夠自由伸展?fàn)t膽。針對(duì)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(zhǎng)度方向不斷膨脹過(guò)程中,對(duì)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(jìn)行自由滾動(dòng),如此能夠有效改善馬弗爐膽內(nèi)部所形成熱膨脹問(wèn)題,部分限位角鋼設(shè)置了調(diào)整螺栓后能夠確保整個(gè)爐膽順著預(yù)測(cè)方向有序移動(dòng)[4]。
網(wǎng)帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具體如圖2 所示。
圖2 網(wǎng)帶驅(qū)動(dòng)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(jī)等部分組成,具體運(yùn)行原理是利用主輪周圍大包角所形成摩擦力驅(qū)動(dòng)整個(gè)網(wǎng)帶運(yùn)行。對(duì)應(yīng)網(wǎng)帶的運(yùn)行速度設(shè)計(jì)需要保證連續(xù)可調(diào)性,通過(guò)變頻調(diào)速裝置輔助顯示設(shè)置和帶速設(shè)置。針對(duì)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(yùn)行。主動(dòng)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(duì)網(wǎng)帶和主動(dòng)輪間摩擦力實(shí)施靈活調(diào)整,促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。電機(jī)功率普遍設(shè)置在1.5kW,設(shè)置為變頻無(wú)極調(diào)速,選擇二級(jí)減速裝置以及一級(jí)鏈傳動(dòng),對(duì)應(yīng)減速比設(shè)置為20×43×35。
網(wǎng)帶式燒結(jié)爐對(duì)應(yīng)傳送爐內(nèi)傳動(dòng)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(zhǎng)度為16m 的整塊不銹鋼板材彎折形成,進(jìn)而將整個(gè)爐膽底層更為平整,進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)帶運(yùn)行平穩(wěn)度,但關(guān)于長(zhǎng)度達(dá)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(jì)、安裝和運(yùn)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(jìn)一步了解到,網(wǎng)帶所承擔(dān)靜動(dòng)摩擦差值、傳動(dòng)剛度、主動(dòng)輪運(yùn)行速度以及承載產(chǎn)品重量等因素都會(huì)影響整個(gè)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(wèn)題,需要注重控制整個(gè)網(wǎng)帶系統(tǒng)運(yùn)行中的動(dòng)靜摩擦力差值,適當(dāng)提升傳動(dòng)系統(tǒng)整體剛度。主要處理措施包括針對(duì)網(wǎng)帶絲實(shí)施加密加粗處理,盡量選擇聚四氟乙烯充當(dāng)托帶件,避免應(yīng)用拖帶輥,保證其中所用傳動(dòng)過(guò)渡滾輪的操作靈活性,減少卡滯問(wèn)題出現(xiàn),借助有效處理措施,提升網(wǎng)帶傳送效果。
為進(jìn)一步預(yù)防產(chǎn)品出現(xiàn)氧化現(xiàn)象,確保爐膽內(nèi)部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)含氧量要求,優(yōu)化爐膽操作工藝,流入氮?dú)夤埠邪私M近氣位置。爐體對(duì)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(shí)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(duì)爐膛中的外部空氣流入實(shí)施合理控制,保證產(chǎn)品進(jìn)場(chǎng)操作不會(huì)滲透大量外部空氣,減少爐溫波動(dòng)變化,指導(dǎo)網(wǎng)帶和產(chǎn)品穩(wěn)定運(yùn)行。兩種不銹鋼噴管和氣幕之間實(shí)施順暢銜接,氣簾內(nèi)部針對(duì)爐膽兩側(cè)和相關(guān)噴管實(shí)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(jìn)氮?dú)饬骶鶆蚍植荚谡麄€(gè)爐膛當(dāng)中。對(duì)于進(jìn)出口氣幕對(duì)應(yīng)爐膽兩側(cè),綜合設(shè)置六對(duì)進(jìn)氣孔。并在兩段降溫水套兩側(cè)分別設(shè)置三對(duì)加熱區(qū)、一對(duì)降溫區(qū)。八對(duì)進(jìn)氣孔全面通入氮?dú)猓獨(dú)鈴牡獨(dú)庠错樦偨刂归y、壓力繼電器、過(guò)濾減壓閥、流量計(jì)傳入不同進(jìn)氣口,選擇同一流量計(jì)對(duì)各個(gè)進(jìn)氣點(diǎn)實(shí)施綜合控制的措施確保爐膽內(nèi)部均勻填充氮?dú)?,各個(gè)流量計(jì)對(duì)應(yīng)進(jìn)氣量可以維持在5~45min/L,在該范圍內(nèi)進(jìn)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(guò)管道實(shí)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(yùn)行到降溫水套區(qū)域的產(chǎn)品實(shí)施強(qiáng)制降溫處理,從而滿足產(chǎn)品出口溫度條件。進(jìn)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(guò)程中所形成的水順著爐膽進(jìn)出口兩側(cè)排水箱順利排出,對(duì)應(yīng)排水管直徑為φ48mm。爐體對(duì)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(duì)不同部位冷卻水流量實(shí)施細(xì)致觀察,改善原本爐頂設(shè)置兩個(gè)循環(huán)風(fēng)機(jī)所導(dǎo)致的冷卻水?dāng)嗔鳠o(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。
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(yùn)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(duì)遠(yuǎn)紅外石英管實(shí)施水平上下加熱,遠(yuǎn)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(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。實(shí)踐操作中,化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、抗腐蝕能力好、熱響應(yīng)速度快、化學(xué)性能穩(wěn)定,即便長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,也不會(huì)出現(xiàn)設(shè)備功能退化以及出現(xiàn)輻射性問(wèn)題。可以利用固態(tài)繼電器實(shí)施全面控制,加強(qiáng)過(guò)零管控,設(shè)置進(jìn)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(duì)爐膛內(nèi)部燃燒溫度實(shí)施合理控制。選擇K 分度熱點(diǎn)偶以及溫度記錄裝置針對(duì)恒溫區(qū)實(shí)施巡回檢測(cè),如果發(fā)現(xiàn)爐溫存在異?,F(xiàn)象需要即可進(jìn)行預(yù)警,并將加熱電源徹底切斷。合理設(shè)置安全報(bào)警措施,除了利用設(shè)備中所設(shè)置各種漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)部件提升設(shè)備運(yùn)行安全狀態(tài)之外,設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中還存在網(wǎng)帶異常停運(yùn)、加熱元件運(yùn)行異常、斷偶、斷水、斷氣以及水溫超限、氮?dú)鈿饽涣髁啃∮谙孪薜阮A(yù)警功能,能夠朝應(yīng)用者預(yù)警設(shè)備運(yùn)行故障,促進(jìn)整個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行生產(chǎn)。
針對(duì)網(wǎng)帶運(yùn)行偏移合理進(jìn)行報(bào)警設(shè)計(jì),針對(duì)加料臺(tái)部位,網(wǎng)帶兩邊可以分別設(shè)計(jì)一組限位探頭,在網(wǎng)帶處于長(zhǎng)期運(yùn)行階段,假如對(duì)應(yīng)偏移量超出允許范圍移動(dòng)區(qū)域,則網(wǎng)帶便會(huì)碰觸限位探頭,偏移檢測(cè)系統(tǒng)能夠自動(dòng)發(fā)揮出預(yù)警,帶動(dòng)網(wǎng)帶主動(dòng)輪電機(jī)直接停止運(yùn)行,需要通過(guò)手動(dòng)操作來(lái)啟動(dòng)電機(jī),同時(shí)借助網(wǎng)帶偏移相關(guān)調(diào)節(jié)設(shè)備改善網(wǎng)帶運(yùn)行偏差。借助數(shù)字化設(shè)計(jì)以及傳感器裝置對(duì)網(wǎng)帶拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行有效控制和檢測(cè),可以直接通過(guò)數(shù)字計(jì)數(shù)器對(duì)網(wǎng)帶運(yùn)行速度進(jìn)行科學(xué)設(shè)置,并對(duì)工藝時(shí)間進(jìn)行靈活調(diào)整,進(jìn)一步改善原本利用旋鈕調(diào)速開(kāi)關(guān)方法導(dǎo)致網(wǎng)帶運(yùn)行速度調(diào)控重復(fù)性差等缺陷,提升網(wǎng)帶運(yùn)行速度整體調(diào)控精確性。
通過(guò)總結(jié)網(wǎng)帶式磷酸鐵鋰燒結(jié)爐實(shí)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(shì),對(duì)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(jìn)行一體式無(wú)縫銜接,對(duì)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(duì)應(yīng)耗氣量在6.5~9m3/h,加熱元件為遠(yuǎn)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(duì)較小,傳送系統(tǒng)具體傳輸控制操作十分簡(jiǎn)單,爐體焊接主要以斷續(xù)焊接為主,方便操作,升溫時(shí)間低于一天,方便日常維護(hù)管理,成本造價(jià)較低。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),網(wǎng)帶式磷酸鐵鋰燒結(jié)爐在運(yùn)行指標(biāo)、材料成本以及爐體結(jié)構(gòu)等方面具有突出優(yōu)勢(shì),只需進(jìn)行稍加改動(dòng)能夠有效應(yīng)用于其他電子元件生產(chǎn)領(lǐng)域。
綜上所述,處于新時(shí)期綠色清潔發(fā)展主流趨勢(shì)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(jì),保障順利實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)目標(biāo),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(gè)生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。