锂电池材料烘干回转炉的设计与优化

曾帅强，苏文生，余永雄，刘文

（中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111）

锂电池材料烘干回转炉的设计与优化

曾帅强，苏文生，余永雄，刘文

（中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111）

随着绿色能源的推广与普及，锂电池材料的需求量逐年攀升。回转炉以其产量大、占地小、辅助装置少等优势，在电池材料烧结领域越来越受到重视。文章介绍了锂电池材料某钴酸锂前驱体低温烘干回转炉的主要设计计算过程，并对加热装置、密封装置、保温层等关键结构进行了优化设计，提出了相应的高性能结构。投产运行表明，该回转炉产能高、运行平稳、产品质量好。

锂电池材料；回转炉；设计

近年来，随着新能源行业的发展与技术改进，回转炉逐步引入到锂电池材料烧结行业。回转炉由回转炉管、密封装置、支撑及倾角调节装置、加热系统、控温系统、进排气系统、传动系统等构成，具有动态烧结、生产效率高等特征。钴酸锂电池作为国内一种主流锂电池材料，其制备需要大量的某含钴前驱体。作为该前驱体的制备的一道关键工艺，由于其含有约9%~12%的物理水，需要对其进行脱水处理。该工艺的特殊之处在于既要保证生产效率，又要严格将烘干温度控制在120℃以内（超过120℃物料变性）。本文通过对回转炉关键部位进行技术研究与改进，设计出专用于锂电池材料低温烘干的回转炉。

1 回转炉设计计算

1.1 炉管尺寸计算

生产单位要求含钴前驱体的设计产能为330 kg/h，其物理参数见表1。

表1 某含钴前驱体物理参数表

根据实验得知该含钴前驱体在120℃内烘干时间为70 min左右。物料停留时间计算公式如下：

式中：t—物料停留时间，min

L—炉管长度，m

m、k—系数

Di—炉管内径，m

n—转速，r/min

α—炉管倾角，°

通常回转炉炉管倾角为0~3°，转速为1~3 r/min可调，式中倾角α取2°，转速n取2 r/min；系数m取决于炉管内抄板的结构形式，其中升举式m=0.5；系数k取决于物料密度以及炉管内热流方向与物料方向，据物料密度及设计流向，k取1.5。

根据产能要求和物料的物理特性，将数据带入上式可得出长径比L/Di=6.51。小型化工回转炉内径常用规格有500 mm、600 mm、800 mm、1 000 mm、1 200 mm等，小口径炉管具有结构刚性好、管内温度均匀等优点，但产量较低，对于330 kg/h的产量要求，宜选取炉管内径为800 mm。由长径比得出炉管长L=6.51×800=5 208 mm，取5.2 m。

为了防止物料在烘干后吸潮，出炉的物料需要及时入袋封包。由于物料温度不高，只需在加热区后加装一节1.5 m水冷炉管即可。

通过分析计算，初步选取加热炉管尺寸为Φ800 mm×824 mm×5 200 mm，材质为SUS304；水冷区炉管尺寸为Φ800 mm×820 mm×1 500 mm，材质为SUS304。

1.2 炉管力学计算

在同等炉管厚度的前提下，为了最大限度降低炉管的应力载荷，增强炉管寿命，同时，确保炉管使用的安全性和稳定性，需要对炉管进行力学分析。由于炉管转速较低，通常计算其静态下的受力情况。在炉管长度低于15 m的情况下，炉管一般采用两档支撑。通常炉管的支撑靠近两端，这样方便预留更多的空间作为加热区；但本案由于温度较低，支撑部位热量流失相对较小，为了减小炉管中部挠度、改善炉管受力情况，将支撑装置选取在相对靠中的位置。图1为炉管结构图以及受力分析图。

炉管的受力主要包括自重均布载荷力qa1、qa2、管内粉体重力均布载荷力qs、支撑档对炉管的支撑反力F1、F2；通过计算这些受力，得到炉管受力的剪力图（Fs-x）和扭矩图（M-x）。适当调整支撑档的位置，使得剪力F1、F2尽量相当，以及支撑档、中部三处扭矩尽量相等。

1.3 电热功率计算

1.3.1 物料平衡

图1 炉管受力分析图（剪力、扭矩）

物料平衡表（见表2）可以看出，物料的烘干主要是物料中物理水的蒸发；物料在回转过程中被扬料板扬起，有4.34%的物料随废气一同排出炉外。

表2 低温烘干回转炉物料平衡表

1.3.2 热平衡

低温烘干回转炉热平衡见表3。

表3 低温烘干回转炉热平衡表

从热平衡表可以看出，热收入主要来源于电能生热；热支出部分中，水分蒸发汽化占一大部分，水冷装置散热占热量支出总数的12.1%，该部分热量可用作余热利用。

根据电能生热所需热量计算加热电功率：

式中：P—电功率，kW

Qa—电能生热量，kJ

根据表3的数据，Qa=145 612.06 kJ，带入上式得：P=40.4 kW。考虑实际生产各种因素的影响，确保加热功率有足够的裕量，该值适当放大并圆整，P最终取值50 kW。

1.4 传动功率计算

采用杜马公式计算低温回转炉传动功率：

式中：N—炉管转动所需功率，kW

D—炉管内径，m

Φ—填充率

K—抄板系数，升举式抄板取1.5~1.6

L—炉管长度，m

n—炉管转速，r/min

γ—物料堆密度，t/m3

ND—电机功率，kW

Ki—系数，1.1~1.3

回转炉物料填充率的取值范围通常为10%~ 20%，本窑炉处理料为物理水烘干，且炉管内置扬料板，对热流密度要求不高，因此选取填充率为15%；抄板系数取1.6；炉管转速范围为0.5~3 r/min，取最大值3 r/min；考虑电机的工作环境多尘，Ki取值1.3。将数据带入上式中得，N=0.727 kW，ND=0.95 kW。电机选取1.1 kW。

由于传动扭矩较小，电机与减速机的传动方式为皮带轮传动，减速机与炉管的传动方式为链传动。减速机的速比i=87。

2 关键部位优化设计

2.1 密封装置

回转炉密封装置密封性能的优劣直接影响回转炉的保温、能耗、炉内气氛、粉料泄露。回转炉密封装置可分为非接触式与接触式，其中非接触式主要是气封型和迷宫型，多用于密封要求不高的场合；而接触式又可分为径向密封和轴向密封，主要型式有石墨块密封、鱼鳞片式密封、弹簧杆式密封、摩擦片式密封、气缸式密封等。对于密封性特别高的回转炉，有时采用几种密封的组合。

本例中，炉管内粉料飞扬容易泄露，应采用接触式密封结构。接触式密封装置包括动/静摩擦片和压紧装置，常用摩擦片材料（盘根）有石墨、石棉、陶瓷纤维、耐磨金属、聚四氟乙烯等；压紧装置有重锤式、弹簧式、气缸式等。由于炉管温度在120℃以内，采用聚四氟乙烯作为密封材料，在模具中注塑成圆锥环；圆锥环一端用螺栓固定在窑头/尾罩上，另一端利用其自身的弹性与摩擦环端面压紧。由于炉管加工精度的误差和运转时产生的热变形，摩擦面会产生周向跳动和轴向偏差，从而影响密封性能，该结构巧妙地解决了这个问题。为了延长聚四氟乙烯密封环使用寿命，在摩擦端面上设置水冷沟（水环）降低摩擦面温度。具体结构见图2。

图2 密封装置结构图

2.2 加热装置

回转炉的加热方式可分为内热式和外热式，按热源来分又可分为电热、燃气、重油、煤粉加热等。对于管径较小、物料严格无掺杂要求的化工回转炉而言，宜采用外热式电加热。

电外加热又可分为底部加热、上下加热、四周加热等结构形式。本例设计出一种类似于四周加热结构的双弧形加热模块结构，可在炉内温度相对较低、物料流通量大时，最大程度提高炉管截面温度均匀性。单块弧形加热模块由一整根电热丝弯制成一排（L=480 mm），再经模具压制成半圆形（R466 mm）；两块弧形加热模块合围成炉管的加热区的一段，具体结构如图3所示（4段）。

2.3 保温结构

外热式回转炉的保温结构通常由耐热砖、保温砖、保温棉板等砌筑而成，本例设计出模块化保温结构，减低施工成本，提高保温性能。如图4所示，保温结构由多块硅酸铝纤维模块拼接而成，结构内部预留电热丝安装槽；陶瓷挂钩穿过保温层将电热丝固定在保温层内壁，两半金属炉壳将保温层机构固定在内。硅酸铝纤维模块为1/8圆柱体，内径为852 mm，厚度130 mm，长度为500 mm；单块弧形加热模块正好可镶嵌于4块硅酸铝纤维模块内。

图3 加热模块结构图

图4 保温结构图

3 整体结构

低温烘干回转炉整体结构说明（见图5）。

图5 低温烘干回转炉整体结构图

（1）料斗设有高/低料位计，可在料满/料空时发出警报，支持人工上料或自动上料；料斗上设有破拱装置；

（2）进料为双螺旋输送器，防止湿料成团、滞留；

（3）炉管首尾分别设有变径法兰和螺旋推料锥管，可提高密封性能；

（4）加热区由三个温区组成，功率分配为20 kW /15 kW/15 kW；

（5）采用两档支撑，链条传动，设有停电紧急手摇装置；

（6）废气从进料端排出，窑头/尾罩均设有补气装置；支座设有倾角可调装置，调幅为0.5°～3°；

（7）从冷却段顶部引入自来水，分两股（平行炉管轴线）均匀喷淋在水冷炉管上方；底部设有水槽，收集并引入水冷塔，循环利用。

4 结论

该回转炉在设计制造并安装完毕后，进入投产，运行结果表明：

（1）设备运行平稳可靠，能够满足某含钴磷酸铁锂前驱体的烘干要求，达到产品各项性能指标；

（2）由于加热结构和保温结构进行了优化设计，粉料烘干均匀、一致性高，一定程度地印证了炉内温度场均匀；

（3）设备降温效果好，实测粉料出口温度为38℃，可直接入袋包装；

（4）聚四氟乙烯密封环结构密封性能好，长时间运行无粉料泄露。水环冷却装置很好地控制了摩擦面的温度，实测窑头/窑尾聚四氟乙烯密封环摩擦面的温度分别为76℃和66℃，延长了聚四氟乙烯密封环的使用寿命；

锂电池材料烘干回转炉的设计和应用，解决了某含钴磷酸铁锂前驱体的高产量烘干的问题。该低温烘干回转炉不仅可用于某含钴磷酸铁锂前驱体的烘干，通过适当修改功率参数还可以应用到其他电池材料的脱水与烘干（如二水磷酸铁和二水草酸钴等），应用前景十分可观。

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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

曾帅强（1988—），男，工程师，主要从事窑炉结构研发设计方面工作.