孫兆倫

摘要：磷酸鐵鋰作為當(dāng)下熱門的鋰電池原料，它的制備過程中在經(jīng)過輥道爐燒結(jié)完成后需要冷卻到合適溫度。影響磷酸鐵鋰?yán)鋮s效率的因素有很多，其中一個(gè)因素就是盛裝它的容器-石墨匣缽。以六列輥道爐為例，目前市面上適用的常見匣缽構(gòu)造有兩種，一種是270mm高度的大匣缽，另一種是150mm高度的小匣缽?，F(xiàn)為了研究這兩種匣缽對(duì)于物料磷酸鐵鋰?yán)鋮s效率的影響，利用仿真軟件建立匣缽與爐膛模型，根據(jù)不同時(shí)間段的溫度云圖分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)使用小匣缽布置方案，磷酸鐵鋰物料表面的降溫速率更快。

關(guān)鍵詞：輥道爐 ?匣缽 ?熱仿真 ?磷酸鐵鋰

一、引言

輥道爐設(shè)備專門用于磷酸鐵鋰等鋰電材料燒結(jié)，該類設(shè)備具有產(chǎn)能大、密封性好、性能穩(wěn)定、機(jī)械化與自動(dòng)化程度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，此類設(shè)備一般主要分為進(jìn)口置換室，加熱區(qū)，冷卻區(qū)，出口置換室等四大部分。本文重點(diǎn)討論其冷卻區(qū)，使用大匣缽與小匣缽兩種規(guī)格的匣缽對(duì)物料磷酸鐵鋰?yán)鋮s效率的影響，探究能否通過更改匣缽布置方式來提高物料冷卻效率，從而達(dá)到提高單位時(shí)間內(nèi)的物料產(chǎn)量，縮短生產(chǎn)線的目的。

二、輥道爐冷卻區(qū)爐膛結(jié)構(gòu)介紹

如圖，下圖1為爐膛冷卻段截面示意圖，匣缽置于棍棒上方，爐膛內(nèi)上下各有冷卻水管與熱空氣換熱，同時(shí)底部設(shè)有進(jìn)氣口，加快爐膛內(nèi)空氣流通，提高匣缽與磷酸鐵鋰物料的散熱速率。

現(xiàn)有兩種匣缽布置方案：

方案一：使用大匣缽，匣缽高度270mm，在棍棒上單層布置;

方案二：使用小匣缽，匣缽高度150mm，將匣缽相疊分為上下兩層布置。

為保證初始熱量相同，需讓兩種方案中物料磷酸鐵鋰的總量相同，其中方案一大匣缽填裝200mm高度磷酸鐵鋰，方案二小匣缽，每個(gè)匣缽分別填裝100mm高度磷酸鐵鋰。

三、輸入條件

?物料（磷酸鐵鋰）與匣缽（石墨）經(jīng)燒結(jié)后起始溫度為820℃，爐膛內(nèi)起始溫度為26℃;

?爐膛尺寸：2204×606 mm（長(zhǎng)×高）;

?匣缽尺寸：大匣缽—330×330×270mm（長(zhǎng)×寬×高）;

小匣缽—330×330×150mm（長(zhǎng)×寬×高）;

?冷卻水溫度：26℃;

?石墨與磷酸鐵鋰物性參數(shù)見下表：

表1 ?冷卻材料物性參數(shù)表

密度（g/cm3） 比熱 J/（kg·K） 熱導(dǎo)率 W/（m·K）

石墨（匣缽） 2.09 710 151

磷酸鐵鋰（物料） 0.6（振實(shí)條件下） 270 55（假設(shè)）

四、熱仿真模型

由于匣缽在爐膛中分布方式為均勻排列，且與前后及左右相鄰匣缽的間距均相同，換言之每個(gè)匣缽與里面物料的散熱環(huán)境都相同，而本次仿真的目的是為了探究?jī)煞N方案匣缽中物料表面散熱情況差異，只考慮六列匣缽中表面的最高溫度，因此可選取爐膛中的一個(gè)匣缽建立三維模型，進(jìn)行后續(xù)傳熱仿真。

4.1邊界條件設(shè)置

?石墨匣缽各面為光滑表面，不做特殊處理;

?輥棒作為支撐匣缽與傳動(dòng)裝置，對(duì)匣缽與物料的散熱沒有影響，模型中可忽略;

?物料磷酸鐵鋰在匣缽中為振實(shí)狀態(tài)，當(dāng)做一整個(gè)實(shí)體處理;

?物料的降溫原理為，磷酸鐵鋰將熱量傳遞為石墨匣缽，匣缽再將熱量傳遞給空氣，被加熱后的空氣再與冷卻水管換熱，從而達(dá)到降溫的目的;本次仿真的主要目的是研究?jī)煞N匣缽規(guī)格對(duì)于物料降溫的影響，所以可忽略爐膛中空氣與冷卻水的換熱從而導(dǎo)致冷卻水的升溫，將上下的冷卻水管外表面設(shè)置成恒溫的壁面，從而達(dá)到簡(jiǎn)化模型的目的;

?將其余側(cè)面設(shè)置成絕熱壁面，不考慮爐膛內(nèi)的空氣通過爐膛壁面與外界進(jìn)行換熱。

?匣缽進(jìn)入冷卻段之后，爐膛內(nèi)空氣的溫度會(huì)急劇升高，壓力也會(huì)隨之增大，頂部的出氣口也為壓力出口。

4.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)簡(jiǎn)化的模型建立仿真需要的模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于本次仿真的重點(diǎn)關(guān)注地方是石墨匣缽對(duì)于物料散熱的影響，所以需在模型中匣缽與物料接觸的位置適當(dāng)加密網(wǎng)格，增加計(jì)算精度。

五、溫度場(chǎng)仿真結(jié)果

將網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行仿真模擬，得到不同時(shí)間點(diǎn)匣缽內(nèi)磷酸鐵鋰表面最高溫度數(shù)據(jù)（方案二為上下兩層物料中的最高溫度），如下表所示：

此次仿真以物料磷酸鐵鋰表面溫度降到60℃為最終目標(biāo)，通過圖表可以看出方案一使用大匣缽用時(shí)8h，方案二使用雙層小匣缽用時(shí)7h，方案二比方案一快1h。

方案一平均降溫速率：（820-60）/8=95℃

方案二平均降溫速率：（820-60）/7=108.57℃

方案二/方案一=108.57/95≈1.142

六、結(jié)論

1.以降溫到60℃為結(jié)果，在保證除匣缽規(guī)格外爐膛內(nèi)其他情況都一樣的條件下，使用雙層小匣缽布置方案比單層大匣缽方案，降溫速率快1.142倍;

2.從降溫曲線圖還可以明顯看出物料與匣缽在爐膛內(nèi)的降溫速度是逐漸減緩的;

3.由于本次仿真由于磷酸鐵鋰傳熱系數(shù)未知，是首先假設(shè)的傳熱系數(shù)，然后通過仿真計(jì)算物料降溫至60℃的時(shí)間，再與實(shí)際產(chǎn)線中磷酸鐵鋰的實(shí)際降溫時(shí)間作比較，最終得出在設(shè)置磷酸鐵鋰傳熱系數(shù)為55 W/（m·K）時(shí)，仿真結(jié)果為方案一大匣缽降溫時(shí)間為8h，與實(shí)際生產(chǎn)中降溫時(shí)間為8～9h基本相符，從而也可以得出結(jié)論，磷酸鐵鋰在匣缽中的傳熱系數(shù)大概在55w/m·k左右。

當(dāng)然，這個(gè)傳熱系數(shù)也是在保證磷酸鐵鋰的振實(shí)密度為0.6g/cm3，比熱容為270J/（kg·K）這兩個(gè)數(shù)據(jù)為前提的情況下得出的結(jié)果，若這兩個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，傳熱系數(shù)也相應(yīng)的會(huì)產(chǎn)生變化，而且本次仿真是將磷酸鐵鋰設(shè)置成的一整個(gè)實(shí)體，所以此傳熱系數(shù)也僅僅為磷酸鐵鋰在匣缽中散裝振實(shí)總體的一個(gè)大致傳熱系數(shù)，與材料本身的傳熱系數(shù)無關(guān)。

總體來講，使用雙層小匣缽的布置方案，可以提高物料的冷卻效率，對(duì)磷酸鐵鋰生產(chǎn)效率的提高，輥道爐產(chǎn)線的縮短都有很大幫助。

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