《装备维修技术》2021年第15期锂电正极材料辊道窑炉组成控制及硅碳棒寿命的研究
唐 进
（江苏当升材料科技有限公司，江苏 南通 226101）
摘 要：本文围绕锂电正极材料在使用2层4列辊道大气炉一次烧的过程中，升温段经常性断硅碳棒，造成硅碳棒更换损失大以及长时间生温区温度不达进行分析，到了其原因。并及时对此进行管理和整改，取得了良好的效果。 关键词：锂电正极材料；烧结；辊道窑炉；硅碳棒
1 设备组成
窑炉是正极材料加工最主要的关键设备，原料在经过高温烧结反应生成正极材料半成品。一般窑炉有传动部分、主炉体、出入口置换室、气路和电控5大部分组成。辊道窑则是通过辊棒传动带动匣钵按照一定速度均匀通过升温区、恒温区、降温冷却区完成烧结反应。辊道窑是一种轻体化连续工业窑炉，用于锂电池正极材料的快速烧成，具有能耗低、烧成周期短、炉温均匀性好、劳动强度低等特点。炉体主要包括炉体、进排风系统、温控系统及传动系统4部分组成。窑炉主要包括升温区、恒温区、降温区，由窑炉壳体和耐火材料组成。加热元件上下布置（上温区加热棒还有陶瓷套管），辊棒处在上下两层加热棒中
间，产品通过辊棒传动输送进行烧成。降温段为风冷夹套结构，当空气经过壳体夹套时将产品辐射的热量带走，从而达到降温的目的。窑炉还配备了进排风系统，排风管道均采用不锈钢焊接而成，排气管道全部保温，减少管道对车间的热辐射，降低环境温度，排风风机为不锈钢材质，配备变频器，通过调节频率来控制风机排气量大小。除此之外，气氛炉的设备前后带有置换室，用于对材料烧结时，控制炉内气氛。
2 硅碳棒的特性
2.1 碳化硅加热元件的电气特性
不同于金属电热元件，碳化硅加热元件的电阻值随着温度的升高而变化。从室温到 700℃为负值、700℃以上为正值的特性曲线。其在约 650~700℃时电阻值达到最低点，超过此温度阻值与温度成正比增加。在低于 600℃时，碳化硅晶型的不同和微量的杂质导致较大的电阻变化，高温下电阻相同的碳化硅加热元件在室温时的电阻可能相同也可能相差较大，室温时电阻相同的碳化硅加热元件高温时的电阻可能相同也可能相差较大。且碳化硅加热元件在室温下的电阻是其在 1000℃时的 2~4 倍甚至更高，所以在室温条件下测出的阻值不能代表其在高温下的阻值，使用时也不能以室温下测出的电阻值来匹配电阻，必须以厂家在 1000℃时测得的电阻值为准来匹配电阻，每支碳化硅加热元件的冷端都标有厂家在 1000℃时测得的电阻值。所有的碳化硅加热元件随着使用时间的延长阻值相应会升高老化， 当电阻增大到其最初阻值的 3 倍时视为其寿命的终结。发现硅碳棒烧坏断裂时，应及时进行更换。最好是成批同时更换，不要零星更换，避免由千电阻值不一致造成元件烧毁。己“老化”的硅碳棒也应一次性更换。为了充分利用换下的硅碳棒，可再分别测掀电阻值，挑出电阻值大体一致的硅碳棒分批重新使用【1】。
2.2 硅碳棒的周期检查
根据工厂使用情况来看，硅碳棒长度2410mm为例，使用一般情况下按使用情况每8000小时进行抽检，每16000小时进行全检，可使用外用表、硅碳棒导电夹和铝编织带进行测试。一般测试在加热至1050℃状态下断电拉闸挂牌后进行。根据曲线得出在硅碳棒室温测试时的电阻约为实际电阻的3倍左右，80%的新棒室温时的电阻，是其1000’C热态电阻的1.5~3倍。用过的旧棒，冷态电阻和热态电阻的比数会更大一些，约为2~4倍。加热棒的直线度主要决定在安装过程中变形程度的影响和陶瓷套管的中心距离的影响。直线度标准为总长的0.3%内。以2410mm的硅碳棒为例，弯曲≤7.23mm，但实际此长度基本不会超过3.5mm。通过电流互感器采集负载电流反馈信号至调压模块，当加热元件温度上升进人负阻区后，电流非正常增加超过限幅值时，限幅功能产生作用，将系统输出电压降低，减小电流增幅。通过这种方式，系统完全能够消除负阻特性造成的电流冲击【2】。当然，若硅碳棒老化至电阻值超过设备设计电阻值时需要考虑进行更换处理，避免在使用过程中SCR
长时间处于全导通状态，浪费电能且温度达不到工艺范围。
3 硅碳棒的更换和维护
电加热棒
更换要求和维护要求，串联加热棒在更换时需整组更换，若3根硅碳棒使用后1根断裂，更换后，因串联电流相等，使得温区需要相对多的热量，加热棒流过的电流大，新棒的电流成平方倍增加，使得在其较短时间内烧断。在更换加热棒完成后，建议不影响工艺要求的情况下关闭此温区的进气，升温速率调整至正常运行的三分之二或者二分之一，使得新棒进行初步的预热和逐步投入适应此加热状态。拆卸的旧棒可在1050℃状态下测试相应的电阻，阻值接近的就硅碳棒可使用在设备恒温区或降温区内。
新硅碳棒工作时，表面温度差在60℃以内，其温度差会随着老化而变大，最大可能达到200℃。硅碳棒在使用前，应进行电阻值的测定，对硅碳棒进行配阻，应尽量使每相电阻值匹配一致，同一电炉中各硅碳棒的电阻值以相差不应大于2%为最好。多根硅碳棒一起使用时要并联。若串联易导致某一支硅碳棒电阻快速增加，寿命缩短。
硅碳棒使用一段时间后，由于电阻值增大，需要提高电压，以达到原有功率，用以补偿电阻增加的损失，因此其输入电压需要有一定的调节范围；对于连续运行的窑炉，电压调整范围为0.7～2.5V （V是硅碳棒元件初期使用的电压），需与变压器配合。通过调节电压，能延长碳化硅元件的使用寿命。若控制系统采用调功器自动调压，可有效解决此问题【3】。在温控仪PID调节中，P值根据实际进气和排风情况进行合理设定，避免温控仪短时间内输出较大或较小值，避免对硅碳棒和线缆造成冲击。
换棒时原则上应该整组更换，避免新旧棒混用。然而在实践中大部分厂家都不愿这样做，既麻烦又费棒，比较可行的办法是在温度能够保证的前提下，把断棒抽出，堵好棒孔而不装新棒，下次断棒时依此类推。到温度达不到要求时则把整组剩余的棒全部抽出，换上一组新棒，如果变压器已调到高压档，则应调回最低档后再送电加热。把换下来的未断的棒保存好，下次和旧棒配起来一起使用（当然，拆下来前最好测出当时每支棒的电压、电流，算出每支棒的电阻后标到标棒一端，以便按电阻值配组）【4】。
4 总结
综上所述，辊道窑炉在锂电正极材料的烧结工序生产过程中较为广泛使用，今后的行业发展中追求设备的高可靠性和长期的使用寿命来达到综合效益最大化的目标。做好以下几方面可达到预期目标：
4.1 加强设备管理的点检周期，及时发现不良异常及时处理，可延长设备使用寿命和减少不必要的电能消耗；
4.2 科学合理更换和降级使用硅碳棒可以合理的节约资源和降级生产成本；
4.3 合理的针对使用工况，根据控制系统参数进行调整补偿参数值，对于工艺参数的影响和SCR的可靠性上均有所提升；
4.4 换棒时避免新旧棒混用。可在更换硅碳棒前对其进行测试并记录，并对其阻值相同的棒分类存放同时标注合理阻值，以便按可后期对其电阻值配组使用。
参考文献：
[1] 谷兰成，轻合金加工技术，硅碳棒使用中应注意的几个问题；
[2] 丁利辉，有金属加工，硅碳棒式加热炉的炉温控制系统设计；
[3] 张世生，制造业自动化，基于硅碳棒的电炉温度控制研究；
[4] 李梦儒，玻璃与搪瓷，玻璃行业中怎样延长硅碳棒使用寿命。
—17—
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议