CN114659360A - 改善温度均一性的烧结系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善温度均一性的烧结系统，包括：多层多列的气氛炉、两级结构的预热单元和侧面加热装置，采用两级预热方式对输入气氛炉的气体进行加热，一级预热不仅起到预热作用，同时也可促使待出炉物料冷却，节约冷却段用气量，二级预热不仅节能而且提高热量利用率。侧面加热装置可以补偿侧面与外界热传递导致的热量损失，而且解决了因炉膛较高导致侧面热量不足的情况，增加炉腔内部温度均一稳定。通气机构可以使得进气气流分散，保障气氛稳定，可大大提高温度场均一性，还能够避免扬尘。通过两级预热、侧面加热装置和侧面进气口上的通气机构可以保持多层多列气氛炉内部温度的均一性，提高产品质量。

Description

改善温度均一性的烧结系统
技术领域
本发明涉及气氛烧结设备领域，具体的涉及一种改善温度均一性的烧结系统。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、倍率性大、无公害无记忆效应等特点，使得锂电池得到了广泛应用，另外正极材料是决定锂离子电池性能的关键因素之一。正极材料的制备目前产业化普遍使用高温固相烧结法合成，烧结时常使用常规辊道窑，气氛辊道窑，回转窑等气氛炉进行材料煅烧。而且，在正极材料的生产过程中，烧结工序是最核心的工序之一，而炉子温度均一性对材料烧结结果起到关键性作用，如果温度均一性较差，温度波动大，则烧出来的正极材料批次差异较大，材料结构和性能不稳定。因此，控制烧结过程炉子温度稳定性和均一性至关重要。
目前，大多数锂离子正极材料厂家使用的炉子一般为单层六列或双层四列辊道窑。如果窑炉为多层多列时，特别是在三层和四列以上物料的煅烧时，往往中间层和两边列的温度与上下层和中间列的温度存在不小差距，会使得处于内部的物料跟空气或氧气接触不充分以及烧结温度不均匀的情况，这必然会导致外部物料和内部物料性能不一致，从而降低产品品质，甚至导致产品在做成电池后电池性能恶化。
部分厂家为了解决这一问题通过电加热的方式对进气进行预热后再送入辊道窑，但预热手段单一、预热效果不佳，并且采用电加热的方式进行预热能耗高、不符合节能环保的要求。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种改善温度均一性的烧结系统，能够解决现有的多层多列气氛炉无法保证内部温度均一性，现有预热方式效果差、不节能环保的问题。
根据本发明第一方面实施例的改善温度均一性的烧结系统，包括：多层多列的气氛炉，所述气氛炉上均匀分布有多个底部进气口和侧面进气口，所述侧面进气口上设置有通气机构，所述通气机构内设置有三条互相垂直且交叉的第一气道、第二气道和第三气道，所述第一气道的一端连接所述侧面进气口，所述第一气道的另一端、第二气道的两端和第三气道的两端皆位于所述气氛炉内部；预热单元，所述预热单元包括一级预热管道和二级预热管道，所述一级预热管道连接所述二级预热管道，所述二级预热管道分别连接所述底部进气口和所述侧面进气口，所述一级预热管道的加热源为冷却段物料余热，所述二级预热管道的加热源为气氛炉炉壁的热量；辅助加热单元，所述辅助加热单元包括多个侧面加热装置，多个所述侧面加热装置均匀分布在所述气氛炉的内侧壁。
根据本发明第一方面实施例的改善温度均一性的烧结系统，至少具有如下技术效果：本发明实施方式采用两级预热方式对输入气氛炉的气体进行加热，一级预热管道利用冷却段物料余热对进气气体进行初步加热，不仅起到预热作用，同时也可促使待出炉物料冷却，节约冷却段用气量，二级预热管道通过炉壁的热量加热经过初步加热的气体，可大大降低低温气体输入导致气氛炉截面温差过大的问题，不仅节能而且提高热量利用率。通过气氛炉内侧壁的侧面加热装置可以补偿侧面与外界热传递导致的热量损失，而且解决了因炉膛较高导致侧面热量不足的情况，增加炉腔内部温度均一稳定。侧面进气口上设置有一进五出的六通通气机构，对比常规直接喷入式的进气口，可以使得进气气流分散，保障气氛稳定，可大大提高温度场均一性，还能够避免扬尘。综上，通过两级预热、侧面加热装置和侧面进气口上的通气机构可以保持多层多列气氛炉内部温度的均一性，提高产品质量，并且预热方式节能环保。
根据本发明的一些实施例，所述二级预热管道包括二级预热总支管和多个与侧面进气口一一对应的二级预热分支管，所述二级预热总支管分别连接多个所述二级预热分支管的一端，所述二级预热分支管的另一端分别连接对应侧面进气口。
根据本发明的一些实施例，所述二级预热总支管通过环形预热管连接所述二级预热分支管，所述环形预热管位于所述气氛炉的炉壁内。
根据本发明的一些实施例，还包括进气控制单元，所述进气控制单元包括控制器、侧面流量计和多个电磁阀，所述侧面流量计设置在所述二级预热总支管和所述二级预热分支管之间，多个所述电磁阀分别设置在二级预热分支管内，所述侧面流量计与所述控制器连接以用于反馈侧面进气流量，所述控制器分别连接多个所述电磁阀的控制端以用于实现持续进气和间接进气的切换。
根据本发明的一些实施例，所述一级预热管道呈U型弯曲排布。
根据本发明的一些实施例，多个所述侧面进气口与气氛炉的每层匣钵一一对应，所述侧面进气口的高度与对应气氛炉匣钵的开口位置齐平。
根据本发明的一些实施例，所述第一气道的内径大于所述第二气道和所述第三气道的内径。
根据本发明的一些实施例，所述侧面加热装置采用U型加热棒。
根据本发明的一些实施例，所述第一气道与所述气氛炉的水平方向平行，所述第二气道的两端朝向所述气氛炉的内顶部和内底部。
根据本发明的一些实施例，所述辅助加热单元还包括顶部加热装置和底部加热装置，所述顶部加热装置安装在所述气氛炉的内顶部，所述底部加热装置安装在所述气氛炉的内底部。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例中改善温度均一性的烧结系统的正面示意图；
图2为本发明实施例中改善温度均一性的烧结系统的侧面示意图；
图3为本发明实施例中通气机构的结构示意图。
附图标号
气氛炉100、底部进气口110、预热段底部进气管111、预热段底部流量计112、侧面进气口120、第一气道121、第二气道122、第三气道123、一级预热管道210、二级预热管道220、二级预热总支管221、二级预热分支管222、环形预热管223、侧面加热装置310、顶部加热装置320、底部加热装置330、侧面流量计410、电磁阀420、进气管510、底部流量计520、冷却段进气口530、冷却段底部进气管540、排气系统600。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参考图1，一种改善温度均一性的烧结系统，包括：多层多列的气氛炉100、预热单元和辅助加热单元。气氛炉100上均匀分布有多个底部进气口110和侧面进气口120，气氛炉100的顶端连接排气系统600。预热单元采用两级预热结构，包括一级预热管道210和二级预热管道220，一级预热管道210连接进气管500输入常温的烧结气体，例如压缩空气/氧气，进气管510衔接三通接头，其中一端连接冷却段底部流量计520，然后通过多个冷却段进气口530打入窑炉冷区段C；另一端与一级预热管道210相连，一级预热管道210呈U型弯曲排布于窑炉冷却段C侧面。利用冷却段物料余热对进气气体进行加热，不仅起到预热作用，同时也可促使待出炉物料冷却，节约冷却段用气量。
一级预热管道210的另一端连接二级预热管道220开始第二级的预热，第二级预热的加热源是炉壁提供的热量，二级预热管道220包括二级预热总支管221、环形预热管223和多个与侧面进气口120一一对应的二级预热分支管222，环形预热管223位于气氛炉100的炉壁内，二级预热总支管221连接环形预热管223的一端，环形预热管223的另一端分别连接二级预热分支管222，环形预热管223靠近气氛炉100的炉壁。
只有侧面输入的烧结气体需要二级预热，因此第二级预热是经过第一级预热的气体再通过炉壁内的环形预热管223进一步加热，然后通过各个二级预热分支管222进入对应的侧面进气口120，第二级预热是通过炉壁的热量加热经过初步预热的气体，此时可大大降低低温气体输入导致窑炉截面温差过大的问题，不仅节能且提高热量利用率。
参考图3，区别常规的直接喷入式进气口，本发明在侧面进气口120上设置有通气机构，通气机构采用一进五出的八面六通体结构，内部设置有三条互相垂直且交叉的第一气道121、第二气道122和第三气道123，第一气道121的一端连接侧面进气口120作为进气端，第一气道121的另一端、第二气道122的两端和第三气道123的两端皆作为出气端位于气氛炉100内部，采用这种结构的通气机构可以使得进气气流分散，保障气氛稳定，同时这样可大大提高温度场均一性和避免扬尘。
参考图2，辅助加热单元多个侧面加热装置310，多个侧面加热装置310均匀分布在气氛炉100的内侧壁，侧面加热装置310采用U型加热棒，不仅补偿侧面与外界热传递导致的热量损失，而且解决了因炉膛较高导致侧面热量不足的情况，增加炉腔内部温度均一稳定。
参考图3，第一气道121与气氛炉100的水平方向平行，第二气道122的两端朝向气氛炉100的内顶部和内底部，因此五个出气端分别对准炉内的前、上、下、左、右这五个方向，第一气道121的内径大于第二气道122和第三气道123。使得进气气流分成五股，最大股气流向炉膛中部打气，其他四小股气流被分散到炉腔侧面，将侧面进气的气流分散成五股，主要被吹向炉膛中部，还有一部分别分散到侧面，带动侧面热量扩散，促使侧面与中部热量趋近，炉腔温度更加均匀，而且又可促进侧面废气可及时被带出，提高产品质量。
参考图1和图2，为了实现持续-间接进气的输气控制，还包括进气控制单元，进气控制单元包括控制器、侧面流量计410和多个电磁阀420，侧面流量计410和多个电磁阀420设置在二级预热总支管221和环形预热管223之间，侧面流量计410与控制器连接以用于反馈侧面进气流量，控制器分别连接多个电磁阀420的控制端，控制器采用PLC控制器，根据工艺要求，通过PLC程序控制电磁阀420的开关频率，实现直接持续进气或间接进气，需要持续进气的温区会一直持续进气，若不需要持续进气的温区，根据PLC程序设计成间接进气，可以减少侧面进气量，节约能源。
其中，一级预热管道210呈U型弯曲排布，U型弯曲排布的一级预热管道210可大大增加气体受热面积，提高一级预热效果。
多个侧面进气口120与气氛炉100每层匣钵一一对应，侧面进气口120上而下间隔排列并与对应匣钵高度一致，侧面进气与底部进气协同作用下，保障将中部匣钵物料反应产生废气废水可以及时排出，提高气体交换效率，促进物料正向反应的进行，提高烧结物料品质。
其中，辅助加热单元还包括顶部加热装置320和底部加热装置330，顶部加热装置320和底部加热装置330皆采用加热棒，顶部加热装置320安装在气氛炉100的内顶部，底部加热装置330安装在气氛炉100的内底部，当然，也可以采用自带顶部加热棒和底部加热棒的气氛炉。
本发明的工作过程为：
物料进行方向为从左至右进行完成烧结。若进行高温烧结，首先，烧结压缩空气/氧气从进气管510通入，再由进气管510分成两路，其中一路经过窑炉冷却段底部进气管540和多个冷却段进气口530进入窑炉冷却段C，通过排气系统600带走热量，促进烧成物料降温，其中冷却段底部流量计520可以控制冷却段C的底部进气量大小。另一路经过一级预热管道210，U型弯曲排布的一级预热管道可大大增加气体受热面积，提高一级预热效果。在物料余热的作用下完成进气气体初步预热，经过一级预热的压缩空气/氧气通过二级预热总支管221再分成两路，一路进入环形预热管223和二级预热分支管222，其中环形预热管223一端上的侧面流量计410和电磁阀420可控制和监控侧面进气量，二级预热气体通过多个若干个侧面进气口120定量打入炉腔内部；另一路通过预热段底部流量计112和预热段底部进气管111，从若干个底部进气口110打入炉内。其中，二级预热管道220为陶瓷制作，可耐高温，在炉壁热量的作用下进一步加热气体，而环形设计可大大增加受热长度，实现进气气体的较高温度的二级预热。由于进入侧面的气体已经经过两级预热的作用，因此缓解了进气温度过低导致温度均一性变差带来对烧结的不利影响，大大提高窑炉温度均一性以及产品品质。
本实施例中，由于多层多列炉子炉膛高度较高，宽度较大，炉壁与外环境的热交换严重，使得两边侧面热量较中间低，因此设计侧面辅助加热。侧面加热装置310为多个，分布在气氛炉侧面炉壁上，每个温区的炉壁均安装有U型加热棒和控温热电偶。具体工作时，通过电加热控制加热棒的功率输出和温度，可为炉腔两侧提供热量，解决了因炉膛较高导致侧面热量不足的情况，而且使得侧面与外界热传递导致的热量损失得到补偿，促进炉膛两侧温度与炉膛中部温度均一稳定。
本发明实施例中，多个侧面进气口120从上而下间隔排列并与匣钵高度一致，使得进入炉腔的气体，可穿过每层凹口匣钵上方，使得侧面进气与底部进气形成热量扩散涡流，使每层温度更加均匀，又可将物料反应产生的废气带出，同时补充新的气体，使得多层物料均能充分与气体接触，促进物料正向反应的进行，提高产品合格率。此外，侧面进气口120上安装有八面体六通结构的通气机构，将侧面进气的气流分散成五股，主要被吹向炉膛中部，还有一部分别分散到两侧面，带动侧面热量扩散，促使侧面与中部热量趋近，炉腔温度更加均匀，而且又可促进侧面废气可及时被带出，提高产品质量。
综上所述，本发明通过预热单元、辅助加热单元、八面体六通结构的通气机构和进气控制单元的协同作用下，可实现对多层多列窑炉温度均一性较好的控制，具体如下；
1、设计了两级预热系统。进气气体的预热分两级进行，第一级初步利用冷却段物料余热对进气气体进行加热，不仅起到预热作用，同时也可促使待出炉物料冷却，节约冷却段用气量；第二级预热是通过炉壁的热量加热经过初步预热的气体，此时可大大降低低温气体输入导致窑炉截面温差过大的问题，不仅节能且提高热量利用率；
2、辅助加热单元中的侧面加热装置310，不仅补偿侧面与外界热传递导致的热量损失，而且解决了因炉膛较高导致侧面热量不足的情况，增加炉腔内部温度均一稳定；
3、侧面进气设置有持续进气和间歇进气模式。根据工艺要求，可设置直接持续进气或间接进气，持续进气和间歇进气通过电磁阀420的PLC程序控制，该系统可以分散进气流速和气量并提高窑炉温度均一性；
4、侧面进气口120上皆设置八面体六通结构的通气机构，使侧面进气为非常规直接喷入式，使得进气气流分散，保障气氛稳定，同时这样可大大提高温度场均一性和避免扬尘。
5、多个侧面进气口120从上而下间隔排列，若干进气口的高度与每层匣钵高度基本一致，侧面进气与底部进气协同作用下，保障将中部匣钵物料反应产生废气废水可以及时排出，提高气体交换效率，促进物料正向反应的进行，提高烧结物料品质。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种改善温度均一性的烧结系统，其特征在于，包括：
多层多列的气氛炉(100)，所述气氛炉(100)上均匀分布有多个底部进气口(110)和侧面进气口(120)，所述侧面进气口(120)上设置有通气机构，所述通气机构内设置有三条互相垂直且交叉的第一气道(121)、第二气道(122)和第三气道(123)，所述第一气道(121)的一端连接所述侧面进气口(120)，所述第一气道(121)的另一端、第二气道(122)的两端和第三气道(123)的两端皆位于所述气氛炉(100)内部；
预热单元，所述预热单元包括一级预热管道(210)和二级预热管道(220)，所述一级预热管道(210)的一端用于输入烧结气体，所述一级预热管道(210)的另一端连接所述二级预热管道(220)的一端，所述二级预热管道(220)的另一端分别连接所述底部进气口(110)和所述侧面进气口(120)，所述一级预热管道(210)的加热源为冷却段物料余热，所述二级预热管道(220)的加热源为气氛炉(100)的炉壁热量；
辅助加热单元，所述辅助加热单元包括多个侧面加热装置(310)，多个所述侧面加热装置(310)均匀分布在所述气氛炉(100)的内侧壁。
2.根据权利要求1所述的改善温度均一性的烧结系统，其特征在于：所述二级预热管道(220)包括二级预热总支管(221)和多个与侧面进气口(120)一一对应的二级预热分支管(222)，所述二级预热总支管(221)分别连接多个所述二级预热分支管(222)的一端，所述二级预热分支管(222)的另一端分别连接对应侧面进气口(120)。
3.根据权利要求2所述的改善温度均一性的烧结系统，其特征在于：所述二级预热总支管(221)通过环形预热管(223)连接所述二级预热分支管(222)，所述环形预热管(223)位于所述气氛炉(100)的炉壁内。
4.根据权利要求2所述的改善温度均一性的烧结系统，其特征在于：还包括进气控制单元，所述进气控制单元包括控制器、侧面流量计(410)和多个电磁阀(420)，所述侧面流量计(410)设置在所述二级预热总支管(221)和所述二级预热分支管(222)之间，多个所述电磁阀(420)分别设置在二级预热分支管(222)内，所述侧面流量计(410)与所述控制器连接以用于反馈侧面进气流量，所述控制器分别连接多个所述电磁阀(420)的控制端以用于实现持续进气和间接进气的切换。
5.根据权利要求1所述的改善温度均一性的烧结系统，其特征在于：所述一级预热管道(210)呈U型弯曲排布。
6.根据权利要求1所述的改善温度均一性的烧结系统，其特征在于：多个所述侧面进气口(120)与气氛炉(100)的每层匣钵一一对应，所述侧面进气口(120)的高度与对应气氛炉(100)匣钵的开口位置齐平。
7.根据权利要求1所述的改善温度均一性的烧结系统，其特征在于：所述第一气道(121)的内径大于所述第二气道(122)和所述第三气道(123)的内径。
8.根据权利要求1所述的改善温度均一性的烧结系统，其特征在于：所述侧面加热装置(310)采用U型加热棒。
9.根据权利要求1所述的改善温度均一性的烧结系统，其特征在于：所述第一气道(121)与所述气氛炉(100)的水平方向平行，所述第二气道(122)的两端朝向所述气氛炉(100)的内顶部和内底部。
10.根据权利要求1所述的改善温度均一性的烧结系统，其特征在于：所述辅助加热单元还包括顶部加热装置(320)和底部加热装置(330)，所述顶部加热装置(320)安装在所述气氛炉(100)的内顶部，所述底部加热装置(330)安装在所述气氛炉(100)的内底部。
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