輥道爐中匣缽對磷酸鐵鋰冷卻效率影響的熱仿真分析

孫兆倫

摘要：磷酸鐵鋰作為當下熱門的鋰電池原料，它的制備過程中在經過輥道爐燒結完成后需要冷卻到合適溫度。影響磷酸鐵鋰冷卻效率的因素有很多，其中一個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。現為了研究這兩種匣缽對于物料磷酸鐵鋰冷卻效率的影響，利用仿真軟件建立匣缽與爐膛模型，根據不同時間段的溫度云圖分析對比，發現使用小匣缽布置方案，磷酸鐵鋰物料表面的降溫速率更快。

關鍵詞：輥道爐 ?匣缽 ?熱仿真 ?磷酸鐵鋰

一、引言

輥道爐設備專門用于磷酸鐵鋰等鋰電材料燒結，該類設備具有產能大、密封性好、性能穩定、機械化與自動化程度高等一系列優點，此類設備一般主要分為進口置換室，加熱區，冷卻區，出口置換室等四大部分。本文重點討論其冷卻區，使用大匣缽與小匣缽兩種規格的匣缽對物料磷酸鐵鋰冷卻效率的影響，探究能否通過更改匣缽布置方式來提高物料冷卻效率，從而達到提高單位時間內的物料產量，縮短生產線的目的。

二、輥道爐冷卻區爐膛結構介紹

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

現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）經燒結后起始溫度為820℃，爐膛內起始溫度為26℃;

?爐膛尺寸：2204×606 mm（長×高）;

?匣缽尺寸：大匣缽—330×330×270mm（長×寬×高）;

小匣缽—330×330×150mm（長×寬×高）;

?冷卻水溫度：26℃;

?石墨與磷酸鐵鋰物性參數見下表：

表1 ?冷卻材料物性參數表

密度（g/cm3） 比熱 J/（kg·K） 熱導率 W/（m·K）

石墨（匣缽） 2.09 710 151

磷酸鐵鋰（物料） 0.6（振實條件下） 270 55（假設）

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，換言之每個匣缽與里面物料的散熱環境都相同，而本次仿真的目的是為了探究兩種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匣缽建立三維模型，進行后續傳熱仿真。

4.1邊界條件設置

?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裝置，對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狀態，當做一整個實體處理;

?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，從而達到降溫的目的;本次仿真的主要目的是研究兩種匣缽規格對于物料降溫的影響，所以可忽略爐膛中空氣與冷卻水的換熱從而導致冷卻水的升溫，將上下的冷卻水管外表面設置成恒溫的壁面，從而達到簡化模型的目的;

?將其余側面設置成絕熱壁面，不考慮爐膛內的空氣通過爐膛壁面與外界進行換熱。

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

4.2 網格劃分

根據簡化的模型建立仿真需要的模型并進行網格劃分，由于本次仿真的重點關注地方是石墨匣缽對于物料散熱的影響，所以需在模型中匣缽與物料接觸的位置適當加密網格，增加計算精度。

五、溫度場仿真結果

將網格導入Fluent中進行仿真模擬，得到不同時間點匣缽內磷酸鐵鋰表面最高溫度數據（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，通過圖表可以看出方案一使用大匣缽用時8h，方案二使用雙層小匣缽用時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、結論

1.以降溫到60℃為結果，在保證除匣缽規格外爐膛內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未知，是首先假設的傳熱系數，然后通過仿真計算物料降溫至60℃的時間，再與實際產線中磷酸鐵鋰的實際降溫時間作比較，最終得出在設置磷酸鐵鋰傳熱系數為55 W/（m·K）時，仿真結果為方案一大匣缽降溫時間為8h，與實際生產中降溫時間為8～9h基本相符，從而也可以得出結論，磷酸鐵鋰在匣缽中的傳熱系數大概在55w/m·k左右。

當然，這個傳熱系數也是在保證磷酸鐵鋰的振實密度為0.6g/cm3，比熱容為270J/（kg·K）這兩個數據為前提的情況下得出的結果，若這兩個數據發生變化，傳熱系數也相應的會產生變化，而且本次仿真是將磷酸鐵鋰設置成的一整個實體，所以此傳熱系數也僅僅為磷酸鐵鋰在匣缽中散裝振實總體的一個大致傳熱系數，與材料本身的傳熱系數無關。

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，對磷酸鐵鋰生產效率的提高，輥道爐產線的縮短都有很大幫助。

參考文獻

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