锂电材料烧结辊道窑使用操作维护选型详解
八、辊道窑设备选型
在新能源材料领域，磷酸铁锂作为锂离子电池的重要正极材料，其生产过程中的关键设备——辊道窑的选型直接关系到产品质量、生产效率及能耗成本。因此，科学合理的辊道窑设备选型至关重要。以下是对磷酸铁锂辊道窑设备选型要点的全面总结，旨在帮助读者清晰理解并做出明智决策。
1、产能需求与规格匹配
（1）产能需求确定
市场调研：首先需明确市场对磷酸铁锂材料的需求量，结合企业发展战略，合理设定生产线产能目标。
（2）产能规划
明确产能目标：首先需根据市场需求、企业发展规划及资金实力，明确辊道窑的年产能目标。
（3）规格选型
窑炉尺寸：根据产能需求选择合适的窑炉长度、宽度及高度，确保窑内空间既能高效利用又便于操作维护。在保持窑内温度均匀性、炉内压力、热效率等性能的前提下，提高窑炉的长度将有效增加产量同时减少烧结单位质量正极材料的能耗回。最初磷酸铁锂窑炉长度多为30m至40m,随着对产量的要求提高，54m、60m、68m的窑炉迅速出现，2023年有很多厂家在研发80m、90m的辊道窑，当前最长的已经有约100m的LFP道窑投入了生产。
辊道设计：辊道材质、直径、间距及转速需匹配材料特性，保证物料均匀受热、传输平稳。
2、工艺要求与性能参数
（1）温度控制
精准温控系统：选用高精度温控装置，实现窑内各区段温度的精确设定与自动调节，确保烧结曲线符合工艺要求。磷酸铁锂材料的烧结过程对温度控制精度要求较高。辊道窑应配备高精度的温度检测与控制系统，实时监测窑内温度，并根据设定值进行自动调节。同时，还需定期对温度检测元件进行校准和维护，确保控温精度的稳定性和可靠性。
分区控制：考虑采用多温区设计，根据不同工艺段的需求灵活调整温度，提高生产灵活性。
（2）气氛控制
气氛调节系统：根据磷酸铁锂烧结过程中的气氛需求（如惰性气体保护），配置相应的气氛调节装置，确保窑内气氛稳定。
气体循环系统：优化气体循环路径，提高气氛均匀性，减少污染。
根据磷酸铁锂烧结过程中对气氛（如氮气、惰性气体等）的需求，配置精确的气氛控制系统，确保窑内气氛稳定，避免氧化反应，提高产品纯度。设置气体浓度监测装置，实时监测窑内气氛变化，确保操作安全。包括进气、排气、置换和检测等部分，通过多级置换和精确控制，建立稳定的工艺气氛。
（3）自动化程度
智能控制系统：集成PLC、DCS等先进控制技术，实现设备远程监控、故障诊断及自动报警，提升生产效率和安全性。设备需配备自动化控制系统，实现从物料的进料、加热、冷却到出料的全程自动化操作，提高生产效率和产品质量。
（4）数据记录与分析
配备数据记录与分析系统，便于追溯生产过程，优化工艺参数。
（5）结构与密封性
辊道窑应设计为整体钢结构框架，确保长期运行的稳定性。内部窑衬由特种耐火材料和轻质保温材料砌筑成复合炉墙保温结构，以提高保温效果和减少热损失。窑体采用多层保温结构，减少热量散失，提高能效。同时，良好的密封设计是防止外部空气侵入、保持窑内气氛稳定的关键。窑内合理布局加热区、保温区、冷却区等，确保温度曲线符合磷酸铁锂烧结工艺要求，实现均匀加热和快速冷却，减少材料内部应力。
（6）保温性能
窑炉的设计需要考虑隔热以减少热量损失。当前锂电池材料烧结窑炉常采用内壁一层或两层隔热砖、外部数层纤维板或纤维毯的设计，炉壳通常为碳钢或不锈钢壳体。在窑炉的保温段，可将窑炉上、侧部的一层纤维板替换为纳米绝热板，从而有效降低能耗。保温隔热材料：采用优质保温材料，减少热量散失，提高能源利用率。
（7）材质要求
由于金属异物混入锂电池正极材料会产生巨大的安全隐患，因此在烧结窑炉设计制造和安装阶段通常都需要制定严格的对策避免金属异物。在设计阶段一般禁止选用含有Cu、Pb、zn的材料或者部件,尽量避免现场焊接或切割:
耐火材质选择：根据磷酸铁锂烧结的高温环境，选用耐高温、耐腐蚀、抗热震性好的耐火材料，如高性能莫来石、刚玉等。
结构设计：优化窑体结构设计，减少热应力集中，延长耐火材料使用寿命。
（8）收尘要求
磷酸铁锂生产中烧结前的物料为干燥粉末状密度很低，装钵过程极易产生扬尘，需要加装放止扬尘的非金属防尘罩并设置集尘装置和粉尘回收装置。匣钵采用石墨材质，顶部有钵盖防止物料粉尘污染炉壁。
（9）排焦要求
烧结的过程会产生焦油，因此需要在排气系统的管道中配置保温加热装置防止焦油凝结并且配置焚烧炉对其进行焚烧。避免焦油进入物料中，确保工作环境的清洁与安全。
（10）匣钵排列形式
在四列一层出现之后随即发展出了四列二层，之后四列二层在较长时间成为了辊道窑的主流。接下来也有窑炉公司生产了四列三层和五列二层式辊道窑，但没有成为市场上的主流。直到六列一层式辊道窑的出现使窑炉结构进一步加宽，产量得到提升并由此发展出了六列二层的辊道窑(图3)，目前已经在市场取得广泛认可。
（11）加热系统
磷酸铁锂辊道窑的加热系统通常采用电阻丝或硅碳棒作为加热元件，以满足低温烧结的需求。
1）加热元件：加热元件需具备良好的耐高温性能和稳定性，能够长时间在高温环境下工作而不失效。加热元件布置在炉膛的上下两侧，通过左右中三点比例控制，实现炉膛宽度的温度均匀性。
2）加热功率：加热功率需根据炉膛尺寸和烧结工艺要求进行设计，确保炉膛能够快速升温并达到设定温度。加热功率分布需合理，避免局部过热或温度不均匀现象的发生。
（12）冷却控制
炉膛降温区和水冷段需配备冷却系统，通过氮气吹入和水冷换热等方式对物料进行降温处理。
冷却系统早期采用风冷，曾有企业尝试使用方形水箱进行水冷，但在保温段和冷却段交界处出现了热胀冷缩引起焊缝开裂的情况。目前采用的改进后的方式是采用无缝钢管进行水冷，磷酸铁锂的冷却段就普遍采用了风冷水冷相结合的方式，有效提升了冷却效率。
（13）进排气和防腐蚀措施
材料烧结过程中产生的气体对炉材和硅碳棒的腐蚀很严重，因此通常在加热段采用有利于排气的拱顶结构，而冷却段则采用温度均匀性更好的平顶结构。对于以氧化铝为主要成分的耐火材料而言，氧化铝含量与其耐腐蚀性能呈正相关，在辊棒的上部和侧部的内壁中一般采用99氧化铝空心球砖用于防腐蚀。
磷酸铁锂在生产中可以选择在进出口处采用三门两仓的气体置换室，防止外侧炉门损坏使生产停滞，此外进行两次气体置换能使匣钵进入时带入的气体更纯净、氧含量更低。
（14）传动方式
传动机构需具备变频调速功能，能够根据烧结工艺要求调整传输速度。传动机构需稳定可靠，确保物料在传输过程中不出现跑偏、断辊或辊棒不转等故障。
1）按辊棒传动方式区分，主要有两大类：链条传动式、齿轮传动式；
2）按辊棒支撑滚轮区分，主要有三大类：辊棒两端有独立支撑滚轮、辊棒一端有独立支撑滚轮、辊棒两端无独立支撑滚轮；
3）按辊棒驱动方式区分，主要有两大类：驱动轴与辊棒之间柔性传动、驱动轴与辊棒之间刚性传动；
4）按驱动电机的数量区分，主要有两大类：单台电机驱动、多台电机驱动；
以上几种驱动方式，目前均有不同的窑炉厂家在使用，设备在投入使用后短期内未见明显的优劣之分，但需要注意的有以下三点：
1）链条的选择上需要考虑材质有足够的硬度；
2）滚轮的选择上要充分考虑热胀冷缩和内衬金属的材质；
3）所选用的驱动方式是否适应长期使用。
（15）辊棒类型
辊道采用碳化硅制品，具有耐高温、耐磨损和耐腐蚀等特点。辊道间距需根据物料尺寸和烧结工艺要求进行调整，确保物料在传输过程中稳定不滑落。
目前锂电行业辊道窑常用的辊棒材质为反应烧结碳化硅（SiSiC/RBSiC），其具有优异的高温抗折强度、抗氧化性和极强的耐磨性，有长期高温使用不断裂及不弯曲变形等特点，同时价格相对便宜，后期备品成本较低，整体性价比较高。
辊棒选型时需注意外径壁厚、抗弯强度、直线度、圆度、SiC含量等指标
（16）断棒检测功能
生产时，辊棒断棒若不及时发现、及时处理，可能会导致严重的后果，因此辊道窑配置断棒检测功能是很有必要的。辊棒的断棒检测方式一般有光纤非接触式检测和弹簧直接接触式检测两种。
光纤式检测的优势是结构简单，无接触部位，不会产生任何的摩擦，可完全避免金属摩擦异物风险，缺点是只能区域检测，不能精确调试故障辊棒的位置。
接触式辊棒检测的优势是可以准确提示异常辊棒的位置，方便快速排查故障；劣势是有一定的金属摩擦，虽然材料经过特殊定制，但仍不能完全避免金属摩擦碎屑的产生，可能对产品的质量有些许影响。
（17）出料蛇形问题
随着窑炉长度的增加，匣钵可能会发生侧移和跑偏，导致匣钵卡在炉内，如果不及时发现可能会导致断辊甚至拱炉。此外，窑炉宽度的提升会导致使用的 SisiC辊棒长度更长,而随着SISiC辊棒长度的提升其直线度必然会下降，这也被认为是导致匣钵蛇形运动的重要因素。因此配备匣钵蛇形整形纠偏装置功能很有必要。
（18）温度均匀性问题
由于当前加热元件的设置方式主要为在匣钵上下分别安装平行于地面且垂直于匣钵前进方向的两排直线型加热装置，这必然会导致最接近加热元件中心的匣钵接受的辐射功率最高，这一问题对辊道窑的加宽产生了明显的阻碍。随着窑炉的加宽与匣钵列数的增加，炉内的温度均匀性会变差，边缘的匣钵和中心的匣钵具有更大的温差，使烧结物料的一致性下降，因此混合后的产品综合性能降低。因此，辊道窑需采用先进的温度控制技术，如分区控温、循环风等，确保窑内温度均匀一致。
（19）安全保护
磷酸铁锂辊道窑在运行过程中需具备完善的安全保护措施，以确保设备和人员的安全。
1）超温保护：炉膛内设置超温保护装置，当炉膛温度超过设定值时自动切断加热电源并报警。
2）断偶保护：温度检测元件需设置断偶保护装置，当温度检测元件出现故障时自动切断加热电源并报警。
3）速度保护：传动机构需设置速度保护装置，当传输速度出现异常时自动停机并报警。
4）气氛保护：气氛控制系统需设置氧含量检测装置和报警装置，当炉膛内氧含量超标时自动切断加热电源并报警。
5）紧急信号保护：设备需配备紧急信号保护装置，当发生紧急情况时能够迅速切断电源并发出声光报警信号。
3、材料兼容性与耐用性
（1）材料兼容性
辊道材料：选择耐高温、耐腐蚀、耐磨损的材料，如陶瓷、不锈钢等，以适应磷酸铁锂烧结过程中的高温及化学环境。
窑体结构材料：确保窑体结构材料能承受高温、压力及热应力，保证设备长期稳定运行。
（2）耐用性与维护性
结构设计：合理设计设备结构，便于日常清洁、检修及更换易损件。
4、能耗与环保
（1）能源效率
节能设计：采用高效燃烧器、余热回收等技术，降低能耗，提高能源利用率。
能效评估：在选型过程中，对比不同设备的能效指标，选择能效高的产品。
（2）环保要求
排放控制：确保设备排放符合当地环保标准，配置必要的尾气处理装置，减少污染物排放。
噪音控制：采取有效措施降低设备运行噪音，保护生产环境及员工健康。
5、成本与效益分析
（1）初期投资
设备价格：综合考虑设备性能、品牌、售后服务等因素，合理评估设备价格。
（2）运行成本
能耗成本：基于能耗数据，计算设备长期运行的能源成本。
维护成本：评估设备日常维护、保养及备件更换等费用。
（3）经济效益
投资回报率：结合产能、售价及市场需求，计算设备投资回报率。
风险评估：分析市场变化、技术更新等潜在风险，制定应对措施。
综上所述，磷酸铁锂辊道窑设备的选型需综合考虑产能需求、工艺要求、材料兼容性、耐用性、能耗环保以及成本效益等多方面因素。通过科学严谨的选型过程，确保所选设备既能满足当前生产需求，又能为企业的长远发展奠定坚实基础。