新型全自动氮气推板炉在磷酸铁锂烧结中的应用

黄 晨，李柳芽

(中国电子科技集团公司第四十三研究所，安徽合肥230088)

磷酸铁锂是一种新型锂离子电池电极材料。目前全球已经有很多厂家开始了工业化生产，如美国的Valence（威能）公司和A123（高博），加拿大的Phostech，国内天津斯特兰，北大先行，BYD等。磷酸铁锂电池特点是放电容量大，价格低廉，无毒性，不造成环境污染。磷酸铁锂电池应用领域广泛，终端产品如电动工具、UPS电源、矿灯、玩具、电动自行车、电动汽车等都是关系民生的消费量很大的产品，此外在军事和航天领域也是一种最佳的动力电池。但是磷酸铁锂材料研发和生产有着较高的技术含量，进入这个领域有一定的门槛，工业化生产不仅要掌握材料配方，而且要求掌握成熟的工艺。氮气保护推板炉是磷酸铁锂生产环节中的重要设备，窑炉的一些重要指标如：炉膛温度控制精度、炉膛均匀度、炉膛气氛控制直接影响磷酸铁锂的电性能。

1 氮气推板炉结构

1.1 机械结构

采用全新液压推进机构的氮气保护推板炉主要由置换气室、炉膛温区、回推滚道、液压推进系统、密封装置、气氛管路、水路、电气控制柜组成。整个设备控制系统为自动运行，只需把需烧结的磷酸铁锂粉料置于滚道上，设备自动将粉料送进气室置换，置换完毕后送进炉膛进行气氛保护烧结，最后在计量好的工艺时间内自动把烧成的粉料送出炉膛，且出炉的粉料温度在50℃以下，保证粉料出炉后不被空气氧化。

1.2 控制系统

窑炉的控制系统由温度控制系统，液压控制系统，炉膛气氛控制系统和计算机数据采集系统四大部分组成（见图1）。

图1 推板炉控制系统结构

1.2.1 温度控制系统

主要由若干个温区组成。每个温区都是由单独的温控仪控制，温控仪把采集的热电偶信号通过放大转换后，与设定值比较，通过PID计算，控制输出率大小来调节加热功率大小，从而达到控温的目的。PID实际是一个放大系数可自动调节的放大器，动态时，为了防止系统出现超调与振荡，所以放大系数较低。静态时，放大系数较高，可以蒱捉到小误差信号，提高控制精度。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制(见图2所示)。

图2 PID反馈控制原理

1.2.2 窑炉动作控制

动作系统主要由液压站、油泵、若干个油路和电磁阀组成。油缸推进的时候，PLC控制电磁阀打开，油泵进油从而推动油缸运动，到达位置后，位置传感器把到位信号给PLC，PLC检测到位信号后，控制电磁阀关闭。通过位置传感器把检测信号送入PLC，PLC按设定程序让各个油缸稳定有步骤的运行。图3为油缸循环自动推进动示意图。箭头方向为动作运行方向。

图3 油缸循环自动推进动作示意图

1.2.3 气氛控制系统

主要由若干个气路和若干电磁阀组成。炉膛内始终是氮气置换，这样可以保证炉膛压力高于外界大气压，外界空气不能进入。对于置换气室，当氧含量传感器检测到氧含量超标时，给出信号送入PLC，PLC控制电磁阀开启，充入氮气直到氧含量达标，达标后自动关闭充气阀门。当充入氮气过多导致压力超标时，排气电磁阀自动开启释放压力。

1.2.4 计算机数据采集体统

主要有工控机和窑炉监控软件组成。计算机监控系统采用集散控制系统，上位机和下位机通过RS485进行通讯，上位机采用工业计算机，下位机包括温控仪、PLC、变频器等。计算机监控软件采用VB编写，界面友好，可以设置温度参数，显示和存储实时工艺参数、温度数据、报警状态，记录氧含量等功能(见图4所示)。

图4 监控软件主界面

2 氮气保护推板炉应用

全自动氮气保护推板炉是针对磷酸铁锂的生产特性，专门开发的新型设备。其主要特点：

（1）控温采用先进的PID控制算法仪表，温度控制精度高，减小了炉膛温度的波动。

（2）炉膛氧含量控制在20×10-6以下。

（3）设备采用液压系统控制推进速度，速度平滑稳定，有效地解决了电动推杆推力过小的不足。

（4）设备在保温过程中能耗较低，保温功率只有满功率的50%左右。

（5）整个推进系统自动运行，可以连续放料和出料，能保证产量。

（6）计算机全程记录各个温区参数、推进速度，记录炉子运行状态，以便查询。

（7）窑炉生产时为全自动运行，检修时候可以切换到手动运行。

目前磷酸铁锂材料的生产厂家众多，各家厂商的材料配方工艺都有区别。在低温预烧后，采用全自动氮气保护推板炉在高温烧结，这是一种方法。大部分厂家的粉料在预烧过程中会产生大量化学物质，甚至是带有腐蚀性的挥发物，我们称这些物质为胶质。若不经过预烧直接从氮气推板炉内排胶并烧结，这也是一种工艺方法。此方法缺点是产生的胶质腐蚀会缩短氮气保护推板炉的使用寿命。胶质容易腐蚀设备上的传感器和零部件，导致维修成本增加。顺畅排出挥发物不污染环境，保证炉膛氧含量稳定不波动是氮气保护推板炉设计过程中一大难点。针对这一问题，在炉体的设计上这就要求合理分布温区，合理设计烟囱位置，控制炉膛内气体的流向，从而达到顺畅排胶和保证炉膛氧含量不超标的目的。就目前国内而言，相当大部分磷酸铁锂通过使用全气氛保护推板窑来实现制备，效果非常好。目前我公司研制的全自动氮气保护推板炉已经用在国内十几个厂家的生产线中，有用于测试阶段的，也有用于量产的。

3 结束语

我们相信，磷酸铁锂电池作为一种实用新型锂电池，代表了电池未来的发展方向。国内的磷酸铁锂产业投资热正在兴起，其势头超过了其他任何国家，制造出更稳定、更可靠、更节能、更经济的设备是我们的目标。氮气推板炉制造技术的不断发展和成熟将为磷酸铁锂制造业提供有力支持，同时也可大大提高我国装备制造业的水平。

[1]陶永华，尹怡欣.新型PID控制及应用[M].北京:机械工业出版社，1998.