CN114396798A - 基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉及其循环冷却方法 - Google Patents

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CN114396798A CN202111525194.3A CN202111525194A CN114396798A CN 114396798 A CN114396798 A CN 114396798A CN 202111525194 A CN202111525194 A CN 202111525194A CN 114396798 A CN114396798 A CN 114396798A
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Abstract

本发明公开了一种基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉及其循环冷却方法，包括炉体和气路***，炉体的炉腔内设有上加热元件和下加热元件，气路***包括主进气管、排气管和循环冷却管，主进气管的出口与炉腔连通，排气管的入口与炉腔连通，循环冷却管的入口与炉腔连通、出口与主进气管连通，循环冷却管上设有热交换器，当气氛炉降温时，关闭排气管，打开循环冷却管，炉腔内高温气体进入循环冷却管，经过热交换器冷却后再经过主进气管通入炉腔，形成内循环，对匣钵进行吹扫，实现物料降温。本发明利用工艺气体内部循环，加快了炉腔内气体的对流，提高了降温速率，节省了工艺时间，节省了工艺气体的消耗量，大幅降低了成本。

Description

基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉及其循环冷却方法
技术领域
本发明涉及锂电池材料烧结设备，尤其涉及一种基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉及其循环冷却方法。
背景技术
近年来，随着新能源行业的快速发展，锂离子电池的市场需求量呈现井喷式增长，同时，锂电池材料的生产工艺也在随之不断进步与更新，向着高能量密度、循环寿命与安全可靠性的趋势发展，这也使得对烧结工艺的研究显得越来越重要。
目前进行锂电池材料烧结试验一般采用气氛箱式炉(也可以称为间歇炉，即上一批产品在炉内完成烧结之后取出，再重新烧结下一批产品)，该类设备在降温时主要依靠不断通入炉膛的冷工艺气体进行强制对流换热以及炉体表面的自然对流散热。然而由于箱式炉为了实现良好的保温性能，降低加热功率消耗及表面温度，一般都会在外部设计充分厚度的保温层，这会造成设备在降温时散热较慢，烧结一炉产品通常需要一天以上的降温时间，其占据了整个工艺时间的70％左右，不仅拖长了生产周期，同时降温时消耗的大量工艺气体也极大增加了成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种利用工艺气体内部循环，加快了炉腔内气体的对流，提高了降温速率，节省了工艺时间，节省了工艺气体的消耗量，大幅降低了成本的基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉及其循环冷却方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉，包括炉体和气路***，所述炉体的炉腔内设有上加热元件和下加热元件，所述气路***包括主进气管、排气管和循环冷却管，所述主进气管的出口与炉腔连通，所述排气管的入口与炉腔连通，所述循环冷却管的入口与炉腔连通、出口与主进气管连通，所述循环冷却管上设有热交换器。
作为上述技术方案的进一步改进，所述循环冷却管上还设有循环风机和循环开关阀。
作为上述技术方案的进一步改进，所述气路***还包括调压支路，所述调压支路的入口与循环冷却管连接，所述调压支路上设有调压阀；所述排气管的出口设有排气阀。
作为上述技术方案的进一步改进，所述主进气管上设有均压腔，所述循环冷却管的出口与均压腔连通，所述气路***还包括底部进气支管和至少一个侧部进气支管，所述底部进气支管和侧部进气支管的入口与均压腔连接，所述底部进气支管的出口设于炉腔的底部，所述侧部进气支管的出口设于炉腔的侧部。
作为上述技术方案的进一步改进，所述炉腔内设有承载导轨和用于支撑承载导轨的桥墩，所述桥墩设于炉腔底部，所述上加热元件设于承载导轨的上方，所述下加热元件设于承载导轨的下方。
作为上述技术方案的进一步改进，所述炉腔的顶部设有隔梁，所述隔梁两侧均设有支撑台阶一，所述炉腔的两侧的侧壁均设有支撑台阶二，相对布置的支撑台阶一与支撑台阶二上支撑有上托板，每个上托板上放置有上加热元件；所述桥墩的两侧设有支撑台阶三，所述炉腔的两侧的侧壁均设有支撑台阶四，相对布置的支撑台阶三与支撑台阶四之间设有下托板，每个下托板上放置有下加热元件。
作为上述技术方案的进一步改进，所述上托板、隔梁、炉腔侧壁和炉腔顶部之间围成上加热腔，所述上托板设有连通炉腔与上加热腔的上通气孔，所述下托板、桥墩、炉腔侧壁与承载导轨之间围成下加热腔，所述下托板、桥墩、炉腔侧壁、炉腔底部围成进气腔，所述下托板设有连通下加热腔和进气腔的下通气孔，所述下加热腔与炉腔连通，所述底部进气支管与进气腔连通，所述炉腔顶部设有排气腔，所述上加热腔与排气腔连通。
作为上述技术方案的进一步改进，所述炉腔内侧壁设有上加热元件通过孔和下加热元件通过孔，所述上加热元件通过孔和下加热元件通过孔外侧分别设有上加热密封盒和下加热密封盒，所述侧部进气支管设置四个，有两个侧部进气支管的出口分别与上加热密封盒和下加热密封盒连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述炉体包括炉壳、保温层和内衬，所述内衬围成所述炉腔，所述保温层设于内衬与炉壳之间，所述内衬顶部设有连通上加热腔与排气腔的排气孔。
一种如上述的基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉的循环冷却方法，包括以下步骤：
当烧结气氛炉进行降温时，关闭排气管，打开循环冷却管，炉腔内的高温气体进入循环冷却管，经过热交换器冷却后再经过主进气管通入炉腔，形成内循环，对匣钵进行吹扫，实现物料降温。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉及其循环冷却方法，在产品降温时，将炉内高温气体抽出并经热交换器冷却后再重新通入到炉腔内，利用工艺气体内部循环，既加快了炉腔内气体的对流，提高了降温速率，节省了工艺时间，解决了传统气氛箱式炉降温速率慢的难题，同时也实现了工艺气体的循环利用，不仅大幅降低了耗气量，节省了工艺气体的消耗量，大幅降低了成本，也可以充分保证炉内的烧结气氛。
附图说明
图1是本发明的基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉的剖面结构示意图。
图2是图1的A-A视图。
图中各标号表示：
1、炉体；11、炉壳；12、保温层；13、内衬；131、排气孔；14、炉门；15、塞砖；2、炉腔；201、上加热元件通过孔；202、下加热元件通过孔；21、支撑台阶二；22、支撑台阶四；23、进气腔；24、排气腔；25、上加热密封盒；26、下加热密封盒；3、加热元件；31、上加热元件；32、下加热元件；33、上加热腔；34、下加热腔；35、热电偶；4、主进气管；41、均压腔；42、底部进气支管；43、侧部进气支管；5、排气管；51、排气阀；6、循环冷却管；61、热交换器；62、循环风机；63、循环开关阀；7、调压支路；71、调压阀；81、承载导轨；82、桥墩；821、支撑台阶三；83、隔梁；831、支撑台阶一；84、上托板；841、上通气孔；85、下托板；851、下通气孔；9、匣钵。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本实施例的基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉，包括炉体1和气路***，炉体1的炉腔2内设有上加热元件31和下加热元件32，匣钵9放在炉腔2内，匣钵9位于上加热元件31和下加热元件32之间。匣钵9用来盛放烧结产品。气路***包括主进气管4、排气管5和循环冷却管6，主进气管4的出口与炉腔2连通，排气管5的入口与炉腔2连通，循环冷却管6的入口与炉腔2连通、出口与主进气管4连通，循环冷却管6上设有热交换器61。
该锂电池材料烧结气氛炉主要用于新型锂电池正、负极材料的烧结试验，烧结温度范围700℃-1500℃，烧结气氛(即工艺气体)主要为氧气、氮气、氩气等混合气体。锂电池材料烧结气氛炉为封闭式，烧结产品在炉内进行一次烧结(历经高温、低温)完成后，将烧结产品取出，重新放置下一批烧结产品，继续烧结。
当烧结气氛炉运行至高温烧结时，上加热元件31和下加热元件32对炉腔2进行加热，此时打开主进气管4和排气管5，关闭循环冷却管6，工艺气体从主进气管4进入炉腔2内，与烧结产品充分接触，之后烧结后的气体从排气管5排出。
当烧结气氛炉运行至降温冷却时，停止加热，此时关闭排气管5，打开循环冷却管6，关闭排气管5，打开循环冷却管6，炉腔2内的高温气体进入循环冷却管6，经过热交换器61冷却后再经过主进气管4通入炉腔2，形成内循环，对匣钵9进行吹扫，实现物料降温。其中，热交换器61优选采用冷却水进行冷却，冷却水对循环冷却管6内的高温气体进行冷却。
本发明的用于锂电池材料烧结试验的快速冷却气氛炉，在产品降温时，将炉内高温气体抽出并经热交换器61冷却后再重新通入到炉腔2内，利用工艺气体内部循环，既加快了炉腔2内气体的对流，提高了降温速率，节省了工艺时间，解决了传统气氛箱式炉降温速率慢的难题，同时也实现了工艺气体的循环利用，不仅大幅降低了耗气量，节省了工艺气体的消耗量，大幅降低了成本，也可以充分保证炉内的烧结气氛。
需要说明的是，在气氛炉降温时，主进气管4可以打开也可以关闭，但是为了避免炉腔2内形成负压，将主进气管4打开向炉腔2与循环冷却管6内补气，补气的量有循环冷却管6内压力控制，基于此，气路***还需要设置一个调压支路7，调压支路7的入口与循环冷却管6连接，调压支路7上设有调压阀71，调压阀71根据炉内压力自动调节开度，时刻维持炉腔内压力稳定，保证产品烧结质量。
本实施例中，排气管5的出口设有排气阀51。排气阀51用来打开时，炉腔2内气体直接从排气管5排走，排气阀51关闭时，炉腔2内气体进入循环冷却管6。
本实施例中，循环冷却管6上还设有循环风机62和循环开关阀63。通过循环开关阀63控制循环冷却管6的打开与关闭。循环风机62用于抽风，使炉腔2内的热气快速进入循环冷却管6，循环风机62为全密封风机，防止管路中吸入空气影响炉内气氛，循环风机带变频功能，可变频调节循环风量，以此来控制冷却速率。
本实施例中，炉腔2内设有承载导轨81和用于支撑承载导轨81的桥墩82，桥墩82设于炉腔2底部，上加热元件31设于承载导轨81的上方，下加热元件32设于承载导轨81的下方。匣钵9放在承载导轨81上，该烧结气氛炉的一侧设有炉门14，打开炉门14可以放入或者取出匣钵9。
本实施例中，上加热元件31和下加热元件32均为硅钼棒，适用于700℃-1500℃的烧结温度条件，在如此高温条件下，烧结气氛炉的冷却采用常规的水冷管是难以实现的，这是因为常温的水冷管那一承受如此高的温度。本实施例中，炉腔2内侧壁设有上加热元件通过孔201和下加热元件通过孔202，上加热元件通过孔201和下加热元件通过孔202外侧分别设有上加热密封盒25和下加热密封盒26。上加热元件31(下加热元件32)接线端从炉体侧面通过孔引出，外部设加热密封盒进行密封。
本实施例中，主进气管4上设有均压腔41，循环冷却管6的出口与均压腔41连通，气路***还包括底部进气支管42和至少一个侧部进气支管43，底部进气支管42和侧部进气支管43的入口与均压腔41连接，底部进气支管42的出口设于炉腔2的底部，侧部进气支管43的出口设于炉腔2的侧部。侧部进气支管43优选设置四个，有两个侧部进气支管43的出口分别与上加热密封盒25和下加热密封盒26连接，还有两个侧部进气支管43设在上加热密封盒25和下加热密封盒26中间，一个在左侧一个在右侧，直接与炉腔2连通。底部进气支管42和侧部进气支管43的设置，使得在高温烧结时，工艺气体可以分散的进入炉腔2，使得炉腔2内进气均匀性提高。均压腔41的设置，使得进入炉腔2的气体先在炉腔2内进行混合，然后以相同的压力进入各个支管，进一步提高炉腔2的进气均匀性。
本实施例中，炉腔2的顶部设有隔梁83，隔梁83两侧均设有支撑台阶一831，炉腔2的两侧的侧壁均设有支撑台阶二21，相对布置的支撑台阶一831与支撑台阶二21上支撑有上托板84，每个上托板84上放置有上加热元件31；桥墩82的两侧设有支撑台阶三821，炉腔2的两侧的侧壁均设有支撑台阶四22，相对布置的支撑台阶三821与支撑台阶四22之间设有下托板85，每个下托板85上放置有下加热元件32。
本实施例中，上托板84、隔梁83、炉腔2侧壁和炉腔2顶部之间围成上加热腔33，上托板84设有连通炉腔2与上加热腔33的上通气孔841，下托板85、桥墩82、炉腔2侧壁与承载导轨81之间围成下加热腔34，下托板85、桥墩82、炉腔2侧壁、炉腔2底部围成进气腔23，下托板85设有连通下加热腔34和进气腔23的下通气孔851，下加热腔34与炉腔2连通，底部进气支管42与进气腔23连通，炉腔2顶部设有排气腔24，上加热腔33与排气腔24连通。
本实施例中，炉体1包括炉壳11、保温层12和内衬13，内衬13围成炉腔2，保温层12设于内衬13与炉壳11之间，内衬13顶部为可拆卸的结构，其设有连通上加热腔33与排气腔24的排气孔131。内衬13在朝向炉门14处设置开口，炉门14内侧面设置保温塞砖15，用来密封保温开口。其中内衬13、桥墩82、隔梁83、上托板84、下托板85、塞砖15均为刚玉材料，具有良好的耐高温与防腐蚀性，可有效抵抗锂电池材料烧结过程中产生的腐蚀性挥发物，保温层材料为硅酸铝纤维材料，具有良好的隔热性能，可降低设备表面温度与热量损耗，承载导轨81为高纯刚玉材料，相比常规刚玉材料具有更好的硬度与耐磨性，可有效防止匣钵9反复推送入炉腔2时对其造成磨损。炉壳11为碳钢板材焊接而成的全密封方形壳体，内部砌筑的保温材料和内衬材料形成方形炉腔。上、下加热元件分别设热电偶35进行独立控温，炉腔2中部设热电偶35对炉腔温度进行监测，充分保证加热均匀、控温准确。
本发明的整个烧结气氛炉的工作原理为：工艺气源通过均压腔41分别从炉腔2的底部、两侧以及加热密封盒四路均匀通入炉腔2，充分保证炉内烧结气氛的纯度，上下托板及内衬顶部上开设有多个气孔，气体在炉腔2顶部汇合后由排气管5统一排出炉体，排气管5尾部连接排气阀51对排气进行控制，另分支出一路循环冷却管6，当箱式炉运行至降温时，顶部排气阀51关闭，循环风机62及循环开关阀63开启，此时管路全封闭，工艺气体经循环冷却管6进行内部循环，依靠循环风机62不断抽出炉内高温气体，经过热交换器61充分冷却后再通过进气管通入炉腔2，对匣钵9进行吹扫，实现物料降温，循环风机62后设有调压阀71，其根据炉内压力自动调节开度，时刻维持炉腔内压力稳定，保证产品烧结质量。热交换器61中冷却水为底进上出，与气体流向相反，形成逆流换热，提升冷却效率。
本发明的烧结气氛炉模拟大生产推板炉结构，采用上下分区加热方式，中间布置导轨支撑产品，全密封的炉体结构设计满足于需要气氛条件的锂电池材料烧结，适用于大生产前的试验研究，便于从试验向大生产进行研究成果的转换。
本实施例的基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉的循环冷却方法，包括以下步骤：
当烧结气氛炉进行降温时，关闭排气管5，打开循环冷却管6，炉腔2内的高温气体进入循环冷却管6，经过热交换器61冷却后再经过主进气管4通入炉腔2，形成内循环，对匣钵9进行吹扫，实现物料降温。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉，其特征在于，包括炉体(1)和气路***，所述炉体(1)的炉腔(2)内设有上加热元件(31)和下加热元件(32)，所述气路***包括主进气管(4)、排气管(5)和循环冷却管(6)，所述主进气管(4)的出口与炉腔(2)连通，所述排气管(5)的入口与炉腔(2)连通，所述循环冷却管(6)的入口与炉腔(2)连通、出口与主进气管(4)连通，所述循环冷却管(6)上设有热交换器(61)。
2.根据权利要求1所述的基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉，其特征在于，所述循环冷却管(6)上还设有循环风机(62)和循环开关阀(63)。
3.根据权利要求1所述的基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉，其特征在于，所述气路***还包括调压支路(7)，所述调压支路(7)的入口与循环冷却管(6)连接，所述调压支路(7)上设有调压阀(71)；所述排气管(5)的出口设有排气阀(51)。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉，其特征在于，所述主进气管(4)上设有均压腔(41)，所述循环冷却管(6)的出口与均压腔(41)连通，所述气路***还包括底部进气支管(42)和至少一个侧部进气支管(43)，所述底部进气支管(42)和侧部进气支管(43)的入口与均压腔(41)连接，所述底部进气支管(42)的出口设于炉腔(2)的底部，所述侧部进气支管(43)的出口设于炉腔(2)的侧部。
5.根据权利要求4所述的基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉，其特征在于，所述炉腔(2)内设有承载导轨(81)和用于支撑承载导轨(81)的桥墩(82)，所述桥墩(82)设于炉腔(2)底部，所述上加热元件(31)设于承载导轨(81)的上方，所述下加热元件(32)设于承载导轨(81)的下方。
6.根据权利要求5所述的基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉，其特征在于，所述炉腔(2)的顶部设有隔梁(83)，所述隔梁(83)两侧均设有支撑台阶一(831)，所述炉腔(2)的两侧的侧壁均设有支撑台阶二(21)，相对布置的支撑台阶一(831)与支撑台阶二(21)上支撑有上托板(84)，每个上托板(84)上放置有上加热元件(31)；所述桥墩(82)的两侧设有支撑台阶三(821)，所述炉腔(2)的两侧的侧壁均设有支撑台阶四(22)，相对布置的支撑台阶三(821)与支撑台阶四(22)之间设有下托板(85)，每个下托板(85)上放置有下加热元件(32)。
7.根据权利要求6所述的基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉，其特征在于，所述上托板(84)、隔梁(83)、炉腔(2)侧壁和炉腔(2)顶部之间围成上加热腔(33)，所述上托板(84)设有连通炉腔(2)与上加热腔(33)的上通气孔(841)，所述下托板(85)、桥墩(82)、炉腔(2)侧壁与承载导轨(81)之间围成下加热腔(34)，所述下托板(85)、桥墩(82)、炉腔(2)侧壁、炉腔(2)底部围成进气腔(23)，所述下托板(85)设有连通下加热腔(34)和进气腔(23)的下通气孔(851)，所述下加热腔(34)与炉腔(2)连通，所述底部进气支管(42)与进气腔(23)连通，所述炉腔(2)顶部设有排气腔(24)，所述上加热腔(33)与排气腔(24)连通。
8.根据权利要求6所述的基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉，其特征在于，所述炉腔(2)内侧壁设有上加热元件通过孔(201)和下加热元件通过孔(202)，所述上加热元件通过孔(201)和下加热元件通过孔(202)外侧分别设有上加热密封盒(25)和下加热密封盒(26)，所述侧部进气支管(43)设置四个，有两个侧部进气支管(43)的出口分别与上加热密封盒(25)和下加热密封盒(26)连接。
9.根据权利要求7所述的基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉，其特征在于，所述炉体(1)包括炉壳(11)、保温层(12)和内衬(13)，所述内衬(13)围成所述炉腔(2)，所述保温层(12)设于内衬(13)与炉壳(11)之间，所述内衬(13)顶部设有连通上加热腔(33)与排气腔(24)的排气孔(131)。
10.一种如权利要求1至9任意一项所述的基于循环冷却的锂电池材料烧结气氛炉的循环冷却方法，其特征在于，包括以下步骤：
当烧结气氛炉进行降温时，关闭排气管(5)，打开循环冷却管(6)，炉腔(2)内的高温气体进入循环冷却管(6)，经过热交换器(61)冷却后再经过主进气管(4)通入炉腔(2)，形成内循环，对匣钵(9)进行吹扫，实现物料降温。
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