基于CFD的辊道炉锂电正极...温度场的数值模拟与优化设计_刘威.pdf

设 计 与 研 究1基于 CFD 的辊道炉锂电正极材料烧结温度场的 数值模拟与优化设计刘威伍红平江海生张振（合肥恒力装备有限公司，合肥 230088）摘要：锂电正极材料烧结设备辊道炉，烧结温度场的均匀性对产品质量具有关键作用。为提高产品质量，基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）数值模拟方法，对辊道炉恒温段加热元件的布局方案和烧结温度场的均匀性开展相关研究。采用模型建立、数值模拟、优化设计，得到不同方案下温度场的均匀性结果，并通过项目现场实验验证仿真的可靠性。基于数据处理和对比分析得到最优方案，显著提高了炉膛内温度的均匀性。关键词：锂电正极材料；辊道炉；温度场；数值模拟Numerical Simulation and Optimization Design of Sintering Temperature Field of Lithium Cathode Materials for Roller Hearth Furnace Based on CFDLIU Wei,WU Hongping,JIANG Haisheng,ZHANG Zhen(Hefei Hengli Equipment Co.,Ltd.,Hefei 230088)Abstract:The uniformity of sintering temperature field plays a key role in product quality.In order to improve the Computational Fluid Dynamics(CFD)numerical simulation method,the layout scheme of the heating element in the constant temperature section of the roller hearth and the uniformity of the sintering temperature field were studied.The uniformity results of temperature field under different schemes were obtained by using the three-stage method of“model building,numerical simulation and optimization design”,and the reliability of the simulation was verified by the project field experiment.Based on data processing and comparative analysis,the optimal scheme is obtained,which significantly improves the advantage of temperature uniformity in the furnace.Keywords:lithium cathode material;roller hearth furnace;temperature field;numerical simulation新能源的动力源主要以锂电池为主。我国为加快锂电池的研发和应用，实施一系列相关的政策和规定，对锂电池材料的特性、生产工艺和烧结设备提出了更高标准。随着材料性能需求的提升，烧结行业的工艺技术要求越来越严格。烧结设备内部温度均匀性已成为衡量烧结设备性能好坏的一项关键指标1。锂电烧结的辊道炉设备以产能大、效率高、热量损失少以及烧成周期短等特点被广泛应用。烧结作为锂电正极材料制备的核心工艺，直接决定了材料出炉质量的好坏。如果控制不好，会出现材料烧结变色、热导率不达标等问题。其中，辊道炉良好的温度均匀性是决定烧结质量的关键因素2-3。针对现有辊道炉恒温段烧结钵体温度不均匀的问题，文章提出不同的方案设计，结合计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真分析，基于数值模拟方法，设计一种布局合理、升温稳定且能够提高炉膛内部整体温度均匀性的结构，以提高产品质量，为优化设计提供技术支撑4。1辊道炉模型的建立及数值模拟方法1.1辊道炉基本工作原理以某锂电设备公司生产的六列双层辊道炉为研究对象，主要分为窑体、气氛控制系统、温度控制系统及传动系统共4大部分。辊道炉结构划分，如图1所示。沿运动方向，辊道炉可分为窑炉的进口气室、升温段、恒温段、降温段、水冷段以及出口气室。锂电正极材料烧结时，由传送系统将装有化学物质的钵体通过辊棒传送到不同的烧结区域，待烧结完成并冷却至室温后即完成工作。1.2模型方案的建立该六列双层辊道炉的加热方式是电加热式，即在钵体的上下两层布置电热源以便为钵体升温。对于六列双层辊道炉，左右两端最外侧靠近炉壁的钵体，温度往往低于中间钵体的温度，而炉腔内整体温度分布呈现中间温度高，周边温度低，导致烧结产品质量参差不齐。文章以辊道炉恒温段为研究对象，对电热源的布置提出两个方案。方案 1 为根据经验设计提出的常规设计方案，即热源在上下两层均匀分布，布局如图 2 所示。方案 2 为新的设计方案，即在减少原有热源的基础上，通过添加辅助热源进行补偿，布局如图 3 所示。DOI:10.16107/ki.mmte.2023.0130现代制造技术与装备22023 年第 3 期总第 316 期图 2方案 1 热源布局图图 3方案 2 热源布局图为探究两种布置方案对炉膛内部温度场均匀性的影响和方案的优劣程度，通过 CFD 仿真分析。通过对辊道炉恒温段炉膛的仿真三维模型图进行简化处理，使 CFD 软件计算求解更快，更符合仿真要求。通过 NX 绘图软件对炉膛进行简化处理，方案 1 和方案 2 的三维结构模型分别如图 4 和图 5 所示。图 4方案 1 结构模型图 5方案 2 结构模型1.3边界条件设定仿真前需要设置边界条件，加热组件作为热源，即加热元件给定表面温度恒定为 1 073 K。模型设置为辐射模型，稳态求解时不考虑重力作用。钵体和流体 Coupled 使用压力耦合方程组的半隐式方法（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations，SIMPLE）计算。炉膛耐火砖壁面与外界产生热质的交换量小，耐火砖表面对流换热系数为 0.27 Wm-2K-1，耐火砖壁面厚度为 114 mm。1.4数值模拟方法全部流体流动问题均要满足质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律这 3 大基本定律5-6。在CFD 中，这 3 大定律由控制方程对其进行总结描述。文章将钵体视为多孔介质，运用 CFD 软件对辊道炉恒温段温度场进行数值模拟，使用 SIMPLE 算法，采用有限体积法进行控制方程的离散，将具体参数带入CFD 软件。质量守恒方程表示为()()()0utxyz+=（1）引入矢量1.直插式钢板闸；2.进口置换室；3.碳化硅辊棒；4.排胶管道；5.保温烟囱；6.陶瓷纤维保温板；7.加热管；8.水冷翅片；9.出口置换室。图 1辊道炉结构划分设 计 与 研 究3()()()()yxzaaaaxyz+=（2）将式（2）代入式（1），得()t+u=0（3）式中：为密度，kg m-2；t为时间，s；u-为速度矢量；u、为速度矢量在X、Y、Z方向的分量。能量守恒方程为 eff(1)()()ffxxffhjjjfEEEptkTh JtS+=+uu（4）式中：为孔隙率，%；Ef为流体总能，J kg-1；Ex为固体介质总能；t为温度，；hj为组分j的焓，J kg-1；Jj为组分j的扩散通量流体；Sfh为流体焓的源项；x为固体介质密度；f为流体密度；keff为流体的热传导系数和固体的热传导系数的体积平均值，可表示为keff=kf+(1-)ks（5）式中：kf为流体的热传导系数；ks为固体的热传导系数。动量守恒定律可表示为()()(grad)uupuuStx+=+u（6）()()(grad)vvpvvSty+=+u（7）()()(grad)wwpwwStz+=+u（8）式中：u为动力黏度，N s m-2；p为流体微元体上的压强，Pa；Su、Sv、Sw为广义源项。2结果与分析完成建模、网格划分以及求解模型边界条件的定义后，将模型导入 CFD 进行数值求解，然后分析烧结时炉膛各截面的温度场分布情况。2.1方案 1 温度流场仿真结果分析通过后处理求解，可以得到方案 1 温度场的分布情况。温度场分布云图如图 6 所示。取炉膛内Y方向截面（即上下热源中间截面）与Z方向钵体的中间截面进行温度分布分析。（a）Y方向钵体的中间截面温度分布 （b）Z方向钵体的中间截面温度分布图 6方案 1 温度场分布云图分析温度分布云图可知，Y方向和Z方向的截面均能看出烧结过程的中间温度高于两侧温度，存在明显温差。分析原因，可能是气流大部分从侧壁和物料的间距通过流到炉内上部空间，造成靠近炉腔壁面的气流流速大、炉腔中间区域流速小。由于壁面散热，导致炉腔内整体温度分布中间高、周边低。2.2方案 2 温度流场仿真结果分析通过后处理求解，得到方案 2 温度场的分布情况。温度场分布云图如图 7 所示。取炉膛内Y方向截面（即上下热源与辅助热源的中间截面）与Z方向钵体的中间截面进行温度分布分析。分析温度分布云图可知，在Y方向和Z方向的截面上，中间温度对比两侧温度，温差梯度明显降低。分析原因，可能是采用辅助加热手段弥补部分丢失的热量使得侧壁升温，维持温差梯度在较小范围内。2.3对比分析与实验验证经初步分析后，通过数据处理分析两种方案温度场分布的均匀性，利用软件后处理功能进行探测点的选择，在钵体附近选取 11 个探测点进行温度的采集，测点分布如图 8 所示。现代制造技术与装备42023 年第 3 期总第 316 期图 8测点布置两种方案测得 11 个测点的温度值如图 9 所示。可以看出，方案 1 温差峰值为 12.73，方案 2 温差峰值为 4.67。因此方案 2 对实现炉膛温度均匀分布更具优势。现场项目窑炉温度高于仿真设定值，但对于分析温差峰值和均匀性并无影响，实验结果如图10 所示。由图 10 可以看出，方案 2 最大温差控制在5，与仿真结果基本一致。通过仿真与实验的相互验证，证明了方案 2 的优越性。（a）Y方向钵体的中间截面温度分布 （b）Z方向钵体的中间截面温度分布图 7方案 2 温度场分布云图 0123456789101112772776780784788792781.64785.64789.60791.77792.95793.29792.93791.76789.55785.71780.56779.48782.23783.48783.85783.87784.05783.87783.84783.47782.22779.38方案2温差峰值：4.67 温度/测点 方案1 方案2方案1温差峰值：12.73 1357911812816820824828832825827829830830829827829829827826824项目2温差峰值：5 温度/测点 项目1 项目2项目1温差峰值：5 图 9两种方案的测点温度值 图 10方案 2 现场项目实测温度值3结语炉膛恒温段加热热源在布局上采用结合辅助热源的加热方式，能有效降低钵体温差的峰值，提升烧结过程的温度均匀性，将温差控制在 4.67 内，较以往传统经验设计的布局方式温差梯度下降了 8.06。文章通过项目现场实验验证了方案的可靠性，仿真结果与实验结果基本一致，可为后续设计优化提供理论技术支撑。参考文献1 邹朝鑫，李荣，谢志平，等.辊道炉中锂离子电池正极材料烧结温度场仿真及影响因素分析 J.制造业自动化，2021（12）：19-23.2 苏文生，宋晓峰，王世刚.电加热式辊道炉加热装置与自动化改造 J.工业加热，2019（4）：29-3