专利名称：磷酸铁锂热合成用人工智能可控气氛钟罩式二垛电阻炉的制作方法
技术领域：
本实用新型主要涉及到用于磷酸铁锂热合成的设备领域，特指一种磷酸铁锂热合成用人 工智能可控气氛钟罩式二垛电阻炉。
背景技术：
磷酸铁锂的合成方法主要采用高温固相反应法将FeC204、2H20、Li2C03和NH4H2P04 或(NH4)2HP04按化学计量比混合，在氩气或氮气等惰性气氛保护下，于30(TC左右使混合物 初歩分解，然后升温到600 800°C，保温12小时以上，就可以得到橄榄石晶型的LiFeP04 材料。如何在热处理的过程中防止二价铁的氧化是合成的关键控制点，也是制备设备必须解 决的关键问题。相对于钴酸锂、锰酸锂而言，磷酸铁锂材料的制备对设备要求极高。目前， 国际上磷酸铁锂材料的制备基本上都是采用间歇式设备如气氛保护钟罩炉、气氛保护箱式 炉等；国内一些单位相继开展了用于磷酸铁锂生产的推板窑，网带炉，回转窑等连续烧结炉 的丌发和研究，并配合一些磷酸铁锂生产企业在进行试用，取得了一些结果，但在稳定性和 产品烧结质量性能上与国外的工作还有很大距离。
推板窑，网带炉生产量能较大，但是该种炉型气氛保护采用气帘方式(一种进口、出口 采用冲氮气形成气帘保护)，由于料连续进出炉导致炉内压力变化、且因氮气形成气帘不稳定 等导致炉内气氛场的波动，无法满足磷酸铁锂材料烧结对气氛场(S50ppm)的稳定要求；该 种炉型温度控制采用温控仪表对温度场进行控制，且加热元件与烧结粉料通过耐火材料间接 接触，且加热元件采用上下布棒方式，对磷酸铁锂材料温度辐射较慢，加热时间较长，对温 度场的控制无法满足高精度的要求；用回转窑进行烧结，除温度、气氛场与上述连续炉一样 的缺陷外，还有一个致命的缺点，由于磷酸铁锂材料在冷却过程中会产生大量的水份，回转 窑旋转会导致粉料混合大量的水份导致无法满足材料的工艺要求，上述三种炉型冷却方式一 般采用外壳水冷方式，炉膛内的热量不能循环冷却，冷却速度较慢。
实用新型内容
本实用新型要解决的问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种 结构简单紧凑、成本低廉、操作简便、自动化程度高、控制精度高、产品质量好的磷酸铁锂 热合成用人工智能可控气氛钟罩式二垛电阻炉。
为解决上述技术问题，本实用新型提出的解决方案为 一种磷酸铁锂热合成用人工智能 可控气氛钟罩式二垛电阻炉，其特征在于它包括炉体、循环冷却系统、炉架、气氛系统、 轨道以及人工智能控制系统，所述炉体安装于炉架上，炉体的底部设有作为活动炉门的小车，用来送样的小车安装于轨道上并与升降机构相连，循环冷却系统通过管路与炉体的顶部相连 通，所述气氛系统、炉体、循环冷却系统以及升降机构均与人工智能控制系统相连。 所述炉体为平行布棒方式钟罩式烧结炉。
所述人工智能控制系统包括主控计算机及扩展模块以及分别与主控计算机相连的三个温 度控制器、含氧量监控单元、压力监控单元、水流量报警单元、小车按钮控制输入单元、控 温模块报警输入单元、硅碳棒保护光栅检测系统和小车出炉限位保护，含氧量监控单元和压 力监控单元装设于炉体内，用来监测炉体内的氧含量和压力；三个温度控制器用来对炉体内 的温度进行监测和控制。
与现有传统技术相比，本实用新型的优点就在于
(1) 、本实用新型的控制系统采用独特的神经模糊网络人工智能集散式计算机控制技术 对炉内的温度、气氛、压力实现集中控制，同时可根据不同的工艺要求对炉内控制程序进行 设定并实时进行修改，能对炉内的温度、气氛、压力实现实时监控与数据分析；
(2) 、本实用新型的温度场采用硅碳棒直接分7层平行布置炉内，与磷酸铁锂粉料多个 层面进行热辐射，传热较传统炉型辐射效率高，且通过三个测温点控温，通过独特的神经模 糊网络人工智能计算机控制技术能完全满足磷酸铁锂材料对温度场的控制要求；
(3) 、本实用新型的气氛场采用钟罩式烧结炉密封结构，采用点、面、底、接线盒等多 种进气方式，由于没有明显漏气点，且由于进气方式的特殊方式所产生的气氛旋流场可完全 克服烧结过程中气氛场的波动，能确保磷酸铁锂在烧结过程中，二价铁不氧化得到有效保护 并达到气氛场混合的一致性，氧含量可以控制在20个ppm内；
(4) 、本实用新型采用独特的排空阀压力控制系统确保炉内压力维持一个需要的工作压
力；
(5) 、本实用新型的冷却方式采用换热器配合循环风冷方式，由于冷却循环回路电机采 用全密封的水冷电机，导致整个循环风冷回路无漏气点，可确保大风量冷却过程中气氛场的 稳定与混合的一致性，相对传统炉型，由于是将炉内大量气体用变频风机通过换热器采用强 制循环风冷的方式，冷却效率大大提高。
图1是本实用新型的主视结构示意图； 图2是本实用新型的侧视结构示意图3是本实用新型中人工智能控制系统的控制原理示意图； 图4是本实用新型中炉体上部温度的控制原理示意图； 图5是本实用新型中炉体中部温度的控制原理示意图；图6是本实用新型中炉体下部温度的控制原理示意图； 图7是本实用新型中炉体内温度的监控原理示意图； 图8是本实用新型中炉体内压力的控制原理示意图； 图9是本实用新型中炉体内氧含量的控制原理示意图10是本实用新型中水流量报警单元、小车按钮控制输入单元、控温模块报警输入单元、 硅碳棒保护光栅检测系统、小车出炉限位保护的控制原理示意图11是本实用新型中小车升降控制、大流量电磁阀控制、小流量电磁阀控制、冷却循环 回路蝶阀控制、报警输出控制、控温模块启停控制、氧分析仪气泵启停的控制原理示意图。
图例说明
1、炉体 2、循环冷却系统
3、磷酸铁锂材料 4、炉架
5、气氛系统 6、小车
7、轨道 8、人工智能控制系统
9、升降机构具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。
如图1和图2所示，本实用新型的磷酸铁锂热合成用人工智能可控气氛钟罩式二垛电阻 炉，它包括炉体l、循环冷却系统2、炉架4、气氛系统5、小车6、轨道7以及人工智能控 制系统8，炉体1是由钢板焊接成的一个五面壳体，内衬安装有耐火材料及发热元件，内衬 材料采用进口的能耐氨根离子、绿离子等腐蚀性的材料，筑棉及紧固方式采用独特的工艺方 式。炉体1安装于炉架4上，炉体1结构采用平行布棒方式钟罩式烧结炉。循环冷却系统2 通过管路与炉体1的顶部相连通，用来在保证炉体1内气氛场稳定的情况下使炉内气体快速 冷却。炉体1的底部设有作为活动炉门的小车6，用来送样的小车6安装于轨道7上并与升 降机构9相连。气氛系统5与炉体1相连，用来为磷酸铁锂材料烧结提供足够的保护性气体， 根据磷酸铁锂烧结材料的要求，采用微正压抽空控制系统结合大流量进气系统确保一开始炉 内氧含量迅速降致50PPM以下。气氛系统5、炉体1、循环冷却系统2以及升降机构9均与 人工智能控制系统8相连。用于装载被处理的磷酸铁锂材料3的小车6可在链条传动的升降 机构9作用下上升到与炉体1紧密结合的工作状态。本实用新型的气氛场采用钟罩式烧结炉 密封结构，采用点、面、底、接线盒等多种进气方式，由于没有明显漏气点，且由于进气方 式的特殊方式所产生的气氛旋流场可完全克服烧结过程中气氛场的波动，能确保磷酸铁锂在 烧结过程中，二价铁不氧化得到有效保护并达到气氛场混合的一致性。如图3至图11所示，人工智能控制系统8主要由温度控制器电气柜和装有计算机与PLC 模块控制系统的控制柜组成，主要通过计算机对炉内温度、气氛、压力实时工艺曲线实现自 动跟踪控制，以满足磷酸铁锂材料的烧结工艺要求。参见图3，在本实施例中三相主电源通 过断路器QF1引入，温度控制器JC101、 JC102、 JC103输入电源通过快融RSF1 RSF3与交 流电源相连接，输出控制分别与硅碳棒组件GTBZ1 GTBZ6相连接,循环冷却风JO201机通过 变频器SCIOI、断路器QF2、 QF7与交流电源相连接，小车升降电机JO101通过交流接触器 KM1、 KM2、断路器QF2、 QF7与交流电源相连接，氧分析仪AT101通过变压器Tl 、断路 器QF4、 QF5、 QF7与交流电源相连接，PLC控制电源PS101通过变压器Tl、断路器QF4、 QF7与交流电源相连接，冷却循环水泵JO301通过交流接触器KM3、断路器QF6、 QF7与交 流电源相连接，参见图4、图5和图6，在本实施例中，三个温控模块TCIOI、 TC102、 TC103 均采用S7_300的可编程控制器，由温度传感器TEIOI、 TE102、 TE103分别监测到的炉体1 上部、中部和下部的温度传送给温控模块TCIOI、 TC102、 TC103，温度传感器TEIOI、 TE102、 TE103均采用热电偶WRN—130， TCIOI、 TC102、 TC103分别将处理后的控制信号传送给 JCIOI、 JC102、 JC103实现炉内温度连续跟踪控制，JCIOI、 JC102、 JC103可采用PS16 —300， TCIOI、 TC102、 TC103将信号分别传送给TIIOI、 TI102、 TI103显示出来，其中各部件之间 通过模拟量输入、输出扩展模块SM331、 SM332连接。参见图7，在本实施例中通过温度传 感器TE104、 TE105、 TE106、 TE107、 TE108、 TE109、 TE110采集炉体1内部的温度通过 S7300模拟量输入模块SM331分别传送给显示单元TI104、 TI105、 TI106、 TI107、 TI108、 TI109、 TIllO。参见图8所示，在本实施例中炉体l内部压力由压力变送器PT101采集后传 送给PCIOI，其中PT101采用FB0803AE3R， PC101采用S7-300。压力控制模块PC101采用 S7—300的可编程控制器,由压力传感器将炉体内部的压力采集后传送给PC101，压力传感器采 用FB0803AE3R,PC101将处理后的控制信号传送给PVIOI实现炉内压力连续跟踪控制,PVIOI 可采用2702,PC101将信号传送给PI101显示出来，其中各部件之间通过模拟量输入、输出扩 展模块SM331、 SM332连接。参见图9所示，在本实施例中炉体1内的氧含量通过传感器 AT101采集炉体1内部的氧含量通过S7300模拟量输入模块SM331传送给显示单元AI101显 示出来。参见图IO所示，在本实例中PLC分别与流量报警单元、小车按钮控制输入单元、 控温模块报警输入单元、硅碳棒保护光栅检测系统、小车出炉限位保护单元相连并对其进行 控制。参见图ll所示，PLC分别与车升降控制单元、大流量电磁阀控制单元、小流量电磁阀 控制单元、冷却循环回路蝶阀控制单元、报警输出控制单元、控温模块启停控制单元、氧分 析仪气泵控制单元相连并对其进行控制。
工作原理操作工将装有磷酸铁锂材料3的钵子装入小车6的窑具上，通过链条升降机构9驱动将小车6升入炉体1内，在人工智能控制系统8的工控计算机上输入工艺烧结程序，
并下载到工控计算机中，然后通过工控计算机对炉体1内的压力进行测试，合格后启动工控
计算机上按钮运行烧结程序。工控计算机通过PLC控制模块全过程(升温、恒温、降温段) 自动实现工艺设定的温度、气氛、压力曲线的实时跟踪控制与监控，只到工艺烧结程序运行 结束工控计算机自动停止炉体1内加热装置的运行，完成一个完整的磷酸铁锂粉料的工艺烧 结流程。磷酸铁锂热合成人工智能可控气氛钟罩式二垛电阻炉通过在横店东磁中央研究所运 行结果看，每炉最大烧结重量60KG，各项技术指标均满足工艺要求，气氛、温度场跟踪一 致性能良好。试验样机性能数据如下
(1) 温度曲线
室温至高温段(80(TC): 6 8h(180。C开始有气氛要求，通N2保护，02含量为50ppm); 恒温段(80CTC): 10 16h (02含量小于50ppm); 恒温段至室温4 6h (02含量小于50ppm);
(2) 粉体的松装比为0.4;
(3) 产能60kg/d;
(4) 产生的气体C02、 NH3、 H20、 CO (20(TC开始有气体逸出)；
(5) 温度精度土5'C;
(6) 气体流量小于10m3/h;
(7) 出窑温度:<80°C。
从原理上分析，本实用新型对磷酸铁锂烧结采用间歇式烧结炉比连续式烧结炉可解决如
下问题
(1) 气氛控制容易，没有连续物料迸出，不存在连续漏气点，能确保磷酸铁锂在烧结过 程中，二价铁不氧化得到有效保护，从而确保产品质量。
(2) 温度场控制更均匀，采用平行布棒的钟罩炉，其发热元件与产品中心距较连续窑小，
因而传热时间更短。
(3) 温度和气氛的控制，与连续窑相比，能实现计算机的精确控制，确保产品烧结产业
化量产后，能实现与实验室实验结果的可重复放大。
(4) 钟罩炉可实现全自动化作业，需要的工人量，比连续炉大为降低。
(5) 钟罩炉是一种很灵活的高度柔性化的生产设备，生产企业可根据订单情况随时组织 生产或停产,连续炉很难做到这一点。 一启炉就要维持长周期连续生产，否则损失很大。
(6) 钟罩炉生产及易组织，易于企业的生产管理。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于 本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求1、一种磷酸铁锂热合成用人工智能可控气氛钟罩式二垛电阻炉，其特征在于它包括炉体(1)、循环冷却系统(2)、炉架(4)、气氛系统(5)、小车(6)、轨道(7)以及人工智能控制系统(8)，所述炉体(1)安装于炉架(4)上，炉体(1)的底部设有作为活动炉门的小车(6)，用来送样的小车(6)安装于轨道(7)上并与升降机构(9)相连，循环冷却系统(2)通过管路与炉体(1)的顶部相连通，所述气氛系统(5)、炉体(1)、循环冷却系统(2)以及升降机构(9)均与人工智能控制系统(8)相连。
2、 根据权利要求1所述的磷酸铁锂热合成用人工智能可控气氛钟罩式二垛电阻炉，其特 征在于所述炉体(1)为平行布棒方式钟罩式烧结炉。
3、 根据权利要求1或2所述的磷酸铁锂热合成用人工智能可控气氛钟罩式二垛电阻炉， 其特征在于所述人工智能控制系统(8)包括主控计算机及扩展模块以及分别与主控计算机 相连的三个温度控制器、含氧量监控单元、压力监控单元、水流量报警单元、小车按钮控制 输入单元、控温模块报警输入单元、硅碳棒保护光栅检测系统和小车出炉限位保护，含氧量 监控单元和压力监控单元装设于炉体(1)内，用来监测炉体内的氧含量和压力；三个温控控 制器用来对炉体(1)内的温度进行监测和控制。
专利摘要一种磷酸铁锂热合成用人工智能可控气氛钟罩式二垛电阻炉，它包括炉体、循环冷却系统、炉架、气氛系统、轨道以及人工智能控制系统，所述炉体安装于炉架上，炉体的底部设有作为活动炉门的小车，用来送样的小车安装于轨道上并与升降机构相连，循环冷却系统通过管路与炉体的顶部相连通，所述气氛系统、炉体、循环冷却系统以及升降机构均与人工智能控制系统相连。本实用新型是一种结构简单紧凑、成本低廉、操作简便、自动化程度高、控制精度高、产品质量好的磷酸铁锂热合成用人工智能可控气氛钟罩式二垛电阻炉。
文档编号C01B25/45GK201354321SQ20082021116
公开日2009年12月2日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者侯季淹, 侯拥和, 宇文静, 张勋郎, 伟 彭, 杨克辉, 奇 楚, 欧阳建, 王朋生, 高平立 申请人:长沙矿冶研究院