軟磁材料燒結(jié)四推板爐的研制

顏林波，王世剛，段紅松，王翼倫，陳 彭

（湖南爍科熱工智能裝備有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

隨著近幾年軟磁材料的需求量增大， 對(duì)軟磁材料燒結(jié)設(shè)備的產(chǎn)能提出了更高更新的要求。 目前常用連續(xù)型軟磁燒結(jié)設(shè)備主要為氮?dú)夥毡Ｗo(hù)雙推板爐，該設(shè)備受剛玉推板強(qiáng)度的限制，產(chǎn)量已很難突破技術(shù)的瓶頸， 無(wú)法滿足客戶對(duì)產(chǎn)能更高的需求。 為此， 迫切需要一種能滿足軟磁材料燒結(jié)工藝和較高產(chǎn)品性能的大寬度連續(xù)型燒結(jié)設(shè)備。 在氮?dú)夥毡Ｗo(hù)雙推板爐的基礎(chǔ)上， 研制了軟磁材料燒結(jié)的四推板爐， 該設(shè)備不但具有氮?dú)夥毡Ｗo(hù)雙推板爐穩(wěn)定的燒結(jié)性能，還能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的大幅提升，降低產(chǎn)品燒結(jié)的單位能耗。

1 總體方案

根據(jù)軟磁材料推板爐的特點(diǎn)， 四推板爐從其結(jié)構(gòu)上分為窯體、進(jìn)排氣系統(tǒng)、液壓循環(huán)系統(tǒng)及溫度控制系統(tǒng)等部分，如圖1所示。

圖1 四推板爐結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

軟磁材料燒結(jié)爐的設(shè)計(jì)以工藝曲線為依據(jù)，產(chǎn)品燒結(jié)時(shí)所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)以及反應(yīng)時(shí)所需要的溫度和氧分壓條件可得出其理想的工藝曲線（即溫度和氧分壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系），以Mn-Zn鐵氧體為例，其理想的工藝曲線如圖2所示。

圖2 軟磁材料Mn-Zn鐵氧體燒結(jié)理想工藝曲線圖

由圖可知，Mn-Zn鐵氧體的燒結(jié)過(guò)程主要分為：粘結(jié)劑的揮發(fā)、升溫、保溫、降溫幾個(gè)階段，500 ℃之前的階段為粘結(jié)劑的揮發(fā)段（循環(huán)區(qū)），500～1 350 ℃為升溫區(qū)，1 350 ℃以上為保溫區(qū)（高溫區(qū)），1 350 ℃～室溫為降溫區(qū)。

1.2 窯體

爐體分為循環(huán)區(qū)、升溫區(qū)、保溫區(qū)和降溫區(qū)等，根據(jù)各個(gè)區(qū)域的溫度和氧含量的特點(diǎn)， 對(duì)爐體進(jìn)行區(qū)域段設(shè)計(jì)。

1.2.1 循環(huán)區(qū)

循環(huán)區(qū)的作用是將壓坯內(nèi)的水分， 粘結(jié)劑通過(guò)熱空氣加熱去除。 循環(huán)區(qū)設(shè)計(jì)直接影響產(chǎn)品的排膠效果和產(chǎn)品的性能優(yōu)劣； 四推板爐的循環(huán)區(qū)結(jié)構(gòu)是雙推板爐循環(huán)區(qū)的改進(jìn)結(jié)構(gòu)， 將四窯道設(shè)計(jì)為兩兩并列獨(dú)立的雙推板窯道方式，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行攪拌加熱。如圖3所示，空氣被加熱絲加熱后，在同一截面兩個(gè)相同循環(huán)風(fēng)機(jī)的帶動(dòng)下， 由加熱腔中間進(jìn)入窯道并最大限度地在壓坯間橫向流動(dòng)， 讓壓坯內(nèi)的水分和粘結(jié)劑均勻揮發(fā)出來(lái)， 同時(shí)分別由窯道中間的抽風(fēng)管抽出排空。 循環(huán)區(qū)溫度根據(jù)粘結(jié)劑的揮發(fā)特性設(shè)定，升溫速率控制較低，一般為20～60 ℃/h,抽風(fēng)溫度應(yīng)由前到后各區(qū)有序遞增， 同一截面上兩個(gè)排氣溫度保持一致。根據(jù)溫度計(jì)坯件排膠情況，適當(dāng)調(diào)節(jié)各個(gè)階段的進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)量。

圖3 循環(huán)區(qū)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2.2 升溫區(qū)

升溫區(qū)主要目的是將坯件從500 ℃快速升至1 350 ℃，使坯件盡快進(jìn)行致密化反應(yīng)，其升溫速率設(shè)計(jì)為100～150 ℃/h。該溫度段內(nèi)軟磁材料中的低熔融物將揮發(fā)，如ZnCl2、等離子。 坯料到達(dá)高溫區(qū)之前，需盡量將低熔融物排出，以免影響材料固相反應(yīng)。在此區(qū)域大量的酸性物質(zhì)和窯體耐火材料反應(yīng)，不斷腐蝕耐火材料和頂部支撐材料。 四推板爐窯腔跨度大， 傳統(tǒng)的含鋯剛玉拱頂結(jié)構(gòu)安全性問(wèn)題也將增加；同時(shí)窯腔越寬，拱頂?shù)母叨仍黾?，窯腔頂部空隙增大，難以保證軟磁材料連續(xù)燒結(jié)氣氛的穩(wěn)定性。因此四推板爐頂部設(shè)計(jì)為重結(jié)晶碳化硅橫梁結(jié)構(gòu)，支撐頂部的加熱元器件以及保溫材料。 如圖4和圖5所示，橫梁橫跨整個(gè)窯腔，支撐在兩側(cè)墻磚上，由于重結(jié)晶碳化硅橫梁具有較好的抗熱性和高溫強(qiáng)度，耐酸性腐蝕等優(yōu)良特性，支撐在橫梁上的擱絲板（加熱元器件與窯腔之間的剛玉導(dǎo)熱板）和剛玉橫梁高溫蠕變較小，從未減少頂部耐火材料的下沉，大大提高窯爐的使用壽命。

圖4 升溫區(qū)窯腔截面圖（正面）

圖5 升溫區(qū)窯腔截面圖（側(cè)面）

1.2.3 保溫區(qū)（高溫區(qū)）

高溫區(qū)是軟磁材料固相反應(yīng)的區(qū)域， 溫度一般在1 350 ℃以上，氧分壓大致為4%～6%，此階段的溫度和氣氛穩(wěn)定性直接決定著磁芯的密度和強(qiáng)度，所以采用大功率的MoSi2棒加熱；MoSi2棒根據(jù)熱端形狀分為W型和U型兩種形狀，受國(guó)內(nèi)技術(shù)的限制，目前兩種MoSi2棒的熱端長(zhǎng)度極限分別為1.0 m和1.3 m；四推板爐窯腔寬度約為1.4～1.5 m，單根MoSi2棒無(wú)法達(dá)到窯腔長(zhǎng)度，所以，四推板爐高溫區(qū)設(shè)計(jì)為雙邊加熱方式，如圖6所示，高溫區(qū)左側(cè)面和右側(cè)面的MoSi2棒通過(guò)串聯(lián)方式形成一個(gè)溫區(qū)， 連接方式如圖7所示，通過(guò)熱電偶R對(duì)窯腔進(jìn)行加熱，從而使左右加熱腔的受熱一致性，保證窯腔溫度的一致性。

圖6 MoSi2棒安裝方式示意圖

圖7 MoSi2棒串聯(lián)方式示意圖

1.2.4 降溫區(qū)

降溫段的窯體結(jié)構(gòu)沒(méi)有上下加熱腔， 依靠耐火材料的厚度和風(fēng)冷、水冷裝置進(jìn)行散熱降溫。

1 350～1 050 ℃時(shí)，由于軟磁材料中元素化合價(jià)很容易發(fā)生變化，必須精確控制其氧含量，使材料嚴(yán)格符合該溫度下的氧含量。 因此如圖6所示，四推板爐采用了上、左、中1、中2、中3右進(jìn)氣方式，左、中2、右的墻磚和立柱做密集孔隙結(jié)構(gòu)， 進(jìn)氣空過(guò)其均勻通入窯腔， 從而保證同一截面即同一溫度下產(chǎn)品的相同氧分壓；每組氣道間距約為350 mm(約為單個(gè)推板長(zhǎng)度)，保證氧含量緊密跟隨降溫的梯度。

當(dāng)磁芯溫度降至1 050 ℃以下時(shí)，氧含量需降至600×10-6以下，為了能夠?qū)崿F(xiàn)快速降溫，縮短整個(gè)窯爐的長(zhǎng)度即節(jié)省設(shè)備場(chǎng)地， 四推板爐該段采用翅片夾套風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 翅片夾套風(fēng)冷結(jié)構(gòu)示意圖

翅片夾套風(fēng)冷有效的增大了散熱面積，其結(jié)構(gòu)在爐膛外壁布設(shè)大量金屬散熱翅片；為了延長(zhǎng)冷風(fēng)停留時(shí)間，用擋板將風(fēng)冷夾層隔開(kāi)，形成迂回前進(jìn)的風(fēng)道。 基于此種思想，冷卻區(qū)爐體由內(nèi)至外包括三個(gè)物理層。 內(nèi)層為燒結(jié)產(chǎn)品容納層，產(chǎn)品的熱量透過(guò)此層往外傳遞；中間層為風(fēng)冷層，冷風(fēng)從該層通過(guò)，帶走內(nèi)層傳出的熱量；外層為保溫層，阻隔中間層的熱量傳出爐體，降低爐體表面溫度。 相比傳統(tǒng)水冷和靠耐火材料厚度散熱，夾套風(fēng)冷大大提升了降溫效率。

1.3 液壓循環(huán)系統(tǒng)

外圍循環(huán)推進(jìn)系統(tǒng)如圖9所示， 包括主推機(jī)構(gòu)、出口橫送室、返回軌道、入口橫送機(jī)構(gòu)、閘門(mén)室、四個(gè)液壓站等部分。油缸的進(jìn)退位置由行程開(kāi)關(guān)控制。主推機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為四個(gè)主推油缸， 并設(shè)置快進(jìn)-工進(jìn)-慢退-快退的動(dòng)作流程；出口橫送室為密閉結(jié)構(gòu)，外界與窯內(nèi)的氣氛完全隔開(kāi)， 防止外界的空氣進(jìn)入窯腔而氧化產(chǎn)品。 出口橫送室的內(nèi)外兩道閘門(mén)間形成一個(gè)氣氛過(guò)渡倉(cāng)，也稱清洗倉(cāng)，通過(guò)它實(shí)現(xiàn)氣氛隔離。返回軌道設(shè)計(jì)為雙軌返回，對(duì)出口產(chǎn)品進(jìn)行緩存，方便坯料裝卸。

圖9 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.4 溫度控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 溫度控制系統(tǒng)原理方框圖

以PLC為核心部件組成，實(shí)現(xiàn)溫度控制、循環(huán)控制。 觸摸屏與PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通信、提供人機(jī)界面操作平臺(tái)。 每個(gè)控溫點(diǎn)由溫度控制儀、交流接觸器、電壓調(diào)整器、晶閘管、加熱元件、熱電偶共同組成一個(gè)完善PID閉環(huán)控制系統(tǒng)。

循環(huán)控制系統(tǒng)由總控制臺(tái)、 中繼盒、 手動(dòng)控制盒、行程開(kāi)關(guān)及液壓站組成。

2 結(jié)語(yǔ)

在雙推板爐的基礎(chǔ)上， 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出的磁性材料燒結(jié)四推板爐，將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的翻番，也將成為國(guó)內(nèi)第一代磁性材料燒結(jié)四推板爐。 該設(shè)備已準(zhǔn)備在國(guó)內(nèi)進(jìn)行推廣運(yùn)用，屆時(shí)一旦燒結(jié)效果達(dá)到預(yù)期，四推板爐將逐漸取代雙推板成為市場(chǎng)的翹楚。

由于不同廠家使用的原材料不同，工藝不相同，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的工藝表現(xiàn)會(huì)與本文存在一定差異。后續(xù)還需在實(shí)際操作中，不斷完善四推板爐的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，改進(jìn)或進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備，為磁性材料裝備的進(jìn)步發(fā)展貢獻(xiàn)力量。