氮窯循環(huán)區(qū)排膠結(jié)構(gòu)的研究

顏林波,王世剛,王翼倫

(湖南爍科熱工智能裝備有限公司,湖南 長沙 410000)

錳鋅鐵氧體為了方便成型,在粉料中加進(jìn)了一定比例的水和黏結(jié)劑,這些水分和黏結(jié)劑需在循環(huán)區(qū)盡量排出,否則將造成坯件的開裂和結(jié)晶等質(zhì)量問題,影響磁性產(chǎn)品的品質(zhì);黏結(jié)劑的主要成分為聚乙烯醇,其分解速度受加熱溫度、保溫時間及氣氛中的氧含量和分解物的蒸氣壓等因素影響;氮窯中,循環(huán)區(qū)是坯件的主要排膠區(qū)域,坯件在此區(qū)域內(nèi)受熱并將坯件的中水和黏結(jié)劑排出,黏結(jié)劑排出的過程叫排膠過程;黏結(jié)劑約在100 ℃時開始分解,在200～300 ℃時分解速度達(dá)到峰值,然后再逐漸減弱;排膠過程中,升溫太快或太高,黏結(jié)劑會大量集中揮發(fā),造成坯件的開裂;排膠時間過短,黏結(jié)劑殘留錳鋅鐵氧體坯件在500 ℃后開始表面硬化和氧化,會造成坯件內(nèi)部氣孔和結(jié)晶,影響產(chǎn)品的密度和磁導(dǎo)率;所以氮窯的循環(huán)區(qū)溫度必須有效控制,合理地控制水分和黏結(jié)劑的揮發(fā);不恰當(dāng)?shù)难h(huán)區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),會引起不恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)量流動和溫度的不均,造成坯件的排膠效果一致性差。而恰當(dāng)?shù)难h(huán)區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合恰當(dāng)?shù)臒Y(jié)工藝,可以很好地利用溫度、氣流高效的對產(chǎn)品進(jìn)行排膠。本文將結(jié)合氮窯中的典型循環(huán)區(qū)結(jié)構(gòu),分析比較其溫度和氣流的特點(diǎn)及其脫膠效果,提出排膠結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)建議,總結(jié)出氮窯循環(huán)區(qū)更高效的排膠技術(shù)及方法。

1 循環(huán)區(qū)排膠結(jié)構(gòu)比較

循環(huán)區(qū)的作用是利用加熱腔加熱后的空氣將坯件中的水分和黏結(jié)劑烘烤排出,其主要結(jié)構(gòu)有兩種形式:無循環(huán)風(fēng)機(jī)形式和有循環(huán)風(fēng)機(jī)形式。無循環(huán)風(fēng)風(fēng)機(jī)形式也叫做直排式循環(huán)區(qū)結(jié)構(gòu)(甲結(jié)構(gòu)),該結(jié)構(gòu)如圖1所示,該結(jié)構(gòu)通過氣體從爐體底部進(jìn)入各個加熱腔后,一部分氣體從窯道的兩側(cè)進(jìn)入窯腔,另一部分氣體通過連通的加熱腔向窯尾移動并在鎖口處進(jìn)入窯腔,進(jìn)入窯腔的氣體被窯體頂部的抽氣管道直接抽走。該結(jié)構(gòu)沒有循環(huán)風(fēng)機(jī),結(jié)構(gòu)簡單,砌筑方便,成本較低。帶循環(huán)風(fēng)機(jī)形式的循環(huán)區(qū),也稱為橫向循環(huán)式結(jié)構(gòu)(乙結(jié)構(gòu)),采用導(dǎo)軌作為推板的支撐面氣體在風(fēng)機(jī)的牽引作用下從窯腔的一側(cè)通過產(chǎn)品到另一側(cè),進(jìn)入到循環(huán)風(fēng)機(jī)的通道,然后進(jìn)入窯腔底部的加熱室進(jìn)行預(yù)熱,被預(yù)熱的氣體由通道進(jìn)入窯腔。預(yù)熱產(chǎn)品達(dá)到排膠排水的目的。在窯腔的頂部開有排氣口,部分廢氣通過排氣口被抽氣管道抽走,被抽走的廢氣由補(bǔ)充進(jìn)氣口進(jìn)行補(bǔ)充。如圖2所示,在燒結(jié)過程中循環(huán)風(fēng)機(jī)周而復(fù)始地實(shí)現(xiàn)氣體的循環(huán)流動。實(shí)際使用中,橫向循環(huán)式結(jié)構(gòu)相對于無循環(huán)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,對砌筑工藝要求較高,但節(jié)能、使用效果相對前者較好,是目前使用較多的一種結(jié)構(gòu)型式。

圖1 直排式排膠結(jié)構(gòu)圖

圖2 帶循環(huán)風(fēng)機(jī)形式的循環(huán)區(qū)圖

2 溫度均勻性分析

氮窯溫度均勻性一般指窯腔同一截面內(nèi),各個點(diǎn)溫度差異性大小,差異越小,溫度均勻性越好;實(shí)際運(yùn)行中,氮窯溫度的測量使用的是熱電偶,該熱電偶在氮窯的長度方向上,按上一定的距離和溫區(qū)安裝在窯爐側(cè)壁,高度略高于最上層產(chǎn)品20～30 mm,深入窯腔15～20 mm。由于該熱電偶深入長度及高度限制,并不能準(zhǔn)確地表達(dá)窯腔橫向截面內(nèi)產(chǎn)品的真實(shí)溫度,對于工藝的調(diào)試來說也只能作為一個基本參考溫度,要實(shí)際了解截面內(nèi)溫度的情況才能將工藝?yán)碚摳玫闹笇?dǎo)工藝調(diào)試。

如圖3所示,使用6根相同的鎧裝熱電偶,規(guī)格為:wrnk-191型鎧裝熱電偶(見圖4),長度約為12 m。將其測溫探頭埋入如圖3所示的坯料位置,隨坯料一起進(jìn)入上述不同結(jié)構(gòu)的氮窯(海寧某客戶兩條36 m氮窯)循環(huán)區(qū)中,連續(xù)記錄各個點(diǎn)的測量數(shù)值,并與窯爐的側(cè)面的熱電偶測量值進(jìn)行比較。

圖3 熱偶探頭埋入截面位置圖

圖4 Wrnk-191鎧裝熱電偶實(shí)物圖

測量結(jié)果如圖5所示,從圖5中可知,兩種結(jié)構(gòu)的不同位置的溫度都有一定的差異,但總體甲結(jié)構(gòu)的溫度差異大于乙結(jié)構(gòu)。層與層之間比較:甲結(jié)構(gòu)溫度相差最大,下層與中層溫度最大超過70 ℃,而乙結(jié)構(gòu)最大為35 ℃。左右窯道對比:甲左右溫差相差較小,最大只有15 ℃,而乙左右溫差比甲型結(jié)構(gòu)稍大,溫差最大達(dá)到20 ℃。

圖5 甲結(jié)構(gòu)不同位置點(diǎn)坯件溫度圖

造成這種現(xiàn)象的原因與加熱腔的分布、溫度的輻射、熱空氣的對流有關(guān)。循環(huán)區(qū)的加熱腔位于坯件下方,熱輻射是從下往上傳遞,逐漸減弱,所以下層產(chǎn)品的溫度都比較高,上層溫度應(yīng)該最低。但試驗(yàn)結(jié)果是中層產(chǎn)品溫度最低,說明產(chǎn)品的加熱還與其他因素有關(guān),即熱空氣的對流。甲結(jié)構(gòu)無循環(huán)風(fēng)機(jī),熱空氣從底部直接進(jìn)入加熱腔,從下往上形成對流,同層受的熱對流熱交換基本相同,所以同層的溫度相差較小。熱空氣在頂部集中由抽氣口排出時,頂層坯件受斜向的熱對流,部分熱空氣將從頂層產(chǎn)品之間穿過,其受熱程度相比中層受熱程度大所以上層溫度較中層溫度高。乙型結(jié)構(gòu)由于熱空氣加熱后從側(cè)面橫向?qū)α鞔┻^產(chǎn)品,并把熱量傳遞給了坯件,所以層與層之間溫差比甲結(jié)構(gòu)的溫差較小。然而,橫向流動的空氣的熱量從左往右被產(chǎn)品吸收,熱量逐漸降低,所以右側(cè)產(chǎn)品溫度較左側(cè)溫度較低。

與氮窯設(shè)備自有熱電偶顯示溫度比較,所測溫度接近坯件上層溫度,甲型結(jié)構(gòu)的略低,乙型的略高。實(shí)際工藝調(diào)試過程中,工藝人員調(diào)試參考溫度的是氮窯的自有熱電偶的溫度,并不能準(zhǔn)確地了解到坯件各個點(diǎn)溫度差異,所以很難及時準(zhǔn)確的合理地制定燒結(jié)工藝,提高產(chǎn)品初期排膠效率。因此設(shè)計(jì)或改進(jìn)出溫度均勻性更好的循環(huán)區(qū)結(jié)構(gòu),對氮窯排膠工藝的提升有很大幫助。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

乙型結(jié)構(gòu)對比甲型結(jié)構(gòu),截面溫度均勻性較好,加上循環(huán)風(fēng)的利用能耗較低,所以乙型結(jié)構(gòu)在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛。作者擬在乙型結(jié)構(gòu)上提出了兩種結(jié)構(gòu)的改進(jìn)思路,以便更好地結(jié)合工藝調(diào)試手段提高排膠效果。

結(jié)構(gòu)1如圖6所示,首先將設(shè)備自有熱電偶位置從側(cè)面改為頂端插入,所測溫度更接近上層中間坯件的中間溫度,因此測量溫度更接近窯腔溫度,與坯件真實(shí)溫度的差異較小,可以更真實(shí)地制定工藝排膠曲線。其次制作成弧形風(fēng)箱,加熱截面循環(huán)空氣風(fēng)阻減小,增加左右循環(huán)風(fēng)的穿透力,從而減小左、右產(chǎn)品的溫差。最后將頂蓋板改為弧形,抽氣分散,不至于過于集中抽氣,導(dǎo)致排氣點(diǎn)附近坯件因排膠速度太快產(chǎn)品排膠開裂。

圖6 改進(jìn)的循環(huán)區(qū)結(jié)構(gòu)1

結(jié)構(gòu)2如圖7所示,該結(jié)構(gòu)采用氣體從爐體底部進(jìn)入加熱腔后,通過加熱腔預(yù)熱的氣體一部分從窯腔的側(cè)壁進(jìn)入窯腔,另一部分則通過連通的加熱腔向窯尾移動,并在鎖口處進(jìn)入窯腔,進(jìn)入窯腔的氣體一部分被窯體頂部的抽氣管道抽走。另一部分被安置在窯體頂部的循環(huán)風(fēng)機(jī)抽往窯頭方向,并在循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下將抽到的氣體沿著橫向窯腔截面的兩側(cè)重新壓到加熱腔內(nèi),同底部的進(jìn)氣一起進(jìn)行二次循環(huán)。該結(jié)構(gòu)的循環(huán)空氣高溫區(qū)往低溫區(qū)方向循環(huán)流動,使加熱的空氣與推進(jìn)的產(chǎn)品逆向運(yùn)動,空氣能夠均勻充分地與產(chǎn)品接觸,減少窯腔橫向截面內(nèi)產(chǎn)品受熱溫差,使產(chǎn)品受熱均勻,排膠充分。而且大的窯腔結(jié)構(gòu)同樣使氣體在窯腔內(nèi)流動順暢,有利于產(chǎn)品的水分和膠體的排除,提高了排膠效果。

圖7 改進(jìn)的循環(huán)區(qū)結(jié)構(gòu)2

4 總 結(jié)

窯爐排膠結(jié)構(gòu)不同,溫度的均勻性也不同,所以存在排膠效率的差異。兩種循環(huán)區(qū)的結(jié)構(gòu)比較,甲結(jié)構(gòu)上下層溫度差異較大,同層左右溫度差異較小,但總體上乙結(jié)構(gòu)的截面溫度均勻性較好。從能耗角度出發(fā),乙結(jié)構(gòu)將熱空氣進(jìn)行循環(huán),能耗較低,所以氮窯采用較多的為乙型結(jié)構(gòu)。在乙型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了兩種改進(jìn)結(jié)構(gòu),優(yōu)化了窯腔內(nèi)氣流、熱傳遞的特點(diǎn),進(jìn)一步提升坯件的排膠效果。其中結(jié)構(gòu)1已在長沙某窯爐公司研制的窯爐中運(yùn)用,結(jié)合客戶現(xiàn)場燒結(jié)的PC44、PC50、PC90等軟磁材質(zhì)排膠的實(shí)際情況反饋,排膠效果提升在現(xiàn)場得到驗(yàn)證,而且能耗也進(jìn)一步有所改善。

在此說明,由于不同廠家粉料和窯爐的推進(jìn)速度差異,實(shí)際生產(chǎn)過程中需要根據(jù)粉料特性做一定排膠工藝修訂,即結(jié)合實(shí)際針對性制定相應(yīng)工藝。