气氛炉的优化设计-中国窑炉信息网

1 前言

　　气氛炉又称钢包炉、气氛保护炉，通常包括一个可以抽真空充气氛的容器及一个可置于其内的箱式炉。气氛炉在工业领域用途很广。尤其适用于磁性材料行业磁芯的烧结，主要用于实验室的小试及小批量生产。磁芯的烧结过程对氧分压有一定的要求，通常是抽真空后充入氮气保护进行烧结。传统气氛炉的结构如图1所示，采用硅碳棒加热，烧结温度低，炉腔温度均匀性差，维修工作量大，自动化程度低，相应的烧结产品档次低，性能一致性差。随着磁性材料行业的发展、电子设备的小型化、集成化，高性能产品的市场需求量越来越大，相应地气氛炉也提出了更高的要求。基于传统气氛炉的不足，结合烧结工艺对气氛炉的具体要求，我们进行了针对性的改进与优化设计。

　　2 全面的优化设计

　　2.1 加热元件及其分布的优化传统的气氛炉采用硅碳棒加热，最高工作温度为1350℃，缺点是寿命短，存在老化问题，断一根需要一组全部更换，劳动强度大；此外加热元件是两侧均布，炉门、炉尾温度明显偏低，导致烧结产品的一致性差。在优化方案中，加热元件采用硅钼棒，其正常工作温度为1450℃，符合烧结高性能磁芯的温度要求，使用寿命长达1年左右，不存在老化问题，断一根只需换一根，操作方便；炉尾部加装加热元件，成三面加热，同时靠炉门的热电偶前移，这样就能保证炉内温度的均匀性达到±5℃

　　2.2 热电偶插入方式的优化传统的气氛炉热电偶是整体密封在炉体内的，其冷端通过耐高温补偿导线与炉体上的接线柱相连，接线柱再与温控仪相连。由于热电偶冷端温度较高，造成温控仪显示温度于箱式炉炉腔温度不一致，且相差较大。优化设计方案中，热电偶从炉体顶部穿过两层铁板插入到箱式炉内，这样由于热电偶冷端温度较低，保证了温控仪显示温度与箱式炉炉腔温度的一致性。但需要密封热电偶的尾部，与外界只有一根补偿导线相连。这样改进后。尽管每次更换硅钼棒前，需要先拔出热电偶，比较麻烦，但由于硅钼棒寿命较长，箱式炉拖出来的次数较少。

　　2.3 温控仪的优化传统的温控仪只能设定温度～时间曲线，对于阻值一定的阻性负载，只要设定好适当的PID（比例、微分、积分）值，就能得到设定的温度曲线。而优化设计中的气氛炉加热元件是硅钼棒，其阻值随温度的变化而变化。特别是硅钼棒冷态阻值极小，初始升温时。即使电压调整器触发可控桂很小的导通角，反映到负载上的电流就可能很大，以致于烧毁快速熔断器或可控硅。传统的做法是在电压调整器上装一个10K电位器，对温控仪送给电压调整器的标准信号限幅，使负载上的电流减小。但随着温度的升高，硅钼棒的阻值迅速变大，这样又要求手工增大10K电位器的输出，一直到硅钼棒阻值变化不大时，才能把10K电位器调节到最大，以保证设定的温度曲线，这样达不到全自动升温的目的。在温控仪的优化方案中，温控仪可自动地将送给电压调整器的标准信号通过程序来加以限幅，每一程序段增加一个限副（F）参数，这样就能保证全自动升温。当然最理想的控温方式是自始至终限制最大电流值，这需要采用闭环控制，需增加硬件，比较繁琐。

　　2.4 冷却速度的优化传统的气氛炉冷却主要靠炉体夹层内的循环水带走部分的热量，冷却速度比较慢。有时长达36h左右才能冷却到150℃左右。而高性能磁芯要求快速降温，在优化设计中提出以下几种方案：

　　（1）循环风冷法：冷却时把充入炉内的氮气抽出来经过凝塔，再送入炉内，循环使用。同时为了防止泄漏，需要向炉内不断补充一部分氮气，以保证炉内的氮分压，工作原理如图2所示；

　　（2）箱式炉底开孔，与硅钼棒的冷端的缝隙形成气体对流，带走箱式炉内的热量；

　　（3）箱式炉内通入氮气，带走烧结产品的热量；

　　（4）加快炉体夹层内的水流速度。这几种方案完全可以同时使用，冷却时间能缩短到15h左右。

　　3 优化方案的效果

　　优化设计后的气氛炉，箱式炉内温度均匀性很好，自动化程度较高，维修工作量极小，操作人员劳动强度降低，烧结的磁芯达到了较高的档次。低功耗产品，性能达到PC40、PC50的要求；高µ产品，初始磁导率达到15000～18000，取得了良好的社会效益。被多家科研机构及大专院校作为主要实验设备，并大量应用于企业作为小批量生产用设备。

转自《中华窑炉网》