锰锌铁氧体软磁磁芯烧结试验炉的研制󰀁

王朋生,侯拥和,侯季淹,宇文静

(长沙矿冶研究院,湖南长沙410012)

摘󰀂要:锰锌铁氧体磁芯烧结试验炉是研究锰锌铁氧体烧结工艺的重要手段。简述了锰锌软磁铁氧体磁芯烧结试验炉的解决方案和设计原理。并依此制作出了样机,制备出性能指标良好的磁芯,为锰锌铁氧体烧结工艺研究提供了科学手段。关键词:锰锌铁氧体;软磁磁芯;烧结炉;研制中图分类号:TF111文献标识码:A文章编号:0253-6099(2008)04-0066-03

DevelopmentofExperimentalSinteringFurnaceforMn󰀁ZnSoftFerriteCore

WANGPeng󰀁sheng,HOUYong󰀁he,HOUJi󰀁yan,YUWen󰀁jing(ChangshaResearchInstituteofMiningandMetallurgy,Changsha410012,Hunan,China)

Abstract:TheexperimentalsinteringfurnaceforMn󰀁Znferritecoreisanimportantmeanstoinvestigatesinteringtech󰀁niquesforMn󰀁Znferrite.Abriefdescriptionofthedesigningplanandprincipleofthesinteringfurnacewasmade.Basedonthedesign,amodelfurnacewasfabricated.Theferritecoreswithgoodperformancewerepreparedusingthisfurnace.ItisascientifictoolfortheresearchofsinteringtechniquesforMn󰀁Znsoftferrite.Keywords:Mn󰀁Znferrite;softferritecore;sinteringfurnace;development

󰀂󰀂锰锌软磁铁氧体磁芯广泛应用于电子工业和IT

产业。不同电子产品和IT产品对磁芯磁性能的要求是不相同的,如磁芯的功耗、电感的频宽、磁导率、磁芯

的形状和制造精度等。

不同物理性能的锰锌铁氧体磁芯具有不同组份的

化学成分和晶粒、晶间结构形状,烧结工艺曲线差异很大,因此,对磁芯配方和烧结工艺曲线的研究是各磁芯

生产企业应对复杂多变的市场需求必须进行的工作。

长期以来,各磁芯生产企业对产品的原材料配方和烧结工艺曲线的应用多采用资料查询和钢包炉试验

的方法来确定。由于试验装置与工业装置设备结构相

差很大,所以试验结果很难在工业磁芯烧结窑炉上重

现。因此许多磁性生产企业为了满足市场需要,只能使用现有的生产烧结设备作原材料配方和烧结工艺曲

线试验。由于摸索一条磁芯烧结曲线或一个原料配

方,均最少需进行几十次试验,用工业炉做试验成本太高,一般企业根本承受不起。因此,尽快研制出满足不

同用户要求的高性能磁芯产品磁芯烧结试验用炉,具

有重要的经济意义。

1󰀂锰锌软磁磁芯试验炉的解决方案

根据上述所提出的问题,很有必要研制一种经济组合炉型,用少量的原料既能研究出符合各种铁氧体

材料的合理配方,又能研究出合适的烧结曲线并能轻松地移植到本系列的产能炉上。这种装置应具备下列

功能:

1)必须满足小试和扩试的要求,即在小试炉上可

以进行500~1000g/次的条件试验以确定满足工艺要求的材料配方,在扩试炉上可以进行15kg/次的扩

大试验,扩大试验成果应能准确地移植到工业烧结炉

上(钟罩炉或推板窑)。2)试验过程应能由计算机全自动控制,以消除人

的因素对试验结果的影响,计算机控制系统应具有良

好的人机交换和数据处理功能,以提高试验的效率和

准确性。3)温度场和气氛场的控制精度应达到或优于工

业生产磁芯烧结炉的控制精度。

4)应具备优良的性能价格比,一般磁芯生产企业能使用得起。

为此作者设计了一拖二烧结软磁锰锌铁氧体磁芯

用试验电阻炉,即由1台装载量15kg/炉的可控气氛

钟罩炉、一台装载量500~1000g/炉的可控气氛管式炉和一套可分别控制的计算机控制系统组成。

装置的主要设计性能指标为下:

󰀁收稿日期:2008󰀁03󰀁17作者简介:王朋生(1952-),男,湖南益阳人,高级工程师,主要研究方向为冶金、材料、非标设备的研发。第28卷第4期2008年08月矿󰀂冶󰀂工󰀂程MININGANDMETALLURGICALENGINEERINGVo.l28 4August20081)小试用管式炉。

使用范围:空气/氮气气氛控制条件下烧结锰锌铁

氧体;产能:500~1000g/炉;最高使用温度:1450!;

控制精度:∀1!;温度均匀性:∀5!;加热速率:最大5!/min;炉内氧气调节范围:21%~0.005%;炉内

压力可调。

2)扩试用一垛钟罩炉。使用范围:空气/氮气气氛控制条件下烧结锰锌铁

氧体;产能:15kg/炉;最高使用温度:1450!;炉膛有

效区各点温度差:#∀5!;恒温段控温精度:∀1!;

空炉升温速率:∃300!/h;降温速率:1400~1050!之间#480!/h、1050~900!之间#250!/h、900

~150!之间#200!/h(配有快速冷却系统);炉内氧

气含量调节范围:21%~0.005%;控制精度:氧含量在21%~1%时为∀3%,氧含量在ppm(10-6)级时为∀10

ppm;功率:45kW;最大氮气消耗:150L/min;最大空气

消耗:150L/min;冷却水消耗:冷却水循环使用量#5

t/h;换热器排水温度:#50!;炉体表面温升:#70!。由于各种产品的不同烧结要求以及各用户的烧结

曲线设置习惯不尽相同,因此给用户提供一个优质的

烧结平台是至关重要的。

2󰀂试验电炉的设计

众所周知,可控气氛钟罩炉的工作条件十分苛刻,

工作温度长期处于1380~1450!之间,氧分压长期要求保持在50ppm以下;且要求气氛场和温度场

均匀。

为了实现上述温度和气氛场控制精度要求,设计采用了人工智能计算机控制系统,其温度场采用模糊控制技术,三段控温,确保炉内各点温度均匀性能保证在∀5!偏差之内。在加热元件的布置上,经过热工的精确计算和设

计,为温度场的均匀性提供有力的保障。温度控制方框图如图1。

图1󰀂温度控制方框

气氛场控制亦采用模糊控制技术,气氛由在线氧

分析仪检测,送入计算机与设定值比较,输出通过流量控制器控制空气和氮气的配比,实现气氛的准确控制,使炉内气氛达到设定值要求。气氛控制方框图如图2所示。图2󰀂气氛控制方框

另外,为了保证试验要求,还设计了炉压控制系

统,试验程序控制系统,设备安全报警系统等。

全套计算机控制系统,采用DCS结构,确保控制系统的可靠性。实现设备操作和温度、气氛设定值与

实际值的全自动跟踪,全方位满足气体传输与气氛场精密控制的系统要求,保证设定烧结曲线的无误实现。

同时为了降低设备造价,管式炉和钟罩炉共用同一套

控制系统。管式炉结构与一般试验用管式炉结构类同,为了

保证温度的均匀性,采用了三段控温结构以及增加了

气氛场的自动控制功能。钟罩炉本身就是一个完整的烧结系统,它由7大

部分组成,分别为炉体、炉座和窑车、供气系统、冷却循环系统、供电系统和控制系统。

炉体由钢板焊接而成,上设集气箱和排气口,下设

窑车入口,加热元件和受控的各类气体管道主要分布在炉体的四周,气体管道由气箱在炉体四周进行有效

分配。供气管道和循环管道各行其道,互不干涉。炉体上设有若干温度测试点、压力测试点和气体分析取

样口。炉体内衬耐火材料,窑车入口处的耐火材料必

须具备足够的弹性。炉座支撑炉体和窑车,确保窑车限位和平稳的出

入、上升和下降。

供气系统由流量控制器控制,根据设定的烧结曲线和炉内实际的温度场和气氛场受控提供不同氧分压

的气体。循环冷却系统由热交换器、风机、电磁阀和管道组

成完全密封的系统,完成产品冷却过程中受控降温。

供电系统根据烧结曲线要求以及炉内温度场,受控提供热能等。

与生产炉相比,试验炉由于炉内有效容积过小,因此加热元件和气氛控制通道的大小、多少和位置受到

制约。这对温度场和气氛场的动态平衡控制技术提出

了更高的要求。温度场的准确建立,其加热元件的多少和辐射位

置是很重要的,除了考虑热容较大的炉底、炉壁耐材、

窑具、产品以及设置的具有一定漏气系数的炉顶外,还必须考虑建立起来的气氛场中气流的热传导作用,以67第4期王朋生等:锰锌铁氧体软磁磁芯烧结试验炉的研制达到瞬时温度场的动态平衡。反过来,气氛场的准确

建立,必须以对应温度场的确立为基础。

综合考虑气流的进气点、进气量,热气体的流动传

热以及顶部的排出量等,尽可能使炉膛内上下纵截面的温度梯度趋于最小。

炉膛与产品堆积区间形成%回&字形主气道。在实

际的各进气口的设计中,气流是禁止直吹产品的。设置于主气道中的进气口使进入炉膛内的气体在%回&字形

主气道中产生迴旋并逐步上升排出,同时,设置干扰气

流,使之更有利于热的传导和炉内气氛的均匀。

炉膛的气密性是保障气氛场和温度场的先决条件,即使由于炉压控制时的泄压,也不能扰乱炉膛内所建立

的气氛场。在炉顶上设立足够大的集气箱,集气箱上部

设计灵敏的重力排空阀,用于炉压的粗调。不泄压时,重力排空阀是密闭的。炉压的精调由电控阀控制。

窑车由剪刀叉结构的液压平台支撑,窑车密封圈

与炉体水套压紧,液压油路设置双向锁,配合电器限位

的联锁,有效地保证了该处工作期间的密封。加热元件的接线密封室设计要确保2个目的:󰀁

加热元件的接线部件防止过热和腐蚀;∋加热元件更

换后密封室密封快速处理。部分受控的混合气体通过

接线密封室进入炉膛,即防止了接线部件的过热和腐蚀,又为软体密封材料的使用提供了可能。

循环冷却风机的轴密封一直以来是人们难以克服

的难题,炉内氧分压要求50ppm,其动密封要求相当高。为此自行开发的由迷宫密封、软材料密封、油膜密封和

气幕密封相结合的密封总成,取得了十分满意的效果。

3󰀂样机的实测效果

1)小试用管式炉。样机制成后,实测的效果如下:

产能:500~1000g/炉;最高使用温度:1450!;

控制精度:∀1!;温度均匀性:∀5!;加热速率:空

炉最大升温速率达300!/h;炉内氧气调节范围达到21%~0.005%。炉内压力利用水封维持所需压力。

2)扩试用一垛钟罩炉。

样机制成后,实测的效果如下:产能:15kg/炉;最高使用温度:1450!;炉膛有

效区各点温差:#∀5!;恒温段控温精度:∀1!;空

炉升温速率:∃300!/h;降温速率:1400~1050!之

间#480!/h、1050~900!之间#250!/h、900~150!之间#200!/h(配有快速冷却系统);炉内氧

气含量调节范围:21%~0.005%;控制精度:氧含量在

21%~1%时为∀3%;氧含量在ppm级时为∀10ppm(0.001%);功率:45kW;最大氮气消耗:150L/min;

最大空气消耗:150L/min;冷却水消耗:冷却水循环使

用量#5t/h;换热器排水温度:#50!;炉体表面温

升:#70!。

4󰀂市场使用情况

试验炉完成后,2005年开始投放横店东磁杭州计

量学院研究院实验室,到目前共计实现7台套的应用。从目前各使用用户反馈过来的信息,该一拖二烧结软磁

锰锌铁氧体磁芯用试验电阻炉完全能满足小试与扩试

的实验要求,从根本上改变了传统试验手段中小试与扩试不连续的缺陷,通过小试与扩试实验结果的计算机集

成数据处理,大大提高了试验效率,完善了实验手段。

该试验电阻炉目前已被国内磁性材料企业所认

可,并成为一种软磁磁芯烧结、片式电感烧结、镍锌磁芯烧结试验用电阻炉的标准试验炉型。(矿冶工程)杂志2009年征订启事

(矿冶工程)(双月刊)由中国金属学会、长沙矿冶研究院主办,面向国内外公开发行。本刊是中国期刊方阵%双效期刊&、全国中文核心期刊、(中国科学引文数据库)及(中国学术期刊综合评价数据库)来源期刊、省部优秀科技期刊,是集学术性和技术性于一体的综合性刊物,已被(中国学术期刊(光盘版))、中国期刊网、万方数据库、重庆维普资讯全文收录,是EI、CA等检索刊物的检索对象。(矿冶工程)读者对象是采矿、选矿、冶金、材料、地质、煤炭、化工、建材等系统的有关生产、设计及科研人员、院校师生和生产技术管理人员。主要栏目为专家访谈、综合评述、采矿、选矿、冶金、材料、经验交流、技术革新、企业管理等,内容新颖,是开拓、激发创造力的良师益友。(矿冶工程)编辑部承接彩色、黑白及文字广告业务,欢迎各企事业单位来电来函联络。(矿冶工程)真诚欢迎新、老订户向全国各地邮局订阅本刊,也可直接向编辑部订阅。邮发代号:42-58,大16K,定价10元,全年60元。本刊地址:(410012)湖南省长沙市麓山南路966号(矿冶工程)编辑部󰀂󰀂󰀂󰀂联系人:梁祝平电话:(0731)8657070󰀂󰀂󰀂󰀂传真:(0731)8657186󰀂󰀂󰀂󰀂E-mai:lKYGC@public.cs.hn.cn68矿󰀂冶󰀂工󰀂程第28卷