气氛炉的优化设计

　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。
　　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。