大型氣氛爐較為全面的優化設計解析

　　氣氛爐又稱鋼包爐、氣氛保護爐，通常包括一個可以抽真空充氣氛的容器及一個可置于其內的箱式爐。在工業領域用途很廣，尤其適用于磁性材料行業磁芯的燒結，主要用于實驗室的小試及小批量生產。磁芯的燒結過程對氧分壓有一定的要求，通常是抽真空后充入氮氣保護進行燒結。

　　傳統氣氛爐采用硅碳棒加熱，燒結溫度低，爐腔溫度均勻性差，維修工作量大，自動化程度低，相應的燒結產品檔次低，性能一致性差。隨著磁性材料行業的發展、電子設備的小型化、集成化，高性能產品的市場需求量越來越大，相應地對氣氛爐也提出了更高的要求。基于傳統氣氛爐的不足，結合燒結工藝對氣氛爐的具體要求，進行針對性的改進與優化設計。

　　1.加熱元件及其分布的優化

　　傳統的氣氛爐采用硅碳棒加熱，高工作溫度為1350℃，缺點是壽命短，存在老化問題，斷一根需要一組全部更換，勞動強度大；此外加熱元件是兩側均布，爐門、爐尾溫度明顯偏低，導致燒結產品的一致性差。在優化方案中，加熱元件采用硅鉬棒，其正常工作溫度為1450℃，符合燒結高性能磁芯的溫度要求，使用壽命長達1年左右，不存在老化問題，一根只需換一根，操作方便；爐尾部加裝加熱元件，成三面加熱，同時靠爐門的熱電偶前移，這樣就能保證爐內溫度的均勻性達到±5℃。

　　2.熱電偶插入方式的優化

　　傳統的氣氛爐熱電偶是整體密封在爐體內的，其冷端通過耐高溫補償導線與爐體上的接線柱相連，接線柱再與溫控儀相連。由于熱電偶冷端溫度較高，造成溫控儀顯示溫度與箱式爐爐腔溫度不一致，且相差較大。優化設計方案中，熱電偶從爐體頂部穿過兩層鐵板插入到箱式爐內，這樣由于熱電偶冷端溫度較低，保證了溫控儀顯示溫度與箱式爐爐腔溫度的一致性。但需要密封熱電偶的尾部，與外界只有一根補償導線相連。這樣改進后，盡管每次更換硅鉬棒前，需要先拔出熱電偶，比較麻煩，但由于硅鉬棒壽命較長，箱式爐拖出來的次數較少。

　　3.溫控儀的優化

　　傳統的溫控儀只能設定溫度-時間曲線，對于阻值一定的阻性負載，只要設定好適當的PID（比例、微分、積分）值，就能得到設定的溫度曲線。而優化設計中的氣氛爐加熱元件是硅鉬棒，其阻值隨溫度的變化而變化。特別是硅鉬棒冷態阻值極小，初始升溫時，即使電壓調整器觸發可控硅很小的導通角，反映到負載上的電流就可能很大，以致于燒毀快速熔斷器或可控硅。傳統的做法是在電壓調整器上裝一個10k電位器，對溫控儀送給電壓調整器的標準信號限幅，使負載上的電流減小。但隨著溫度的升高，硅鉬棒的阻值迅速變大，這樣又要求手工增大10k電位器的輸出，一直到硅鉬棒阻值變化不大時，才能把10k電位器調節到大，以保證設定的溫度曲線，這樣達不到全自動升溫的目的。在溫控儀的優化方案中，溫控儀可自動地將送給電壓調整器的標準信號通過程序來加以限幅，每一程序段增加一個限幅（F）參數，這樣就能保證全自動升溫。當然理想的控溫方式是自始至終限制大電流值，這需要采用閉環控制，需增加硬件，比較繁瑣。

　　4.冷卻速度的優化

　　傳統的氣氛爐冷卻主要靠爐體夾層內的循環水帶走部分熱量，冷卻速度比較慢。優化設計中提出了以下幾種方案：

　　（1）循環風冷法：冷卻時把充入爐內的氮氣抽出來經過冷凝塔，再送入爐內，循環使用。同時為了防止泄漏，需要向爐內不斷補充一部分氮氣，以保證爐內的氮分壓；

　　（2）爐底開孔，與硅鉬棒的冷端的縫隙形成氣體對流，帶走箱式爐內的熱量；

　　（3）爐內通入氮氣，帶出燒結產品的熱量；

　　（4）加快爐體夾層內的水流速度。