氮窯循環區排膠結構的研究

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,在粉料中加進了一定比例的水和黏結劑,這些水分和黏結劑需在循環區盡量排出,否則將造成坯件的開裂和結晶等質量問題,影響磁性產品的品質;黏結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,循環區是坯件的主要排膠區域,坯件在此區域內受熱并將坯件的中水和黏結劑排出,黏結劑排出的過程叫排膠過程;黏結劑約在100 ℃時開始分解,在200～300 ℃時分解速度達到峰值,然后再逐漸減弱;排膠過程中,升溫太快或太高,黏結劑會大量集中揮發,造成坯件的開裂;排膠時間過短,黏結劑殘留錳鋅鐵氧體坯件在500 ℃后開始表面硬化和氧化,會造成坯件內部氣孔和結晶,影響產品的密度和磁導率;所以氮窯的循環區溫度必須有效控制,合理地控制水分和黏結劑的揮發;不恰當的循環區結構設計,會引起不恰當的風量流動和溫度的不均,造成坯件的排膠效果一致性差。而恰當的循環區結構設計結合恰當的燒結工藝,可以很好地利用溫度、氣流高效的對產品進行排膠。本文將結合氮窯中的典型循環區結構,分析比較其溫度和氣流的特點及其脫膠效果,提出排膠結構和工藝改進建議,總結出氮窯循環區更高效的排膠技術及方法。

1 循環區排膠結構比較

循環區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劑烘烤排出,其主要結構有兩種形式:無循環風機形式和有循環風機形式。無循環風風機形式也叫做直排式循環區結構(甲結構),該結構如圖1所示,該結構通過氣體從爐體底部進入各個加熱腔后,一部分氣體從窯道的兩側進入窯腔,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入窯腔,進入窯腔的氣體被窯體頂部的抽氣管道直接抽走。該結構沒有循環風機,結構簡單,砌筑方便,成本較低。帶循環風機形式的循環區,也稱為橫向循環式結構(乙結構),采用導軌作為推板的支撐面氣體在風機的牽引作用下從窯腔的一側通過產品到另一側,進入到循環風機的通道,然后進入窯腔底部的加熱室進行預熱,被預熱的氣體由通道進入窯腔。預熱產品達到排膠排水的目的。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,被抽走的廢氣由補充進氣口進行補充。如圖2所示,在燒結過程中循環風機周而復始地實現氣體的循環流動。實際使用中,橫向循環式結構相對于無循環風機結構,結構較為復雜,對砌筑工藝要求較高,但節能、使用效果相對前者較好,是目前使用較多的一種結構型式。

圖1 直排式排膠結構圖

圖2 帶循環風機形式的循環區圖

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,各個點溫度差異性大小,差異越小,溫度均勻性越好;實際運行中,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安裝在窯爐側壁,高度略高于最上層產品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,并不能準確地表達窯腔橫向截面內產品的真實溫度,對于工藝的調試來說也只能作為一個基本參考溫度,要實際了解截面內溫度的情況才能將工藝理論更好的指導工藝調試。

如圖3所示,使用6根相同的鎧裝熱電偶,規格為: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,隨坯料一起進入上述不同結構的氮窯(海寧某客戶兩條36 m氮窯)循環區中,連續記錄各個點的測量數值,并與窯爐的側面的熱電偶測量值進行比較。

圖3 熱偶探頭埋入截面位置圖

圖4 Wrnk-191鎧裝熱電偶實物圖

測量結果如圖5所示,從圖5中可知,兩種結構的不同位置的溫度都有一定的差異,但總體甲結構的溫度差異大于乙結構。層與層之間比較:甲結構溫度相差最大,下層與中層溫度最大超過70 ℃,而乙結構最大為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構稍大,溫差最大達到20 ℃。

圖5 甲結構不同位置點坯件溫度圖

造成這種現象的原因與加熱腔的分布、溫度的輻射、熱空氣的對流有關。循環區的加熱腔位于坯件下方,熱輻射是從下往上傳遞,逐漸減弱,所以下層產品的溫度都比較高,上層溫度應該最低。但試驗結果是中層產品溫度最低,說明產品的加熱還與其他因素有關,即熱空氣的對流。甲結構無循環風機,熱空氣從底部直接進入加熱腔,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。乙型結構由于熱空氣加熱后從側面橫向對流穿過產品,并把熱量傳遞給了坯件,所以層與層之間溫差比甲結構的溫差較小。然而,橫向流動的空氣的熱量從左往右被產品吸收,熱量逐漸降低,所以右側產品溫度較左側溫度較低。

與氮窯設備自有熱電偶顯示溫度比較,所測溫度接近坯件上層溫度,甲型結構的略低,乙型的略高。實際工藝調試過程中,工藝人員調試參考溫度的是氮窯的自有熱電偶的溫度,并不能準確地了解到坯件各個點溫度差異,所以很難及時準確的合理地制定燒結工藝,提高產品初期排膠效率。因此設計或改進出溫度均勻性更好的循環區結構,對氮窯排膠工藝的提升有很大幫助。

3 結構改進

乙型結構對比甲型結構,截面溫度均勻性較好,加上循環風的利用能耗較低,所以乙型結構在實際生產中應用較為廣泛。作者擬在乙型結構上提出了兩種結構的改進思路,以便更好地結合工藝調試手段提高排膠效果。

結構1如圖6所示,首先將設備自有熱電偶位置從側面改為頂端插入,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,與坯件真實溫度的差異較小,可以更真實地制定工藝排膠曲線。其次制作成弧形風箱,加熱截面循環空氣風阻減小,增加左右循環風的穿透力,從而減小左、右產品的溫差。最后將頂蓋板改為弧形,抽氣分散,不至于過于集中抽氣,導致排氣點附近坯件因排膠速度太快產品排膠開裂。

圖6 改進的循環區結構1

結構2如圖7所示,該結構采用氣體從爐體底部進入加熱腔后,通過加熱腔預熱的氣體一部分從窯腔的側壁進入窯腔,另一部分則通過連通的加熱腔向窯尾移動,并在鎖口處進入窯腔,進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風機抽往窯頭方向,并在循環風機的作用下將抽到的氣體沿著橫向窯腔截面的兩側重新壓到加熱腔內,同底部的進氣一起進行二次循環。該結構的循環空氣高溫區往低溫區方向循環流動,使加熱的空氣與推進的產品逆向運動,空氣能夠均勻充分地與產品接觸,減少窯腔橫向截面內產品受熱溫差,使產品受熱均勻,排膠充分。而且大的窯腔結構同樣使氣體在窯腔內流動順暢,有利于產品的水分和膠體的排除,提高了排膠效果。

圖7 改進的循環區結構2

4 總 結

窯爐排膠結構不同,溫度的均勻性也不同,所以存在排膠效率的差異。兩種循環區的結構比較,甲結構上下層溫度差異較大,同層左右溫度差異較小,但總體上乙結構的截面溫度均勻性較好。從能耗角度出發,乙結構將熱空氣進行循環,能耗較低,所以氮窯采用較多的為乙型結構。在乙型結構的基礎上,提出了兩種改進結構,優化了窯腔內氣流、熱傳遞的特點,進一步提升坯件的排膠效果。其中結構1已在長沙某窯爐公司研制的窯爐中運用,結合客戶現場燒結的PC44、PC50、PC90等軟磁材質排膠的實際情況反饋,排膠效果提升在現場得到驗證,而且能耗也進一步有所改善。

在此說明,由于不同廠家粉料和窯爐的推進速度差異,實際生產過程中需要根據粉料特性做一定排膠工藝修訂,即結合實際針對性制定相應工藝。