1 前言
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。氣氛爐在工業(yè)領域用途很廣。尤其適用于磁性材料行業(yè)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(tǒng)氣氛爐的結構如圖1所示，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(yè)的發(fā)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，相應地氣氛爐也提出了更高的要求�；趥鹘y(tǒng)氣氛爐的不足，結合燒結工藝對氣氛爐的具體要求，我們進行了針對性的改進與優(yōu)化設計。
2 全面的優(yōu)化設計
2.1 加熱元件及其分布的優(yōu)化 傳統(tǒng)的氣氛爐采用硅碳棒加熱，最高工作溫度為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(yōu)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，斷一根只需換一根，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℃
2.2 熱電偶插入方式的優(yōu)化 傳統(tǒng)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于箱式爐爐腔溫度不一致，且相差較大。
2.3 溫控儀的優(yōu)化 傳統(tǒng)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?shù)腜ID（比例、微分、積分）值，就能得到設定的溫度曲線。而優(yōu)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(tài)阻值極小，初始升溫時。即使電壓調整器觸發(fā)可控桂很小的導通角，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(tǒng)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(jié)到最大，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(yōu)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副（F）參數(shù)，這樣就能保證全自動升溫。當然最理想的控溫方式是自始至終限制最大電流值，這需要采用閉環(huán)控制，需增加硬件，比較繁瑣。
2.4 冷卻速度的優(yōu)化 傳統(tǒng)的氣氛爐冷卻主要靠爐體夾層內的循環(huán)水帶走部分的熱量，冷卻速度比較慢。有時長達36h左右才能冷卻到150℃左右。而高性能磁芯要求快速降溫，在優(yōu)化設計中提出以下幾種方案：
�。�1）循環(huán)風冷法：冷卻時把充入爐內的氮氣抽出來經過凝塔，再送入爐內，循環(huán)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，工作原理如圖2所示；
�。�2）箱式爐底開孔，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）箱式爐內通入氮氣，帶走燒結產品的熱量；
�。�4）加快爐體夾層內的水流速度。 這幾種方案完全可以同時使用，冷卻時間能縮短到15h左右。
3 優(yōu)化方案的效果
優(yōu)化設計后的氣氛爐，箱式爐內溫度均勻性很好，自動化程度較高，維修工作量極小，操作人員勞動強度降低，燒結的磁芯達到了較高的檔次。低功耗產品，性能達到PC40、PC50的要求；高µ產品，初始磁導率達到15000～18000，取得了良好的社會效益。被多家科研機構及大專院校作為主要實驗設備，并大量應用于企業(yè)作為小批量生產用設備。
