（机械工程专业论文）钟罩式氮气氛炉关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院工程硕+ 学位论文 摘要 钟罩式气氛烧结炉是一种先进的软磁铁氧体烧结设备，它采用全纤维炉衬、 分区分组加热、循环强制冷却、计算机全自动控制等技术，具有批次产量大、温 度和气氛均匀性好、控制精度高，产品一致性高、操作使用灵活等优越特性。特 别适合于锰锌高导软磁铁氧体和低功耗软磁铁氧体等高档铁氧体材料的气氛烧 厶士 多口0 钟罩式气氛烧结炉作为软磁铁氧体的专用烧结设备，必须要满足其特殊的烧 结工艺要求，本文针对其关键技术展开研究。主要工作如下： 1 针对钟罩炉这类间隙式热工设备，基于传热学研究了钟罩炉的传热特性。 在此基础上，进行了热工设计计算、改善了其传热状况、优化了温度场分布。 2 针对热工设备的核心器件，开展了加热器的设计研究，通过比较各类加热 器的特点，选择硅碳棒作为加热器，通过设计使加热器的功率达了到烧结工艺要 求。并进一步设计了加热器在加热空间中的分布形式。结合实际烧成特点，对加 热器的形状、安装以及加热的分区控制、温度测量进行了研究。 3 针对热场的重要组成部分，开展了炉衬的设计与施工工艺研究，本文从节 能与成本出发，研究了特别适合于钟罩式气氛烧结炉的炉衬；并根据炉衬材料的 特性，研究了炉衬材料选型、厚度设计、安装形式、施工工艺等。 4 针对气氛控制系统的设计技术，研究了合适的控制方法，并选择先进的控 制元器件，保证了气氛的跟踪性与控制精度。 总之，本文针对软磁铁氧体烧结设备钟罩式气氛烧结炉的烧结工艺问题， 开展了传热特性、加热器设计、炉衬及施工、气氛控制等关键技术研究。解决了 钟罩式气氛烧结炉的加热器设计、炉衬设计问题，以及软磁铁氧体烧结的气氛跟 踪与控制精度问题。通过实际烧结工艺验证使用，证明了本文方法的有效性。 主题词：钟罩式气氛烧结炉；传热学；硅碳棒；炉衬；气氛控制 第i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕十学位论文 a b s t r a c t e l e v a t o ra t m o s p h e r ef u r n a c ei saa d v a n c e dg e n e r a t i o no ft h es i n t e r i n gf u r n a c ef o r t h el a r g eb a t c hp r o d u c t i o n s o m en o v e lt e c h n i q u e s ，s u c ha st o t 面r e f r a c t o r yf i b e rf u r n a c e l i n e r , s u b a r e ah e a t i n g ，c o m p u l s o r yc i r c u l a t i n gc o o l i n ga n df u l la u t o m a t i cc o n t r o lb y c o m p u t e r e t c ，a l ea p p l i e dt or e a l i z el a r g e rb a t c hv o l u m ep r o d u c t i o n ，b e r e ru n i f o r m i t y o ft h et e m p e r a t u r ea n da t m o s p h e r e ，h i g hc o n s i s t e n c yo fp r o d u c t s i ti s e s p e c i a l l y a p p l i c a b l ef o rs i n t e r i n gt h em n z ns o f tf e r r i t em a t e r i a lw i t hh i g h g ta n dl o wp o w e r l o s s e l e v a t o ra t m o s p h e r ef u r n a o ei sad e d i c a t e ds i n t e r i n ge q u i p m e n tf o rl a r g eb a t c h p r o d u c t i o n i tm a s tm e e tt h e i rs p e c i f i cr e q u i r e m e n t ss i n t e r i n g i nt h i sp a p e r ，s e v e r a lk e y t e c h n o l o g i e sh a v eb e e ns t u d i e d 1 h e a tt r a n s f e rr e s e a r c h f o ra g a p t h e r m a le q u i p m e n t e l e v a t o ra t m o s p h e r e f u r n a c er e l a t e dt oh e a tt r a n s f e r t oc a r r yo u tt h e r m a ld e s i g nt e r m s ，t oi m p r o v et h e i r c o n d i t i o n so fh e a t 仃a n s f e r , o p t i m i z et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nt h i sb a s i s 2 d e s i g nh e a t e r h e a t e rt h e r m a ld e v i c ei st h ec o r eo ft h ed e v i c e b yc o m p a r i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u st y p e so fh e a t e r s ，e l e c t i o no p t i o n a ls i l i c o nc a r b o nr o da sa h e a t e r a t t h es a t n et i m e , t h es c i e n t i f i cd e s i g no ft h es p a c eh e a t e ri nt h ef o r mo f d i s t r i b u t i o n c o m b i n et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea c t u a lf i r i n g o nt h es h a p eo ft h eh e a t e r , a n dt h ei n s t a l l a t i o no f h e a t i n gp a r t i t i o no f c o n t r o l ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tr e s e a r c h 3 d e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo ff u r n a c el i n e r f u m a c el i n e ri sa l l i m p o r t a n tp a r to ft h et h e r m a l i nt h i sp a p e r , p a r t i c u l a r l ys u i t a b l ef o rt h es t u d yo ft h e f u r n a c el i n e rs t a r t i n gf r o mt h ee n e r g y - s a v i n ga n dc o s t r e s e a r c ho nt h es e l e c t i o no f l i n i n gm a t e r i a l ，t h et h i c k n e s so f t h ed e s i g n , i n s t a l l a t i o nf o r m s ，c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s 4 1 1 l ed e s i g no fa t m o s p h e r ec o n t r o ls y s t e m t r a c k i n ga n dc o n t r o la c c u r a c yo f a t m o s p h e r ei st h ek e yf a c t o ro fb u r n i n gm a t e r i a lq u a l i t ya n dc o n s i s t e n c y i nt h i sp a p e r , a p p r o p r i a t ec o n t r o la n da d v a n c e dc o n t r o lc o m p o n e n t sa n dr e l a t e dp a r t sa n dc o m p o n e n t s f o rt h ed e s i g no ft h es t u d y a t m o s p h e r ei st h ek e yf a c t o ro fb u r n i n gm a t e r i a lq u a l i t ya n d c o n s i s t e n c y a n y w a y , i nt h i sp a p e r , t h ek e yt e c h n o l o g i e ss u c ha sh e a tt r a n s f e r , h e a t e rd e s i g n , c o m t m c t i o no ft h el i n i n g ，a n dt h ea t m o s p h e r ec o n t r o lh a sb e e nr e s e a r c h e d s o l v e d h e a t e rd e s i g n , l i n i n gd e s i g n , t h ea t m o s p h e r ec o n t r o lp r o b l e m s t h r o u g ht h ea c t u a l p r o c e s st ov 嘶f 3 ，t h eu s eo fs i n t e r i n g , t h em e t h o dp r o v e se f f e c t i v e k e y w o r d s ：e l e v a t o ra t m o s p h e r ef u r n a c e ：h e a tt r a n s f e r ：c a r b o ns i l i c o n ； f u r n a c e1 i n e r ；a t m o s p h e r ec o n t r o l 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕十学位论文 图目录 图1 1 各种软磁铁氧体器件1 图1 2 软磁铁氧体典型制备工艺流程图2 图1 3出口到法国e p c o s 的四堆钟罩炉5 图1 4 典型工艺曲线5 图1 5 八堆钟罩式气氛炉结构示意图6 图1 6 加热及摆料示意图7 图1 7 循环气流场的水平截面示意图7 图2 1 由分子活动导致的与能量扩散相联系的热传导1 2 图2 。2 对流传热中边界层的发展1 3 图2 3 八堆钟罩炉热场示意图1 4 图2 4 加热器温度为6 5 0 时炉内热场分布2 0 图2 5 加热器温度为1 3 8 5 时炉内热场分布一2 0 图3 1 硅碳棒寿命与使用时间的关系2 3 图3 2 典型的电阻值温度曲线2 4 图3 3 炉内温度与表面负荷密度之间的关系2 5 图3 4 钟罩炉硅碳棒结构图2 7 图3 5 硅碳棒导气进气方式示意图2 8 图3 6 硅碳棒与绝缘瓷管的位置关系图2 8 图3 7 硅碳棒固定形式2 8 图3 8 温度均匀性测量点布置图2 9 图4 1陶瓷纤维制品和折叠模块图片3 l 图4 2 八堆钟罩炉水平截面简图3 4 图4 3组块结构示意图3 4 图4 4 窑车结构示意图3 5 图4 5 国外炉衬示意图3 6 图4 6国内炉衬示意图3 6 图4 7 层铺法炉墙炉衬示意图3 7 图4 8 强制冷却示意图3 8 图4 9 管壳式换热器结构3 9 图5 1气氛控制原理框图4 5 图5 2 气氛控制分系统图4 6 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图 图 图 图 3 氧化锆固体电解质的导电机理4 7 4 质量流量控制器特性4 9 5 炉衬脱气示意图5 0 6 窑车密封及炉衬脱气示意图5 1 第页 国防科学技术大学研究生院_ t 程硕+ 学位论文 表目录 表1 1国内外钟罩炉性能指标对比表。8 表1 2国内外钟罩炉消耗对比表8 表1 3国内外钟罩式气氛炉配置对比表9 表2 1各阶段瑞利数的计算结果1 6 表3 1s i c 棒物理性能2 2 表3 2 温度均匀度的测量结果2 9 表4 1p m f l 6 0 0 型多晶莫莱石纤维性能指标3 2 表4 2 室温为2 0 时对应的放热系数口值3 3 表4 3 八堆钟罩炉部分指标的测试结果3 8 表4 4 不同炉温下对应的热风温度3 8 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：鲑里塞氢氢氢丛羞缝垫盔珏究 学位论文作者签名： 蒸】生 日期：z 一? 年工月，z 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 鲑里盛氢氢氢犍羞链挞盔盟窒 学位论文作者签名：盏! 垒 作者指导教师签名： 日期：2 一c 7 年2 月iz 日 日期：年月 日 国防科学技术大学研究生院工程硕+ 学位论文 第一章绪论 软磁铁氧体是品种最多、应用最广、用量最大的一种磁性材料，是电子信息 和家电工业等的基本功能材料。所谓软磁材料，是特指那些矫顽力小、容易磁化 和退磁的磁性材料，这里的“软”是指这些材科容易磁化，在磁性上表现“软”。软磁 材料的用途非常广泛，困为它们容易磁化和退磁，而且具有很高的导磁率，可以 起到很好的聚集磁力线的作用所以软磁材料被广泛用来作为磁力线的通路，即 用作导磁材料，倒如变压器、传感器的铁芯，磁屏蔽罩，特殊磁路的轭铁等。各 国铁氧体公司经过半个多世纪的研究与生产，软磁铁氧体性能得到了很大改进和 提高，其产量逐年递增，应用领域不断扩大。各类型、各品种的软磁铁氧体材料 及磁芯已广泛应用于通讯、家电、仪器仪表、航海、航天、交通乃至医学教学、 污水处理、农业等各领域中1 2 。 近年来，由于全球电子信息产业、新型照明技术、电子产品数字化等的飞速 发展极大地推动了对软磁铁氧体材料需求的增长。特别是随着低频宽带变压器、 脉冲变压器、电源滤波器等向小型化和片式化方向发展，以及高密度磁记录的短 波长化发展，对高性能软磁铁氧体( 如图li 所示) 的需求与日俱增【3 l 。 如岭 移霉三9 咖 露卜柚 图11 异种软磁铁氧体器件 在通讯行业，全球数十亿部手机都需要大量的铁氧体软磁器件。全球数以千 万计的程控交换机也需要大量高技术磁芯等元件。此外，国外无绳电话安装数量 已经占固定电话总量的一半【= 上上，这类电话需要大量软磁铁氧体元件；随着可视 电话的快速普及，对磁性元件的需求将不断扩大。在r r 行业硬盘驱动器、c d r o m 驱动器、d v d - r o m 驱动器、显示器、打印机、多媒体音响、笔记本电脑等也需 蔸1 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 要使用大量钕铁硼、铁氧体软磁等元件。在汽车行业，全球汽车年产量约5 5 0 0 力 辆。按每辆汽车使用铁氧体永磁电机4 1 只计算，汽车行业每年需要电机约2 2 5 5 亿只 4 1 。此外，全球汽车扬声器需求量也数以亿计。在照明设备、彩电、电动自行 车、吸尘器、电动玩具、电动厨房用具等行业，磁性材料的需求量也很大。例如， 在照明行业，l e d 灯具的产量很大，它需要大量的铁氧体软磁材料【5 】。总之，全 球每年都有数以百亿计的电子、电气产品需要使用磁性材料，在很多领域，甚至 需要技术含量极高的核心磁性器件。 磁性材料覆盖大量的电子、电气产品，是材料行业的基础。随着我国电子、 电气工业的快速崛起，我国已经成为全球最大的磁性材料生产、消费国。在不久 的将来，全球一半以上的磁性材料都将用于供应中国市场。很多高技术磁性材料、 元件也将主要由中国企业生产、采购，磁性材料将成为我国国民经济中的支柱产 业之一【6 】。 1 1 软磁铁氧体生产的工艺流程、烧结特性和烧结过程 1 1 1 软磁铁氧体生产的工艺流程 软磁铁氧体生产工艺流程环节多、周期长、设备繁杂，涉及多个学科，诸如 物理学、化学、电子工程学、机械学、热力学等【刀。 软磁铁氧体典型制备工艺流程如图1 2 所示： 图1 2 软磁铁氧体典型制备工艺流程图 各工艺环节说明如下： 原材料检验：对各种原材料纯度及含杂量进行检验。 配料：为粉料提供合适的化学成分。 混合：使粉料均衡。 预烧：使粉料初步铁氧体化，减少烧结变形 粉碎：对预烧料颗粒进行破碎，并制成具有一定粒度及粘度的料浆。 加醇搅拌：使料浆与p v a 溶液充分混合。 第2 页 国防科学技术大学研究生院丁程硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = i i ii i = = = = = = = = = = = 造粒：使料浆干燥成具有一定粒度的颗粒料。 成型：将颗粒料压制成具有一定外形、尺寸和强度的坯件。 烧结：使成型坯件进一步铁氧体化。 磨加工：使磁心具有良好的尺寸精度，性能符合物理特性。 检分：对产品进行分选并剔除不合格。 包装：对产品进行有效包装，避免在储存和运输中损伤。 其中，在烧结工艺之前，均存在回收后重复使用的有效工艺控制手段。但一旦产品 烧结后，其外观、尺寸、电磁性能均无法再改变【8 】。因此，烧结工艺是整个生产工艺流 程的关键控制点。 1 1 2 软磁铁氧体的烧结特性 由于加热，使成型坯件收缩和微密化的过程称为烧结【9 】。烧结后的产品成为磁 芯。对于粉末冶金制品或陶瓷体的烧结，仅仅是将粉状或多孔性物料通过加热处 理使其变得结实和致密，不一定发生化学反应。而软磁铁氧体的烧结，除了坯件 的收缩和致密化以外，还伴有固相反应( 1 1 l j 参与反应的原子或离子经过热扩散生成 固溶体的反应) 。软磁铁氧体固相反应不是单一的固相反应，它同时还伴有气相或 液相的参与，如氧化、还原( 吸氧、放氧) 、分解、挥发( 水或粘合剂) 、升华【i o 】。 因此，软磁铁氧体的烧结过程可理解为：铁氧体生坯在加热到低于其主要成份熔 点的某一温度时，由于原子的温度活动性引起颗粒之间发生一系列的物理化学变 化的过程。在烧结过程中，伴随有去除水份、排除胶合剂、原材料( 盐类) 分解、 致密化、结晶成长、铁氧体生成反应、氧化、还原、蒸发以及晶相转变离析等等。 1 1 3 软磁铁氧体的烧结过程 在锰锌铁氧体磁性材料的生产工艺中，烧结是必不可少的一个工序，在很大 程度上决定了铁氧体的最终性能。根据烧结条件，可分若干种，如空气烧结、气 氛烧结、真空烧结、热压烧结和等静压烧结等等。其中气氛烧结因烧结过程可控， 容易得到所需的烧结产品，因而受到普遍的重视。 烧结过程一般分为三个阶段，即升温阶段、保温阶段、降温阶段。 1 升温阶段 在升温阶段的低温区( 排胶区，室温至6 0 0 ) ，主要是坯件内的水份蒸发和 粘合剂的挥发过程，需缓慢升温，以避免水份和粘合剂的急剧挥发引起坯件开裂。 从4 0 0 c 至烧结温度( 升温区，6 0 0 - 1 4 5 0 c ) ，坯件逐渐收缩，坯件颗粒间发生 固相反应，形成晶粒。此时升温速度可快些，温度可升至1 3 0 0 1 4 5 0 之间。 2 保温阶段 第3 页 国防科学技术大学研究生院丁程硕十学位论文 烧结温度保持一定的时间，这一阶段对磁芯电磁性能影响较大，其l 日j 坯件收 缩至最终尺寸，晶粒逐步增大，必须根据粉料特性及坯件的状况合理地选择烧结 温度和保温时间。烧结温度太高或保温时间过长会使铁氧体内金属离子脱氧，增 加晶粒的不均匀性，晶界变得模糊或消失，使产品的电磁性能下降；而烧结温度 太低或保温时间太短，则固相反应不完全，晶粒生长不好，气孔多，产品性能下 降。所以不同粉料、不同密度的坯件应有不同的烧结温度。各类锰锌铁氧体的烧 结温度均在1 2 8 0 - 1 4 5 0 之间，保温时间约为2 6 小时左右。 3 降温阶段 降温初期的降温速率不能太快，此时对磁芯电磁性能影响极大。降温中后期 的冷却速度和冷却方式要详细考虑，并兼顾一定的气氛条件【1 1 1 ，否则产品的外观 ( 氧化) 、内应力、表面龟裂及内部炸裂等问题均有可能发生。 1 2 钟罩式氮气氛烧结炉的工作原理 随着信息电子技术的发展和经济的繁荣，软磁铁氧体材料越来越倾向高档次、 小批量、多品种，并且要求交货周期短、一致性好。以往的隧道式推板窑不能满 足这种高档产品和多变的要求，钟罩炉式氮气氛烧结炉( 以下称钟罩炉) 应运而 生【1 2 】。 钟罩炉采用全纤维高温炉衬、分区分组加热、循环强制冷却、计算机全自动 控制等技术，具有批次产量大、温度和气氛均匀性好，被烧结产品一致性高、成 品率高等优越特性【1 3 1 。与隧道式推板窑相比操作使用更加灵活，控制精度更高， 图1 3 为四十八所出口到法国的四堆钟罩炉。 铁氧体是以金属氧化物作原料制造的，在烧结过程中，金属离子会出现变价 现象，这种现象即氧化或还原现象，其实质是它们与周围气氛进行吸氧或放氧的 过程。吸氧与放氧的能力不仅与金属氧化物及其生长的铁氧体的性质有关，而且 与周围气氛的氧含量以及温度有关。 一般而言，在一定的温度下，氧含量愈高愈易氧化，氧含量愈低愈易还原， 称为化学平衡状态；而在一定的氧含量条件下，温度愈高，放氧能力愈强，温度 愈低，吸氧能力愈强。在温度适当时，达到化学平衡状态，也即在烧结炉中要有 与温度对应的气氛才能避免金属离子的变价，这称为平衡气氛烧结。根据物理化 学原理，平衡气氛可由b l a n k 关系式表达： l g ( e 0 2 ) = a 一 ( 1 1 ) 式中p d ，为氧含量：r 为绝对温度，彳、曰为常数，与金属氧化物的性质有关。 其典型工艺曲线如图1 4 所示。 第4 页 姻防科学技术大学研究生院工程硕十学位论文 刚l3 出口到法国e p c o $ 的四堆钟覃炉 幽1 4 典型工艺曲线 事实上，只有曲线的恒温段和降温段符合b l a n k 关系式。升温过程只是建立条 件而已，降温段的温度与气氛才决定了被烧结产品的最终性能。这一点无论对被 烧结产品还是对烧结设备都是至关重要的。 钟罩炉的任务就是在一定的空间内实现这两条时间曲线，使一定量的金属氧 化物经过这两条曲线的作用后变成满足一定要求的铁氧体磁芯。对生产型烧结炉 而言，还应解决有效工作区内的温度和气氛均匀性问题，只有温度和气氛均匀性 满足一定要求时，才能保证批量烧结产品的一致性。 综上所述，气氛烧结的要求主要有如下几点： 1 捧胶温度3 0 0 埘0 0 ，升温平缓，升温速率 3 0 0 。c )4 5 n l i l l ( 3 0 0 )4 - - 5 c m i n ( 3 0 0 c ) 能 温度均匀度5 l 2 5 氧 氧含量控制2 0 6 1 s v 3 2 1 - - 5 0 p p m2 0 6 6 - - 2 0 0 p p m 含 范围及精度 5 。c m i n ( 3 0 0 * c ) ，我国在这方面还有差距。 1 5 课题研究的主要内容 本课题来源于科技部创新基金项目，该项目的实施符合国家信息产业科技发 展“十五 计划与2 0 1 0 年远景目标。在信息产业科技发展“十五 计划与2 0 1 0 年远景目标编制思路里明确提出了新型电子元器件技术高频化、低功耗的要求。 要发展陶瓷、磁性材料的烧结技术。新型电子元器件的高频化、低功耗的实现， 烧结是其关键工序，现广泛使用的烧结工艺面临革命化的改革，需广泛采用各种 保护气氛烧结。并要求在烧结过程中，实现炉温与气氛精确而稳定的动态控制， 钟罩炉的研发应运而生【l 7 。 本文主要的研究工作是钟罩炉关键设计技术，各章内容安排如下： 第一章绪论，阐述了软磁铁氧体生产的工艺流程、烧结特性和烧结过程，以及钟罩 炉的工作原理、基本组成、国内外技术现状，并提出了本文研究的主要内容。 第二章钟罩炉传热学研究，本章结合钟罩炉烧结工艺过程，分析了钟罩炉在各 个工艺阶段的热工过程。在此基础上建立钟罩炉数值计算模型，采用湍流模型和 离散传播辐射模型，利用质量、动量和能量守恒微分方程，建立了三维非稳态数 值计算模型的守恒方程组。 第三章钟罩炉加热器设计，分析了各类加热器特性，选择硅碳棒作为加热器；对 硅碳棒的加热功率进行计算；研究了新型硅碳棒结构形式、固定方式及在加热空间中的 布置形式，解决了温度均匀度和气氛均匀度的问题；开展了温度均匀度测量的试验。 第四章钟罩炉炉衬设计与施工工艺，详细研究了陶瓷纤维炉衬的特性；分析 了实际烧结工艺条件下炉衬的厚度及不同部位炉衬的布置形式；提出了层铺法这 种新的炉衬旖工工艺；设计一种新型换热器，解决了陶瓷纤维炉衬降温慢的问题。 第五章钟罩炉气氛控制系统设计，分析了各种常规控制方法，选择p i d 控制 并加入智能神经元网络控制作为本文的气氛控制方法，解决了软磁烧结工艺对气 氛的特殊要求。 第六章结论与展望，总结本文的主要研究结论，并提出今后的发展方向。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院丁程硕十学位论文 第二章钟罩炉传热学研究 软磁铁氧体在钟罩炉中的烧结过程是一个不同时间达到不同温度和气氛的过 程( 如图1 4 为典型工艺曲线) ，在有效烧结区内的热场分布及变化要符合软磁铁 氧体的烧结特性，包括热能的传递，加热器的功率，加热器的表面负荷等都涉及 到钟罩炉传热学的研究。 为了对钟罩炉内的温度场进行数值模拟，揭示炉内温度场的分布规律。针对 烧结工艺中不同阶段的热工过程特点，分析了气体流动状态和辐射换热情况，并 在此基础上建立数值计算模型。 2 1 热传递的方式 温度差是产生热流的动力，热传递通常是一种复杂的现象，在不同的条件下 具有不同的机理，它分为三种基本方式，即热传导，热对流，热辐射。在工程中 所遇到的热传递现象，常常是由几种基本方式组合的结梨1 8 】。 1 热传导 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于 温度梯度而引起的内能的交换。温度越高，分子的能量越大，当临近的分子即相 互碰撞时，能量大的分子必然会向能量低的分子传输能量。当存在温度梯度时， 通过导热的能量传输总是向温度降低的方向进行，这种传输如图2 1 所示。 ：弋l；气 二 羔三二2 ：二s 弋 尸 7 1 厂 、 q 多 a 、 气 尸 亏 尸号 多a i 图2 1由分子活动导致的与能量扩散相联系的热传导【1 9 】 热传导遵循付里叶定律： 1 r 1 1 g = 一七竺三 ( 2 1 ) d x 式中q 为热流密度( w m 2 ) ，k 为导热系数( w m ) ，“ 表示热量流向 温度降低的方向。 付里叶定律揭示了不透明均匀固体中的导热规律，当导热体中进行纯导热时， 通过垂直于热流方向单位面积的热流量与温度梯度的绝对值成正比，而方向与温 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院工程硕+ 学位论文 度梯度相反。 2 热对流 热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热 量的交换。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。 对流传热模式是借分子随机运动和边界层中流体的整体运动维持的。在临近 表面处，流体的速度低，分子的随机运动( 扩散) 起主要作用。流体整体运动之 所以对传热起作用，是因为流体沿x 方向流动时，边界层的厚度随之增加。由固 体表面传入边界层中的热量被带至下游，并最终传给边界层外的流体，如图2 2 所 示。 萝丽-一 图2 2 对流传热中边界层的发展【1 9 】 热对流用牛顿冷却方程描述如下： g = j j l ( 五一瓦) ( 2 2 ) 式中h 为对流换热系数( 或称膜传热系数、给热系数、膜系数等) ，瓦为固 体表面的温度，疋为周围流体的温度。 3 热辐射 热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。物 体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而 热辐射无须任何介质。实质上，在真空中的热辐射效率最高。 在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐 射并吸收热量。它们之间的净热量传递可以用斯蒂芬一波尔兹曼方程来计算： g = 叫巧2 ( 互4 一巧) ( 2 3 ) 式中g 为热流率，占为辐射率( 黑度) ，仃为斯蒂芬一波尔兹曼常数，约为范 5 6 7 x1 0 - 8 w m 2 k 4 ，4 为辐射面1 的面积，e ：为由辐射面l 到辐射面2 的形状系 数，z 为辐射面l 的绝对温度，正为辐射面2 的绝对温度。由上式可知，包含热 辐射的热分析是高度非线性的。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 2 2 烧结工艺中的热工过程 图23 八堆钟罩炉热场示意图 钟罩炉内的热量传递是一个复杂的过程，它包含有上节中所讲述的三种基本 传热方式，是由几种基本方式组合的结果。图2 3 是八堆钟罩炉热场示意图。 通过绪论中对软磁铁氧体烧结过程的介绍知道，烧结工艺分为三个阶段，印 升温阶段、保温阶段、降温阶段，下面详细分析不同阶段的热工过程。 1升温阶段( 室温1 4 5 0 ) 1 ) 室温6 0 0 c 阶段( 进气为空气，氧含量2 0 6 ) ，这一阶段主要是磁芯 坯件内的水份蒸发和粘合剂的挥发过程。这时炉内压力很低( 约i o o p a ) ，气体流量 很大( 约2 0 0 0 i j m i n ) 。炉内传热有辐射、对流、热传导三种方式，加热器产生的热 量以辐射方式传递给坯件和炉衬；坯件和炉村内的热量以热传导的方式来传递： 同时进入炉内的气体与加热器、坯件和炉村之间发生对流传热，气体排出炉外时， 带走部分热量。 2 ) 6 0 0 1 4 5 0 c 阶段( 进气为空气加氮气，氧含量逐渐降到5 ) ，这一阶段 主要是磁芯坯件逐渐收缩，坯件颗粒间发生固相反应形成晶粒的过程。这时炉内 压力小幅升高( 约2 0 0 p a ) ，气体流量变小( 约1 5 0 l m i n ) ，炉内传热以辐射为主。加 热器不断将热量以辐射方式传递给坯件，使其温度不断上升，达到固相反应所需 温度后逐渐形成晶粒。 2 保温阶段( 1 4 5 0 ) 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院t 程硕士学位论文 当温度升到1 4 5 0 后进入保温阶段( 进气为空气加氮气，氧含量保持5 ) ， 这一阶段对铁氧体电磁性能影响较大，其间坯件收缩至最终尺寸，晶粒逐步增大。 这时炉内压力不发生变化( 约2 0 0 p a ) ，气体流量变小( 约5 0 l o o l m i n ) ，炉内传热 以辐射为主。加热器仍不断以辐射方式将热量传递给坯件，但坯件温度不再上升， 此时炉内进入稳态传热状态。 3 降温阶段( 1 4 5 0 - 3 0 0 ) 1 ) 1 4 5 0 - - 9 0 0 阶段( 进气为空气加氮气，氧含量逐渐降到0 1 ) ，这一阶 段是小晶粒逐渐长大的过程。因为降温初期的降温速率对磁芯的电磁性能影响极 大，所以采用了带电降温的控制方式。这时炉内压力升高( 逐渐上升到8 0 0 p a ) ，气 体流量变大( 约2 0 0 l r a i n ) ，炉内传热以辐射和对流为主。 2 ) 9 0 0 - - - 3 0 0 阶段( 进气为氮气，氧含量逐渐降到l o p p m ) ，这一阶段降温 速率很快，磁芯容易被氧化，因此需要向炉内输入大量的氮气，将氧含量降到l o p p m 以下。这时炉内压力进一步升高( 逐渐上升到1 5 0 0 - - 2 0 0 0 p a ) ，气体流量也变大( 约 1 0 0 0 l m i n ) 。同时为了达到快速降温的目的，启动强制冷却循环装置( 将炉内热气 抽出经过换热器冷却后在送入炉内) ，此时炉内以对流传热为主。 2 3 数值计算模型 2 3 1 炉内气体的流动状态 在自然对流中，浮力引起的自然对流强度可用瑞利数判赳4 9 】： r 。：g f l a t l 3 p ( 2 - 4 )。 口 其中，为热膨胀系数；口为热扩散率。对于理想气体： 肛吉( 等) 口= ； 协5 ) 口：上( 2 一- 0 一) 口= 一 lj p 理想气体状态方程为： p = 肚r ( 2 - 7 ) 将式( 2 5 ) 、式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 代入式( 2 - 4 ) ，得到： 疋= 1 9 a t 矿l 3 p 2 = 丽g a t 万l 3 p 2 ( 2 8 ) 若瑞利数大于1 0 8 ，浮力驱动的自然对流为湍流。由式( 2 8 ) 估算出各阶段瑞 利数的数量级，并以此为依据来判断炉内气体的流动状态，计算结果见表2 1 ，由 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 表2 1 中瑞利数的计算结果可知，各阶段均应采用湍流模型。 表2 1 各阶段瑞利数的计算结果 阶段g r p 尺r 七 r 。 升温阶段 1 01 011 0 6o 11 0 31 0 3l o 21 0 1 6 保温阶段1 01 011 0 30 11 0 21 0 31 0 21 0 1 3 降温阶段1 0 1 0l1 0 6o 11 0 31 0 - 31 0 - 21 0 1 6 2 3 2 守恒方程组 对于加热阶段，守恒方程组包括连续性方程、动量方程、能量方程、湍动能 方程、湍动能耗散率方程和辅助关系式。以张量形式表示连续性方程、动量方程 以及k 一占方程。 1 连续性方程【删 望+ v 妇，) ：o ( 2 9 ) 式中，p 为气体密度；吩一“，1 ，w 是气体的三个速度分量。 2 动量方程【剐 警+ 毒b 一) = 筹+ 毒卜( 考+ 等 c 2 邶， 式中，以l ，u j 一“， ，w 是气体的三个速度分量；p 为气体压力；以为气体的 有效动力粘性系数，包括气体分子粘性系数。和湍流粘性系数以。 3 能量方程【4 9 】 1 ) 流体区域的能量方程 昙汹) + v 忸+ p ) ) = v ik v t e h ，+ o yl + 瓯 ( 2 11 ) 优 l ，。 。 式中，后r 为有效导热率( 七厂= j i + 毛，其中岛为湍流引致的导热率，由模型中 使用的湍流模型确定) ，_ 厂，为组分的扩散通量；瓯为本化学反应热和其它由用户定 义的体积热源。 2 ) 固体区域的能量方程 昙汹) = v ( k v t ) + s k ( 2 1 2 ) 式中，p 为固体密度；h 为显焓；k 为导热率；t 为温度；& 为体积源项。 4 气体湍流动能方程【划 第1 6 页 丢帆k ，= 杀i ( 箦) ( 筹) + 瓯一伊 c 2 舶， 5 气体湍流动能耗散率方程【捌 毒妇力= 毒 ( 箦) ( 毒) + 二心g 。一c ：胪， ( 2 州， 式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 4 ) 中，k 和s 分别为气体湍流动能和气体湍流动能耗散 率；q 、c 2 均为常数；g 。由下式确定： q = r ( 善+ 等 等 q 。5 ， 6 封闭方程组及辅助关系式 i ) 采用气体湍流k s 模型来确定以，即： 。= o + r ( 2 1 6 ) 其中：所= c p 竺 ( 2 1 7 ) 式中，c 。，为常数；k 为气体湍流动能；占为气体湍流动能耗散率。 2 ) 气体状态方程 在气体的自然对流过程中，当不考虑燃烧时，气体可以认为是理想气体，遵 守理想气体状态方程，即： p = 肚r ( 2 1 8 ) 式中，r 为气体状态常数，r = o 2 8 7 k j k g k ；t 为气体绝对温度。 2 3 3 辐射换热模型 辐射换热是三种基本的传热方式之一，在许多工业设备中，辐射换热是最为 重要的换热方式，求解辐射传热的方法主要有：热通量法( h e a t f l u x m e t h d o ) 、区域 法( z n o e m e h t o d ) 、蒙特卡洛法( m o m e c a r l o m e h t o d ) 、离散传播法n t r m 5 1 1 。 热通量法在体系内热辐射性质均匀和辐射传热不起主导作用时具有足够的精 度，而且计算量较小，但在边界处误差较大；区域法能提供较精确的近似解，但 需巨大的内存空间，对于复杂几何形状的辐射传热问题，区域法难以实际使用； 蒙特卡洛法有较好的精确度，但常出现统计误差，收敛性也较差。 本文采用了两种不同的辐射模型。对于保温阶段，采用了表面辐射模型，因 为在此阶段中，炉内气流量小，辐射介质可忽略不计。为了保证计算结果的准确 性，一般不采用具有辐射介质的各种模型【4 9 】。对于升温阶段和降温阶段，采用离 散辐射传播模型。 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院一1 程硕十学位论文 1 表面辐射$ 2 s 模型 1 ) 概述 多表面辐射传热模型可计算出在封闭区域内的漫灰表面之间的辐射换热，两 个表面间的辐射换热量依赖于它们的尺寸、间距和方向，这种特性可以用一个被 称为“角系数 的几何量来度量。多表面辐射传热模型的主要假定是忽略了所有 的辐射吸收、发射和散射，因此模型中仅考虑表面之间的辐射传热，同时该模型 假定辐射面为漫灰表面，漫灰表面的辐射发射和吸收与波长无关。由基尔霍夫定 律可知，物体的辐射发射率等于其对黑体辐射的吸收比( 占= 口) ，对于漫灰表面， 其反射率与入射方向以及反射方向无关。 由漫灰表面假设，如果表面接受到一定的入射辐射( e ) ，则一部分被反射 ( p e ) ，一分被吸收( a e ) ，剩余的则穿过表面物体( 峦) 。对于具体问题中 遇到的多数表面，其对热辐射是不可穿透的，因此，可以认为这些表面是非透明 的。因此可以忽略掉辐射的穿透率。从能量守恒有：口+ p = 1 ，又由于g = 口，因 此p = l g 。 2 ) 多表面辐射换热模型方程 离开某个表面的辐射由自身辐射和对入射辐射的反射组成。反射的部分依赖 于周围物体对其的入射辐射，而这部分辐射可表示成其余表面的辐射热流。对于 表面k ，其发出的总辐射热流为： g 。埘j = 占i o t 4 + p k q 加，t ( 2 1 9 ) 式中，g 删七为离开表面的总辐射热流；& 为发射率；o r 为斯蒂芬一玻尔兹曼 常数；为g 姒从周围物体发出的入射辐射热流。 某个表面接受到其余表面的入射辐射量是这两个表面的“