燒結爐是指使粉末壓坯通過燒結獲得所需的物理、力學性能以及微觀結構的專用設備。燒結爐用於烘乾矽片上的漿料、去除漿料中的有機成分、完成鋁背場及柵線燒結。
基本介紹
- 中文名：燒結爐
- 外文名：fritting furnace
- 類型：連續式燒結爐和間歇式燒結爐
- 特點：具有氣密性等
- 套用：粉末冶金等
- 學科：冶金學
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要求
為了保證粉末壓坯在燒結過程中的脫蠟（潤滑劑或成形劑）、還原、合金化、組織轉變等順利進行，燒結時需要對燒結溫度、保護氣氛、壓坯傳送方式、加熱和冷卻速度等進行精確的控制。
因此，燒結爐在結構上應滿足以下要求：
(1)具有完善的潤滑劑燒除裝置（俗稱脫蠟帶）。
(2)具有氣密性，即能隔絕爐外空氣並保證爐內保護氣氛暢通。
(3)爐內的各段溫度可控，燒結氣氛可調。
(4)具有快速冷卻裝置，可將燒結零件快速冷卻到出爐溫度而不會氧化。
類型
一般可按壓坯移動方式不同把燒結爐分為兩大類：連續式燒結爐和間歇式燒結爐。
連續式燒結爐
壓坯以一定的速度通過爐子的預熱段、高溫段及冷卻段的爐膛。這種爐子具有生產量大、產品質量均勻、熱效率高、操作方便、築爐材料和發熱元件費用低且壽命長、峰值電力小、燒結費用節省等優點。在粉末冶金機械零件生產中，常用的連續式燒結爐有網帶爐、步進梁爐和推桿爐等。
1．網帶爐
1)網帶爐的特點
(1)通常條件下，不必使用燒舟，燒結件加熱均勻、變形較小。
(2)操作簡單，自動化程度高。
(3)可以使用快速燒除（RBO）機構加速潤滑劑的燒除，以及碳補償保證爐內碳勢。
(4)具有驅動、傳動裝置，進料、出料穩定並連續地進行。傳送帶的速度可以在1.4~14m/h之間進行調節，以適應各種壓坯燒結時間不同的要求。
(5)有各種安全裝置。為了確保運轉安全，採用能套用的所有警報系統和相應措施。例如氣體低壓報警，冷卻水斷流報警，溫度異常報警等。
(6)設有輔助部分。每個燒結加熱帶的溫度、緩冷區的溫度都有自動控制裝置，並有自動記錄燒結氣氛純度的裝置、氣體壓力與流量的自動控制裝置。
2)網帶爐的結構
網帶爐由驅動裝置，燒除區，燒結區，冷卻區（水套冷卻式），進、卸料裝置，加熱裝置，各種配管及電氣、測試裝置組成。
(1)預燒區。
為了使蒸發的潤滑劑順利排除出爐外，加有氣流流動系統，便於部分未能排出的潤滑劑沉渣的清除，在爐底下部設有收集口，很容易從爐外清掃。
(2)燒結區。
燒結區爐管採用耐熱鑄鋼製的馬弗爐爐管，且爐管留有充分的長度，可使保護氣氛穩定，能保證傳送帶上的橫向溫差控制在±2℃以內。
為了不使在預燒區脫潤滑劑時污濁了的保護氣體流入燒結區，在預燒區和燒結區之間設有擋板，以阻止這部分氣體流入。
爐管的隔熱材料除承受爐管的重力外，全部採用陶瓷纖維，因此熱經濟性好，隔熱效果好，從而使爐體表面溫度控制在60℃以下。
用SiC加熱元件間接式加熱。可以從外部更換。另外加熱器的各個端子採用的是耐熱材料。
(3)緩冷區。
緩冷區採用的是自然冷卻（空氣）。備有充分的長度（1200mm），用隔熱材料保溫，具有恢復碳含量的作用。該區與燒結區是用同一耐熱鑄鋼一體加工而成。
(4)冷卻區。
3)使用注意事項
(1)必須嚴格限制使用溫度，控制在1120～1150℃範圍內，否則網帶壽命將大大縮短。
(2)網帶失效的主要形式是：變形拉長，超過允許伸長10%～20%的範圍；網帶絲的材料因氧化、滲碳及疲勞，截面縮小，產生疲勞裂紋，甚至斷裂。網帶使用壽命較短（約為6～9個月），網帶費用高。
(3)爐門始終是敞開的，留出的間隙以讓壓坯剛剛通過為好，這種爐子需要大量的保護氣氛。
2．推桿式燒結爐
這種爐子是將壓坯裝於燒舟中或墊塊上，用機械（或手動）傳動，推進爐內進行燒結。根據推舟是連續的還是間歇的，這種爐子又分為連續推進式和間歇推進式兩種。
1)爐子結構
這種爐子適用於合金化要求高的粉末冶金機械零件的生產，一般燒結溫度在1200～1250℃範圍。
推桿式燒結爐是由推進裝置和預熱帶、高溫帶、冷卻帶等組成。各段溫度均自動控制。為了儘可能降低推進力，除高溫燒結帶外，在預熱帶和冷卻帶中鋪設了輥道。預熱帶加熱元件為Ni-Cr合金。燒結爐進、出料時，要先關閉中間門，在燒結爐進出口形成火簾後再進、出料。燒舟材料，用於1150℃以下時，可採用耐熱合金鋼；用於高於1150℃時，可採用陶瓷、石墨等耐高溫材料。燒結帶加熱元件為SiC棒或鉬。燒結氣氛可採用吸熱性氣氛及分解氨等。
2)注意事項
(1)高溫段如使用鉬作為加熱元件時，預燒段可選擇如下保護氣氛：
240℃以下：大氣或氮氣
240~720℃：氮氣
720℃以上：氮氣混合氣體（氫氣 20%）
(2)進、出料。
進料時，置換室入口側門自動開啟，由汽缸將燒舟推入置換室內；然後，入口側門自動關閉，室內充氮氣進行清洗。
然後打開預熱帶的爐門，燒舟被送入馬弗爐內，門關閉。燒舟進爐以這樣的方式不斷循環反覆。出料機構與操作與進料類似。
燒舟的運送可以進行定時設計。
置換室由氮氣清洗，以防止混入空氣，保證產品燒結質量和保護加熱器。
(3)鉬加熱元件是掛在耐火側牆上。既要防止鉬的氧化，也要防止鉬的碳化。
(4)與爐體結合的法蘭盤要用矽酮膠密封。要定期進行泄漏檢查。
(5)冷卻裝置上設有爆發口，以防止打爆。運轉時抬起搖柄使用。停爐和檢查，向爐內加壓時，放下搖柄，進行完全的密封。
間歇式燒結爐
這種爐子是按一定時間間隔，進行開爐、壓坯進爐、燒結及燒結零件出爐的工作循環。其優點是可以進行各種各樣的特殊燒結、用氣量小、可達到連續式燒結爐不可能達到的高溫，易套用真空等。因此它適合於摩擦片、高速鋼、不鏽鋼等特殊的粉末冶金零件燒結。常用的間歇式燒結爐有鐘罩爐和真空爐等。
1．鐘罩式加壓燒結爐
這是用於生產粉末冶金摩擦片的專用燒結爐。在燒結中可施加壓力，以使摩擦片快速、有效地與基板粘結。
爐子的工作室由耐火陶瓷塊與砂封組成。氣管及熱電偶都是從爐子的下方通過底座引入工作室的。
裝爐時，將需要燒結的摩擦片以一摞或幾摞放置在底座上，將傳遞壓力的平盤放置在摩擦片上，然後罩上加熱用的鐘罩。罩的底部是銳邊的，它們在自重的作用下，沉入砂封中。這樣形成一個密閉的工作空間。一般用分解氨氣體作為保護氣氛。壓縮空氣通入使摩擦片上平盤受壓，即可對摩擦片進行加壓燒結。
2．真空燒結爐
真空燒結爐也具有潤滑劑燒除、預燒結及高溫燒結的功能。潤滑劑含量多的壓坯可先在一般爐中燒除，然後再在真空爐內燒結。
溫度控制採用智慧型型溫度儀，可實行升溫、控溫、降溫的自動控制功能，並具有儲存多條不同燒結工藝曲線的功能，還具有升降溫速度可調及準確報時功能以及顯示實際溫度和設定溫度等多種參數的功能。粉末冶金零件燒結使用的燒結爐型號多種多樣，結構不同，其使用的方法也就不同。但就粉末冶金燒結工藝特性來分析，燒結爐使用與維護應注意如下事項。
使用
1)燒結爐使用的注意事項
(1)當使用氫氣或分解氨時，要先通入氮氣，在確保爐中的空氣完全被排出時，才能通電升溫，以防止打鳴和爆炸。
(2)對鉬絲作加熱元件的燒結爐，在通電前爐體中應通入保護氣體，以防止鉬絲氧化而脆斷。
(3)爐門及氣體排出口應點明火燒除，以防止氧氣進入或氫氣排出而發生爆炸危險和煤氣中毒危險。
(4)若電熱元件為鐵鉻鋁電阻絲，在升溫至1100℃時應停留一段時間（30min左右）再升溫，以防止電阻絲表面溫度過高而損壞。
(5)在升溫前和操作中應不時檢查氣流、水流是否符合要求，以及檢查設備、電和爐溫的控制儀表是否正常。
(6)停爐前應先斷電，在爐溫降到200℃以下時再停氣和停水。
(7)除了因維修必須停爐外，要避免頻繁停爐。燒結爐的頻繁開停，會造成加熱元件易於老化，耐火材料易於碎裂，爐內氣氛不純，爐溫容易波動等弊端。
2)燒結氣氛輸送管配置和冷卻水降溫裝置
當粉末冶金零件的生產超過一定的規模後，為了確保燒結零件的質量和爐子的使用壽命，燒結爐應有燒結氣氛輸送管配置和冷卻水降溫裝置。一般每台燒結爐都可配有兩種氣源的管道，以備一種氣體的管道出現故障時，另一種氣體可代用，避免因停氣造成燒結質量問題和爐子損壞。
3)燒舟的合理使用和整修
在步進梁式爐、推桿式爐及間歇式爐中燒結，必須使用燒舟。燒舟在高溫中反覆使用，不可避免地會翹曲變形。對於變形燒舟必須及時檢出進行整修，方可投入使用，以免變形的燒舟在爐內產生卡舟事故，既影響燒結零件質量又嚴重降低燒結爐的使用壽命。因此，在燒結工段應備一台整舟用液壓機及整舟模具，對變形的燒舟及時整修。
此外，網帶式燒結爐雖然多半不使用燒舟，但有時為了減少工件（特別是薄型、細長件等）變形，也採用燒舟，即將壓坯裝在燒舟中，然後再排放在網帶上。對於形狀特殊的零件，燒結時需要做專用工裝。裝舟形式主要有以下幾種。
(1)薄的燒結零件，應選用底面平整的石墨舟，燒結中不變形。對網帶式燒結爐考慮到網帶使用壽命，常用陶瓷板作為燒舟。
(2)舟底部平整，燒結厚壁及外形較小的壓坯，可直接裝舟。
(3)舊舟底部不平，燒結薄壁及外形較大的壓坯時，燒舟底部需填上薄層A120，等填料，並加蓋。
(4)特殊要求、需嚴防氧化的燒結零件，燒結舟上部可放上3mm厚的鋼板盒覆頂，盒外再放置填料。
維護
(1)新爐以及更換築爐耐火材料後應進行烘乾處理。烘爐要分階段升溫。在烘乾初期，升溫速度低，時間長，因剛升溫時爐子是冷的，爐體材料中的水分高。在低於400℃以下時，要敞開爐門排出水汽。在升至700℃時應保溫一段時間，以使爐體的溫度均勻。新爐的烘乾程式如下：
20～100℃：8 h
100~2000℃：16 h
200~4000℃：8 h
400～700℃：10 h
700~1000℃：6 h
若是網帶爐，在爐溫升至400℃時應運轉一段時間，以進行預氧化處理，提高網帶的壽命。
(2)壓坯中的低熔點雜質（硫、鉛、鋅等）對爐膛材料和加熱元件均會產生侵蝕作用，為了提高爐子的使用壽命，應定期淨化爐膛，尤其是預燒區。在粉末冶金配料中儘量避免添加硫等元素，以免污染爐膛和發熱元件。
(3)爐子要定期清理。在使用一氧化碳或其他含碳氣體時，有可能會從碳氫化合物中分解出碳，這部分碳會沉積在爐壁和加熱元件上，這樣會污染爐子、侵蝕耐火材料和損壞電熱元件。
(4)保持爐體清潔，定期清理爐內的氧化鐵皮、碎石墨、氧化鋅等雜物。
(5)檢查電熱元件和導線的連線情況，防止接觸不良打弧。
(6)因爐內需要在低露點下進行作業，所以對用螺栓封閉的法蘭盤部位要定期進行泄漏檢測。
(7)勿將附有油污的燒舟送入爐內。油污進入爐內會使露點急劇增加，影響正常運轉。
(8)嚴禁超溫運行。
