1 引言
为了获得相对稳定的电磁特性、显微结构及机械性能的MnZn铁氧体产品，预烧工序必不可少，行业内大都采用回转窑设备进行预烧。目前国内锰锌铁氧体回转窑设计侧重点主要在能耗、产量、设备结构等，较少考虑氯离子含量、磁化度等质量因素。加大工艺对设计的参与度，可以把控制产品质量的工作延伸至设备制造阶段。
2 预烧的作用
2.1 消除生成ZnFe2O4时的异常膨胀的不良影响
生成ZnFe2O4的固相反应约在620℃~900℃之间进行。反应时，不是发生收缩，而是产生膨胀，由此形成的应力会导致磁芯产生裂纹。预烧后，生成ZnFe2O4的异常膨胀影响已经消除。
2.2 减小产品烧结收缩率和变形
固相反应生成铁氧体，使粉料得到了收缩，使得粉料在压制成型时的压缩比减小，从而给模具设计带来方便。在产品烧结时，产品的收缩率和变形也小，有利于控制产品的外形尺寸。
2.3 改善粉料的压缩性
预烧后的粉料松装密度增大，流动性好，易于在模具中填充，压缩比减小。
2.4 去除酸根和杂质
预烧能使原材料预先除去由于热分解而产生的气体，去除了酸根和非金属杂质，消除了部分组成变动，促进了成分的均匀化，从而减少了它们对产品性能的影响。
3 回转窑种类
实施预烧工艺的设备经历了由间歇式箱形炉、连续式推板窑至现代式回转窑的演变过程。箱形炉的生产量小、预烧周期长、温度重复精度低等缺点是显而易见的，而推板隧道窑虽然产量大、机械化程度高，但因其匣式装料方式的限制，预烧均匀性自然难以保证，于是回转窑预烧工艺得到广泛应用。软磁铁氧体预烧使用的回转窑结构通常有两种类型，一体式结构和分段式结构。
3.1 一体式结构
所谓一体式结构，即是加热管和冷却管联成一体并置于同一支座之上，前段为加热部分，后段为冷却部分，用一套驱动装置同步驱动运行。它的主要优点是制造与运行成本均低，而且整体占地面积小。但是它存在诸多缺点，例如：预烧料冷却效果较差，预烧处理能力有限等。
3.2 分段式结构
分段式结构是指加热管和冷却管分成两段，各自独立，分为加热窑和冷却窑两部分，分别有各自的托架支撑和传动装置驱动，且炉管也是各自控制调节，两段窑体之间由通道接口互联起来。相比于一体式结构，分段式回转窑因为冷却管独立，所以冷却效果极大的提升；同时加热管内外温差减小，延长了加热管的使用寿命。
3.3 回转窑工艺设计
现以上海宝钢磁业有限公司新设计的6000t/a粉体生产线为例，具体探讨软磁铁氧体粉料生产线的回转窑工艺设计。
3.4 上海宝磁公司老线预烧工序现状
1)老线单台回转窑产能较低，提高产能就必须增加设备数量，因此会产生多台设备同时生产一批料的情况，从而容易发生由于设备单体差异，使产品的一致性降低的现象。
2)由于采用干粉预烧工艺，原料呈粉末状，在炉管内流动性差；靠近管内壁的原料受热较快，而炉管中央的原料受热慢，容易产生粘壁，炉管内需要放置刮壁器，对炉管损伤较大；预烧温度偏高(>1000℃)，不仅电能消耗大，预烧料磁化度也偏高，影响质量。
3)预烧工序冷却效果较差，预烧料排出时温度超过300℃，需要继续放置一段时间，自然冷却后才能进入下一道工序，影响生产物流和效率。
3.5 设计思路
结合宝磁公司新制粉线生产工艺，预烧设备设计主要考虑：①采用分段式回转窑，物料经冷却后可至常温，不需要存放降温，提高生产效率；②回转窑产能提升；③降低Cl离子含量；④控制磁化度。
3.6 设计要点
1)炉管直径
炉管直径根据物料流量和填充率进行设计，填充率是指回转窑内物料所占容积与回转窑总容积之比，实际操作中填充率要选取得当，若过高则物料层过厚，不利于热传导，影响预烧质量；填充率过小则造成能源浪费，影响窑产量。回转窑填充率一般在3%~9%，以产能1吨/小时计算，当填充率为6%时，炉管直径D≈1.2m。
2)保温段长度
预烧的主要目的之一是消除生成ZnFe2O4时的异常膨胀对烧结带来的不良影响；生成ZnFe2O4的固相反应约在620℃~900℃之间进行，为使锌铁氧体充分生成，预烧料在该温度区域内要保证足够的停留时间，通常30~40min。
T = 0.433 x L / ( D x N ) x ( B / A )0.85
式中：T——物料滞留时间，min；
L——炉管保温段长度，m；
D——炉管直径，m；
N——转速，rpm；
B——物料流动角，度；
A——炉管倾斜角，度；
其中炉管内径D=1.2m，转速N=1.0rpm，流动角B=28°，倾角A=1.5°，因此当滞留时间T≈40min时，保温段长度L≈10m。[page]
3)控制磁化度
磁化度的高低反映了预烧料中的MnFe2O4、(MnZn)Fe2O4等磁性物质生成量的多少，控制磁化度的目的是减少坯件烧结开裂现象。
造成烧结开裂的主要原因是锰铁氧体烧结过程中，在540℃~640℃时与氧发生如下反应：
MnFe2O4+O2→Mn2O3+Fe2O3 [a]
氧化反应使产品重量明显增加，同时也使产品尺寸强烈收缩，磁化度过高即MnFe2O4含量过多时，反应[a]大量快速进行，坯件会产生强烈收缩导致开裂[1]。因此减少MnFe2O4的含量、降低磁化度可以减少烧结开裂的现象发生。
降低预烧温度可使MnFe2O4、(MnZn)Fe2O4生成率减少，从而降低磁化度；但是当预烧温度低于900℃可能会导致ZnFe2O4的固相反应不充分，因为其反应温度约在620~900℃，预烧时未完全反应的ZnO会在烧结时继续固相反应，过程中体积会产生膨胀,最终导致坯件开裂。因此不能简单的采用降低预烧温度的方式来降低磁化度。
另外一种方法，在预烧保温段充分生成ZnFe2O4之后，在降温段设法减少MnFe2O4的含量。图4-1所示为铁氧体预烧料的差热-热重曲线。图中显示出淬火与氧化两种极端情况下差热-热重曲线的差异，其差异的根本原因就是氧化度不同[2]。预烧料的氧化程度，会对烧结升温过程中铁氧体坯件的膨胀-收缩产生影响。氧化度高的预烧料在升温过程中，呈现较平缓的增重-失重曲线；氧化度较低的预烧料，则呈现出复杂的增重-失重过程。这个结论印证了在预烧时可通过增加氧化度，减少MnFe2O4的含量，从而减少烧结开裂现象的设想。具体措施是利用反应[a]，在540℃~640℃的降温段增加O2含量，可促使更多MnFe2O4发生氧化反应。
回转窑尾部是空气进入的主要区域，氧含量最高，在这个区域要将温度控制在反应温度540℃~640℃；根据实验数据，当炉管直径1.2m，炉管内物料填充率为6%时，物料温度下降速度约为40℃/min。所以900℃降至500℃需要大约10min，根据滞留时间计算得出降温段长度约为2.3m，最终设计定为2m。
4)降低氯离子含量
物料中的氯主要来源于铁红Fe2O3，以Cl-离子形式存在，与Fe2+或Fe3+结合形成FeCl2、FeCl3或FeOCl。在预烧过程中，FeCl2、FeCl3、FeOCl等高温分解[3]：
2FeCl3→2FeCl2+Cl2
6FeCl2+3O2→2FeCl3+3Cl2+2Fe2O3
4FeCl3+3O2→2Fe2O3+6Cl2
4FeOCl+O2→2Fe2O3+2Cl2
可见预烧时增加O2含量，及时排出生成的Cl2，可促使FeCl2、FeCl3、FeOCl等分解反应进行，从而可降低物料中氯离子的含量。
综合考虑预烧时控制磁化度和氯离子都需要增加O2的通入，在回转窑尾部设置一台风机，可向回转窑内通入空气增加O2含量。
表4.1给出了本设计的回转窑在生产线中的一些产品数据。
表4.1 预烧产品参数
检测项目 检测数据
预烧温度 900℃
热炉管出口物料温度 约500℃
最终物料排出温度 约30℃
物料滞留时间 约60min
预烧产品Cl-含量 约100ppm
预烧产品磁化度 约0.7μH/g
压制EE55产品烧结 无开裂
4 结论
1)回转窑炉管直径1.2m，可将填充率控制在6%左右，滞留时间40min左右，产量可达到1吨/小时。
2)保温段10m，物料滞留时间可达到40min以上，确保物料在保温段足够的停留时间；总长13m的炉管物料滞留时间约为60min。
3)降温段长度为2m时，物料温度由900℃降低至约500℃。
4)炉管内增加氧含量可达到降低预烧料中氯离子含量的效果，并且可降低磁化度，减少大磁芯烧结开裂现象；窑尾设置一台风机让炉管内氧含量可进行人工调整。
在生产线设计过程中，工艺人员参与预烧设备的改进设计，可最大化满足工艺对设备的需求，有效控制预烧反应过程，确保预烧品质。
参考文献
[1] 许英华，李玉泉，阮海琼等. 锰锌铁氧体裂纹研究[A]. 中越磁材边贸会暨第三届全国高性能软磁材料及其应用研讨会论文集[C].磁性材料及器件专业情报网《磁性材料及器件》编辑部，2007.74-78.
[2] 阳开新. 软磁铁氧体制作技术[M]. 磁性材料及器件专业情报网中国电子科技集团公司九所信息中心，2009. 74-75.
[3] 钟俊源，钟俐敏. 铁的含氯化合物在永磁铁氧体制造工艺过程中的反应和影响--《氯在铁氧体磁性材料中存在的有关问题》系列研究报告之三[J]. 磁性材料及器件，2004，35(1): 36-41.
作者简介
朱佳鋆（1984-），男，山西晋中人，本科，助理工程师，主要从事软磁铁氧体料粉的工艺技术管理工作。
联系方式：上海市宝山区宝杨路2029号，电话：13621665137
