Layout of regional controlled circulation ventilators and their impact on main ventilation system
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摘要: 区域受控循环通风，循环风机如何布置，对循环区域大小、循环联道的布置、循环参数的合理匹配及循环效果均会产生影响，根据循环风机的布置，相对主扇而言，循环系统内可将循环风机布置于循环联道、循环区进风道、循环区回风道内.于循环联道布置风机而言：可以布置一台风机在循环联道中；也可布置一台在循环联道中，另一台在进风道或回风道中.于循环区进风道、回风道安装循环风机而言：可将一台循环风机安装于循环区进/回风道内；可在循环区进/回风道内安装一台循环风机的基础上，在系统总回风道内设置一个调节风门；还可在循环区进/回风道内安装一台循环风机的基础上，在系统总回风道内再安装一台循环风机.据此，将会出现5种区域循环方式，通过对这5种循环方式的循环率、循环风量、工作面风量和循环风机风压等参数进行推导计算，分析了因区域循环风机的不同布置形式而引起各种循环方式会如何对矿山主扇运行产生影响，5种循环方式都可以提高循环系统的有效风量率，合理计算选取符合循环系统需求的相关技术指标是应用的关键.Abstract: In terms of regional controlled circulation ventilation, the layout of circulation ventilators directly affects the scale of circulating area, the setup of connected lanes, reasonable match of circulating parameters and the circulation effect. Based on the relative position between circulation ventilators and main ventilators, the layout of circulation ventilators can be divided into two categories: connection circulation and series circulation. The former indicates that circulation ventilators are laid in connected lanes, and the latter means that circulation ventilators are laid in air inlet duct or air return duct in circulating region. Connection circulation can be fallen into one single subordinate circulation ventilator and double subordinate circulation ventilators, on the basis of the amount of circulation ventilators. In this way, series circulation can also be fallen into circulation of one single subordinate circulation ventilator, or one subordinate circulation ventilator and one control damper, or double subordinate circulation ventilators. By deducing and calculating the circulation rate, circulation air volume, working face air volume, circulating fan air pressure and other parameters of these five circulation modes, we analyzed how the various circulation modes would pose an effect on the operation of main ventilators of the mine due to different layouts of regional circulation ventilators. It was found that these five circulation modes could all increase effective air volume rate of the circulatory system. The key to application was to calculate and select relevant technical indicators that meet the requirements of the circulatory system.
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Nd-Fe-B系烧结磁体具有高饱和磁通密度、高矫顽力、高磁能积等优异的磁特性，因此被广泛用于磁性器件的关键部位，如风力涡轮机和电动车牵引电动机[1-5]. Nd-Fe-B磁体在这些领域中的使用越来越多，但是却因为相对较差的高温性能使其发展受到阻碍.比如在汽车的应用中，磁体需要在高达150 ℃的温度下进行长时间的工作[6-8].对于任何稀土过渡金属磁体来说，在高温下发展的矫顽力基本上有2种可能性，要么改善固有温度依赖性或者开发足够的矫顽力抵抗温度，以便当磁体暴露于高温时能够保持足够的矫顽力.虽然，钕铁硼的固有性质很难改变，但是重稀土金属元素Dy、Tb等由于磁晶各向异性场（HA）的增加，Nd的位置可以相对容易的对矫顽力作出实质性的改善.当然，添加重稀土元素的缺点是它们与RE2Fe14B晶格中的Fe形成反铁磁耦合，导致饱和磁化强度大大降低[9].为了尽量少地牺牲饱和磁化强度，一种新的提高矫顽力的方法在2000年由Park等[10]提出.后来陆续有研究人员使用Tb或Dy等高HA的重稀土元素Dy、氧化物（如DyO）、氟化物（如DyF3）沿着晶界处，然后进入RE2Fe14B晶粒的外壳，形成核壳型结构.由于Nd-Fe-B磁体在成核型矫顽力机制的基础上产生矫顽力，只需要在晶粒的外壳上向内增加HA的深度至少1 μm，这是因为在RE2Fe14B晶粒中的任何额外的重稀土元素仅仅对磁化的较低值有贡献.该核壳结构是通过将重稀土以某种形式（通常为氟化物）置于烧结磁体的表面上，然后在一定温度下进行扩散热处理，随后进行低温二级时效来完成.重稀土元素沿着晶粒，然后在RE2Fe14B晶粒中形成核壳结构.到目前为止，已经有含镝或铽的重稀土化合物被用来提高磁性能，比如用重稀土Dy[11]、DyO[12]、DyF3 [13]、DyH2[14]、Pr-Cu或Dy-Cu[15-16]被当做扩散源来提高磁性能、热稳定性等.此外，Al也可显著提高钕铁硼稀土永磁体的矫顽力，降低磁通不可逆损失，hirr < 5 %的最高温度可达230 ℃[17], 通过显徽组织分析表明，Al对显徽组织的影响主要发生在富Nd相内.烧结时, 富Nd液相内溶有一定量的Al.冷却时，Al在富Nd相内形成富Al区和含Al较高的粒子，富Nd液相内的Al可改善其与Φ相的湿润性，从而提高磁体的矫顽力.同时，Ga的添加能够改变永磁体的取向特性和磁性能，添加Ga后的Nd（Fe-Ga)B永磁体的矫顽力有了明显的提升[18].由于低熔点合金熔点低，比较容易通过晶界扩散到磁体内部.因此文中选用Dy70Al10Ga20三元低熔点合金作为扩散源对磁体进行扩散，研究并分析了扩散后磁体的磁性能、热稳定性、微观组织结构和物相结构.
1 实验方法
实验原始磁体选牌号为N52的烧结钕铁硼磁体，并将其进行线切割加工成尺寸为10 mm×10 mm×5 mm的小块磁体，其化学成分见表 1.将Dy、Al、Ga 3种元素按相应的配比Dy70Al10Ga20（指质量分数）进行称量好后，再经过高真空电弧熔炼系统，将3种金属熔炼成约为25 g的合金锭.随后经过高真空快淬系统让铜辊以8 m/s的速度将合金熔体甩成1 cm左右宽的片状合金.合金片制备好之后，采用贴片的方式将合金片贴在原始磁体的上下面并放入卧式烧结炉对其进行扩散热处理.磁体在扩散热处理之前需要经400目（0.037 mm）（指砂粒粗细大小，在任意每平方英寸（25.4 mm×25.4 mm）中有400个孔筛选出来的砂粒，下同）、800目（0.015 mm）、1 000目（0.013 mm）、1 500目（0.009 8 mm）、2 000目（0.006 5 mm）的砂纸进行打磨，用酒精超声波清洗后烘干待用.采用的扩散热处理工艺为一级回火热处理分别为810 ℃、830 ℃、850 ℃、870 ℃、890 ℃，时间均为4 h，二级回火热处理均为490 ℃×3 h，之后再用NIM-500C高温永磁测量仪测量磁体的磁性能，用MLA650场发射扫描电镜观察扩散前后组织微观图，用亥姆霍兹线圈提拉法测量腐蚀后样品的不可逆磁通损失，用Empyrean型X射线衍射仪测量了磁体的物相结构.
表 1 N52磁体成分/%Table 1. Composition of N52 magnet /%
2 结果和讨论
2.1 扩散Dy70Al10Ga20合金对烧结钕铁硼磁体物相的影响
图 1所示为原始磁体和扩散Dy70Al10Ga20合金后磁体的XRD物相分析结果，可以看到除了有Nd2Fe14B的2:14:1主相外，还有一些杂相存在，它们主要分布在富钕相中，少量的存在会提高磁体的反向形核场.从图 2中可以看到Nd2Fe14B相峰在扩散Dy-Al-Ga合金后向右偏移，这是因为Nd2Fe14B晶格常数小于Dy2Fe14B，Dy2Fe14B（a=0.875 7 nm; c=1.199 0 nm）; Nd2Fe14B（a=0.879 2 nm; c=1.217 7 nm）更小[19]. Dy取代Nd形成（Nd, Dy)2Fe14B相.
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图 1 原始磁体和扩散Dy70Al10Ga20合金磁体的XRD衍射图谱Figure 1. XRD diffraction pattern of original and Dy70Al10Ga20 diffused alloy magnets![]()
图 2 XRD的2:14:1主相峰位置处局部放大Figure 2. Local magnification at 2:14:1 of the main phase peak of XRD2.2 扩散Dy70Al10Ga20合金对烧结钕铁硼磁体磁性能的影响
表 2和图 3表示的分别是原始磁体和不同温度扩散Dy70Al10Ga20合金后磁体的磁性能.从表 2与图 3中均可以看出，随着扩散温度地提高，磁体矫顽力呈现出先增加后降低地趋势.经过扩散后的磁体矫顽力从原始的1 080.968 kA/m最高提升到1 671.600 kA/m，增幅约为55 %.剩磁从原始的1.44 T下降到1.38 T，方形度由96 %下降到84 %，下降幅度较小.在870 ℃下扩散性能较优，因此，选用矫顽力提升最高的磁体测量热稳定性能、微观组织和物相结构.在高温情况下工作时，Nd-Fe-B磁体的磁性能会急剧下降，图 4对应于原始磁体和扩散Dy70Al10Ga20合金后磁体分别在20 ℃、50 ℃、80 ℃、120 ℃、180 ℃下暴露2 h的磁通不可逆损耗，随着温度的升高，原始磁体显现出急剧下降的趋势，而扩散后磁体磁通不可逆损耗下降趋势变缓，在任一温度点都优于原始磁体，在5个温度点中磁通不可逆损耗最高比原始磁体降低了33.23 %，晶界扩散Dy70Al10Ga20合金明显提高了Nd-Fe-B磁体的热稳定性.
表 2 原始磁体和扩散Dy70Al10Ga20合金后磁体的磁性能Table 2. Magnetic properties of the original and diffused Dy70Al10Ga20 alloy magnet
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图 3 原始磁体和扩散Dy70Al10Ga20合金后磁体的退磁曲线Figure 3. Demagnetization curves of original and Dy70Al10Ga20 diffused alloy magnets diffused Dy70Al10Ga20 alloys at different temperatures![]()
图 4 原始磁体和扩散后磁体的磁通不可逆损失Figure 4. Irreversible flux loss of original and diffused magnets2.3 扩散Dy70Al10Ga20合金对烧结钕铁硼磁体微观组织的影响
图 5所示为原始磁体和晶界扩散后磁体的显微组织图，图 5(a)是原始磁体的显微组织图，图 5(b)是扩散Dy70Al10Ga20合金后磁体的显微组织图.可以很明显看到，原始磁体的富Nd相较少且不连续，大块富Nd相占比较多，晶界模糊不连续，容易发生磁交换作用.而扩散三元合金后磁体的富Nd相明显增多且连续光滑，大块富Nd相占比较少，很好地隔绝了磁交换作用.在相邻晶粒之间的晶粒外延处可以看到颜色介于灰色和白色之间的灰白色区域，此灰白色区域为（Nd, Dy）2Fe14B核壳结构.核壳结构和连续富Nd相两者共同起到隔绝磁交换的作用[20].这也很好地解释了矫顽力增加的现象.
3 结论
1）扩散Dy70Al10Ga20合金后磁体的微观组织明显优于原始磁体，晶界连续.基于XRD图谱分析重稀土元素进入主相外延层是导致磁性能显著提高的主要因素.
2）随着温度的升高，原始磁体磁通不可逆损耗显现出急剧下降的趋势，而扩散后磁体下降趋势变缓，在任一温度点都优于原始磁体，在5个温度点中磁通不可逆损耗最高比原始磁体降低了33.23 %，扩散Dy70Al10Ga20合金明显提高了Nd-Fe-B磁体的热稳定性.
3）与原始磁体相比，扩散Dy70Al10Ga20合金之后的磁体的矫顽力有了很大的提升，从1 080.968 kA/m显著提升到1 671.600 kA/m，提升幅度约为55 %，并且在高温下还表现出较高的矫顽力.
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图 1 单台风机循环联道布置示意
Fig 1. Arrangement plan for a single ventilatoron circulating joint-roadway
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图 2 两台循环风机中的一台布置于循环联道示意
Fig 2. Arrangement plan for one of two circulating fans arranged on circulating joint-roadway
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图 3 一台循环风机安装于循环区进/回风道示意
Fig 3. Arrangement plan for one circulating fan installed in air inlet of circulation area
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图 4 一台循环风机安装于循环区进/回风道和一个调节风门组合示意
Fig 4. Arrangement plan for one circulating fan jointly installed in air inlet of circulation area and a controlling air door
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图 7 当量风阻与循环系数的关系曲线
Fig 7. Graph of the relation between equivalent wind resistance and circulation coefficient
表 1 受控循环通风方式参数计算公式对比
Table 1 Correlation of parameters' calculation formulas for ways of controlled circulation ventilation
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