CN103105060A - 一种氮化钒微波、电混合加热合成烧成推板窑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化钒微波、电混合加热合成烧成推板窑，在推板窑本体上依次对接设有进窑气密室（1）、微波抑制炉体（2）、微波干燥炉体（3）、微波低温升温炉体（4）、微波低温保温炉体（5）、微波中温升温炉体（6）、电加热高温升温炉体（7）、电加热高温保温炉体（8）、缓冷炉体（9）、水冷炉体（10）和出窑气密室（11）。本发明是一种反应速度快，处理材料品质高、加热匹配性能高、能量效率高的氮化钒微波、电混合加热合成烧成推板窑。

Description

一种氮化钒微波、电混合加热合成烧成推板窑
技术领域
本发明涉及一种推板窑，特别是涉及一种氮化钒微波、电混合加热合成烧成推板窑。
背景技术
氮在含钒非调质钢中以化合物的形式存在，主要作用是加强了钒的沉淀强化和细化晶粒的效果，从而提高了钢的强度和焊接等性能，节省了钒的用量。直接添加氮化钒可同时加入氮和钒，工艺简单并且有较高收率，因此得到越来越多的应用。
常规氮化钒的制备，采用在真空炉或常压连续式电炉中进行高温碳热还原和渗氮处理。真空法工艺复杂，生产率低；常压连续式电炉法虽然生产率高，工艺简单，但是产品温度不均匀，保温材料损耗严重，同时电耗较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种反应速度快，处理材料品质高、加热匹配性能高、能量效率高的氮化钒微波、电混合加热合成烧成推板窑。
为了解决上述技术问题，本发明提供的氮化钒微波、电混合加热合成烧成推板窑，包括推板窑本体，在所述的推板窑本体上依次对接设有进窑气密室、微波抑制炉体、微波干燥炉体、微波低温升温炉体、微波低温保温炉体、微波中温升温炉体、电加热高温升温炉体、电加热高温保温炉体、缓冷炉体、水冷炉体和出窑气密室，所述的电加热高温升温炉体与微波中温升温炉体连接处设有微波屏蔽装置，在所述的微波干燥炉体、微波低温升温炉体、微波低温保温炉体和微波中温升温炉体上设有微波馈能系统，在所述的电加热高温升温炉体和电加热高温保温炉体上设有电加热系统，所述的微波馈能系统连接有冷却水系统，所述的推板窑本体设有测温系统、保温系统、耐火材料、排气系统、气氛系统和控制系统。
所述的进窑气密室和出窑气密室的气密门设计为双重密封结构：第一橡胶密封圈进行气密封，第二密封圈进行微波屏蔽，防止气密门开启时微波泄露。
所述的进窑气密室和出窑气密室内分别设置有摆杆式行程开关机构：摆杆旋转轴穿过气密室炉壁，一部分在气密室内，一部分在气密室外，采用石墨作所述的摆杆旋转轴的滑动支撑。
所述的微波低温升温炉体、微波低温保温炉体的耐火材料采用抗碱性的耐火材料。
所述的微波中温升温炉体的耐火材料采用95#刚玉陶瓷炉管，密度≥3.0g/cm3。
所述的电加热高温升温炉体的耐火材料采用石墨炉管。
所述的缓冷炉体采用减薄炉体内保温材料，增加保温层散热能力使物料缓慢降温，同时为降低炉体表面温升，采用炉体外表面加水冷套。
所述的水冷炉体由炉腔、水套和滑条组成，所述的炉腔与所述的匣钵保持10mm间隙，所述的匣钵在所述的滑条上滑动，滑条材料采用石墨，使所述的匣钵热量快速地传递到炉腔，被冷却水带走。
所述的保温系统在微波加热段采用氧化铝陶瓷纤维板，微波穿透性好，自身发热能力低，在电加热段采用常规保温材料，在微波加热段和电加热段对接处设置微波屏蔽，防止微波泄漏到常规保温材料中加热保温材料。
采用上述技术方案的氮化钒微波、电混合加热合成烧成推板窑，由进窑气密室、微波抑制炉体、微波干燥炉体、微波低温升温炉体、微波低温保温炉体、微波中温升温炉体、电加热高温升温炉体、电加热高温保温炉体、缓冷炉体、水冷炉体、出窑气密室、微波馈能系统、电加热系统、冷却水系统、测温系统、保温系统、耐火材料、排气系统、气氛系统和控制系统组成。进、出窑气密室的气密门设计为双重密封结构：橡胶密封圈进行气密封，另一密封圈进行微波屏蔽，防止气密门开启时微波泄露。进、出窑气密室内设置摆杆式行程开关机构：摆杆旋转轴穿过气密室炉壁，一部分在气密室内，一部分在气密室外，形成射频天线，对外辐射微波。采用石墨作摆杆旋转轴的滑动支撑，使它与炉体形成等势体，不对外辐射微波。微波抑制炉体使微波加热炉体辐射来的微波在微波抑制炉体内得到衰减，有效降低气密室微波辐射强度。微波干燥炉体根据氮化钒合成烧成原料与微波耦合特性设计。原料中所含水分在这一炉体段得到充分挥发，干燥。微波干燥炉体馈入微波能与生产能力相适应，干燥温度控制在100℃以下，升温速度5℃/min，通过对微波源的开启和关闭，实现对干燥温度的控制。微波干燥炉体在干燥过程中物料失重速率快，失重大，挥发物排出炉腔的排出口要求大。为防止微波自排气口泄漏，设计具有微波屏蔽装置的排气口。微波干燥炉体在干燥过程中挥发物呈碱性，对耐火材料的腐蚀性强，采用抗碱性的耐火材料筑砌炉腔。微波低温升温炉体加热温度从100℃到600℃，包括三个升温区段：100～200℃高温干燥阶段、200～400℃排胶阶段、400～600℃高价钒碳还原为低价钒升温阶段。微波低温升温炉体升温区段100～200℃高温干燥阶段，100～200℃高温干燥阶段的升温速率为3℃/min。微波低温升温炉体升温区段200～400℃排胶阶段，200～400℃高温干燥阶段的升温速率为5℃/min。微波低温升温炉体升温区段400～600℃高价钒碳还原为低价钒升温阶段，400～600℃高温干燥阶段的升温速率为3℃/min。微波低温保温炉体加热温度从600℃到600℃，保温10min。微波中温升温炉体加热温度从600℃到1300℃，包括二个升温区段：600～900℃低价钒碳化阶段、900～1300℃低价碳化钒氮化阶段。微波中温升温炉体升温区段600～900℃低价钒碳化阶段，600～900℃低价钒碳化阶段的升温速率为5℃/min。微波中温升温炉体升温区段900～1300℃低价碳化钒氮化阶段，600～1300℃低价碳化钒氮化阶段的升温速率为3℃/min。电加热高温升温炉体的加热温度温度从1300～1520℃，升温速率为6℃/min。缓冷炉体采用减薄炉体内保温材料，增加保温层散热能力使物料缓慢降温，同时为降低炉体表面温升，采用炉体外表面加水冷套。微波馈能系统由微波电源、磁控管、环行器和水负载组成。根据炉腔内负载特征及温度曲线设计微波馈入口位置，优化微波场在窑炉内的分布。微波馈能系统可实现磁控管的在线更换。电加热系统由硅钼棒及整流变压器组成。微波被限制在石墨炉管中，硅钼棒加热管被安装在炉管外。冷却水系统由阀门、压力表、管道、水流开关等组成，维持多点供水压力和流量一致，自动控制磁控管的开关，保护磁控管在冷却水保护的情况下工作。
保温系统在微波加热段采用氧化铝陶瓷纤维板，微波穿透性好，自身发热能力低，在电加热段采用常规保温材料，在微波加热段和电加热段对接处设置微波屏蔽，防止微波泄漏到常规保温材料中，加热保温材料。
耐火材料由氧化铝、氧化硅和碳化硅按一定比例混合烧成而成，包括炉管和匣钵，其低温介电常数在15～25之间，在低温时耐火材料作为辅助加热材料吸收微波发热，使物料快速升温。另一方面由于其介电常数较少，微波能穿透匣钵，对物料进行微波辐射加热。
排气系统具有微波屏蔽装置，防止微波由排气口泄漏。
所述的气氛系统采取多点供气，调节个供气点的流量，控制窑炉内腔气氛压力曲线。
所述的控制系统采用隔离技术，隔离微波供电电源和控制电源，屏蔽微波对控制系统的干扰。
微波加热是近年来发展迅速的一种材料制备手段。微波加热具有直接体加热特性和非热效应，能够活化反应物，降低反应温度，特别是避免了常规加热条件下碳热还原反应中物料内部由于碳气化过程形成的冷区域，能快速使物料内部和外部同时加热；物料反应彻底而均匀，从而生成单一均匀的物相。同时，工业微波炉设备简单，自动化程度高，易于维护；微波加热的效率高，比传统方法省电30％～70％，大大降低了生产成本。
氮化钒在合成烧成过程中，当温度达到1300℃以后，金属化严重，微波吸收能量差，在高温段微波加热能源利用率降低。采用微波、电混合加热可以在低温时利用碳热还原微波吸收能力强，反应迅速、效率高节能，高温时直接利用电加热。
微波加热具有即时性、整体性、选择性、高效性和安全性等特点。相对于传统加热方式，微波加热可缩短反应时间，简化工艺，综合能耗仅为传统电热法的30～40%。采用微波合成工艺的合成机理与常规工艺有本质的不同。微波加热能够活化反应物降低反应活化能、增强扩散机制，同时加热使物料的内部和外部同时加热，无热滞后，避免了常规加热条件下碳热还原反应中物料内部由于碳气化过程形成的冷区域。物料反应彻底而且均匀，从而生成单一均匀的物相。
本发明综合了微波加热和电加热的优点：在温度低于1300℃，氮化钒合成烧成挥发物多，对耐火材料和保温材料的损害严重。采用电加热升温速度慢，挥发物排出时间长，排气系统所占窑炉长，采用微波加热可克服以上缺点，氮化钒的合成原料中含碳，与微波耦合性能好，升温迅速，挥发物挥发快，能耗低。当温度高于1300℃时，氮化钒金属化，形成导体，与微波耦合性能差，微波能利用率降低，能耗高，在这一温度段采用电加热有利于温度场的均匀、稳定和节能。
本发明是一种反应速度快，处理材料品质高、加热匹配性能高、能量效率高的氮化钒微波、电混合加热合成烧成推板窑，降低窑炉的热容量及热惯性、减少窑炉在使用过程升温和降温的时间、提高了保温材料和耐火材料的使用寿命。
附图说明
图1为本发明结构主视图。
图2为本发明结构俯视图。
图3为进出窑气密室密封装置结构示意图。
图4为进出窑气密室摆杆式行程开关机构结构示意图。
图5为进窑端微波抑制炉体装置结构示意图。
图6炉膛内微波屏蔽装置结构示意图。
图7为排气口微波屏蔽装置结构示意图。
图8为冷却水设计原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图就具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
参见图1和图2，在推板窑本体上依次对接设有进窑气密室1、微波抑制炉体2、微波干燥炉体3、微波低温升温炉体4、微波低温保温炉体5、微波中温升温炉体6、电加热高温升温炉体7、电加热高温保温炉体8、缓冷炉体9、水冷炉体10和出窑气密室11，电加热高温升温炉体7与微波中温升温炉体6连接处设有微波屏蔽装置，在微波干燥炉体3、微波低温升温炉体4、微波低温保温炉体5和微波中温升温炉体6上设有微波馈能系统12，在电加热高温升温炉体7和电加热高温保温炉体8上设有电加热系统13，微波馈能系统12连接有冷却水系统14，推板窑本体21设有测温系统15、保温系统16、耐火材料17、排气系统18、气氛系统19和控制系统20。在各段炉体的连接处密封垫，屏蔽连接处的微波和对气进行密封；在进出窑处安装有微波在线检测器，微波泄漏超标报警；推板窑动力采用液压站驱动。
进窑气密室1和出窑气密室11的气密门设计为双重密封结构，参见图3，第一橡胶密封圈22进行气密封，第十密封圈23进行微波屏蔽，防止气密门开启时微波泄露。
进窑气密室1和出窑气密室11内分别设置摆杆式行程开关机构，参见图4，摆杆旋转轴31穿过气密室炉壁32，一部分在气密室内，一部分在气密室外，形成射频天线，对外辐射微波。采用石墨33作摆杆旋转轴31的滑动支撑，使它与炉体形成等势体，不对外辐射微波。
微波抑制炉体2参见图5，在炉腔内焊接多片微波抑制片41，微波抑制片41之间间距L=λ/4+nλ/2mm(n=0,1,2,3…)，λ为需抑制的微波的波长，使微波加热炉体辐射来的微波在微波抑制炉体内得到衰减，有效降低气密室微波辐射强度。
微波干燥炉体3根据氮化钒合成烧成原料与微波耦合特性设计。原料中所含水分在这一炉体段得到充分挥发，干燥。
微波干燥炉体3馈入微波能与生产能力相适应，干燥温度控制在100℃以下，升温速度5℃/min，通过对微波源的开启和关闭，实现对干燥温度的控制。
微波干燥炉体3在干燥过程中物料失重速率快，失重大，挥发物排出炉腔的排出口要求大。为防止微波自排气口泄漏，设计具有微波屏蔽装置的排气口，参见图7，排气孔内焊数个微波截止波导管51，屏蔽微波泄漏。
微波干燥炉体3在干燥过程中挥发物呈碱性，对耐火材料的腐蚀性强，采用抗碱性的耐火材料。
微波低温升温炉体4加热温度从100℃到600℃，包括三个升温区段：100～200℃高温干燥阶段、200～400℃排胶阶段、400～600℃高价钒碳还原为低价钒升温阶段。
微波低温升温炉体4升温区段100～200℃高温干燥阶段阶段的升温速率为3℃/min。
微波低温升温炉体4升温区段200～400℃排胶阶段，升温速率为5℃/min。
微波低温升温炉体4升温区段400～600℃高价钒碳还原为低价钒升温阶段，升温速率为3℃/min。
微波低温保温炉体5加热温度从600℃到600℃，保温10min。
微波中温升温炉体6加热温度从600℃到1300℃，包括二个升温区段：600～900℃低价钒碳化阶段、900～1300℃低价碳化钒氮化阶段。
微波中温升温炉体6升温区段600～900℃低价钒碳化阶段，升温速率为5℃/min。
微波中温升温炉体6升温区段900～1300℃低价碳化钒氮化阶段，升温速率为3℃/min。
微波中温升温炉体6耐火材料采用95#刚玉陶瓷炉管，密度≥3.0g/cm3。
电加热高温升温炉体7，加热温度温度从1300～1520℃，升温速率为6℃/min。
电加热高温升温炉体7，耐火材料采用石墨炉管。
电加热高温升温炉体7与微波中温升温炉体6连接处设有微波屏蔽装置，参见图6。
缓冷炉体9采用减薄炉体内保温材料，增加保温层散热能力使物料缓慢降温，防止在高温下急剧冷却造成匣钵开裂。同时为降低炉体表面温升，采用炉体外表面加水冷套。
水冷炉体10由炉腔、水套和滑条组成，炉腔与匣钵保持10mm间隙，匣钵在滑条上滑动，滑条材料采用石墨，使匣钵热量快速地传递到炉腔，被冷却水带走。
微波馈能系统12由微波电源、磁控管、环行器和水负载组成。根据炉腔内负载特征及温度曲线设计微波馈入口位置，优化微波场在窑炉内的分布。
微波馈能系统12可实现磁控管的在线更换。
电加热系统13由硅钼棒及整流变压器组成。微波被限制在石墨炉管中，硅钼棒加热管被安装在炉管外，石墨炉管屏蔽微波对硅钼棒加热元件的影响。
冷却水系统14由阀门、压力表、管道、水流开关等组成，维持多点供水压力和流量一致，自动控制磁控管的开关，保护磁控管在冷却水保护的情况下工作。参见图8，为维持多点供水压力和流量一致，采用进水顺序和出水顺序相反，即先进后出原则，各进出水管路安装阀门，便于在线维护。
保温系统16在微波加热段采用氧化铝陶瓷纤维板，微波穿透性好，自身发热能力低。在电加热段采用常规保温材料，在微波加热段和电加热段对接处设置微波屏蔽。
耐火材料17由氧化铝、氧化硅和碳化硅按一定比例混合烧成而成。包括炉管和匣钵。其低温介电常数在15～25之间，在低温时耐火材料作为辅助加热材料吸收微波发热，使物料快速升温。另一方面由于其介电常数较少，微波能穿透匣钵，对物料进行微波辐射加热。
排气系统18具有微波屏蔽装置，参见图7，排气孔内焊数个微波截止波导管51，屏蔽微波泄漏，防止微波由排气口泄漏。
气氛系统19采取多点供气，调节个供气点的流量，控制窑炉内腔气氛压力曲线。
控制系统20采用隔离技术，微波供电电源和控制电源采用隔离变压器隔离，屏蔽微波对控制系统的干扰。

Claims (9)

1.一种氮化钒微波、电混合加热合成烧成推板窑，包括推板窑本体，其特征是：在所述的推板窑本体上依次对接设有进窑气密室（1）、微波抑制炉体（2）、微波干燥炉体（3）、微波低温升温炉体（4）、微波低温保温炉体（5）、微波中温升温炉体（6）、电加热高温升温炉体（7）、电加热高温保温炉体（8）、缓冷炉体（9）、水冷炉体（10）和出窑气密室（11），所述的电加热高温升温炉体（7）与微波中温升温炉体（6）连接处设有微波屏蔽装置，在所述的微波干燥炉体（3）、微波低温升温炉体（4）、微波低温保温炉体（5）和微波中温升温炉体（6）上设有微波馈能系统（12），在所述的电加热高温升温炉体（7）和电加热高温保温炉体（8）上设有电加热系统（13），所述的微波馈能系统（12）连接有冷却水系统（14），所述的推板窑本体设有测温系统（15）、保温系统（16）、耐火材料（17）、排气系统（18）、气氛系统（19）和控制系统（20）。
2.根据权利要求1所述的氮化钒微波、电混合加热合成烧成推板窑，其特征在于：所述的进窑气密室（1）和出窑气密室（11）的气密门设计为双重密封结构：第一橡胶密封圈(22)进行气密封，第二密封圈(23)进行微波屏蔽，防止气密门开启时微波泄露。
3.根据权利要求1或2所述的氮化钒微波、电混合加热合成烧成推板窑，其特征在于：所述的进窑气密室（1）和出窑气密室（11）内分别设置有摆杆式行程开关机构：摆杆旋转轴（31）穿过气密室炉壁（32），一部分在气密室内，一部分在气密室外，采用石墨（33）作所述的摆杆旋转轴（31）的滑动支撑。
4.根据权利要求1或2所述的氮化钒微波、电混合加热合成烧成推板窑，其特征在于：所述的微波低温升温炉体（4）、微波低温保温炉体（5）的耐火材料采用抗碱性的耐火材料。
5.根据权利要求1或2所述的氮化钒微波、电混合加热合成烧成推板窑，其特征在于：所述的微波中温升温炉体（6）的耐火材料采用95#刚玉陶瓷炉管，密度≥3.0g/cm3。
6.根据权利要求1或2所述的氮化钒微波、电混合加热合成烧成推板窑，其特征在于：所述的电加热高温升温炉体（7）的耐火材料采用石墨炉管。
7.根据权利要求1或2所述的氮化钒微波、电混合加热合成烧成推板窑，其特征在于：所述的缓冷炉体（9）采用减薄炉体内保温材料，增加保温层散热能力使物料缓慢降温，同时为降低炉体表面温升，采用炉体外表面加水冷套。
8.根据权利要求1或2所述的氮化钒微波、电混合加热合成烧成推板窑，其特征在于：所述的水冷炉体（10）由炉腔、水套和滑条组成，所述的炉腔与所述的匣钵保持10mm间隙，所述的匣钵在所述的滑条上滑动，滑条材料采用石墨，使所述的匣钵热量快速地传递到炉腔，被冷却水带走。
9.根据权利要求1或2所述的氮化钒微波、电混合加热合成烧成推板窑，其特征在于：所述的保温系统（16）在微波加热段采用氧化铝陶瓷纤维板，微波穿透性好，自身发热能力低，在电加热段采用常规保温材料，在微波加热段和电加热段对接处设置微波屏蔽，防止微波泄漏到常规保温材料中加热保温材料。
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