CN103194578A - 微波能高温气氛热处理炉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波能高温气氛热处理炉，属于微波加热技术领域。本发明的微波能高温气氛热处理炉主要由炉体、绕线装置、微波发生与控制系统、温度测量与控制系统组成，其中炉体从外至内由封闭微波的长方体状金属腔体、硅酸铝陶瓷纤维毯保温层、硅酸铝或氧化铝陶瓷纤维板、SiC吸波发热层、SiC粉和高温合金管组成。具有上述结构特征的微波能高温气氛热处理炉升温速度快，生产效率高，节能效果极为显著，可用作各种金属或合金丝的热处理炉，具有巨大的推广应用价值和商业价值。
Description
技术领域
本发明属于微波加热技术领域，具体是涉及一种微波能高温气氛热处理炉。
背景技术
目前，金属或合金丝热处理用的高温气氛热处理炉普遍采用传统的电加热，此类热处理炉的缺点是：
(1)升温速度慢，生产效率低：升温至工作温度(一般是1150℃)大约需要8h。
(2)加热室体积大，热量损失多。
(3)加热元器件更换不便，维修和更换需要停止生产。
(4)能耗高。
微波能作为一种新型的节能环保的加热方式，被誉为“人类的第二团火焰”，已经越来越多的应用于加热领域。目前比较成熟的工业应用包括：干燥脱水、灭菌、硫化、烧结等，比较成熟的实验室应用包括：微波马弗炉、微波消解仪、微波灰化炉、微波化学反应器等，当然最为典型的民用产品是家用微波炉。实际加热应用的微波通常是频率为915MHz和2450MHz的电磁波。微波加热的简单原理是其交变电磁场的极化作用使材料内部的自由电荷重新排布及偶极子的反复调旋，从而产生强大的振动和摩擦，在这一微观过程中交变电磁场的能量转化为介质内的热能，导致介质温度升高，因此微波加热是介质材料自身损耗电磁场能量而发热，本质上属于内加热方式。微波加热显著不同于常规的电加热方式，具有如下优点：(1)属于内加热，具有不接触性；(2)加热速度快；(3)加热效率高，可显著节能；(4)可选择性的加热物料；(5)热惯性小；(6)对化学反应具有催化作用。
目前，高温微波加热技术尚不成熟，工业规模的微波能高温应用也仅限于很少量的微波烧结，但是高温微波加热技术的开发及相关设备的制造是推进微波能广泛应用的重中之重。人们一般认为微波能的应用领域只能是那些能够有效吸收微波而发热的材料加热领域，例如：通常认为金属与合金类材料的加热不能利用微波能。SiC、AlN、MoSi2、K2Ti6O13、石墨等材料均可以强烈吸收微波而迅速发热，而SiC棒和MoSi2棒又是最常用的传统高温电热元件，因此本发明的发明人认为：我们可以将SiC、MoSi2等微波强吸收材料以各种方式和方法涂覆在实验室用加热设备或工业用窑炉的炉膛(即：加热腔)内表面，这样，炉膛或加热腔内表面上的微波强吸收材料就可以强烈吸收微波而将这部分微波能转变为自身的热能并迅速发热升温，从而对炉膛或加热腔内的材料进行间接的微波加热，即：可以对微波不能直接加热的材料通过这种间接方法利用微波能进行加热。为此，本发明的发明人已经于2009年申请了5项发明专利：CN101568208A、CN101565322A、CN101568206A、CN101565307A、CN101568207A。本质上，这种加热方式属于混合加热方式，即：微波加热与传统电加热混合加热，这种情况下炉膛或加热腔内表面上的微波强吸收材料即相当于传统电加热中的SiC棒和MoSi2棒等电热元件，随着炉膛或加热腔内表面上的微波强吸收材料厚度的增大，微波被炉膛内的待加热材料直接吸收的越来越少，因此纯微波加热的能量占比越来越小，传统电加热的能量占比越来越大，当炉膛或加热腔内表面上的微波强吸收材料厚度足够大，即大于某一临界厚度时，微波将几乎完全被其吸收，而炉膛或加热腔内的待加热材料或样品将几乎吸收不到微波，因此这时为完全的传统电加热。不同的微波吸收发热材料和不同的微波频率决定不同的临界厚度，实际临界厚度值可由实验来确定。这种间接的微波能高温加热方法——微波加热与传统电加热混合加热方法，对待加热的材料和样品没有特殊要求，原来不能通过微波加热的金属材料基于这种加热原理也可以实现加热，因此可以极大的拓展微波能加热的应用领域，有力推动微波能工业化规模应用的进程，这也必将强烈的冲击传统的电加热方式，甚至有可能改变传统加热方式在人类生产生活中的主导地位，给工业和民用加热方式带来革命性的变革。
上述加热理念拓展和丰富了现有的加热方式，将实验室和工业应用领域中传统的、也是唯一的电加热方式，拓展为三种加热方式：微波加热、传统电加热、两者混合加热，为此本发明人在实验室应用领域率先提出并开发了适用于“微波材料学”研究的“微波材料学工作站”实验平台产品，在工业加热领域率先提出并开发了“微波能高温气氛热处理炉”，以克服现有工业高温气氛热处理炉的不足。
发明内容
本发明的目的是克服现有高温气氛热处理炉升温速度慢、能耗高的的缺点，发明了一种新型的升温速度快、节能效果显著的微波能高温气氛热处理炉，用于工业上金属或合金丝的连续热处理。
本发明是通过如下技术方案来实现上述目的的。本发明所述的一种微波能高温气氛热处理炉，其特征在于，它由炉体、绕线装置、微波发生与控制系统、温度测量与控制系统组成。
所述的炉体从外至内由封闭微波的长方体状金属腔体、硅酸铝陶瓷纤维毯保温层、硅酸铝或氧化铝陶瓷纤维板、SiC吸波发热层、SiC粉和高温合金管组成，如图1所示；其中，硅酸铝或氧化铝陶瓷纤维板制作成长方体状的腔体结构作为加热室，该加热室腔体内表面喷涂SiC粉作为吸波发热层，高温合金管沿炉体长度方向贯穿整个炉体及加热室，高温合金管在加热室内的部分包埋在SiC粉中。
本发明所述的微波能高温气氛热处理炉，其加热原理是：陶瓷纤维板内表面的SiC吸波发热层和包埋高温合金管的SiC粉均吸收微波而自身发热升温，其中SiC吸波发热层吸收微波发热后确保整个加热室均与加热，包埋高温合金管的SiC粉吸收微波发热后通过热传递使高温合金管在0.5h～2h内升温至1100℃～1250℃。其中高温合金管可以是2520高温合金管、2080高温合金管、或其它Ni基、Ti基高温合金管，管径通常在20mm以下。
所述的加热室由多个连续的独立控温的加热区组成，加热区的分隔方法是沿加热室的长度方向每隔50cm用高温合金隔板和陶瓷纤维板分隔成一个独立的加热区。其中高温合金板可以是2520高温合金板、2080高温合金板、或其它Ni基、Ti基高温合金板。
所述的高温合金隔板与封闭微波的金属腔体紧密连接，确保每个加热区形成一个独立的微波场；高温合金隔板位于加热室外、保温层内的部分冲孔以减少散热，孔径小于6mm。
本发明所述的微波能高温气氛热处理炉，其使用方法是：待热处理的金属或合金丝从高温合金管内通过，同时高温合金管内通入保护性的气氛，启动微波加热后，SiC吸波发热层吸收微波发热后，整个加热室的全部加热区开始均匀加热，并将热量传递给包埋高温合金管的SiC粉，同时包埋高温合金管的SiC粉也将吸收部分微波而发热，并通过热传递迅速传递给高温合金管，最终通过温控系统将全部加热区独立加热控温至某一恒定温度并保温，当金属或合金丝在绕线装置带动下从高温合金管内通过时而被迅速加热并完成金属或合金丝的热处理过程，例如：钢丝退火。
本发明的优点和积极效果：
本发明所述的一种微波能高温气氛热处理炉，具有如下优点和积极效果：
(1)升温速度快，生产效率高：升温至工作温度(一般是1150℃)仅仅大约需要1h，而相同功率下传统的电加热高温气氛热处理炉升温至工作温度一般大约需要8h。
(2)加热室体积小，热量损失少，有利于快速升温和节能。
(3)加热元器件更换方便，维修和更换甚至可以不需要停止生产。
(4)节能效果极为显著，具有重要的推广价值和巨大的经济价值。
附图说明
图1本发明的第一个实施例所述的微波能高温气氛热处理炉炉体结构示意图，其中：图1a是炉体外观立体结构示意图，图1b是图1a的A-A截面侧视剖视结构示意图。
第一个实施例的图中数字说明：
1——金属腔体，2——硅酸铝陶瓷纤维毯保温层，3——硅酸铝或氧化铝陶瓷纤维板，4——SiC吸波发热层，5——SiC粉，6——高温合金管
具体实施方式
下列实施例是对本发明的进一步解释和说明，对本发明不构成任何限制。
实施例1：
本发明第一个实施例的微波能高温气氛热处理炉由炉体、绕线装置、微波发生与控制系统、温度测量与控制系统组成，炉体从外至内由封闭微波的长方体状金属腔体、硅酸铝陶瓷纤维毯保温层、氧化铝陶瓷纤维板、SiC吸波发热层、SiC粉和高温合金管组成，如图1所示，其中，封闭微波的长方体状金属腔体用不锈钢板制作，长宽高分别是：210cm×110cm×70cm；厚度约3cm的氧化铝陶瓷纤维板制作成长方体状的腔体结构作为加热室，在该加热室腔体内表面喷涂SiC粉的浆料(加适量水)作为吸波发热层，加热室和不锈钢金属腔体之间填充硅酸铝陶瓷纤维毯作为保温层；全部2520高温合金管直径为16mm，沿炉体长度方向贯穿整个炉体及加热室，2520高温合金管在加热室内的部分包埋在SiC粉中。整个加热室的长宽高分别是：150cm×50cm×10cm，由3个连续的独立加热区组成，每个加热区的长度是50cm，相邻加热区之间用2mm厚的2520高温合金板分隔。每个加热区独立进行温度测量与控制，高温合金隔板位于加热室外、保温层内的部分冲孔以减少散热，孔径小于6mm。
具有上述结构的微波能高温气氛热处理炉，其加热原理和使用方法是：2520高温合金管内通入Ar气作为保护性气氛，启动微波加热后，SiC吸波发热层吸收微波发热后，整个加热室的全部加热区分别独立的开始均匀加热，并将热量传递给包埋2520高温合金管的SiC粉，同时包埋高温合金管的SiC粉也将吸收部分微波而发热，并通过热传递迅速传递给高温合金管，最终通过温控系统将全部加热区在1h内独立加热至1150℃并保温，当金属或合金丝在绕线装置带动下从2520高温合金管内通过时将被迅速加热并完成金属或合金丝的热处理过程，例如：钢丝退火。
Claims (5)
1.一种微波能高温气氛热处理炉，其特征在于，它由炉体、绕线装置、微波发生与控制系统、温度测量与控制系统组成。
2.根据权利要求1所述的微波能高温气氛热处理炉，其特征在于，所述的炉体从外至内由封闭微波的长方体状金属腔体、硅酸铝陶瓷纤维毯保温层、硅酸铝或氧化铝陶瓷纤维板、SiC吸波发热层、SiC粉和高温合金管组成；其中，硅酸铝或氧化铝陶瓷纤维板制作成长方体状的腔体结构作为加热室，该加热室腔体内表面喷涂SiC粉作为吸波发热层，高温合金管沿炉体长度方向贯穿整个炉体及加热室，高温合金管在加热室内的部分包埋在SiC粉中。
3.根据权利要求1和2所述的微波能高温气氛热处理炉，其特征在于，其加热原理是：陶瓷纤维板内表面的SiC吸波发热层和包埋高温合金管的SiC粉均吸收微波而自身发热升温，其中SiC吸波发热层吸收微波发热后确保整个加热室均与加热，包埋高温合金管的SiC粉吸收微波发热后通过热传递使高温合金管在0.5h～2h内升温至600℃～1250℃。
4.根据权利要求1和2所述的微波能高温气氛热处理炉，其特征在于，所述的加热室由多个连续的独立控温的加热区组成，加热区的分隔方法是沿加热室的长度方向每隔50cm用高温合金隔板分隔成一个独立的加热区。
5.根据权利要求1和3所述的微波能高温气氛热处理炉，其特征在于，所述的高温合金隔板与封闭微波的金属腔体紧密连接，确保每个加热区形成一个独立的微波场；高温合金隔板位于加热室外、保温层内的部分冲孔以减少散热，孔径小于6mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20151125 |