CN106524758B - 一种多功能高温微波金属熔炼设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多功能高温微波金属熔炼设备，包括电源系统、控制模块、微波源、微波反应腔体、吸波加热容器、测温装置、出料装置，微波反应腔体为不少于五面的奇数面体金属结构，微波反应腔体与设备机架固定连接，微波反应腔体各侧壁分别设有微波源，微波源通过控制模块与电源系统连接，微波反应腔体顶部设有密封炉盖，炉盖设有与控制模块信号连接的测温装置，微波反应腔体的底部设有与其固定连接的腔体底板，腔体底板的中心位置设有通孔且下部设有出料装置的升降底座，吸波加热容器设于穿过腔体底板的通孔并置于升降底座上的透波保温套筒内。本发明具有结构简单、热效率和加热速率高、加热均匀性好、适用面广、节能降耗的特点。

Description

一种多功能高温微波金属熔炼设备

技术领域

本发明属于工业炉技术领域，具体涉及一种结构简单、热效率和加热速率高、加热均匀性好、适用面广、节能降耗的多功能高温微波金属熔炼设备。

背景技术

金属熔炼是将金属材料及其它辅助材料投入加热炉熔化并调质，炉料在高温炉内发生一定的物理、化学变化，产出粗金属或金属富集物和炉渣的火法冶金过程。在金属熔炼过程中，选择高效清洁的熔炼设备具有重要意义。传统电加热炉能耗高、规模大、加热效率低、加热时间长，不能满足当前清洁、高效、节能、便捷的生产模式。电磁感应加热熔炼炉虽然加热快速高效，但功率大、能耗高，且仅限于导电物料，存在一定的不足。随着冶金与材料工业的技术进步，传统的金属熔炼及合金制备工业不能满足高效、节能、环保以及灵活的生产模式需求，开发新型清洁、高效、环保及便捷的熔炼装备，对改善传统金属及其合金熔炼模式，推动该领域技术进步具有重要的现实意义。

微波加热作为一种绿色高效的加热方法，是新近发展起来的加热技术，与常规加热方法相比，具有非接触式直接加热、升温速率快、反应时间短、易于自动控制、可降低化学反应温度等优点，符合工业加热设备高效、清洁、易于自控的发展方向。然而，目前国内外微波加热设备主要集中在低温加热应用方面，如食品处理、木柴干燥、橡胶硫化等，高温微波加热熔炼设备的应用较少。

微波高温加热技术是指利用微波能量将材料加热到400℃以上，并对材料进行烧结、合成、改性或者热处理的一类技术。目前，高温微波加热熔炼设备要达到工业应用标准，提高高温微波加热熔炼设备微波功率是主要途径，包括增大单个磁控管的功率及多微波功率源功率合成技术。但是，由于大功率磁控管一方面生产成本高、价格昂贵，而且对电源配备、冷却系统等方面的要求高，维护也不方便，不利于高温微波加热熔炼设备的推广应用；另一方面，受高功率微波的物理产生机制以及器件工艺结构等限制，单个磁控管的微波功率也很有限，难以满足工业加热的功率需求。另外，由于小功率磁控管组合成的大功率微波反应器的效能低，而其主体主要采用由金属壁封闭的矩形谐振腔结构会由于腔体构造不合理和磁控管安装位置不合理，造成各磁控管发出的电磁波相互干涉抵消、磁控管寿命大幅缩短，而且磁控管的功率输出受反射波谐振的影响而不稳定，微波场场强的分布不均匀导致加热不均匀。为了降低小功率磁控管组合对矩形谐振腔结构和磁控管安装位置的高要求，部分高温微波加热熔炼设备采用单向设置多个小功率磁控管的组合，然后通过转动托架来带动加热物料转动，使加热物料各部位均匀吸收微波以避免局部过热，但却存在整体微波功率小，从而只能加热小体积的物料；或者采用大功率磁控管及其组合，又会存在整体成本高、配套设施要求高、维护不便的弊端；而且加热过程中存在活动机械部件还会降低整体的可靠性。此外，也有采用隧道式串联多个磁控管的方法来降低对矩形谐振腔结构和磁控管安装位置的要求，但也存在着单一加热功率小，造成仅适用于小体积物料的加热且加热速度慢，而过于分散的磁控管设置又会造成反应器结构复杂、散热面积大的缺陷。高温微波加热熔炼设备中谐振腔内的微波能量分布不仅与微波源、波导、谐振腔的结构及尺寸等因素密切相关，而且不同加热物料的电磁特性热物性参数差异较大，加热工艺也不尽相同，因而对于给定的物料需要设计专用的高温微波加热熔炼设备，使得高温微波加热熔炼设备难以成为一种通用型设备。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题及不足，提供了一种结构简单、热效率和加热速率高、加热均匀性好、适用面广、节能降耗的多功能高温微波金属熔炼设备。

本发明是这样实现的：包括电源系统、控制模块、微波源、微波反应腔体、吸波加热容器、测温装置、出料装置，所述微波反应腔体为不少于五面的奇数面体金属结构，所述微波反应腔体与设备机架固定连接，所述微波反应腔体的各侧壁分别设置有微波源，所述微波源通过控制模块与电源系统连接，所述微波反应腔体的顶部设置有密封炉盖，所述炉盖设置有与控制模块信号连接的测温装置，所述微波反应腔体的底部设置有与其固定连接的腔体底板，所述腔体底板的中心位置设置有通孔且下部设置有出料装置的升降底座，所述吸波加热容器设置于穿过腔体底板的通孔并置于升降底座上的透波保温套筒内，所述出料装置带动吸波加热容器及透波保温套筒随升降底座上下移动。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明采用微波加热的方式开展金属熔炼，升温速率可达50~70℃/min，可显著提高金属熔炼效率，缩短工艺过程，降低能耗，避免了常规电加热的高功率用电，简化了熔炼装备结构，降低了设备总功率要求和安装条件；

2、通过将微波反应腔体设置为不少于五面的奇数面体金属结构且各侧壁分别设置微波源，以多微波源组合的分布耦合技术，有效减少高温微波加热熔炼设备常规设计出现的微波源强互耦，得到了能量利用率高、微波源寿命长和功率输出稳定、温度分布均匀的大型化谐振腔；

3、通过在微波反应腔体的各侧壁分别设置微波源，以低功率微波发生器的组合实现大功率微波加工的目的，不仅微波发生器的成本大幅降低，且微波发生器失效后的更换成本低廉，整体对电源配备要求降低，而且可采用简单的水冷或风冷系统实现冷却，结构简单可靠；

4、采用石墨、碳化硅等吸波加热容器作为物料承载容器及加热元件，可同时实现物料及炉内温度的快速升温，提高加热速率，既可用于金属氧化物、金属粉体、块体金属及合金的熔炼，也适用于合金调质等工艺，适用面广。

因此，本发明具有结构简单、热效率和加热速率高、加热均匀性好、适用面广、节能降耗的特点。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为图1之俯视图；

图3为图1之微波反应腔体正视图；

图4为图3之仰视图；

图5为本发明之微波反应腔体结构示意图；

图6为本发明之升温曲线；

图中：1-电源系统，2-控制模块，3-微波源，4-微波反应腔体，401-腔体底板，5-吸波加热容器，6-测温装置，7-出料装置，701-升降底座，702-升降螺旋丝杆，703-驱动机构，704-升降导向柱，705-限位开关，8-设备机架，9-炉盖，901-充气孔，902-气压安全阀，903-气压表，904-排气孔，905-真空抽气口，10-透波保温套筒，11-透波保温层，12-矩形波导管，13-搅拌装置，131-搅拌电机，132-搅拌叶片，14-固定底座，15-万向轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。

如图1至6所示，本发明包括电源系统1、控制模块2、微波源3、微波反应腔体4、吸波加热容器5、测温装置6、出料装置7，所述微波反应腔体4为不少于五面的奇数面体金属结构，所述微波反应腔体4与设备机架8固定连接，所述微波反应腔体4的各侧壁分别设置有微波源3，所述微波源3通过控制模块2与电源系统1连接，所述微波反应腔体4的顶部设置有密封炉盖9，所述炉盖9设置有与控制模块2信号连接的测温装置6，所述微波反应腔体4的底部设置有与其固定连接的腔体底板401，所述腔体底板401的中心位置设置有通孔且下部设置有出料装置7的升降底座701，所述吸波加热容器5设置于穿过腔体底板401的通孔并置于升降底座701上的透波保温套筒10内，所述出料装置7带动吸波加热容器5及透波保温套筒10随升降底座701上下移动。

所述微波反应腔体4为五面体、七面体或九面体金属结构，所述微波反应腔体4的内壁设置有透波保温层11。

所述透波保温套筒10为多晶莫来石保温套筒和/或透波保温层11为多晶莫来石保温板，所述吸波加热容器5为石墨坩埚或碳化硅坩埚。

所述碳化硅坩埚采用圆台形结构，耐热温度为0~1600℃，容量为10~50L，壁厚为15~30mm。

所述吸波加热容器5整体置于多晶莫来石的透波保温套筒10中，所述透波保温套筒10置于升降底座701上的固定底座14的内随升降实现装料和出料。

所述微波反应腔体4的各侧壁分别开设有至少一个微波源馈口，所述微波源3通过矩形波导管12与微波源馈口的法兰固定连接。

所述矩形波导管12与微波反应腔体4之微波源馈口的法兰之间通过聚四氟乙烯垫片、石墨垫片或碳化硅垫圈实现腔体密封。

所述微波源3在微波反应腔体4的各侧壁呈双正交排列设置。

本发明五面体结构的微波反应腔体4的侧壁开设5、10或20个微波源馈口，所述微波源馈口通过矩形波导管12分别设置有频率为2450MHz或915MHz、单个功率为0~1kW连续可调的微波源3，所述微波源3之间采用串联循环水负载进行冷却保护。

所述炉盖9中心位置设置有搅拌轴延伸至吸波加热容器5内的搅拌装置13，所述搅拌装置13的搅拌电机通过控制模块2与电源系统1连接。

所述搅拌装置13的搅拌速度为5~20r/min。

所述炉盖9分别设置有充气孔901、气压安全阀902、气压表903、和排气孔904，所述气压表903与控制模块2信号连接，所述微波反应腔体4的侧壁下部设有真空抽气口905，所述真空抽气口905与抽真空装置连接，所述充气孔901与供气装置连接。

所述微波反应腔体4及其炉盖9、升降底座701构成的密闭微波反应腔体压力范围为2~15×104Pa。

所述测温装置6为热电偶、红外线和/或光纤温度传感器。

所述热电偶的金属保护管外壁设置有屏蔽保护套。

所述光纤温度传感器为半导体吸收式光纤温度传感器、荧光辐射式光纤温度传感器、光纤液晶温度传感器、光纤辐射温度传感器或接触式点传感器。

所述出料装置7包括升降底座701、升降螺旋丝杆702、驱动机构703、升降导向柱704、限位开关705，所述升降导向柱704与设备机架8固定连接，所述升降底座701设置有与升降螺旋丝杆702配合的螺孔且设置套接于升降导向柱704的导向孔，所述驱动机构703与升降螺旋丝杆702连接以驱动其旋转，所述限位开关705设置于升降底座701的上部和/或下部并与设备机架8固定连接，所述驱动机构703通过控制模块2与电源系统1连接，所述限位开关705与控制模块2 信号连接。

所述炉盖9、升降底座701与微波反应腔体4的上下端面通过聚四氟乙烯垫片、石墨垫片或橡胶圈密封。

所述微波反应腔体4为壁厚5~8mm的不锈钢五面体结构，所述微波反应腔体4的侧壁与腔体底板401焊接或铆接固定，所述微波反应腔体4的侧壁与炉盖9螺栓连接。

本发明工作原理和工作过程：

本发明通过将微波反应腔体4设置为不少于五面的奇数面体金属结构且各侧壁分别设置微波源3，以多微波源组合的分布耦合技术，有效减少高温微波加热熔炼设备常规设计出现的微波源强互耦，得到了能量利用率高、微波源寿命长和功率输出稳定、温度分布均匀的大型化谐振腔；通过在微波反应腔体4的各侧壁分别设置微波源3，以低功率微波发生器的组合实现大功率微波加工的目的，不仅微波发生器的成本大幅降低，且微波发生器失效后的更换成本低廉，对电源配备要求降低，而且可采用简单的水冷或风冷系统实现冷却，整体结构简单可靠；采用石墨、碳化硅等制造的吸波加热容器5作为物料承载容器及加热元件，可同时实现物料及炉内温度的快速升温，提高加热速率，既可用于金属氧化物、金属粉体、块体金属及合金的熔炼，也适用于合金调质等工艺，适用面广。进一步将微波反应腔体4设置为五面体、七面体或九面体金属结构，且内壁设置有透波保温层11，不仅能够有效的降低现有技术中的矩形谐振腔或圆形谐振腔中低功率微波发生器组合强互耦作用，使得整体能量利用率高、微波源寿命长和功率输出稳定、温度分布均匀，而且透波保温层11能够进一步提高能源的利用率和温度的均匀性。更进一步，透波保温套筒10为多晶莫来石保温套筒和/或透波保温层为多晶莫来石保温板，吸波加热容器5为石墨坩埚或碳化硅坩埚，采用多晶莫来石保温套筒或多晶莫来石保温板能达到节能增产、减少炉内温差、提高产品质量、减少备件消耗、延长炉体寿命、改善工作环境之目的；而采用具有耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击的石墨坩埚或碳化硅坩埚作为吸波加热容器，可同时实现物料及炉内温度的快速升温，提高加热速率，本发明既可用于金属粉体、块体金属及合金的熔炼，也适用于合金调质等工艺，使得本发明具有广泛的适用性。进一步将微波反应腔体4的各侧壁分别开设有至少一个微波源馈口，微波源3通过矩形波导管与微波源馈口的法兰固定连接，矩形波导管与微波反应腔体4之微波源馈口的法兰之间通过聚四氟乙烯垫片、石墨垫片或碳化硅垫圈实现腔体密封，微波源3在微波反应腔体4的各侧壁呈双正交排列设置，能够在保证本发明整体功率达到工业应用的同时，可以有效的降低整体成本、维护便捷，而且还能够降低常规低功率微波发生器组合强互耦作用，减少乃至杜绝微波泄漏，整体安全可靠。进一步在炉盖分别设置有充气孔901、气压安全阀902、气压表903和排气孔904，气压表903与控制模块信号连接，微波反应腔体4的侧壁下部设有真空抽气口905，真空抽气口905与抽真空装置连接，在保证本发明安全性的同时，还使其具有真空熔炼和保护气氛熔炼的能力，进一步拓展了使用范围。进一步创新性的采用底部升降出料装置，有效简化了本发明的整体结构和提高了其可靠性。综上所述，本发明具有结构简单、热效率和加热速率高、加热均匀性好、适用面广、节能降耗的特点。

如图1至6所示，本发明的控制模块2采用PLC自动控制，触摸屏调节。使用时，通过点击触摸屏启动出料装置7的驱动机构703使升降底座701下降至最低行程，将熔炼物料装入碳化硅坩埚中，然后启动驱动机构703，通过升降螺旋丝杆702顶起升降底座701与微波反应腔体4形成密闭空间；通过抽气和充气装置，先后经真空抽气口905将微波反应腔体4抽取到预定真空压力，然后通过充气孔901充入保护气体到预定压力；开启循环冷却水，通过触摸屏设置工艺条件后馈入微波加热物料并保温；保温时间到以后先关闭微波源3，再下降升降底座701至限位开关705位置，最后开启炉门取出碳化硅坩埚。本发明按如上步骤实施，采用碳化硅坩埚作为熔炼及加热器件，在20kW微波功率下，升温曲线如图6所示。

Claims (8)

1.一种多功能高温微波金属熔炼设备，其特征在于包括电源系统（1）、控制模块（2）、微波源（3）、微波反应腔体（4）、吸波加热容器（5）、测温装置（6）、出料装置（7），所述微波反应腔体（4）为不少于五面的奇数面体金属结构，所述微波反应腔体（4）与设备机架（8）固定连接，所述微波反应腔体（4）的各侧壁分别设置有微波源（3），所述微波反应腔体（4）的各侧壁分别开设有至少一个微波源馈口，所述微波源（3）通过矩形波导管（12）与微波源馈口的法兰固定连接，微波源（3）在微波反应腔体（4）的各侧壁呈双正交排列设置，所述微波源（3）通过控制模块（2）与电源系统（1）连接，所述微波反应腔体（4）的顶部设置有密封炉盖（9），所述炉盖（9）设置有与控制模块（2）信号连接的测温装置（6），所述微波反应腔体（4）的底部设置有与其固定连接的腔体底板（401），所述腔体底板（401）的中心位置设置有通孔且下部设置有出料装置（7）的升降底座（701），所述吸波加热容器（5）设置于穿过腔体底板（401）的通孔并置于升降底座（701）上的透波保温套筒（10）内，所述出料装置（7）带动吸波加热容器（5）及透波保温套筒（10）随升降底座（701）上下移动，所述微波反应腔体（4）为五面体、七面体或九面体金属结构，所述微波反应腔体（4）的内壁设置有透波保温层（11），所述炉盖（9）中心位置设置有搅拌轴延伸至吸波加热容器（5）内的搅拌装置（13）。

2.根据权利要求1所述多功能高温微波金属熔炼设备，其特征在于所述透波保温套筒（10）为多晶莫来石保温套筒，所述吸波加热容器（5）为石墨坩埚或碳化硅坩埚。

3.根据权利要求1所述多功能高温微波金属熔炼设备，其特征在于所述透波保温层（11）为多晶莫来石保温板，所述吸波加热容器（5）为石墨坩埚或碳化硅坩埚。

4.根据权利要求1所述多功能高温微波金属熔炼设备，其特征在于所述搅拌装置（13）的搅拌电机通过控制模块（2）与电源系统（1）连接。

5.根据权利要求1所述多功能高温微波金属熔炼设备，其特征在于所述炉盖（9）分别设置有充气孔（901）、气压安全阀（902）、气压表（903）、和排气孔（904），所述气压表（903）与控制模块（2）信号连接，所述微波反应腔体（4）的侧壁下部设有真空抽气口（905），所述真空抽气口（905）与抽真空装置连接，所述充气孔（901）与供气装置连接。

6.根据权利要求1所述多功能高温微波金属熔炼设备，其特征在于所述测温装置（6）为热电偶、红外线和/或光纤温度传感器。

7.根据权利要求1所述多功能高温微波金属熔炼设备，其特征在于所述出料装置（7）包括升降底座（701）、升降螺旋丝杆（702）、驱动机构（703）、升降导向柱（704）、限位开关（705），所述升降导向柱（704）与设备机架（8）固定连接，所述升降底座（701）设置有与升降螺旋丝杆（702）配合的螺孔且设置套接于升降导向柱（704）的导向孔，所述驱动机构（703）与升降螺旋丝杆（702）连接以驱动其旋转，所述限位开关（705）设置于升降底座（701）的上部和/或下部并与设备机架（8）固定连接，所述驱动机构（703）通过控制模块（2）与电源系统（1）连接，所述限位开关（705）与控制模块（2）信号连接。

8.根据权利要求1所述多功能高温微波金属熔炼设备，其特征在于所述炉盖（9）、升降底座（701）与微波反应腔体（4）的上下端面通过聚四氟乙烯垫片、石墨垫片或橡胶圈密封。