CN106524759B - 一种连续熔炼金属粉末的微波设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种连续熔炼金属粉末的微波设备，微波熔炼炉之微波腔体为不少于五面的奇数面体金属结构，微波腔体各侧壁设有微波发生器，微波发生器过控制单元与电源系统连接，微波腔体内设有熔炼坩埚，微波腔体顶部设有延伸至熔炼坩埚并与控制单元信号连接的测温装置，熔炼坩埚上部设有与螺旋送料机之出料口连通的送料管，螺旋送料机之进料口与载料仓连通，载料仓为可开合密闭仓与气氛保护系统供气管连通，熔炼坩埚底部设有卸料口与下部的溢流槽连通，溢流槽下部设有边缘大于溢流槽的浇注槽，浇注槽底部设有浇注口，浇注口设置有浇铸控制阀，浇注口下端设置有铸锭机。本发明具有生产效率高、能耗低、金属回收率高、适用范围广的特点。

Description

一种连续熔炼金属粉末的微波设备

技术领域

本发明属于工业炉技术领域，具体涉及一种生产效率高、能耗低、金属回收率高、适用范围广的连续熔炼金属粉末的微波设备。

背景技术

随着科学技术的不断发展，金属粉以及由其制备成的复合材料已在冶金、化工、轻工、电子、国防、核技术、航空航天等研究领域呈现出极其重要的应用价值。金属粉末的制备方法日益丰富，从机械法中的球磨法、气流磨粉法到物理化学方法中的雾化法、还原法以及电沉积法等方法，但在这些制备方法中都存在着大量的不合格产品需要进行回炉重熔，以目前工业上广泛使用的旋转雾化法进行焊接锡粉的生产为例，其中有70%以上的粉末需要进行回炉重熔、合金化，再进行锡粉的生产。而在金属粉末回炉重熔的过程中，目前仍广泛采用的是电炉加热的办法，其存在加热速率慢、能耗高等缺点，由于缺乏保护，金属粉末在高温重熔过程中会产生大量的熔炼氧化废渣，在焊接锡粉的熔炼过程中渣率达到了10~20%，造成大量资源的浪费。此外，也有部分采用电磁感应加热熔炼的方法，虽然加热快速高效，但也存在功率大、能耗高。

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，高温工业微波加热熔炼设备的应用较少。

微波加热熔炼设备要达到工业应用标准，提高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加热熔炼设备的效能低，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也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；且密封机构复杂，难以适应连续化工业生产的需求；而且加热过程中存在机械活动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以实现连续加热，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，而且密封机构复杂，粉尘污染严重，难以实现保护气氛下的高温加热。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题及不足，提供了一种生产效率高、能耗低、金属回收率高、适用范围广的连续熔炼金属粉末的微波设备。

本发明是这样实现的：包括载料仓、气氛保护系统、螺旋送料机、微波熔炼炉、微波发生器、测温装置、溢流槽、浇注槽、控制阀、铸锭机、控制单元、电源系统，所述微波熔炼炉之微波腔体为不少于五面的奇数面体金属结构，所述微波腔体的各侧壁分别设置有微波发生器，所述微波发生器通过控制单元与电源系统连接，所述微波腔体内设置有熔炼坩埚，所述微波腔体顶部设置有延伸至熔炼坩埚的测温装置，所述测温装置与控制单元信号连接，所述熔炼坩埚上部设置有与螺旋送料机之出料口连通的送料管，所述螺旋送料机之进料口与载料仓连通，所述载料仓为可开合的密闭仓且与气氛保护系统的供气管连通，所述熔炼坩埚底部设有卸料口且与其下部的溢流槽连通，所述溢流槽的下部设置有边缘大于溢流槽的浇注槽，所述浇注槽底部设有浇注口，所述浇注口设置有浇铸控制阀，所述浇注口下端设置有铸锭机。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、采用微波加热的方式开展金属粉末的熔炼，升温速率可达40~70℃/min，可显著提高金属熔炼效率，缩短工艺过程，降低能耗；

2、通过将微波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发生器，配合多微波源组合的分布耦合技术，可以有效减少微波加热熔炼设备常规设计中的微波源强互耦，从而能够得到能量利用率高、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发生器，以低功率微波发生器的组合实现大功率微波能量输出的目的，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，而且整体对电源配备要求降低，结构简单可靠；

4、采用微波加热，可实现单一金属粉末或合金金属粉末的连续生产以及氧化粉末的连续还原过程，从而具有生产效率高、适用范围广；

5、通过密闭的载料仓连通气氛保护系统，在熔炼时向载料仓中充入保护气体，同时采用密闭的微波熔炼炉进行粉末的熔炼，防止空气中氧对熔炼过程产生影响生成金属氧化物，可有效减少熔炼氧化废渣，提高金属回收率；密闭熔炼也能够显著减少粉末在环境中的飘散，降低工作环境的危险系数。

因此，本发明具有生产效率高、能耗低、金属回收率高、适用范围广、造渣率低的特点，是用于金属粉末熔炼过程的理想设备。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为图1之微波熔炼炉俯视图；

图中：1-载料仓，2-气氛保护系统，3-螺旋送料机，301-电机，4-微波熔炼炉，401-微波腔体，402-熔炼坩埚，403-送料管，404-炉体，5-微波发生器，6-测温装置，7-溢流槽，8-浇注槽，9-控制阀，10-铸锭机，11-输送带，12-搅拌器，13-保温套，14-铸锭模具，15-金属铸锭。

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和2所示，本发明包括载料仓1、气氛保护系统2、螺旋送料机3、微波熔炼炉4、微波发生器5、测温装置6、溢流槽7、浇注槽8、控制阀9、铸锭机10、控制单元、电源系统，所述微波熔炼炉4之微波腔体401为不少于五面的奇数面体金属结构，所述微波腔体401的各侧壁分别设置有微波发生器5，所述微波发生器5通过控制单元与电源系统连接，所述微波腔体401内设置有熔炼坩埚402，所述微波腔体401顶部设置有延伸至熔炼坩埚402的测温装置6，所述测温装置6与控制单元信号连接，所述熔炼坩埚402上部设置有与螺旋送料机3之出料口连通的送料管403，所述螺旋送料机3之进料口与载料仓1连通，所述载料仓1为可开合的密闭仓且与气氛保护系统2的供气管连通，所述熔炼坩埚402底部设有卸料口且与其下部的溢流槽7连通，所述溢流槽7的下部设置有边缘大于溢流槽7的浇注槽8，所述浇注槽8底部设有浇注口，所述浇注口设置有浇铸控制阀9，所述浇注口下端设置有铸锭机10。

所述微波腔体401为五面体、七面体或九面体金属结构，所述微波腔体401与熔炼坩埚402间填充有透波保温材料。

所述熔炼坩埚402为石墨碳化硅复合材质坩埚或碳化硅坩埚。

所述微波腔体401的各侧壁分别开设有至少一个微波馈口，所述微波发生器5通过波导管与微波馈口的法兰固定连接。

所述波导管与微波腔体401之微波馈口的法兰之间通过聚四氟乙烯垫片、石墨垫片或橡胶圈密封。

所述微波发生器5在微波腔体401的各侧壁呈上下双正交排列设置。

本发明五面体金属结构的微波腔体401的侧壁开设5、10或20个微波馈口，所述微波馈口通过波导管分别设置有频率为2450MHz或915MHz，单个功率为0~5kW连续可调的微波发生器5。

所述微波熔炼炉4的顶部在熔炼坩埚402的中心位置设置有搅拌轴延伸至熔炼坩埚402内的搅拌器12，所述搅拌器12的搅拌电机通过控制单元与电源系统连接。

所述搅拌器的转速为20~60rpm，所述搅拌器包括不锈钢叶片及不锈钢搅拌轴。

所述螺旋送料机3的转速为20~60rpm，所述螺旋送料机3的包括不锈钢螺旋片。

所述气氛保护系统2向载料仓1内输入N₂或Ar。

所述测温装置6为热电偶、红外线测温和/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。

所述溢流槽7为石墨溢流槽、碳化硅溢流槽或刚玉溢流槽。

所述浇注槽8之浇注口的外围设置有保温套或由电阻丝及保温棉包裹形成的保温层。

所述载料仓1中的物料为粒径≤100μm的金属单一金属粉末、合金金属粉末或活性炭与氧化金属粉末的混合物。

所述铸锭机10之卸料端设置有与之配套的输送带11。

所述熔炼坩埚402为圆筒形且与微波腔体401的内接圆同心。

本发明工作原理：

本发明通过将微波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发生器，以多微波源组合的分布耦合技术，有效减少微波加热熔炼设备常规设计中的微波源强互耦，从而得到能量利用率高、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的各侧壁分别设置微波发生器，以低功率微波发生器的组合实现大功率微波能量输出的目的，不仅微波发生器的成本大幅降低，而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，结构简单可靠；采用微波加热，可实现单一金属粉末或合金金属粉末的连续生产以及氧化粉末的连续还原过程，具有生产效率高、适用范围广；通过密闭的载料仓连通气氛保护系统，在熔炼时向载料仓中充入保护气体，同时采用密闭的微波熔炼炉进行粉末的熔炼，防止空气中的氧对熔炼过程产生影响生成金属氧化物，可有效的减少熔炼氧化废渣，提高金属回收率；密闭熔炼也能够显著减少粉末在环境中的飘散，降低工作环境的危险系数。进一步将微波腔体设置为五面体、七面体或九面体金属结构，微波腔体与熔炼坩埚间填充有透波保温材料，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，而且填充透波保温材料能够进一步提高能源的利用率和温度的均匀性。更进一步采用具有耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击的石墨碳化硅复合材质坩埚或碳化硅坩埚作为熔炼坩埚，可同时实现物料及炉内温度的快速升温，提高加热速率，而且既可用于金属粉体的熔炼，也适用于氧化粉末的连续还原，使得本发明具有广泛的适用性。进一步将微波腔体的各侧壁分别开设有至少一个微波馈口，微波发生器通过波导管与微波馈口的法兰固定连接，微波发生器在微波腔体的各侧壁呈上下双正交排列设置，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，提高能量利用率高、延长微波发生器寿命，功率输出更加稳定，温度分布更加均匀。进一步将微波熔炼炉的顶部在熔炼坩埚的中心位置设置有搅拌轴延伸至熔炼坩埚内的搅拌器，搅拌器的搅拌电机通过控制单元与电源系统连接，既能保证微波熔炼炉内物料温度的均匀性，而且也能够有效的提高炉内微波的均匀性。进一步在浇注槽之浇注口的外围设置有保温套或由电阻丝及保温棉包裹形成的保温层，能够保证浇铸暂停时不会造成浇注口的堵塞，提供设备的可靠性。综上所述，本发明具有生产效率高、能耗低、金属回收率高、适用范围广、造渣率低的特点。

实施例一

首先在载料仓1中装入锡粉，通过气氛保护系统向载料仓1中充入N₂；然后通过螺旋连续送料机3，以20rpm的送料转速不断地将载料仓1中的锡粉送至微波熔炼炉4的微波腔体401中；锡粉在微波腔体401中，通过各微波发生器8发射总功率为10kW的微波能加热而充分熔化，同时通过搅拌器12以40rpm的搅拌转速对熔融金属进行搅拌；最后，熔炼时间为5min的金属锡液通过溢流槽7自然流入浇铸槽8，并经浇注口注入连续铸锭机10的铸锭模具14中实现锡金属锭的连续浇铸，锡金属锭随铸锭模具14由铸锭机10输送并冷却后坠入输送带16送出。锡粉熔炼的出渣率仅为2.56%。

实施例二

过程如实施例一，以锡粉为熔炼材料，采用本发明经装料、充入Ar保护、送料等过程，以总功率为20kW的微波加热熔炼，送料转速为40rpm，搅拌转速为60rpm，熔炼时间为5min，铸锭中有少量夹杂间杂，熔化效果好，出渣率仅为3.78%。

实施例三

过程如实施例一，以锡粉为熔炼材料，采用本发明经装料、充气保护、送料等过程，以总功率为30kW的微波加热熔炼，送料转速为40rpm，搅拌转速为60rpm，熔炼时间为7min，铸锭中无间杂，熔化效果好，出渣率仅为2.13%。

实施例四

过程如实施例一，以锡粉为熔炼材料，采用本发明经装料、充气保护、送料等过程，以总功率为20kW的微波加热熔炼，送料转速为60rpm，搅拌转速为70rpm，熔炼时间为10min，铸锭中无间杂，熔化效果好，出渣率仅为1.61%。

Claims (7)

1.一种连续熔炼金属粉末的微波设备，其特征在于包括载料仓（1）、气氛保护系统（2）、螺旋送料机（3）、微波熔炼炉（4）、微波发生器（5）、测温装置（6）、溢流槽（7）、浇注槽（8）、控制阀（9）、铸锭机（10）、控制单元、电源系统，所述微波熔炼炉（4）之微波腔体（401）为不少于五面的奇数面体金属结构，所述微波腔体（401）的各侧壁分别设置有微波发生器（5），微波腔体（401）的各侧壁分别开设有至少一个微波馈口，微波发生器（5）通过波导管与微波馈口的法兰固定连接，微波发生器（5）在微波腔体（401）的各侧壁呈上下双正交排列设置，所述微波发生器（5）通过控制单元与电源系统连接，所述微波腔体（401）内设置有熔炼坩埚（402），所述微波腔体（401）顶部设置有延伸至熔炼坩埚（402）的测温装置（6），所述测温装置（6）与控制单元信号连接，所述熔炼坩埚（402）上部设置有与螺旋送料机（3）之出料口连通的送料管（403），所述螺旋送料机（3）之进料口与载料仓（1）连通，所述载料仓（1）为可开合的密闭仓且与气氛保护系统（2）的供气管连通，所述熔炼坩埚（402）底部设有卸料口且与其下部的溢流槽（7）连通，所述溢流槽（7）的下部设置有边缘大于溢流槽（7）的浇注槽（8），所述浇注槽（8）底部设有浇注口，所述浇注口设置有浇铸控制阀（9），所述浇注口下端设置有铸锭机（10）；所述气氛保护系统（2）向载料仓（1）内输入N₂或Ar。

2.根据权利要求1所述连续熔炼金属粉末的微波设备，其特征在于所述微波腔体（401）为五面体、七面体或九面体金属结构，所述微波腔体（401）与熔炼坩埚（402）间填充有透波保温材料。

3.根据权利要求1或2所述连续熔炼金属粉末的微波设备，其特征在于所述熔炼坩埚（402）为石墨碳化硅复合材质坩埚或碳化硅坩埚。

4.根据权利要求1所述连续熔炼金属粉末的微波设备，其特征在于所述微波熔炼炉（4）的顶部在熔炼坩埚（402）的中心位置设置有搅拌轴延伸至熔炼坩埚（402）内的搅拌器（12），所述搅拌器（12）的搅拌电机通过控制单元与电源系统连接。

5.根据权利要求1所述连续熔炼金属粉末的微波设备，其特征在于所述测温装置（6）为热电偶、红外线测温和/或光纤温度传感器。

6.根据权利要求1所述连续熔炼金属粉末的微波设备，其特征在于所述溢流槽（7）为石墨溢流槽、碳化硅溢流槽或刚玉溢流槽。

7.根据权利要求1所述连续熔炼金属粉末的微波设备，其特征在于所述浇注槽（8）之浇注口的外围设置有保温套或由电阻丝及保温棉包裹形成的保温层。