CN107429973A - 微波复合加热炉 - Google Patents

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伊藤響
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Pula Di Pu Metal Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种微波复合加热炉，该微波复合加热炉充分体现了通过微波加热而产生的微波效应，并能够利用各加热方法的特征而经济地加热。所提供的微波复合加热炉(1)包括：壳体(10)；加热容器(11)，用于容纳和加热要被加热的物体；加热装置(12)，用于从外部加热该加热容器(11)；微波照射装置(13)；要被加热物体供给装置(14)，该要被加热物体供给装置(14)将该要被加热物体供给加热容器(11)的内部；气体引入装置(15)，用于将气体引入加热容器(11)内；以及气体回收装置(16)，用于回收在加热该要被加热物体时产生的气体。加热容器(11)包括具有高电导率的材料，以便反射微波和将微波限制在内部，且该材料有较高耐热性，以便不会与被加热物体反应，从而将照射至加热容器(11)内的微波限制为并不穿过加热容器的外壁，并能够提高电磁场密度。

Description

微波复合加热炉
技术领域
本发明涉及一种微波复合加热炉，通过使用微波和外部加热(例 如燃烧器)的组合来对加热物体进行加热。
背景技术
众所周知，自从1980年以来，高功率的微波发射到加热物体进 行加热，以便提供例如：
(1)更低反应温度；
(2)更短反应时间；
(3)产生高纯度的材料(反应选择性)。
这些性能不同于通过火焰或高温气体进行常规加热而获得的那 些化学和物理性能。这些性能被称为“微波效应”，该“微波效应” 是由于在电磁能释放成热量之前微波电磁能直接作用在物质的分子 结构上而引起的。很多领域已经进行了很多尝试来应用这种效果。
如图4(A)所示，在加热炉只通过微波来提供加热操作的情况 下，为了提供相同量的热能，用于供给微波能的设备(微波源)所需 的成本比外部加热类型的设备(例如气体燃烧器)要高1digit，因此 需要高得多的成本。例如，在专利文献1所述的技术中，使用这样的结构，它使得微波能够穿过绝热材料和耐热材料，从而进入炉体的内 部。因此，如图4(B)所示的方法提出使用微波和常规外部加热的 组合，该常规外部加热使用诸如燃烧器的热源，因此该方法有较低的 装置和运行成本(例如，专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本未审查专利申请文献公开号2002-130960
专利文献2：日本未审查专利申请文献公开号2013-216943
非专利文献
非专利文献1：Roy,R.,Peelamedu,P.D.,Hurtt,L.,Cheng,J.P.和 Agrawal,D.的“Definitive experimental evidence for Microwave Effects: Radically neweffects of separated E and H field,such as decrystallization of oxides inseconds”,Mat.Res.Innovat.,Innoval,6,(2002)第128-140页
非专利文献2：B.C.Towe的“Induced Ultra-High Frequency UltrasonicVibration as the Driving Force for Reported Sub-Thermal Microwave Effects onMaterials”，Materails Science and Technology(MS &T)，2009年10月25-29，Pittsburgh,PA.Copy Right MS&T09New Roles for Electric and Magnetic Fields
非专利文献3：M.C.Seele和B.Vural的“Wave Interactions in Solid StatePlasmas”，McGrow Hill(1968)，第8-9章
非专利文献4：Landau Lifshitz(Satou Tsunezo翻译)的“Dansei Riron”，TokyoTosho，第192-193页。
本发明要解决的技术问题
本发明人对于微波效应进行了以下研究。
研究反应速度的过渡状态理论的应用已经扩展至固相、液相和表 面以及光化学、催化剂和同位素。自1980以来，在使用微波或各种 化学反应的烧结中，已经发现了称为微波效应或者非热效应(例如减 小活化能)或者快速和选择性化学反应(该化学反应不能在一般加热 操作中产生)的现象。在2002年，R.Roy等人显示了一项试验结果， 微波效应的奥秘存在于弛豫过程中，实质上是电磁波能量释放成热 量，该热量是具有高度无序性的动能(非专利文献1)。在2009年， B.C.Towe指出了“在高温范围中的微波和超声波产品之间的相似性” (非专利文献2)。这种研究的目的是通过将过渡状态理论应用于称为 微波干扰的非平衡系统而解释试验结果。
由于多晶性、粉末或团，物质在空间上基本不均匀，例如晶粒边 界。微波具有电磁场，该电磁场作用在这种表面的电荷上。当该作用 与干扰的机械性能和由物质拥有的电气性能(例如压电性或分子磁 性)相组合时，然后称为电动态波(EKW)的波被驱动(非专利文献 3)。理论上已经证明了这种弹性波具有衰减率，当物质具有由颗粒直 径a确定的多晶结构、粉末等，且满足条件“频率ω>>温度电导率χ/a 2”时，该衰减率与频率数的平方根成正比(非专利文献4)。例如， 当应用具有几微米颗粒直径的恒定氧化铝材料时，然后微波波段的超 声波被驱动，并能够由固态等离子体中的分散公式来表达。缺点是微 波具有大约10- 5eV的光子能量，这与化学键的1eV能量相比过低。 因此，可能有这样的情况，即使当分子中的电子在微波电磁场中振荡 时，也不会驱动化学反应。由于EKW具有大约声波的相位速度，因 此，本发明人得到了一个工作假设，根据该工作假设，离子在晶格中 的热振动引起Landau阻尼，该Landau阻尼引起在速度空间中的无碰 撞阻尼，这因此使得波能量在无碰撞过程中积累在晶格振动中。
然后，本发明人将第一阶波动“f0(v)·(v-vph)·g(v-vph)”增加至热平 衡系统的速度分布函数“f0(v)”，以便根据Eyring的绝对反应速度理 论来得出微波不平衡系统的反应速度常数K*。假设对于声波幅值“ξ” 建立“ξ2<<RT/m*”
等式1
其中，“Qa”和“Qb”表示反应剂A和B的分配函数；“Q+”表 示一维转变分配函数；“T”表示热力学温度；“h”表示Planck常量； 而“E*”表示活化能。
在上述等式右侧的[]中的第一项表示化学反应速度(由于根据公 知的过渡状态理论产生的热量)。第二项表示由于微波的扰动而促进 化学反应的效果。这表示随着由于微波的波动增加(即幅值“ξ”的 超声波的能量“ξ2”)，微波效应更明显。
得出的反应常数表示微波能引起物质中的带电粒子波动，以便驱 动小声波振动，且波动进行加速，从而导致产生具有对齐相位的声波 振动，因此获得与热振动等效的能量。为了实现该理论的工业应用， 需要导出该产生的声波的幅值的特定数值和微波功率之间的关系。声 波幅值的计算生长时间不能比声波能量释放成热能所需的时间更长。 因此，声波幅值的计算生长时间等于声波能量释放成热量所需的时 间。
根据非专利文献4的说明书，计算声波的衰减距离和时间。结果 显示，声波能量释放成热量所需的时间随着微波熵的减少而增加，即 频率偏离的减小。具体地说，如下面的公式所示，反应常数“k*”能 够由参数来表示，这些参数能够测量，例如温度“T”、微波功率“Pμ”、 频率“ω”和微波“Q”值(“Q＝ω/Δω”，其中，“Δω”表示频率偏离 宽度)。参数“vph”表示声音速度，参考标号“vth”表示热速度，它 们之间的比率为大约1。
等式2
得到具有更低频率偏离的微波，该微波用于如图5所示的简单的 谐振运动能量(5)的供给时间比用于微波释放成热量所需的超声波 振动时间更短。
如上所述，通过Keen的研究，本发明人发现，微波效应明显与 微波能量(电磁场密度的平方)成正比。在上述常规技术的情况下， 由于加热空间中的微波耗散、在微波辐射过程中炉壁的损失等，防止 了微波具有更高的电磁场密度，因此不能提供充分的微波效应。在普 通微波加热的情况下，并没有注意表示微波质量的Q。因此，释放成 热量所需的时间经常很短，因此需要更大的微波源。
因此，为了提供充分的微波效应，必须解决这样的缺点，也就是 使用只增加输出的装置，从而增加装置成本和操作成本。
考虑到上面所述，本发明的目的是提供一种微波复合加热炉，一 种通过使用微波充分地加热的微波复合加热炉，并能够利用相应加热 方法的特征而提供经济地加热。
发明内容
解决问题的方法
为了实现上述目的，作为本发明的第一技术方案，本发明提供了 一种微波复合加热炉，所述微波复合加热炉包括：壳体，该壳体由绝 热材料来制造；加热容器，该加热容器布置在壳体内部，用于容纳被 加热物体并加热该被加热物体；微波照射装置，用于使微波产生装置 产生微波，并使得微波发射装置发射该微波，以使得储存在加热容器 中的被加热物体被微波照射，而不用绕过加热容器的外壁；以及加热 单元，用于从加热容器的外部加热该加热容器，其中，加热容器主要 由导电碳材料形成，并形成为使得微波能够在加热容器内部反射，使 得被加热物体能够通过微波和加热单元来加热。
进一步，作为本发明的第二技术方案，本发明提供了一种如上所 述用于本发明的第一技术方案的微波复合加热炉，其中，加热容器由 碳化硅颗粒与碳结合而形成的复合材料制成。
进一步，作为本发明的第三技术方案，本发明提供了一种如上所 述用于本发明的第一或第二技术方案的微波复合加热炉，还包括：气 体引入单元，用于引入气体来调节加热容器内部的气体；以及气体收 集单元，用于收集在被加热物体的热处理时产生的气体以处理气体。
进一步，作为本发明的第四技术方案，本发明提供了一种如上所 述用于本发明的第三技术方案的微波复合加热炉，其中，微波发射单 元包括波导管，该波导管与气体引入单元和气体收集单元连接，通过 气体引入单元而引入的气体或者混合气体通过波导管的尖端被引入 加热容器的内部，该混合气体通过气体引入单元引入的混合气体和在 气体收集单元中处理的气体进行混合而获得。
进一步，作为本发明的第五技术方案，本发明提供了一种如上所 述用于本发明的第一、第二或第三技术方案的微波复合加热炉，其中， 微波发射单元设置成这样，通过使用微波反射单元将微波导入加热容 器的内部，该微波反射单元设置成使得由微波产生装置产生的微波能 够被反射。
进一步，作为本发明的第六技术方案，本发明提供了一种如上所 述用于本发明的第五技术方案的微波复合加热炉，其中，微波发射单 元包括红外线反射单元，该红外线反射单元设置成能够反射由加热的 被加热物体发射的红外线，以便引导红外线进入加热容器内。
进一步，作为本发明的第七技术方案，本发明提供了一种如上所 述用于本发明的第六技术方案的微波复合加热炉，其中，红外线反射 单元设置为反射表面，该反射表面以阶梯方式形成于微波反射单元的 微波反射表面中。
进一步，作为本发明的第八技术方案，本发明提供了一种如上所 述用于本发明的第五、第六或第七技术方案的微波复合加热炉，其中， 微波照射装置设置成这样，多个微波产生装置布置在壳体侧壁，以便 环绕加热容器，且收集由该多个微波产生装置产生的微波的波阵面， 从而能够形成任何照射面。
进一步，作为本发明的第九技术方案，本发明提供了一种如上所 述用于本发明的第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七或第八 技术方案的微波复合加热炉，还包括：被加热物体供给单元，该被加 热物体供给单元设置成将被加热物体供给至加热容器内；以及收集单 元，该收集单元设置成收集热处理后的被加热物体。
发明有益效果
根据本发明所述的第一方面，向被加热物体供给热量主要通过由 加热单元给向加热容器提供的热流来进行。微波能够被具有较高温度 的被加热物体选择性地吸收。通过将微波密封在加热容器内部以便提 高电磁场，在微波释放成热能之前能够充分地提供微波效应。加热单 元能够用于提供均匀的温度分布，并能够提高反应效率和能量效率， 从而提供实现低装置成本和操作成本的加热。
根据本发明所述的第二方面，通过将碳化硅颗粒与碳粘合而形成 的复合材料有利于反射微波，并有较高的耐热性，能够优选地用作加 热容器的材料。
根据本发明所述的第三方面，气体引入单元用于引入气体，以便 调节在加热容器内部的气体。气体收集单元用于收集和处理当被加热 物体进行热处理时产生的气体。
根据本发明所述的第四方面，通过气体引入单元而引入的气体或 者通过气体引入单元而引入的气体和在气体收集单元中处理的气体 的混合气体从波导管的尖端引入加热容器的内部。因此，由被加热物 体产生的反应气体能够从加热容器的内部排出。而且，从波导管的尖 端吹出的气体能够防止波导管的内部被灰尘、反应气体等污染，或者 防止等离子体产生。
根据本发明所述的第五方面，微波反射单元能够反射由微波产生 装置产生的微波，以便引导微波进入加热容器的内部。这能够对于微 波产生装置的布置方式提供增加的自由度。这还能够弹性地改变多个 微波的频率、相位和振荡输出，以便控制发射的微波束的能量分布和 传播方向，因此不需要提供在高温中的机械旋转机构，例如搅拌器。
根据本发明所述的第六方面，由加热的被加热物体发射的红外线 能够返回至加热容器的内部，并能够用于加热操作，从而实现更高效 的加热操作。
根据本发明所述的第七方面，微波反射单元和红外线反射单元能 够以集成的方式形成一个简单的结构。
根据本发明所述的第八方面，微波的波阵面能够进行收集，以便 通过电来改变微波的方向性，从而形成任何照射面。因此，不需要用 于加热容器的搅拌机构等，从而能够均匀地加热被加热物体。
根据本发明所述的第九方面，被加热物体供给单元用于将被加热 物体供给至加热容器内，收集单元能够用于收集热处理后的被加热物 体。供给和收集操作都能够以任何连续或批量类型的方法来进行。
附图说明
图1是表示实施例1的微波复合加热炉的构造和内部结构的示意 图。
图2是表示实施例2的微波复合加热炉的构造和内部结构的示意 图。
图3是表示红外线反射单元的构造和原理的示意图。
图4是表示常规微波加热炉的构造的示意图。
图5是表示通过微波加热和常规加热来供给能量流的示意图。
具体实施方式
实施例1
下面将参考附图介绍本发明的微波复合加热炉的第一实施例。
微波复合加热炉的结构
如图1所示，微波复合加热炉1包括：壳体10；加热容器11， 该加热容器11位于壳体10的内部，在其中储存被加热物体，并加热 该被加热物体；加热单元12，用于在外部加热该加热容器11；微波 照射装置13；被加热物体供给装置14，用于将被加热物体供给至加 热容器11内；气体引入单元15，用于引入气体，以便调节在加热容 器11内的气体；气体收集单元16，用于收集和处理当被加热物体进 行热处理时引起的处理气体；以及未示出的控制装置。
壳体10包括由绝热材料形成的耐火壁10a，例如耐火砖，并在其 中通过底座10b来储存加热容器11。在该实施例中，加热容器11设 置在使得该加热容器11能够由加热单元12从底侧加热的位置处。加 热容器11的上部有被加热物体供给通路18和屏蔽壁10c，该被加热 物体供给通路18与被加热物体供给通路18(后面将介绍)连通，该 屏蔽壁10c为覆盖加热容器11的开口11a的一部分。屏蔽壁10c提供 有内部面板，以便反射微波和红外线，从而使得微波和红外线返回加 热容器11内部。在该实施例中，这种内部面板由与加热容器11相同 的材料来形成。
加热容器11由这样的材料形成，该材料具有高导电性，以便反 射微波，从而将微波密封在内部，且该材料有较高的耐久性，不会与 被加热物体反应。不能使用金属材料例如不锈钢，因为在高温范围内 的电微波、红外线和强度的降低以及熔化等。耐热合金也有较高价格， 还因为增加了化学活性等而并不合适。根据本发明，通过多种材料的 深入研究，使用这样的材料，该材料包括导电碳材料作为主要组分。 具体地说，优选这样的材料，该材料是通过碳化硅粉末与碳粘合而获 得的烧结体，并包括含量范围为20至70％的碳化硅，且对于高频波 的导电性比铜高1/10或更高。在该实施例中，使用由35％重量的碳化 硅颗粒和碳制成的复合烧结材料。在该实施例中使用的加热容器11 涂覆有氧化物例如氧化钙，以便防止与被加热物体反应。包含碳材料 作为主要成分的材料可以通过用碳，石墨或碳化物基导电陶瓷粘合例 如氮化铝或氧化铝之类的聚集体来获得。。
加热容器11形成为具有坩埚状的形状，其中，上部具有开口11a， 底部附近具有狭槽11b，热处理后的被加热物体通过该狭槽11b而取 出。狭槽11b有收集单元17的闸阀17a，以便打开或关闭该狭槽11b。 闸阀17a用于打开或关闭狭槽11b，以便提供在被加热物体的储存和 热处理后的被加热物体的取出之间转换。当通过闸阀17a来打开狭槽 11b时，热处理后的被加热物体从狭槽11b发送给载体装置17b。载 体装置17b将热处理后的被加热物体传送到下一工序。收集单元17 包括闸阀17a和载体装置17b，并用作取出热处理后的被加热物体的 装置。收集单元17能够使用任意连续或批量类型的方法。
加热单元12包括气体燃烧器、液体焚烧燃烧器、电加热器等， 它设置在壳体10的内部，以便能够从外部加热该加热容器11。
微波照射装置13包括微波产生装置13a和波导管13b，该波导管 13b用作微波发射装置，以便使得由微波产生装置13a产生的微波能 够通过加热容器11的开口11a而直接发射至内部。波导管13b提供 在这样的位置，它使得微波能够发射至储存在加热容器11中的被加 热物体，而不旁通加热容器11的外壁。由微波产生装置13a产生的 微波优选是0.9至100GHz，以便提高被加热物体吸收微波的速率。 在该实施例中，微波为2.45GHz。
将被加热物体供给到加热容器11的被加热物体供给装置14通过 包括刮刀的被加热物体供给通路18设置在加热容器11的上部。被加 热物体供给装置14可以是已知的定量供给装置，例如料斗。
气体引入单元15通过管路15a而与波导管13b连接。气体引入 单元15设置成能够将气体从波导管13b的尖端引入加热容器11内， 用于调节在加热容器11中的气体(例如诸如CO2或氮气的惰性气体， 以防止被加热物体在加热操作过程中被氧化，并将反应气体排出至系 统的外部)。
气体收集单元16具有与被加热物体供给通路18的上部连通的管 路16a；以及设置在管路16a上的压缩机16b。管路16a与气体引入单 元15连接。被加热物体供给通路18用作将被加热物体供给到加热容 器11的通路，还用作气体分配通路，收集由加热单元12产生的燃烧 气体或者由被加热物体产生的气体。
被加热物体供给通路18的侧壁部分具有两个预加热微波照射装 置19，以便当被加热物体从被加热物体供给通路14供给到加热容器 11时预热该被加热物体。这使得被加热物体在输入至加热容器11之 前被加热，因此提高了加热处理的效率。
尽管附图中未示出，但微波复合加热炉1还包括温度测量单元， 以便测量加热容器11等的温度。通常，为了防止受到微波的影响， 光学高温计等已经用作温度测量单元。然而，由于在加热容器11的 外部没有微波泄露，因此加热容器11的侧壁能够设有热电偶，用作 温度测量单元。
加热方法
下面将通过解释海绵铁或生铁的制造作为实例来描述使用加热 炉1来加热被加热物体的方法。
首先，气体引入单元15将诸如CO2或氮气的惰性气体(在本实 施例中为氮气)从波导管13b的尖端引入到加热容器11内部，使得 加热容器11的内部充满惰性气体。然后，加热单元12在制造海绵铁 时将该加热容器11和壳体10的内部加热到1050至1250℃，在制造 生铁时将该加热容器11和壳体10的内部加热到1370至1400℃。
然后，被加热物体供给装置14将预定量的被加热物体M(原材 料)通过被加热物体供给通路18而输入至加热容器11的内部。
原材料是通过使得铁矿石与碳源(例如焦炭或碳)以预定比率混 合而获得的粉末，该预定比率能够引起充分的还原反应。原材料并不 局限于粉末，也可以采取多种形式，例如具有颗粒形状的原材料。
预热的微波照射装置19能够用于预热通过被加热物体供给通路 18的原材料。因此，这能够减少在加热容器11处的热输入。当铁矿 石包括赤铁矿时，铁矿石能够预热至500至800℃，以便将铁矿石还 原成具有高微波吸收率的磁铁矿，从而使微波能够更容易被吸收。
然后，微波照射装置13的微波产生装置13a用于产生微波。微 波通过波导管13b引入到加热容器11内，并发射至被加热物体M2。 微波在加热容器11的内表面和屏蔽壁10c处反射，因此能够密封在 加热容器11内。因此，这能够减少微波损耗，并能够提高电磁场密度。被加热物体通过加热单元12来加热。因此，微波具有提高的电 磁场密度，从而在将微波释放成热能之前充分建立微波效应。
被微波照射的原材料会快速加热，因为热量分别由铁矿石和碳源 构成的材料产生。当铁矿石与碳源接触时，氧化铁优先被还原，从而 产生高纯度的熔化生铁或海绵铁。竖炉在1550℃的温度下操作。不过， 在本发明中，在1200℃温度下加热的原材料具有还原反应，在1400℃ 或更低温度下加热的原材料具有熔融状态。
通过微波来加热能够提高原材料加热的速度，并能够提供微波效 应，以便减少例如硅、镁、磷酸、钛、硫或锰的杂质的浓度。此外， 加热速度能够进行控制，从而调节在铁中渗碳的碳量。
原材料的加热会产生挥发性气体，例如氢气、甲烷气体、氮气、 一氧化碳气体或二氧化碳气体，以及反应气体例如CO、CO2等。这 些气体从波导管13b的尖端被气体引入单元15吹出的气体推入到加 热容器11内，并从加热容器11内排出。从波导管13b的尖端吹出的气体能够防止波导管13b的内部被灰尘、反应气体等的侵入所污染， 或者防止产生等离子体。
由于气体收集单元16在壳体10内产生向上的空气流，反应气体 等与由加热单元12产生的燃烧气体一起从壳体10内排出。这防止燃 烧气体引入加热容器11内。
从壳体10内排出的气体在被加热物体供给通路18中从底侧向上 侧流动。在该过程中，通过被加热物体供给通路18的被加热物体将 被加热，包含在气体中的CO还原一部分被加热物体。
由气体收集单元16收集的气体通过压缩机16b加压。然后，产 生的气体通过气体引入单元15而与氮气混合，并从波导管13b的尖 端吹入加热容器11内。这能够提供加热操作，而不向外部排出大量 的反应气体等。此外，具有较高温度的反应气体等能够用于加热通过 波导管13b吹送的气体。因此，这能够提供高效的加热操作，而不会 造成原材料降低温度。
在加热容器11中的气体(例如氧分压)也能够通过改变从气体 引入单元15引入的惰性气体和由气体收集单元16收集的气体的混合 比率而变化。因此，这能够控制碳和铁中的杂质的浓度。
通过打开设置在加热容器11的狭槽11b处的闸阀17a，可以将通 过加热原材料而产生的海绵铁或生铁取出至外部。
在铁矿石中的杂质并不还原，并处于固体状态。因此，杂质不会 包含在熔融的还原铁中。这样，即使当使用包括大量杂质的低质量铁 矿石时，也能够获得高纯度的生铁，该生铁能够优选地用于铁和钢的 精炼。
上述加热处理能够作为批量处理进行，以便以间歇的方式输入原 材料，或者作为连续处理来进行，以便连续地输入原材料、执行加热 处理，从而连续地取出海绵铁或生铁。
上述加热方法能够降低铁矿石还原的温度(即反应温度)。通过 由微波的快速加热和由加热单元12的外部加热的组合，也能够缩短 反应时间。而且，与碳源接触的铁矿石能够提供氧化铁的优选还原， 从而产生高纯度的熔融生铁或海绵铁。通过充分提供如上所述的微波 效应结合由加热单元12进行的外部加热，能够保持加热容器11的温 度，并能够实现低成本的加热方法。
改进的实施例
气体收集单元16还能够设置成包括换热器。这使得热排气(例 如反应气体)能够用于预热被加热物体、热电联合燃烧器等。
加热容器11能够通过减小开口11a的直径而形成为瓶状形状。 这能够减小开口11a，从而能够以更有效的方式将微波密封在内部中， 因此提高了电磁场密度。
根据供给被加热物体的方法，还能够供给与回转窑连接和进行预 热的被加热物体。这使得现有的回转窑能够用作初步加热初步还原的 设备。回转窑的充分出口温度为大约800℃。因此，现有的设备具有 大约两倍的处理速度，从而明显有助于节省资源和节省能量。
在上述实施例中，被加热物体(原材料)通过将用于制造海绵铁 或生铁的铁矿石与碳源混合而获得加热。不过，本发明并不局限于此。 本发明的加热炉1能够用于加热各种氧化物等的非导电材料。例如， 本发明的加热炉1也能够用于熔化或固化放射性废物，例如在城矿中 收集贵金属或者制造半导体硅原材料。微波的频率、输出等能够根据 被加热物体适当设置。
第一实施例的效果
根据该实施例的加热炉1，热量向被加热物体的供给主要通过由 加热单元12给予加热容器11的热流来执行。微波被具有高温度的被 加热物体选择性地吸收。密封在加热容器11中的微波能够提高电磁 场密度，从而在微波释放成热能之前充分地提供微波效应。加热单元12能够提供均匀的温度分布，并能够提高反应效率和能量效率，从而 提供具有较低装置和运行成本的加热操作。
实施例2
下面将参考附图介绍本发明的微波复合加热炉的第二实施例。
微波复合加热炉2包括：壳体20；加热容器21，该加热容器21 设置在壳体20中，并储存和加热被加热物体；加热单元22，用于外 部加热该加热容器21；微波照射装置23；被加热物体供给装置24， 用于将被加热物体供给至加热容器21内；气体引入单元25，用于引 入气体，以便调节在加热容器21内的气体；气体收集单元26，用于 收集和处理当被加热物体进行热处理时产生的气体；以及未示出的控 制装置。
壳体20由耐火壁20a制成，该耐火壁20a由绝缘材料(例如耐 火砖)来形成，并在其中储存加热容器21。
加热容器21由与第一实施例的加热容器11类似的材料来制造， 并形成为具有坩埚状的形状，且直径朝向开口21a减小。因此，这使 得开口21a附近能够反射微波和红外线，从而更高效地将微波和红外 线密封在加热容器21内。底部与收集单元27的狭槽27a连通，该狭 槽27a能够打开和关闭，以便取出热处理后的被加热物体。热处理后 的被加热物体从狭槽27a发送给接收容器27b。
与第一实施例中的加热单元12相同，加热单元22包括气体燃烧 器、液体焚烧燃烧器、电加热器等，它设置在壳体20中，以便能够 在外部加热该加热容器21。在该实例中使用气体燃烧器22a。
由气体燃烧器22a产生的燃烧气体能够从壳体20的上部流向换 热器22b，并与外部空气进行换热，随后向外部排出。热交换后的外 部空气作为燃烧用空气供给到气体燃烧器22a。
微波照射装置23包括：微波产生装置23a；反射镜23b，该反射 镜23b反射由微波产生装置23a产生的微波，以便将微波导向加热容 器11；微波窗口23c，微波通过该微波窗口23c，并发射至加热容器 21的内部；以及微波照射通路23d，通过微波窗口23c的微波从加热容器21的侧壁发射至内部。微波照射通路23d通过微波发射开口21b 而与加热容器21的内部连通，该微波发射开口21b设置在加热容器 21的侧壁中，另一端通过微波窗口23c而与外部隔断。
微波照射装置23设置在多个位置处，以便环绕加热容器21。
在微波产生装置23a中产生的微波MW由反射镜23b引导至微波 窗口23c，经过微波窗口23c和微波照射通路23d，并通过微波发射 开口21b而发射至加热容器21中的被加热物体M2。
相应多个微波照射装置23执行微波相位控制，并能够控制微波 的波阵面，使得微波的方向性能够电改变，从而形成任何照射面。这 能够使被加热物体均匀加热，而不需要用于加热容器21等的搅拌机 构。当微波产生装置23a设置成包括多个微波产生元件(例如半导体 元件)时，相控阵方法能够用于控制微波的波阵面，使得单个微波照 射装置23可以用于改变微波方向。微波产生装置23a能够使用频率 锁相方法来执行微波频率控制。
用于反射反射镜23b的反射微波MW的反射表面由反射微波的 材料(例如铜材料、不锈钢)来形成。优选地，反射表面设置成能够 反射红外线。例如，反射表面由能够反射微波的材料例如碳来形成， 并吸收红外线，以便重新发射红外线。通过利用波长差异，微波能够 与红外线分离。如图3中所示，以阶梯方式形成的槽状红外线反射表 面S，将红外线IR沿初始方向反射至反射表面(平均反射表面R)。 红外线反射表面S形成于反射表面上，从而以阶梯方式而形成30至 300μm的宽度d。红外线反射表面S的宽度为微波波长的约1/00，或 者约为红外线波长的几十倍。因为微波具有较长波长，微波反射方向 由平均反射表面R的反射方向来确定。不过，红外线IR由红外线反 射表面S来反射。因此，红外线反射表面S用作红外线反射单元。红 外线反射表面S的形状(例如斜度)设置成使得红外线IR返回至被 加热物体。这使得红外线能够返回至加热容器21的内部，从而提供 了更高效的加热操作。而且，微波反射单元和红外线反射单元能够以 集成的方式形成为简单的结构。
被加热物体供给装置24包括：料斗24a，与料斗24a连接的预热 装置24b，以及与预热装置24b连续的旋转进料器24c。被加热物体 供给装置24通过移动管23d使得精确控制量的被加热物体下降和供 给至加热容器21中。
预热装置24b与设置在加热容器21上部的排气管26a连接。预 热装置24b还具有预热微波照射装置29，与在第一实施例的预热微波 照射装置19中相同。
气体引入单元25包括：气体引入部件25a，用于将气体通过微波 照射装置23d而引入至加热容器21；缓冲器25b；压缩机25c和流量 计25d。
气体收集单元26包括导管26a，用于将从加热容器21产生的排 出气体例如反应气体或大气气体(例如氮气)引导至预热装置24b； 容流器26b，用于集中除去由预热装置24b预热后排出的气体中的水； 以及过滤器26c，用于除去灰尘等。
在制造海绵铁或生铁的情况下，从加热容器21排出的气体是具 有较高温度(500至1000℃)的CO、CO2、N2等。这种排出气体通 过导管26a而从预热装置24b的底部引入内部，并在沿向上方向流动 的同时加热被加热物体。在此过程中，包含在排出气体中的CO还原一部分被加热物体。从初步还原装置中排出的气体具有60至200℃的 温度。
在预热后从预热装置24b排出的气体能够通过容流器26b和过滤 器26c除去不需要的物质，并随后送至缓冲器25b。然后，产生的气 体与从未示出的氮气源引入的氮气混合，生成的气体通过压缩机25c 来增压。然后，生成的气体通过流量计25d发送，由气体引入部件25a 导入的预定量的气体通过微波照射通路23d引入加热容器21内。因 此，在加热容器21中的气体从加热容器21排出。气体引入部件25a 从微波窗口23c附近吹向加热容器21的内部。这能够防止微波照射 通路23d的内部由于灰尘、反应气体等的侵入而被污染，或者防止等 离子体产生。
如上所述，微波复合加热炉2能够提供高效加热，同时实现热量 和气体的有效利用。
第二实施例的效果
除了第一实施例的微波复合加热炉1提供的效果外，微波复合加 热炉2还能够提供以下效果。
通过控制微波的波阵面，微波的方向性能够通过电来变化，从而 形成任意照射面。这能够提供被加热物体的均匀加热，而不需要用于 加热容器21的搅拌机构等。
因为由加热的被加热物体发射的红外线能够返回至加热容器21 内，并能够用于加热操作，因此能够获得更高效的加热。
其它实施例
对于微波照射装置，也能够使用由本发明人开发的、在日本未审 查专利申请文献No.2013-11384中公开的微波加热炉加热方法。微波 源模块化，并设置为通过相位控制而具有方向性的微波单元。通过合 成该波源单元而获得的微波天线的设置以围绕加热容器。定向微波束 由反射镜发射至加热容器的中心，并进行聚焦，以便在被加热物体表 面最大化，从而加热该被加热物体。
参考标号
1、2微波复合加热炉 10壳体
11加热容器 12加热单元
13微波照射装置 13a微波产生装置
13b波导管 14被加热物体供给装置
15气体引入单元 16气体收集单元
18被加热物体供给通路
19预热微波照射装置 20壳体
21加热容器 22加热单元
23微波照射装置 23a微波产生装置
23b反射镜 23c微波窗口
23d微波照射通路 24被加热物体供给装置
25气体引入单元 26气体收集单元
29预热微波产生装置

Claims (9)

1.一种微波复合加热炉，所述微波复合加热炉包括：
壳体，所述壳体由绝热材料制成；
加热容器，所述加热容器布置在壳体内部，所述加热容器设置成容纳被加热物体，以便加热所述被加热物体；
微波照射装置，所述微波照射装置设置成使得微波产生装置产生微波，并使得微波发射装置发射所述微波，以使得储存在加热容器中的被加热物体由微波照射，而并不旁通加热容器的外壁；以及
加热单元，所述加热单元设置成从加热容器的外部加热所述加热容器，其中，
加热容器主要由导电碳材料来制成，并形成为使得微波能够在加热容器内部反射，这样，被加热物体能够通过微波和加热单元来加热。
2.根据权利要求1所述的微波复合加热炉，其中，所述加热容器由复合材料来制成，所述复合材料通过将碳化硅颗粒与碳粘合而形成。
3.根据权利要求1或2所述的微波复合加热炉，还包括：
气体引入单元，所述气体引入单元设置成引入气体以调节加热容器内部的气体；以及
气体收集单元，所述气体收集单元设置成收集在被加热物体的热处理时产生的气体。
4.根据权利要求3所述的微波复合加热炉，其中，
微波发射单元包括波导管，
所述波导管与气体引入单元和气体收集单元连接，
通过气体引入单元引入的气体或者通过气体引入单元引入的混合气体以及在气体收集单元中处理的气体，通过波导管的尖端引入到加热容器的内部。
5.根据权利要求1～3任一所述的微波复合加热炉，其中，所述微波发射单元设置成这样，微波通过使用微波反射单元导入到加热容器的内部，所述微波反射单元设置成使得由微波产生装置产生的微波能够被反射。
6.根据权利要求5所述的微波复合加热炉，其中，所述微波发射单元包括红外线反射单元，所述红外线反射单元设置成能够反射由加热的被加热物体发射的红外线，以便引导红外线进入加热容器内。
7.根据权利要求6所述的微波复合加热炉，其中，所述红外线反射单元设置为反射表面，所述反射表面以阶梯方式形成于微波反射单元的微波反射表面中。
8.根据权利要求5～7任一所述的微波复合加热炉，其中，
所述微波照射装置设置成多个微波产生装置布置在壳体的侧壁处，以便环绕加热容器，且控制由所述多个微波产生装置产生的微波的波阵面，从而能够形成照射面。
9.根据权利要求1～8任一所述的微波复合加热炉，还包括：
加热物体供给单元，所述加热物体供给单元设置成将加热物体供给至加热容器内；以及
收集单元，所述收集单元设置成收集热处理后的加热物体。
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