CN109534668B - 一种微波-电混合加热实现玻璃陶瓷晶化的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微波‑电混合加热实现玻璃陶瓷晶化的装置和方法，包括主炉体、微波加热系统、电加热系统和传送系统，本发明将升温、晶化、降温和冷却过程有机结合在一起，实现了整个晶化生产过程的自动化，该装置在整个加热过程中实现微波加热与电加热的交替进行，微波、电加热实现自动切换，微波加热处理玻璃陶瓷制品的同时，利用电加热提供一个与其同步均衡的温度氛围，整个过程没有剧烈的降温和升温过程，消除了应力，整个过程有效避免了产品开裂，能综合提高产品的品质。
Description
技术领域
本发明属于玻璃陶瓷技术领域，特别涉及一种利用微波-电混合加热实现玻璃陶瓷进行晶化的装置和方法。
背景技术
随着国民经济的发展，玻璃陶瓷工业化生产得到了很大发展，但其在工业装备和产业化生产技术的研究开发方面还存在诸多问题，尤其是玻璃陶瓷晶化技术和设备的开发是玻璃陶瓷行业发展的难点和重点，相对玻璃陶瓷的巨大应用前景来说，我国玻璃陶瓷的工业化生产才刚刚起步，其根本原因是我国目前的研究大多侧重于实验室研究，投入较少的精力进行长期大量的工业化试验和试产，尤其在工业装备和产业化生产技术的研究开发方面存在的诸多问题急待解决。由于玻璃陶瓷的晶化必须在晶化炉中平稳运行，且需保证物料热处理的温度差在一定范围内，即各温段内要控制在±10℃以内，因此对晶化炉提出了更高要求，若以天然气或煤气为燃料，一则耗能巨大，二则难以保证晶化质量。因此，急需对现有的玻璃陶瓷晶化设备进行改进。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种生产稳定、主要设备使用寿命长、生产效率高、晶化效果好、生产成本低的利用微波-电混合加热对玻璃陶瓷进行晶化的装置和方法。
具体内容如下：一种微波-电混合加热实现玻璃陶瓷晶化的装置，该装置包括主炉体、微波加热系统、电加热系统和传送系统，其特征是：
所述的主炉体包括依次密封对接的升温段(11)、晶化段(12)、降温段(13)和冷却段(14)；在主炉体每段的内部设有炉膛(16)、在炉膛(16)的内壁设有保温层(17)，在主炉体各段的顶部均设有包括微波发射系统(21)和热电偶(22)组成的微波加热系统，所述的热电偶(22)贯穿主炉体并伸入到主炉体的内部；
在主炉体各段的侧面均设置有电加热系统；所述电加热系统包括固定在主炉体内壁两侧的电加热元件(34)、固定在主炉体外侧面上圆筒状的抑制波导(33)和进退执行机构(37)，所述的电加热元件(34)两极的引线分别固定连接在主炉体外侧面的端头(35)上，所述进退执行机构(37)的一端设有电源线触头(36)，进退执行机构(37)的另一端与直流电机(38)的输出轴同轴固定，所述的端头(35)和电源线触头(36)均沿抑制波导(33)的中心线对应设置在抑制波导(33)的内部；
在主炉体的底部设有水平横向贯穿主炉体各段并从主炉体两端伸出的传送系统，所述传送系统包括若干根转动辊(52)组成的水平平行布置的辊道，在主炉体的一端设有驱动电机(54)、驱动电机的输出轴同轴固定一根用于输送动力的非金属传送主轴(55)；所述的非金属传送主轴(55)横向穿过主轴微波抑制装置(56)，并与辊道上每根转动辊(52)的一端均通过锥齿轮或斜齿轮(57)啮合形成齿轮传动，所述的传送系统通过金属板包裹套(53)包覆住，该金属板包裹套(53)焊接在主炉体各段的侧壁上。
优选的，所述主轴微波抑制装置(56)为直径2.5-5.5cm、长度为其直径5-10倍的金属圆筒；主轴微波抑制装置(56)一端焊接在主炉体上的金属板包裹套(53)上。
优选的，所述电加热元件(34)为硅碳棒、硅钼棒、碳纤维加热管或电炉丝，所述的转动辊(52)为陶瓷材料。
优选的，在传送系统的入口和出口位置均设置有微波抑制装置(51)。
优选的，所述抑制波导(33)为一端焊接在主炉体上且直径为1.5-5.0cm、长度为其直径5-10倍的金属圆筒。
优选的，所述抑制波导(33)是一种截止式衰减器，所述截止式衰减器的主体为一段处于截止状态的圆波导，圆波导的半径满足截止条件：λ>>(λC)TE11，其中λ为微波波长，λC为截止波长。
优选的，所述微波发射系统(21)包括10-80个微波源；每个微波源包括输出功率为1kW-3kW、微波发射频率为2.45GHz的磁控管和对应频率的微波传输激励波导；所述电加热系统包括10-40个电加热元件(34)，每个电加热元件(34)的输出功率为2-5kW。
一种应用上述微波-电混合加热实现玻璃陶瓷晶化的装置的方法，具体步骤如下：
①将待晶化的物料(15)通过转动辊(52)形成的辊道经入口的微波抑制装置(51)进入升温段(11)，升温时先开启电加热系统进行电加热，电源线触头(36)由进退执行机构(37)推进与电加热元件引线的端头(35)接触，延迟2-10秒后通电，调节电加热元件功率为20-50kW，以每分钟1-3℃的升温速率升温至350-450℃；
然后开启微波-电混合加热，即先切断电加热电源，延迟2-10秒后电源线触头(36)由进退执行机构(37)退出20-100mm；同时启动微波发射系统(21)进行微波加热，微波输出功率为10-40kW，运行2-5分钟后关闭微波加热；开启电加热，电加热的输出功率为15-35kW，运行5-15分钟后关闭电加热后开启微波加热；周而复始，循环进行；保持以每分钟1-3℃的速率升温至550-650℃；保温20-40分钟；
②升温完成后转移至晶化段(12)，晶化时开启微波-电混合加热，启动微波发射系统(21)进行微波加热，微波输出功率为15-35kW，运行3-6分钟后关闭微波加热；开启电加热，电加热输出功率为20-40kW，运行10-25分钟，关闭电加热后开启微波加热；周而复始，循环进行；保持以每分钟2-5℃的升温速率升温至750-850℃；保温20-40分钟；
③晶化后进入降温段(13)，降温时采用电加热，调节电加热输出功率为5-20kW，以每分钟1-4℃的速率降温至200-300℃；
④降温后进入冷却段(14)，冷却至120℃以下，所述冷却为自然冷却或鼓风冷却，最后产品经辊道通过出口的微波抑制装置(51)出炉。
本发明的有益技术效果：
(1)本发明采用了微波加热与电加热对玻璃陶瓷进行晶化处理，既保证了晶化过程的稳定进行，又通过微波加热的非热效应使得晶化过程更加完善，可以综合提高产品的品质。
(2)本发明将升温、晶化、降温和冷却过程有机结合在一起，工艺简单、操作方便，实现了物料整个晶化过程生产的自动化。
(3)本发明在微波加热处理玻璃陶瓷制品的同时，利用电加热提供一个与其同步的均衡的温度氛围，整个过程没有剧烈的降温和升温过程，消除了应力，有效避免了产品开裂。
(4)本发明在整个加热过程中实现微波加热与电加热交替进行，可以根据所设定的工艺参数来自动调节和切换微波加热和电加热的运行时间和相应的加热功率，以保证最佳工艺的实现。
附图说明
图1为微波-电混合加热实现玻璃陶瓷晶化的装置的总体结构示意图；
图2为图1中A-A方向的剖面图；
图3为微波-电混合加热实现玻璃陶瓷晶化的工艺流程图。
图中:11.升温段、12.晶化段、13.降温段、14.冷却段、15.待晶化的物料、16.炉膛、17.保温层；21.微波发射系统、22.热电偶、33.抑制波导、34.电加热元件、35.端头、36.电源线触头、37.进退执行机构、38.直流电机、39.继电器控制线圈；51.微波抑制装置、52.转动辊、53.金属板包裹套、54.驱动电机、55.非金属传送主轴、56.为主轴微波抑制装置、57.锥齿轮或斜齿轮。
具体实施方式
实施例一：参见图1-3，一种微波-电混合加热实现玻璃陶瓷晶化的装置，包括主炉体、微波加热系统、电加热系统和传送系统；
所述主炉体包括依次密封对接的升温段(11)、晶化段(12)、降温段(13)和冷却段(14)；在主炉体每段的内部设有炉膛(16)，在炉膛(16)内壁上设有保温层(17)，在主炉体各段的顶部均设有包括微波发射系统(21)和热电偶(22)组成的微波加热系统，所述的热电偶(22)贯穿主炉体并伸入到主炉体的内部；
在主炉体各段的侧面均设置有电加热系统；所述电加热系统包括固定在主炉体内壁两侧的电加热元件(34)、固定在主炉体外侧面上圆筒状的抑制波导(33)和进退执行机构(37)，所述的电加热元件(34)两极的引线分别连接固定在主炉体外侧面的端头(35)上，所述的进退执行机构(37)一端设有电源线触头(36)，另一端与直流电机(38)的输出轴同轴固定，所述的端头(35)和电源线触头(36)均沿抑制波导(33)的中心线对应设置在抑制波导(33)的内部，所述的进退执行机构(37)由直流电机驱动，并由继电器控制线圈以及PLC控制；
所述主炉体的底部设有水平横向贯穿主炉体各段并从主炉体两端伸出的传送系统，所述传送系统包括若干根转动辊(52)组成的水平平行布置的辊道，在主炉体一端设有驱动电机(54)，驱动电机的输出轴同轴固定一根用于输送动力的非金属传送主轴(55)，非金属传送主轴(55)横向穿过主轴微波抑制装置(56)与辊道上每根转动辊(52)的一端均通过锥齿轮或斜齿轮(57)啮合形成齿轮传动，所述的传送系统通过金属板包裹套(53)包覆住，该金属板包裹套(53)焊接在主炉体各段的侧壁上。
所述主轴微波抑制装置(56)为直径3cm、长度为18cm的金属圆筒；主轴微波抑制装置(56)一端焊接金属板包裹套(53)上。
所述电加热元件(34)为硅碳棒、硅钼棒、碳纤维加热管或电炉丝，所述的转动辊(52)采用陶瓷材料制成。
在传送系统的入口和出口位置均设置有微波抑制装置(51)。
所述抑制波导(33)为一端焊接在主炉体上且直径为2cm、长度为12cm的金属圆筒。
所述微波发射系统(21)包括60个微波源，每个微波源包括输出功率为2kW、微波发射频率为2.45GHz的磁控管和对应频率的微波传输激励波导；所述电加热系统包括35个电加热元件(34)；每个电加热元件(34)的输出功率为3kW。
所述的微波加热系统、电加热系统、传送系统均由控制系统控制，控制系统利用触摸屏对PLC进行各项参数设置，A/D通过PLC进行PID运算，然后根据PID运算结果通过D/A分别通过执行系统对磁控管和电加热系统进行控制；PLC通过数据总线分别与触摸屏、控制电路连接；所述控制电路含有与输入端相连的一定数量的手动开关，以及信号采集电路的开关信号电路。
电加热系统在微波工作时，控制电源线触头(36)离开端头(35)50mm；待需要电加热时，微波停止输出，电源线触头(36)由进退执行机构(37)推进与电加热元件引线的端头接触，然后延迟3秒后通电；需要进行微波加热时，先切断电加热电源，延迟2秒后电源线触头(36)由进退执行机构(37)退出50mm，以防止微波的泄漏；同时启动微波输出进行微波加热。
根据微波传输理论，抑制波导(33)就是一种截止式衰减器，是利用波导的截止特性做成，这种截止式衰减器的主体是一段处于截止状态的圆波导，选择圆波导的半径满足截止条件：
λ>>(λC)TE11
其中：λ为微波波长，λC为截止波长。
由于TE11模是圆波导中的最低模式，如果TE11模被截止，则其它所有的高次模全被截止，成为谐振腔(炉体)在圆波导的始端激励起TE11模式的截止场，这种截止场的磁场H沿圆波导纵向(z方向)呈指数衰减，即H∝e-αz，其中衰减系数α为：
电加热时，电源线触头(36)与电加热元件(34)连接的端头(35)接触，电加热元件通电，实现电加热；微波加热时，电源线触头(36)离开电加热元件(34)连接的端头(35)；如果此时采用的是普通继电器，由于其触点之间离开的距离很小(一般在1mm左右)，则谐振腔(炉体)在圆波导始端的端头(35)激励起TE11模式，使得一部分微波功率进入电源线触头(36)，将会产生严重的微波泄漏。
借助于附设的调节机构，使整个电源线触头(36)沿抑制波导(33)的轴线做横向移动，设电源线触头(36)位于Z＝0处的起始位置时，耦合到电源线触头(36)中的微波功率为P(0)＝P0，则当电源线触头(36)被拉出到Z＝L时的耦合功率为：
P1＝PL＝P0e-2αL
当λ>>λC时，衰减系数α很大，移动不太长的一段距离就可以得到很大的衰减量。
P1为此时的输出功率，它相当于功率P2的衰减量为：
其中：
A(0)为Z＝0时的起始衰减量，P2为炉膛中的微波功率。
实施例二：参见图1-3，利用实施例一的微波-电混合加热实现玻璃陶瓷晶化装置对玻璃陶瓷进行晶化的方法，包括以下步骤：
①将待晶化的物料(15)通过转动辊(52)形成的辊道经入口的微波抑制装置(51)进入升温段(11)，升温时开启电加热系统进行电加热，电源线触头(36)由进退执行机构(37)推进与电加热元件引线的端头(35)接触，然后延迟3秒后通电，调节电加热功率为40kW，以每分钟3℃的速率升温至400℃；然后开启微波-电混合加热系统，即先切断电加热电源，延迟3秒后电源线触头(36)由进退执行机构(37)退出50mm；同时启动微波发射系统(21)进行微波加热，微波输出功率为30kW，运行4分钟后关闭微波加热；开启电加热，电加热输出功率为34kW，运行14分钟后关闭电加热后开启微波加热；周而复始，循环进行；保持以每分钟2℃的速率升温至600℃；保温30分钟；
②升温完成后转移至晶化段(12)晶化，晶化时开启微波-电混合加热，先启动微波发射系统(21)进行微波加热，微波输出功率为30kW，运行4分钟后关闭微波加热；开启电加热，电加热的输出功率为30kW，运行20分钟后关闭电加热后开启微波加热；周而复始，循环进行；保持以每分钟3℃的速率升温至780℃；保温30分钟；
③晶化完成后进入降温段(13)降温，降温时采用电加热，调节电加热输出功率为15kW，以每分钟3℃的速率降温至250℃；
④降温完成后进入冷却段(14)，冷却至120℃以下，冷却可采用自然冷却，最后产品经辊道通过出口的微波抑制装置(51)出炉。
实施例三：参见图1-3，利用实施例一的微波-电混合加热实现玻璃陶瓷晶化装置对玻璃陶瓷进行晶化的方法，包括以下步骤：
①将待晶化的物料(15)通过转动辊(52)形成的辊道经入口的微波抑制装置(51)进入升温段(11)，升温时开启电加热系统进行电加热，电源线触头(36)由进退执行机构(37)推进与电加热元件引线的端头(35)接触，然后延迟4秒后通电，调节电加热功率为45kW，以每分钟2℃的速率升温至420℃，然后开启微波-电混合加热即先切断电加热电源，延迟4秒后电源线触头(36)由进退执行机构(37)退出55mm；同时启动微波发射系统(21)进行微波加热，微波输出功率为35kW，运行3分钟后关闭微波加热；开启电加热，电加热输出功率为30kW，运行12分钟后关闭电加热后再开启微波加热；周而复始，循环进行；保持以每分钟2℃的速率升温至610℃；保温32分钟；
②升温完成后转移至晶化段(12)，晶化时开启微波-电混合加热，先启动微波发射系统(21)进行微波加热，微波输出功率为31kW，运行5分钟后关闭微波加热；开启电加热，电加热输出功率为32kW，运行20分钟后关闭电加热后再开启微波加热；周而复始，循环进行；保持以每分钟4℃的速率升温至790℃；保温32分钟；
③晶化完成后进入降温段(13)，降温时采用电加热，调节电加热输出功率为16kW，以每分钟3℃的速率降温至260℃；
④降温完成后进入冷却段(14)冷却至120℃以下，冷却为自然冷却，然后经辊道通过出口的微波抑制装置(51)出炉。
实施例四：参见图1-3，利用实施例一的微波-电混合加热实现玻璃陶瓷晶化装置对玻璃陶瓷进行晶化的方法，包括以下步骤：
①将待晶化的物料(15)通过转动辊(52)形成的辊道经入口的微波抑制装置(51)进入升温段(11)，升温时开启电加热系统进行电加热，电源线触头(36)由进退执行机构(37)推进与电加热元件引线的端头(35)接触，然后延迟5秒后通电，调节电加热功率为44kW，以每分钟3℃的速率升温至440℃，然后开启微波-电混合加热即先切断电加热电源，延迟5秒后电源线触头(36)由进退执行机构(37)退出70mm；同时启动微波发射系统(21)进行微波加热，微波的输出功率为36kW，运行5分钟后关闭微波加热；开启电加热，电加热输出功率为28kW，运行12分钟后关闭电加热后开启微波加热；周而复始，循环进行；保持以每分钟2℃的速率升温至580℃；保温35分钟；
②升温完成后转移至晶化段(12)，晶化时开启微波-电混合加热，先启动微波发射系统(21)进行微波加热，微波的输出功率为33kW，运行6分钟后关闭微波加热；开启电加热，电加热的输出功率为35kW，运行22分钟后关闭电加热后开启微波加热；周而复始，循环进行；保持以每分钟4℃的速率升温至790℃，保温35分钟；
③晶化完成后进入降温段(13)，降温采用电加热，调节电加热的输出功率为18kW，以每分钟2℃的速率降温至260℃；
④降温完成后进入冷却段(14)冷却至120℃以下，冷却采用鼓风冷却，最后产品经辊道通过出口的微波抑制装置(51)出炉。
以上仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明构思内所作的任何修改、等同替换或改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种微波-电混合加热实现玻璃陶瓷晶化的装置，该装置包括主炉体、微波加热系统、电加热系统和传送系统，其特征是：
所述的主炉体包括依次密封对接的升温段(11)、晶化段(12)、降温段(13)和冷却段(14)；在主炉体每段的内部设有炉膛(16)、在炉膛(16)的内壁设有保温层(17)，在主炉体各段的顶部均设有包括微波发射系统(21)和热电偶(22)组成的微波加热系统，所述的热电偶(22)贯穿主炉体并伸入到主炉体的内部；
在主炉体各段的侧面均设置有电加热系统；所述电加热系统包括固定在主炉体内壁两侧的电加热元件(34)、固定在主炉体外侧面上圆筒状的抑制波导(33)和进退执行机构(37)，所述的电加热元件(34)两极的引线分别固定连接在主炉体外侧面的端头(35)上，所述进退执行机构(37)的一端设有电源线触头(36)，进退执行机构(37)的另一端与直流电机(38)的输出轴同轴固定，所述的端头(35)和电源线触头(36)均沿抑制波导(33)的中心线对应设置在抑制波导(33)的内部；
在主炉体的底部设有水平横向贯穿主炉体各段并从主炉体两端伸出的传送系统，所述传送系统包括若干根转动辊(52)组成的水平平行布置的辊道，在主炉体的一端设有驱动电机(54)、驱动电机的输出轴同轴固定一根用于输送动力的非金属传送主轴(55)；所述的非金属传送主轴(55)横向穿过主轴微波抑制装置(56)，并与辊道上每根转动辊(52)的一端均通过锥齿轮或斜齿轮(57)啮合形成齿轮传动，所述的传送系统通过金属板包裹套(53)包覆住，该金属板包裹套(53)焊接在主炉体各段的侧壁上；
所述主轴微波抑制装置(56)为直径2.5-5.5cm、长度为其直径5-10倍的金属圆筒；主轴微波抑制装置(56)一端焊接在主炉体上的金属板包裹套(53)上；
在传送系统的入口和出口位置均设置有微波抑制装置(51)。
2.如权利要求1所述的一种微波-电混合加热实现玻璃陶瓷晶化的装置，其特征是：所述电加热元件(34)为硅碳棒、硅钼k棒、碳纤维加热管或电炉丝，所述的转动辊(52)为陶瓷材料。
3.如权利要求1所述的一种微波-电混合加热实现玻璃陶瓷晶化的装置，其特征是： 所述抑制波导(33)为一端焊接在主炉体上且直径为1.5-5.0cm、长度为其直径5-10倍的金属圆筒。
4.如权利要求1所述的一种微波-电混合加热实现玻璃陶瓷晶化的装置，其特征是：所述抑制波导(33)是一种截止式衰减器，所述截止式衰减器的主体为一段处于截止状态的圆波导，圆波导的半径满足截止条件：λ>>(λC)TE11，其中λ为微波波长，λC为截止波长。
5.如权利要求1所述的一种微波-电混合加热实现玻璃陶瓷晶化的装置，其特征是：所述微波发射系统(21)包括10-80个微波源；每个微波源包括输出功率为1kW-3kW、微波发射频率为2.45GHz的磁控管和对应频率的微波传输激励波导；所述电加热系统包括10-40个电加热元件(34)，每个电加热元件(34)的输出功率为2-5kW。
6.一种应用权利要求1所述微波-电混合加热实现玻璃陶瓷晶化的装置的方法，具体步骤如下：
①将待晶化的物料(15)通过转动辊(52)形成的辊道经入口的微波抑制装置(51)进入升温段(11)，升温时先开启电加热系统进行电加热，电源线触头(36)由进退执行机构(37)推进与电加热元件引线的端头(35)接触，延迟2-10秒后通电，调节电加热元件功率为20-50kW，以每分钟1-3℃的升温速率升温至350-450℃；
然后开启微波-电混合加热，即先切断电加热电源，延迟2-10秒后电源线触头(36)由进退执行机构(37)退出20-100mm；同时启动微波发射系统(21)进行微波加热，微波输出功率为10-40kW，运行2-5分钟后关闭微波加热；开启电加热，电加热的输出功率为15-35kW，运行5-15分钟后关闭电加热后开启微波加热；周而复始，循环进行；保持以每分钟1-3℃的速率升温至550-650℃；保温20-40分钟；
②升温完成后转移至晶化段(12)，晶化时开启微波-电混合加热，启动微波发射系统(21)进行微波加热，微波输出功率为15-35kW，运行3-6分钟后关闭微波加热；开启电加热，电加热输出功率为20-40kW，运行10-25分钟，关闭电加热后开启微波加热；周而复始，循环进行；保持以每分钟2-5℃的升温速率升温至750-850℃；保温20-40分钟；
③晶化后进入降温段(13)，降温时采用电加热，调节电加热输出功率为5-20kW，以每分钟1-4℃的速率降温至200-300℃；
④降温后进入冷却段(14)，冷却至120℃以下，所述冷却为自然冷却或鼓风冷却，最后产品经辊道通过出口的微波抑制装置(51)出炉。
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