專利名稱：利用電磁加工陶瓷的方法
供參考的相關(guān)申請本申請要求Araya等人于2000年12月29日提交、申請?zhí)枮?0/258,722、標(biāo)題為“陶瓷制品的微波加工方法”的美國臨時專利的優(yōu)先權(quán)，該專利全文結(jié)合在這里供參考。
背景技術(shù)：
1.發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種加工陶瓷材料的方法。尤其是本發(fā)明涉及一種包含利用電磁能量加熱陶瓷材料和可選擇地包含將電磁能量與傳統(tǒng)輻射/對流加熱組合使用的燒制陶瓷的一方法，更特別地涉及通過工件的密度選擇控制電磁能量的功率分布以在整個陶瓷材料中均勻分布加熱能量的方法。
2.技術(shù)背景使用在陶瓷材料的制造中的傳統(tǒng)加熱通常利用輻射氣體或電阻加熱。使用傳統(tǒng)輻射/對流加熱常常造成在陶瓷材料中的一熱差。該熱差部分是由于輻射加熱僅施加于材料的表面，它取決于材料的熱傳導(dǎo)率，通常在表面之下熱量傳遞進(jìn)入工件的內(nèi)部或核心是較差的。換句話說，傳統(tǒng)加熱包括主要對表面的輻射或?qū)α?、然后從表面?zhèn)鲗?dǎo)到陶瓷體內(nèi)部完成的熱傳送。如果核心—表面熱差發(fā)展得太大，可能產(chǎn)生陶瓷材料的內(nèi)部開裂、外部開裂和變形?？焖俑稍锘驘茣M(jìn)一步惡化熱傳送較差的這問題，最終產(chǎn)生開裂。
此外，存在核心—表面熱差還會造成不均勻的燒結(jié)，尤其在內(nèi)部燒結(jié)之前表面以更快的速率燒結(jié)。其結(jié)果，陶瓷材料會呈現(xiàn)出不均勻性。
已經(jīng)提出的解決這些問題的若干方案包含降低加熱速率或使長期保持某些溫度。這些方案的每一個都要使熱能傳送到陶瓷材料的核心中，這又使陶瓷材料的核心溫度“趕上”表面溫度，從而使表面/核心溫差最小。但是不幸的是，傳統(tǒng)輻射或?qū)α骷訜岬睦碚撓拗仆ǔＴ斐蓪τ谡麄€陶瓷材料的加熱速率較慢，除了陶瓷材料的尺寸較小之外。
陶瓷的微波可被替換而成功地選用于干燥和幫助燒制陶瓷材料。與傳統(tǒng)加熱相比較，微波加熱包括按照體積加熱(volumetric heating)機理直接將能量置于陶瓷材料之中。更特別的是，使用微波能量包括將能量均勻地施加于陶瓷物品的整個橫截面而不是施加在物品表面上。雖然由于體積加熱、陶瓷材料的微波加熱比傳統(tǒng)輻射加熱快得多，但它像輻射加熱一樣在陶瓷物品內(nèi)造成一熱差，不過這是一相反的熱差，陶瓷材料的核心比其表面有一較高溫度。尤其是，陶瓷材料通常在低到中等溫度時對微波能量的吸收較差，當(dāng)在高溫用微波對陶瓷材料加熱時，陶瓷物品的內(nèi)部很快開始吸收主要部分的微波能量，這后果稱為熱失控(thermal runaway)。雖然，陶瓷材料的表面與其核心一起被加熱，表面向周圍環(huán)境很快失去許多它的熱能，該周圍環(huán)境通常比陶瓷材料的平均溫度低。隨著核心開始優(yōu)先地吸收微波能量，這熱失控現(xiàn)象變成自身擴(kuò)散(self-propagating)。簡單地說，隨著陶瓷材料的溫度上升，熱損失變得更大，核心—表面熱差的數(shù)值增大，再一次導(dǎo)致內(nèi)部熱應(yīng)力，最終使陶瓷物品開裂。
除了離開陶瓷物品表面的熱損失之外，在干燥器、爐、窯或加熱室內(nèi)微波分布的不均勻和陶瓷材料的不均勻的材料性能導(dǎo)致陶瓷材料有差別地吸收微波能量，并造成微波加熱的熱差。
在加工蜂窩狀的陶瓷產(chǎn)品中，擠壓出來的工件經(jīng)受了若干加工步驟，其中該零件分別被干燥和燒制。所有的步驟都有特定的時間—溫度周期，其中加熱速率、保持溫度和保持時間對于形成該陶瓷體的所要求的性質(zhì)都是很重要的。使用傳統(tǒng)熱空氣技術(shù)，可以花費較長時間生產(chǎn)較大的零件。因此，取決于零件的尺寸，為了在最佳的環(huán)境中傳送一產(chǎn)品可以要求相當(dāng)長的引導(dǎo)時間(leadfime)。
在減輕這憂慮的努力之中，現(xiàn)有的技術(shù)包括使用微波和傳統(tǒng)加熱技術(shù)(電阻、氣體燒制等)的組合作用，通過使用一熱處理工藝的燒制加工擠壓出來的蜂窩狀的陶瓷制品。這包括干燥和燒制，以及消除在干燥和燒制之間的處理步驟(或多個步驟，其中工件被兩次干燥)。該工藝也能被應(yīng)用于其它蜂窩狀陶瓷產(chǎn)品。
已經(jīng)使用組合的微波/傳統(tǒng)加熱或微波輔助加熱作為一可被選用以替換的方案來克服僅傳統(tǒng)加熱和僅微波加熱的問題。在包含微波和輻射/對流加熱的微波輔助加熱中，由微波加熱提供的體積加熱對諸組成部分加熱，同時由氣體火焰或電阻提供的傳統(tǒng)輻射/對流加熱對諸局部加熱，通過將熱量提供到其表面和它的周圍環(huán)境使離開諸組成部分的表面的熱量損失最小。這組合或混合加熱能夠產(chǎn)生避免與僅傳統(tǒng)和僅微波加熱相關(guān)聯(lián)的熱分布圖形的加熱。其結(jié)果，可以降低熱應(yīng)力，或使熱應(yīng)力最小，從而可以更快地加熱陶瓷物品。
通過利用微波能量更快地輔助干燥和燒制零件以及帶有較少的處理，可以將傳統(tǒng)的電介質(zhì)干燥加工和氣體燒制組合在一個熱處理過程中。微波干燥與高頻干燥爐一樣以相同原理工作，但它具有更高頻率，能以較高效率工作。微波輔助燒制能夠在燒制期間降低通過一工件的熱梯度，允許更快的加熱急劇溫升(heating ramps)，通常縮短急劇溫升時間(cutting ramp times)，比傳統(tǒng)氣體燒制快50％或更多。
在干燥一潮濕的工件中，特別瞄準(zhǔn)極分子(即水)的體積加熱與傳統(tǒng)干燥方法相比有一很大優(yōu)點。這就是流行的干燥器的工作原理。使用微波干燥的優(yōu)點是雙倍的。微波能量的高頻允許使用較低瓦特數(shù)和較有效的干燥，同時實際設(shè)備具有較小的占地面積(footprint)。不像高頻干燥爐，還可以使用一微波能源幫助燒制陶瓷產(chǎn)品。用于干燥和燒制工件的一熱處理過程將不要求從干燥器至爐子的任何處理，也不要求冷卻和再加熱步驟。
雖然能夠單獨使用微波能量來加熱蜂窩狀陶瓷制品，一個更加有效和可靠的方法是在氣體燒制爐中用微波輔助加熱組合目前的技術(shù)，以建立能夠快速燒制的一組合爐。用有機和無機材料制成未燒過的陶瓷制品(green ware)，當(dāng)它們受到燒制的時間—溫度周期時它們以不同方式反應(yīng)。有機材料在某些溫度下在有氧存在時燃燒，同時無機材料含有被分離的化學(xué)結(jié)合的水。
這兩個化學(xué)過程通常是相互干擾的。在有機粘合劑的放熱反應(yīng)中的熱的釋放和吸熱的化學(xué)結(jié)合水的去除所要求的熱引起熱梯度，這造成工件內(nèi)的熱/機械應(yīng)力。有機材料的燃燒要求爐子能夠足夠快地排出熱量，使工件的核心不會過熱?；瘜W(xué)結(jié)合水的去除要求爐子對工件供應(yīng)足夠的熱量，以防止核心比爐子冷。
在加工期間，為了獲得均勻的性能，微波能量的均勻的功率分布是很重要的。例如，在化學(xué)地(燒制)或物理地(干燥)結(jié)合水的吸熱去除期間，使用較高數(shù)量的微波功率。當(dāng)功率不是均勻分布時，某些制品或一制品的若干部分將接收到太多能量，而其它制品或一制品的其它部分可能沒有收到足夠的能量。其中任何一種情況都能夠造成開裂或不均勻的特性。
大多數(shù)蜂窩狀陶瓷基體在一礦物燃料管道或周期爐內(nèi)燒制。礦物燃料的燃燒已是可選擇的加熱方法，這是因為它不僅提供輻射加熱，而且由于火焰的速度和燃燒產(chǎn)物產(chǎn)生對流加熱。既使采用這兩種加熱方式通常還是不能有效地克服工件內(nèi)的熱差。因為它們僅施加于表面，所以它們必須依賴于陶瓷體材料的熱傳導(dǎo)，以實現(xiàn)從工件表面到工件中心的熱傳送。這情況被由于蜂窩狀陶瓷材料和幾何形狀的性能造成是隔熱性的事實所惡化。
由于上述原因，一燒制周期的50％之久可以是用于加熱一工件到達(dá)保持溫度所要求的時間。微波輻射將體積地加熱一物體(即整個工件同時受到輻射)，通過降低或基本消除跨越整個工件的熱梯度，能顯著降低加熱一工件到達(dá)保持溫度所消耗的時間。由于太快地加熱一工件所引起的從表面到內(nèi)部的熱梯度能夠產(chǎn)生開裂和不希望的或不均勻的性能。
體積加熱的優(yōu)越性超過用于加熱急劇溫升的簡單的縮短時間要求。在反應(yīng)期間它還能夠用于控制反應(yīng)速率和在相變、化學(xué)結(jié)合的水的去除、分離(debind)和燒結(jié)期間保證均勻性。例如，如果工件進(jìn)入正在去除化學(xué)結(jié)合的水的一吸熱范圍，該工件的表皮將消耗大部分可得到的能量，使核心變冷和表皮收縮。這不僅引起熱梯度應(yīng)力，而且引起與不同收縮有關(guān)的機械應(yīng)力。使用傳統(tǒng)和微波能量的組合作用，熱量被分布到核心和外皮，在燒制周期的這些臨界區(qū)域內(nèi)上述應(yīng)力是可以忽略的。在周期的其它部分，例如燒結(jié)，不難想像到這優(yōu)越性。
在干燥期間已知發(fā)生了類似現(xiàn)象。例如，由于陶瓷制品干燥，它失去了它的彈性和/或收縮。如果收縮引起了任何不同的應(yīng)力，該物體就易于開裂。因此，重要的是將離開外表面的水分蒸發(fā)與從陶瓷制品的中心去除水分(蒸發(fā)或滲透)相平衡。
由便宜的和可靠的磁控管所供應(yīng)的頻率的微波能量是商業(yè)上可獲得的、可負(fù)擔(dān)得起的和適于加工蜂窩狀陶瓷制品的。組合混合式的氣體燒制和微波加熱的技術(shù)是已知的。
雖然，已經(jīng)提出了多種實施方法，但是難于能夠協(xié)調(diào)相應(yīng)的微波和傳統(tǒng)能量輸入，以實現(xiàn)陶瓷物品的最恰當(dāng)?shù)木鶆蚣訜?。在PCT申請WO95/05058和WO93/12639和美國專利No.5,191,183中揭示了微波輔助陶瓷燒制標(biāo)準(zhǔn)控制方法的許多變化。這些專利通常揭示了通過測量在容納陶瓷物品的一容器中的環(huán)境溫度單獨控制由微波能量和輻射加熱在陶瓷物品中所產(chǎn)生的熱量。基于和響應(yīng)于這環(huán)境溫度測量，由微波能量或輻射加熱的一個或兩者控制在陶瓷物品中產(chǎn)生的熱量。雖然這種控制方法對現(xiàn)有傳統(tǒng)控制方法是一改進(jìn)，但是爐內(nèi)諸氣體的不均勻混和和發(fā)生在陶瓷材料內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)的后果使它難于精確地預(yù)計陶瓷物品表面和內(nèi)部溫度。
在大多數(shù)工業(yè)熱處理應(yīng)用中加熱均勻性是最重要的。通常，將許多陶瓷物品放置在爐內(nèi)以提高生產(chǎn)率。這提高了在爐子內(nèi)適當(dāng)數(shù)量的熱能量的分布均勻性的重要性，以保證每件陶瓷制品被適當(dāng)燒制，從而避免發(fā)生燒壞、開裂或其它不希望有的后果。已知用微波能量處理多件物品所遇到的一個問題為邊界效應(yīng)。這效應(yīng)要引起指向物品邊界、制品與它的周圍(通常是爐子或干燥器內(nèi)的環(huán)境)的界面的微波能量的不均勻的功率分布。
該技術(shù)缺少能夠?qū)Χ嗉锲诽峁└骷锲穬?nèi)的均勻的功率分布、對許多種類樣品成份(不過在任何一個燒制期間成份是基本相同的)、各種制品尺寸和幾何形狀的普遍適應(yīng)性、一個較好孔口尺寸分布、較高的強度和熱沖擊阻力、較低的熱膨脹系數(shù)和消除內(nèi)部和外部開裂的方案。
還缺少在臨界區(qū)域內(nèi)提供較高生產(chǎn)率(較短時間—溫度周期)的一加工過程，以前由于與來自燃燒加熱過程的表面加熱相關(guān)聯(lián)的效率不高造成了加工過程顯著地緩慢。
發(fā)明概要因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于加熱多件陶瓷體的方法，該方法包括a)提供形成陶瓷的原材料，將這原材料與一有效數(shù)量的液料(vehicle)和成形助劑混和，以從其形成一塑性混合物，然后將這塑性原材料混合物形成為多個未燒過體(green bodies)；
b)將多個未燒過體中的每一個放置在該多個未燒結(jié)中的相鄰一個的附近，使當(dāng)用電磁波加熱時每一個未燒過體在邊界處受到的功率密度不大于其整體(bulk)所受到的功率密度的約1.5倍；以及c)利用電磁波形式的能量干燥未燒過體。
按照本發(fā)明的另一方面，陶瓷制品是一蜂窩格狀堇青石時，本方法還包括將未燒過體加熱至在約1360℃和約1435℃之間的一最高溫度，以生產(chǎn)一燒過體(fired body)，該燒過體主要是堇青石，其中燒制包括在未燒過體受到一吸熱反應(yīng)或相轉(zhuǎn)變期間利用微波和對流或輻射加熱的組合作用。
按照本發(fā)明的另一方面，蜂窩格狀堇青石體的燒制還包括在燒制腔室內(nèi)將多個未燒過體中的每一個放置在該多個未燒過體的相鄰一個的附近，以致在用電磁波進(jìn)行加熱時每個未燒過體在邊界受到的功率密度不超過其整體所受到的功率密度的約5倍。
本發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明涉及一種加熱多個陶瓷體的方法。本發(fā)明的產(chǎn)生，部分是基于這樣的認(rèn)識，即，制品放置在爐子或干燥器內(nèi)的方式，藉助避免不必要的邊界條件，能影響功率分布。在一載荷的邊緣處總是存在邊界條件，但是按照本發(fā)明在一載荷內(nèi)工件的考慮周密的放置將消除在該載荷內(nèi)或諸工件之間的邊界條件。在某一載荷內(nèi)諸工件不需要是相同的尺寸和幾何形狀，但是，它們最好是有一相似成份。
將形成陶瓷的原材料與一有效數(shù)量的液料和成形助劑混和，以形成一塑性混合物。然后將這混合物形成為多個未燒過體工件。因此，一個或多個未燒過體工件可以由一類似配方，例如最好為在該材料的E”值的10％之內(nèi)的諸配方，形成為不同尺寸和幾何形狀。E”值是材料的復(fù)合的介電常數(shù)。它對于是由電磁場加熱的材料的“有損耗的”材料是一正值，該數(shù)值越高，該材料對于損耗機理越敏感。
將多個未燒過體的每一件放置在相鄰一件的附近，使在用電磁波進(jìn)行加熱時，每個未燒過件在該工件或該載荷的邊界處受到的功率密度不大于其整體受到的功率密度的約1.5倍。然后，利用電磁波形式的能量加熱這些未燒過體。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中難以實現(xiàn)對于多工件的均勻加熱狀態(tài)，這問題通常通過在每工件周圍提供較大空間而被解決。相比較，按照本發(fā)明，在一封閉裝填的系統(tǒng)中實現(xiàn)了均勻加熱。
電磁能量的適當(dāng)形式包括微波和射電頻率(“RF”)能量。電磁場可以是在多種頻率范圍之內(nèi)或在標(biāo)準(zhǔn)頻率的微波能量或所要求的頻率。當(dāng)使用微波能量時，相鄰陶瓷體之間的距離最好不超過所用微波能量的約1/2波長。當(dāng)采用RF能量時，每件未燒過體在與該場平行的邊界處，在兩維方向受到的功率密度不超過其整體所受的功率密度的約1.5倍，其中該距離垂直于RF能量場。例如，當(dāng)在諸板之間的介質(zhì)是空氣或真空時，電磁場被定向為垂直電極。但是，一介電材料將改變該電磁場和引起“端部張開”效應(yīng)以及被加熱材料中的不均勻功率分布，該不均勻功率分布是材料的距離、尺寸和損耗的一函數(shù)。這造成在一載荷的引導(dǎo)和尾隨邊緣處的較大加熱。通過以按照消除引導(dǎo)和尾隨邊緣的這樣一方式裝填制品，可以避免邊界效應(yīng)。
適合于按照本發(fā)明進(jìn)行加工的未燒過體工件可以由多種不同陶瓷材料的任何一種組成。該加工過程對于由堇青石、鋯土耐火材料、金剛砂蜂窩狀物組成的蜂窩格狀陶瓷制品和由富鋁紅柱石、鈦酸鋁等組成的其它氧化蜂窩狀陶瓷制品提供了特殊的優(yōu)越性。
本發(fā)明提供了一種方法，用于控制在一介電場內(nèi)的諸陶瓷體、尤其使用高有機含量的諸成份的干燥速度和燒制。通常的干燥作用依賴于功率控制和或輸送帶速度，以控制陶瓷體的干燥速率，從而避免例如結(jié)疤和裂縫的“表皮”疵點。
本發(fā)明有利地認(rèn)識到介電材料能夠改變電磁場。這種電磁場的改變和移動造成當(dāng)陶瓷體處于較靠近的距離內(nèi)時施加于陶瓷體的有效功率的衰減。傳統(tǒng)的思考依賴于降低所施加的功率和或加快輸送帶速度以降低干燥速率。因為諸陶瓷體之間的距離使電磁場的場變化或衰減最大化，所以這一方法實際上將更多能量聚焦于該工件，因此將該電磁場集中在一部分之上。相比較，按照本發(fā)明，通過在任何給定時間在一載體內(nèi)或干燥區(qū)域內(nèi)增加陶瓷體的工件密度，衰減效果分散了施加于各個工件的功率，這樣使均勻干燥而沒有疵點。我們發(fā)現(xiàn)功率能夠更均勻分布于整個一緊密物體或諸物體的一緊密裝填的陣列。這樣，消除或降低了在干燥期間會導(dǎo)致開裂的有加熱的數(shù)量。
干燥的目標(biāo)是盡可能快地去除水分和從工件的核心到表皮保持較小的溫度偏差，這通過在載荷的整個尺寸中更均勻地分布能量來實現(xiàn)。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，倘若按照本發(fā)明緊密地裝填諸制品，在制品中的能量密度變化在干燥期間可以維持為小于約20％，在組合燒制期間小于50％，以及，施加于制品的功率可以增加到超過至今將產(chǎn)生諸熱點或熱失控的程度。通過空間的能量變化通常展現(xiàn)了與能量輸入的一相互關(guān)系，但是，當(dāng)緊密裝填制品時該變化減小了。隨著溫度的增加，在組合加熱中能量變化實際上是減小了，以及，制品能夠吸收更多的功率。從而，與用傳統(tǒng)方法可能獲得的相比較，在制品內(nèi)可以獲得更高的能量密度。
本發(fā)明的方法是相對于陶瓷的蜂窩狀基體來被說明的，但是該方法也應(yīng)用于材料的絕緣特性使它易于迅速加熱和處理材料的變形的任何場合。
本發(fā)明涉及作為典型的表皮疵點的“結(jié)疤”和“裂縫”或“溝槽”，但這些疵點還包括陶瓷的開裂和變形。
一個適當(dāng)?shù)膽?yīng)用是控制接近現(xiàn)有的RF干燥器的托盤，以在干燥器部分充滿時使與疵點有關(guān)的開動和工作變化(start-up and job change related defects)最小。在這情況下，通過對進(jìn)入的托盤計數(shù)和對輸送帶速度乘以一個系數(shù)(facforing the belt speed)來確定干燥器載荷，以維持所需的間隔。
本發(fā)明在峰窩狀陶瓷制品的燒制周期的重要溫度范圍內(nèi)將微波能量施加進(jìn)入連續(xù)的和周期的氣體燒制爐內(nèi)，尤其是，但不局限于，化學(xué)結(jié)合的水被排出產(chǎn)品的吸熱反應(yīng)部位。在燒制一蜂窩格狀堇青石陶瓷制品期間，多個未燒過體的每一個都放置在一相鄰未燒過體工件的附近，以致用電磁波加熱時未燒過體在邊界受到的功率密度不大于其整體所受到的功率密度的約5倍。
本方法包括將諸未燒過體加熱至在約1360℃至約1435℃之間的一最高溫度，以產(chǎn)生主要是堇青石的被燒制的物體，其中燒制包括在未燒過體受到吸熱反應(yīng)或相變期間采用微波和對流或輻射加熱的組合作用。更尤其是，未燒過體受到一吸熱反應(yīng)或相變的諸階段包括從約450℃至約600℃溫度范圍的粘土失水范圍和從約830℃至約1000℃溫度范圍的滑石失水范圍。從微波提高工件內(nèi)的加熱均勻性得益的其它范圍包括碳基化合物/粘合劑燒光(burnout)范圍(100℃至450℃)和高溫?zé)Y(jié)/1250℃之上保持溫度。
在燒制蜂窩狀陶瓷基體之中，未燒過的工件受到一特定的時間—溫度周期。加熱速率、保持溫度和保持時間對于在陶瓷體內(nèi)形成所要求的物理性能是很重要的。批量材料是由有機和無機材料制成的。這些批量材料在受到時間—溫度周期時以不同方式起反應(yīng)。有機材料在某些溫度在存在氧時開始焰燒，釋放熱能。某些無機材料含有化學(xué)結(jié)合的水，這些結(jié)合水在取決于該無機材料的某一溫度下被排出。去除化學(xué)結(jié)合的水需要熱量。有機材料的熱量釋放(放熱反應(yīng))和去除在無機材料中的化學(xué)結(jié)合的水的熱要求(吸熱反應(yīng))引起該工件的中心和表面之間的熱差。
大多數(shù)蜂窩狀陶瓷基本在一礦物燃料通道爐(fossil fuel tunnel kiln)或周期爐中燒制。礦物燃料燃燒過程已成為可選擇的加熱方法，這是因為它不僅提供輻射加熱，而且由于火焰的速度和燃燒產(chǎn)物也提供對流加熱。因為這兩種加熱方式僅施加于表面和依賴于物體材料的熱傳導(dǎo)率將表面之下的溫度傳送到工件的中心，所以既使利用這兩種加熱方式通常不能充分有效地克服工件內(nèi)的熱差現(xiàn)象。
可以在用商業(yè)上可得到的整個微波頻率范圍內(nèi)的任何頻率，例如分別為915兆赫和2.45千兆赫施加微波能量。隨著時間溫度周期的進(jìn)展可以采用多個微波頻率，以產(chǎn)生最好的工件熱均勻性，選配材料、溫度和微波頻率，倘若能維持適當(dāng)?shù)淖钃鹾洼敵霭l(fā)生器的頻率匹配的話。掃描頻率微波發(fā)生器是在整個時間—溫度周期中希望用多個頻率的周期性爐中的一可被選用以替換的發(fā)生器。
由于均勻地將能量施加于工件而要選擇微波能量。如前面所述，傳統(tǒng)燃燒技術(shù)僅將熱量施加于工件表面。碳化硅或類似材料制成的接受器板(susceptorplate)可以用來幫助礦物燃料加熱方式將工件溫度升高到一溫度，在此溫度陶瓷物品開始耦合所施加的微波能量。這些接受器板也可以用來形成或集中微波能量到達(dá)爐子中或工件上的某些位置。
本發(fā)明由于均勻工件溫度而產(chǎn)生的優(yōu)越性包括，但不局限于，提高強度和熱沖擊阻力，降低熱膨脹系數(shù)、內(nèi)部/外部開裂和一致的多孔特性。因為以前由于與燃燒加熱過程所產(chǎn)生的表面加熱相關(guān)聯(lián)的效率不高而造成這些重要階段非常緩慢，所以本發(fā)明還能提高生產(chǎn)率(較短的時間溫度周期)。
在此將敘述按照本發(fā)明的一種用于加熱陶瓷材料的基本系統(tǒng)。該系統(tǒng)較佳地包括一微波共振腔，該腔具有一隔熱壁，其中放置待加熱的一陶瓷物品。一微波發(fā)生器，例如一磁控管，通過一波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)直接或間接連接于該微波共振腔。該系統(tǒng)包括用于連續(xù)調(diào)節(jié)微波功率的一微波功率源/控制器和可任選的、被構(gòu)造成在隔熱容器內(nèi)傳統(tǒng)加熱的一單獨受控的傳統(tǒng)加熱源/控制器?？紤]到傳統(tǒng)加熱源能夠形成對流或輻射加熱，它包括，但不局限于，在一直接或間接燃燒器結(jié)構(gòu)中的傳統(tǒng)電阻或氣體加熱。
微波爐通常包括例如鋁或300系列不銹鋼的非磁性材料的一殼體。該殼體在所有側(cè)壁上襯有高溫、低損耗隔熱材料，例如高純礬土陶瓷纖維。由一蒸汽擋板保護(hù)波導(dǎo)管孔口或開口免受爐內(nèi)環(huán)境影響，該擋板可以由高純石英玻璃或其它低損耗材料例如云母制成。用硅橡膠粘合劑將這蒸汽擋板連接于波導(dǎo)管。在爐子的底部一小車裝有待加熱的物品，該爐車具有一個或多個例如碳化硅的高溫材料的架子和支承件，該架子支承物品。重要的是爐車具有在爐壁和車子金屬之間的微波節(jié)流門，以提供一用于能量的通道和避免微波泄漏到爐子周圍區(qū)域或等效物。
用來發(fā)生微波的發(fā)生器源可以構(gòu)成任何具有一可調(diào)功率特征的傳統(tǒng)磁控管。所采用的入射微波的頻率較佳地為美國規(guī)定的工業(yè)頻帶的約915兆赫或約2.45千兆赫。已知美國和其它國家采用直至28000兆赫的頻率。此外，入射微波的功率不需要大于足以提高陶瓷物品的溫度到達(dá)用于陶瓷物品加熱是有效的一溫度。尤其是，微波發(fā)生器應(yīng)該具有直至75千瓦和以上的可變功率級。
將能夠測量陶瓷物品的表面溫度和陶瓷物品中心附近溫度、即核心溫度的一溫度測量系統(tǒng)連接于一控制單元，該控制單元單獨地控制微波功率源/控制器和傳統(tǒng)加熱源/控制器。這控制單元較佳地控制一可編程的邏輯控制器(PLC)和一個人電子計算機(PC)的組合。溫度測量系統(tǒng)構(gòu)成任何能夠檢測陶瓷物品的表面和核心溫度的適當(dāng)?shù)臏囟葌鞲衅?。在本說明書中所使用的術(shù)語“核心”是指在特定陶瓷物品的中心或其附近的陶瓷物品的內(nèi)部，可以在精確反映核心溫度的陶瓷物品的內(nèi)部中的任何位置測量核心溫度。適當(dāng)?shù)膫鞲衅靼ɡ缫桓邷赜?或其它溫度記錄設(shè)備)、一被屏蔽的電熱偶、光導(dǎo)管或黑體探頭。在一較佳實施例中，諸傳感器構(gòu)成受屏蔽的熱電偶，熱電偶包括S型或B型形式的一向前延伸的溫度探頭、裝在對爐子殼體接地的一鉑或其它金屬的高溫殼體內(nèi)的熱電偶。
另外，可以用一反射功率電路測量核心溫度。在一微波單元中，在給予磁鐵和燈絲調(diào)節(jié)(filament control)的指令信號的基礎(chǔ)上磁控管輸出微波能量。該能量在波導(dǎo)管內(nèi)前進(jìn)和到達(dá)該空腔，在該空腔內(nèi)能量被載荷吸收，并被諸空腔壁或其它反射表面反射。沒有被制品吸收的能量被反射回到波導(dǎo)管內(nèi)。反射功率是該空腔內(nèi)載荷數(shù)量的一量度和取決于該空腔內(nèi)載荷的介電特性。通過監(jiān)測在該周期中的反射功率，能夠確定載荷的物理狀態(tài)以及受控制以將所需能量傳送到載荷的微波功率。
在操作中，通過用電磁微波輻射的組合作用對陶瓷材料的照射和通過使陶瓷物品受到傳統(tǒng)加熱作用，陶瓷材料受到某一數(shù)量的加熱能量。微波輻射和傳統(tǒng)加熱的該數(shù)量使陶瓷物品按照一預(yù)定的時間—溫度曲線加熱。
確定從室溫到燒結(jié)保溫溫度范圍的時間—溫度曲線使陶瓷物品在最短的時間到達(dá)它的燒結(jié)保溫溫度，隨后保持在燒結(jié)保溫溫度，使一陶瓷物品的產(chǎn)品展現(xiàn)所要求的陶瓷材料特性，尤其是無開裂、不變形的陶瓷物品。
本發(fā)明方法的商業(yè)操作包括將陶瓷材料放置在具有一微波腔的微波加熱設(shè)備之中，并使陶瓷材料按照一預(yù)定時間—溫度曲線受到微波輻射和傳統(tǒng)加熱能量的組合作用。
應(yīng)該理解，雖已參照某些說明性的和特定的實施例詳細(xì)地敘述了本發(fā)明，但是應(yīng)考慮到在不脫離所附權(quán)利要求書所規(guī)定的本發(fā)明的基本原理和廣闊范圍的情況下可以有許多改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種用于加熱多個陶瓷體的方法包括a)提供形成陶瓷的原材料和將該原材料與一有效數(shù)量的液料和成形助劑混和，以從其形成一塑性混合物，然后將該塑性原材料混合物形成為多個未燒過體；b)將所述多個未燒過體的每一個放置在所述多個未燒過體的相鄰一個的附近，使在用電磁波加熱時每個未燒過體在邊界受到的功率密度不大于其整體所受到的功率密度的約1.5倍；以及c)利用電磁波形式的能量干燥該未燒過體。
2.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述能量是電磁能量的形式。
3.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，相鄰體的所述附近是不超過所述微波能量的約1/2波長的一距離。
4.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述能量是RF能量的形式，所述未燒過體在邊界的二維方向受到的功率密度不大于其整體所受到的功率密度的約1.5倍。
5.如權(quán)利要求4的方法，其特征在于，相鄰體的所述附近是垂直于RF能量場的一距離。
6.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述陶瓷體是一蜂窩格狀堇青石體。
7.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述陶瓷體是一鋯石耐火材料塊體。
8.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述陶瓷體是一碳化硅蜂窩狀體。
9.如權(quán)利要求6的方法，它還包括d)將未燒結(jié)體加熱到在約1360℃和約1435℃之間的一最高溫度，以生產(chǎn)主要為堇青石的被燒制的陶瓷體，其中在周期中燒制加工包括使用微波和對流或輻射加熱的組合作用，使未燒過體受到一吸熱反應(yīng)或相變。
10.如權(quán)利要求9的方法，其特征在于，燒制包括在從約450℃至約600℃溫度范圍的粘土失水區(qū)間中使用微波和對流或輻射加熱的組合作用。
11.如權(quán)利要求9的方法，其特征在于，燒制從約830℃至約1000℃溫度范圍的滑石失水區(qū)間中使用微波和對流或輻射加熱的組合作用。
12.如權(quán)利要求9的方法，其特征在于，所述燒制還包括在一燒制腔室內(nèi)將所述多個未燒過體的每一個放置在所述多個未燒過體的相鄰一個的附近，使在用電磁波加熱時所個未燒過體在邊界受到的功率密度不大于其整體所受的功率密度的約5倍。
全文摘要
用于加熱多個陶瓷體的方法，它包括a)提供形成陶瓷的原材料和將該原材料與一有效數(shù)量的液料和成形助劑混合，以從其形成一塑性混合物，然后將該塑性原材料形成為多個未燒過體；b)將多個未燒過體的每一個放置在該多個未燒過體的相鄰一個的附近，使在用微波加熱時每個未燒過體在邊界受到的功率密度不大于其整體所受到的功率密度的約1.5倍；以及c)用電磁波形式的能量干燥未燒過體。當(dāng)陶瓷制品是一蜂窩格狀堇青石體時，本方法還包括將未燒過體加熱到在約1360℃和約1435℃之間的一最高溫度，以生產(chǎn)主要是堇青石的被燒過體，其中在周期中燒制包括利用微波和對流或輻射加熱的組合作用，使未燒過體受到一吸熱反應(yīng)或相變。用于燒制一蜂窩格狀堇青石體的方法還包括在一燒制腔室中將多個未燒過體的每一個放置在該多個未燒過體的相鄰一個的附近，以致在用微波能量加熱時每個未燒過體在邊界受到的功率密度不大于其整體所受到功率密度的約5倍。
文檔編號B28B11/00GK1608039SQ01822315
公開日2005年4月20日 申請日期2001年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月29日
發(fā)明者C·R·阿拉亞, J·H·布倫南, K·A·韋克塞爾, G·G·斯奎爾 申請人:康寧股份有限公司