本發(fā)明屬于工業(yè)爐技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)構(gòu)簡單、熱效率和加熱速率高、加熱均勻性好、適用面廣、節(jié)能降耗的多功能高溫微波金屬熔煉設(shè)備。

背景技術(shù)：

金屬熔煉是將金屬材料及其它輔助材料投入加熱爐熔化并調(diào)質(zhì)，爐料在高溫爐內(nèi)發(fā)生一定的物理、化學(xué)變化，產(chǎn)出粗金屬或金屬富集物和爐渣的火法冶金過程。在金屬熔煉過程中，選擇高效清潔的熔煉設(shè)備具有重要意義。傳統(tǒng)電加熱爐能耗高、規(guī)模大、加熱效率低、加熱時(shí)間長，不能滿足當(dāng)前清潔、高效、節(jié)能、便捷的生產(chǎn)模式。電磁感應(yīng)加熱熔煉爐雖然加熱快速高效，但功率大、能耗高，且僅限于導(dǎo)電物料，存在一定的不足。隨著冶金與材料工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，傳統(tǒng)的金屬熔煉及合金制備工業(yè)不能滿足高效、節(jié)能、環(huán)保以及靈活的生產(chǎn)模式需求，開發(fā)新型清潔、高效、環(huán)保及便捷的熔煉裝備，對改善傳統(tǒng)金屬及其合金熔煉模式，推動該領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

微波加熱作為一種綠色高效的加熱方法，是新近發(fā)展起來的加熱技術(shù)，與常規(guī)加熱方法相比，具有非接觸式直接加熱、升溫速率快、反應(yīng)時(shí)間短、易于自動控制、可降低化學(xué)反應(yīng)溫度等優(yōu)點(diǎn)，符合工業(yè)加熱設(shè)備高效、清潔、易于自控的發(fā)展方向。然而，目前國內(nèi)外微波加熱設(shè)備主要集中在低溫加熱應(yīng)用方面，如食品處理、木柴干燥、橡膠硫化等，高溫微波加熱熔煉設(shè)備的應(yīng)用較少。

微波高溫加熱技術(shù)是指利用微波能量將材料加熱到400℃以上，并對材料進(jìn)行燒結(jié)、合成、改性或者熱處理的一類技術(shù)。目前，高溫微波加熱熔煉設(shè)備要達(dá)到工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，提高高溫微波加熱熔煉設(shè)備微波功率是主要途徑，包括增大單個磁控管的功率及多微波功率源功率合成技術(shù)。但是，由于大功率磁控管一方面生產(chǎn)成本高、價(jià)格昂貴，而且對電源配備、冷卻系統(tǒng)等方面的要求高，維護(hù)也不方便，不利于高溫微波加熱熔煉設(shè)備的推廣應(yīng)用；另一方面，受高功率微波的物理產(chǎn)生機(jī)制以及器件工藝結(jié)構(gòu)等限制，單個磁控管的微波功率也很有限，難以滿足工業(yè)加熱的功率需求。另外，由于小功率磁控管組合成的大功率微波反應(yīng)器的效能低，而其主體主要采用由金屬壁封閉的矩形諧振腔結(jié)構(gòu)會由于腔體構(gòu)造不合理和磁控管安裝位置不合理，造成各磁控管發(fā)出的電磁波相互干涉抵消、磁控管壽命大幅縮短，而且磁控管的功率輸出受反射波諧振的影響而不穩(wěn)定，微波場場強(qiáng)的分布不均勻?qū)е录訜岵痪鶆?。為了降低小功率磁控管組合對矩形諧振腔結(jié)構(gòu)和磁控管安裝位置的高要求，部分高溫微波加熱熔煉設(shè)備采用單向設(shè)置多個小功率磁控管的組合，然后通過轉(zhuǎn)動托架來帶動加熱物料轉(zhuǎn)動，使加熱物料各部位均勻吸收微波以避免局部過熱，但卻存在整體微波功率小，從而只能加熱小體積的物料；或者采用大功率磁控管及其組合，又會存在整體成本高、配套設(shè)施要求高、維護(hù)不便的弊端；而且加熱過程中存在活動機(jī)械部件還會降低整體的可靠性。此外，也有采用隧道式串聯(lián)多個磁控管的方法來降低對矩形諧振腔結(jié)構(gòu)和磁控管安裝位置的要求，但也存在著單一加熱功率小，造成僅適用于小體積物料的加熱且加熱速度慢，而過于分散的磁控管設(shè)置又會造成反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、散熱面積大的缺陷。高溫微波加熱熔煉設(shè)備中諧振腔內(nèi)的微波能量分布不僅與微波源、波導(dǎo)、諧振腔的結(jié)構(gòu)及尺寸等因素密切相關(guān)，而且不同加熱物料的電磁特性熱物性參數(shù)差異較大，加熱工藝也不盡相同，因而對于給定的物料需要設(shè)計(jì)專用的高溫微波加熱熔煉設(shè)備，使得高溫微波加熱熔煉設(shè)備難以成為一種通用型設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題及不足，提供了一種結(jié)構(gòu)簡單、熱效率和加熱速率高、加熱均勻性好、適用面廣、節(jié)能降耗的多功能高溫微波金屬熔煉設(shè)備。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：包括電源系統(tǒng)、控制模塊、微波源、微波反應(yīng)腔體、吸波加熱容器、測溫裝置、出料裝置，所述微波反應(yīng)腔體為不少于五面的奇數(shù)面體金屬結(jié)構(gòu)，所述微波反應(yīng)腔體與設(shè)備機(jī)架固定連接，所述微波反應(yīng)腔體的各側(cè)壁分別設(shè)置有微波源，所述微波源通過控制模塊與電源系統(tǒng)連接，所述微波反應(yīng)腔體的頂部設(shè)置有密封爐蓋，所述爐蓋設(shè)置有與控制模塊信號連接的測溫裝置，所述微波反應(yīng)腔體的底部設(shè)置有與其固定連接的腔體底板，所述腔體底板的中心位置設(shè)置有通孔且下部設(shè)置有出料裝置的升降底座，所述吸波加熱容器設(shè)置于穿過腔體底板的通孔并置于升降底座上的透波保溫套筒內(nèi)，所述出料裝置帶動吸波加熱容器及透波保溫套筒隨升降底座上下移動。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

1、本發(fā)明采用微波加熱的方式開展金屬熔煉，升溫速率可達(dá)50~70℃/min，可顯著提高金屬熔煉效率，縮短工藝過程，降低能耗，避免了常規(guī)電加熱的高功率用電，簡化了熔煉裝備結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備總功率要求和安裝條件；

2、通過將微波反應(yīng)腔體設(shè)置為不少于五面的奇數(shù)面體金屬結(jié)構(gòu)且各側(cè)壁分別設(shè)置微波源，以多微波源組合的分布耦合技術(shù)，有效減少高溫微波加熱熔煉設(shè)備常規(guī)設(shè)計(jì)出現(xiàn)的微波源強(qiáng)互耦，得到了能量利用率高、微波源壽命長和功率輸出穩(wěn)定、溫度分布均勻的大型化諧振腔；

3、通過在微波反應(yīng)腔體的各側(cè)壁分別設(shè)置微波源，以低功率微波發(fā)生器的組合實(shí)現(xiàn)大功率微波加工的目的，不僅微波發(fā)生器的成本大幅降低，且微波發(fā)生器失效后的更換成本低廉，整體對電源配備要求降低，而且可采用簡單的水冷或風(fēng)冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冷卻，結(jié)構(gòu)簡單可靠；

4、采用石墨、碳化硅等吸波加熱容器作為物料承載容器及加熱元件，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)物料及爐內(nèi)溫度的快速升溫，提高加熱速率，既可用于金屬氧化物、金屬粉體、塊體金屬及合金的熔煉，也適用于合金調(diào)質(zhì)等工藝，適用面廣。

因此，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、熱效率和加熱速率高、加熱均勻性好、適用面廣、節(jié)能降耗的特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖；

圖2為圖1之俯視圖；

圖3為圖1之微波反應(yīng)腔體正視圖；

圖4為圖3之仰視圖；

圖5為本發(fā)明之微波反應(yīng)腔體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明之升溫曲線；

圖中：1-電源系統(tǒng)，2-控制模塊，3-微波源，4-微波反應(yīng)腔體，401-腔體底板，5-吸波加熱容器，6-測溫裝置，701-升降底座，702-升降螺旋絲桿，703-驅(qū)動機(jī)構(gòu)，704-升降導(dǎo)向柱，705-限位開關(guān)，8-設(shè)備機(jī)架，9-爐蓋，901-充氣孔，902-氣壓安全閥，903-氣壓表，904-排氣孔，905-真空抽氣口，10-透波保溫套筒，11-透波保溫層，12-矩形波導(dǎo)管，13-攪拌裝置，131-攪拌電機(jī)，132-攪拌葉片，14-固定底座，15-萬向輪。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但不以任何方式對本發(fā)明加以限制，基于本發(fā)明教導(dǎo)所作的任何變更或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1至6所示，本發(fā)明包括電源系統(tǒng)1、控制模塊2、微波源3、微波反應(yīng)腔體4、吸波加熱容器5、測溫裝置6、出料裝置7，所述微波反應(yīng)腔體4為不少于五面的奇數(shù)面體金屬結(jié)構(gòu)，所述微波反應(yīng)腔體4與設(shè)備機(jī)架8固定連接，所述微波反應(yīng)腔體4的各側(cè)壁分別設(shè)置有微波源3，所述微波源3通過控制模塊2與電源系統(tǒng)1連接，所述微波反應(yīng)腔體4的頂部設(shè)置有密封爐蓋9，所述爐蓋9設(shè)置有與控制模塊2信號連接的測溫裝置6，所述微波反應(yīng)腔體4的底部設(shè)置有與其固定連接的腔體底板401，所述腔體底板401的中心位置設(shè)置有通孔且下部設(shè)置有出料裝置7的升降底座701，所述吸波加熱容器5設(shè)置于穿過腔體底板401的通孔并置于升降底座701上的透波保溫套筒10內(nèi)，所述出料裝置7帶動吸波加熱容器5及透波保溫套筒10隨升降底座701上下移動。

所述微波反應(yīng)腔體4為五面體、七面體或九面體金屬結(jié)構(gòu)，所述微波反應(yīng)腔體4的內(nèi)壁設(shè)置有透波保溫層11。

所述透波保溫套筒10為多晶莫來石保溫套筒和/或透波保溫層11為多晶莫來石保溫板，所述吸波加熱容器5為石墨坩堝或碳化硅坩堝。

所述碳化硅坩堝采用圓臺形結(jié)構(gòu)，耐熱溫度為0~1600℃，容量為10~50L，壁厚為15~30mm。

所述吸波加熱容器5整體置于多晶莫來石的透波保溫套筒10中，所述透波保溫套筒10置于升降底座701上的固定底座14的內(nèi)隨升降實(shí)現(xiàn)裝料和出料。

所述微波反應(yīng)腔體4的各側(cè)壁分別開設(shè)有至少一個微波源饋口，所述微波源3通過矩形波導(dǎo)管12與微波源饋口的法蘭固定連接。

所述矩形波導(dǎo)管12與微波反應(yīng)腔體4之微波源饋口的法蘭之間通過聚四氟乙烯墊片、石墨墊片或碳化硅墊圈實(shí)現(xiàn)腔體密封。

所述微波源3在微波反應(yīng)腔體4的各側(cè)壁呈雙正交排列設(shè)置。

本發(fā)明五面體結(jié)構(gòu)的微波反應(yīng)腔體4的側(cè)壁開設(shè)5、10或20個微波源饋口，所述微波源饋口通過矩形波導(dǎo)管12分別設(shè)置有頻率為2450MHz或915MHz、單個功率為0~1kW連續(xù)可調(diào)的微波源3，所述微波源3之間采用串聯(lián)循環(huán)水負(fù)載進(jìn)行冷卻保護(hù)。

所述爐蓋9中心位置設(shè)置有攪拌軸延伸至吸波加熱容器5內(nèi)的攪拌裝置13，所述攪拌裝置13的攪拌電機(jī)通過控制模塊2與電源系統(tǒng)1連接。

所述攪拌裝置13的攪拌速度為5~20 r/min。

所述爐蓋9分別設(shè)置有充氣孔901、氣壓安全閥902、氣壓表903、和排氣孔904，所述氣壓表903與控制模塊2信號連接，所述微波反應(yīng)腔體4的側(cè)壁下部設(shè)有真空抽氣口905，所述真空抽氣口905與抽真空裝置連接，所述充氣孔901與供氣裝置連接。

所述微波反應(yīng)腔體4及其爐蓋9、升降底座701構(gòu)成的密閉微波反應(yīng)腔體壓力范圍為2~15×104 Pa。

所述測溫裝置6為熱電偶、紅外線和/或光纖溫度傳感器。

所述熱電偶的金屬保護(hù)管外壁設(shè)置有屏蔽保護(hù)套。

所述光纖溫度傳感器為半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器、熒光輻射式光纖溫度傳感器、光纖液晶溫度傳感器、光纖輻射溫度傳感器或接觸式點(diǎn)傳感器。

所述出料裝置7包括升降底座701、升降螺旋絲桿702、驅(qū)動機(jī)構(gòu)703、升降導(dǎo)向柱704、限位開關(guān)705，所述升降導(dǎo)向柱704與設(shè)備機(jī)架8固定連接，所述升降底座701設(shè)置有與升降螺旋絲桿702配合的螺孔且設(shè)置套接于升降導(dǎo)向柱704的導(dǎo)向孔，所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)703與升降螺旋絲桿702連接以驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)，所述限位開關(guān)705設(shè)置于升降底座701的上部和/或下部并與設(shè)備機(jī)架8固定連接，所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)703通過控制模塊2與電源系統(tǒng)1連接，所述限位開關(guān)705與控制模塊1信號連接。

所述爐蓋9、升降底座701與微波反應(yīng)腔體4的上下端面通過聚四氟乙烯墊片、石墨墊片或橡膠圈密封。

所述微波反應(yīng)腔體4為壁厚5~8mm的不銹鋼五面體結(jié)構(gòu)，所述微波反應(yīng)腔體4的側(cè)壁與腔體底板401焊接或鉚接固定，所述微波反應(yīng)腔體4的側(cè)壁與爐蓋9螺栓連接。

本發(fā)明工作原理和工作過程：

本發(fā)明通過將微波反應(yīng)腔體設(shè)置為不少于五面的奇數(shù)面體金屬結(jié)構(gòu)且各側(cè)壁分別設(shè)置微波源，以多微波源組合的分布耦合技術(shù)，有效減少高溫微波加熱熔煉設(shè)備常規(guī)設(shè)計(jì)出現(xiàn)的微波源強(qiáng)互耦，得到了能量利用率高、微波源壽命長和功率輸出穩(wěn)定、溫度分布均勻的大型化諧振腔；通過在微波反應(yīng)腔體的各側(cè)壁分別設(shè)置微波源，以低功率微波發(fā)生器的組合實(shí)現(xiàn)大功率微波加工的目的，不僅微波發(fā)生器的成本大幅降低，且微波發(fā)生器失效后的更換成本低廉，對電源配備要求降低，而且可采用簡單的水冷或風(fēng)冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冷卻，整體結(jié)構(gòu)簡單可靠；采用石墨、碳化硅等制造的吸波加熱容器作為物料承載容器及加熱元件，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)物料及爐內(nèi)溫度的快速升溫，提高加熱速率，既可用于金屬氧化物、金屬粉體、塊體金屬及合金的熔煉，也適用于合金調(diào)質(zhì)等工藝，適用面廣。進(jìn)一步將微波反應(yīng)腔體設(shè)置為五面體、七面體或九面體金屬結(jié)構(gòu)，且內(nèi)壁設(shè)置有透波保溫層，不僅能夠有效的降低現(xiàn)有技術(shù)中的矩形諧振腔或圓形諧振腔中低功率微波發(fā)生器組合強(qiáng)互耦作用，使得整體能量利用率高、微波源壽命長和功率輸出穩(wěn)定、溫度分布均勻，而且透波保溫層能夠進(jìn)一步提高能源的利用率和溫度的均勻性。更進(jìn)一步，透波保溫套筒為多晶莫來石保溫套筒和/或透波保溫層為多晶莫來石保溫板，吸波加熱容器為石墨坩堝或碳化硅坩堝，采用多晶莫來石保溫套筒或多晶莫來石保溫板能達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)、減少爐內(nèi)溫差、提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少備件消耗、延長爐體壽命、改善工作環(huán)境之目的；而采用具有耐高溫、強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性能良好、抗沖擊的石墨坩堝或碳化硅坩堝作為吸波加熱容器，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)物料及爐內(nèi)溫度的快速升溫，提高加熱速率，本發(fā)明既可用于金屬粉體、塊體金屬及合金的熔煉，也適用于合金調(diào)質(zhì)等工藝，使得本發(fā)明具有廣泛的適用性。進(jìn)一步將微波反應(yīng)腔體的各側(cè)壁分別開設(shè)有至少一個微波源饋口，微波源通過矩形波導(dǎo)管與微波源饋口的法蘭固定連接，矩形波導(dǎo)管與微波反應(yīng)腔體之微波源饋口的法蘭之間通過聚四氟乙烯墊片、石墨墊片或碳化硅墊圈實(shí)現(xiàn)腔體密封，微波源在微波反應(yīng)腔體的各側(cè)壁呈雙正交排列設(shè)置，能夠在保證本發(fā)明整體功率達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的同時(shí)，可以有效的降低整體成本、維護(hù)便捷，而且還能夠降低常規(guī)低功率微波發(fā)生器組合強(qiáng)互耦作用，減少乃至杜絕微波泄漏，整體安全可靠。進(jìn)一步在爐蓋分別設(shè)置有充氣孔、氣壓安全閥、氣壓表、和排氣孔，氣壓表與控制模塊信號連接，微波反應(yīng)腔體的側(cè)壁下部設(shè)有真空抽氣口，真空抽氣口與抽真空裝置連接，在保證本發(fā)明安全性的同時(shí)，還使其具有真空熔煉和保護(hù)氣氛熔煉的能力，進(jìn)一步拓展了使用范圍。進(jìn)一步創(chuàng)新性的采用底部升降出料裝置，有效簡化了本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)和提高了其可靠性。綜上所述，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、熱效率和加熱速率高、加熱均勻性好、適用面廣、節(jié)能降耗的特點(diǎn)。

如圖1至6所示，本發(fā)明的控制模塊2采用PLC自動控制，觸摸屏調(diào)節(jié)。使用時(shí)，通過點(diǎn)擊觸摸屏啟動出料裝置7的驅(qū)動機(jī)構(gòu)703使升降底座701下降至最低行程，將熔煉物料裝入碳化硅坩堝4中，然后啟動驅(qū)動機(jī)構(gòu)703，通過升降螺旋絲桿702頂起升降底座701與微波反應(yīng)腔體4形成密閉空間；通過抽氣和充氣裝置，先后經(jīng)真空抽氣口902將微波反應(yīng)腔體4抽取到預(yù)定真空壓力，然后通過充氣孔901充入保護(hù)氣體到預(yù)定壓力；開啟循環(huán)冷卻水，通過觸摸屏設(shè)置工藝條件后饋入微波加熱物料并保溫；保溫時(shí)間到以后先關(guān)閉微波源3，再下降升降底座701至限位開關(guān)705位置，最后開啟爐門取出碳化硅坩堝4。本發(fā)明按如上步驟實(shí)施，采用碳化硅坩堝作為熔煉及加熱器件，在20kW微波功率下，升溫曲線如圖6所示。