作者：付景利 魏金輝
摘要：微波燒結(jié)技術(shù)是一門(mén)嶄新的科學(xué)技術(shù)，它以高效、節(jié)能、環(huán)保、控制靈活的特點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)和高科技領(lǐng)域內(nèi)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并已形成一支新的產(chǎn)業(yè)。承德新新釩鈦股份有限公司在氮化釩生產(chǎn)試驗(yàn)上引進(jìn)了微波燒結(jié)控制技術(shù)，將材料與微波直接耦合，使生產(chǎn)氮化釩具有燒結(jié)時(shí)問(wèn)短、能源利用率高、安全無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：微波燒結(jié)，微波管，磁場(chǎng)功率能耗

1 原理簡(jiǎn)介
1．1 微波加熱原理
  物質(zhì)分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。絕緣體又叫介質(zhì)材料，介質(zhì)材料由極性分子和非極性分子組成。微波是頻率在300兆赫到300千兆赫的高頻電磁波，波長(zhǎng)1米一1毫米。這些由極性分子和非極性分子組成的介質(zhì)材料，在微波高頻電磁場(chǎng)作用下，極性分子從原來(lái)的隨機(jī)分布狀態(tài)轉(zhuǎn)向按照電場(chǎng)的極性排列取向，介質(zhì)中的極性分子從原來(lái)的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為跟隨微波電磁場(chǎng)的交變而排列取向，產(chǎn)生激烈的磨擦而生熱。在這一微觀過(guò)程中，微波能量轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能，使介質(zhì)溫度呈現(xiàn)為宏觀上的升高，這就是微波加熱的基本原理。微波加熱是介質(zhì)材料自身?yè)p耗電場(chǎng)能量而發(fā)熱，對(duì)于導(dǎo)電的金屬材料，電波不能透人內(nèi)部而被反射，金屬材料不能吸收微波。
1．2 微波與材料耦合的關(guān)系
根據(jù)材料吸收微波功率的關(guān)系式

式中f為微波頻率(GHz)，ε0為真空介電常數(shù)(ε0=8.86×10-12F／m)，ε"eff為有效損耗因子，E(V／m)為試樣內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)f，ε0，E一定時(shí)，材料的加熱難易主要決定于ε"eff。有效損耗因子ε"。

eff通常用可測(cè)量的損耗角正切值tgδ來(lái)表示

ε"為介電損耗因子，εIr為相對(duì)介電常數(shù)，σ是總的有效電導(dǎo)率(s／m)。由上式可見(jiàn)材料與微波相互作用產(chǎn)生加熱效應(yīng)主要通過(guò)極化介電損耗(ε")和電導(dǎo)損耗(σ)。氮化釩原料具有一般氧化物陶瓷(ZrO：，TiO：等)的離子電導(dǎo)損耗，還有較強(qiáng)的極化損耗特性。這使得其在微波場(chǎng)下顯示出良好的加熱升溫特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種快速燒結(jié)過(guò)程同時(shí)可顯著提高致密化速率。快速致密化的主要原因是微波場(chǎng)下材料燒結(jié)過(guò)程中的擴(kuò)散系數(shù)顯著增大。微波加熱下的擴(kuò)散系數(shù)高于普通燒結(jié)。
1．3 微波的穿透能力和加熱深度
在微波電場(chǎng)中，原料球?qū)ξ⒉ǖ奈占稗D(zhuǎn)換成熱能的程度正比于微波的工作頻率、電場(chǎng)強(qiáng)度的平方、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗正切值。
在實(shí)際加熱過(guò)程中，存在一個(gè)穿透能力和加熱深度問(wèn)題，穿透能力就是電磁波穿人到介質(zhì)內(nèi)部的能力。
穿透深度定義為：材料內(nèi)部功率密度為表面能量密度的1／e或36．8％算起的深度，用D表示

電磁波從原料球的表面進(jìn)入并在其內(nèi)部傳播時(shí)，由于能量不斷被吸收并轉(zhuǎn)化為熱量，它所攜帶的能量就隨著深入介質(zhì)表面的距離．并以指數(shù)形式衰減。氮化釩微波燒結(jié)爐微波頻率2．45GHz，它的加熱深度比紅外加熱大得多，燒結(jié)爐內(nèi)經(jīng)200ram，能夠使微波有效穿透，燒結(jié)產(chǎn)品均勻，成品率高。
2 氮化釩豎式微波爐的組成及控制特點(diǎn)
2．1 氮化釩微波爐組成及技術(shù)參數(shù)
  氮化釩生產(chǎn)用豎式微波控制爐由5套3KW微波控制源組成，微波控制源又是由磁控管及其高壓供電電源、水負(fù)載、環(huán)行器等組成。其中，日本松下公司生產(chǎn)的2M266—12型磁控管做微波能發(fā)聲器。主要技術(shù)參數(shù)為：
磁控管頻率：2．45GHz 功率：3KW
電壓：5．1KV 電流：840Ma
環(huán)行器頻率：2．4—2．45GHz
水負(fù)載頻率：2．4—2．45GHz
2．2 控制協(xié)調(diào)及報(bào)警
  氮化釩微波爐五套微波管的控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作由可編程序控制器(PLC)及其控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。整個(gè)控制系統(tǒng)都圍繞功率進(jìn)行調(diào)整，對(duì)功率的控制又是通過(guò)手動(dòng)、自動(dòng)調(diào)整磁控線圈的控制電流來(lái)改變微波管的磁場(chǎng)，最終改變微波管的工作電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PLC監(jiān)控畫(huà)面可以實(shí)時(shí)監(jiān)控輸入、輸出功率，陽(yáng)極電流，爐內(nèi)反應(yīng)情況，在線修改運(yùn)行程序，在線提供各項(xiàng)參數(shù)、數(shù)據(jù)、資料的設(shè)定修改和顯示、打印任務(wù)。提供各種報(bào)警輸出顯示，配合外圍設(shè)備PLC對(duì)人身和設(shè)備進(jìn)行多重保護(hù)。
3 能耗對(duì)比分析
3．1 微波燒結(jié)爐與傳統(tǒng)的電阻燒結(jié)爐在加熱方法上的區(qū)別
  氮化釩微波燒結(jié)爐與傳統(tǒng)的氮化釩電阻燒結(jié)爐在加熱方法有著本質(zhì)的區(qū)別。普通的氮化釩電阻燒結(jié)爐采用傳統(tǒng)的輻射傳導(dǎo)加熱方法是依靠發(fā)熱體將熱能通過(guò)對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射方式傳遞至被加熱物而使其達(dá)到某一溫度，熱量從外向內(nèi)傳遞，燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，能耗損耗大。而微波燒結(jié)爐的加熱方法是根據(jù)材料對(duì)微波的吸收是通過(guò)與微波電場(chǎng)或磁場(chǎng)耦合，將微波能轉(zhuǎn)化熱能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它的加熱方法是從被加熱物體內(nèi)部加熱，加熱時(shí)間短，能耗損耗小，材料致密度高，成品率高。
3．2 微波燒結(jié)爐與電阻燒結(jié)爐的電能損耗對(duì)比見(jiàn)表1

3．3 能耗分析結(jié)果
  微波加熱燒結(jié)技術(shù)在生產(chǎn)氮化釩球中節(jié)能效果是十分顯著的。特別是由內(nèi)向外對(duì)原料的加熱方法使產(chǎn)品的致密度增強(qiáng)、成品率高。綜合其它指標(biāo)微波加熱燒結(jié)技術(shù)比傳統(tǒng)的電阻加熱技術(shù)節(jié)約電能在60％以上，比其它加熱方式如中頻感應(yīng)加熱方法的節(jié)能效果也十分明顯。
4 結(jié)論
4．1 微波燒結(jié)的技術(shù)特點(diǎn)
4．1．1 操作簡(jiǎn)單，便于控制
  根據(jù)微波燒結(jié)的控制原理可以看出，微波燒結(jié)設(shè)備的控制系統(tǒng)集成化強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。只要調(diào)整功率控制旋鈕就可以達(dá)到溫度控制的目的。配合氮化釩生產(chǎn)的工藝要求，可以及時(shí)修改計(jì)算機(jī)程序，便于自動(dòng)化生產(chǎn)控制。
4．1．2 節(jié)能高效，產(chǎn)品致密
  微波與材料直接耦合，導(dǎo)致材料整體加熱。微波能被材料直接吸收而轉(zhuǎn)化為熱能，能量利用率極高，比常規(guī)燒結(jié)節(jié)能60％ 以上。微波燒結(jié)升溫速度快，燒結(jié)時(shí)間短，使材料內(nèi)部熱應(yīng)力減少，從而減少開(kāi)裂、變形傾向，產(chǎn)品致密度高。
4．2 微波燒結(jié)技術(shù)的前景展望
  微波燒結(jié)技術(shù)用于氮化釩生產(chǎn)具有常規(guī)加熱技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，預(yù)示了它廣闊的發(fā)展前景。
  首先，作為一種省時(shí)、節(jié)能、節(jié)省勞動(dòng)、無(wú)污染的技術(shù)，微波燒結(jié)能滿(mǎn)足節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的要求；其次，它所具有的活化燒結(jié)的特點(diǎn)有利于獲得優(yōu)良的顯微組織，從而提高材料性能；再次，微波與材料耦合的特點(diǎn)，決定了用微波可進(jìn)行選擇性加熱，從而能制得具有特殊組織的結(jié)構(gòu)材料。微波燒結(jié)氮化釩雖然優(yōu)點(diǎn)突出，但是還有一些不成熟、不完善的地方，例如微波在原料內(nèi)部的穿透能力，原料加熱深度。微波管在不同爐內(nèi)襯材質(zhì)中的使用壽命，多組微波管在大規(guī)模生產(chǎn)中耦合等問(wèn)題值得我們?nèi)ミM(jìn)一步研究探索。