作者：付景利 魏金輝
摘要：微波燒結技術是一門嶄新的科學技術，它以高效、節能、環保、控制靈活的特點，在工農業和高科技領域內得到越來越廣泛的應用，并已形成一支新的產業。承德新新釩鈦股份有限公司在氮化釩生產試驗上引進了微波燒結控制技術，將材料與微波直接耦合，使生產氮化釩具有燒結時問短、能源利用率高、安全無污染等優點。
關鍵詞：微波燒結，微波管，磁場功率能耗

1 原理簡介
1．1 微波加熱原理
  物質分為導體、半導體、絕緣體。絕緣體又叫介質材料，介質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1米一1毫米。這些由極性分子和非極性分子組成的介質材料，在微波高頻電磁場作用下，極性分子從原來的隨機分布狀態轉向按照電場的極性排列取向，介質中的極性分子從原來的熱運動狀態轉為跟隨微波電磁場的交變而排列取向，產生激烈的磨擦而生熱。在這一微觀過程中，微波能量轉化為介質內的熱能，使介質溫度呈現為宏觀上的升高，這就是微波加熱的基本原理。微波加熱是介質材料自身損耗電場能量而發熱，對于導電的金屬材料，電波不能透人內部而被反射，金屬材料不能吸收微波。
1．2 微波與材料耦合的關系
根據材料吸收微波功率的關系式

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

eff通常用可測量的損耗角正切值tgδ來表示

ε"為介電損耗因子，εIr為相對介電常數，σ是總的有效電導率(s／m)。由上式可見材料與微波相互作用產生加熱效應主要通過極化介電損耗(ε")和電導損耗(σ)。氮化釩原料具有一般氧化物陶瓷(ZrO：，TiO：等)的離子電導損耗，還有較強的極化損耗特性。這使得其在微波場下顯示出良好的加熱升溫特性。實驗發現這種快速燒結過程同時可顯著提高致密化速率。快速致密化的主要原因是微波場下材料燒結過程中的擴散系數顯著增大。微波加熱下的擴散系數高于普通燒結。
1．3 微波的穿透能力和加熱深度
在微波電場中，原料球對微波的吸收及轉換成熱能的程度正比于微波的工作頻率、電場強度的平方、介電常數和介質損耗正切值。
在實際加熱過程中，存在一個穿透能力和加熱深度問題，穿透能力就是電磁波穿人到介質內部的能力。
穿透深度定義為：材料內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入并在其內部傳播時，由于能量不斷被吸收并轉化為熱量，它所攜帶的能量就隨著深入介質表面的距離．并以指數形式衰減。氮化釩微波燒結爐微波頻率2．45GHz，它的加熱深度比紅外加熱大得多，燒結爐內經200ram，能夠使微波有效穿透，燒結產品均勻，成品率高。
2 氮化釩豎式微波爐的組成及控制特點
2．1 氮化釩微波爐組成及技術參數
  氮化釩生產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、水負載、環行器等組成。其中，日本松下公司生產的2M266—12型磁控管做微波能發聲器。主要技術參數為：
磁控管頻率：2．45GHz 功率：3KW
電壓：5．1KV 電流：840Ma
環行器頻率：2．4—2．45GHz
水負載頻率：2．4—2．45GHz
2．2 控制協調及報警
  氮化釩微波爐五套微波管的控制系統的協調工作由可編程序控制器(PLC)及其控制軟件來實現實時監控。整個控制系統都圍繞功率進行調整，對功率的控制又是通過手動、自動調整磁控線圈的控制電流來改變微波管的磁場，最終改變微波管的工作電流來實現的。PLC監控畫面可以實時監控輸入、輸出功率，陽極電流，爐內反應情況，在線修改運行程序，在線提供各項參數、數據、資料的設定修改和顯示、打印任務。提供各種報警輸出顯示，配合外圍設備PLC對人身和設備進行多重保護。
3 能耗對比分析
3．1 微波燒結爐與傳統的電阻燒結爐在加熱方法上的區別
  氮化釩微波燒結爐與傳統的氮化釩電阻燒結爐在加熱方法有著本質的區別。普通的氮化釩電阻燒結爐采用傳統的輻射傳導加熱方法是依靠發熱體將熱能通過對流、傳導和輻射方式傳遞至被加熱物而使其達到某一溫度，熱量從外向內傳遞，燒結時間長，能耗損耗大。而微波燒結爐的加熱方法是根據材料對微波的吸收是通過與微波電場或磁場耦合，將微波能轉化熱能來實現的。它的加熱方法是從被加熱物體內部加熱，加熱時間短，能耗損耗小，材料致密度高，成品率高。
3．2 微波燒結爐與電阻燒結爐的電能損耗對比見表1

3．3 能耗分析結果
  微波加熱燒結技術在生產氮化釩球中節能效果是十分顯著的。特別是由內向外對原料的加熱方法使產品的致密度增強、成品率高。綜合其它指標微波加熱燒結技術比傳統的電阻加熱技術節約電能在60％以上，比其它加熱方式如中頻感應加熱方法的節能效果也十分明顯。
4 結論
4．1 微波燒結的技術特點
4．1．1 操作簡單，便于控制
  根據微波燒結的控制原理可以看出，微波燒結設備的控制系統集成化強，操作簡單，維護方便。只要調整功率控制旋鈕就可以達到溫度控制的目的。配合氮化釩生產的工藝要求，可以及時修改計算機程序，便于自動化生產控制。
4．1．2 節能高效，產品致密
  微波與材料直接耦合，導致材料整體加熱。微波能被材料直接吸收而轉化為熱能，能量利用率極高，比常規燒結節能60％ 以上。微波燒結升溫速度快，燒結時間短，使材料內部熱應力減少，從而減少開裂、變形傾向，產品致密度高。
4．2 微波燒結技術的前景展望
  微波燒結技術用于氮化釩生產具有常規加熱技術無法比擬的優點，預示了它廣闊的發展前景。
  首先，作為一種省時、節能、節省勞動、無污染的技術，微波燒結能滿足節約能源、保護環境的要求；其次，它所具有的活化燒結的特點有利于獲得優良的顯微組織，從而提高材料性能；再次，微波與材料耦合的特點，決定了用微波可進行選擇性加熱，從而能制得具有特殊組織的結構材料。微波燒結氮化釩雖然優點突出，但是還有一些不成熟、不完善的地方，例如微波在原料內部的穿透能力，原料加熱深度。微波管在不同爐內襯材質中的使用壽命，多組微波管在大規模生產中耦合等問題值得我們去進一步研究探索。