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摘要：微波烧结技术是一门崭新的科学技术，它以高效、节能、环保、控制灵活的特点，在工农业和高科技领域内得到越来越广泛的应用，并已形成一支新的产业。承德新新钒钛股份有限公司在氮化钒生产试验上引进了微波烧结控制技术，将材料与微波直接耦合，使生产氮化钒具有烧结时问短、能源利用率高、安全无污染等优点。
关键词：微波管磁场功率能耗
1 原理简介
1．1 微波加热原理
物质分为导体、半导体、绝缘体。绝缘体又叫介质材料，介质材料由极性分子和非极性分子组成。微波是频率在300兆赫到300千兆赫的高频电磁波，波长1米一1毫米。这些由极性分子和非极性分子组成的介质材料，在微波高频电磁场作用下，极性分子从原来的随机分布状态转向按照电场的极性排列取向，介质中的极性分子从原来的热运动状态转为跟随微波电磁场的交变而排列取向，产生激烈的磨擦而生热。在这一微观过程中，微波能量转化为介质内的热能，使介质温度呈现为宏观上的升高，这就是微波加热的基本原理。微波加热是介质材料自身损耗电场能量而发热，对于导电的金属材料，电波不能透人内部而被反射，金属材料不能吸收微波。
1．2 微波与材料耦合的关系
根据材料吸收微波功率的关系式 （图片） 式中f为微波频率(GHz)，ε0为真空介电常数(ε0=8.86×10-12F／m)，ε"eff为有效损耗因子，E(V／m)为试样内电场强度。当f，ε0，E一定时，材料的加热难易主要决定于ε"eff。有效损耗因子ε"
eff通常用可测量的损耗角正切值tgδ来表示，（图片） ε"为介电损耗因子，εIr为相对介电常数，σ是总的有效电导率(s／m)。由上式可见材料与微波相互作用产生加热效应主要通过极化介电损耗(ε")和电导损耗(σ)。氮化钒原料具有一般氧化物陶瓷(ZrO：，TiO：等)的离子电导损耗，还有较强的极化损耗特性。这使得其在微波场下显示出良好的加热升温特性。实验发现这种快速烧结过程同时可显著提高致密化速率。快速致密化的主要原因是微波场下材料烧结过程中的扩散系数显著增大。微波加热下的扩散系数高于普通烧结。
1．3 微波的穿透能力和加热深度
在微波电场中，原料球对微波的吸收及转换成热能的程度正比于微波的工作频率、电场强度的平方、介电常数和介质损耗正切值。
在实际加热过程中，存在一个穿透能力和加热深度问题，穿透能力就是电磁波穿人到介质内部的能力。
穿透深度定义为：材料内部功率密度为表面能量密度的1／e或36．8％算起的深度，用D表示（图片） 电磁波从原料球的表面进入并在其内部传播时，由于能量不断被吸收并转化为热量，它所携带的能量就随着深入介质表面的距离．并以指数形式衰减。氮化钒微波烧结炉微波频率2．45GHz，它的加热深度比红外加热大得多，烧结炉内经200ram，能够使微波有效穿透，烧结产品均匀，成品率高。
2 氮化钒竖式微波炉的组成及控制特点
2．1 氮化钒微波炉组成及技术参数
氮化钒生产用竖式微波控制炉由5套3KW微波控制源组成，微波控制源又是由磁控管及其高压供电电源、水负载、环行器等组成。其中，日本松下公司生产的2M266—12型磁控管做微波能发声器。主要技术参数为：
磁控管频率：2．45GHz 功率：3KW
电压：5．1KV 电流：840Ma
环行器频率：2．4—2．45GHz
水负载频率：2．4—2．45GHz
2．2 控制协调及报警
氮化钒微波炉五套微波管的控制系统的协调工作由可编程序控制器(PLC)及其控制软件来实现实时监控。整个控制系统都围绕功率进行调整，对功率的控制又是通过手动、自动调整磁控线圈的控制电流来改变微波管的磁场，最终改变微波管的工作电流来实现的。PLC监控画面可以实时监控输入、输出功率，阳极电流，炉内反应情况，在线修改运行程序，在线提供各项参数、数据、资料的设定修改和显示、打印任务。提供各种报警输出显示，配合外围设备PLC对人身和设备进行多重保护。
3 能耗对比分析
3．1 微波烧结炉与传统的电阻烧结炉在加热方法上的区别
氮化钒微波烧结炉与传统的氮化钒电阻烧结炉在加热方法有着本质的区别。普通的氮化钒电阻烧结炉采用传统的辐射传导加热方法是依靠发热体将热能通过对流、传导和辐射方式传递至被加热物而使其达到某一温度，热量从外向内传递，烧结时间长，能耗损耗大。而微波烧结炉的加热方法是根据材料对微波的吸收是通过与微波电场或磁场耦合，将微波能转化热能来实现的。它的加热方法是从被加热物体内部加热，加热时间短，能耗损耗小，材料致密度高，成品率高。
3．2 微波烧结炉与电阻烧结炉的电能损耗对比见表1（图片） 3．3 能耗分析结果
微波加热烧结技术在生产氮化钒球中节能效果是十分显著的。特别是由内向外对原料的加热方法使产品的致密度增强、成品率高。综合其它指标微波加热烧结技术比传统的电阻加热技术节约电能在60％以上，比其它加热方式如中频感应加热方法的节能效果也十分明显。
4 结论
4．1 微波烧结的技术特点
4．1．1 操作简单，便于控制
根据微波烧结的控制原理可以看出，微波烧结设备的控制系统集成化强，操作简单，维护方便。只要调整功率控制旋钮就可以达到温度控制的目的。配合氮化钒生产的工艺要求，可以及时修改计算机程序，便于自动化生产控制。
4．1．2 节能高效，产品致密
微波与材料直接耦合，导致材料整体加热。微波能被材料直接吸收而转化为热能，能量利用率极高，比常规烧结节能60％ 以上。微波烧结升温速度快，烧结时间短，使材料内部热应力减少，从而减少开裂、变形倾向，产品致密度高。
4．2 微波烧结技术的前景展望
微波烧结技术用于氮化钒生产具有常规加热技术无法比拟的优点，预示了它广阔的发展前景。
首先，作为一种省时、节能、节省劳动、无污染的技术，微波烧结能满足节约能源、保护环境的要求；其次，它所具有的活化烧结的特点有利于获得优良的显微组织，从而提高材料性能；再次，微波与材料耦合的特点，决定了用微波可进行选择性加热，从而能制得具有特殊组织的结构材料。微波烧结氮化钒虽然优点突出，但是还有一些不成熟、不完善的地方，例如微波在原料内部的穿透能力，原料加热深度。微波管在不同炉内衬材质中的使用寿命，多组微波管在大规模生产中耦合等问题值得我们去进一步研究探索。
3/8/2007
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