張偉燕
　　
　　(南京三樂微波技術(shù)發(fā)展有限公司，江蘇 南京 211800)

　　引言
　　
　　微波加熱具有及時性、選擇性、高效性、可控性等技術(shù)優(yōu)勢，隨著近幾年大功率微波能發(fā)生器的日漸成熟，大功率微波技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。經(jīng)研究證明，微波真空加熱技術(shù)的優(yōu)勢可以有效降低加熱時間和化學(xué)反應(yīng)溫度，在一些火法冶金領(lǐng)域，碳是很好的微波吸收材料可以在微波作用下促進(jìn)生料快速升溫，因此碳是最常用的還原劑【1】【2】【3】，還原冶煉過程中出現(xiàn)的CO可燃?xì)怏w遇O2容易燃燒發(fā)生爆炸風(fēng)險，微波真空加熱腔內(nèi)氧含量極低，不會出現(xiàn)可燃?xì)怏w燃燒爆炸的風(fēng)險，因此，微波真空技術(shù)在金屬冶煉領(lǐng)域有著越來越廣泛的推廣應(yīng)用前景。
　　
　　1 微波高溫真空加熱設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

 
　　圖1 微波高溫真空加熱設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

　　微波能發(fā)生器產(chǎn)生的微波功率通過饋能系統(tǒng)進(jìn)入到微波真空加熱腔中，輔熱負(fù)載既要具有良好的吸收微波特性，還要具備好的熱震性和好的導(dǎo)熱性能，因此，我們一般考慮使用SIC材料燒制。隔氧坩堝一方面是承載物料進(jìn)行加熱，另外最重要的作用是隔離物料鍛燒過程中產(chǎn)生的煙塵和氣體進(jìn)入到波導(dǎo)饋口系統(tǒng)，解決饋口污染造成的打火或饋口隔熱材料燒結(jié)等問題。保溫層的作用主要是對真空加熱腔內(nèi)的溫度進(jìn)行隔熱防護(hù)，降低爐壁因傳熱造成的設(shè)備熱損耗，提高設(shè)備效率和設(shè)備運(yùn)行的可靠性。
　　
　　2 大功率微波高溫設(shè)備存在的問題
　　
　　在大功率微波高溫爐應(yīng)用過程中，存在的主要問題是一些常規(guī)窯爐保溫材料在在常溫環(huán)境下是不吸收微波的材料，但是在微波爐窯內(nèi)，隨著溫度的升高，材料的特性發(fā)生變化，由透波材料變成了吸收微波的材料，因此，微波高溫爐窯內(nèi)常規(guī)的硅酸鋁毯、莫來石磚、剛玉磚、陶瓷隔板等，高溫時吸收微波自身溫度越來越高，尤其在針對微波高溫爐饋能區(qū)域，能量相對較強(qiáng)，更加容易發(fā)生隔熱材料和保溫材料燒結(jié)損毀問題，造成整個保溫結(jié)構(gòu)崩潰，系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。并且，在微波高溫加熱反應(yīng)過程中，反應(yīng)物內(nèi)會析出一些油煙等物質(zhì)，如果不能及時排出爐膛，這些物質(zhì)粘結(jié)在饋口隔熱擋板上，會造成饋口處打火或煙氣電離，導(dǎo)致饋能系統(tǒng)損壞。因此，如何改善饋能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)微波高溫設(shè)備可靠運(yùn)行是目前工業(yè)微波高溫設(shè)備面臨的主要問題。
　　
　　3 微波真空加熱設(shè)備高頻放電問題

 
　　圖2 空氣中典型擊穿場強(qiáng)與壓力的關(guān)系

　　圖2曲線反應(yīng)了空氣在不同微波頻率中，擊穿場強(qiáng)與壓力的關(guān)系，從圖中曲線可以看出，在1個大氣壓環(huán)境中，空氣的擊穿場強(qiáng)是3×103KV/m，空氣擊穿場強(qiáng)隨著壓力下降而降低，至最小值后，隨著壓力的下降擊穿場強(qiáng)再次上升。電場擊穿作為局部輝光放電而出現(xiàn)，它存在于駐波的高電場點(diǎn)及由于管壁和負(fù)載的形狀造成的電場集中區(qū)域。在微波真空設(shè)備中防止輝光放電是十分重要的，因?yàn)檩x光放電浪費(fèi)功率，引起局部過熱燒結(jié)，并且輝光放電因?yàn)轲伩谔巿鰪?qiáng)高更加容易出現(xiàn)，造成饋能系統(tǒng)損壞。因此，微波真空系統(tǒng)中場強(qiáng)計(jì)算時最好考慮低于放電場強(qiáng)的兩倍安全因數(shù)，并且系統(tǒng)內(nèi)最好設(shè)置輝光放電檢測，一旦出現(xiàn)，最好有降低功率和關(guān)閉微波的控制措施【4】。
　　
　　4 大功率微波高溫真空饋能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
　　
　　大功率工業(yè)微波高溫真空設(shè)備饋能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)既要解決微波高溫爐饋口隔熱防污染的問題，又要解決大功率微波真空饋能結(jié)構(gòu)饋口密封及饋口輝光放電的問題。饋口作為工業(yè)微波加熱器內(nèi)功率能量的輸出端口，只有保證饋能系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，才能保證工業(yè)微波加熱爐的正常運(yùn)行。關(guān)于大功率微波高溫真空饋能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要從以下幾個方面展開：
　　
　　4.1 輸能窗材料的選取
　　
　　微波真空高溫爐輸能窗材料損耗因子小，透波特性良好，具有良好的機(jī)械性能，耐高溫，且在高溫環(huán)境下介質(zhì)特性不易發(fā)生變化，所選擇的輸能窗材料不僅要經(jīng)受住壓力，還要具備良好的抗斷裂強(qiáng)度，表面要易于清潔、具備良好的導(dǎo)熱性，機(jī)械性能穩(wěn)定，具備良好的氣密性【4】。通過實(shí)踐檢驗(yàn)，目前適應(yīng)于微波高溫真空設(shè)備的輸能窗材料有：石英玻璃、99陶瓷、氮化硅材料等，對比三種材料，氮化硅相比石英玻璃和99陶瓷，其導(dǎo)熱性、抗斷裂性和機(jī)械穩(wěn)定性更優(yōu)，是目前發(fā)現(xiàn)的最適合應(yīng)用在微波高溫真空饋能系統(tǒng)中的輸能窗材料。
　　
　　4.2 輸能窗饋能方式的設(shè)計(jì)
　　
　　因?yàn)槲⒉ㄕ婵照婵赵O(shè)備易在高場強(qiáng)區(qū)域產(chǎn)生高頻擊穿現(xiàn)象，而加熱器的輸能窗區(qū)域往往是真空系統(tǒng)內(nèi)能量集中區(qū)域，因此，要選擇合適的饋能方式和適當(dāng)?shù)酿伩诳趶浇档洼斈艽疤幍碾妶鰪?qiáng)度，以降低高頻打火的風(fēng)險。

　　考慮到圓形是最適合真空系統(tǒng)的形狀，因此，微波高溫真空饋口也考慮采用圓形錐形喇叭天線饋能，圖一所示微波真空高溫設(shè)備饋能方式饋口仿真優(yōu)化結(jié)果如下：

 

 

　　5 結(jié)論
　　
　　以上內(nèi)容對大功率微波高溫真空裝置饋能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡要分析，饋口真空密封、輸能窗材料、饋能方式、饋口面積、饋口電場強(qiáng)度等是微波高溫真空裝置饋能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時要考慮的關(guān)鍵，同時，為了增加系統(tǒng)的可靠性，也要在饋能系統(tǒng)處添加必要的監(jiān)測控制手段，只有解決了微波饋能系統(tǒng)的可靠運(yùn)行問題，才能加大大功率微波高溫真空設(shè)備在工業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。