大功率微波高温真空设备馈能系统的设计

 　　张伟燕
　　
　　(南京三乐微波技术发展有限公司，江苏 南京 211800)

　　引言
　　
　　微波加热具有及时性、选择性、高效性、可控性等技术优势，随着近几年大功率微波能发生器的日渐成熟，大功率微波技术在工业领域得到了越来越广泛的应用。经研究证明，微波真空加热技术的优势可以有效降低加热时间和化学反应温度，在一些火法冶金领域，碳是很好的微波吸收材料可以在微波作用下促进生料快速升温，因此碳是最常用的还原剂【1】【2】【3】，还原冶炼过程中出现的CO可燃气体遇O2容易燃烧发生爆炸风险，微波真空加热腔内氧含量极低，不会出现可燃气体燃烧爆炸的风险，因此，微波真空技术在金属冶炼领域有着越来越广泛的推广应用前景。
　　
　　1 微波高温真空加热设备结构图

 
　　图1 微波高温真空加热设备结构图

　　微波能发生器产生的微波功率通过馈能系统进入到微波真空加热腔中，辅热负载既要具有良好的吸收微波特性，还要具备好的热震性和好的导热性能，因此，我们一般考虑使用SIC材料烧制。隔氧坩埚一方面是承载物料进行加热，另外最重要的作用是隔离物料锻烧过程中产生的烟尘和气体进入到波导馈口系统，解决馈口污染造成的打火或馈口隔热材料烧结等问题。保温层的作用主要是对真空加热腔内的温度进行隔热防护，降低炉壁因传热造成的设备热损耗，提高设备效率和设备运行的可靠性。
　　
　　2 大功率微波高温设备存在的问题
　　
　　在大功率微波高温炉应用过程中，存在的主要问题是一些常规窑炉保温材料在在常温环境下是不吸收微波的材料，但是在微波炉窑内，随着温度的升高，材料的特性发生变化，由透波材料变成了吸收微波的材料，因此，微波高温炉窑内常规的硅酸铝毯、莫来石砖、刚玉砖、陶瓷隔板等，高温时吸收微波自身温度越来越高，尤其在针对微波高温炉馈能区域，能量相对较强，更加容易发生隔热材料和保温材料烧结损毁问题，造成整个保温结构崩溃，系统无法正常运行。并且，在微波高温加热反应过程中，反应物内会析出一些油烟等物质，如果不能及时排出炉膛，这些物质粘结在馈口隔热挡板上，会造成馈口处打火或烟气电离，导致馈能系统损坏。因此，如何改善馈能系统，实现微波高温设备可靠运行是目前工业微波高温设备面临的主要问题。
　　
　　3 微波真空加热设备高频放电问题

 
　　图2 空气中典型击穿场强与压力的关系

　　图2曲线反应了空气在不同微波频率中，击穿场强与压力的关系，从图中曲线可以看出，在1个大气压环境中，空气的击穿场强是3×103KV/m，空气击穿场强随着压力下降而降低，至最小值后，随着压力的下降击穿场强再次上升。电场击穿作为局部辉光放电而出现，它存在于驻波的高电场点及由于管壁和负载的形状造成的电场集中区域。在微波真空设备中防止辉光放电是十分重要的，因为辉光放电浪费功率，引起局部过热烧结，并且辉光放电因为馈口处场强高更加容易出现，造成馈能系统损坏。因此，微波真空系统中场强计算时最好考虑低于放电场强的两倍安全因数，并且系统内最好设置辉光放电检测，一旦出现，最好有降低功率和关闭微波的控制措施【4】。
　　
　　4 大功率微波高温真空馈能结构的设计
　　
　　大功率工业微波高温真空设备馈能结构的设计既要解决微波高温炉馈口隔热防污染的问题，又要解决大功率微波真空馈能结构馈口密封及馈口辉光放电的问题。馈口作为工业微波加热器内功率能量的输出端口，只有保证馈能系统的可靠运行，才能保证工业微波加热炉的正常运行。关于大功率微波高温真空馈能结构的设计，主要从以下几个方面展开：
　　
　　4.1 输能窗材料的选取
　　
　　微波真空高温炉输能窗材料损耗因子小，透波特性良好，具有良好的机械性能，耐高温，且在高温环境下介质特性不易发生变化，所选择的输能窗材料不仅要经受住压力，还要具备良好的抗断裂强度，表面要易于清洁、具备良好的导热性，机械性能稳定，具备良好的气密性【4】。通过实践检验，目前适应于微波高温真空设备的输能窗材料有：石英玻璃、99陶瓷、氮化硅材料等，对比三种材料，氮化硅相比石英玻璃和99陶瓷，其导热性、抗断裂性和机械稳定性更优，是目前发现的最适合应用在微波高温真空馈能系统中的输能窗材料。
　　
　　4.2 输能窗馈能方式的设计
　　
　　因为微波真空真空设备易在高场强区域产生高频击穿现象，而加热器的输能窗区域往往是真空系统内能量集中区域，因此，要选择合适的馈能方式和适当的馈口口径降低输能窗处的电场强度，以降低高频打火的风险。

　　考虑到圆形是最适合真空系统的形状，因此，微波高温真空馈口也考虑采用圆形锥形喇叭天线馈能，图一所示微波真空高温设备馈能方式馈口仿真优化结果如下：

 

 

　　5 结论
　　
　　以上内容对大功率微波高温真空装置馈能系统的设计进行了简要分析，馈口真空密封、输能窗材料、馈能方式、馈口面积、馈口电场强度等是微波高温真空装置馈能结构设计时要考虑的关键，同时，为了增加系统的可靠性，也要在馈能系统处添加必要的监测控制手段，只有解决了微波馈能系统的可靠运行问题，才能加大大功率微波高温真空设备在工业领域的推广应用。