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微波加热金属液体的实验研究

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研究微波加热液态金属的升温特征,在MobileLab-W-R型微波工作站中进行了微波直接加热铜液和铁液的实验研究,实现了微波直接加热铜液和铁液实验,对比研究了微波直接加热和间接加热铜液与铁液的加热效果,并研究了微波功率、金属液质量、温度等对微波直接加热效果的影响,探讨了微波直接加热金属液体的机理。结果表明,微波可以以较快的升温速度直接加热铜液和铁液,且升温速率与微波加热功率呈近似线性递增关系;在相同微波直接加热条件下,同等质量的铜液和铁液的升温速度相近,但不同质量铁液加热时,由于其表面积、微波场强分布等因素的影响,铁液质量对微波加热效果的影响没有明显的线性关系。理论分析认为,铜和铁在熔化后电阻率增大,磁导率明显下降,导致微波在铜液和铁液内部的趋肤深度显著大于固态铜和铁;电导损耗是实现微波直接加热液态金属的主要机制,液态金属可通过电子与原子核碰撞、表面快速更新、内部缺陷阻碍电子运动、原子运动及碰撞等形式吸收微波,将微波能量转化为自身热量。
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工程科学学报.第41卷,第12期:1583-1590.2019年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.12:1583-1590,December 2019 D0L:10.13374.issn2095-9389.2018.12.10.004,http:/ournals.ustb.cdu.cn 微波加热金属液体的实验研究 苏晓峰),吴博威,刘建华)区,刘建),庄昌凌 1)北京科技大学工程技术研究院,北京1000832)中治华天南京工程技术有限公司,南京2100193)东北特殊钢集团股份有限公司,大 连1160114)贵州大学材料与治金学院.贵阳550025 ☒通信作者,E-mail:liujianhua@metall..ustb.edu.cn 摘要研究微波加热液态金属的升温特征,在MobileLab-W-R型微波工作站中进行了微波直接加热铜液和铁液的实验研 究,实现了微波直接加热铜液和铁液实验,对比研究了微波直接加热和间接加热铜液与铁液的加热效果,并研究了微波功 率、金属液质量、温度等对微波直接加热效果的影响,探讨了微波直接加热金属液体的机理.结果表明,微波可以以较快的升 温速度直接加热铜液和铁液,且升温速率与微波加热功率呈近似线性递增关系:在相同微波直接加热条件下,同等质量的铜 液和铁液的升温速度相近,但不同质量铁液加热时,由于其表面积、微波场强分布等因素的影响,铁液质量对微波加热效果 的影响没有明显的线性关系.理论分析认为,铜和铁在熔化后电阻率增大,磁导率明显下降,导致微波在铜液和铁液内部的 趋肤深度显著大于固态铜和铁:电导损耗是实现微波直接加热液态金属的主要机制,液态金属可通过电子与原子核碰撞、表 面快速更新、内部缺陷阻碍电子运动、原子运动及碰撞等形式吸收微波,将微波能量转化为自身热量. 关键词液态金属:微波加热:趋肤深度:电导损耗:碰撞 分类号TF19 Experimental research into the heating of liquid metal with microwave SU Xiao-feng",WU Bo-we,LIU Jian-hua,LIU Jian,ZHUANG Chang-ling 1)Institute of Engineering Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)MCC Huatian Engineering and Technology Corporation,Nanjing 210019,China 3)Dongbei Special Steel Group Co.,Ltd.,Dalian 116011,China 4)College of Materials and Metallurgy,Guizhou University,Guiyang 550025,China Corresponding author,E-mail:liujianhua@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT Characteristics of molten metal heated with microwaves were the focus of this study.A series of experiments on the direct microwave heating of molten copper and molten iron were conducted in a MobileLab-W-R microwave workstation;both metals were effectively heated by direct microwaves.Effects of indirect versus direct heating were comparatively analyzed using different types of heating chambers.The direct heating method was then further investigated,taking microwave power,mass of molten metal,and temperature into consideration.The mechanism of direct microwave heating of molten metal was discussed.The results show that microwave can directly heat molten iron and molten copper at high rates that increase linearly with increasing microwave power. Heating rates of molten iron are similar to those of molten copper at constant mass and microwave power.However,the mass of molten iron has no clear linear relationship with heating rates due to the involvement of other factors,such as surface area of the molten iron and distribution of the microwaves.According to the theoretical analysis,when the states of copper and iron are transferred from solid to liquid,their resistivities increase,but their permeabilities drop significantly.As a result,the skin effect depths of microwave in molten copper and iron are clearly larger than those in the solid metals.Conductivity loss is the main mechanism of achieving direct microwave 收稿日期:2018-12-10 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51704083)

微波加热金属液体的实验研究 苏晓峰1),吴博威2),刘建华1) 苣,刘    建3),庄昌凌4) 1) 北京科技大学工程技术研究院,北京 100083    2) 中冶华天南京工程技术有限公司,南京 210019    3) 东北特殊钢集团股份有限公司,大 连 116011    4) 贵州大学材料与冶金学院,贵阳 550025 苣通信作者,E-mail:liujianhua@metall.ustb.edu.cn 摘    要    研究微波加热液态金属的升温特征,在 MobileLab-W-R 型微波工作站中进行了微波直接加热铜液和铁液的实验研 究,实现了微波直接加热铜液和铁液实验,对比研究了微波直接加热和间接加热铜液与铁液的加热效果,并研究了微波功 率、金属液质量、温度等对微波直接加热效果的影响,探讨了微波直接加热金属液体的机理. 结果表明,微波可以以较快的升 温速度直接加热铜液和铁液,且升温速率与微波加热功率呈近似线性递增关系;在相同微波直接加热条件下,同等质量的铜 液和铁液的升温速度相近,但不同质量铁液加热时,由于其表面积、微波场强分布等因素的影响,铁液质量对微波加热效果 的影响没有明显的线性关系. 理论分析认为,铜和铁在熔化后电阻率增大,磁导率明显下降,导致微波在铜液和铁液内部的 趋肤深度显著大于固态铜和铁;电导损耗是实现微波直接加热液态金属的主要机制,液态金属可通过电子与原子核碰撞、表 面快速更新、内部缺陷阻碍电子运动、原子运动及碰撞等形式吸收微波,将微波能量转化为自身热量. 关键词    液态金属;微波加热;趋肤深度;电导损耗;碰撞 分类号    TF19 Experimental research into the heating of liquid metal with microwave SU Xiao-feng1) ,WU Bo-wei2) ,LIU Jian-hua1) 苣 ,LIU Jian3) ,ZHUANG Chang-ling4) 1) Institute of Engineering Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) MCC Huatian Engineering and Technology Corporation, Nanjing 210019, China 3) Dongbei Special Steel Group Co., Ltd., Dalian 116011, China 4) College of Materials and Metallurgy, Guizhou University, Guiyang 550025, China 苣 Corresponding author, E-mail: liujianhua@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT    Characteristics  of  molten  metal  heated  with  microwaves  were  the  focus  of  this  study.  A  series  of  experiments  on  the direct microwave heating of molten copper and molten iron were conducted in a MobileLab-W-R microwave workstation; both metals were effectively heated by direct microwaves. Effects of indirect versus direct heating were comparatively analyzed using different types of  heating  chambers.  The  direct  heating  method  was  then  further  investigated,  taking  microwave  power,  mass  of  molten  metal,  and temperature  into  consideration.  The  mechanism  of  direct  microwave  heating  of  molten  metal  was  discussed.  The  results  show  that microwave  can  directly  heat  molten  iron  and  molten  copper  at  high  rates  that  increase  linearly  with  increasing  microwave  power. Heating rates of molten iron are similar to those of molten copper at constant mass and microwave power. However, the mass of molten iron has no clear linear relationship with heating rates due to the involvement of other factors, such as surface area of the molten iron and distribution of the microwaves. According to the theoretical analysis, when the states of copper and iron are transferred from solid to liquid, their resistivities increase, but their permeabilities drop significantly. As a result, the skin effect depths of microwave in molten copper and iron are clearly larger than those in the solid metals. Conductivity loss is the main mechanism of achieving direct microwave 收稿日期: 2018−12−10 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51704083) 工程科学学报,第 41 卷,第 12 期:1583−1590,2019 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 12: 1583−1590, December 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.10.004; http://journals.ustb.edu.cn

·1584 工程科学学报,第41卷,第12期 heating of molten metal.Microwave energy can be absorbed in four ways:collisions between electrons and nucleus,rapid liquid surface renewal,hindering of internal defects of electron movement,and atom movement and collision.Absorbed microwave energy can be transferred into the internal energy of the molten metal. KEY WORDS liquid metal:microwave heating:skin depth:conductivity loss:collision 微波加热具有均匀加热和选择性加热物料、 在,因此研究采用微波直接加热金属液体的可行 加热速度快、容易控制、清洁卫生无污染等优点山, 性、效果与机理意义重大 已被广泛应用于食品、橡胶、造纸、纺织、农产品 1实验方法 加工、冶金和化学工业等领域.治冶金工业中,微波 加热主要应用于铁矿石预处理、金属氧化物的 本研究选择金属铜和铁进行微波加热实验, 碳热还原、治金废气处理和钢渣处理等方 一方面是因为这两种金属为高温火法冶金的典型 面,已取得较好的效果 产品;另一方面是考虑到铜为较纯金属,熔点较 微波加热物料的前提是微波能可以透过材料 低,铁为铁、碳、硅等元素组成的合金,与钢组成 并被吸收,要求材料必须具备以下两种特性:一 类似,但熔点也较低,较容易熔化成液体,在微波 是被加热材料的表面不能反射微波能:二是被加 加热站中较易实现对这两种金属液体的加热实验 热材料能不可逆地将入射的电磁能转化为自身的 研究.实验所用铜为麦克林公司生产的铜粒,粒 热能. 径<5mm,铜的质量分数大于99.9%:铁块由钢铁 当微波与物质相互作用时,物质的各种物理 研究总院提供,铁块成分如表1所示,熔点为1162℃, 化学性质,如极化、电导、介电常数、介电损耗系 为了便于熔化,采用线切割将铁块切成50mm× 数、温度和湿度等都将发生变化.根据材料对微 20mm×3mm的铁片 波的反应,可以将材料分为以下四类例:(1)导体, 该种材料反射微波,可以作为干燥室和波导材料; 表1实验用铁成分(质量分数) (2)绝缘体,几乎不反射也不吸收微波,能被电磁 Table 1 Composition of the iron for experiments % 波穿透,可用作电磁场中被加热材料的支撑装置; C Si Mn Ti Fe (3)介电体,特性介于导体和绝缘体之间,可不同 4.03 1.09 0.12 0.064 0.190.11 余量 程度地吸收电磁波能量,并将之转化为热量;(4) 铁磁体,既可吸收和反射微波,又能被电磁波穿 微波加热实验在唐山纳源热工仪器制造有限 透,与电磁波的磁场分量发生作用,产生热量 公司研制的MobileLab-W-R型微波材料学工作站 介电材料可采用微波加热,通过介质材料在 进行,图1为该设备结构示意图 微波场中的定向极化实现加热,其加热效果主要 取决于材料的介电性质.微波加热时,物质的微波 吸收功率密度P由物质的相对复介电常数决定, 固态金属是导体,是微波反射体,微波对金属 的趋肤深度仅为几个微米,利用这一特性可以采 用微波检测金属,如雷达利用金属反射微波实现 对飞机的远程监测.也因如此,不能采用微波直接 加热块状固态金属, 冶金生产存在许多高温反应及操作,如铜转 1一炉门:2一谐振腔:3一箱体:4一加热腔:5一坩埚:6一磁控管;7一波 炉中铜的高温冶炼、铜杆连铸连轧生产、矿热炉 导:8一物料:9一刚玉套管:10一热电偶:11一温度显示器 中矿石碳热还原铁合金、高炉中铁矿石碳热还原 困1微波加热站示意图 生产铁液、转炉和电炉中高温炼钢、炉外精炼过 Fig.I Diagram of the experimental microwave workstation 程中钢液精炼、连铸生产中中间包钢液加热等,这 些高温工序如能实现微波直接加热金属物料,从 微波材料学工作站由谐振腔、波导管、磁控 而实现快速、精准、无污染加热,将具有重要意 管、加热腔、温度测量系统等组成.谐振腔是由金 义.鉴于在高温冶金生产中,金属常以液体形式存 属炉门和箱体封闭而成的封闭空间,上部为可以

heating of molten metal. Microwave energy can be absorbed in four ways: collisions between electrons and nucleus, rapid liquid surface renewal,  hindering  of  internal  defects  of  electron  movement,  and  atom  movement  and  collision.  Absorbed  microwave  energy  can  be transferred into the internal energy of the molten metal. KEY WORDS    liquid metal;microwave heating;skin depth;conductivity loss;collision 微波加热具有均匀加热和选择性加热物料、 加热速度快、容易控制、清洁卫生无污染等优点[1] , 已被广泛应用于食品、橡胶、造纸、纺织、农产品 加工、冶金和化学工业等领域. 冶金工业中,微波 加热主要应用于铁矿石预处理[2]、金属氧化物的 碳热还原[3−4]、冶金废气处理[5] 和钢渣处理[6] 等方 面,已取得较好的效果. 微波加热物料的前提是微波能可以透过材料 并被吸收,要求材料必须具备以下两种特性[7] :一 是被加热材料的表面不能反射微波能;二是被加 热材料能不可逆地将入射的电磁能转化为自身的 热能. 当微波与物质相互作用时,物质的各种物理 化学性质,如极化、电导、介电常数、介电损耗系 数、温度和湿度等都将发生变化. 根据材料对微 波的反应,可以将材料分为以下四类[8] :(1)导体, 该种材料反射微波,可以作为干燥室和波导材料; (2)绝缘体,几乎不反射也不吸收微波,能被电磁 波穿透,可用作电磁场中被加热材料的支撑装置; (3)介电体,特性介于导体和绝缘体之间,可不同 程度地吸收电磁波能量,并将之转化为热量;(4) 铁磁体,既可吸收和反射微波,又能被电磁波穿 透,与电磁波的磁场分量发生作用,产生热量. 介电材料可采用微波加热,通过介质材料在 微波场中的定向极化实现加热,其加热效果主要 取决于材料的介电性质. 微波加热时,物质的微波 吸收功率密度 P 由物质的相对复介电常数决定. 固态金属是导体,是微波反射体,微波对金属 的趋肤深度仅为几个微米,利用这一特性可以采 用微波检测金属,如雷达利用金属反射微波实现 对飞机的远程监测. 也因如此,不能采用微波直接 加热块状固态金属. 冶金生产存在许多高温反应及操作,如铜转 炉中铜的高温冶炼、铜杆连铸连轧生产、矿热炉 中矿石碳热还原铁合金、高炉中铁矿石碳热还原 生产铁液、转炉和电炉中高温炼钢、炉外精炼过 程中钢液精炼、连铸生产中中间包钢液加热等,这 些高温工序如能实现微波直接加热金属物料,从 而实现快速、精准、无污染加热,将具有重要意 义. 鉴于在高温冶金生产中,金属常以液体形式存 在,因此研究采用微波直接加热金属液体的可行 性、效果与机理意义重大. 1    实验方法 本研究选择金属铜和铁进行微波加热实验, 一方面是因为这两种金属为高温火法冶金的典型 产品;另一方面是考虑到铜为较纯金属,熔点较 低,铁为铁、碳、硅等元素组成的合金,与钢组成 类似,但熔点也较低,较容易熔化成液体,在微波 加热站中较易实现对这两种金属液体的加热实验 研究. 实验所用铜为麦克林公司生产的铜粒,粒 径<5 mm,铜的质量分数大于 99.9%;铁块由钢铁 研究总院提供,铁块成分如表 1 所示,熔点为 1162 ℃, 为了便于熔化,采用线切割将铁块切成 50 mm × 20 mm × 3 mm 的铁片. 微波加热实验在唐山纳源热工仪器制造有限 公司研制的 MobileLab-W-R 型微波材料学工作站 进行,图 1 为该设备结构示意图. 微波材料学工作站由谐振腔、波导管、磁控 管、加热腔、温度测量系统等组成. 谐振腔是由金 属炉门和箱体封闭而成的封闭空间,上部为可以 表 1    实验用铁成分(质量分数) Table 1    Composition of the iron for experiments % C Si Mn S Ti P Fe 4.03 1.09 0.12 0.064 0.19 0.11 余量 2 6 4 5 8 7 9 10 11 1 3 1—炉门;2—谐振腔;3—箱体;4—加热腔;5—坩埚;6—磁控管;7—波 导;8—物料;9—刚玉套管;10—热电偶;11—温度显示器 图 1    微波加热站示意图 Fig.1    Diagram of the experimental microwave workstation · 1584 · 工程科学学报,第 41 卷,第 12 期

苏晓峰等:微波加热金属液体的实验研究 ·1585 开启的炉门:4只功率分别为1kW的磁控管对称 锆属于透波材料例,加热腔可以减少内部热量的散 配置于谐振器两侧,加热时磁控管产生微波,微波 失,起到保温作用.物料的温度由M-1600微波场 经由波导管导入谐振腔:谐振腔将微波密封于工 专用温度传感器测量,该热电偶能屏蔽微波场对 作站内,并控制微波场使工作站中心部位为场强 测温的千扰,最高测量温度为1600℃,实验中每1s 最强位置;加热腔和坩埚置于工作站中心部位,坩 自动采集记录温度数据.微波工作站的工作电压 埚放置于加热腔中,加热腔如图2所示,包含外径 220V,微波采用频率2.45GHz,功率在1~4kW 250mm、高度150mm的氧化锆圆桶及上盖,氧化 范围内可调 (a) (b) 图2微波加热腔.()直接加热用加热腔:(b)涂有吸波涂层的间接加热用加热腔 Fig.2 Microwave heating cavity:(a)heating cavity for direct heating,(b)heating cavity for indirect heating with absorbing coating 实验时分别将待加热材料放置于石英坩埚 将内侧涂覆有碳化硅的加热腔切换为纯氧化锆加 内,坩埚尺寸为中110mm×120mm.石英为透波材 热腔,所用氧化锆加热腔的温度为室温,因此该加 料,石英坩埚不会被微波直接加热,不会对加热实 热腔是微波透明材料;关闭谐振腔,启动电源,使 验产生显著影响.进行微波以直接加热方式加热 磁控管产生的微波透过加热腔及石英坩埚,对坩 物料实验时,磁控管产生的微波透过氧化锆质加 埚内铁和铜直接加热;由于打开和关闭谐振腔、更 热腔和石英质坩埚,直接作用于坩埚内待加热物 换加热腔所需时间很短,坩埚内铁和铜仍保持液 料,与物料发生相互作用并加热物料.微波以间接 态,从而实现微波以直接加热方式对金属液体加 加热方式加热物料实验时,在加热腔内测涂覆一 热实验研究.同时,由图1的实验装置图可见,氧 层碳化硅(图2(b)),碳化硅涂层能吸收微波并快 化锆加热腔和石英坩埚不接触且距离较远,进行 速升温,并以热传递、对流、辐射的方式,将热量 微波直接加热金属液体实验时氧化锆加热腔的温 传递给放置在加热腔中的坩埚及其内部盛放的金 度仍然较低,氧化锆加热腔仍为微波透明材料,其 属试样 对微波以直接加热方式加热液态金属没有直接促 本研究首先在上述微波材料学工作站,采用 进作用 内侧涂覆碳化硅的加热腔按间接加热方式分别对 2实验结果 500、1000和1500g铁块及1000g铜粒进行加热, 获取微波间接加热的加热特性;然后采用直接加 2.1微波间接加热金属升温特性 热方式分别对铁液和铜液进行加热实验研究,并 在微波工作站按间接加热方式采用4kW微 与间接加热方式的加热特性进行对比研究 波功率加热不同质量铁块的升温曲线如图3所示 微波以直接加热方式加热铁液和铜液实验 图3表明,微波工作站采用间接加热方式加热 前,先采用间接加热方式加热铁块和铜粒,分别加 固体金属铁,升温速度较快,并且能加热至较高的 热到1500℃和1400℃,分别高于两种金属的理 温度.升温曲线在1200℃左右出现平台,表明铁 论熔点300℃左右,得到所需铁液和铜液;然后切 块在此温度熔化.500、1000和1500g铁块加热至 断工作站电源,停止微波加热,并快速打开炉门, 1500℃所花时间分别为2123、2514和3532s,平

开启的炉门;4 只功率分别为 1 kW 的磁控管对称 配置于谐振器两侧,加热时磁控管产生微波,微波 经由波导管导入谐振腔;谐振腔将微波密封于工 作站内,并控制微波场使工作站中心部位为场强 最强位置;加热腔和坩埚置于工作站中心部位,坩 埚放置于加热腔中,加热腔如图 2 所示,包含外径 250 mm、高度 150 mm 的氧化锆圆桶及上盖,氧化 锆属于透波材料[9] ,加热腔可以减少内部热量的散 失,起到保温作用. 物料的温度由 M-1600 微波场 专用温度传感器测量,该热电偶能屏蔽微波场对 测温的干扰,最高测量温度为 1600 ℃,实验中每 1 s 自动采集记录温度数据. 微波工作站的工作电压 220 V,微波采用频率 2.45 GHz,功率在 1 ~ 4 kW 范围内可调. 实验时分别将待加热材料放置于石英坩埚 内,坩埚尺寸为 ϕ110 mm×120 mm. 石英为透波材 料,石英坩埚不会被微波直接加热,不会对加热实 验产生显著影响. 进行微波以直接加热方式加热 物料实验时,磁控管产生的微波透过氧化锆质加 热腔和石英质坩埚,直接作用于坩埚内待加热物 料,与物料发生相互作用并加热物料. 微波以间接 加热方式加热物料实验时,在加热腔内测涂覆一 层碳化硅(图 2(b)),碳化硅涂层能吸收微波并快 速升温,并以热传递、对流、辐射的方式,将热量 传递给放置在加热腔中的坩埚及其内部盛放的金 属试样. 本研究首先在上述微波材料学工作站,采用 内侧涂覆碳化硅的加热腔按间接加热方式分别对 500、1000 和 1500 g 铁块及 1000 g 铜粒进行加热, 获取微波间接加热的加热特性;然后采用直接加 热方式分别对铁液和铜液进行加热实验研究,并 与间接加热方式的加热特性进行对比研究. 微波以直接加热方式加热铁液和铜液实验 前,先采用间接加热方式加热铁块和铜粒,分别加 热到 1500 ℃ 和 1400 ℃,分别高于两种金属的理 论熔点 300 ℃ 左右,得到所需铁液和铜液;然后切 断工作站电源,停止微波加热,并快速打开炉门, 将内侧涂覆有碳化硅的加热腔切换为纯氧化锆加 热腔,所用氧化锆加热腔的温度为室温,因此该加 热腔是微波透明材料;关闭谐振腔,启动电源,使 磁控管产生的微波透过加热腔及石英坩埚,对坩 埚内铁和铜直接加热;由于打开和关闭谐振腔、更 换加热腔所需时间很短,坩埚内铁和铜仍保持液 态,从而实现微波以直接加热方式对金属液体加 热实验研究. 同时,由图 1 的实验装置图可见,氧 化锆加热腔和石英坩埚不接触且距离较远,进行 微波直接加热金属液体实验时氧化锆加热腔的温 度仍然较低,氧化锆加热腔仍为微波透明材料,其 对微波以直接加热方式加热液态金属没有直接促 进作用. 2    实验结果 2.1    微波间接加热金属升温特性 在微波工作站按间接加热方式采用 4 kW 微 波功率加热不同质量铁块的升温曲线如图 3 所示. 图 3 表明,微波工作站采用间接加热方式加热 固体金属铁,升温速度较快,并且能加热至较高的 温度. 升温曲线在 1200 ℃ 左右出现平台,表明铁 块在此温度熔化. 500、1000 和 1500 g 铁块加热至 1500 ℃ 所花时间分别为 2123、2514 和 3532 s,平 (a) (b) 图 2    微波加热腔. (a) 直接加热用加热腔;(b) 涂有吸波涂层的间接加热用加热腔 Fig.2    Microwave heating cavity: (a) heating cavity for direct heating; (b) heating cavity for indirect heating with absorbing coating 苏晓峰等: 微波加热金属液体的实验研究 · 1585 ·

·1586 工程科学学报,第41卷,第12期 均升温速度分别为0.71、0.60和0.42℃s:铁块质 1600 量越大,升温速度越慢.加热温度大于800℃时, 1400 升温速度稍有下降,原因是吸波涂层SC在温度 1200 大于700℃后吸波能力下降10,以及铁在高温下 1000 散热加剧,加热效果降低.1200℃至1500℃范围 600 500、1000和1500g铁块的升温速度分别为0.49、 400 0.29和0.30℃s 200 1600 0 1400 0 500100015002000250030003500 时间s 1200 图41000g铜间接加热升温曲线 1000 Fig.4 Heating curve for indirect heating of 1000 g copper 800 600 铁块质量 加热铁液和铜液的升温特性.由于切换加热腔 400 -500g 1000g 期间铁液和铜液的温降无法控制,每次加热铁 200 1500g 液和铜液实验时金属液的初始温度无法一致,为 1000 20003000 了更精准分析金属液微波直接加热升温特性,实 4000 5000 时间s 验设定在液态铜和铁的温度分别上升至1350℃ 图3不同质量铁块间接加热实验结果 和1450℃时,保温10min,然后继续再加热;两种 Fig.3 Experimental results of iron heated with indirect heating pattern 金属液分别加热至1450℃和1550℃时,保温一 段时间,最后结束加热实验.具体实验方案如表2 微波场内间接加热1000g铜粒的升温曲线如 所示. 图4所示.结果表明,在微波工作站采用间接加热 2.2.1铁液和铜液质量对加热效果的影响 方式加热1000g铜,温度升至1400℃所用的时间 微波功率为4kW时,以直接加热方式加热不 为2324s,平均加热速度为0.60℃s,1200℃至 同质量铁液的升温曲线如图5所示 1500℃的升温速度为0.33℃s,升温速度与加热 图5表明采用微波可以直接加热的方式实现 相同质量铁的升温速度相近 铁液的快速加热.图5(a)、5(b)和5(c)中各升温 2.2微波直接加热金属液体的升温特性 曲线初期都出现了温度急速上升的表象,这是热 在微波工作站中通过间接加热的方式以4kW 电偶连同其外部的保护套管插入铁液测温存在测 微波功率分别加热500、1000和1500g固态铁块 量滞后引起的.在1450℃保温10min期间内,温 和1000g铜粒,分别得到不同质量的铁液和铜 度基本恒定,保温效果较好.保温结束后,继续加 液;然后快速更换工作站内加热腔为纯氧化锆加 热,铁液的温度继续上升.实验结果表明,4kW微 热腔,采用直接加热方式,分别以1、2、3和4kW 波加热功率下,500g和1000g铁液的升温速度较 微波功率加热所制备的金属液体,研究微波直接 大,500g铁液1450℃前后的升温速度分别为 表2微波直接加热金属液实验方案 Table 2 Experimental scheme of microwave direct heating of liquid metal 金属质量g 间接加热功率kW 间接加热终点温度/℃ 直接加热功率/kW 直接加热保温温度/℃ 直接加热终点温度/℃ 500 1500 4 1450 1550 1000 1500 1450 1550 1000 1500 1450 1550 铁 1000 4 1500 1450 1550 1000 1500 1450 1550 1500 4 1500 4 1450 1550 铜1000 1400 4 1350 1450

均升温速度分别为 0.71、0.60 和 0.42 ℃·s−1;铁块质 量越大,升温速度越慢. 加热温度大于 800 ℃ 时, 升温速度稍有下降,原因是吸波涂层 SiC 在温度 大于 700 ℃ 后吸波能力下降[10] ,以及铁在高温下 散热加剧,加热效果降低. 1200 ℃ 至 1500 ℃ 范围 500、1000 和 1500 g 铁块的升温速度分别为 0.49、 0.29 和 0.30 ℃·s−1 . 微波场内间接加热 1000 g 铜粒的升温曲线如 图 4 所示. 结果表明,在微波工作站采用间接加热 方式加热 1000 g 铜,温度升至 1400 ℃ 所用的时间 为 2324 s,平均加热速度为 0.60 ℃·s−1 , 1200 ℃ 至 1500 ℃ 的升温速度为 0.33 ℃·s−1,升温速度与加热 相同质量铁的升温速度相近. 2.2    微波直接加热金属液体的升温特性 在微波工作站中通过间接加热的方式以 4 kW 微波功率分别加热 500、1000 和 1500 g 固态铁块 和 1000 g 铜粒 ,分别得到不同质量的铁液和铜 液;然后快速更换工作站内加热腔为纯氧化锆加 热腔,采用直接加热方式,分别以 1、2、3 和 4 kW 微波功率加热所制备的金属液体,研究微波直接 加热铁液和铜液的升温特性. 由于切换加热腔 期间铁液和铜液的温降无法控制,每次加热铁 液和铜液实验时金属液的初始温度无法一致,为 了更精准分析金属液微波直接加热升温特性,实 验设定在液态铜和铁的温度分别上升至 1350 ℃ 和 1450 ℃ 时,保温 10 min,然后继续再加热;两种 金属液分别加热至 1450 ℃ 和 1550 ℃ 时,保温一 段时间,最后结束加热实验. 具体实验方案如表 2 所示. 2.2.1    铁液和铜液质量对加热效果的影响 微波功率为 4 kW 时,以直接加热方式加热不 同质量铁液的升温曲线如图 5 所示. 图 5 表明采用微波可以直接加热的方式实现 铁液的快速加热. 图 5(a)、5(b)和 5(c)中各升温 曲线初期都出现了温度急速上升的表象,这是热 电偶连同其外部的保护套管插入铁液测温存在测 量滞后引起的. 在 1450 ℃ 保温 10 min 期间内,温 度基本恒定,保温效果较好. 保温结束后,继续加 热,铁液的温度继续上升. 实验结果表明,4 kW 微 波加热功率下,500 g 和 1000 g 铁液的升温速度较 大 , 500  g 铁 液 1450 ℃ 前后的升温速度分别为 表 2 微波直接加热金属液实验方案 Table 2 Experimental scheme of microwave direct heating of liquid metal 金属 质量/g 间接加热功率/kW 间接加热终点温度/℃ 直接加热功率/kW 直接加热保温温度/℃ 直接加热终点温度/℃ 铁 500 4 1500 4 1450 1550 1000 4 1500 4 1450 1550 1000 4 1500 3 1450 1550 1000 4 1500 2 1450 1550 1000 4 1500 1 1450 1550 1500 4 1500 4 1450 1550 铜 1000 4 1400 4 1350 1450 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 温度/°C 0 1000 2000 3000 4000 5000 时间/s 500 g 1000 g 1500 g 铁块质量 图 3    不同质量铁块间接加热实验结果 Fig.3    Experimental results of iron heated with indirect heating pattern 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 温度/°C 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 时间/s 图 4    1000 g 铜间接加热升温曲线 Fig.4    Heating curve for indirect heating of 1000 g copper · 1586 · 工程科学学报,第 41 卷,第 12 期

苏晓峰等:微波加热金属液体的实验研究 ·1587 1600m (a) (b) 1600 1400 1400 1200 期1200 1000 1000 0 5001000150020002500 0 500100015002000 时间s 时间/s 1600 (c) 1580 (d) 1560 1400 1540 铁块质量 -500g -1000g ¥1200 91520 1500g 1500 1000 1480 1460 800 1440 05001000150020002500300035004000 0250500750100012501500 时间s 时间/s 图5微波直接加热不同质量铁液的升温曲线.(a)500g:(b)1000g:(c)1500g:(d)>1450℃阶段.不同质量铁液升温曲线 Fig.5 Heating curves of different quality molten irons with microwave power of 4 kW:(a)500 g;(b)1000 g;(c)1500 g;(d)heating curve of molten iron of different quality above 1450 C 023℃s和0.17℃s,1000g铁液1450℃前后 1600 的升温速度为0.28℃s和0.21℃s;1500g铁液 升温速度相对较慢,1450℃前后的平均升温速度 1500 为0.11℃s1和0.03℃s.其中1000g铁液的升 1400 温速度与以间接加热方式加热时的升温速度较为 微波功率 接近,表明微波以直接加热方式加热金属液可以 1300 4kW 达到或接近间接加热的效果;而500g和1500g铁 2kW 液的加热速度明显低于间接加热的升温速度 1200 对比分析微波以直接加热方式加热不同质量 -5000 500100015002000250030003500 铁液的升温速度,发现铁液质量对加热效果的影 时间/s 响较复杂,升温速度和质量没有明显的线性关系, 图6不同微波功率下1000g铁液的升温曲线 这反映了微波直接加热时,铁液的升温速度除了 Fig.6 Temperature rise curves of 1000 g iron melt under different microwave powers 受铁液质量因素影响外,还有许多其他影响因素, 如铁液表面积、趋肤深度、微波场强分布等,这些 由于实验操作的原因,不能保证铁液的初始 因素并不与铁液质量成线性关系,因此微波以直 温度相同,但每次实验时铁液的温度均超过1200℃, 接加热方式加热金属液时,升温速度并非与金属 大于实验用铁的熔点1162℃,因此可以确定微波 液质量成线性关系 直接加热实验时铁的初始状态为液态.图6结果 2.2.2微波功率对加热效果的影响 表明,铁液的升温速度随着微波功率的降低而下 分别采用1、2、3和4kW微波功率对1000g 降.功率为4kW时,铁液在1450℃前后的升温速 铁液进行直接加热实验,实验结果如图6所示. 度分别为0.28℃s和021℃s;功率为3kW

0.23 ℃·s−1 和 0.17 ℃·s−1 , 1000 g 铁液 1450 ℃ 前后 的升温速度为 0.28 ℃·s−1 和 0.21 ℃·s−1 ;1500 g 铁液 升温速度相对较慢,1450 ℃ 前后的平均升温速度 为 0.11 ℃·s−1 和 0.03 ℃·s−1 . 其中 1000 g 铁液的升 温速度与以间接加热方式加热时的升温速度较为 接近,表明微波以直接加热方式加热金属液可以 达到或接近间接加热的效果;而 500 g 和 1500 g 铁 液的加热速度明显低于间接加热的升温速度. 对比分析微波以直接加热方式加热不同质量 铁液的升温速度,发现铁液质量对加热效果的影 响较复杂,升温速度和质量没有明显的线性关系, 这反映了微波直接加热时,铁液的升温速度除了 受铁液质量因素影响外,还有许多其他影响因素, 如铁液表面积、趋肤深度、微波场强分布等,这些 因素并不与铁液质量成线性关系,因此微波以直 接加热方式加热金属液时,升温速度并非与金属 液质量成线性关系. 2.2.2    微波功率对加热效果的影响 分别采用 1、2、3 和 4 kW 微波功率对 1000 g 铁液进行直接加热实验,实验结果如图 6 所示. 由于实验操作的原因,不能保证铁液的初始 温度相同,但每次实验时铁液的温度均超过 1200 ℃, 大于实验用铁的熔点 1162 ℃,因此可以确定微波 直接加热实验时铁的初始状态为液态. 图 6 结果 表明,铁液的升温速度随着微波功率的降低而下 降. 功率为 4 kW 时,铁液在 1450 ℃ 前后的升温速 度分别 为 0.28 ℃·s−1 和 0.21 ℃·s−1;功率 为 3  kW 500 g 1000 g 1500 g 铁块质量 1600 1400 1200 1000 温度/°C 1600 1400 1200 1000 温度/°C 温度/°C 1600 1400 1200 1000 800 温度/°C 1580 1560 1540 1520 1500 1480 1460 1440 0 500 1000 1500 2000 2500 时间/s 0 500 1000 1500 2000 时间/s 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 时间/s 时间/s 0 250 500 750 1000 1250 1500 (a) (b) (c) (d) 图 5    微波直接加热不同质量铁液的升温曲线.(a)500 g;(b)1000 g;(c)1500 g;(d)>1450 ℃ 阶段,不同质量铁液升温曲线 Fig.5    Heating curves of different quality molten irons with microwave power of 4 kW: (a) 500 g; (b) 1000 g; (c) 1500 g; (d) heating curve of molten iron of different quality above 1450 ℃ 1600 1500 1400 1300 1200 温度/°C −500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 时间/s 4 kW 3 kW 2 kW 1 kW 微波功率 图 6    不同微波功率下 1000 g 铁液的升温曲线 Fig.6     Temperature  rise  curves  of  1000  g  iron  melt  under  different microwave powers 苏晓峰等: 微波加热金属液体的实验研究 · 1587 ·

1588 工程科学学报,第41卷,第12期 时,升温速度分别降为0.10℃s和0.08℃s;加 1600 热功率为2kW时,铁液温度上升缓慢,在1200℃ 1550 至1300℃温度区间内的升温速度为0.04℃s,铁 1500 液温度上升到1400℃需要较长时间;加热功率为 1450 1kW时,铁液的温度开始下降,其降温速度为 1400 0.11℃s,此条件下铁液的散热已经超过从微波 1350 1300 场内吸收的能量,铁液温度逐渐下降 1250 一液态铜 对铁液在1450℃之前的升温速度和功率的 一液态铁 1200 关系进行拟合分析,结果如图7所示.实验结果表 5001000 1500 2000 明,微波以直接加热方式加热铁液时,铁液的升温 时间s 速度与功率成近似线性关系,功率越大,铁液的升 图8微波直接加热铜液和铁液结果 温速度越快,加热效果越好. Fig.8 Heating curves of molten copper and iron by microwave heating 0.3 3分析与讨论 3.1微波在金属内部的趋肤深度 0.2 固态金属内部存在大量自由电子,具有较高 0.1 的电导率,属于导体,为微波反射体,无法吸收微 波.根据麦克斯韦方程,金属内部不存在交变电磁 0 场,感应电荷只能停留在样品的表面几个微米的 范围内,因此,块状金属反射微波,不会发生大面 积吸收微波的状况,也无法被微波直接加热 微波功率kW 固态金属不吸收微波,因为微波在金属内部 图7升温速度与微波功率的关系 传递的衰减系数与电导率的大小成反比,随着电 Fig.7 Relationship between heating rate and microwave power 导率的增大,微波在金属中的衰减速度不断增加, 导致微波在金属中穿透深度小,物理学上将这一 拟合公式如下: 现象定义为趋肤效应.微波在金属介质内的穿透 dT =0.123P-0.23.R2=0.95331 (1) 深度被称为趋肤深度,定义为微波在金属介质内 dt 式中:出为铁液升温速度,℃,P为微被功率, 场强振幅下降至在金属表面场强振幅的l/e时距 金属表面的距离 kW;R2为拟合优度 趋肤深度的数学表达式为山 2.2.3铜液和铁液加热效果对比 1 由于加热介质自身微波吸收能力的不同,微 8=nfuo (2) 波对不同的加热介质常会有不同的加热效果,为 式中:6为趋肤深度,m;f为微波频率,Hz;4为磁 了进一步研究微波以直接加热方式加热不同种类 导率,Hm;o为电导率,Sm 液态金属的效果及机理,本研究进行了微波直接 常温下俦铁的电导率为o=1×10'Sm,磁导率 加热铜液的实验,并与同等条件下铁液的加热结 在200~400之间,微波频率为2.45GHz.根据式 果进行对比,实验结果如图8所示 (1)计算得出铸铁在常温下的趋肤深度在0.16~ 图8表明铜液和铁液一样具有较好的微波吸 0.23m之间.常温下铜的电导率为5.9×10?Sm, 收能力,升温速度较快.采用4kW微波功率分别 其磁导率近似看作真空磁导率4π×107Hm.通 加热1000g铜液和铁液,铁液在1450℃前后的升 过式(2)计算,获得铜在常温下的趋肤深度为1.32um. 温速度分别为0.28℃s1和0.21℃s,铜液在1350℃ 因此,具有良好导电特性的固态铁和铜,在高频电 前后的升温速度分别0.25℃s和0.26℃s,两者 磁场内的趋肤深度很小,固态金属不能吸收微波. 稍有差别,但升温速度相近.另一方面,铜液的升 铜和铁在熔化后电阻率显著增大.铁熔化后 温速度也与前面间接加热时的升温速度相近 电阻率为138.6μ2-cm,相应的电导率为7.2×105Sm

时,升温速度分别降为 0.10 ℃·s−1 和 0.08 ℃·s−1;加 热功率为 2 kW 时,铁液温度上升缓慢,在 1200 ℃ 至 1300 ℃ 温度区间内的升温速度为 0.04 ℃·s−1,铁 液温度上升到 1400 ℃ 需要较长时间;加热功率为 1 kW 时 ,铁液的温度开始下降 ,其降温速度为 0.11 ℃·s−1,此条件下铁液的散热已经超过从微波 场内吸收的能量,铁液温度逐渐下降. 对铁液在 1450 ℃ 之前的升温速度和功率的 关系进行拟合分析,结果如图 7 所示. 实验结果表 明,微波以直接加热方式加热铁液时,铁液的升温 速度与功率成近似线性关系,功率越大,铁液的升 温速度越快,加热效果越好. 拟合公式如下: dT dt = 0.123P−0.23,R 2 = 0.95331 (1) dT dt 式中: 为铁液升温速度,℃·s−1 ;P 为微波功率, kW;R 2 为拟合优度. 2.2.3    铜液和铁液加热效果对比 由于加热介质自身微波吸收能力的不同,微 波对不同的加热介质常会有不同的加热效果,为 了进一步研究微波以直接加热方式加热不同种类 液态金属的效果及机理,本研究进行了微波直接 加热铜液的实验,并与同等条件下铁液的加热结 果进行对比,实验结果如图 8 所示. 图 8 表明铜液和铁液一样具有较好的微波吸 收能力,升温速度较快. 采用 4 kW 微波功率分别 加热 1000 g 铜液和铁液,铁液在 1450 ℃ 前后的升 温速度分别为0.28 ℃·s−1 和0.21 ℃·s−1,铜液在1350 ℃ 前后的升温速度分别 0.25 ℃·s−1 和 0.26 ℃·s−1,两者 稍有差别,但升温速度相近. 另一方面,铜液的升 温速度也与前面间接加热时的升温速度相近. 3    分析与讨论 3.1    微波在金属内部的趋肤深度 固态金属内部存在大量自由电子,具有较高 的电导率,属于导体,为微波反射体,无法吸收微 波. 根据麦克斯韦方程,金属内部不存在交变电磁 场,感应电荷只能停留在样品的表面几个微米的 范围内,因此,块状金属反射微波,不会发生大面 积吸收微波的状况,也无法被微波直接加热. e 固态金属不吸收微波,因为微波在金属内部 传递的衰减系数与电导率的大小成反比,随着电 导率的增大,微波在金属中的衰减速度不断增加, 导致微波在金属中穿透深度小,物理学上将这一 现象定义为趋肤效应. 微波在金属介质内的穿透 深度被称为趋肤深度,定义为微波在金属介质内 场强振幅下降至在金属表面场强振幅的 1/ 时距 金属表面的距离. 趋肤深度的数学表达式为[11] : δ = √ 1 π f µσ (2) 式中:δ 为趋肤深度,m;f 为微波频率,Hz;μ 为磁 导率,H·m−1 ;σ 为电导率,S·m−1 . 常温下铸铁的电导率为 σ=1×107 S·m−1,磁导率 在 200~400 之间,微波频率为 2.45 GHz. 根据式 (1)计算得出铸铁在常温下的趋肤深度在 0.16~ 0.23 μm 之间. 常温下铜的电导率为 5.9×107 S·m−1 , 其磁导率近似看作真空磁导率 4π×10−7 H·m−1 . 通 过式(2)计算,获得铜在常温下的趋肤深度为 1.32 μm. 因此,具有良好导电特性的固态铁和铜,在高频电 磁场内的趋肤深度很小,固态金属不能吸收微波. 铜和铁在熔化后电阻率显著增大. 铁熔化后 电阻率为138.6 μΩ·cm,相应的电导率为7.2×105 S·m−1 , 0.3 0.2 0.1 0 −0.1 升温速度/(°C·s−1 ) 1 2 3 4 微波功率/kW 图 7    升温速度与微波功率的关系 Fig.7    Relationship between heating rate and microwave power 1600 1550 1500 1450 1400 1350 1300 1250 1200 温度/°C 0 500 1000 1500 2000 时间/s 液态铜 液态铁 图 8    微波直接加热铜液和铁液结果 Fig.8    Heating curves of molten copper and iron by microwave heating · 1588 · 工程科学学报,第 41 卷,第 12 期

苏晓峰等:微波加热金属液体的实验研究 ·1589· 铁在熔化后失去磁性,其磁导率为真空磁导率 铜液吸波的机理可能存在下列四种方式 4π×107Hm,微波场频率为2.45GHz,根据式(2) (1)电子与原子核碰撞.在微波场的作用下, 计算得出液态铁在微波场内的趋肤深度为11.98um. 铁液和铜液内部的自由电子会发生定向移动.由 铜熔化后电阻率为21.2u2cm,相应的电导率为 于液态金属内部原子核的振动频率为固态金属的 47.2×10Sm,铜可以近似看做没有磁性,其磁导 几百万倍),电子在定向移动的过程中与原子产 率为真空磁导率4π×10-?Hm,微波场频率为 生更多的碰撞,导致损耗的产生,从而使液态金属 2.45GHz.根据式(2)计算液态铜在微波场内的趋 能吸收微波 肤深度为4.68um.与常温下固态铁和铜的趋肤深 (2)表面快速更新.液态金属具有流动性,内 度(0.18~0.26um和1.32μm相比,微波在金属液 部原子处于短程有序、长程无序的状态,金属原子 中的趋肤深度显著增加,微波加热效果得到增强 移动一个原子间距(~0.3nm)的时间为101ls,超 3.2微波加热金属液体的机理 过这个时间时,金属原子短程有序的结构就遭到 微波场在物质内部的损耗机制根据其内部带 了破坏,随着金属原子及原子团的热运动,铁液 电粒子在微波场内的运动形式分为磁损耗、介电 内部的原子集团和游离原子会不断与表层原子更 损耗和电导损耗.铁液与铜液为电导率较高和无 换位置,轮流出现在液态金属表面吸收微波能,使 磁性的非电介质,带电粒子在铁液和铜液中的损 得液态金属吸波能力上升 耗机制主要为电阻型损耗. (3)内部缺陷阻碍电子运动.铁液与铜液可以 金属液内部含有大量能自由运动的带电粒子 看作是游动原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂 金属内部的自由带电粒子在外加电场和磁场的作 质和气泡组成的液体.常温下,金属介质的吸波性 用下将发生定向运动而形成电流和涡流,电流和 能和电阻率有关,金属内部缺陷引起的电子散射 涡流统称为传导电流.传导电流密度J与电场强 是产生电阻的主要原因啊当微波入射到液态金 度E的关系与媒质特性有关,二者的关系为 属内部时,电子产生定向运动,由于液态金属中缺 J=gE (3) 陷和空穴的增多,导致更多的电子产生散射现象, 式中:J为传导电流密度,Am2;E为电场强度, 液体金属的吸收微波能力得到提升, V.m (4)原子的运动及碰撞.液态金属内部存在有 电场使金属中的带电粒子运动,而带电粒子 大量的原子集团和游离原子.固态情况下,金属原 在运动过程中产生的能量损耗被称为电阻型损 子核被固定在品格内部不能自由移动.液态情况 耗.根据电功率的定义,可计算体积为V的金属内 下,金属内部处于长程无序状态,原子集团和游离 微波的的损耗功率Pcom为: 原子在交变电磁场的作用下,与自由电子一般,随 Pom=nJ小.Edv=∫E2dw 着电磁场方向的变化而产生定向移动,由于液态 (4) 金属热振动剧烈,移动过程中将会产生更多的碰 根据式(4)表征的导电媒介的传导特性可知, 撞,使得原子运动加剧,能量损耗增加,温度上升 在金属体积一定的情况下,电导损耗功率与金属 4结论 的电导率和电场强度的平方成正比.当微波加热 功率不发生改变时,电场强度可以看作定值,金属 (1)液态金属可以吸收微波,并被微波直接加 在微波场内的电导损耗仅与金属自身电导率有 热,升温速度较快;本研究条件下,1000g铁液和 关.金属液具有较好的导电性,因此电导损耗较为 铜液的升温速度与间接加热升温速度相近 明显,电导损耗是微波加热液态金属的主要作用 (2)液态金属升温速度与微波加热的功率近 机制. 似呈线性关系,升温速度随微波功率增大而增加 从微观角度分析,铁液与铜液存在大量游离 在相同微波直接加热条件下,同等质量的铜液和 的原子和原子集团,游离原子和原子集团相互之 铁液的升温速度相近 间还存在相互转换,一直会有原子从原子集团中 (3)铁液质量对微波加热效果的影响较为复 脱离出来,也有游离原子加入原子集团2由于温 杂,并没有呈现出显著的线性关系,表明不同质量 度较高,铁液和铜液中的原子振动较固态铁和铜 金属液加热时,其表面积、微波场强分布等存在 剧烈,同时内部的原子及原子团还可较自由移动, 差异 尤其在微波场作用下.基于这种微观结构,铁液和 (4)微波在铁液和铜液内部的趋肤深度显著

铁在熔化后失去磁性 ,其磁导率为真空磁导率 4π×10−7 H·m−1,微波场频率为 2.45 GHz,根据式(2) 计算得出液态铁在微波场内的趋肤深度为 11.98 μm. 铜熔化后电阻率为 21.2 μΩ·cm,相应的电导率为 47.2×105 S·m−1,铜可以近似看做没有磁性,其磁导 率为真空磁导 率 4π×10−7 H·m−1,微波场频率为 2.45 GHz,根据式(2)计算液态铜在微波场内的趋 肤深度为 4.68 μm. 与常温下固态铁和铜的趋肤深 度(0.18~0.26 μm 和 1.32 μm)相比,微波在金属液 中的趋肤深度显著增加,微波加热效果得到增强. 3.2    微波加热金属液体的机理 微波场在物质内部的损耗机制根据其内部带 电粒子在微波场内的运动形式分为磁损耗、介电 损耗和电导损耗. 铁液与铜液为电导率较高和无 磁性的非电介质,带电粒子在铁液和铜液中的损 耗机制主要为电阻型损耗. 金属液内部含有大量能自由运动的带电粒子. 金属内部的自由带电粒子在外加电场和磁场的作 用下将发生定向运动而形成电流和涡流,电流和 涡流统称为传导电流. 传导电流密度 J 与电场强 度 E 的关系与媒质特性有关,二者的关系为 J = σE (3) 式中: J 为传导电流密度,A·m−2 ;E 为电场强度, V·m−1 . 电场使金属中的带电粒子运动,而带电粒子 在运动过程中产生的能量损耗被称为电阻型损 耗. 根据电功率的定义,可计算体积为 V 的金属内 微波的的损耗功率 Pcon 为: Pcon = w V J · Edv = w V σE 2 dv (4) 根据式(4)表征的导电媒介的传导特性可知, 在金属体积一定的情况下,电导损耗功率与金属 的电导率和电场强度的平方成正比. 当微波加热 功率不发生改变时,电场强度可以看作定值,金属 在微波场内的电导损耗仅与金属自身电导率有 关. 金属液具有较好的导电性,因此电导损耗较为 明显,电导损耗是微波加热液态金属的主要作用 机制. 从微观角度分析,铁液与铜液存在大量游离 的原子和原子集团,游离原子和原子集团相互之 间还存在相互转换,一直会有原子从原子集团中 脱离出来,也有游离原子加入原子集团[12] . 由于温 度较高,铁液和铜液中的原子振动较固态铁和铜 剧烈,同时内部的原子及原子团还可较自由移动, 尤其在微波场作用下. 基于这种微观结构,铁液和 铜液吸波的机理可能存在下列四种方式. (1)电子与原子核碰撞. 在微波场的作用下, 铁液和铜液内部的自由电子会发生定向移动. 由 于液态金属内部原子核的振动频率为固态金属的 几百万倍[13] ,电子在定向移动的过程中与原子产 生更多的碰撞,导致损耗的产生,从而使液态金属 能吸收微波. (2)表面快速更新. 液态金属具有流动性,内 部原子处于短程有序、长程无序的状态,金属原子 移动一个原子间距(~0.3 nm)的时间为 10–11 s,超 过这个时间时,金属原子短程有序的结构就遭到 了破坏[14] ,随着金属原子及原子团的热运动,铁液 内部的原子集团和游离原子会不断与表层原子更 换位置,轮流出现在液态金属表面吸收微波能,使 得液态金属吸波能力上升. (3)内部缺陷阻碍电子运动. 铁液与铜液可以 看作是游动原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂 质和气泡组成的液体. 常温下,金属介质的吸波性 能和电阻率有关,金属内部缺陷引起的电子散射 是产生电阻的主要原因[15] . 当微波入射到液态金 属内部时,电子产生定向运动,由于液态金属中缺 陷和空穴的增多,导致更多的电子产生散射现象, 液体金属的吸收微波能力得到提升. (4)原子的运动及碰撞. 液态金属内部存在有 大量的原子集团和游离原子. 固态情况下,金属原 子核被固定在晶格内部不能自由移动. 液态情况 下,金属内部处于长程无序状态,原子集团和游离 原子在交变电磁场的作用下,与自由电子一般,随 着电磁场方向的变化而产生定向移动,由于液态 金属热振动剧烈,移动过程中将会产生更多的碰 撞,使得原子运动加剧,能量损耗增加,温度上升. 4    结论 (1)液态金属可以吸收微波,并被微波直接加 热,升温速度较快;本研究条件下,1000 g 铁液和 铜液的升温速度与间接加热升温速度相近. (2)液态金属升温速度与微波加热的功率近 似呈线性关系,升温速度随微波功率增大而增加. 在相同微波直接加热条件下,同等质量的铜液和 铁液的升温速度相近. (3)铁液质量对微波加热效果的影响较为复 杂,并没有呈现出显著的线性关系,表明不同质量 金属液加热时,其表面积、微波场强分布等存在 差异. (4)微波在铁液和铜液内部的趋肤深度显著 苏晓峰等: 微波加热金属液体的实验研究 · 1589 ·

·1590 工程科学学报,第41卷,第12期 大于固态铁和铜,电导损耗是微波加热铁液与铜 [8]Thostenson E T.Chou T W.Microwave processing:fundamentals 液的主要方式.铁液和铜液吸收微波可能有电子 and applications.Composites Part A,1999,30(9):1055 与原子核碰撞、表面快速更新、内部缺陷阻碍电 [9]Liu S H,Liu J M,Dong X L.Electromagnetic Wave Shielding and 子运动、原子的运动及碰撞四种机制 Absorbing Materials.Beijing:Chemical Industry Press,2007 (刘顺华,刘军民,董星龙.电磁波屏蔽及吸波材料.北京:化学 参考文献 工业出版社,2007) [10]Qu S M,Zhang M.Microwave hybrid heating technology.Physics, [1]Yang K,Zhu H B,Peng J H,et al.Pilot plant study on microwave 1999,28(2):117 roasting of high titanium slag.Min Metall,2014,23(5):39 (曲世鸣,张明.微波混合加热技术及应用前景.物理,1999 (杨坤,朱红波,彭金辉,等.微波培烧高钛渣中试研究.矿治, 28(2):117) 2014,23(5):39) [2]Kingman S W,Rowson N A.The effect of microwave radiation on [11]Wang J L,Zhu M Z.Lu H M.Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave.3rd Ed.Xi'an:Xidian University Press, the magnetic properties of minerals.J Microw Power Electromagn 2009 Emeg,2000,35(3)上:144 (王家礼,朱满座,路宏敏.电磁场与电磁波.3版.西安:西安电 [3] Renato de Castro E,Breda Mourao M,Jermolovicius L A,et al. 子科技大学出版社,2009) Carbothermal reduction of iron ore applying microwave energy. Steel Res Int,2012,83(2:131 [12]Zou X W.Research progress of liquid metal and glass.Physics, [4] Chen J,Liu L,Zeng JQ,et al.Experiment of microwave heating 1997,26(1):25 on self-fluxing pellet containing coal.Jron Steel Res Int,2003. (邹宪武.液态金属和玻璃的若干研究进展.物理,1997,26(1): 25) 10(2):1 [5]Cha C Y,Kim D S.Microwave induced reactions of sulphur [13]Wu S S,Liu Y Q.Material Forming Principle.2nd Ed.Beijing: dioxide and nitrogen oxides in char and anthracite bed.Carbon China Machine Press,2008 2001,39(8):1159 (吴树森,柳玉起.材料成形原理.2版,北京:机械工业出版社, [6]Ai L Q,Zhang Y L,Zhu Y H,et al.Application of the microwave 2008) heating technology in metallurgical industry.Energy Metall Ind, [14]Bian X F,Wang W M,Li H,et al.Metal Melt Structure.Shanghai: 2013,32(6):42 Shanghai Jiao Tong University press,2003 (艾立群,张彦龙,朱祎姮,等.微波加热技术在冶金工业中的应 (边秀房,王伟民,李辉,等.金属熔体结构.上海:上海交通大学 用.冶金能源,2013,32(6):42) 出版社,2003) [7]Cai WQ,Li H Q,Zhang Y.Recent development of microwave [15]Zhang G P,Li ML,Wu X M,et al.Research progress on effect of radiation application in metallurgical processes.Chin Process length scale on electrical resistivity of metals.Chin J Mater Res, Eg,2005,5(2):228 2014,28(2):81 (蔡卫权,李会泉,张懿.微波技术在冶金中的应用.过程工程学 (张广平,李孟林,吴细毛,等.尺度对金属材料电阻率影响的研 报,2005,5(2):228) 究进展.材料研究学报,2014,28(2):81)

大于固态铁和铜,电导损耗是微波加热铁液与铜 液的主要方式. 铁液和铜液吸收微波可能有电子 与原子核碰撞、表面快速更新、内部缺陷阻碍电 子运动、原子的运动及碰撞四种机制. 参    考    文    献 Yang K, Zhu H B, Peng J H, et al. Pilot plant study on microwave roasting of high titanium slag. Min Metall, 2014, 23(5): 39 (杨坤, 朱红波, 彭金辉, 等. 微波焙烧高钛渣中试研究. 矿冶, 2014, 23(5):39 ) [1] Kingman S W, Rowson N A. The effect of microwave radiation on the magnetic properties of minerals. J Microw Power Electromagn Energy, 2000, 35(3): 144 [2] Renato  de  Castro  E,  Breda  Mourão  M,  Jermolovicius  L  A,  et  al. Carbothermal  reduction  of  iron  ore  applying  microwave  energy. Steel Res Int, 2012, 83(2): 131 [3] Chen J, Liu L, Zeng J Q, et al. Experiment of microwave heating on  self-fluxing  pellet  containing  coal. J Iron Steel Res Int,  2003, 10(2): 1 [4] Cha  C  Y,  Kim  D  S.  Microwave  induced  reactions  of  sulphur dioxide  and  nitrogen  oxides  in  char  and  anthracite  bed. Carbon, 2001, 39(8): 1159 [5] Ai L Q, Zhang Y L, Zhu Y H, et al. Application of the microwave heating  technology  in  metallurgical  industry. Energy Metall Ind, 2013, 32(6): 42 (艾立群, 张彦龙, 朱祎姮, 等. 微波加热技术在冶金工业中的应 用. 冶金能源, 2013, 32(6):42 ) [6] Cai  W  Q,  Li  H  Q,  Zhang  Y.  Recent  development  of  microwave radiation  application  in  metallurgical  processes. Chin J Process Eng, 2005, 5(2): 228 (蔡卫权, 李会泉, 张懿. 微波技术在冶金中的应用. 过程工程学 报, 2005, 5(2):228 ) [7] Thostenson E T, Chou T W. Microwave processing: fundamentals and applications. Composites Part A, 1999, 30(9): 1055 [8] Liu S H, Liu J M, Dong X L. Electromagnetic Wave Shielding and Absorbing Materials. Beijing: Chemical Industry Press, 2007 (刘顺华, 刘军民, 董星龙. 电磁波屏蔽及吸波材料. 北京: 化学 工业出版社, 2007) [9] Qu S M, Zhang M. Microwave hybrid heating technology. Physics, 1999, 28(2): 117 (曲世鸣, 张明. 微波混合加热技术及应用前景. 物理, 1999, 28(2):117 ) [10] Wang  J  L,  Zhu  M  Z,  Lu  H  M. Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave.  3rd  Ed.  Xi ’an:  Xidian  University  Press, 2009 (王家礼, 朱满座, 路宏敏. 电磁场与电磁波. 3版. 西安: 西安电 子科技大学出版社, 2009) [11] Zou  X  W.  Research  progress  of  liquid  metal  and  glass. Physics, 1997, 26(1): 25 (邹宪武. 液态金属和玻璃的若干研究进展. 物理, 1997, 26(1): 25 ) [12] Wu S S, Liu Y Q. Material Forming Principle. 2nd Ed. Beijing: China Machine Press, 2008 (吴树森, 柳玉起. 材料成形原理. 2版. 北京: 机械工业出版社, 2008) [13] Bian X F, Wang W M, Li H, et al. Metal Melt Structure. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University press, 2003 (边秀房, 王伟民, 李辉, 等. 金属熔体结构.上海: 上海交通大学 出版社, 2003) [14] Zhang G P, Li M L, Wu X M, et al. Research progress on effect of length scale on electrical resistivity of metals. Chin J Mater Res, 2014, 28(2): 81 (张广平, 李孟林, 吴细毛, 等. 尺度对金属材料电阻率影响的研 究进展. 材料研究学报, 2014, 28(2):81 ) [15] · 1590 · 工程科学学报,第 41 卷,第 12 期

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