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 ·