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 ·