МИКРОВОЛНОВАЯ ПЕЧЬ КОМБИНИРОВАННОГО НАГРЕВА
COMBINED HEATING MICROWAVE OVEN

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Данное изобретение относится к микроволновой комбинированной нагревательной печи, нагревающей объект нагрева с помощью комбинации микроволн и внешнего нагрева, например, горелкой.
ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0002] С конца 1980-х годов известно, что микроволновое излучение высокой мощности можно применять для нагрева объекта, чтобы обеспечить, например
(1) снижение температуры реакции;
(2) сокращение времени реакции; и
(3) создание материала высокой чистоты (селективность реакции).
Такое поведение отличается от химического и физического поведения, возникающего во время обычного нагрева с помощью пламени или газа высокой температуры. Такое поведение, называемое “микроволновый эффект”, возникает, поскольку микроволновая электромагнитная энергия действует непосредственно на молекулярную структуру вещества до того, как электромагнитная энергия превращается в тепло. Было сделано много попыток применить этот эффект во многих областях.
[0003] В случае нагревательной печи, выполняющей операцию нагрева только с помощью микроволн, как схематично представлено на поз. (А) ФИГ. 4, оборудование (источник микроволн), которое подает микроволновую энергию, требует затрат на порядок больших, чем те, которые возникают с оборудованием внешнего типа нагрева, таким как газовая горелка, для подачи одинакового количества тепловой энергии, что вызывает значительное повышение расходов. В случае технологии, описанной в Патентном документе 1, например, применяется конфигурация, позволяющая микроволнами проходить сквозь теплоизоляционный материал и теплостойкий материал, чтобы таким образом попасть во внутреннее пространство печи. Таким образом, способ, показанный на поз. (В) ФИГ. 4, был предложен с целью использования комбинации микроволн и обычного внешнего нагрева с помощью источника тепла, такого как горелка, что обеспечивает низкую стоимость оборудования и эксплуатационные затраты (например, Патентный документ 2).
[0004] (Документы по известному уровню техники)
(Патентные документы)
Патентный документ 1: Японская непроверенная патентная заявка, публикация №2002-130960
Патентный документ 2: Японская непроверенная патентная заявка, публикация №2013-216943
[0005] (Непатентные документы)
Непатентный документ 1: Roy, R., Peelamedu, P.D., Hurtt, L., Cheng, J.P. and Agrawal, D., “Definitive experimental evidence for Microwave Effects: Radically new effects of separated E and H fields, such as decrystallization of oxides in seconds,” Mat. Res. Innovat., 6, (2002) pp. 128-140
Непатентный документ 2: B.C. Towe, “Induced Ultra-High Frequency Ultrasonic Vibration as the Driving Force for Reported Sub-Thermal Microwave Effects on Materials” Materials Science and Technology (MS & T) 2009, October 25-29, Pittsburgh, PA. Copy Right MS & T09 New Roles for Electric and Magnetic Fields.
Непатентный документ 3: M.С. Steele and В. Vural, “Wave Interactions in Solid State Plasmas” McGrow Hill (1968) Chap. 8-9
Непатентный документ 4: Landau Lifshitz (translated by Satou Tsunezo), “Dansei Riron” Tokyo Tosho pp. 192-193
[0006] (Проблемы, которые должны быть решены)
Изобретатель выполнил следующее исследование по микроволновому эффекту.
[0007] Применение теории переходных состояний, обсуждающей скорость реакций, было распространено на твердофазные, жидкофазные и поверхностные, а также на фотохимические, каталитические и изотопные реакции. С 1980-х годов при обжиге с помощью микроволн или различных химических реакций было открыто явление, называемое микроволновым эффектом или нетермическим эффектом, заключающееся, например, в снижении энергии активации или скорости и селективности химической реакции, которая не могла бы происходить при обычной операции нагревания. В 2002 году R. Roy et al. продемонстрировал экспериментальные результаты, которые показывают, что тайна микроволнового эффекта заключается в процессе высвобождения, в котором энергия электромагнитных волн в веществе переходит в тепло, которое представляет собой кинетическую энергию, обладающую высокой неупорядоченностью (непатентный документ 1). В 2009 году В.С. Towe отметил “аналогию между микроволнами в высокотемпературном диапазоне и ультразвуковыми продуктами” (непатентный документ 2). Исследование имеет целью объяснение экспериментальных результатов с применением теории переходных состояний к неравновесной системе, называемой микроволновым возмущением.
2
-5
[0008] Вещество в значительной степени пространственно неоднородно, например, из-за границ зерен, имеющихся в поликристаллических веществах, порошках или зернистых веществах. Микроволны имеют электромагнитное поле, действующее на электрический заряд такой поверхности. Когда это воздействие сочетается с механическими свойствами хаотического движения и электрическими свойствами, которыми обладает вещество, например, пьезоэлектрические свойства или молекулярный магнетизм, возникают волны, называемые электрокинетическими волнами (ЕКВ) (непатентный документ 3). Было теоретически показано, что такие упругие волны имеют коэффициент затухания, пропорциональный квадратному корню частоты, если вещество имеет поликристаллическую, порошковую или подобную структуру, определяемую диаметром частиц, и удовлетворяется условие “частота w >> теплопроводность χ/а” (непатентный документ 4). Например, если применяется константа алюминиевого материала с диаметром частиц несколько микрон, то возникают ультразвуковые волны микроволнового диапазона, которые могут быть выражены дисперсионной формулой в твердотельной плазме. Следующий недостаток заключается в том, что микроволны имеют фотонную энергию порядка 10 эВ, которая слишком мала по сравнению с энергией 1 эВ химической связи. То есть, возможен случай, в котором химическая реакция не может происходить, даже если электроны в молекулах колеблются в микроволновом электромагнитном поле. Поскольку эти ЕКВ имеют фазовую скорость того же порядка, что звуковые волны, изобретатель выдвинул рабочую гипотезу, согласно которой тепловая вибрация ионов в кристаллической решетке вызывает затухание Ландау, в результате чего возникает затухание без столкновений в пространстве скорости, что в свою очередь вызывает накопление энергии волн в вибрации решетки в процессе без столкновений.
0
ph
ph
0
2
Далее изобретатель добавил флуктуацию первого порядка “f (v)⋅(v-v)⋅g(v-v)” к функции распределения скорости “f(v)” системы в состоянии термодинамического равновесия, чтобы вывести на основании теории абсолютной скорости реакции Эйринга константу скорости реакции K* для микроволновой неравновесной системы. Было предположено, что “ξ<<RTVm*” было установлено для амплитуды звуковой волны “ξ.”
[0009] (Уравнение 1)
где “Qa” и “Qb” представляют функции распределения реагентов А и В; “” представляет одномерную статистическую сумму по трансляционным степеням свободы; “Т” представляет термодинамическую температуру, “h” представляет константу Планка; и “Е*” представляет энергию активации.
2
[0010] Первое выражение в [] с правой стороны приведенной выше формулы показывает скорость химической реакции, достигаемую при обычном нагреве, на основании общеизвестной теории переходных состояний. Второе выражение представляет эффект способствования химической реакции благодаря возмущению микроволнами. Это показывает, что микроволновый эффект становится более заметным с возрастанием флуктуации из-за микроволн, то есть, возрастанием энергии “ξ” ультразвуковых волн амплитуды “ξ.”
[0011] Производная константа скорости реакции показывает, что микроволновая энергия вызывает флуктуацию заряженных частиц в веществе, благодаря чему возникает малая вибрация звуковых волн, и флуктуация накапливается, вызывая таким образом увеличение вибрации звуковых волн, имеющих выровненные фазы, чтобы таким образом достичь энергии, равной энергии тепловой вибрации. Чтобы реализовать промышленное применение теории, необходимо вывести соотношение между конкретным числовым значением амплитуды этих растущих звуковых волн и энергией микроволн. Расчетное время роста амплитуды звуковых волн не может быть больше, чем время, необходимое, чтобы энергия звуковых волн перешла в тепло. Таким образом, расчетное время роста амплитуды звуковых волн равно времени, необходимому, чтобы энергия звуковых волн перешла в тепло.
μ
ph
th
[0012] На основании описания в непатентном документе 4 были вычислены расстояние и время затухания звуковых волн. Результат показал, что время, необходимое, чтобы энергия звуковых волн перешла в тепло, растет с уменьшением энтропии микроволн, то есть, с уменьшением частотной дисперсии. А именно, константа скорости реакции “k*” может быть представлена, как показано в следующей формуле, при помощи параметров, которые можно измерить, таких как температура “Т,” мощность микроволн “р,” частота “ω,” и значение “Q микроволн” (“Q=ω/Δω,” где “Δω” представляет ширину частотной дисперсии). Справочное числовое значение “v” показывает скорость звука, а справочное числовое значение “v” показывает скорость распространения тепла, и соотношение между ними имеет порядок 1.
[0013] (Уравнение 2)
[0014] Микроволны с меньшей частотной дисперсией желательны, чтобы предоставлять простую гармоничную энергию движения (5), как показано на ФИГ. 5, в течение времени, меньшего, чем время, необходимое вибрациям ультразвуковых волн, вызванных микроволнами, чтобы перейти в тепло.
[0015] Как описано выше, путем целенаправленных исследований изобретатели обнаружили, что степень микроволнового эффекта пропорциональна энергии микроволн (квадрату плотности электромагнитного поля). В случае описанной выше обычной технологии рассеивания микроволн в нагреваемом пространстве потери через стенки печи во время микроволнового облучения и т.п., мешают микроволнам приобрести более высокую плотность электромагнитного поля, что, таким образом, не позволяет получить достаточный микроволновый эффект. В случае обычного микроволнового нагрева не уделялось внимания значению Q, показывающему качество микроволн. То есть, время выделения тепла было коротким, что требовало дальнейшего увеличения источника микроволн.
Таким образом, чтобы обеспечить достаточный микроволновый эффект, необходимо устранить недостаток, что означает значительное увеличение используемой выходной мощности, что приводит к росту стоимости оборудования и эксплуатационных расходов.
[0016] Учитывая вышесказанное, задача настоящего изобретения заключается в создании микроволновой печи комбинированного нагрева, которая может в достаточной мере удовлетворить требования к микроволновой печи комбинированного нагрева при нагревании с помощью микроволн, и которая может обеспечить экономный нагрев с использованием характеристик соответствующих способов нагрева.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0017] (Средства решения проблем)
С целью решения поставленной задачи, согласно первому варианту реализации изобретения, раскрыта микроволновая печь комбинированного нагрева, содержащая корпус, изготовленный из теплоизоляционного материала; нагревательный контейнер, расположенный внутри корпуса, нагревательный контейнер выполнен с возможностью размещения объекта нагрева таким образом, чтобы нагревать объект нагрева; устройство микроволнового облучения, выполненное с возможностью генерирования микроволн устройством генерирования микроволн и передачи микроволн блоком передачи микроволн так, чтобы объект нагрева, находящийся в нагревательном контейнере, облучался микроволнами без прохождения через внешнюю стенку нагревательного контейнера; и нагревательное устройство, выполненное с возможностью нагрева нагревательного контейнера снаружи нагревательного контейнера, причем нагревательный контейнер изготовлен главным образом из электропроводящего углеродного материала, и изготовлен таким образом, чтобы позволять микроволнам отражаться внутри нагревательного контейнера, чтобы объект нагрева мог нагреваться микроволнами и нагревательным устройством.
[0018] Кроме того, предоставляется в качестве второго варианта реализации изобретения, микроволновая печь комбинированного нагрева по первому варианту реализации изобретения, описанному выше, отличающаяся тем, что нагревательный контейнер изготовлен из композитного материала, сформированного путем связывания частиц карбида кремния с углеродом.
[0019] Кроме того, предоставляется в качестве третьего варианта реализации изобретения микроволновая печь комбинированного нагрева по первому или второму вариантам реализации изобретения, которая дополнительно содержит блок ввода газа, выполненное с возможностью ввода газа с целью регулирования атмосферы в нагревательном контейнере и блок сбора газа, выполненное с возможностью сбора газа, образующегося после тепловой обработки объекта нагрева для обработки газа.
[0020] Кроме того, предоставляется в качестве четвертого варианта реализации изобретения, микроволновая печь комбинированного нагрева по третьему варианту реализации изобретения, отличающаяся тем, что блок передачи микроволн содержит волновод, и волновод соединен с блоком ввода газа и блоком сбора газа, и газ, вводимый через блок ввода газа или смешанный газ, полученный путем смешивания газа, введенного через блок ввода газа, и газа, обрабатываемого в блоке сбора газа, вводится через наконечник волновода во внутреннее пространство нагревательного контейнера.
[0021] Кроме того, предоставляется в качестве пятого варианта реализации изобретения, микроволновая печь комбинированного нагрева по первому, второму или третьему вариантам реализации изобретения, описанным выше, отличающаяся тем, что блок передачи микроволн выполнено таким образом, чтобы микроволны передавались во внутреннее пространство нагревательного контейнера с помощью устройства отражения микроволн, выполненного таким образом, чтобы микроволны, сгенерированные устройством генерирования микроволн, имели возможность отражения.
[0022] Кроме того, предоставляется в качестве шестого варианта реализации изобретения, микроволновая печь комбинированного нагрева по пятому варианту реализации изобретения, описанному выше, отличающаяся тем, что блок передачи микроволн содержит устройство инфракрасного отражения, выполненное с возможностью отражения инфракрасных лучей, излучаемых из нагретого объекта нагрева таким образом, чтобы инфракрасные лучи вводились в нагревательный контейнер.
[0023] Кроме того, предоставляется в качестве седьмого варианта реализации изобретения, микроволновая печь комбинированного нагрева по шестому варианту реализации изобретения, отличающаяся тем, что устройство инфракрасного отражения выполнена как поверхность отражения, образованная поверхностью отражения микроволн устройства отражения микроволн в виде ступенек.
[0024] Кроме того, предоставляется в качестве восьмого варианта реализации изобретения, микроволновая печь комбинированного нагрева по пятому, шестому или седьмому вариантам реализации изобретения, отличающаяся тем, что устройство микроволнового облучения выполнено таким образом, что совокупность устройств генерирования микроволн расположена на боковых стенках корпуса таким образом, чтобы они окружали нагревательный контейнер, и фронт микроволн, генерируемых совокупностью устройств генерирования микроволн, был контролируемым, благодаря чему существует возможность формирования любой поверхности облучения.
[0025] Кроме того, предоставляется в качестве девятого варианта реализации изобретения, микроволновая печь комбинированного нагрева по первому, второму, третьему, четвертому, пятому, шестому, седьмому или восьмому вариантам реализации изобретения, описанным выше, которая дополнительно содержит канал подачи объекта нагрева, выполненное с возможностью подачи объекта нагрева в нагревательный контейнер, и приемное устройство, выполненное с возможностью приема объектов нагрева, прошедшие тепловую обработку.
[0026] (Благоприятные эффекты изобретения)
Согласно изобретению, описанному в первом аспекте, подача тепла к объекту нагрева главным образом выполняется с помощью теплового потока, подаваемого нагревательным блоком в нагревательный контейнер. Микроволны могут селективно поглощаться объектом нагрева, имеющим высокую температуру. Путем изолирования микроволн внутри нагревательного контейнера с целью усиления электромагнитного поля, микроволновый эффект может обеспечиваться в достаточной степени до превращения микроволн в тепловую энергию. Нагревательный блок может быть использовано с целью обеспечения равномерного распределения температуры и может обеспечивать улучшение эффективности реакции и энергетической эффективности, обеспечивая таким образом нагрев с низкими эксплуатационными расходами и стоимостью оборудования.
[0027] Согласно изобретению, описанному во втором аспекте, композитный материал, сформированный путем связывания частиц карбида кремния с углеродом, хорошо отражает микроволны, обладает высокой теплостойкостью и может преимущественно использоваться в качестве материала нагревательного контейнера.
[0028] Согласно изобретению, описанному в третьем аспекте, блок ввода газа используется для ввода газа, чтобы регулировать атмосферу в нагревательном контейнере, блок сбора газа может использоваться для сбора и обработки газа, образующегося при тепловой обработке объекта нагрева.
[0029] Согласно изобретению, описанному в четвертом аспекте, газ, вводимый через устройство ввода газа или газовая смесь из газа, вводимого через блок ввода газа, и газа, обрабатываемого в блоке сбора газа, вводится из наконечника волновода внутрь нагревательного контейнера. Таким образом, реакционный газ, образующийся из объекта нагрева, может выводиться из внутреннего пространства нагревательного контейнера. Кроме того, газ, выдуваемый из наконечника волновода, может предотвращать загрязнение внутренней части волновода пылью, реакционным газом и т.п., или образование в ней плазмы.
[0030] Согласно изобретению, описанному в пятом аспекте, устройство отражения микроволн может отражать микроволны, сгенерированные устройством генерирования микроволн с целью проведения микроволн внутрь нагревательного контейнера. Это может обеспечить повышенную степень свободы размещения устройства генерирования микроволн. Это может также электрически менять частоты, фазы и выходную мощность колебаний совокупности частей микроволн с целью контроля распределения и направления распространения энергии излучаемого луча микроволн, таким образом устраняя необходимость применения механизма механического вращения, такого как мешалка, при высокой температуре.
[0031] Согласно изобретению, описанному в шестом аспекте, инфракрасные лучи, излучаемые нагретым объектом нагрева, могут возвращаться внутрь нагревательного контейнера и могут быть использованы в операции нагрева, таким образом повышая эффективность операции нагрева.
[0032] Согласно изобретению, описанному в седьмом аспекте, устройство отражения микроволн и устройство инфракрасного отражения могут быть интегрировано сформированы в простой конфигурации.
[0033] Согласно изобретению, описанному в восьмом аспекте, фронтом микроволн возможно управлять электрически с целью изменения направленности микроволн, таким образом формируя любую поверхность облучения. То есть, это может устранить необходимость применения механизма перемешивания и т.п. в нагревательном контейнере, таким образом обеспечивая равномерность нагрева объекта нагрева.
[0034] Согласно изобретению, описанному в девятом аспекте, устройство подачи объекта нагрева используется для подачи объекта нагрева в нагревательный контейнер, а приемное устройство может использоваться для приема объектов нагрева, прошедших тепловую обработку. Операции подачи и приема могут выполняться любым из непрерывных или порционных способов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0035] С целью более глубокого понимания данного изобретения и его преимуществ следующие описания необходимо читать в сочетании с сопроводительными графическими материалами, в которых:
На ФИГ. 1 представлено схематическое изображение, иллюстрирующее конфигурацию и внутреннее строение микроволновой печи комбинированного нагрева по первому варианту реализации изобретения.
На ФИГ. 2 представлено схематическое изображение, иллюстрирующее конфигурацию и внутреннее строение микроволновой печи комбинированного нагрева по второму варианту реализации изобретения.
На ФИГ. 3 представлено схематическое изображение, иллюстрирующее конфигурацию и принцип действия устройства инфракрасного отражения.
На ФИГ. 4 представлено схематическое изображение, иллюстрирующее конфигурацию обычной печи микроволнового нагрева.
На ФИГ. 5 представлено схематическое изображение, иллюстрирующее поток энергии, подаваемой для микроволнового нагрева и обычного нагрева.
ОПИСАНИЕ BAPИAHTOB РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0036] (Первый вариант реализации изобретения)
Следующий раздел описывает первый вариант реализации микроволновой печи комбинированного нагрева по настоящему изобретению со ссылкой на графические материалы.
[0037] (Конфигурация микроволновой печи комбинированного нагрева)
Как представлено на ФИГ. 1, микроволновая печь комбинированного нагрева 1 содержит корпус 10, нагревательный контейнер 11, который содержится внутри корпуса 10, содержащий там объект нагрева и нагревающий объект нагрева, нагревательный блок 12, нагревающий снаружи нагревательный контейнер 11, устройство микроволнового облучения 13, устройство подачи объекта нагрева 14, подающее объект нагрева в нагревательный контейнер 11, блок ввода газа 15, вводящее газ с целью регулирования атмосферы в нагревательном контейнере 11, блок сбора газа 16, собирающее и обрабатывающее газ, который образуется в ходе тепловой обработки объекта нагрева, и не показанное устройство управления.
[0038] Корпус 10 состоит из огнеупорной стенки 10а, выполненной из теплоизоляционного материала, такого как огнеупорный кирпич, и вмещает внутри нагревательный контейнер 11 с помощью седла 10b. В этом варианте реализации изобретения нагревательный контейнер 11 выполнен в положении, в котором нагревательный контейнер 11 может нагреваться с нижней стороны нагревательного блока 12. Верхняя часть нагревательного контейнера 11 имеет канал подачи объекта нагрева 18 и соединена с каналом подачи объекта нагрева 18 (который будет описан позже) и имеет защитную стенку 10с, выполненную таким образом, чтобы она закрывала часть отверстия 11а нагревательного контейнера 11. Защитная стенка 10с оборудована внутренней панелью, отражающей микроволны и инфракрасные лучи с целью возвращения микроволн и инфракрасных лучей внутрь нагревательного контейнера 11. В этом варианте реализации изобретения эта внутренняя панель выполнена из того же материала, что и нагревательный контейнер 11.
[0039] Нагревательный контейнер 11 изготовлен из материала, имеющего высокую проводимость, чтобы отражать микроволны для изолирования микроволн внутри, имеющего высокую устойчивость и не реагирующего с объектом нагрева. Металлический материал, такой как нержавеющая сталь, не может быть использован из-за ослабления электрических микроволн и инфракрасных лучей и уменьшения прочности в высокотемпературном диапазоне плавления и тому подобное. Термостойкие сплавы также имеют высокую цену и не подходят из-за роста химической активности и т.п. Согласно данному изобретению, после целенаправленного исследования различных материалов был использован материал, содержащий электропроводный углеродный материал в качестве главного компонента. В частности, предпочтение отдается материалу, который представляет собой спеченный материал, полученный путем связывания порошка карбида кремния и углерода, который содержит от 20% до 70% карбида кремния, и который обладает электропроводностью для высокочастотных волн 1/10 или более электропроводности меди. В этом варианте реализации изобретения был использован композитный спеченный материал, изготовленный из 35% вес. частиц карбида кремния и углерода. Нагревательный контейнер 11, используемый в этом варианте реализации изобретения, покрыт оксидом, таким как оксид кремния, чтобы предотвратить реакции с объектом нагрева. Материал, содержащий углеродный материал в качестве главного компонента, может быть получен, например, путем связывания наполнителя, такого как нитрид алюминия или оксид алюминия с углеродом, графитом или электропроводной керамики на карбидной основе.
[0040] Нагревательный контейнер 11 изготовлен в воронкообразной форме, в которой верхняя часть имеет отверстие 11а, а вблизи нижней части расположена щель 11b, через которую извлекают объект нагрева после тепловой обработки. Щель 11b имеет заслонку 17а приемного устройства 17, которая открывает или закрывает щель 11b. Заслонка 17а может быть использована с целью открывания или закрывания щели 11b, чтобы обеспечить переключение между пребыванием объекта нагрева и выводом объекта нагрева после тепловой обработки. Когда щель 11b открыта заслонкой 17а, объект нагрева, прошедший тепловую обработку, поступает из щели 11b к транспортному устройству 17b. Транспортное устройство 17b перемещает объект нагрева, прошедший тепловую обработку, к следующему этапу. Приемное устройство 17 содержит заслонку 17а и транспортное устройство 17b и действует как средство вывода объекта нагрева, прошедшего тепловую обработку. Приемное устройство 17 может использовать любой из непрерывных или порционных методов.
[0041] Нагревательный блок 12 состоит из газовой горелки, горелки на жидком топливе, электрического нагревателя и т.д., который расположен внутри корпуса 10 таким образом, чтобы иметь возможность извне нагревать нагревательный контейнер 11.
[0042] Устройство микроволнового облучения 13 содержит устройство генерирования микроволн 13а и волновод 13b, который работает как блок передачи микроволн, чтобы позволить микроволнам, генерируемым устройством генерирования микроволн 13а излучаться непосредственно через отверстие 11а нагревательного контейнера 11 внутрь. Волновод 13b находится в таком месте, которое позволяет микроволнам излучаться на объект нагрева, находящийся в нагревательный контейнере 11, без прохождения сквозь внешнюю стенку нагревательного контейнера 11. Микроволны, сгенерированные устройством генерирования микроволн 13а, имеют преимущественно частоту от 0,9 до 100 ГГц, чтобы улучшить степень поглощения микроволн объектом нагрева. В этом варианте реализации изобретения микроволны имеют частоту 2,45 ГГц.
[0043] Устройство подачи объекта нагрева 14, подающее объект нагрева в нагревательный контейнер 11, расположено в верхней части нагревательного контейнера 11 через канал подачи объекта нагрева 18, включая скребок. Устройство подачи объекта нагрева 14 может быть известным устройством количественной подачи, таким как бункер.
2
[0044] Блок ввода газа 15 соединено с волноводом 13b с помощью трубопровода 15а. Блок ввода газа 15 выполнено с возможностью ввода в нагревательный контейнер 11 газа для регулирования атмосферы в нагревательном контейнере 11 (например, инертного газа, такого как СО или азот, для предотвращения окисления объекта нагрева в процессе нагрева и вывода реакционного газа за пределы системы) из наконечника волновода 13b.
[0045] Блок сбора газа 16 содержит трубопровод 16а, соединенный с верхней частью канала подачи объекта нагрева 18, и компрессор 16b, установленный в трубопроводе 16а. Трубопровод 16а соединен с блоком ввода газа 15. Канал подачи объекта нагрева 18 действует как трубопровод, подающий объект нагрева в нагревательный контейнер 11, а также действует как газораспределительный трубопровод, который собирает отработанные газы, образующиеся в нагревательном блоке 12 или газ, образующийся из объекта нагрева.
[0046] Часть боковой стенки канала подачи объекта нагрева 18 имеет два устройства предварительного нагрева с помощью микроволнового облучения 19, осуществляющих предварительный нагрев объекта нагрева, когда объект нагрева подается из устройства подачи объекта нагрева 14 в нагревательный контейнер 11. Это позволяет нагревать объект нагрева до его попадания в нагревательный контейнер 11, таким образом повышая эффективность тепловой обработки.
[0047] Хотя это не показано, микроволновая печь комбинированного нагрева 1 также содержит устройство измерения температуры, измеряющее температуру нагревательного контейнера 11 и т.п. Обычно оптический пирометр или аналогичное устройство использовалось в качестве устройства измерения температуры, чтобы предотвратить влияние микроволн. Однако, поскольку микроволны не попадают в пространство за пределами нагревательного контейнера 11, боковая стенка нагревательного контейнера 11 может содержать термопару, функционирующую в качестве устройства измерения температуры.
[0048] (Способ нагрева)
Далее в следующем разделе будет описан способ использования нагревательной печи 1 для нагрева объекта нагрева путем объяснения процесса производства губчатого железа или чугуна в качестве примера.
2
[0049] Сначала блок ввода газа 15 вводит инертный газ, такой как СО или азот (в этом варианте реализации изобретения азот) из наконечника волновода 13b внутрь нагревательного контейнера 11, чтобы заполнить внутреннее пространство инертным газом. Затем нагревательный блок 12 нагревает нагревательный контейнер 11 и внутреннее пространство корпуса 10 до температуры 1050-1250°С, при которой производится губчатое железо, и нагревает нагревательный контейнер 11 и внутреннее пространство корпуса 10 до температуры 1370-1400°С, при которой производится чугун.
[0050] Затем устройство подачи объекта нагрева 14 вводит предварительно определенное количество объекта нагрева М (сырья) внутрь нагревательного контейнера 11 через канал подачи объекта нагрева 18.
[0051] Сырье представляет собой порошки, полученные путем смешивания железной руды и источника углерода, например, кокса или угля, в предварительно определенной пропорции, которая может вызвать достаточную реакцию восстановления. Сырье не ограничивается порошками и может иметь различные формы, например, форму гранул.
[0052] Устройство предварительного нагрева с помощью микроволнового облучения 19 может быть использовано для предварительного нагрева сырья, проходящего через канал подачи объекта нагрева 18. Следовательно, это может уменьшить подачу тепла в нагревательный контейнер 11. Если железная руда содержит гематит, железная руда может быть предварительно подогрета до температуры 500-800°С, чтобы восстановить железную руду до магнетита, который имеет высокую степень поглощения микроволн, а значит, микроволны могут поглощаться более легко.
[0053] Затем устройство генерирования микроволн 13а устройства микроволнового облучения 13 используют для генерирования микроволн. Микроволны входят через волновод 13b в нагревательный контейнер 11 и излучаются на объект нагрева М2. Микроволны отражаются от внутренней поверхности нагревательного контейнера 11 и защитной стенки 10с и таким образом могут быть изолированы внутри нагревательного контейнера 11. Это может в свою очередь уменьшать потери микроволн и улучшать плотность электромагнитного поля. Объект нагрева нагревают с помощью нагревательного блока 12. Таким образом, микроволны могут иметь улучшенную плотность электромагнитного поля, благодаря чему создается достаточный микроволновый эффект до перехода микроволн в тепловую энергию.
[0054] Сырье, облучаемое микроволнами, быстро нагревается благодаря теплу, образующемуся из железной руды и источника углерода, составляющих материал, соответственно. При контакте железной руды с источником углерода оксид железа восстанавливается в первую очередь, образуя таким образом плавленый чугун или губчатое железо. Шахтная печь работает при температуре 1550°С. Однако, в данном изобретении сырье, нагретое до температуры 1200°С, может поддерживать реакцию восстановления, а сырье, нагретое до температуры 1400°С или менее, может иметь расплавленное состояние.
[0055] Нагрев микроволнами может повышать скорость, с которой нагревается сырье, и может обеспечивать микроволновый эффект для уменьшения концентрации примесей, таких как кремний, магний, фосфорная кислота, титан, сера или марганец. Кроме того, скорость нагрева можно контролировать, регулируя таким образом количество углерода, который растворяется в железе.
2
[0056] Нагрев сырья приводит к образованию летучих газов, таких как водород, метан, азот, монооксид углерода или диоксид углерода, и реакционных газов, таких как СО, СО и т.п. Эти газы выталкиваются газом, нагнетаемым блоком ввода газа 15 из наконечника волновода 13b в нагревательный контейнер 11 и выходящим из нагревательного контейнера 11. Газ, нагнетаемый из наконечника волновода 13b, может защитить внутреннюю часть волновода 13b от загрязнения из-за проникновения пыли, реакционных газов, и т.п., или от склонности к образованию плазмы.
[0057] Поскольку блок сбора газа 16 создает поток воздуха, поднимающийся внутри корпуса 10, реакционные и подобные газы выходят из корпуса 10 вместе с отработанными газами, образующимися нагревательным блоком 12. Это предотвращает проникновение отработанных газов в нагревательный контейнер 11.
[0058] Газ, выходящий из корпуса 10, течет от нижней стороны к верхней стороне в канале подачи объекта нагрева 18. В это время объект нагрева, проходящий через канал подачи объекта нагрева 18, нагревается, а СО, входящий в состав газа, восстанавливает часть объекта нагрева.
[0059] Газ, собранный блоком сбора газа 16, сжимается компрессором 16b. Затем полученный газ смешивают с азотом в блоке ввода газа 15 и нагнетают из наконечника волновода 13b в нагревательный контейнер 11. Это может обеспечить операцию нагрева без выпуска большого количества реакционных и подобных газов в окружающую среду. Кроме того, реакционные и подобные газы, имеющие высокую температуру, могут быть использованы как газ, нагнетаемый через волновод 13b. Следовательно, это может обеспечить эффективную операцию нагрева, не вызывая снижения температуры сырья.
[0060] Параметры атмосферы в нагревательном контейнере 11, такие как парциальное давление кислорода, также можно изменять, изменяя пропорции смешивания инертного газа, вводимого из устройства ввода газа 15, и газа, собираемого блоком сбора газа 16. Следовательно, таким образом можно контролировать концентрацию углерода и примесей в железе.
[0061] Губчатое железо или чугун, образовавшиеся путем нагрева сырья, могут быть выведены наружу путем открывания заслонки 17а, установленной на щели 11b нагревательного контейнера 11.
[0062] Примеси в железной руде не восстанавливаются и находятся в твердом состоянии. Таким образом, примеси не содержатся в расплавленном восстановленном железе. То есть, даже если используется железная руда низкого качества, содержащая большое количество примесей, может быть получен чугун высокой чистоты, который может быть преимущественно использован в производстве очищенного железа и стали.
[0063] Описанная выше тепловая обработка может выполняться в виде порционной обработки с прерывистой загрузкой сырья или в виде непрерывной обработки с непрерывной загрузкой сырья с целью выполнения тепловой обработки и непрерывным выводом губчатого железа или чугуна.
[0064] Описанный выше способ нагрева может снизить температуру, при которой восстанавливается железная руда (то есть, температуру реакции). Время реакции также может быть сокращено благодаря сочетанию быстрого нагрева микроволнами и внешнего нагрева нагревательным блоком 12. Кроме того, контакт железной руды с источником углерода может обеспечить приоритетное восстановления оксида железа, образуя таким образом расплавленный чугун или губчатое железо высокой чистоты. Благодаря достаточному обеспечению микроволнового эффекта, как описано выше, в сочетании с внешним нагревом с помощью нагревательного блока 12, может поддерживаться температура нагревательного контейнера 11 и может быть реализован способ нагрева низкой стоимости.
[0065] (Модифицированный пример)
Блок сбора газа 16 также может быть выполнено с возможностью размещения теплообменника. Это может позволить использование тепла, выходящего, например, с реакционными газами, для предварительного нагрева объекта нагрева, в комбинированной горелке и т.п.
[0066] Нагревательный контейнер 11 может быть изготовлен в бутылкообразной форме благодаря уменьшению диаметра отверстия 11а. Это может уменьшить отверстие 11а и таким образом может изолировать микроволны внутри более эффективно, тем самым улучшая плотность электромагнитного поля.
[0067] В соответствии со способом подачи объекта нагрева, может подаваться также объект нагрева, выходящий из вращательной обжиговой печи, и предварительно нагретый. Это позволяет использовать имеющуюся вращающуюся обжиговую печь в качестве оборудования предварительного нагрева и предварительного восстановления. Достаточная температура на выходе вращательной обжиговой печи составляет около 800°С. Таким образом, можно примерно вдвое увеличить скорость работы имеющегося оборудования, сделав существенный вклад в экономию ресурсов и энергии.
[0068] В описанном выше варианте реализации изобретения нагревался объект нагрева (сырье), полученный путем смешивания железной руды для производства губчатого железа или чугуна с источником углерода. Однако, изобретение этим не ограничивается. Нагревательная печь 1 по настоящему изобретению может применяться с целью нагрева неэлектропроводных материалов, таких как различные оксиды. Например, нагревательная печь 1 по настоящему изобретению также может применяться с целью плавления или отверждения радиоактивных отходов, с целью добычи драгоценных металлов из отходов или с целью изготовления сырья для кремниевых полупроводников. Частота, мощность или подобные параметры микроволн могут быть установлены соответствующим образом в зависимости от объекта нагрева.
[0069] (Эффект первого варианта реализации изобретения)
Согласно нагревательной печи 1 по данному варианту реализации изобретения, подача тепла к объекту нагрева осуществляется главным образом с помощью теплового потока, подаваемого из нагревательного блока 12 в нагревательный контейнер 11. Микроволны селективно поглощаются объектом нагрева, имеющим высокую температуру. Изолирование микроволн в нагревательном контейнере 11 может улучшить плотность электромагнитного поля, таким образом в достаточной степени обеспечивая микроволновый эффект до превращения микроволн в тепловую энергию. Нагревательный блок 12 может обеспечить равномерное распределение температуры и может повысить эффективность реакции и энергетическую эффективность, обеспечивая таким образом нагрев с низкими эксплуатационными расходами и стоимостью оборудования.
[0070] (Второй вариант реализации изобретения)
Следующий раздел описывает второй вариант реализации микроволновой печи комбинированного нагрева по второму варианту реализации изобретения со ссылкой на графические материалы.
[0072] Микроволновая печь комбинированного нагрева 2 содержит корпус 20, нагревательный контейнер 21, который содержится в корпусе 20, и в котором находится и нагревается объект нагрева, нагревательный блок 22, нагревающее снаружи нагревательный контейнер 21, устройство микроволнового облучения 23, устройство подачи объекта нагрева 24, подающее объект нагрева в нагревательный контейнер 21, блок ввода газа 25, вводящее газ с целью регулирования атмосферы в нагревательном контейнере 21, блок сбора газа 26, собирающее и обрабатывающее газ, который образуется в ходе тепловой обработки объекта нагрева, и не показанное устройство управления.
[0073] Корпус 20, состоящий из огнеупорной стенки 20а, изготовленной из теплоизоляционного материала, такого как огнеупорный кирпич, содержит внутри нагревательный контейнер 21.
[0074] Нагревательный контейнер 21 изготовлен из материала, аналогичного материалу нагревательного контейнера 11 по первому варианту реализации изобретения, и выполнен в воронкообразной форме с диаметром, уменьшающимся в сторону отверстия 21а. Таким образом, это может позволить зоне вблизи отверстия 21а отражать микроволны и инфракрасные лучи, более эффективно изолируя микроволны и инфракрасные лучи внутри нагревательного контейнера 21. Нижняя часть соединена со щелью 27а приемного устройства 27, выполненного с возможностью открывания или закрывания для выведения объекта нагрева, прошедшего тепловую обработку. Объект нагрева, прошедший тепловую обработку, отправляется из щели 27а в приемный контейнер 27b.
[0075] Как и нагревательный блок 12 по первому варианту реализации изобретения, нагревательный блок 22 состоит из газовой горелки, горелки на жидком топливе, электрического нагревателя и т.п., расположенного внутри корпуса 20 так, чтобы иметь возможность извне нагревать нагревательный контейнер 21. В этом случае была использована газовая горелка 22а.
[0076] Отработанные газы, образующиеся в газовой горелке 22а могут вытекать из верхней части корпуса 20 в теплообменник 22b и обмениваются теплом с внешним воздухом, а затем выходят наружу. Внешний воздух, прошедший через теплообменник, подается в газовую горелку 22а в качестве топочного воздуха.
[0077] Устройство микроволнового облучения 23 содержит устройство генерирования микроволн 23а, отражающее зеркало 23b, которое отражает микроволны, образующиеся в устройстве генерирования микроволн 23а, чтобы доставить микроволны в нагревательный контейнер 11, микроволновое окно 23с, сквозь которое микроволны проходят и излучаются внутрь нагревательного контейнера 21, и канал микроволнового облучения 23d, через который микроволны, которые прошли сквозь микроволновое окно 23с излучаются из боковой стенки нагревательного контейнера 21 внутрь. Канал микроволнового облучения 23d соединен с внутренним пространством нагревательного контейнера 21 через отверстие излучения микроволн 21b, выполненное в боковой стенке нагревательного контейнера 21, а второй его конец закрыт снаружи микроволновым окном 23с.
[0078] Устройства микроволнового облучения 23 расположены во многих положениях так, чтобы они окружали нагревательный контейнер 21.
[0079] Микроволны MW, сгенерированные устройством генерирования микроволн 23а, переводятся отражающим зеркалом 23b на микроволновое окно 23с, проходят сквозь микроволновое окно 23с и канал микроволнового облучения 23d и излучаются через отверстие излучения микроволн 21b на объект нагрева М2, содержащийся в нагревательном контейнере 21.
[0080] Соответствующая совокупность устройств микроволнового облучения 23 выполняет контроль фазы микроволн и может управлять фронтом микроволн так, что направленность микроволн можно менять электрически, таким образом формируя любую поверхность облучения. Это может обеспечить равномерный нагрев объекта нагрева без необходимости в механизме перемешивания в нагревательном контейнере 21 и т.п. Если устройство генерирования микроволн 23а выполнено с возможностью размещения совокупности элементов генерирования микроволн (например, полупроводниковых элементов), метод фазированной решетки может быть применен с целью управления фронтом микроволн так, что единственное устройство микроволнового облучения 23 может быть использовано для изменения направления микроволн. Устройство генерирования микроволн 23а может применять метод фазовой синхронизации частоты для осуществления управления частотой микроволн.
[0081] Поверхность отражающего зеркала 23b, отражающая микроволны MW, изготовлена из материала, который отражает микроволны (например, медный материал, нержавеющая сталь). Поверхность отражения также преимущественно выполнена с возможностью отражения инфракрасного излучения. Например, поверхность отражения может быть выполнена из материала, такого как углерод, который отражает микроволны, и поглощает инфракрасные лучи, чтобы переизлучать инфракрасные лучи. Микроволны могут быть отделены от инфракрасных лучей с помощью разницы длины волны между ними. Это предполагает, как представлено на ФИГ. 3, подобную пазу инфракрасную поверхность отражения S, имеющую вид ступеней, чтобы отражать инфракрасные лучи IR на поверхность отражения (среднюю поверхность отражения R) в исходном направлении. Инфракрасная поверхность отражения S сформирована на поверхности отражения так, что ширина ступеней, ее образующих, составляет от 30 до 300 мкм. Инфракрасная поверхность отражения S имеет ширину около 1/100 длины волны микроволн или в несколько десятков раз больше длины волны инфракрасного излучения. Поскольку микроволны имеют большую длину волны, направление отражения микроволн определяется направлением средней поверхности отражение R. Однако, инфракрасные лучи IR отражаются инфракрасной поверхностью отражения S. Таким образом, инфракрасная поверхность отражения S действует как устройство инфракрасного отражения. Форма инфракрасной поверхности отражение S, например, ее наклон, устанавливается так, чтобы инфракрасные лучи IR возвращались к объекту нагрева. Это позволяет инфракрасным лучам возвращаться внутрь нагревательного контейнера 21, таким образом повышая эффективность операции нагрева. Кроме того, устройство отражения микроволн и устройство инфракрасного отражения могут быть изготовлены в простой конфигурации и интегрированным способом.
[0082] Устройство подачи объекта нагрева 24 содержит бункер 24а, устройство предварительного нагрева 24b, соединенное с бункером 24а, и вращающийся питатель 24с, представляющий собой продолжение устройства предварительного нагрева 24b. Устройство подачи объекта нагрева 24 опускает и подает точно контролируемое количество объектов нагрева через пролетную трубу 23d в нагревательный контейнер 21.
[0083] Устройство предварительного нагрева 24b соединено с выпускной трубой 26а, установленной в верхней части нагревательного контейнера 21. Устройство предварительного нагрева 24b также имеет устройство предварительного нагрева с помощью микроволнового облучения 29, такое как устройство предварительного нагрева с помощью микроволнового облучения 19 по первому варианту реализации изобретения.
[0084] Блок ввода газа 25 содержит элемент ввода газа 25а, вводящий газ через канал микроволнового облучения 23d в нагревательный контейнер 21, буфер 25b, компрессор 25с и расходомер 25d.
[0085] Блок сбора газа 26 содержит канал 26а, проводящий отходящие газы, такие как реакционные газы или газы атмосферы (например, азот), образующиеся в нагревательном контейнере 21, в устройство предварительного нагрева 24b, конденсатор 26b, конденсирующий воду в газах, отходящих после предварительного нагрева в устройстве предварительного нагрева 24b, для удаления воды и фильтр 26с, удаляющий пыль и т.п.
2
2
[0086] Газы, отходящие из нагревательного контейнера 21, состоят из СО, СО, N и т.п. и имеют высокую температуру (500-1000°С) в случае производства губчатого железа или чугуна. Эти отходящие газы вводятся через канал 26а из нижней части устройства предварительного нагрева 24b внутрь и нагревают объект нагрева, пока текут вверх. В это время СО, входящий в состав отходящих газов, восстанавливает часть объекта нагрева. Отработанный газ из устройства предварительного восстановления преимущественно имеет температуру от 60 до 200°С.
[0087] Газы, отходящие после предварительного нагрева из устройства предварительного нагрева 24b, могут проходить через конденсатор 26b и фильтр 26с, удаляя ненужные вещества, и после этого поступают в буфер 25b. Затем полученный газ смешивают с азотом, который вводится из источника азота, который не показан, и полученный газ сжимается компрессором 25с. Затем полученный газ пропускают через расходомер 25d, и предварительно определенное количество газа вводится элементом ввода газа 25а через канал микроволнового облучения 23d в нагревательный контейнер 21. В результате газ в нагревательном контейнере 21 выходит из нагревательного контейнера 21. Элемент ввода газа 25а нагнетает газ из пространства у микроволнового окна 23с внутрь нагревательного контейнера 21. Это может защитить внутреннюю часть канала микроволнового облучения 23d от загрязнения из-за проникновения пыли, реакционных газов и т.п. или от склонности к образованию плазмы.
[0088] Как описано выше, микроволновая печь комбинированного нагрева 2 может обеспечить эффективный нагрев при достижении эффективного использования тепла и газа.
[0089] (Эффект второго варианта реализации изобретения)
Микроволновая печь комбинированного нагрева 2 может обеспечить следующий эффект в дополнение к эффекту, который может обеспечиваться микроволновой печью комбинированного нагрева 1 по первому варианту реализации изобретения.
Путем управления фронтом микроволн, направленность микроволн можно менять электрически, таким образом формируя любую поверхность облучения. Это может обеспечить равномерный нагрев объекта нагрева без необходимости в механизме перемешивания в нагревательном контейнере 21.
Может быть достигнут более эффективный нагрев, поскольку инфракрасные лучи, излучаемые из нагретого объекта нагрева, могут быть возвращены в нагревательный контейнер 21 и могут быть использованы в операции нагрева.
[0090] (Другие варианты реализации изобретения)
В качестве устройства микроволнового облучения может быть также использован способ нагрева микроволновой нагревательной печи, раскрытый в Японской непроверенной патентной заявке, документ №2013-11384, разработанный изобретателями. Источник микроволн выполняется в модульном исполнении и выполняется как источник волн, имеющих направленность благодаря регулированию фазы. Микроволновые антенны, полученные путем синтезирования этого источника волн, предоставляются с целью окружения нагревательного контейнера. Направленные пучки микроволн излучаются зеркалом в центр нагревательного контейнера и фокусируются таким образом, чтобы максимально попадать на поверхность объекта нагрева, таким образом нагревая объект нагрева.
[0091] (Номера ссылок)
1, 2 Микроволновая печь комбинированного нагрева
10 Корпус
11 Нагревательный контейнер
12 Нагревательный блок
13 Устройство микроволнового облучения
13а Устройство генерирования микроволн
13b Волновод
14 Устройство подачи объекта нагрева
15 Блок ввода газа
16 Блок сбора газа
18 Канал подачи объекта нагрева
19 Устройство предварительного нагрева с помощью микроволнового излучения
20 Корпус
21 Нагревательный контейнер
22 Нагревательный блок
23 Устройство микроволнового облучения
23а Устройство генерирования микроволн
23b Отражающее зеркало
23с Микроволновое окно
23d Канал микроволнового облучения
24 Устройство подачи объекта нагрева
25 Блок ввода газа
26 Блок сбора газа
29 Устройство генерирования микроволн для предварительного нагрева