一种微波加热玻璃陶瓷晶化装置的制作方法

本实用新型涉及一种玻璃陶瓷晶化技术，尤其是涉及一种利用微波加热对玻璃陶瓷制品进行晶化的装置。

背景技术：

随着国民经济的发展，玻璃陶瓷工业化生产也得到了很大发展。但其在工业装备和产业化生产技术的研究开发方面还存在诸多问题，尤其是玻璃陶瓷晶化技术和设备的开发是玻璃陶瓷行业发展的难点和重点。

相对玻璃陶瓷的巨大应用前景来说，我国玻璃陶瓷的工业化生产才刚刚起步。其根本原因是我国目前的研究大多侧重于实验室研究，较少投入精力进行长期大量的工业化试验和试产，尤其在工业装备和产业化生产技术的研究开发方面还存在诸多问题亟待解决。由于玻璃陶瓷的晶化必须在晶化炉中平稳运行，而且为保证工件热处理工艺稳定进行，各温区内温度要控制在±10℃以内，这对晶化炉提出了更高要求。若以天然气或煤气为燃料，一则耗能巨大，二则难以保证晶化质量。

微波热处理是利用微波将材料与微波场相互作用，微波被材料吸收并转化为热能，从材料内部对其整体进行加热的一种热处理方法。利用微波进行热处理，以其节能、加热快速无热滞、与物质相互作用等优点，因此微波在热处理领域得到了越来越广泛的应用。由于微波加热具有选择性，其优点是物料自身发热而使其升温（升温速度快、节能等），缺点是周围环境的温度比较低。因此，利用微波加热对玻璃陶瓷制品进行晶化，由于温度不平衡，会导致玻璃陶瓷制品在加热晶化过程中炸裂。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术不足，提出一种玻璃陶瓷晶化装置，采用微波加热与电辅加热结合对玻璃陶瓷制品进行晶化处理，既保证晶化过程稳定进行，又通过微波加热的非热效应使得晶化过程更加完善，可以综合提高产品的品质。

本实用新型所采用的技术方案：

一种微波加热玻璃陶瓷晶化方法，包括升温、晶化、降温和冷却过程，在升温、晶化和降温过程中同时采用微波加热系统与电辅加热系统对玻璃陶瓷材料进行晶化处理，通过调节微波加热系统输出功率控制炉体各段温度；通过调节电辅加热系统输出功率使物料的温度与炉体对应段的温度平衡，以解决玻璃陶瓷制品晶化过程中的炸裂问题。

所述的微波加热玻璃陶瓷晶化方法，

（1）在所述升温过程，调节微波加热系统输出功率为最大输出功率的10～30%，使升温段温度以每分钟1～5℃的速率升温至400～600℃；调节电辅加热系统输出功率使待晶化玻璃陶瓷制品温度上升的速率与升温段一致；

（2）升温过程完成后，待晶化玻璃陶瓷制品进入晶化过程，调节微波输出功率为最大输出功率的30～100%，使晶化段温度以每分钟2～5℃的速率升温至600～800℃；调节电辅加热系统输出功率使待晶化玻璃陶瓷制品温度上升的速率与晶化段一致；并在此温度下保温20～40分钟；

（3）在所述降温过程，调节微波输出功率为最大输出功率的10～50%，使降温段以每分钟1～4℃的速率降温至200～300℃；调节电辅加热系统输出功率使晶化玻璃陶瓷制品降温的速率与降温段一致；

（4）在所述冷却过程，采取鼓风冷却或自然冷却方式，待晶化制品冷却至100℃以下，然后经辊道通过微波抑制装置出炉。

所述微波加热系统的每个微波源系统包括由灯丝变压器和高压变压器组成的微波电源和磁控管，在磁控管初始工作时，由灯丝变压器提供能量，对磁控管进行预热，延迟30～50秒待灯丝稳定发射电子后再对阳极施加高压，开启高压变压器并使磁控管发射微波，持续60～90秒当磁控管稳定工作后，关闭灯丝变压器，利用在磁控管发射微波过程中产生的热量维持磁控管灯丝保持一定温度，继续发射电子，利用阳极谐振腔震荡所产生的能量来维持灯丝温度并继续发射电子，使得磁控管继续稳定工作。

所述的微波加热玻璃陶瓷晶化方法，在升温、晶化、降温和冷却过程中，分别根据玻璃陶瓷制品的工艺要求设置各过程的工艺参数，然后通过热电偶测得各过程炉体内各段的炉膛温度和玻璃陶瓷制品温度，通过A/D转换送入PLC，PLC进行PID运算，然后根据PID运算结果通过D/A转换为控制电信号，对磁控管高压变压器和电辅加热系统进行控制。

一种微波加热玻璃陶瓷晶化装置，包括主炉体、控制系统和辅助系统，所述主炉体自前向后依次设升温段、晶化段、降温段和冷却段，各段密封对接，在主炉体的升温、晶化、降温段顶端分别设置微波发射系统（1-1），所述升温段、晶化段、降温段的底部分别设置有电辅加热系统（1-2）；主炉体各段各设有炉膛温度检测传感器（1-3-1）以及玻璃陶瓷制品温度传感器（1-3-2），所述炉膛温度检测传感器和玻璃陶瓷制品温度传感器分别输出信号接入控制系统，所述控制系统分别控制连接微波发射系统、电辅加热系统以及辅助系统。

所述主炉体总长度为30～60米，其中升温段（1-7）长度为主炉体总长的20～25%，晶化段（1-8）长度为主炉体总长的15～20%，降温段（1-9）长度为主炉体总长的20～25%，冷却段（1-10）长度为主炉体总长的30～35%；微波发射系统（1-1）由10～80个微波源组成，升温段（1-7）微波源的个数为微波源总数的40～50%，晶化段（1-8）微波源的个数为微波源总数的30～40%，降温段（1-9）微波源的个数为微波源总数的10～20%；每个微波源包括由灯丝变压器和高压变压器组成的微波电源和磁控管，采用输出1KW-3KW、微波发射频率为2.45GHz的磁控管和相应频率的微波传输激励波导。

所述的微波加热玻璃陶瓷晶化装置中，电辅加热系统（1-2）采用多个由金属密封屏蔽的电加热板组成，电加热板的个数为10-40个；每个电加热板的输出功率1KW-3KW；所述升温段（1-7）电加热板的个数为电加热板总数的40～50%，所述晶化段（1-8）电加热板的个数为电加热板总数的30～40%，所述降温段（1-9）电加热板的个数为电加热板总数的10～25%；电加热板安装在主炉体底部，将金属屏蔽外套通过焊接与主炉体密封连接，用来屏蔽微波。

辅助系统设置在主炉体各段底部，用于传输晶化物料（1-11），主炉体入口和出口位置设置微波抑制装置（1-4）；所述辅助系统包括辊道动力系统（3-1）和多根平行布置于主炉体各段底部的辊道（3-2）；采用多组金属导电管（3-2-1）深入主炉体各段的底部两侧10～20mm，并焊接在主炉体各段的底部侧壁上；金属导电管（3-2-1）的长度大于其直径的2倍以上；各辊道套装于金属导电管（3-2-1）内侧并贯穿主炉体各段底部，使辊道(3-2)能在金属导电管内自由转动来实现物料的传输；所述辊道动力系统（3-1）包括设置在主炉体底部的电机，电机的转轴与辊道（3-2）端部传动连接。

辊道动力系统（3-1）驱动的用于传送物料的内辊道的结构为斜齿轮传动,设在主炉体底部一端的电机通过螺杆相联,该螺杆穿过一推动器并与斜齿轮传动配合,推动辊道转动来实现物料的传输；辊道（3-2）的材质为陶瓷材料，金属导电管（3-2-1）为不锈钢材质。

所述控制系统利用触摸屏（2-1）对PLC（2-2）进行各项参数设置，A/D通过PLC进行PID运算，然后根据PID运算结果通过D/A分别对磁控管高压变压器和电辅加热系统进行控制；所述PLC通过数据总线分别与触摸屏、控制电路连接；所述控制电路含有与输入端相连的一定数量的手动开关，信号采集电路的开关信号电路；控制系统（2）对磁控管进行预热控制和灯丝切断控制，通过对PLC编程输出信号控制交流接触器的闭合与断开。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型玻璃陶瓷晶化方法，采用微波加热与电辅加热对玻璃陶瓷进行晶化处理，通过调节微波输出功率控制炉体各段温度，通过电辅加热使物料的温度与周围环境的温度平衡上升；在晶化过程中没有剧烈的降温和升温过程，消除了应力，避免了产品开裂。通过同时调节微波功率与辅助加热的功率达到最佳效果，既保证了晶化过程的稳定进行，又通过微波加热的非热效应使得晶化过程更加完善，可以综合提高产品的品质。

2、本实用新型玻璃陶瓷晶化方法，将升温、晶化、降温和冷却过程有机结合在一起，工艺简单、操作方便，实现了整个晶化过程的生产自动化。生产稳定、主要设备的使用寿命长、生产效率高、晶化效果好，降低了生产成本。

3、本实用新型玻璃陶瓷晶化方法及装置，在磁控管初始工作时，由灯丝变压器提供能量，加热灯丝，进行预热，待灯丝可以稳定发射电子后再对阳极施加高压，在电场作用下灯丝向阳极发射电子，磁控管开始工作，当磁控管稳定工作后，切断灯丝变压器，对灯丝停止供电，利用阳极谐振腔震荡所产生的能量来维持灯丝温度并继续发射电子，使得磁控管继续稳定工作。在保证整个系统稳定运行的同时，提高了控制精度。这样既可以节省能量，又可以降低磁控管灯丝的发热量，避免了在灯丝处于冷状态下对阳极施加高压造成的冲击，有效提高了磁控管的使用寿命。同时微波源采取轮换的方式工作，以提高微波源的使用寿命和可靠性。

4、本实用新型玻璃陶瓷晶化方法及装置，将各个设备通过PLC的编程进行控制，形成一条完整的玻璃（陶瓷）晶化生产线，可以根据各种物料的工艺要求任意设置各工序的工作程序，保证最佳工艺的实现，易于工业化实施。利用触摸屏对PLC进行各项参数设置，通过多个热电偶测得的温度通过A/D转换送入，通过PLC进行PID运算，然后将PID运算结果通过D/A转换为控制电信号，分别对磁控管高压变压器和电辅加热系统进行控制，从而在保证整个系统稳定运行的同时，提高了控制精度。

5、本实用新型玻璃陶瓷晶化方法及装置，采用多组金属导电管深入主炉体各段的底部两侧10～20mm，并焊接在主炉体各段的底部侧壁上；金属导电管主要用来屏蔽微波（抑制波导），将微波封闭在密闭炉腔内，不使微波泄漏，更加安全。

附图说明 图1为微波加热玻璃陶瓷晶化装置主炉体的示意图；

图2为微波加热玻璃陶瓷晶化装置炉体结构的示意图；

图3为微波加热玻璃陶瓷晶化装置控制系统的示意图；

图4为微波加热玻璃陶瓷晶化装置磁控管及其电源的电路图；

图5包括图5a、图5b，分别为电辅加热系统电加热板的结构示意图和侧视图。

图中，1为主炉体、1-1为微波发射系统、1-2为电辅加热系统、1-3-1为炉膛温度检测传感器（主热电偶）、1-3-2为玻璃陶瓷制品温度传感器（辅助热电偶）、1-4为微波抑制装置、1-5为波导、1-6为测温系统、1-7为升温段、1-8为晶化段、1-9为降温段、1-10为冷却段、1-11为待晶化制品、1-12为晶化完成后的制品、1-13为透波保温材料、1-14为炉胆，1-15为轻质晶化材料；1-2-1为电加热管、1-2-2为金属浇注的屏蔽外壳、1-2-3为金属屏蔽外套；3-1为辊道动力系统、3-2为辊道、3-2-1为金属导电管。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案进一步详细描述。

实施例1

参见图1、图2，本实施例的微波加热玻璃陶瓷晶化装置，包括主炉体1、控制系统和辅助系统，所述主炉体1自前向后依次设升温段1-7、晶化段1-8、降温段1-9和冷却段1-10，各段密封对接，在主炉体的升温、晶化、降温段顶端分别设置微波发射系统1-1，所述升温、晶化、降温段的底部分别设置有电辅加热系统1-2；主炉体各段各设有炉膛温度检测传感器1-3-1以及玻璃陶瓷制品温度传感器1-3-2，所述炉膛温度检测传感器和玻璃陶瓷制品温度传感器（采用热电偶）输出信号分别接入控制系统，所述控制系统分别控制连接微波发射系统1-1、电辅加热系统1-2以及辅助系统。

实施例2

参见图1、图2，本实施例的微波加热玻璃陶瓷晶化装置，与实施例1不同的是：具体的，主炉体1总长度为30～60米，其中升温段1-7长度为主炉体总长的20～25%，晶化段1-8长度为主炉体总长的15～20%，降温段1-9的长度为主炉体总长的20～25%，冷却段1-10的长度为主炉体总长的30～35%；微波发射系统1-1由10～80个微波源组成，升温段1-7微波源的个数为微波源总数的40～50%，晶化段1-8微波源的个数为微波源总数的30～40%，降温段1-9微波源的个数为微波源总数的10～20%；每个微波源包括由灯丝变压器和高压变压器组成的微波电源和磁控管，采用输出1KW-3KW、微波发射频率为2.45GHz的磁控管和相应频率的微波传输激励波导。

实施例3

参见图1、图2，本实施例的微波加热玻璃陶瓷晶化装置，与实施例2不同的是：电辅加热系统1-2采用多个由金属密封屏蔽的电加热板组成，电加热板的个数为10-40个；每个电加热板的输出功率1-3KW；升温段1-7电加热板的个数为电加热板总数的40～50%，晶化段1-8电加热板的个数为电加热板总数的30～40%，降温段1-9电加热板的个数为电加热板总数的10～25%；电加热板安装在主炉体底部，将金属屏蔽外套通过焊接与主炉体密封连接，用来屏蔽微波。

实施例4

参见图1、图2，本实施例的微波加热玻璃陶瓷晶化装置，与实施例2不同的是：辅助系统设置在主炉体各段底部，用于传输晶化物料1-11，主炉体入口和出口位置设置微波抑制装置1-4；所述辅助系统包括辊道动力系统3-1和多根平行布置于主炉体各段底部的辊道3-2；采用多组金属导电管3-2-1深入主炉体各段的底部两侧10～20mm，并焊接在主炉体各段的底部侧壁上；金属导电管3-2-1的长度大于其直径的2倍以上（因为金属导电管3-2-1是抑制波导，用来抑制微波的泄漏，越长越好，2倍是最低要求）；各辊道套装于金属导电管3-2-1内侧并贯穿主炉体各段底部，使辊道3-2能在金属导电管内自由转动来实现物料的传输；所述辊道动力系统3-1包括设置在主炉体底部的电机，电机的转轴与辊道3-2端部传动连接。

实施例5

参见图1、图2，本实施例的微波加热玻璃陶瓷晶化装置，与实施例4不同的是：

辊道动力系统3-1驱动的用于传送物料的内辊道的结构为斜齿轮传动,设在主炉体底部一端的电机通过螺杆相联,该螺杆穿过一推动器并与斜齿轮传动配合,推动辊道转动来实现物料的传输；辊道3-2的材质为陶瓷材料，金属导电管3-2-1为不锈钢材质。

采用金属导电管的目的是主要用来屏蔽微波（抑制波导），将微波封闭在密闭炉腔内，不使微波泄漏。

实施例6

参见图1、图2，本实施例的微波加热玻璃陶瓷晶化装置，包括主炉体、控制系统和辅助系统，主炉体1自前向后依次包括升温段1-7、晶化段1-8、降温段1-9和冷却段1-10，各段密封对接；主炉体1的输入端和输出端分别设置有轨道，并在入口和出口位置设置微波抑制装置1-4；主炉体的长度为60米，其中升温段1-7的长度为15米，晶化段1-8的长度为10米，降温段1-9的长度为15米，冷却段1-10的长度20米。

在主炉体各段顶端分别设置微波发射系统1-1和热电偶，在主炉体各段底部设置有电辅加热系统1-2；所述微波发射系统由60个微波源组成；每个微波源系统包括由灯丝变压器和高压变压器组成的微波电源和磁控管，采用输出1KW、微波发射频率为2.45GHz的磁控管和相应频率的微波传输激励波导。其中升温段1-7微波源的个数为30，晶化段1-8微波源的个数为20，降温段1-9微波源的个数为10。

电辅加热系统采用多个由金属密封屏蔽的电加热板组成，电加热板个数为40，每个电加热板的输出功率3KW；升温段1-7电加热板的个数为17，晶化段1-8电加热板的个数为15，降温段1-9电加热板的个数为8，冷却段1-10无电加热板。

在主炉体各段底部设置有用于传输待晶化物料1-11的辅助系统，辅助系统包括辊道动力系统3-1和多根平行布置于主炉体各段底部的辊道3-2；多组金属导电管3-2-1深入主炉体各段的底部两侧10～20mm，并焊接在主炉体各段的底部侧壁上；使其与炉体形成一个整体。各辊道套装于金属导电管3-2-1内侧并贯穿主炉体各段底部，使辊道3-2能在金属导电管内自由转动来实现物料的传输；金属导电管3-2-1为不锈钢材质，直径为70mm，长度为150mm，深入炉体内15mm；采用金属导电管主要用来屏蔽微波（抑制波导），将微波封闭在密闭炉腔内，不使微波泄漏。辊道动力系统3-1包括设置在主炉体底部的电机，电机转轴与辊道3-2端部传动连接。辊道3-2的材质为陶瓷材料，其直径为50mm。辊道动力系统3-1驱动的用于传送物料的内辊道的结构为斜齿轮传动,设在主炉体底部一端的电机通过螺杆相联,该螺杆穿过一推动器并与斜齿轮传动配合,推动辊道转动来实现物料的传输。

图4为微波加热玻璃（陶瓷）晶化装置磁控管及其电源的电路图，其中：B1为灯丝变压器、B2为高压变压器、G为磁控管、J1和J2为继电器；通过PLC来控制（J1）和（J2）的闭合，就可以实现对磁控管进行预热和停止对磁控管灯丝的供电。磁控管由阴极灯丝、阳极、耦合环、环形磁钢以及能量输出机构天线等组成。阴极和阳极组成同轴圆柱结构形式，阴极处在中心，它发射电子流，阳极则环绕阴极，阳极是由许多小谐振腔构成的谐振系统。磁控管灯丝一般工作电压为交流3.3V，电流10A左右，阳极对阴极电压为直流4000V左右，磁控管通电时灯丝被加热，同时在灯丝与阳极间形成高压电场，在电场作用下灯丝向阳极发射电子，阳极接收到电子而产生阳极电流。电子在达到每个阳极谐振腔时按照其谐振频率震荡，同时因为环形磁钢产生的恒定磁场垂直于高压电场方向，在该磁场的作用下，电子沿灯丝与阳极间的圆周空间作摆轮曲线运动形成一个积聚能量的旋转电子云，向阳极不断输送能量，在阳极上就可以获得稳定的2.45GHz的微波震荡能量。

先开启磁控管中的灯丝变压器B1，对磁控管进行预热；延迟10-20秒后开启高压变压器并使磁控管发射微波；然后再延迟30～50秒后关闭灯丝变压器，利用在磁控管发射微波过程中产生的热量维持磁控管灯丝保持一定的温度，继续发射电子。

因此，在磁控管初始工作时，由灯丝变压器提供能量，加热灯丝，进行预热，待灯丝可以稳定的发射电子后再对阳极施加高压，在电场作用下灯丝向阳极发射电子，磁控管开始工作，避免了在灯丝处于冷状态下对阳极施加高压造成的冲击，有效的提高了磁控管的使用寿命。

当磁控管稳定工作后，切断灯丝变压器，对灯丝停止供电，利用阳极谐振腔震荡所产生的能量来维持灯丝的温度并继续发射电子，使得磁控管继续稳定工作。这样就既可以节省能量，又可以降低磁控管灯丝的发热量，进一步提高了磁控管的使用寿命。

图5中图5a、图5b为微波加热玻璃（陶瓷）晶化装置电辅加热系统电加热板结构的示意图和侧视图；其中：1-2-1为电加热管、1-2-2为由金属浇注的屏蔽外壳、1-2-3为金属屏蔽外套。加热板安装在主炉体的底部，将金属屏蔽外套与通过焊接与主炉体密封连接，用来屏蔽微波。

控制系统利用触摸屏2-1对PLC 2-2进行各项参数设置，A/D通过PLC进行PID运算，然后根据PID运算结果通过D/A分别对磁控管高压变压器和电辅加热系统进行控制。在控制电路2-3中，PLC通过数据总线分别与触摸屏、控制电路连接；所述控制电路含有与输入端相连的一定数量的手动开关，信号采集电路的开关信号电路。

图3为控制系统原理图。控制系统对磁控管进行预热控制和灯丝切断控制，通过对PLC编程输出信号控制交流接触器的闭合与断开，先开启磁控管中的灯丝变压器，对磁控管进行预热；延迟15秒后开启高压变压器并使磁控管发射微波；然后再延迟30秒后关闭灯丝变压器，利用在磁控管发射微波过程中产生的热量维持磁控管灯丝保持一定温度，继续发射电子。