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文献综述格式1资料
攀枝花学院
PanzhihuaUniversity
本科毕业设计（论文）
文献综述
院（系）：
资源与环境工程学院
专业：
冶金工程
班级：
2011级冶金02班
学生姓名：
朱强学号:
201111103088
2014年11月29日
本科生毕业设计（论文）文献综述评价表
毕业设计（论文）题目
一种实验室三段式微波高温炉设计
综述名称
三段式微波高温炉设计
评阅教师姓名
刘松利
职称
副教授
评价项目
优
良
合格
不合格
综述结构
01
文献综述结构完整、符合格式规范
综述内容
02
能准确如实地阐述参考文献作者的论点和实验结果
03
文字通顺、精练、可读性和实用性强
04
反映题目所在知识领域内的新动态、新趋势、新水平、新原理、新技术等
参考文献
05
中、英文参考文献的类型和数量符合规定要求，格式符合规范
06
围绕所选毕业设计（论文）题目搜集文献
成绩
综合评语：
评阅教师（签字）：
年月日
文献综述：
三段式微波高温炉设计
1前言
高温炉是实验室的一种高温加热设备,以电加热为主,用于烧结,熔化,加热,热处理等。
高温炉按照其使用的最高工作温度,可分为中温炉、高温炉和超高温炉；按炉体的形状特点,一般又分为箱式炉和管式炉,二者也可指的炉膛的形状,箱式炉膛形状为长方体,管式炉膛为柱体,此外还有钟罩式,升降式,气氛式,真空式都以箱式或管式为基础,加上特定的功能,制成有特定功能的高温炉。
随着技术的不断进步和实验室对温度更高的要求,原有的马弗炉已经远远不能满足要求。
向节能化,轻型化,自动化,温度精确化发展,成为高温炉的发展趋势,也充分反映了实验室对加热设备的要求。
微波是一种介于超短波和红外线之间的高频电磁波，波长为1mm~1m,频率范围300MHz～300GHz，微波能就是以此频率传播的电磁能量，微波加热过程就是将微波能转换成物质内能的过程。
微波高温加热技术从1968年[1]提出以来，是指利用微波能量将材料加热到400℃以上并对材料进行烧结、合成、改性或者热处理的一类技术。
其原理是：
具有极性分子共价键结构的分子，在外加电磁场中，原来杂乱无章的分子排列便趋向于有序化，当外加电场方向改变时，分子也随之转向。
在快速变化的微波电磁场中，分子方向不断变化摇摆，再加上分子本身的热运动和相邻分子之间的相互作用，迅速产生巨大的热量[2]。
物质在微波场中所吸收的微波能与其物质的电磁特性（如介质常数、介质损耗系数等）有很大关系，一些研究者已对微波场中物质的升温行为作了定性和定量的研究。
据材料和微波相互作用情况可以将材料分为微波透过体、微波反射体、微波吸收体3大类[2]。
大多数硫化物（如Fe1-xS、FeS2、CuFeS2）和一些氧化物（如NiO、MnO2）能够大量吸收微波能，这些物质能够在微波辐照1～2min后温度升至几百甚至上千摄氏度，而有些物质（如CaO、SiO2）却不能吸收微波，这些物质在微波辐射下不能加热或不能达到很高的温度。
从微波加热特性可以看出，微波具有选择性加热特性，同时升温速率非常快[2]。
由此可知：
微波加热不需要由表及里的热传导，而是通过微波在物料内部的能量耗散来直接加热物料，根据物料电磁特性的不同，可及时有效地在整个物料内部产生热量。
加热过程中能克服常规加热“冷中心”的缺陷，做到表里均匀加热。
微波通过在物料内部的介电损耗直接将化学反应所需要的能量传递给反应的分子或原子，这种原位能量转换方式可促进化学反应和扩散过程快速进行。
除此之外，微波还具有易于对物料加热温度进行自动控制，洁净无污染与环境友好等特点。
在冶金工业中，微波以其选择性加热、均匀加热、内部加热、快速加热等优良特性，在难选矿预处理、矿物浸出、微波煅烧、微波烧结、微波干燥、微波等离子体等诸多方面不断取得进步，微波冶金逐渐兴起[2]。
目前微波能技术在稀贵金属金、钛、钨、钼、锆等冶金中已有应用，并取得了一些成绩。
目前，国内对人造金红石的需求日益增大，生产高品质的人造金红石产品将变得越来越重要，现有的生产方法中采用钛渣经电热法氧化焙烧生产人造金红石逐渐成为一种发展趋势之一,这种工艺流程简单,对环境污染小,常用的高温炉包括：
隧道窑、回转窑、竖炉、流化床、车底炉等。
如果可以找到一种降低能耗的新技术和新装备,将为生产人造金红石提供新的发展方向。
因此,探索新方法、新手段（如外场、新介质等）是突破上述关键技术问题的重要手段之一。
根据微波加热技术的特点，本毕业论文拟设计一种三段式微波高温炉，用于实验室人造金红石的制备。
2人造金红石的生产
金红石是含铁的主要矿物之一,是提炼钛的重要矿物原料,但其在地壳中储量较少。
由于金红石具有耐高温、耐腐蚀、高强度、比重小等优异性能,被广泛用于航空、航天、机械、化工、海水淡化等行业[3]。
金红石本身是生产高档电焊条必须的原料之一,也是生产金红石型钛白粉的最佳原料。
目前,我国金红石年生产量仅数万吨,而需求量已达百万吨以上,供应量严重短缺,因此绝大部分金红石原料依赖于国外进口,价格十分昂贵,从而导致国内相关企业在国际竞争中处于不利地位[4,5]。
因此,有关部门把金红石列入我国严重依赖国外资源的14种战略储备矿种之一。
需要特别指出的是,现阶段我国金红石的主要消费在电焊条的生产过程中,原料尚不能完全满足需求,而在国际上,金红石主要用于生产高档金红石型钛白粉。
综上所述,金红石资源需求旺盛,市场空间巨大[6,7]。
随着天然金红石贮量日渐枯竭,可利用的高品位天然金红石的供应量急剧下降,而且这种趋势将持续较长的时间,人造金红石是在成分上和结构性能上与天然金红石相同的富钛料,是天然金红石的优质替代品,可以作为主要原料用于氯化法钛白,四氯化钛以及金属钛的生产过程中,以缓解当前原材料短缺的危机。
开发和利用廉价的人造金红石资源已成为各国相关行业竞相研究的热点。
2.1人造金红石现有的生产方法
近年来,随着氯化法钛白工艺的迅速发展,对高品位人造金红石的需求量呈现出快速增长的趋势,特别是由于国家对环保的要求越来越严格[8]。
因此,对人造金红石的品位要求趋向高档化、精细化、规模化。
国内外的科研机构及研究学者对高品质人造金红石的制备方法进行了更广泛、更深入的研究,包括对现有方法的改进以及对新方法的探索,取得了许多进展。
人造金红石现有的生产方法有：
电热法、还原锈蚀法、酸浸法（BCA盐酸循环浸出法、预氧化-流态化盐酸浸出法、ERMS法：
强氧化-弱还原-盐酸常压浸出法、TSR法：
强氧化-弱还原-盐酸常压浸出法、QIT法：
钛渣-强氧化-弱还原-盐酸加压浸出法、硫酸浸出法、强氧化-强还原-锈蚀-硫酸常压浸出法）、亚熔盐法[9,10]及选择性析出技术[11,12]。
2.2生产人造金红石的紧迫性
随着钛工业的不断发展,钛品位较高的天然金红石资源日趋枯竭,这就促使开发、利用储量丰富的钛渣资源,才能满足日益增长的需求[13,14]。
随着金红石型钛白粉和电焊条涂料的需求量不断增大,对二氧化钛含量大于90%的优质人造金红石的需求量日益增大,因此,生产高品质的人造金红石产品将变得越来越重要。
通过理论分析和相关实验表明,采用钛渣经电热法氧化焙烧生产人造金红石逐渐成为一种发展趋势之一,这种工艺流程简单,对环境污染小,如果可以找到一种降低能耗的新技术和新装备,将为生产人造金红石提供新的发展方向。
因此,探索新方法、新手段（如外场、新介质等）是突破上述关键技术问题的重要手段之一。
2.3目前人造金红石生产过程中所使用的高温炉
2.3.1隧道窑
隧道窑是一种横焰式窑炉，其整体结构见图1,结构上存在着同一截面上下温度不均匀的缺点,特别是在预热带,截面上下温差大,严重地影响着产品烧成质量。
隧道窑按火焰是否进入隧道而分为明焰、隔焰及半隔焰三种,由于窑炉结构、烧成所用燃料、烧成中所需的气氛等的不同,所采用的控制方法亦有所不同,要保证烧成产品质量的稳定,窑内的温度制度、气氛制度和压力制度应该保证稳定,但由于工艺上、操作上种种原因及原材料、燃料成分的变更等都会破坏三种制度,特别是在大力推广快速烧成技术的今天,烧成周期越短,其在预热和冷却时产生热裂和冷裂的机会也越大,只有加热均匀,调成合适的烧成曲线,才可以避免这些裂纹的产生。
2.3.2回转窑
回转窑是一种气固两相逆流式热交换炉窑，其整体结构见图2。
回转窑内的主要焙烧热源来自窑头烧嘴喷入的高温火焰及环冷机第一冷却段的热气流。
窑壁从高温烟气吸收的热量又间接传递给了料床,形成了类似于“储存-释放”机理的蓄热式传热过程,由于球团料随着回转窑体的回转而不断瀑落滚动,使球团与球团之间、球团与所接触的窑壁之间进行着热传递。
回转窑具有生产能力大，煅烧原料的适应性强，煅烧质量比较均匀、稳定，一般不需要拣选等优点。
同时也存在所属设备、材料多，建设投资大，单位产品所消耗的原料和燃料量多，除尘问题不易解决，飞灰损失大，使周围环境受到污染。
2.3.3竖炉
竖炉的结构见图3，包括由炉墙组成的炉膛，设于炉膛下端的锁风卸料装置，炉膛上部的球团料进口和设于炉膛内中部的破碎辊，炉墙下部设有供风喷口，炉膛内设有与炉膛内外相通的燃料管道，所述燃料管道炉膛内部分设有燃料喷嘴。
按工艺用途分熔炼竖炉和焙烧竖炉两大类，按身形分为高等身型内冷式竖炉和中等身型外冷式竖炉。
它结构简单，燃料直接在炉内燃烧，炉宽方向温度均匀，热效率高，焙烧带供热足，球团产量高，质量均匀。
但由于其工艺方法在理论上存在着固有的、难以克服的缺陷，而使竖炉在生产中存在着较多的问题，如产品质量差、单炉规模很难大型化、对原料的适应性差、只能使用气体燃料、冷却和除尘问题需进一步解决等。
2.3.4流化床
在一个超微气流粉碎设备中，将颗粒物料堆放好，当气体由设备下部通入床层，随着气流速度加大到某种程度，固体颗粒在床层内就会产生沸腾状态，这种床层称为流化床,其原理见图4。
流体向上流过一个微细颗粒的床层（塔体），当流速低的时候流体只是穿过静止的颗粒之间的空隙，此时的床体称为固定床；随着流速的增加，颗粒互相离开，并可看到少量的颗粒在一定的区间进行震动和游动，称为膨胀床；速度再升高达到使全部颗粒都刚好悬浮在向上流动的气体或者液体中，此时的床层就是流化床起点。
流化床的种类有：
最小流化床，鼓泡流化床，腾涌流化床。
流化床燃料适应性广、燃料燃烧效率高、燃烧污染排放量低、燃烧强度高，炉膛面积小、负荷调节范围大，负荷调节快、易于实现灰渣综合利用、床内不布置埋管受热面、燃料预处理系统简单、给煤点少。
但在炉内受热面布置和温度控制、运行风速（或截面热负荷）的确定、循环流化床锅炉部件的磨损等方面存在着较大问题。
2.3.5车底炉
车底式焙烧炉结构见图5,每台炉被化分为3一4个温度控制区,每个区的平面尺寸约为5m*5m,其顶部中心位置设有一台直径约1.2m的循环风机,每个区设有2个主燃烧器和2个辅助燃烧器。
一次焙烧制品及填充料放在烧罐中（每个罐仅放一根电极）,烧罐则置于车底上,待全部烧罐就位后将车底移到焙烧炉下部并密封整个炉腔。
开始点火按照焙烧曲线升温,燃烧需要的气体利用鼓风机送人,炉内呈正压。
燃烧过程中循环风机一直运行强制炉内气体对流,多余的气体直接排至烟道,炉内温度利用12个燃烧器进行自动控制。
车底炉独立性强,各阶段升温速度均可确保,焙烧曲线可单独设置,焙烧质量容易保证。
车底炉顶部设有循环风机强制炉内气体对流,制品温差可控制在±5℃范围内,可避免制品产生裂纹,特别适合超高功率石墨电极的焙烧。
对于需要利用串接石墨化炉进行石墨化处理的电极,采用车底炉进行焙烧处理是最合理的方案。
2.3.6转底炉
转底炉结构见图6，由环形炉床、内外侧壁、炉顶、燃烧系统等组成。
除尘系统控制炉内保持微负压状态。
侧壁、炉顶固定不动，炉床由炉底传动机构带动循环旋转，将加入炉内的炉料经过预热区、高温区、冷却区后还原成海绵铁排出炉外。
炉内分为进、出料区和燃烧区。
燃烧区内外侧壁均配有不同数量的烧嘴，通过管道送入的燃气配助燃空气燃烧产生的热量来控制每个区的温度。
与其冶金炉相比其优点：
（1）可以加热推钢式和步进式炉所不能加热的异形料坯。
（2）可以根据需要改变料坯在炉内的分布，从而改变加热制度，在生产中有较大的灵活性。
对于品种多，加热制度复杂的合金钢尤为突出。
（3）料坯在整个加热过程中，随炉底一起转动，不需拨钢或翻钢，与炉底没有摩擦和震动，钢坯氧化铁皮不易脱落。
只有装出料门，没有其他开口，冷空气不易进入，则氧化烧损较小。
（4）料坯在炉底上互相间隔放置，三面受热，加热时间短，温度均匀，加热质量较好。
（5）与推钢式炉相比炉子容易排空，可避免料坯在炉内长时间停留，同时也便于更换钢坯规格。
（6）转底炉的机械化和自动化程度较高，装出料与料坯在炉内运送都可自动运行。
其缺点如下：
（1）炉子是圆形的，特别是大直径的环形炉，占用厂房面积大。
若建两座环形炉时，由于装出料运输等原因，占用厂房面积更大，布置也较为困难。
（2）环形炉相当于一台首尾相接的推钢式连续加热炉。
装出料炉门之间很近，因此备料和装料区域面积受到限制，操作不方便。
（3）转底式炉一旦建成，改建和扩建都比较困难，因此发展余地和潜力都很微小。
（4）料坯在炉内呈辐射间隔分布，炉底面积利用较差。
特别是炉膛较宽的炉子，炉底外半环利用率较低。
（5）炉子砌筑需异形砖较多，修砌质量要求较高，总投资较大。
2.4微波加热的特点
微波加热作为一种新型绿色冶金、材料制备的方法,己发展成为一门引人注目的新兴前沿交叉学科。
微波加热是通过微波在物料内部的能量耗散来直接加热物料,微波加热在冶金中的应用与常规加热方式相比具有无可比拟的优点:
选择性加热、内部加热、升温速率快,加热效率高,改变常规加热依靠温度梯度的热传导过程等,微波加热己经成为快速制备高性能的新材料和对传统材料进行改性的重要技术手段。
国内外研究者先后围绕矿物在微波场中的升温特性,难选矿石及多金属共生矿的微波预处理和预还原,冶金物料的微波深度干燥、焙烧和碳热还原,微波辅助浸出、从低品位矿石和尾矿中提取稀有金属和重金属、冶金废弃物处理等等领域内进行了不同深度、不同规模的研究。
微波加热对冶金反应有促进作用、能降低冶金反应的温度。
采用微波强化浸取能够提高湿法冶金过程的浸出速率和降低过程的能耗。
2.5微波加热在钛冶金中的应用
对于结构致密的钛矿石，传统磨矿过程能耗极大，占矿物加工能耗一半以上。
因此，应采取适当的办法对钛铁矿进行预处理，以降低磨矿过程中的能耗。
在微波场中，各不同组分物质因吸波能力的不同，其升温速度不同。
微波在短时间内选择性地加热矿石中各组分，不同组分之间因热胀程度不同，而产生应力，导致矿石出现裂痕。
再加上矿石中硫、砷等元素在微波场中氧化分解气化而形成的压力，微波加热使矿粒疏松破碎，起到了矿石预处理作用，能极大地降低磨矿过程中的能耗。
彭金辉[15]等对微波加热干燥钛精矿进行了研究。
发现传统干燥过程不能起到矿石破碎的作用，而经微波干燥后的矿石则疏松有裂隙。
微波干燥所用时间仅为传统干燥箱所用时间的1/105，其最大脱水率比传统干燥大0.621%。
黄孟阳[16]采用微波技术加热钛精矿至1150℃，从SEM图发现:
微波加热前钛精矿的颗粒结构致密,微波加热处理后,物料表面细孔发达、结构疏松。
微波技术中,微波场中物质的吸波特性是首要涉及的研究内容,黄孟阳[16]等就微波场中钛精矿的温升行为及吸波特性进行了研究。
该文采用微波谐振腔法研究了钛精矿、焦炭、氧化钛精矿、复合添加剂的吸波特性。
通过对波谱图分析表明,钛精矿和焦炭具有良好的吸波特性,氧化钛精矿和复合添加剂对微波的吸收能力较差；钛精矿含碳球团具有良好的吸波特性,经微波还原的金属化球团吸波特性好于钛精矿。
物质升温吸波性质的研究为微波技术的应用提供了理论依据。
黄孟阳[17]等还就微波场中不同配碳量钛精矿的吸波特性进行了研究,通过比较复介电常数的大小确定了椰壳碳和钛精矿最佳配比为20%,焦碳和钛精矿最佳配比为14%,无烟煤和钛精矿最佳配比为5%；并在此配比条件下得到了材料的复介电常数和微波场内热源强度的最大值,从而为微波技术在冶金领域应用节约能耗提供了理论依据。
孙艳[18]等将微波加热技术用于含钛料除钙镁等杂质制取高品质富钛料的浸出过程,实验结果表明该微波除杂方法能有效去除钙、镁、铁杂质,产品富钛料的品位可达到94.89%。
该研究充分发挥了微波加热促进颗粒破裂,加强物质间相互碰撞的特点,强化了固液反应的进行。
3总结
综上所述，因为人造金红石需求量日益增加，现有的生产工艺中所使用的高温炉又存在着种种缺陷，难以满座满足生产任务的要求。
所以，研发一种高效率、低能耗、低污染的高温加热设备十分重要。
而微波加热技术自上世纪七十年代提出以来，以其选择性加热、内部加热、升温速率快,加热效率高,改变常规加热依靠温度梯度的热传导过程等优点在冶金中得到了应用，己经成为快速制备高性能的新材料和对传统材料进行改性的重要技术手段。
故微波高温炉的开发研究成为高温加热设备研究的趋势。
4研究内容
基于人造金红石生产工艺设计一种实验室生产人造金红石三段式微波高温炉，本设计的主要内容有：
1、设计三段式炉型，主要包括：
预热干燥段、高温还原段和出料保温段；同时炉型设计部分应该包括高温炉进料和出料制度设计；
2、对钛精矿还原进行热力学计算，得出微波冶金热力学参数；
3、基于钛精矿冶炼热力学条件，确定三段加热温度的选择，从而得到各温度段波导选择；
4、根据上述设计确定的温度，对高温冶金炉炉体耐火材料进行设计。
5预期目标
通过本毕业论文工作，以钛精矿还原为基础，设计三段式微波高温炉，主要包括：
1、钛精矿还原热力学数据计算；
2、选择合适的波导和测温控制设备，得到冶金炉各元器件的设计图，
3、绘制出冶金炉组装图，最后得到整体设计图。
6技术路线
7拟解决的关键问题
在完成设计的过程中将要解决的问题：
1、冶金炉整体设计；钛精矿冶炼过程的热力学计算；
2、物质对微波的吸波特性；耐火材料的选择、厚度计算；
3、进出料方式的选择，料层厚度的计算，布料方式的选择；
参 考 文 献
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