Исследование технологического процесса обжига строительного кирпича с помощью СВЧ поля

Анализ процесса обжига строительного кирпича с помощью СВЧ излучения выполнялся на лабораторной установке, состоящем из СВЧ источника с мощностью 0,65 кВт на частоте 2,45ГГц. Для проверки функций СВЧ обжига был выбран кирпичный материал из строительных кирпичей пластического формирования после естественной сушки.

Технологический процесс обжига строительного кирпича делится на три стадии: нагрев до температуры образования расплава, выдержка при температуре расплава и стадия охлаждения.

Параметры технологических процессов каждого этапа должны быть подобраны таким образом, чтобы в строительном материале не возникали деформации и появление трещин на поверхности и в объеме кирпича вследствие внутренних напряжений. Готовый обожженный кирпич должен представлять собой керамическую массу, обладающую характерными строительными характеристиками — прочностью, влагонепроницаемостью, низкой теплопроводностью.

Технологические параметры этапа нагрева кирпича в СВЧ поле

При нагреве кирпича в СВЧ поле мощность тепловых потерь, выделяющаяся в элементарном объеме строительного материала, помещенного в СВЧ камеру, пропорциональна квадрату напряженности электрического поля, относительной диэлектрической проницаемости и тангенсу угла диэлектрических потерь.

Напряженность электрического СВЧ поля зависит не только от структуры поля в пустой СВЧ сушильной камере, но и от варианта заполнения кирпичами и их электродинамических характеристик, которые также изменяются в процессе нагрева кирпичей под воздействием СВЧ излучения. Отсюда появляется проблема определения температурного поля.

Процесс низкотемпературного нагрева в СВЧ камере хорошо изучен экспериментально и применяется на практике.

Определение температуры нагрева в СВЧ камере

При равномерном распределении напряженности электрического СВЧ поля по всему объему кирпичного материала, изготовленного из однородной керамической массы, и одинаковые термодинамические условия для внутренних и поверхностных объемов вещества, то все элементарные объемы достигнут температуры расплава (1050°С) одновременно.

Практически возникает ситуация, когда в процессе обжига температуры расплава объемы достигают неравномерно и можно ожидать резкого изменения их электродинамических характеристик.

Для практического применения технологического процесса СВЧ обжига кирпичей важно выяснить изменение параметров нагрева в СВЧ камере при температурах расплава. Таким образом важно исследование характеристик нагрева кирпичей СВЧ излучением при температурах расплава и влияния неравномерности распределения СВЧ поля.

Экспериментальные методы оценки параметров СВЧ обжига кирпича

Для экспериментальных методов применяются лабораторные установки, в рабочем объеме камеры которой размещают кирпичи и генерируют СВЧ излучение с необходимой равномерностью, достигая нагрева до температур порядка 1000 градусов.

Лабораторная установка состоит из СВЧ излучателя, СВЧ сушильной камеры с патрубками для непосредственного наблюдения кирпича и ввода термопары, измерителя СВЧ мощности. Внутрь СВЧ камеры помещают кирпичи, в которых реализуются намеченные термодинамические процессы. Оператор должен учитывать определенные электродинамические особенности распределения полей в СВЧ камере экспериментальной установки.

Электромагнитная волна, распространяясь от СВЧ генератора и встречая заполненный рабочий объем исследуемым материалом — кирпичом, частично отражается стенками камеры, частично поглощается материалом и частично проходит в измеритель, мощности. Амплитуда отраженной СВЧ волны не должна быть слишком высокой, так как это может привести к поломке СВЧ излучателя. Это означает, что нельзя заполнять рабочий объем образцами, перекрывающими поперечное сечение СВЧ камеры.

Контроль технологических параметров СВЧ обжига кирпича

Для контроля отраженной мощности, после того как кирпич заполнит рабочий объем и включен генератор СВЧ энергии, необходимо специальное оборудование. Поглощение энергии электромагнитной волны кирпичом связано с превращением СВЧ энергии в тепловую. Распределение тепловой мощности потерь для бегущих СВЧ волн в отсутствии отражений зависит от структуры заполнения СВЧ камеры и электродинамических характеристик кирпичей.

При наличии отражения в рабочем объеме, потери определяются двумя волнами с затухающими амплитудами СВЧ волны, распространяющимися в противоположных направлениях, при этом оценка продольной неравномерности СВЧ поля в этом случае затруднена.

Оценка неравномерности СВЧ нагрева

Для оценки поперечной неравномерности СВЧ излучения используется экспериментальная установка в виде плоского диэлектрического слоя. Применение диэлектрического слоя для исследования влияния неравномерности СВЧ энергии на технологический процесс обжига кирпичей связано с особенностями распределения модуля напряженности электрического поля, который всегда носит косинусоидальный характер, причем по толщине может быть почти равномерным и уменьшающимся от центра к краям слоя исследуемого материала.

Реальное распределение напряженности СВЧ при осуществлении высокотемпературного обжига кирпича может отличаться от желаемого, так как зависит от температуры, но эти измерения после удаления кристаллической влаги влияют незначительно и, следовательно, оценка неравномерности СВЧ излучения в поперечном направлении может быть проведена успешно.

Особенности проведения эксперимента обжига кирпича в СВЧ поле

Учитывая относительно малую СВЧ мощность генератора и небольшое время непрерывной работы, при проведении исследований неравномерности СВЧ излучения на процесс обжига кирпичного слоя, целесообразно участок исследования отделить от диэлектрического слоя теплоизоляционными прокладками, слабо искажающими структуру СВЧ полей в рабочем объеме.

Кирпичный слой для исследований изготовляется из строительных кирпичей пластического формирования после 10 дневной естественной сушки. Исследуемый участок кирпичного слоя закрывался теплоизолятором толщиной 10 мм, имеющем продольную и поперечную щели для осуществления визуального наблюдения за поверхностью изучаемого кирпичного слоя при температурах свечения кирпичей свыше 600 градусов.

Контроль температуры в СВЧ камере выполнялся с помощью термопары, в центре исследуемого участка кирпичной массы, а с помощью стеклянной трубки осуществляется осмотр поверхности кирпича через узкие щели в специальной крышке.

Тепловые расчеты обжига кирпича в СВЧ поле

Выполненные тепловые расчеты демонстрируют, что при поглощении экспериментальным кирпичным слоем длиной 110 мм более половины проходящей СВЧ мощности генератора возможен нагрев центрального исследуемого участка, теплоизолированного дополнительными теплоизолирующими перегородками, шириной до 100 мм до температуры 1000 градусов за время около одного часа. Измерения показали, что обжиг в СВЧ камере обеспечивает поглощение более половины мощности СВЧ генератора.

Наши контакты

Раб. тел/факс: (812) 493-20-71
Электронная почта: info@vritm.ru
Открыть контакты и реквизиты компании