RU2698786C2

RU2698786C2 - Device for microwave swelling of clay billets

Info

Publication number: RU2698786C2
Application number: RU2017133798A
Authority: RU
Inventors: Юрий Михайлович Крутов; Роман Олегович Первушин; Аслан Юсуфович Хуако
Original assignee: Ооо "Тисмат"
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2019-08-29
Also published as: RU2017133798A3; RU2017133798A

Abstract

FIELD: manufacturing technology.

SUBSTANCE: invention relates to equipment for production of foam ceramics by means of microwave swelling of clay material. To obtain foam ceramics, a mixture of clay material and a water solution of potassium or sodium silicate is exposed to ultrahigh-frequency electromagnetic radiation in order to swell it. Disclosed device comprises a working chamber consisting of two wedge-shaped horns, top and bottom connected by wide sides (bases). Narrow side of the upper horn is connected to a rectangular waveguide which connects the working chamber to the microwave generator. Swell billet is arranged in joint plane of wide sides at their center. As a result of absorption of microwave energy there is uniform heating and swelling of clay billet.

EFFECT: uniform effect of microwave action on clay billets in order to obtain foam ceramics brick of standard dimensions with low heat conductivity and high strength properties.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области изготовления строительных материалов, а более конкретно к оборудованию для изготовления пенокерамики путем микроволнового вспучивания глинистого сырья.The invention relates to the field of manufacture of building materials, and more particularly to equipment for the manufacture of ceramic foam by microwave expansion of clay raw materials.

Известен «Способ получения пенокерамики и изделий из нее» [Крутов Ю.М., Гаврилюк А.Ю., патент РФ №2469979, МПК: С04В 33/13, С04В 28/26, С04В 38/00, С04В 40/00, опубликовано 20.12.2012. Бюл. №35].The well-known "Method for producing ceramic foam and products from it" [Krutov Yu.M., Gavrilyuk A.Yu., RF patent No. 2469979, IPC: С04В 33/13, С04В 28/26, С04В 38/00, С04В 40/00, published on December 20, 2012. Bull. No. 35].

В известном способе получения пенокерамики на смесь глинистого сырья и силиката калия или натрия воздействуют сверхвысокочастотным электромагнитным излучением с целью ее вспучивания. Однако, в известном способе ничего не говорится об устройстве, обеспечивающем воздействие сверхвысокочастотным электромагнитным излучением на вспучиваемую смесь. Между тем, такое воздействие связано с рядом трудностей в силу высокого поглощения смесью сверхвысокочастотного электромагнитного излучения и ее низкой теплопроводностью. Указанные свойства смеси предъявляют высокие требования к равномерности микроволнового воздействия, поскольку его неравномерность приводит к неравномерному вспучиванию, и как следствие, к снижению прочности и повышению теплопроводности полученной пенокерамики. Проблема обеспечения равномерного микроволнового воздействия усугубляется тем, что, например, при изготовлении стандартного кирпича из пенокеремики его размеры (65×120×240) мм соизмеримы с длинами волн микроволнового воздействия, разрешенными для этих целей (частоты 915 МГц и 2450 МГц).In the known method for producing ceramic foam, a mixture of clay raw materials and potassium or sodium silicate is exposed to microwave radiation in order to expand it. However, the known method does not say anything about a device that provides exposure to microwave electromagnetic radiation on the intumescent mixture. Meanwhile, this effect is associated with a number of difficulties due to the high absorption of a mixture of microwave radiation and its low thermal conductivity. The indicated properties of the mixture make high demands on the uniformity of the microwave effect, since its non-uniformity leads to uneven expansion, and as a result, to a decrease in strength and an increase in the thermal conductivity of the resulting ceramic foam. The problem of ensuring uniform microwave exposure is exacerbated by the fact that, for example, in the manufacture of standard brick from foam ceramics, its dimensions (65 × 120 × 240) mm are commensurate with the microwave wavelengths allowed for these purposes (frequencies 915 MHz and 2450 MHz).

Известно «Устройство для микроволновой обработки сыпучих и длинномерных материалов» [Хуако А.Ю. и др., патент РФ №2291596, МПК: Н05В 6/64, опубликовано 10.01.2007. Бюл. №1]. В известном устройстве обрабатываемый материал подается в зазор между токонесущим проводником и экранирующей поверхностью полосковой линии. При этом поперечный размер полосковой линии должен быть существенно меньше, а продольный размер должен быть существенно больше длины волны микроволнового воздействия. В известном устройстве невозможно получение пенокерамических кирпичей стандартных размеров.It is known "Device for microwave processing of bulk and lengthy materials" [Huako A.Yu. et al., RF patent No. 2291596, IPC: Н05В 6/64, published January 10, 2007. Bull. No. 1]. In the known device, the processed material is fed into the gap between the current-carrying conductor and the shielding surface of the strip line. In this case, the transverse size of the strip line should be significantly smaller, and the longitudinal size should be significantly larger than the wavelength of the microwave exposure. In the known device it is impossible to obtain ceramic foam bricks of standard sizes.

Известно «Устройство для микроволнового обеззараживания» [Хуако А.Ю., патент РФ №2599018, МПК: A61L 2/12, A61L 11/00 опубликовано 10.10.2016. Бюл. №28]. В известном устройстве повышение равномерности микроволнового воздействия на обрабатываемые объекты достигается за счет особой конструкции адаптеров, через которые микроволновая энергия передается от генераторов в рабочую камеру. Адаптеры выполнены в виде отрезка волновода, имеющего общую широкую стенку с рабочей камерой. В этой общей стенке выполнены щелевые отверстия, расположенные по обо стороны от осевой линии широкой стенки волновода, параллельно ей. Указанные щелевые отверстия расположены попарно симметрично относительно центра широкой стенки волновода. При этом первая от центра пара щелевых отверстий имеет длину, равную четверти длины волны в волноводе, а последующие щелевые отверстия имеют длину, равную половине длины волны волноводе. Известное устройство не способно равномерно локализовать микроволновое воздействие на объектах с размерами, близкими к длине волны.It is known "Device for microwave disinfection" [Huako A.Yu., RF patent No. 2599018, IPC: A61L 2/12, A61L 11/00 published 10.10.2016. Bull. No. 28]. In the known device, increasing the uniformity of the microwave effect on the processed objects is achieved due to the special design of the adapters through which microwave energy is transmitted from the generators to the working chamber. Adapters are made in the form of a segment of a waveguide having a common wide wall with a working chamber. Slit holes are made in this common wall, located on either side of the axial line of the wide waveguide wall, parallel to it. These slotted holes are arranged in pairs symmetrically with respect to the center of the wide waveguide wall. In this case, the first from the center of the pair of slotted holes has a length equal to a quarter of the wavelength in the waveguide, and subsequent slotted holes have a length equal to half the wavelength of the waveguide. The known device is not able to uniformly localize the microwave effect on objects with dimensions close to the wavelength.

Задачей изобретения является обеспечение равномерного микроволнового воздействия на объекты, размеры которых соизмеримы с длиной волны этого воздействия.The objective of the invention is to provide uniform microwave effects on objects whose dimensions are commensurate with the wavelength of this exposure.

Технический результат - осуществление микроволнового вспучивания глинистых заготовок с целью получения пенокерамического кирпича стандартных размеров.The technical result is the implementation of microwave expansion of clay preforms in order to obtain a ceramic foam brick of standard sizes.

В предлагаемом устройстве поставленная задача достигается тем, что рабочая камера выполнена в виде двух клиновидных рупоров, верхнего и нижнего. Указанные рупоры соединены широкими сторонами (основаниями), при этом узкая сторона верхнего рупора соединена с прямоугольным волноводом. К указанному волноводу подключен генератор микроволновой энергии, который возбуждает в нем волну типа Ню. В плоскости соединения широких сторон (оснований) рупоров, по их середине, размещается вспучиваемая заготовка. Узкая сторона нижнего рупора образует выходное отверстие рабочей камеры с размерами равными размерам вспучиваемой заготовки. Один из размеров широкой стороны рупоров, лежащий в плоскости Е возбуждаемой волны, выбирают равным высоте заготовки, а второй размер широкой стороны рупоров, лежащий в плоскости Н возбуждаемой волны, выбирают в 2…5 раз большим ширины заготовки. Угол раскрытия верхнего рупора выбирают из условия согласования волновода с заготовкой, а угол раскрытия нижнего рупора выбирают из условия отражения волны в направлении заготовки.In the proposed device, the task is achieved in that the working chamber is made in the form of two wedge-shaped horns, the upper and lower. These horns are connected by wide sides (bases), while the narrow side of the upper horn is connected to a rectangular waveguide. A microwave energy generator is connected to the specified waveguide, which excites a Nu-type wave in it. In the plane of the connection of the wide sides (bases) of the horns, in their middle, an expanded blank is placed. The narrow side of the lower horn forms the outlet of the working chamber with dimensions equal to the dimensions of the expanded workpiece. One of the sizes of the wide side of the horns lying in the plane E of the excited wave is chosen equal to the height of the workpiece, and the second size of the wide side of the horns lying in the plane H of the excited wave is chosen 2 ... 5 times the width of the workpiece. The opening angle of the upper horn is selected from the condition of matching the waveguide with the workpiece, and the opening angle of the lower horn is selected from the condition of reflection of the wave in the direction of the workpiece.

На фигуре 1 изображена конструкция устройства для микроволнового вспучивания глинистых заготовок.The figure 1 shows the design of a device for microwave expansion of clay preforms.

Предлагаемое устройство содержит рабочую камеру 1, состоящую из двух клиновидных рупоров, верхнего 2 и нижнего 3, соединенных широкими сторонами (основаниями). Узкая сторона верхнего рупора 2 соединена с прямоугольным волноводом 4, который соединяет рабочую камеру 1 с микроволновым генератором 5. В плоскости соединения широких сторон, по их середине, размещается вспучиваемая заготовка 6.The proposed device contains a working chamber 1, consisting of two wedge-shaped horns, upper 2 and lower 3, connected by wide sides (bases). The narrow side of the upper horn 2 is connected to a rectangular waveguide 4, which connects the working chamber 1 with a microwave generator 5. In the plane of the connection of the wide sides, in the middle of them, an expanded blank 6 is placed.

Устройство работает следующим образом. Генератор микроволновой энергии 5, например, магнетрон, возбуждает в прямоугольном волноводе 4 электромагнитную волну типа Н₁₀. Известно, что волна типа Н₁₀ в Е плоскости поперечного сечения прямоугольного волновода имеет косинусоидальное распределение напряженности электрического поля, спадающее вблизи стенок волновода. По мере распространения электромагнитной волны типа Ню в верхнем рупоре 3 происходит расширение фронта волны, в том числе, той ее зоны, в которой напряженность поля имеет большое и относительно равномерное значение. В этой зоне, в плоскости соединения широких сторон (оснований) рупоров 2 и 3, по их середине, размещается вспучиваемая заготовка 6. Большая часть микроволновой энергии, вырабатываемой генератором 5 попадает на вспучиваемую заготовку 6 и поглощается ее. В том случае, когда размер широкой стороны рупоров, лежащий в плоскости Н возбуждаемой волны в (2…5) раз большим ширины заготовки на нее падает соответственно (81,8…39,7) % вырабатываемой генератором 5 микроволновой энергии. Остальная, первоначально не попавшая на заготовку 6, часть микроволновой энергии попадает на стенки нижнего рупора 3, отражается от них в направлении заготовки 6 и, также, поглощается ее. Для эффективного воздействия микроволновой энергии угол раскрытия верхнего рупора выбирают из условия согласования волновода с заготовкой 6. Угол раскрытия нижнего рупора выбирают из условия отражения волны в направлении заготовки 6. Размер широкой стороны рупоров (оснований), лежащий в плоскости Е возбуждаемой волны, выбирают равным высоте заготовки 6. В результате поглощения микроволновой энергии происходит нагрев и вспучивание глинистой заготовки 6.The device operates as follows. A microwave energy generator 5, for example, a magnetron, excites an H ₁₀ type electromagnetic wave in a rectangular waveguide 4. It is known that a wave of type H ₁₀ in the E plane of the cross section of a rectangular waveguide has a cosine distribution of the electric field strength that decreases near the walls of the waveguide. As the Nu-type electromagnetic wave propagates in the upper horn 3, the wave front expands, including that of its zone in which the field strength has a large and relatively uniform value. In this zone, in the plane of connection of the wide sides (bases) of the horns 2 and 3, in their middle, an expanded blank 6 is placed. Most of the microwave energy generated by the generator 5 falls on the expanded blank 6 and is absorbed by it. In the case when the size of the wide side of the horns lying in the plane H of the excited wave is (2 ... 5) times larger than the width of the workpiece, it falls on it (81.8 ... 39.7)% of the microwave energy generated by generator 5. The rest, which did not initially fall on the workpiece 6, part of the microwave energy enters the walls of the lower horn 3, is reflected from them in the direction of the workpiece 6 and is also absorbed. For effective microwave energy exposure, the opening angle of the upper horn is selected from the condition of matching the waveguide with the workpiece 6. The opening angle of the lower horn is selected from the wave reflection condition in the direction of the workpiece 6. The size of the wide side of the horns (bases) lying in the plane E of the excited wave is chosen equal to the height blanks 6. As a result of the absorption of microwave energy, heating and swelling of the clay blank 6 occurs.

Claims

A device for microwave expansion of clay mass blanks containing a microwave generator and a working chamber, characterized in that the working chamber is made in the form of two wedge-shaped horns, upper and lower, connected by wide sides, while the narrow side of the upper horn is connected to a rectangular waveguide, in which generator excites a wave of type H _10, in the plane of the wide sides of the compounds, in their middle, the intumescent preform is placed, the lower narrow side of the horn forms an outlet working chamber With sizes equal to the sizes of the expanded workpiece, one of the sizes of the wide side of the horns lying in the plane E of the excited wave is chosen equal to the height of the workpiece, and the second size of the wide side of the horns lying in the plane H of the excited wave is chosen 2 ... .5 times larger the width of the workpiece, the opening angle of the upper horn is selected from the condition of matching the waveguide with the workpiece, and the opening angle of the lower horn is selected from the condition of reflection of the wave in the direction of the workpiece.