微波在冶金材料加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀

陳少鋒

（陜西地礦集團(tuán)漢中地質(zhì)大隊(duì)， 陜西 漢中 723000）

采用微波復(fù)介電常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行溫度的測(cè)量、微波頻率為2 450 MHz的典型冶金材料的含水量和密度。本文對(duì)低溫分子篩的介電性能進(jìn)行研究，提出微波干燥過(guò)程的高功率密度控制,研究氧化鋅煙在室溫、高溫、微波加熱條件下的室溫介電性能，采用響應(yīng)面法優(yōu)化微波干燥和微波焙燒工藝參數(shù)[1]。

1 微波助磨

礦物一般是指含有一定有用的礦物質(zhì)或者礦石產(chǎn)物的物質(zhì)。當(dāng)對(duì)礦物進(jìn)行微波加熱的時(shí)候，由于不同礦物的介電性能會(huì)存在一定的不同，所以微波加熱場(chǎng)的速率也不同。微波加熱可以加熱礦石到不同所需的溫度。微波諧振腔材料的加熱特性及其在微波諧振腔中的電磁場(chǎng)分布的測(cè)量是很困難的。用模擬方法建立一個(gè)簡(jiǎn)單的模型來(lái)研究微波加熱的微波加熱特性是一種可行的方法。利用微波加熱模擬煤矸石礦物中的二維圓形顆粒，結(jié)果表明，晶界剪切應(yīng)力最大，礦物加熱階段越短，就可以越早進(jìn)入非熱相，進(jìn)一步增加剪切應(yīng)力增加離解可能性。通過(guò)比較微波輻射時(shí)間和磨削指數(shù)，隨著輻照時(shí)間的增加，磨削能耗降低。

微波能產(chǎn)生于微波與材料相互作用的過(guò)程中，研究微波能對(duì)于研究微波與材料的相互作用機(jī)理具有非常重要的意義，其中研究物體的分子結(jié)構(gòu)和對(duì)外界電磁場(chǎng)的響應(yīng)能力也是必要的。

根據(jù)微波預(yù)處理對(duì)高灰煤粉磨影響的研究結(jié)果表明，煤的熱應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋是由于微波輻射引起的。X衍射分析表明，微波輻照的煤比非輻射有較高的晶體衍射峰。煤粉微波輻照120s可降低磨礦能耗15%。

在微波預(yù)處理對(duì)鐵礦石磨礦影響的研究過(guò)程中可以看出，微波可以用來(lái)改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，影響的原理是熱應(yīng)力引起的裂縫，XRD還可以增加礦物的結(jié)晶度。通過(guò)棒磨指數(shù)的計(jì)算，微波預(yù)處理也大大縮短了磨礦時(shí)間和能耗。范軍研究了鐵礦的微波加熱，研究表明，大小礦中介質(zhì)損耗因子可以快速加熱到較高。微波介質(zhì)損耗低的脈石礦物不能用微波加熱。微波介質(zhì)材料介電特性對(duì)鐵礦石介電性能的影響溫度不同，產(chǎn)生了選擇性加熱效應(yīng)。結(jié)果表明，各礦物相的熱應(yīng)力均有助于裂紋的形成和改善。

在微波和礦物機(jī)理領(lǐng)域中還需要了解材料的傳熱系數(shù)、介電性能、熱應(yīng)力分布、溫度場(chǎng)和微波場(chǎng)等參數(shù)。利用微波功率、微波操作時(shí)間、單位產(chǎn)量等，加大磨削領(lǐng)域微波加熱技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用研究[2]。

2 微波干燥

干燥，是指潮濕物質(zhì)在經(jīng)過(guò)加熱后，水或其他溶劑蒸發(fā)除去的過(guò)程。干果、食品制作、陶瓷、化工、藥品生產(chǎn)到選礦、造紙、木材加工等行業(yè)都會(huì)運(yùn)用到干燥的過(guò)程。

由于水是一種典型的極性介質(zhì)，因此物料溫度和蒸發(fā)量變化在整個(gè)被干燥物內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。材料表面由于蒸發(fā)冷卻使材料表面溫度略低，就在外界形成了溫度梯度。同時(shí)，由于熱源在干燥過(guò)程中，內(nèi)部熱產(chǎn)生的內(nèi)蒸汽迅速產(chǎn)生，由內(nèi)外物質(zhì)形成了壓力梯度。如果初始含水量很高，則內(nèi)部壓力迅速增加，并且水在壓力梯度作用下迅速被排除在材料之外。材料的能量和濕度不完全依賴于干燥介質(zhì)和導(dǎo)熱系數(shù)。從以上分析可以看出微波干燥具有從內(nèi)到外干燥的特點(diǎn)。在干燥的所有技術(shù)中，微波加熱技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，這是由微波的選擇性加熱決定的。干燥過(guò)程中的游離水具有良好的微波吸收，而微波能量一般都是用于汽化潛熱的過(guò)程中。因此，微波干燥能量得到了最大程度的利用[3]。

通過(guò)將常規(guī)的干燥方法和褐鐵礦微波干燥方法進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥相比較，微波干燥的脫水速率高出常規(guī)干燥的數(shù)倍。微波干燥在去除水中的自由水的同時(shí)，還能將水結(jié)合在一起。由于材料介電性能的改變，干燥過(guò)程不同。當(dāng)材料的含水量大于15%時(shí)，水分對(duì)混合料介電性能的影響較大，水分的大小決定了材料對(duì)微波的吸收能力，微波能被水吸收大部分的熱量。當(dāng)濕度達(dá)到5%時(shí)，由于含水量較低，材料的介電常數(shù)起著決定性的作用。當(dāng)材料本身吸收微波能量時(shí)，溫度對(duì)介電常數(shù)的復(fù)雜依賴起著決定性的作用[4]。

采用理論模型和微波干燥工業(yè)化相結(jié)合的方法開(kāi)發(fā)礦物，總結(jié)了微波干燥技術(shù)在礦物干燥中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)測(cè)微波干燥將為物料干燥過(guò)程開(kāi)辟一條新途徑。冶金工業(yè)具有獨(dú)特的加熱特性和干燥機(jī)理。微波快速干燥生產(chǎn)線已廣泛應(yīng)用于冶金工業(yè)生產(chǎn)中。但在微波干燥的相關(guān)理論研究中發(fā)現(xiàn)，水介質(zhì)的介電性會(huì)在干燥的過(guò)程中產(chǎn)生變化。因此，在后面微波與含水材料相互作用的深入研究中，主要針對(duì)水介質(zhì)的介電特性的特殊化，選擇適合的微波干燥工藝設(shè)備和適合的設(shè)計(jì)參數(shù)，使得微波干燥礦物的節(jié)能效果最大化。

3 微波還原

劉鵬等研究了含釩磁鐵精礦的微波碳熱還原反應(yīng)，還研究了銅精礦和堿式碳酸銅精礦的微波熱還原反應(yīng)。用空腔法測(cè)定了兩種材料的復(fù)介電常數(shù)分別為2.45 GHz和915 MHz。在同一時(shí)間，溫度范圍為25～800℃，表明銅具有良好的微波吸收特性，介電常量為1.9～36.3，它可用于微波熱還原，而碳酸銅的銅吸收率較低，銅氧化物的升溫速率比銅快得多，針對(duì)微波功率的影響，研究了還原劑、碳含量和礦物粒度對(duì)微波還原的影響。只有以褐煤為還原劑，不能還原堿式碳酸銅，由于材料的吸收特性較低。添加5%石墨作為還原劑，可以快速加熱。在800 W微波輻照下，堿金屬銅還原率為90%。微波加熱對(duì)鐵礦石微波還原的影響結(jié)果表明，赤鐵礦和無(wú)煙煤還原劑具有良好的介電性能。石灰石粉對(duì)微波的吸收相對(duì)較差。含碳鐵礦石粉的升溫速率與微波功率有關(guān)，微波輻射區(qū)和混合材料的介電性能和材料的重量有關(guān)。微波加熱含鐵礦石粉的密度和熱容與加熱速率成反比。比含碳鐵礦粉要高，含碳鐵礦粉的金屬化率為90%，得到了較好的還原效果。

盡管微波熱還原技術(shù)可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程，還有很多問(wèn)題需要解決，比如：各種冶金材料的介電特性是不夠的，具有的微波頻率特性，特別是隨著溫度的變化還需要進(jìn)一步測(cè)量，材料滲透溫度上升速率、微波功率吸收和微波場(chǎng)下的溫度測(cè)量都是基于介電性能的。為了促進(jìn)微波碳還原技術(shù)在冶金中的應(yīng)用，需要開(kāi)展大量工作。

4 微波焙燒

氧化鋅煙塵作為重要的鋅資源，已被回收利用。由于氧化鋅煙氟和氯的含量高，在冶煉過(guò)程中，設(shè)備和管道腐蝕嚴(yán)重，屬于氯氟材料，鋅的吸波強(qiáng)，鉛的氧化物和硫化物材料的吸波性能較弱，因此，微波選擇性加熱用于改善揮發(fā)性雜質(zhì)（氯化物），去除氯并達(dá)到目標(biāo)。0.12%和0.08%的氯及碳煙材料均采用微波烘烤處理，溫度550～6 500℃，保溫保存10～30 min，氟化率分別為92%和80%。

5 微波輔助浸出

微波加熱速度快，化學(xué)物質(zhì)溶解速率較高，因此該技術(shù)用于研究礦石中礦物的浸出。微波輔助浸出紅土的方法是將礦石與氯化物絞合后，在1 200 W下加熱，溫度為177～312℃，然后浸出80 mL水，鎳和鐵礦的浸出率分別為70%和80%。還研究了微波加熱下含氧化物和硫化物礦物的銅精礦的氯化反應(yīng)。

可以看出，微波在冶金領(lǐng)域的應(yīng)用上面具有廣闊的前景，在工業(yè)化方面也有一定的應(yīng)用前景。為了使微波技術(shù)在冶金中得到廣泛應(yīng)用，特別是在高溫下，需要獲得大量的礦物介電特性（介電常數(shù)）?；诖耍芯课⒉訜犷w粒最佳的尺寸，最佳的材料層厚度等對(duì)冶金材料的密度和微波功率的影響，可以指導(dǎo)微波諧振腔的設(shè)計(jì)。介電參數(shù)范圍內(nèi)材料微波加熱室的設(shè)計(jì)，優(yōu)化了微波加熱工藝，擴(kuò)大了微波加熱在冶金領(lǐng)域的應(yīng)用。

6 結(jié)語(yǔ)

研究材料復(fù)介電常數(shù)對(duì)電磁場(chǎng)分布及溫度場(chǎng)分布的影響，微波加熱腔中的材料受溫度變化的影響，冶金材料的介電常數(shù)和介電損耗因子的含水率和密度、化學(xué)成分的變化對(duì)選擇合適的微波加熱工藝和發(fā)展微波加熱具有重要的指導(dǎo)意義。

[1]范先鋒.微波能在欽鐵礦選礦中的應(yīng)用[J].國(guó)外金屬礦選礦，2015（2）：2-7.

[2]陳津，劉瀏，曾加慶，等.微波加熱還原含碳鐵礦粉試驗(yàn)研究[J].鋼鐵，2014，39（6）：1-5.

[3]彭金輝，楊顯萬(wàn).微波能技術(shù)新應(yīng)用[M].昆明：云南科技出版社，2007.

[4]蘇永慶，劉純鵬.微波加熱下硫酸浸溶黃銅礦動(dòng)力學(xué)[J].有色金屬，2000，52（1）：62-65.