微波加熱技術(shù)在冶金工業(yè)中的應(yīng)用

鄭雪婷

摘 要：在簡(jiǎn)要介紹微波加熱原理和微波加熱優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜述了微波加熱技術(shù)在鐵礦石預(yù)處理、碳熱還原、冶金原料的升溫特性、廢氣處理、鋼渣處理等領(lǐng)域的研究成果和進(jìn)展。認(rèn)為微波加熱技術(shù)在冶金工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：微波加熱；碳熱還原；鋼渣處理

1微波加熱技術(shù)

微波是頻率在 0.3 ～ 300GHz 范圍內(nèi)的電磁波。微波加熱的基本原理是：在高頻電磁作用下，介質(zhì)材料中的極性分子從原來(lái)的隨機(jī)分布狀態(tài)轉(zhuǎn)向按電場(chǎng)的極性排列取向，取向運(yùn)動(dòng)以每秒數(shù)十億的頻率不斷變化，從而造成分子劇烈運(yùn)動(dòng)與碰撞摩擦，產(chǎn)生熱量，使介質(zhì)溫度不斷升高。

微波加熱具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）非傳導(dǎo)加熱。加熱速度快，一般只需常規(guī)加熱時(shí)間的幾分之一或幾十分之一。

（2）體加熱。加熱均勻，不易產(chǎn)生外層結(jié)

“殼”而內(nèi)層 “夾生” 的加熱現(xiàn)象。

（3）高效節(jié)能。微波加熱設(shè)備殼體金屬材料是微波反射型材料，只能反射而不能吸收微波或極少吸收微波，且微波是內(nèi)部“體熱源”，它并不需要高溫介質(zhì)來(lái)傳熱，形成了微波能量利用的高效性。

（4）易于控制。與常規(guī)加熱方法相比，微波加熱的控制只要設(shè)定功率即可達(dá)到溫度升降和設(shè)備開(kāi)停的目的。

（5）環(huán)保、清潔。常規(guī)加熱一般采用礦物燃料等作為加熱能源，燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣，而微波加熱所用能源為電能，對(duì)環(huán)境污染小。

（6）選擇性加熱。不同成分的物質(zhì)由于其自身的介電特性不同，對(duì)微波加熱的反應(yīng)也不相同，它們不同程度的吸收微波能量，因此升溫速度不同。

2在冶金工業(yè)中的應(yīng)用

2.1鐵礦石預(yù)處理

礦山開(kāi)采的鐵礦石尚不適于直接入高爐冶煉，要經(jīng)過(guò)破碎、篩分、選礦、造塊、混勻等準(zhǔn)備處理，以品位高，成分、粒度均勻穩(wěn)定的狀態(tài)供應(yīng)高爐。富鐵礦一般在礦山通過(guò)破碎、篩分，得到粒度符合規(guī)格的塊礦。而貧鐵礦和含有共生礦物的鐵礦在破碎之后，還須進(jìn)行細(xì)磨富選提高品位，回收有用成分，去除有害物質(zhì)，取得鐵精礦粉。

利用微波選擇性加熱可對(duì)鐵礦石進(jìn)行預(yù)處理。

在微波輻射時(shí)，礦物的復(fù)雜性可以導(dǎo)致礦石 中礦物和雜質(zhì)被加熱至不同溫度，礦石內(nèi)部應(yīng)力 增加，從而使脈石發(fā)生破裂，對(duì)磨礦產(chǎn)生積極的影 響。對(duì)于不同的礦物，要選擇合適的微波頻率、強(qiáng) 度和加熱時(shí)間。劉全軍等[1] 以磨礦動(dòng)力學(xué)系數(shù)和選擇性破裂函數(shù)為依據(jù)，證明了微波的選擇性 加熱可以促進(jìn)磁鐵礦的磨細(xì)，而石英礦不受影響，從而達(dá)到使磁鐵礦石選擇性磨細(xì)的目的。

黃亞蕾等對(duì)鐵礦石在微波熱風(fēng)燒結(jié)點(diǎn)火條件下進(jìn)行試驗(yàn)研究，并通過(guò)計(jì)算不同燒結(jié)點(diǎn)火氣流中氧氣的含量分析了微波熱風(fēng)點(diǎn)火機(jī)理。燒結(jié)點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果表明，微波熱風(fēng)點(diǎn)火溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鐵礦燒結(jié)點(diǎn)火溫度，在微波輸出功率8kW、點(diǎn)火 1.5min、預(yù)熱風(fēng)溫度 350℃ 下可獲得指標(biāo)良好的燒結(jié)礦。點(diǎn)火氣流中氧氣含量計(jì)算結(jié)果 表明，微波熱風(fēng)點(diǎn)火氣流中的氧氣含量為 21%，煤氣點(diǎn)火氣流中氧氣含量為 8.59%。點(diǎn)火氣流中氧氣含量較高，能夠使焦粉在較低的溫度下點(diǎn) 燃，并且燃燒完全，從而獲得較好指標(biāo)的燒結(jié)礦。

2.2冶金物料的升溫特性

微波加熱主要取決于物料的介電性質(zhì)，不同 物料的介電性質(zhì)不同，因此加熱效果有很大區(qū) 別。在微波加熱過(guò)程中，升溫速率與冶金物料的 導(dǎo)熱系數(shù)，微波場(chǎng)在物料中分布的均勻性，以及 介電常數(shù)隨溫度的變化率有關(guān)。物料的導(dǎo)熱系數(shù) 越大，微波加熱時(shí)物料內(nèi)部的溫度分布越均勻，物料的升溫速率越快，前提是要保證物料中微波 場(chǎng)分布的均勻性。而影響物料微波場(chǎng)變化的主要 因素是物料的相對(duì)介電常數(shù)隨溫度的變化率。

陳津[3] 等人研究了磁鐵礦粉、赤鐵礦粉、無(wú)煙煤粉和煙煤在 KQ6000 可調(diào)式工業(yè)箱式微波加熱爐中的升溫特性。在微波輸出功率 15kW、物料重量 1kg 條件下，磁鐵礦粉、赤鐵礦粉、無(wú)煙煤粉和煙煤升溫速率分別為 72.67、70.20、68.47、55℃ / min，石灰和石灰石粉對(duì)微波的吸收較差，升溫速率為 53.13 和 48.73℃ / min。Standis等在微波功率為 1.3kW 的微波爐中測(cè)得磁鐵礦粉、赤鐵礦粉、木炭、焦粉的升溫速率分別為 236、275、198、155℃ / min。以上研究表明常用的冶金物料是很好的微波吸收體，在微波加熱條件下升溫比傳統(tǒng)加熱方式快，而升溫速率有所差別是由于不同的研究者使用的微波功率和物料質(zhì)量、成分、粒度各不相同。

2.3金屬氧化物的碳熱還原反應(yīng)

金屬氧化物礦的微波碳熱還原是在金屬氧化 物礦中加入適量的碳，碳是一種很好的微波吸波 體，可在短時(shí)間內(nèi)被加熱到 1053 ～ 1556K。碳不僅是還原劑而且為金屬氧化物礦的還原提供了熱源。

金屬氧化物的碳熱還原反應(yīng)可表示為：

MeO + C = Me + CO （1）

金屬氧化物的碳熱還原實(shí)際上是由兩個(gè)反應(yīng)組成的：

2MeO + C = 2Me + CO2 （2）CO2 + C = 2CO （3）

在微波碳熱還原過(guò)程中碳的氣化反應(yīng)（3）是限制性環(huán)節(jié)，因?yàn)榉磻?yīng)（3）是強(qiáng)吸熱反應(yīng)。傳統(tǒng)的加熱方式不能及時(shí)有效地向反應(yīng)物內(nèi)部提 供能量，以彌補(bǔ)碳的氣化反應(yīng)所消耗的熱量，因 此產(chǎn)生 “冷中心” 問(wèn)題。

Standish等人將完全相同的赤鐵礦粉、焦粉和石灰粉按一定比例混合，分別用微波和傳 統(tǒng)馬弗爐加熱進(jìn)行還原，用熱重法測(cè)定還原過(guò)程 混合物的失重量。微波加熱與傳統(tǒng)加熱對(duì)

微波加熱 10min 混合物失重大于 75%；馬弗爐在 1000℃ 下，加熱 10min 失重小于 15%，加熱 50min 失重低于 40%。

3結(jié)語(yǔ)

微波加熱技術(shù)應(yīng)用于冶金工業(yè)，具有節(jié)能、高效、易于自動(dòng)控制、保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。但微波 加熱技術(shù)在冶金工業(yè)中的應(yīng)用還不夠成熟，仍處 于實(shí)驗(yàn)室或半工業(yè)階段，還存在著諸多問(wèn)題，比 如大型微波設(shè)備的開(kāi)發(fā)，微波能轉(zhuǎn)化為熱能的效 率，某些物質(zhì)的介電特性，微波冶金流程設(shè)計(jì)、過(guò)程預(yù)測(cè)和控制等一些問(wèn)題有待解決。相信隨著 研究的不斷深入，微波加熱技術(shù)在冶金工業(yè)中的 應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]劉全軍，熊燕琴. 微波在鐵礦石選擇性磨細(xì)中的應(yīng)用機(jī)理研究[J]. 云南冶金，1997，6（3）：25 - 28.

[2]黃亞蕾，黃柱成，毛曉明等. 鐵礦石熱風(fēng)燒結(jié)點(diǎn)火研究 [J]. 礦冶工程，2008，28（5）：64 - 67.

（作者單位：遼寧科技學(xué)院）