微波加熱技術(shù)在冶金工程中的應(yīng)用

趙秀峰,李峰,孟浩杰,白洋

（中國(guó)鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司，河南鄭州 450041）

“碳中和”目標(biāo)的提出，促進(jìn)能源科技不斷創(chuàng)新，朝向更高的目標(biāo)發(fā)展，對(duì)冶金行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的要求也在不斷提高。近些年來(lái)，冶金企業(yè)充分利用各種技術(shù)手段改善工作環(huán)境、降低能耗等。其中，微波加熱技術(shù)因其具有選擇性加熱、均勻加熱、快速加熱、無(wú)污染、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)[1],在微波干燥、微波燒結(jié)、碳熱還原等發(fā)揮了重要作用。

1 微波加熱技術(shù)

微波加熱技術(shù)是利用物料吸收微波能，使物料中極性分子與微波電磁場(chǎng)相互作用，使電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的一種技術(shù)。受磁場(chǎng)的作用，當(dāng)有極分子電介質(zhì)和無(wú)極分子電介質(zhì)置于微波電磁場(chǎng)中時(shí)，介質(zhì)材料中會(huì)形成偶極子或使已有的偶極子重新排列，并隨著高頻交變電磁場(chǎng)以每秒高達(dá)數(shù)億次的速度擺動(dòng)，分子要隨著不斷變化的高頻電磁場(chǎng)的方向重新排列，就必須克服分子原有的熱運(yùn)動(dòng)和分子相互間作用的干擾和阻礙，產(chǎn)生類似于摩擦的作用，這個(gè)過(guò)程就會(huì)使得電磁場(chǎng)能量逐漸轉(zhuǎn)化成新的熱能，使介質(zhì)溫度出現(xiàn)大幅度地提升，單位體積內(nèi)介質(zhì)吸收的微波功率Pa與該處電場(chǎng)強(qiáng)度及頻率有下列關(guān)系:

式中:Pa為單位體積內(nèi)介質(zhì)吸收的微波功率;ε0為真空中的介電常數(shù),ε0=8.85×10-12F/m；ε′為介質(zhì)的介電系數(shù)，是使表征介質(zhì)極化程度的參量；tanδ為介質(zhì)的損耗正切，是使表征介質(zhì)損耗的參量；f為微波工作頻率。

微波技術(shù)據(jù)此對(duì)物質(zhì)進(jìn)行作用，從而進(jìn)行加熱升溫[2]。微波加熱與傳統(tǒng)加熱方式有很大不同：傳統(tǒng)加熱方式是傳導(dǎo)式加熱，是一種通過(guò)外部熱源由表面到內(nèi)部的加熱方式。微波加熱是從對(duì)象材料內(nèi)部進(jìn)行，通過(guò)對(duì)象內(nèi)部耗散來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行加熱。微波加熱方式與傳統(tǒng)方式相比也有其明顯的優(yōu)勢(shì)：由于微波加熱方式的受熱目標(biāo)直接成為發(fā)熱體，所以在加熱的過(guò)程中，不需要經(jīng)歷熱傳導(dǎo)的過(guò)程，從而提升受熱速度；在微波的作用下，物質(zhì)的原子和分子會(huì)發(fā)生高速振動(dòng)，為化學(xué)反應(yīng)建立更為有利的環(huán)境，從而降低能耗。另外，微波加熱速度快，微波本身不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢氣等有害物質(zhì)，也更利于環(huán)境保護(hù)。

2 微波加熱技術(shù)在冶金中的應(yīng)用

目前，微波技術(shù)在冶金行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用在干燥處理、燒結(jié)、碳熱還原等方面。

2.1 微波干燥技術(shù)

在冶金、化工工業(yè)生產(chǎn)中，干燥的過(guò)程是將物料中水分由液態(tài)變成氣態(tài)。這需要外界提供較高的汽化潛熱，因此能耗較高。每年用于傳統(tǒng)工業(yè)干燥的能耗約占全球總能耗的15%以上[3]。為提高干燥速度，傳統(tǒng)干燥工藝往往需升高物料外部溫度，加大溫差梯度，隨之而來(lái)的是出現(xiàn)物料外焦內(nèi)生的現(xiàn)象。然而，在常壓條件下，微波干燥不同于傳統(tǒng)干燥方式。微波加熱不需要任何熱傳導(dǎo)過(guò)程，直接通過(guò)微波在物料內(nèi)部的介電損耗將能量轉(zhuǎn)移給分子或原子。由于水的介電損耗因素遠(yuǎn)大于一般礦物或材料，微波能選擇性加熱水分，而不是物料整體受熱，所以在干燥過(guò)程中微波輻射對(duì)水分的脫除具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)?；诖耍⒉ǜ稍锛夹g(shù)能使物料內(nèi)層和表層水分同時(shí)被選擇性加熱，并瞬間汽化，從而使水分快速地由物料內(nèi)部轉(zhuǎn)移至空氣中。尤其在真空條件下，水的沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于100℃。在這種狀態(tài)下，干燥溫度更低，干燥速度更快。

與通過(guò)輻射達(dá)到干燥的傳統(tǒng)技術(shù)相比，微波干燥技術(shù)因其獨(dú)特的加熱、傳熱機(jī)理，使其具有加熱速度快、干燥效率高、溫度控制容易、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，能更加有效地對(duì)物品起到保護(hù)作用[4]。尤其在某些特定場(chǎng)合，如三元材料合成后的物料干燥，微波干燥的加熱特點(diǎn)可以保證物料粒徑分布不發(fā)生變化。

2.2 微波燒結(jié)技術(shù)

微波燒結(jié)是利用微波技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行加熱。與常規(guī)燒結(jié)相比，微波燒結(jié)具有燒結(jié)速度快、高效節(jié)能以及改善材料組織、提高材料性能等一系列優(yōu)點(diǎn)。21世紀(jì)以來(lái)，隨著人們對(duì)納米材料研究的重視，微波燒結(jié)技術(shù)在制備納米塊體金屬材料和納米陶瓷方面具有很大的潛力，被譽(yù)為“21世紀(jì)新一代燒結(jié)技術(shù)”。

由于微波電磁場(chǎng)的頻率很高，使材料內(nèi)部的介質(zhì)極化過(guò)程無(wú)法跟隨外電場(chǎng)變化，極化強(qiáng)度矢量P總是滯后于電場(chǎng)E，導(dǎo)致產(chǎn)生與電場(chǎng)同相的電流，從而構(gòu)成材料內(nèi)部的耗散。在微波波段，主要是偶極子極化和界面極化產(chǎn)生的吸收電流構(gòu)成材料的介質(zhì)耗散。單位體積材料在微波場(chǎng)作用下的升溫速率為：

式中:f為微波工作頻率；ε′為材料介電損耗；ε0為空間介電常數(shù)；E為微波電場(chǎng)強(qiáng)度；Cp為材料熱容；ρ為材料密度。

微波燒結(jié)的功率決定了微波燒結(jié)場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的大小，升溫速率與燒結(jié)場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)、材料熱容和材料密度密切相關(guān)。這對(duì)進(jìn)行微波爐設(shè)計(jì)和進(jìn)行試樣燒結(jié)時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)基本依據(jù)[5]。與常規(guī)燒結(jié)相比，微波燒結(jié)具有如下特點(diǎn)：1)燒結(jié)溫度大幅度降低，與常規(guī)燒結(jié)相比，最大降溫幅度可達(dá)300℃；2)比常規(guī)燒結(jié)節(jié)能30%～50%，大幅減少燒結(jié)能耗費(fèi)用；3)安全無(wú)污染；4)使用微波法快速升溫和致密化可以抑制晶粒組織長(zhǎng)大，從而有助于制備納米粉末、超細(xì)或納米塊體材料；5)燒結(jié)時(shí)間縮短；6)能實(shí)現(xiàn)空間選擇性燒結(jié)。

微波燒結(jié)技術(shù)的研究與工業(yè)化應(yīng)用盡管還處于發(fā)展早期，但它展現(xiàn)出了常規(guī)燒結(jié)技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)[5-6]，預(yù)示了它具有廣泛的發(fā)展前景。隨著微波燒結(jié)設(shè)備朝著更高功率密度、自動(dòng)化、智能化方向的發(fā)展，微波燒結(jié)技術(shù)必將成為最具應(yīng)用前景的新一代燒結(jié)技術(shù)。

2.3 微波碳熱還原

碳熱還原是冶金工程中重要流程，保證碳熱還原率對(duì)于提升冶金工程產(chǎn)成物純度和該項(xiàng)工程整體質(zhì)量起到無(wú)可替代的作用。但是冶金工程中碳熱還原過(guò)程容易受外在因素的干擾。

微波作為一種輻射型加熱能源，不依靠物料顆粒間傳遞熱量，而是依靠物料自身在介電性質(zhì)轉(zhuǎn)換微波能的過(guò)程中產(chǎn)生熱量。碳作為還原劑，可以有效地吸收微波實(shí)現(xiàn)快速升溫，使其還原力得到增強(qiáng)。微波碳熱還原技術(shù)的目的就是利用碳吸收微波后溫度升高，從而還原氧化物，得到用于冶金的金屬和化合物[7]。這對(duì)大部分碳還原金屬氧化物的反應(yīng)來(lái)說(shuō)都是有利的。但對(duì)于少數(shù)金屬氧化物，如Cu2O，由于該氧化物的還原反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度反而不利，所以此時(shí)微波碳熱還原技術(shù)并不適用。

將微波還原技術(shù)應(yīng)用到含碳礦物質(zhì)冶煉過(guò)程中，還能提高含碳礦物質(zhì)加熱速率，繼而強(qiáng)化含碳礦物質(zhì)冶煉在冶金工程中的地位，不斷提高含碳礦物質(zhì)在冶金工程中的應(yīng)用價(jià)值[8]。而且通過(guò)微波還原技術(shù)還能改善冶金工程中傳統(tǒng)加熱方式潛藏的問(wèn)題，提高含碳礦物質(zhì)內(nèi)部能量聚集效率，繼而為含碳礦物質(zhì)的冶煉打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[9]。對(duì)于冶煉過(guò)程中含碳礦物質(zhì)出現(xiàn)的“冷中心”問(wèn)題來(lái)說(shuō)，相關(guān)人員也可以借助微波還原技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié)論

綜上所述，微波作為新世紀(jì)的清潔能源，具有獨(dú)有的加熱特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。然而，目前微波技術(shù)在冶金工程中的工業(yè)化程度有限，主要原因如下:1)微波冶金大型化、專業(yè)化設(shè)備研制落后，大功率、高溫專用微波設(shè)備研制能力不足;2)對(duì)微波與物質(zhì)作用機(jī)理還有待進(jìn)一步深入研究;3)在高溫及高真空的條件下，用微波加熱會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象即微波效應(yīng)。如何在微波技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用過(guò)程中,避免這種微波效應(yīng)還有待進(jìn)一步研究。

未來(lái)，相關(guān)研究者和從業(yè)人員應(yīng)該適應(yīng)發(fā)展需要，加強(qiáng)微波技術(shù)與其他外場(chǎng)技術(shù)的結(jié)合，提升技術(shù)聯(lián)合能力，充分利用微波技術(shù)優(yōu)勢(shì)，相信隨著高新技術(shù)的發(fā)展和對(duì)微波技術(shù)的研究日益深入，微波在冶金領(lǐng)域必將發(fā)揮更為重要的作用，具有著廣闊的應(yīng)用前景。