微波技術(shù)在冶金工程中的應(yīng)用探析

趙 瑩

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟(jì)南 250000）

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的大環(huán)境下，很多高新技術(shù)和設(shè)備被廣泛應(yīng)用到冶金工程中，微波技術(shù)就是其中之一。和傳統(tǒng)冶金工程中應(yīng)用的加熱技術(shù)相比，微波技術(shù)具有非常顯著的特點(diǎn)，其加熱方式是通過(guò)傳導(dǎo)進(jìn)行加熱的，利用外部熱源將熱量從物品表面?zhèn)鬟f到物品的內(nèi)部，可保證物品受熱的均勻性和一致性，可有效解決傳統(tǒng)冶金加熱中存在的“冷中心”問(wèn)題，無(wú)論何種材質(zhì)、種類、形狀的冶金材料都能均勻加熱，從而提升生產(chǎn)效率?；诖耍_展微波技術(shù)在冶金工程中的運(yùn)用探析就顯得尤為必要。

1 微波技術(shù)的工作原理

微波是一種特殊的電磁波段，波長(zhǎng)在1 mm~1 nm之間，頻率在300 GHz~300 MHz之間。在冶金領(lǐng)域中常用的微波頻率只有兩個(gè)，一個(gè)是915 HMz，另一個(gè)是2 450 MHz。微波是一種介于無(wú)線電波和紅外輻射之間的電磁波，但微波的生產(chǎn)方式、傳播途徑、應(yīng)用方面和無(wú)線電波以及紅外輻射有很大的差別。其加熱的工作原理是在磁場(chǎng)環(huán)境中，部分物質(zhì)的分子會(huì)發(fā)生極化，極化之后的分子，會(huì)隨著微波場(chǎng)方向發(fā)生改變，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，發(fā)生極化之后的分子會(huì)嘗試對(duì)自身速率進(jìn)行調(diào)整，就會(huì)引起極化分子旋轉(zhuǎn)，原子彈性散射會(huì)在一定程度上阻礙極性分子旋轉(zhuǎn)，形成能耗耗散，將電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而?shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的加熱和升溫。

2 微波技術(shù)在冶金工程中的應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 在輔助磨礦中的應(yīng)用

輔助磨礦是冶金工程的核心步驟，在傳統(tǒng)冶金工程中，磨礦耗能非常大，占礦物加工總能耗的59%~70%之間，但能效缺乏非常低，只有約1%左右。礦石種類不同，其組分也不相同，比如石英石、方解石幾乎無(wú)法被微波加熱。在短時(shí)間內(nèi)，選擇性地加熱礦石中的某些組分，可促使礦石中的不同組分間碰撞系數(shù)的不同，而在晶格間產(chǎn)生應(yīng)力，致使顆粒邊界發(fā)生斷裂，解析出有用的礦物，提升礦石的可磨性。微波輻射可大幅度提升礦石中組分顆粒的斷裂效果，甚至可能促使一些礦石的功指數(shù)快速下降到90%以上。在微波輔助磨礦中，礦石的粒徑較大，分散度比較差時(shí)，有利于形成更大的應(yīng)力，強(qiáng)化斷裂并形成更大的加熱速率。因此，在運(yùn)用微波技術(shù)輔助磨礦中，需要適當(dāng)提升礦石的粒徑，降低分散度，以提升應(yīng)用效果。

2.2 在冶金產(chǎn)品微量和痕量分析中的應(yīng)用

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的大環(huán)境下，對(duì)新產(chǎn)品、新鋼種的開發(fā)利用提出了更高的要求，各行各業(yè)愈發(fā)重視鋼中微量元素的分析，要求能夠達(dá)到空白低值、背景值低的要求。微波消解樣品預(yù)處理技術(shù)是冶金工程中微量分析和痕量分析時(shí)樣品處理的關(guān)鍵技術(shù)。將樣品放在高溫、密閉的容器中進(jìn)行酸消解，可有效縮短樣品處理所需的時(shí)間，具有用酸量少、背景值低、回收率完整等優(yōu)勢(shì)，這是傳統(tǒng)樣品處理技術(shù)難以達(dá)到的高度[1]。如在進(jìn)行鋼鐵樣品中痕量鈣的分析中，由于鋼鐵樣品中鈣的含量非常低，但在自然界中鈣是常見的元素。傳統(tǒng)處理方法空白值比較高，而且測(cè)量結(jié)果可靠性不足，難以準(zhǔn)確獲得鋼鐵樣品中的痕量鈣。而采取微波消解技術(shù)，可大幅度降低鈣的空白值，如果操作得當(dāng)會(huì)無(wú)限接近水的空白值。具體做法為：稱取0.2 g鋼鐵樣品，放入到80 mL的高壓罐中，加入少量的水潤(rùn)濕處理；然后再加入5 mL王水，用微波消解15 min，5 min時(shí)溫度就會(huì)達(dá)到200℃，在180~200℃之間保持10 min；最后冷卻后，移入到容量瓶中，用去離子水稀釋到刻度，就能得到痕量鈣的含量。

2.3 在冶金塵泥回收利用中的應(yīng)用

冶金工程是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工業(yè)項(xiàng)目，會(huì)形成大量的塵泥，這些塵泥中依然含有很多可利用的金屬資源，傳統(tǒng)冶金技術(shù)有限，無(wú)法從塵泥中回收利用金屬資源，造成了巨大的浪費(fèi)和污染。利用微波技術(shù)可有效解決這一問(wèn)題。近年來(lái)，我國(guó)鍍鋅鋼材的用量逐年加大，鋼鐵企業(yè)廢鋼消耗量逐年增長(zhǎng)，含有鋅的塵泥量不斷增多。如鋅含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）小于1%的冶金塵泥通常用于燒結(jié)配料來(lái)實(shí)現(xiàn)冶金工程內(nèi)部的循環(huán)利用。而大于或者等于1%的冶金塵泥，多進(jìn)行露天堆放處理，堆放以萬(wàn)噸計(jì)量的大量塵泥。為響應(yīng)節(jié)能環(huán)保的號(hào)召，并提升鐵資源和鋅資源的回收再利用率，出現(xiàn)了很多回收工藝，如磁選技術(shù)、回轉(zhuǎn)窯法、火法、濕法等。但這些技術(shù)金屬回收率、設(shè)備腐蝕、環(huán)保、成本等方面存在很多不足。

而將微波技術(shù)應(yīng)用到其中，具有良好的效果。在冶金含鋅塵泥中加入一定量的碳粉和輔料，再在微波加熱情況下進(jìn)行氧化鐵的碳還原反應(yīng)，通過(guò)碳能夠很好的吸收微波，可在很短的時(shí)間內(nèi)就可加熱到1 053~1 556 K，在碳和金屬氧化物的混合物進(jìn)行微波加熱中，碳形成的高溫可大幅度提升還原能力，碳對(duì)鐵的金屬氧化物具有顯著的還原效果[2]。在冶金塵泥中含有大量的Fe3O4和Fe2O3，這些都是微波敏感材料，可大幅度提升升溫速度，并及時(shí)補(bǔ)充還原反應(yīng)所需的熱量，加快反應(yīng)速度。尤其是近年來(lái)，我國(guó)一些學(xué)者認(rèn)為加速冶金塵泥資源化速度，提升有價(jià)金屬的回收利用率，提出了微波熱還原法處理冶金塵泥技術(shù)，此種技術(shù)的出現(xiàn)，大幅度提升了加熱速度，物料中的加熱溫度也能保持一致，更加利于反應(yīng)，為冶金工程冶金塵泥的資源化處理提供了一條新的路徑。

3 微波技術(shù)在冶金工程中運(yùn)用的前景分析

雖然目前在冶金工程中大力推廣和應(yīng)用微波技術(shù)，大大提升了冶金工程的工作效率，以及金屬的回收利用率，降低了冶金工程領(lǐng)域的能耗和成本。但并沒(méi)有最大限度上發(fā)揮出微波技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和作用。在未來(lái)冶金工程中應(yīng)用微波技術(shù)時(shí)，必然會(huì)結(jié)合其他技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，如微波技術(shù)和超聲波技術(shù)相互結(jié)合，可在冶金工程中發(fā)生空化反應(yīng)，將溶液中的懸浮團(tuán)聚顆粒直接粉碎掉，從而達(dá)到提升溶液吸收微波的能力[3]。但就目前發(fā)展現(xiàn)狀而言，冶金工程中場(chǎng)外技術(shù)的應(yīng)用還不夠先進(jìn)和成熟，還要很大的提升空間，且外場(chǎng)技術(shù)的應(yīng)用是必然的。這就要求冶金企業(yè)必須加大相關(guān)新技術(shù)的研發(fā)力度，盡快突破技術(shù)瓶頸，促使冶金技術(shù)向著更好的方向發(fā)展，為我國(guó)科學(xué)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康地發(fā)展提供更多的資源支持。

4 結(jié)語(yǔ)

在冶金工程中應(yīng)用微波技術(shù)具有非常積極的作用，未來(lái)的發(fā)展空間也很大。在磨礦、冶金產(chǎn)品微量和痕量分析、冶金塵泥回收利用等環(huán)節(jié)，科學(xué)合理地應(yīng)用微波技術(shù)，可大幅度縮短生產(chǎn)周期。優(yōu)化改良材料的性能，是一種綠色、清潔的能源和技術(shù)，對(duì)促進(jìn)我國(guó)冶金行業(yè)健康發(fā)展有非常重要的意義，值得大范圍推廣和應(yīng)用。