微波加熱白云石生產煅白的實驗研究

梁 莉，蔣漢祥

（1.廣西大學 行健文理學院，廣西 南寧 530005；2.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044）

微波加熱白云石生產煅白的實驗研究

梁 莉1，蔣漢祥2

（1.廣西大學 行健文理學院，廣西 南寧 530005；2.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044）

微波加熱技術是一種新型的加熱技術。在白云石煅燒過程中引入微波加熱技術對硅熱法煉鎂進行改進。對微波加熱白云石生產煅燒白云石進行實驗研究，測定最佳加熱溫度和時間。結果表明：微波加熱方式比傳統(tǒng)加熱方式所需的加熱溫度低 50～60℃，所用的加熱時間少 40～50 min，具有未來工業(yè)化的開發(fā)價值。

白云石；微波加熱；燒損；水化活性度

金屬鎂由于其優(yōu)良的物理化學性能和機械加工性能，正以“時代金屬”的角色出現在冶金材料的舞臺上，再加上其豐富的蘊藏量，被人們譽為 21世紀最有前途的輕量化材料和綠色金屬工程材料［1］。我國是鎂資源極豐富的國家，儲量占世界第一，也是全球鎂產量第一大國，我國的金屬鎂生產工藝 99%以上采用的是皮江法（又稱硅熱還原法）。盡管皮江法工藝是一項比較成熟的工藝，但從發(fā)展循環(huán)經濟和可持續(xù)發(fā)展的角度看，仍然存在著一些問題，制約著該工藝的進一步發(fā)展，主要表現為環(huán)境污染、破壞資源、勞動條件差和自身技術缺陷等［2，3］。如何對傳統(tǒng)工藝進行改進，實現輕污染、低能耗、高效率的目標，成了迫在眉睫的問題。因此，采用一種干凈、無污染又具有較高熱效率的能源煉鎂是研究煉鎂新工藝的一個方向。隨著微波加熱技術的不斷發(fā)展及大型微波加熱設備的改進［4］，微波在冶金中的應用逐漸發(fā)展為一種冶金新技術。本文研究的是根據微波加熱的即時性、整體性、選擇性、高效性［5］，利用微波加熱法代替?zhèn)鹘y(tǒng)加熱法，對白云石進行加熱。通過相關實驗，探究微波加熱白云石生產煅白的可行性和優(yōu)越性。

1 白云石微波煅燒實驗

1.1 原材料

煉鎂用白云石，不僅在化學組分上應滿足工藝的要求，更重要的是在礦物結構上應該滿足冶煉過程的要求，因為白云石的化學成分和礦物結構對該工藝的各個冶煉過程有著較大的影響。

實驗所用的白云石為重慶市城口縣白云石，其主要化學成分列于表1。

表 1 白云石主要化學成分%

對白云石的分析采用綜合熱分析儀進行分析。白云石差熱分析曲線如圖 1所示，由圖 1可知，實驗用的城口縣白云石為結晶形，礦物結構較好。其拐點溫度為 732.8℃，峰值溫度分別為 784.0℃和809.8℃，即白云石中的 MgCO3大約在 784.0℃開始分解，而其中的CaCO3在809.8℃開始分解。白云石的失重為47.82%，100℃、300℃、500℃、600℃時白云石失重分 別為 0.28%、0.54%、0.88%、1.05%?？梢?，在未達到拐點溫度前，白云石幾乎沒有分解。由于傳熱、礦物結構等原因，實驗所需的加熱溫度至少為1 000℃以上。

圖 1 白云石差熱分析曲線

1.2 實驗設備

微波煅燒實驗所用的設備為 M W－L0316V隆泰微波爐，如圖 2所示。微波穿透物料的深度與加工所用設備的頻率、被加工物料的介電常數及介質損耗有關。一般來說，加工物料的含水量越大，其介質損耗亦越大，當頻率較高時，其相應的介質損耗亦較大。因此，對于含有大量水分的物料，可以采用915 MHz頻率。對于含水量很低的物料，其對915 MHz的微波有較少吸收，應該選用2 450 MHz頻率［6］。由于白云石物料所含的水分少且需要達到較高的加熱溫度（＞1 000℃），故微波頻率選定為2 450 MHz，以達到較高的微波穿透物料深度，使白云石能充分加熱，并采用 Ravtek高精度紅外測溫儀測溫［7］。

圖 2 微波爐機構簡圖

實驗所需加熱溫度要達到 1 000℃以上，根據微波爐的頻率及各類保溫材料的介電損耗因素分析可知，碳化硅材料在室溫下能與微波偶合。因此選用具有硬度高、高溫強度大、高熱傳導率等特性的SiC材料制成的坩堝。白云石在低溫下不易吸波而SiC可以在室溫下與微波有效藕合，迅速升溫，從而可以使裝盛的物料快速達到所需的加熱溫度。水化活性度的測定采用重慶銀河試驗儀器有限公司生產的2002074型烘干箱。

1.3 實驗步驟

實驗分為傳統(tǒng)加熱和微波加熱兩組對比進行，根據燒損率、水化活性度的要求做出相關的結果分析，分別測定各自最佳的加熱溫度、加熱時間。為更好地確定白云石加熱的最佳煅燒溫度和時間范圍，實驗分兩個階段進行。

第一階段實驗：用天平分別稱取 4份質量均為200 g、100目的白云石，倒入坩堝內待用，并進行編號。實驗分四次進行，每次實驗的時間均一致。調整微波爐的保溫溫度，四次實驗的溫度逐漸升高。當溫度達到設定溫度時，開始計時，斷電后待樣品冷卻到室溫后將其拿出，進行稱重，記錄煅白的質量。

第二階段實驗：根據第一階段的實驗數據分析確定在哪一加熱溫度下，白云石的燒損率較好，并將該溫度定為第二階段實驗的加熱溫度。用天平分別稱取 4份質量均為200 g、100目的白云石，倒入坩堝內并進行編號。實驗分四次進行，每次實驗的溫度相同，加熱的時間分別逐漸延長。到達加熱時間后斷電，將樣品冷卻至室溫后取出，進行稱重，記錄煅白的質量。

2 實驗數據及結果分析

2.1 白云石加熱溫度和時間對燒損率的影響

白云石在一定的溫度下煅燒，其燒損率一般可達 46.5%～47.5%。在這一范圍內的燒損率的煅白質量較好。白云石的燒損率指白云石在煅燒過程中可以燒去的質量百分數（如白云石中的水分、CO2及有機物等）。白云石的燒損率可用如下公式（1）計算：

式中W1為白云石的質量／g；W2為煅燒后殘存的段白的質量／g。

2.1.1 第一階段傳統(tǒng)加熱實驗

當煅燒時間恒定，每組煅燒時間均為 180 min時，煅燒溫度對燒損率的影響情況列于表 2。

表2 白云石煅燒溫度與燒損率的關系

2.1.2 第一階段微波加熱實驗

當煅燒時間恒定，每組微波加熱時間均為 150 min時，加熱溫度對燒損率的影響情況列于表 3。第一階段傳統(tǒng)加熱方式和微波加熱方式下，鍛燒溫度與燒損率的關系曲線如圖 3所示。

表3 微波加熱白云石的溫度與燒損率的關系

圖 3 兩種加熱方式下白云石煅燒溫度與燒損率的關系

由表 2和圖 3分析可知，當白云石的質量和加熱時間恒定時，白云石的燒損率隨加熱溫度的升高而增大。按照白云石燒損率要達到46.5%～47.5%才能進行后續(xù)還原反應的要求，當加熱溫度在 1 250～1 300℃范圍內時，白云石的燒損率介于46.4%～47.5%之間，符合煅燒的要求。因為當煅燒溫度在1 275℃時，燒損率為47.0%，燒損率的值較好，故選定該溫度為第一階段傳統(tǒng)加熱實驗的固定加熱溫度，以確定不同煅燒時間對白云石燒損率的影響。

由表3和圖3分析可知，在微波加熱條件下，白云石的煅燒情況與傳統(tǒng)加熱類似，燒損率也隨加熱溫度的升高而增大，但要達到規(guī)定的白云石燒損率范圍，微波加熱所需的溫度比傳統(tǒng)加熱所需的溫度稍低。當微波加熱溫度在 1 200～1 240℃的范圍內時，白云石的燒損率為 46.8%～47.6%符合工藝要求，而當微波加熱溫度低于 1 200℃或高于1 240℃時，屬于欠燒和過燒。因此，選擇微波加熱溫度為1 210℃，其白云石燒損率介于 46.5%～47.5%中間，為第二階段微波加熱實驗的固定加熱溫度，以確定不同微波加熱時間對白云石燒損率的影響。

2.1.3 第二階段傳統(tǒng)加熱實驗

加熱溫度不變，每組煅燒溫度均為1 275℃，煅燒時間對燒損率的影響情況列于表4。

表4 白云石煅燒時間與燒損率的關系

2.1.4 第二階段微波加熱實驗

微波加熱溫度不變，每組微波加熱溫度均為1 210℃，加熱時間對燒損率的影響情況列于表 5。第二階段傳統(tǒng)加熱和微波加熱兩種方式下，加熱時間對燒損率的影響關系曲線如圖 4所示。

表5 微波加熱白云石的時間與燒損率的關系

圖 4 兩種加熱方式下白云石煅燒時間與燒損率的關系

與第一階段的實驗分析類似，由表4和圖 4分析可知，當煅燒溫度恒定時，白云石的燒損率隨煅燒時間的增加而增大。在 140～180 min時間范圍內，白云石的燒損率為46.5%～47%，煅燒效果較佳，即所得的煅白質量較好。

由表 5和圖 4分析可知，白云石的燒損率也隨微波加熱時間的增加而增大。當微波加熱時間為100～130 min時，白云石的燒損率為 46.5%～47.2%，煅白的質量較好。而超過此范圍，煅白的質量均較差。

綜上所述，為了更好地控制煅燒的條件，防止欠燒和過燒現象的產生以得到較好質量的煅白。采用傳統(tǒng)加熱方式，需將白云石在 1 250～1 300℃的溫度下，煅燒 140～180 min。而采用微波加熱方式，僅需將白云石在1 200～1 240℃的溫度下，加熱100～130 min。兩種加熱方式比較可知，微波加熱方式比傳統(tǒng)加熱方式所需的加熱溫度低50～60℃，所用的加熱時間少 40～50 min。

2.2 白云石煅燒溫度和時間對煅白的水化活性度的影響

煅白的水化活性度是指煅白中的 CaO與 MgO的吸水能力，與煅燒條件（溫度、時間、白云石塊度）有關。煅白過燒、欠燒，水化活性度都會降低，低于某標準值時，鎂的還原效率會很低，不利于生產。根據理論計算［8］，煅燒白云石的水化活性度在煅燒條件較好的情況下可達36%左右。

煅白的水化活性度可以用實驗方法測定。稱取3 g煅白，置入稱樣瓶中，加入 5 m L水，然后將稱樣瓶放在烘干箱內于 150℃溫度下烘 1.5 h，再稱其質量，按下式計算，即可算出水化活性度。

式中 W′1為煅白的質量／g；W′2為吸濕烘干后煅白的質量／g。

如果白云石煅燒條件控制較好，實際測量值應與根據煅白中的 MgO、CaO的含量計算的水化活性度相近，因此實驗所測的煅白的水化活性度的值應在36%左右。如果不同則說明煅白中的 MgO或CaO不具有活性或反應性，那么這種煅白不是過燒就是欠燒。

2.2.1 第一階段傳統(tǒng)加熱實驗

當每組煅燒時間均為 180 min時，煅燒溫度對水化活性度的影響情況列于表 6。

表6 煅白的水化活性度與煅燒溫度的關系

2.2.2 第一階段微波加熱實驗

第一階段實驗，當微波加熱時間均為 150 min時，加熱溫度對水化合性度的影響情況列于表 7。傳統(tǒng)加熱與微波加熱兩種方式下，加熱溫度與水化合性度的關系曲線如圖5所示。

表7 微波加熱白云石的溫度與水化活性度的關系

根據白云石煅燒溫度與燒損率關系實驗分析可得，煅燒溫度在1 250～1 300℃范圍內時，白云石的燒損率符合工藝要求。由表 6和圖 5分析可知，煅白的水化活性度隨煅燒溫度的升高而增大。在1 250～1 300℃的溫度范圍內，煅白的水化活性度為 35.3%～37.0%，符合理論值要求，即煅燒條件控制得較好。

圖 5 兩種加熱方式下白云石的煅燒溫度與煅白的水化活性度的關系

根據表 7和圖 5分析可知，在微波加熱條件下，煅白的水化活性度隨加熱溫度的增加而增大。而到達一定溫度后，水化活性度有降低的趨勢。由白云石微波加熱的溫度與燒損率關系的結果分析可得，當微波加熱溫度在 1 200～1 240℃時，滿足工藝上對白云石燒損率的要求。而在此加熱溫度范圍內，煅白的水化活性度為 35.7%～37.7%，與理論計算值相近，故在此加熱溫度范圍內，煅燒條件控制得好，煅白的活性較大。

2.2.3 第二階段傳統(tǒng)加熱實驗

第二階段實驗，每組煅燒溫度均為1 275℃，煅燒時間對水化活性度的影響情況列于表 8。

表8 白云石煅燒時間與水化活性度的關系

2.2.4 第二階段微波加熱實驗

每組微波加熱溫度均為1 210℃，加熱時間對水化合性度的影響情況列于表 9。第二階段傳統(tǒng)加熱與微波加熱兩種方式下，加熱時間對煅白的水化合性度的影響的關系曲線圖如圖 6所示。

表9 微波加熱白云石時間與水化活性度的關系

圖 6 兩種加熱方式下白云石的煅燒時間與煅白的水化活性度的關系

由煅燒時間和白云石燒損率的關系實驗與表8和圖6分析可知，在1 250～1 300℃溫度下煅燒140～180 min獲得的煅白具有較好的水化活性度，煅燒的條件控制得好。如當煅燒時間為 150 min時，煅白的水化活性度為 35.3%，符合理論計算值的要求。

對于微波加熱實驗，根據表 9和圖 6與前段實驗分析可知，在微波加熱溫度為 1 200～1 240℃的范圍內加熱 100～130 min獲得的煅白水化活性度為35.3%～37.3%，煅白的水化活性度較高。如當微波加熱時間為 100 min時，煅白的水化活性度為35.3%。但當加熱超過一定時間后，煅白的水化活性度有下降的趨勢，說明白云石出現過燒現象。

綜合分析，在滿足燒損率為 46.5%～47.5%要求的前提下，傳統(tǒng)加熱溫度在1 250～1 300℃范圍、煅燒140～180 min；微波加熱溫度在1 200～1 240℃范圍、加熱 100～130 min時，所得的煅白的水化活性度均與理論計算值36%相差不大。說明在這溫度范圍內，煅燒的條件控制較好，所得的煅白質量較高，煅白的活性也較大。

3 結論

在達到煉鎂工藝所需的較好煅白質量的條件下，采用微波加熱白云石的方式比傳統(tǒng)煅燒方式所需的加熱溫度更低、加熱時間更少。因此，通過反映機理研究證明［9］及實驗數據均表明微波加熱白云石生產煅白是可行的，并具有環(huán)保、高效的優(yōu)越性。隨著大型工業(yè)微波爐設備的不斷改良，該工藝具有未來工業(yè)化生產的價值。

［1］ Zuo Tieyong，Du Wenbo.The developing strategy of Chinesemagnesium and magnesium alloy［J］.Journal of Guangdong Non－Ferrous Metals，2005，15（2，3）：1.

［2］劉金平，楊雪春，謝水生，等.皮江法煉鎂技術的缺陷及改進途徑［J］.冶金能源，2005，25（24）：21－23.

［3］ 夏宏德，余濤，張剛，等.皮江法煉鎂工藝用能狀況診斷及節(jié)能措施［J］.Industrial Furnace，2005，27（2）：32－25.

［4］丁喻，周繼承，傅惠華 .大型工業(yè)微波爐在氮化釩試生產中的應用［J］.鋼鐵釩鈦，2008，29（4）：18－21.

［5］張文樸.微波加熱技術在冶金工業(yè)中的應用研發(fā)進展［J］.中國鉬業(yè)，2007，31（6）：20－23.

［6］王鵬.環(huán)境微波化學技術［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2003.25－29.

［7］潘志銘 .微波加熱中的溫度測量［J］.深圳大學學報，2002，19（2）：81－84.

［8］徐日瑤.硅熱法煉鎂生產工藝學［M］.長沙：中南大學出版社，2003.62－64.

［9］ 蔣漢祥，梁莉，林琳，等.微波加熱白云石生產煅白的反應機理［J］.重慶科技學院學報（自然科學版），2008，10（1）：36－39.

Study on Heating Dolom ite Product Burnt Dolom ite by M icrowave

LIANG Li1，JIANG Han-xiang2
（1.Xingjian College of Science and Liberal Arts，Guangxi University，Nanning 530005，China；2.College of Material Science and Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Microwave heating technology isa novel technology.In order to improve Pidgeon process，themicrowave heating technology is used in dolomite product burnt dolomite.Through the experimentes of heating dolomite product burnt dolomite by microwave，itmeasures the best heating temperature and time.The result shows that microwave heating temperature is lower than the traditional heating temperature 50～60℃and 40～50 min time reduction.The new technology has future value of the development of industrialization.

dolomite；microwave heating；burning loss ratio；the rate of hydrate activity

TG111.3

A

1003－5540（2010）04－0038－05

2010－06－05

梁 莉（1983－），女，碩士，主要從事有色金屬材料工藝研究。