微波加熱含碳紅鐵礦粉升溫特性研究

王忠朝,陳 坤,徐本軍,黃彩娟

（1.遵義鈦業(yè)股份有限公司,貴州 遵義 550027；2.貴州大學(xué)，材料與冶金學(xué)院,貴陽 550025）

我國具有豐富的紅鐵礦資源，紅鐵礦在總儲量中所占的比例超過了50%。同時(shí)紅鐵礦資源主要分布在貴州、河北、河南、遼寧等多地[1]。紅鐵礦本身具有以下的特點(diǎn)：低品位、較細(xì)的嵌布粒度以及較低的原礦含量等。紅鐵礦中有多種多樣的鐵礦物，如：赤鐵礦、磁鐵礦以及黃鐵礦等，這些礦石具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此在分選過程中存在著很大的難度[2]。在處理難選紅鐵礦的時(shí)候，磁化焙燒-磁選工藝是最為合適的方法。磁化焙燒是加熱鐵礦之后等其上升到一定溫度之后，然后在還原氣氛中發(fā)生的物理以及化學(xué)變化的一個(gè)過程。但是傳統(tǒng)加熱存在著一系列問題，如：能耗較大等，因此磁化焙燒-磁選工藝被提出來，并且通過不斷的實(shí)踐已經(jīng)證實(shí)了該工藝具有可行性[3-8]。

微波是指波長1mm-1m的電磁波，其相應(yīng)頻率300-300000MHz的電磁波。微波加熱速度快，最高可達(dá)1500℃/min，對于某些物料可以以很少的能量告訴加熱達(dá)到2000℃以上高溫。

從貴州地區(qū)提取了本實(shí)驗(yàn)所用到的紅鐵礦原料，以云南無煙煤為還原劑。借助微波與實(shí)驗(yàn)原料的作用，對混合物料在微波場中體現(xiàn)出來的升溫特性展開研究，同時(shí)借助單因素分析方法，將探索粒度、功率以及配碳量對微波加熱的影響作為探討對象，為之后的磁化焙燒-磁選做好理論基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)原料

從貴州安順地區(qū)提取了試驗(yàn)中所用到的紅鐵礦，以單一的鐵礦石作為礦樣。表1所示為原礦化學(xué)成分的具體分析結(jié)果；圖1所示為原礦光學(xué)顯微鏡下的結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)表1數(shù)據(jù)顯示，我們可得知：鐵礦石中擁有44.25%比例的全鐵品位。

表1 原礦成分分析結(jié)果

圖1 原礦的光學(xué)顯微鏡結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖1我們可得知：在顯微鏡下能夠看到，原礦礦下分布較多的為Fe2O3為主，且呈均勻分布狀況。與難選鮞狀鐵礦所呈現(xiàn)出的包裹狀有所不同，該礦分布呈層狀，并且比較密集，在所有紅鐵礦中，屬于比較難選的那種。

試驗(yàn)所用還原劑是云南無煙煤（-74μm粒級占 90%），其化學(xué)成分分析見表2。

表2 無煙煤成分分析結(jié)果（%）

從表2中我們可以得知：試驗(yàn)中所使用到的無煙煤，其含灰量偏少，固定碳量偏多，還原效果不錯(cuò)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

XWQ型圓柱形球磨機(jī)、MPD 型X射線衍射儀、MKX-M1型微波馬弗爐、石墨坩堝。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 試驗(yàn)方法

第一，利用顎式破碎機(jī)將試驗(yàn)原料破碎為-200μm粒級；第二，要磨礦物，在磨礦物的時(shí)候要使用XWQ型200mm×30mm圓柱形球磨機(jī)，將其磨至-74μm粒級。在每一次試驗(yàn)過程中，要選取礦粉40克，若干量的無煙煤，讓其來充作還原劑，然后將礦粉和無煙煤裝入到石墨坩堝中，再將石墨坩堝裝入MKX-M型微波馬弗爐中，讓其溫度上升到規(guī)定的溫度。其中制成坩堝的主要材料是石墨，并且還要保證坩堝的內(nèi)壁直徑為Φ50mm,高為80mm。

2.2 粒度對微波加熱鐵礦粉的影響

分別取50g，-74μm粒級含量75%、85%和95%的鐵礦粉，以6%的配碳量分別放到微波馬弗爐中進(jìn)行加熱（850W條件下），每隔10分鐘進(jìn)行一次溫度測量，并根據(jù)每次測量結(jié)果繪制時(shí)間-溫度曲線圖。下圖2所示為試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 粒度條件升溫曲線

從圖2可以發(fā)現(xiàn)：即使原礦的粒度不相同，但是升溫特性之間存在的差異較小，它們的升溫趨勢趨向于一致。從該圖中我們可以看到，顆粒的直徑與總體升溫速率成反比，也就是說顆粒越大，總體升溫速度就越慢，這就表明在微波加熱過程中，顆粒物料越小，吸收微波的能力就越強(qiáng)。如果鐵礦顆粒的直徑較大，這就增大了顆粒之間的空隙，在加熱過程中較為容易散熱，同時(shí)還會增加熱對流，導(dǎo)致升溫速度是非常慢的。粒級所占的比例不同，他們的升溫速率也是不同的，如：粒級占75%的平均升溫速率為1.81℃/S；粒級占85%的平均升溫速率為1.94℃/S；粒級占95%的平均升溫速率為2.06℃/S。所以利用磁化焙燒-磁選工藝時(shí)，要考慮到鐵礦的粒度，確保粒度的直徑合適，如果粒徑的直徑過大這就會影響粒度吸收微波的能力。

2.3 配碳量對微波加熱磁化焙燒的影響

取50g，-74μm粒級含量85%的鐵礦粉，以6%、8%、10%、12%的配碳量分別加入無煙煤，待攪拌均勻后，放到微波馬弗爐中加熱（850W功率）。下圖3所示為試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 配碳量條件升溫曲線

從圖3中我們可以發(fā)現(xiàn)，配碳量的增加會導(dǎo)致升溫速率的升高，但是總趨勢變化呈現(xiàn)出較為緩慢的趨勢。在這樣固定的條件下，變化配碳量才可以磁化烘焙物料，其中固定條件是指微波功率為850W，鐵礦粉質(zhì)量為50g。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：配碳量的不斷升高導(dǎo)致物料升溫的速度提高的幅度越來越小。當(dāng)配碳量為6%，平均速率為1.82℃/S；當(dāng)配碳量為8%，平均速率為1.94℃/S；當(dāng)配碳量為10%，平均速率為2.40℃/S；當(dāng)配碳量為12%，平均速率為2.71℃/S。混合物料的升溫特性受到配碳量的影響是非常大的。這主要是由于與Fe3O4，F(xiàn)e2O3相比較，配碳量吸收微波能力是比較弱的，但是在還原過程中，配碳量所產(chǎn)生的Fe3O4具有較強(qiáng)的吸波能力。從整體上來講，生成的Fe3O4能夠?qū)⒒旌衔锪系奈⒉ㄎ招阅芴岣摺e3O4的局部高溫導(dǎo)致Fe2O3-Fe3O4和Fe3O4-FeO的溫度得以提高，所以此時(shí)Fe3O4，F(xiàn)e2O3發(fā)生了還原反應(yīng)，分別被還原成FeO、Fe3O4。總而言之，高的配碳量促使混合物料的升溫速率在不斷提高。

3 結(jié)論

（1）在微波場中，煤基鐵礦粉具有較強(qiáng)的吸波能力，在一定的條件下，粒級占75%的平均升溫速率為1.81℃/S；粒級占85%的平均升溫速率為1.94℃/S；粒級占95%的平均升溫速率為2.06℃/S。粒徑越大，混合物料的吸收能力越強(qiáng)。

（2）當(dāng)配碳量為6%，混合物料的平均速率為1.82℃/S；當(dāng)配碳量為8%，平均速率為1.94℃/S；當(dāng)配碳量為10%，平均速率為2.40℃/S；當(dāng)配碳量為12%，平均速率為2.71℃/S。配碳量對物料升溫特性的影響是非常大的。

（3）磁化焙燒-磁選工藝具有可行性，可以將傳統(tǒng)加熱過程中的問題解決掉。

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