微波在冶金材料加工中的應用現狀

陳少鋒

（陜西地礦集團漢中地質大隊， 陜西 漢中 723000）

采用微波復介電常數測量系統來進行溫度的測量、微波頻率為2 450 MHz的典型冶金材料的含水量和密度。本文對低溫分子篩的介電性能進行研究，提出微波干燥過程的高功率密度控制,研究氧化鋅煙在室溫、高溫、微波加熱條件下的室溫介電性能，采用響應面法優化微波干燥和微波焙燒工藝參數[1]。

1 微波助磨

礦物一般是指含有一定有用的礦物質或者礦石產物的物質。當對礦物進行微波加熱的時候，由于不同礦物的介電性能會存在一定的不同，所以微波加熱場的速率也不同。微波加熱可以加熱礦石到不同所需的溫度。微波諧振腔材料的加熱特性及其在微波諧振腔中的電磁場分布的測量是很困難的。用模擬方法建立一個簡單的模型來研究微波加熱的微波加熱特性是一種可行的方法。利用微波加熱模擬煤矸石礦物中的二維圓形顆粒，結果表明，晶界剪切應力最大，礦物加熱階段越短，就可以越早進入非熱相，進一步增加剪切應力增加離解可能性。通過比較微波輻射時間和磨削指數，隨著輻照時間的增加，磨削能耗降低。

微波能產生于微波與材料相互作用的過程中，研究微波能對于研究微波與材料的相互作用機理具有非常重要的意義，其中研究物體的分子結構和對外界電磁場的響應能力也是必要的。

根據微波預處理對高灰煤粉磨影響的研究結果表明，煤的熱應力產生的裂紋是由于微波輻射引起的。X衍射分析表明，微波輻照的煤比非輻射有較高的晶體衍射峰。煤粉微波輻照120s可降低磨礦能耗15%。

在微波預處理對鐵礦石磨礦影響的研究過程中可以看出，微波可以用來改變材料的微觀結構，影響的原理是熱應力引起的裂縫，XRD還可以增加礦物的結晶度。通過棒磨指數的計算，微波預處理也大大縮短了磨礦時間和能耗。范軍研究了鐵礦的微波加熱，研究表明，大小礦中介質損耗因子可以快速加熱到較高。微波介質損耗低的脈石礦物不能用微波加熱。微波介質材料介電特性對鐵礦石介電性能的影響溫度不同，產生了選擇性加熱效應。結果表明，各礦物相的熱應力均有助于裂紋的形成和改善。

在微波和礦物機理領域中還需要了解材料的傳熱系數、介電性能、熱應力分布、溫度場和微波場等參數。利用微波功率、微波操作時間、單位產量等，加大磨削領域微波加熱技術的進一步應用研究[2]。

2 微波干燥

干燥，是指潮濕物質在經過加熱后，水或其他溶劑蒸發除去的過程。干果、食品制作、陶瓷、化工、藥品生產到選礦、造紙、木材加工等行業都會運用到干燥的過程。

由于水是一種典型的極性介質，因此物料溫度和蒸發量變化在整個被干燥物內同時進行。材料表面由于蒸發冷卻使材料表面溫度略低，就在外界形成了溫度梯度。同時，由于熱源在干燥過程中，內部熱產生的內蒸汽迅速產生，由內外物質形成了壓力梯度。如果初始含水量很高，則內部壓力迅速增加，并且水在壓力梯度作用下迅速被排除在材料之外。材料的能量和濕度不完全依賴于干燥介質和導熱系數。從以上分析可以看出微波干燥具有從內到外干燥的特點。在干燥的所有技術中，微波加熱技術具有顯著的優勢，這是由微波的選擇性加熱決定的。干燥過程中的游離水具有良好的微波吸收，而微波能量一般都是用于汽化潛熱的過程中。因此，微波干燥能量得到了最大程度的利用[3]。

通過將常規的干燥方法和褐鐵礦微波干燥方法進行對比研究，發現與傳統的熱風干燥相比較，微波干燥的脫水速率高出常規干燥的數倍。微波干燥在去除水中的自由水的同時，還能將水結合在一起。由于材料介電性能的改變，干燥過程不同。當材料的含水量大于15%時，水分對混合料介電性能的影響較大，水分的大小決定了材料對微波的吸收能力，微波能被水吸收大部分的熱量。當濕度達到5%時，由于含水量較低，材料的介電常數起著決定性的作用。當材料本身吸收微波能量時，溫度對介電常數的復雜依賴起著決定性的作用[4]。

采用理論模型和微波干燥工業化相結合的方法開發礦物，總結了微波干燥技術在礦物干燥中的應用優勢，可以預測微波干燥將為物料干燥過程開辟一條新途徑。冶金工業具有獨特的加熱特性和干燥機理。微波快速干燥生產線已廣泛應用于冶金工業生產中。但在微波干燥的相關理論研究中發現，水介質的介電性會在干燥的過程中產生變化。因此，在后面微波與含水材料相互作用的深入研究中，主要針對水介質的介電特性的特殊化，選擇適合的微波干燥工藝設備和適合的設計參數，使得微波干燥礦物的節能效果最大化。

3 微波還原

劉鵬等研究了含釩磁鐵精礦的微波碳熱還原反應，還研究了銅精礦和堿式碳酸銅精礦的微波熱還原反應。用空腔法測定了兩種材料的復介電常數分別為2.45 GHz和915 MHz。在同一時間，溫度范圍為25～800℃，表明銅具有良好的微波吸收特性，介電常量為1.9～36.3，它可用于微波熱還原，而碳酸銅的銅吸收率較低，銅氧化物的升溫速率比銅快得多，針對微波功率的影響，研究了還原劑、碳含量和礦物粒度對微波還原的影響。只有以褐煤為還原劑，不能還原堿式碳酸銅，由于材料的吸收特性較低。添加5%石墨作為還原劑，可以快速加熱。在800 W微波輻照下，堿金屬銅還原率為90%。微波加熱對鐵礦石微波還原的影響結果表明，赤鐵礦和無煙煤還原劑具有良好的介電性能。石灰石粉對微波的吸收相對較差。含碳鐵礦石粉的升溫速率與微波功率有關，微波輻射區和混合材料的介電性能和材料的重量有關。微波加熱含鐵礦石粉的密度和熱容與加熱速率成反比。比含碳鐵礦粉要高，含碳鐵礦粉的金屬化率為90%，得到了較好的還原效果。

盡管微波熱還原技術可以簡化生產過程，還有很多問題需要解決，比如：各種冶金材料的介電特性是不夠的，具有的微波頻率特性，特別是隨著溫度的變化還需要進一步測量，材料滲透溫度上升速率、微波功率吸收和微波場下的溫度測量都是基于介電性能的。為了促進微波碳還原技術在冶金中的應用，需要開展大量工作。

4 微波焙燒

氧化鋅煙塵作為重要的鋅資源，已被回收利用。由于氧化鋅煙氟和氯的含量高，在冶煉過程中，設備和管道腐蝕嚴重，屬于氯氟材料，鋅的吸波強，鉛的氧化物和硫化物材料的吸波性能較弱，因此，微波選擇性加熱用于改善揮發性雜質（氯化物），去除氯并達到目標。0.12%和0.08%的氯及碳煙材料均采用微波烘烤處理，溫度550～6 500℃，保溫保存10～30 min，氟化率分別為92%和80%。

5 微波輔助浸出

微波加熱速度快，化學物質溶解速率較高，因此該技術用于研究礦石中礦物的浸出。微波輔助浸出紅土的方法是將礦石與氯化物絞合后，在1 200 W下加熱，溫度為177～312℃，然后浸出80 mL水，鎳和鐵礦的浸出率分別為70%和80%。還研究了微波加熱下含氧化物和硫化物礦物的銅精礦的氯化反應。

可以看出，微波在冶金領域的應用上面具有廣闊的前景，在工業化方面也有一定的應用前景。為了使微波技術在冶金中得到廣泛應用，特別是在高溫下，需要獲得大量的礦物介電特性（介電常數）?；诖耍芯课⒉訜犷w粒最佳的尺寸，最佳的材料層厚度等對冶金材料的密度和微波功率的影響，可以指導微波諧振腔的設計。介電參數范圍內材料微波加熱室的設計，優化了微波加熱工藝，擴大了微波加熱在冶金領域的應用。

6 結語

研究材料復介電常數對電磁場分布及溫度場分布的影響，微波加熱腔中的材料受溫度變化的影響，冶金材料的介電常數和介電損耗因子的含水率和密度、化學成分的變化對選擇合適的微波加熱工藝和發展微波加熱具有重要的指導意義。

[1]范先鋒.微波能在欽鐵礦選礦中的應用[J].國外金屬礦選礦，2015（2）：2-7.

[2]陳津，劉瀏，曾加慶，等.微波加熱還原含碳鐵礦粉試驗研究[J].鋼鐵，2014，39（6）：1-5.

[3]彭金輝，楊顯萬.微波能技術新應用[M].昆明：云南科技出版社，2007.

[4]蘇永慶，劉純鵬.微波加熱下硫酸浸溶黃銅礦動力學[J].有色金屬，2000，52（1）：62-65.