粒度和溫度對(duì)釩鈦磁鐵礦介電特性的影響

王俊鵬， 姜 濤， 劉亞靜， 劉晨輝

(1.東北大學(xué) 冶金學(xué)院，沈陽 110819；2.非常規(guī)冶金教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650093)

微波加熱具有快速加熱、選擇性加熱、加熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于礦物加工、冶金、化工、食品等領(lǐng)域[1-2].在微波預(yù)處理礦石過程中，由于微波快速加熱和選擇性加熱的特點(diǎn)，金屬礦石中的脈石成分，尤其是石英、云母和綠泥石等幾乎不被微波加熱；而有價(jià)礦物會(huì)被選擇性地迅速加熱，導(dǎo)致不同礦物因膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生晶格間的熱應(yīng)力，引起晶界間的斷裂.這些裂紋不僅可以改善礦石的可磨性，同時(shí)還能有效地提高礦物的解離程度[3].雖然微波加熱在礦物預(yù)處理領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，但是對(duì)微波和礦物間相互作用的機(jī)理研究較少.

在微波場中，介電特性是表征材料吸收微波能力的物理量，其中介電常數(shù)表示材料對(duì)微波的吸收能力，介電損耗表示材料將吸收的微波能轉(zhuǎn)化成熱能的能力[4-5].因此，測量材料的介電特性對(duì)了解材料在微波場中的升溫情況有著重要意義.

釩鈦磁鐵礦是一種多元素共伴生的復(fù)雜難處理礦石，是我國重大戰(zhàn)略資源之一，我國90%鈦和45%釩賦存在其中[6].基于微波加熱的特點(diǎn)，結(jié)合微波預(yù)處理技術(shù)，本文研究了溫度和粒度對(duì)釩鈦磁鐵礦介電特性的影響，并測量了其在微波場中的升溫性能，為微波預(yù)處理釩鈦磁鐵礦提供理論基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)原料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用的釩鈦磁鐵礦取自四川攀西地區(qū)，礦石的主要化學(xué)成分如表1所示，X射線衍射分析如圖1所示.由表1可知，礦石中的主要金屬元素為鐵和鈦.由圖1可知，礦石中的主要有價(jià)礦物為磁鐵礦和鈦鐵礦.試驗(yàn)開始前先用球磨機(jī)將礦石磨細(xì)，然后將礦石篩分成-0.048、-0.075+0.048、-0.150+0.075 mm三個(gè)粒級(jí)，最后將不同粒級(jí)礦石在105 ℃條件下干燥12 h后備用.

表1 礦石的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖1 釩鈦磁鐵礦XRD譜Fig.1 XRD pattern of the raw vanadium titano-magnetite

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

介電特性測試裝置為材料微波性能變溫測試系統(tǒng)，測試方法為諧振腔微擾法，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為安捷倫科技有限公司生產(chǎn)的E5071C型，腔體與軟件為電子科技大學(xué)設(shè)計(jì)，加熱裝置采用感應(yīng)加熱.測量過程為：將樣品在下部感應(yīng)線圈中加熱至測量溫度并保溫一段時(shí)間，然后將樣品迅速彈射至諧振腔內(nèi)測量，測量結(jié)束將樣品下降至感應(yīng)線圈內(nèi)繼續(xù)加熱，測量間隔為100 ℃，頻率為2.45 GHz.

礦石升溫特性試驗(yàn)在MobileLab系列微波工作站(微波頻率2.45 GHz)中進(jìn)行，稱取100 g不同粒級(jí)的釩鈦磁鐵礦作為試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)置微波功率4 kW對(duì)其進(jìn)行微波加熱，測量其升溫曲線.

2 結(jié)果與討論

2.1礦石介電特性測定

對(duì)粒度為-0.048、-0.075+0.048、-0.150+0.075 mm釩鈦磁鐵礦的介電特性進(jìn)行測試分析.圖2給出了這3種粒級(jí)釩鈦磁鐵礦的介電常數(shù)實(shí)部ε′、介電常數(shù)虛部ε″及損耗角正切tanδ隨溫度的變化規(guī)律.

圖2 不同粒度釩鈦磁鐵礦的介電特性隨溫度變化曲線Fig.2 Variation of the dielectric properties of different particle size VTM with sample temperature(a)—介電常數(shù)實(shí)部ε′；(b)—介電常數(shù)虛部ε″；(c)—損耗角正切tan δ

由圖2可知，不同粒度的釩鈦磁鐵礦的介電常數(shù)實(shí)部ε′均隨著溫度的升高而增大，其中-0.048 mm粒級(jí)的釩鈦磁鐵礦在20～800 ℃之間變化范圍為8.386～11.287.在600 ℃之前ε′增長較慢，但在600 ℃到800 ℃之間增速變大.該釩鈦磁鐵礦擁有較高的ε′，這主要是因?yàn)殁C鈦磁鐵礦中含有較多的Fe3O4和FeTiO3.介電常數(shù)虛部ε″和損耗角正切tanδ隨溫度的變化規(guī)律與介電常數(shù)實(shí)部ε′的變化趨勢大致相同，都是隨著溫度的升高而增大.ε″在測試的溫度下均低于ε′.-0.048 mm 粒級(jí)的釩鈦磁鐵礦的 tanδ在20～800 ℃ 之間變化范圍為0.021～0.034，表明該礦石具有良好的轉(zhuǎn)化電磁能為熱能的能力.

對(duì)比不同粒級(jí)釩鈦磁鐵礦介電特性可知，粒度越小ε′越大，這說明粒度小的礦石在微波場中更容易產(chǎn)生極化效應(yīng)而儲(chǔ)存電磁能，同時(shí)ε″和tanδ也隨著粒度的減小而上升，這說明粒度小的礦石在微波場中吸收微波并將其轉(zhuǎn)換為熱能的能力大于粒度大的礦石.這是由于礦石的粒度越小，其填充層的空隙率也就越小，礦石填充更緊密，空氣的夾雜少，從而提高了礦石的介電性能.

2.2 礦石穿透深度

礦石的穿透深度是指微波穿過材料過程中，微波場的場強(qiáng)由于被材料吸收而逐漸衰減，當(dāng)強(qiáng)度減弱到原場強(qiáng)的1/e時(shí)距離材料表面的深度.穿透深度dp可反映微波場在材料中衰減能力的強(qiáng)弱，也是微波加熱材料時(shí)材料內(nèi)部溫度梯度的重要參數(shù)，其表達(dá)式如下[7]：

(1)

式中：c0為微波在真空中的傳播速度， 即3.0×108m/s；f為頻率.

圖3顯示了粒度為-0.048、-0.075+0.048、-0.150+0.075 mm的釩鈦磁鐵礦在微波頻率為2.45 GHz時(shí)，溫度對(duì)其穿透深度dp的影響.由圖3可知，微波加熱不同粒度的釩鈦磁鐵礦時(shí)，微波穿透深度均隨著溫度的升高而下降，在500 ℃之前，下降較為緩慢，但在500 ℃到800 ℃之間降低幅度較為明顯.同時(shí)，微波加熱過程中隨著礦石粒度的增大，微波穿透礦石的能力逐漸提高，這是由于粒度大的礦石具有相對(duì)較低的損耗角正切tanδ.-0.048、-0.075+0.048、-0.150+0.075 mm粒級(jí)釩鈦磁鐵礦在20～800 ℃之間的穿透深度變化范圍分別為1.51～1.28、1.56～1.35、1.60～1.42 cm.因此，微波加熱釩鈦磁鐵礦過程中，為得到均勻加熱的效果，依據(jù)微波穿透深度的變化，微波加熱釩鈦磁鐵礦的適宜厚度為1.28～1.60 cm.礦石厚度大于1.60 cm，部分礦石由于微波穿度不夠，引起礦石內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度，不利于微波加熱的均一性；礦石厚度小于1.28 cm，會(huì)降低微波對(duì)礦石的處理能力，對(duì)能效不利.

圖3 不同粒度釩鈦磁鐵礦穿透深度隨溫度變化曲線Fig.3 Variation of penetration depth of different particle size VTM with sample temperature

2.3 礦石升溫特性

微波加熱的原理為介電加熱，當(dāng)材料置于微波場中時(shí)，通過施加高頻交變電場，觸發(fā)并加速材料中的偶極子取向極化，使鄰近的分子之間通過碰撞和摩擦產(chǎn)生大量熱能，從而實(shí)現(xiàn)材料均一性加熱.

將不同粒度的釩鈦磁鐵礦放入微波工作站中加熱并測量其升溫曲線，結(jié)果如圖4所示.由圖4可知，不同粒級(jí)釩鈦磁鐵礦溫度隨微波加熱時(shí)間均呈線性升高，并且升溫速率隨著礦石粒度的增大而下降.通過回歸分析可知，粒度為-0.048、-0.075+0.048、-0.150+0.075 mm的釩鈦磁鐵礦在微波功率為4 kW時(shí)，前240 s內(nèi)的升溫速率分別為2.49、3.05、3.51 ℃/s，相關(guān)系數(shù)均大于0.98，其中-0.048 mm粒級(jí)的升溫速率是-0.150+0.075 mm粒級(jí)的1.41倍.根據(jù)前文所述，由于細(xì)粒級(jí)的釩鈦磁鐵礦的介電常數(shù)大，高溫時(shí)介電損耗率大于粗粒級(jí)礦石，也就是說,細(xì)粒級(jí)礦石在微波加熱過程中貯存電磁能的能力強(qiáng)，并且更容易吸收和轉(zhuǎn)化電磁能為熱能，宏觀上表現(xiàn)為細(xì)粒級(jí)釩鈦磁鐵礦的升溫速率大于粗粒級(jí).

圖4 不同粒度釩鈦磁鐵礦升溫曲線Fig.4 Temperature rising curves of different particle size VTM

3 結(jié) 論

(1)通過對(duì)粒度為-0.048、-0.075+0.048、-0.150+0.075 mm釩鈦磁鐵礦的介電特性分析，結(jié)果表明： 礦石的介電常數(shù)和損耗角正切隨溫度的升高而增大；介電特性隨著粒度的減小而增強(qiáng)，這是由于細(xì)粒級(jí)礦石間空隙率小于粗粒級(jí)礦石所導(dǎo)致的.

(2)微波加熱釩鈦磁鐵礦時(shí)，在20～800 ℃之間，穿透深度隨著溫度的升高而下降，且粒度越大越有利于微波對(duì)礦石的穿透，

通過穿透深度方

程計(jì)算可知，釩鈦磁鐵礦的最佳物料厚度為1.28～1.60 cm.

(3)不同粒度的釩鈦磁鐵礦，在微波場中其溫度隨微波加熱時(shí)間均呈線性升高，在微波功率為4 kW時(shí)，-0.048 mm粒級(jí)礦石的升溫速率是-0.150+0.075 mm粒級(jí)的1.41倍，這正是不同粒度礦石介電特性差異的體現(xiàn).