微波加热白云石生产煅白的实验研究

梁 莉，蒋汉祥

（1.广西大学 行健文理学院，广西 南宁 530005；2.重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044）

微波加热白云石生产煅白的实验研究

梁 莉1，蒋汉祥2

（1.广西大学 行健文理学院，广西 南宁 530005；2.重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044）

微波加热技术是一种新型的加热技术。在白云石煅烧过程中引入微波加热技术对硅热法炼镁进行改进。对微波加热白云石生产煅烧白云石进行实验研究，测定最佳加热温度和时间。结果表明：微波加热方式比传统加热方式所需的加热温度低 50～60℃，所用的加热时间少 40～50 min，具有未来工业化的开发价值。

白云石；微波加热；烧损；水化活性度

金属镁由于其优良的物理化学性能和机械加工性能，正以“时代金属”的角色出现在冶金材料的舞台上，再加上其丰富的蕴藏量，被人们誉为 21世纪最有前途的轻量化材料和绿色金属工程材料［1］。我国是镁资源极丰富的国家，储量占世界第一，也是全球镁产量第一大国，我国的金属镁生产工艺 99%以上采用的是皮江法（又称硅热还原法）。尽管皮江法工艺是一项比较成熟的工艺，但从发展循环经济和可持续发展的角度看，仍然存在着一些问题，制约着该工艺的进一步发展，主要表现为环境污染、破坏资源、劳动条件差和自身技术缺陷等［2，3］。如何对传统工艺进行改进，实现轻污染、低能耗、高效率的目标，成了迫在眉睫的问题。因此，采用一种干净、无污染又具有较高热效率的能源炼镁是研究炼镁新工艺的一个方向。随着微波加热技术的不断发展及大型微波加热设备的改进［4］，微波在冶金中的应用逐渐发展为一种冶金新技术。本文研究的是根据微波加热的即时性、整体性、选择性、高效性［5］，利用微波加热法代替传统加热法，对白云石进行加热。通过相关实验，探究微波加热白云石生产煅白的可行性和优越性。

1 白云石微波煅烧实验

1.1 原材料

炼镁用白云石，不仅在化学组分上应满足工艺的要求，更重要的是在矿物结构上应该满足冶炼过程的要求，因为白云石的化学成分和矿物结构对该工艺的各个冶炼过程有着较大的影响。

实验所用的白云石为重庆市城口县白云石，其主要化学成分列于表1。

表 1 白云石主要化学成分%

对白云石的分析采用综合热分析仪进行分析。白云石差热分析曲线如图 1所示，由图 1可知，实验用的城口县白云石为结晶形，矿物结构较好。其拐点温度为 732.8℃，峰值温度分别为 784.0℃和809.8℃，即白云石中的 MgCO3大约在 784.0℃开始分解，而其中的CaCO3在809.8℃开始分解。白云石的失重为47.82%，100℃、300℃、500℃、600℃时白云石失重分 别为 0.28%、0.54%、0.88%、1.05%。可见，在未达到拐点温度前，白云石几乎没有分解。由于传热、矿物结构等原因，实验所需的加热温度至少为1 000℃以上。

图 1 白云石差热分析曲线

1.2 实验设备

微波煅烧实验所用的设备为 M W－L0316V隆泰微波炉，如图 2所示。微波穿透物料的深度与加工所用设备的频率、被加工物料的介电常数及介质损耗有关。一般来说，加工物料的含水量越大，其介质损耗亦越大，当频率较高时，其相应的介质损耗亦较大。因此，对于含有大量水分的物料，可以采用915 MHz频率。对于含水量很低的物料，其对915 MHz的微波有较少吸收，应该选用2 450 MHz频率［6］。由于白云石物料所含的水分少且需要达到较高的加热温度（＞1 000℃），故微波频率选定为2 450 MHz，以达到较高的微波穿透物料深度，使白云石能充分加热，并采用 Ravtek高精度红外测温仪测温［7］。

图 2 微波炉机构简图

实验所需加热温度要达到 1 000℃以上，根据微波炉的频率及各类保温材料的介电损耗因素分析可知，碳化硅材料在室温下能与微波偶合。因此选用具有硬度高、高温强度大、高热传导率等特性的SiC材料制成的坩埚。白云石在低温下不易吸波而SiC可以在室温下与微波有效藕合，迅速升温，从而可以使装盛的物料快速达到所需的加热温度。水化活性度的测定采用重庆银河试验仪器有限公司生产的2002074型烘干箱。

1.3 实验步骤

实验分为传统加热和微波加热两组对比进行，根据烧损率、水化活性度的要求做出相关的结果分析，分别测定各自最佳的加热温度、加热时间。为更好地确定白云石加热的最佳煅烧温度和时间范围，实验分两个阶段进行。

第一阶段实验：用天平分别称取 4份质量均为200 g、100目的白云石，倒入坩埚内待用，并进行编号。实验分四次进行，每次实验的时间均一致。调整微波炉的保温温度，四次实验的温度逐渐升高。当温度达到设定温度时，开始计时，断电后待样品冷却到室温后将其拿出，进行称重，记录煅白的质量。

第二阶段实验：根据第一阶段的实验数据分析确定在哪一加热温度下，白云石的烧损率较好，并将该温度定为第二阶段实验的加热温度。用天平分别称取 4份质量均为200 g、100目的白云石，倒入坩埚内并进行编号。实验分四次进行，每次实验的温度相同，加热的时间分别逐渐延长。到达加热时间后断电，将样品冷却至室温后取出，进行称重，记录煅白的质量。

2 实验数据及结果分析

2.1 白云石加热温度和时间对烧损率的影响

白云石在一定的温度下煅烧，其烧损率一般可达 46.5%～47.5%。在这一范围内的烧损率的煅白质量较好。白云石的烧损率指白云石在煅烧过程中可以烧去的质量百分数（如白云石中的水分、CO2及有机物等）。白云石的烧损率可用如下公式（1）计算：

式中W1为白云石的质量／g；W2为煅烧后残存的段白的质量／g。

2.1.1 第一阶段传统加热实验

当煅烧时间恒定，每组煅烧时间均为 180 min时，煅烧温度对烧损率的影响情况列于表 2。

表2 白云石煅烧温度与烧损率的关系

2.1.2 第一阶段微波加热实验

当煅烧时间恒定，每组微波加热时间均为 150 min时，加热温度对烧损率的影响情况列于表 3。第一阶段传统加热方式和微波加热方式下，锻烧温度与烧损率的关系曲线如图 3所示。

表3 微波加热白云石的温度与烧损率的关系

图 3 两种加热方式下白云石煅烧温度与烧损率的关系

由表 2和图 3分析可知，当白云石的质量和加热时间恒定时，白云石的烧损率随加热温度的升高而增大。按照白云石烧损率要达到46.5%～47.5%才能进行后续还原反应的要求，当加热温度在 1 250～1 300℃范围内时，白云石的烧损率介于46.4%～47.5%之间，符合煅烧的要求。因为当煅烧温度在1 275℃时，烧损率为47.0%，烧损率的值较好，故选定该温度为第一阶段传统加热实验的固定加热温度，以确定不同煅烧时间对白云石烧损率的影响。

由表3和图3分析可知，在微波加热条件下，白云石的煅烧情况与传统加热类似，烧损率也随加热温度的升高而增大，但要达到规定的白云石烧损率范围，微波加热所需的温度比传统加热所需的温度稍低。当微波加热温度在 1 200～1 240℃的范围内时，白云石的烧损率为 46.8%～47.6%符合工艺要求，而当微波加热温度低于 1 200℃或高于1 240℃时，属于欠烧和过烧。因此，选择微波加热温度为1 210℃，其白云石烧损率介于 46.5%～47.5%中间，为第二阶段微波加热实验的固定加热温度，以确定不同微波加热时间对白云石烧损率的影响。

2.1.3 第二阶段传统加热实验

加热温度不变，每组煅烧温度均为1 275℃，煅烧时间对烧损率的影响情况列于表4。

表4 白云石煅烧时间与烧损率的关系

2.1.4 第二阶段微波加热实验

微波加热温度不变，每组微波加热温度均为1 210℃，加热时间对烧损率的影响情况列于表 5。第二阶段传统加热和微波加热两种方式下，加热时间对烧损率的影响关系曲线如图 4所示。

表5 微波加热白云石的时间与烧损率的关系

图 4 两种加热方式下白云石煅烧时间与烧损率的关系

与第一阶段的实验分析类似，由表4和图 4分析可知，当煅烧温度恒定时，白云石的烧损率随煅烧时间的增加而增大。在 140～180 min时间范围内，白云石的烧损率为46.5%～47%，煅烧效果较佳，即所得的煅白质量较好。

由表 5和图 4分析可知，白云石的烧损率也随微波加热时间的增加而增大。当微波加热时间为100～130 min时，白云石的烧损率为 46.5%～47.2%，煅白的质量较好。而超过此范围，煅白的质量均较差。

综上所述，为了更好地控制煅烧的条件，防止欠烧和过烧现象的产生以得到较好质量的煅白。采用传统加热方式，需将白云石在 1 250～1 300℃的温度下，煅烧 140～180 min。而采用微波加热方式，仅需将白云石在1 200～1 240℃的温度下，加热100～130 min。两种加热方式比较可知，微波加热方式比传统加热方式所需的加热温度低50～60℃，所用的加热时间少 40～50 min。

2.2 白云石煅烧温度和时间对煅白的水化活性度的影响

煅白的水化活性度是指煅白中的 CaO与 MgO的吸水能力，与煅烧条件（温度、时间、白云石块度）有关。煅白过烧、欠烧，水化活性度都会降低，低于某标准值时，镁的还原效率会很低，不利于生产。根据理论计算［8］，煅烧白云石的水化活性度在煅烧条件较好的情况下可达36%左右。

煅白的水化活性度可以用实验方法测定。称取3 g煅白，置入称样瓶中，加入 5 m L水，然后将称样瓶放在烘干箱内于 150℃温度下烘 1.5 h，再称其质量，按下式计算，即可算出水化活性度。

式中 W′1为煅白的质量／g；W′2为吸湿烘干后煅白的质量／g。

如果白云石煅烧条件控制较好，实际测量值应与根据煅白中的 MgO、CaO的含量计算的水化活性度相近，因此实验所测的煅白的水化活性度的值应在36%左右。如果不同则说明煅白中的 MgO或CaO不具有活性或反应性，那么这种煅白不是过烧就是欠烧。

2.2.1 第一阶段传统加热实验

当每组煅烧时间均为 180 min时，煅烧温度对水化活性度的影响情况列于表 6。

表6 煅白的水化活性度与煅烧温度的关系

2.2.2 第一阶段微波加热实验

第一阶段实验，当微波加热时间均为 150 min时，加热温度对水化合性度的影响情况列于表 7。传统加热与微波加热两种方式下，加热温度与水化合性度的关系曲线如图5所示。

表7 微波加热白云石的温度与水化活性度的关系

根据白云石煅烧温度与烧损率关系实验分析可得，煅烧温度在1 250～1 300℃范围内时，白云石的烧损率符合工艺要求。由表 6和图 5分析可知，煅白的水化活性度随煅烧温度的升高而增大。在1 250～1 300℃的温度范围内，煅白的水化活性度为 35.3%～37.0%，符合理论值要求，即煅烧条件控制得较好。

图 5 两种加热方式下白云石的煅烧温度与煅白的水化活性度的关系

根据表 7和图 5分析可知，在微波加热条件下，煅白的水化活性度随加热温度的增加而增大。而到达一定温度后，水化活性度有降低的趋势。由白云石微波加热的温度与烧损率关系的结果分析可得，当微波加热温度在 1 200～1 240℃时，满足工艺上对白云石烧损率的要求。而在此加热温度范围内，煅白的水化活性度为 35.7%～37.7%，与理论计算值相近，故在此加热温度范围内，煅烧条件控制得好，煅白的活性较大。

2.2.3 第二阶段传统加热实验

第二阶段实验，每组煅烧温度均为1 275℃，煅烧时间对水化活性度的影响情况列于表 8。

表8 白云石煅烧时间与水化活性度的关系

2.2.4 第二阶段微波加热实验

每组微波加热温度均为1 210℃，加热时间对水化合性度的影响情况列于表 9。第二阶段传统加热与微波加热两种方式下，加热时间对煅白的水化合性度的影响的关系曲线图如图 6所示。

表9 微波加热白云石时间与水化活性度的关系

图 6 两种加热方式下白云石的煅烧时间与煅白的水化活性度的关系

由煅烧时间和白云石烧损率的关系实验与表8和图6分析可知，在1 250～1 300℃温度下煅烧140～180 min获得的煅白具有较好的水化活性度，煅烧的条件控制得好。如当煅烧时间为 150 min时，煅白的水化活性度为 35.3%，符合理论计算值的要求。

对于微波加热实验，根据表 9和图 6与前段实验分析可知，在微波加热温度为 1 200～1 240℃的范围内加热 100～130 min获得的煅白水化活性度为35.3%～37.3%，煅白的水化活性度较高。如当微波加热时间为 100 min时，煅白的水化活性度为35.3%。但当加热超过一定时间后，煅白的水化活性度有下降的趋势，说明白云石出现过烧现象。

综合分析，在满足烧损率为 46.5%～47.5%要求的前提下，传统加热温度在1 250～1 300℃范围、煅烧140～180 min；微波加热温度在1 200～1 240℃范围、加热 100～130 min时，所得的煅白的水化活性度均与理论计算值36%相差不大。说明在这温度范围内，煅烧的条件控制较好，所得的煅白质量较高，煅白的活性也较大。

3 结论

在达到炼镁工艺所需的较好煅白质量的条件下，采用微波加热白云石的方式比传统煅烧方式所需的加热温度更低、加热时间更少。因此，通过反映机理研究证明［9］及实验数据均表明微波加热白云石生产煅白是可行的，并具有环保、高效的优越性。随着大型工业微波炉设备的不断改良，该工艺具有未来工业化生产的价值。

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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，硕士，主要从事有色金属材料工艺研究。