微波在冶金材料加工中的应用现状

陈少锋

（陕西地矿集团汉中地质大队， 陕西 汉中 723000）

采用微波复介电常数测量系统来进行温度的测量、微波频率为2 450 MHz的典型冶金材料的含水量和密度。本文对低温分子筛的介电性能进行研究，提出微波干燥过程的高功率密度控制,研究氧化锌烟在室温、高温、微波加热条件下的室温介电性能，采用响应面法优化微波干燥和微波焙烧工艺参数[1]。

1 微波助磨

矿物一般是指含有一定有用的矿物质或者矿石产物的物质。当对矿物进行微波加热的时候，由于不同矿物的介电性能会存在一定的不同，所以微波加热场的速率也不同。微波加热可以加热矿石到不同所需的温度。微波谐振腔材料的加热特性及其在微波谐振腔中的电磁场分布的测量是很困难的。用模拟方法建立一个简单的模型来研究微波加热的微波加热特性是一种可行的方法。利用微波加热模拟煤矸石矿物中的二维圆形颗粒，结果表明，晶界剪切应力最大，矿物加热阶段越短，就可以越早进入非热相，进一步增加剪切应力增加离解可能性。通过比较微波辐射时间和磨削指数，随着辐照时间的增加，磨削能耗降低。

微波能产生于微波与材料相互作用的过程中，研究微波能对于研究微波与材料的相互作用机理具有非常重要的意义，其中研究物体的分子结构和对外界电磁场的响应能力也是必要的。

根据微波预处理对高灰煤粉磨影响的研究结果表明，煤的热应力产生的裂纹是由于微波辐射引起的。X衍射分析表明，微波辐照的煤比非辐射有较高的晶体衍射峰。煤粉微波辐照120s可降低磨矿能耗15%。

在微波预处理对铁矿石磨矿影响的研究过程中可以看出，微波可以用来改变材料的微观结构，影响的原理是热应力引起的裂缝，XRD还可以增加矿物的结晶度。通过棒磨指数的计算，微波预处理也大大缩短了磨矿时间和能耗。范军研究了铁矿的微波加热，研究表明，大小矿中介质损耗因子可以快速加热到较高。微波介质损耗低的脉石矿物不能用微波加热。微波介质材料介电特性对铁矿石介电性能的影响温度不同，产生了选择性加热效应。结果表明，各矿物相的热应力均有助于裂纹的形成和改善。

在微波和矿物机理领域中还需要了解材料的传热系数、介电性能、热应力分布、温度场和微波场等参数。利用微波功率、微波操作时间、单位产量等，加大磨削领域微波加热技术的进一步应用研究[2]。

2 微波干燥

干燥，是指潮湿物质在经过加热后，水或其他溶剂蒸发除去的过程。干果、食品制作、陶瓷、化工、药品生产到选矿、造纸、木材加工等行业都会运用到干燥的过程。

由于水是一种典型的极性介质，因此物料温度和蒸发量变化在整个被干燥物内同时进行。材料表面由于蒸发冷却使材料表面温度略低，就在外界形成了温度梯度。同时，由于热源在干燥过程中，内部热产生的内蒸汽迅速产生，由内外物质形成了压力梯度。如果初始含水量很高，则内部压力迅速增加，并且水在压力梯度作用下迅速被排除在材料之外。材料的能量和湿度不完全依赖于干燥介质和导热系数。从以上分析可以看出微波干燥具有从内到外干燥的特点。在干燥的所有技术中，微波加热技术具有显著的优势，这是由微波的选择性加热决定的。干燥过程中的游离水具有良好的微波吸收，而微波能量一般都是用于汽化潜热的过程中。因此，微波干燥能量得到了最大程度的利用[3]。

通过将常规的干燥方法和褐铁矿微波干燥方法进行对比研究，发现与传统的热风干燥相比较，微波干燥的脱水速率高出常规干燥的数倍。微波干燥在去除水中的自由水的同时，还能将水结合在一起。由于材料介电性能的改变，干燥过程不同。当材料的含水量大于15%时，水分对混合料介电性能的影响较大，水分的大小决定了材料对微波的吸收能力，微波能被水吸收大部分的热量。当湿度达到5%时，由于含水量较低，材料的介电常数起着决定性的作用。当材料本身吸收微波能量时，温度对介电常数的复杂依赖起着决定性的作用[4]。

采用理论模型和微波干燥工业化相结合的方法开发矿物，总结了微波干燥技术在矿物干燥中的应用优势，可以预测微波干燥将为物料干燥过程开辟一条新途径。冶金工业具有独特的加热特性和干燥机理。微波快速干燥生产线已广泛应用于冶金工业生产中。但在微波干燥的相关理论研究中发现，水介质的介电性会在干燥的过程中产生变化。因此，在后面微波与含水材料相互作用的深入研究中，主要针对水介质的介电特性的特殊化，选择适合的微波干燥工艺设备和适合的设计参数，使得微波干燥矿物的节能效果最大化。

3 微波还原

刘鹏等研究了含钒磁铁精矿的微波碳热还原反应，还研究了铜精矿和碱式碳酸铜精矿的微波热还原反应。用空腔法测定了两种材料的复介电常数分别为2.45 GHz和915 MHz。在同一时间，温度范围为25～800℃，表明铜具有良好的微波吸收特性，介电常量为1.9～36.3，它可用于微波热还原，而碳酸铜的铜吸收率较低，铜氧化物的升温速率比铜快得多，针对微波功率的影响，研究了还原剂、碳含量和矿物粒度对微波还原的影响。只有以褐煤为还原剂，不能还原碱式碳酸铜，由于材料的吸收特性较低。添加5%石墨作为还原剂，可以快速加热。在800 W微波辐照下，碱金属铜还原率为90%。微波加热对铁矿石微波还原的影响结果表明，赤铁矿和无烟煤还原剂具有良好的介电性能。石灰石粉对微波的吸收相对较差。含碳铁矿石粉的升温速率与微波功率有关，微波辐射区和混合材料的介电性能和材料的重量有关。微波加热含铁矿石粉的密度和热容与加热速率成反比。比含碳铁矿粉要高，含碳铁矿粉的金属化率为90%，得到了较好的还原效果。

尽管微波热还原技术可以简化生产过程，还有很多问题需要解决，比如：各种冶金材料的介电特性是不够的，具有的微波频率特性，特别是随着温度的变化还需要进一步测量，材料渗透温度上升速率、微波功率吸收和微波场下的温度测量都是基于介电性能的。为了促进微波碳还原技术在冶金中的应用，需要开展大量工作。

4 微波焙烧

氧化锌烟尘作为重要的锌资源，已被回收利用。由于氧化锌烟氟和氯的含量高，在冶炼过程中，设备和管道腐蚀严重，属于氯氟材料，锌的吸波强，铅的氧化物和硫化物材料的吸波性能较弱，因此，微波选择性加热用于改善挥发性杂质（氯化物），去除氯并达到目标。0.12%和0.08%的氯及碳烟材料均采用微波烘烤处理，温度550～6 500℃，保温保存10～30 min，氟化率分别为92%和80%。

5 微波辅助浸出

微波加热速度快，化学物质溶解速率较高，因此该技术用于研究矿石中矿物的浸出。微波辅助浸出红土的方法是将矿石与氯化物绞合后，在1 200 W下加热，温度为177～312℃，然后浸出80 mL水，镍和铁矿的浸出率分别为70%和80%。还研究了微波加热下含氧化物和硫化物矿物的铜精矿的氯化反应。

可以看出，微波在冶金领域的应用上面具有广阔的前景，在工业化方面也有一定的应用前景。为了使微波技术在冶金中得到广泛应用，特别是在高温下，需要获得大量的矿物介电特性（介电常数）。基于此，研究微波加热颗粒最佳的尺寸，最佳的材料层厚度等对冶金材料的密度和微波功率的影响，可以指导微波谐振腔的设计。介电参数范围内材料微波加热室的设计，优化了微波加热工艺，扩大了微波加热在冶金领域的应用。

6 结语

研究材料复介电常数对电磁场分布及温度场分布的影响，微波加热腔中的材料受温度变化的影响，冶金材料的介电常数和介电损耗因子的含水率和密度、化学成分的变化对选择合适的微波加热工艺和发展微波加热具有重要的指导意义。

[1]范先锋.微波能在钦铁矿选矿中的应用[J].国外金属矿选矿，2015（2）：2-7.

[2]陈津，刘浏，曾加庆，等.微波加热还原含碳铁矿粉试验研究[J].钢铁，2014，39（6）：1-5.

[3]彭金辉，杨显万.微波能技术新应用[M].昆明：云南科技出版社，2007.

[4]苏永庆，刘纯鹏.微波加热下硫酸浸溶黄铜矿动力学[J].有色金属，2000，52（1）：62-65.