钨精矿的微波干燥过程优化研究

曾 志，王毅芳

（湖南柿竹园有色金属有限责任公司，湖南 郴州 423037）

0 引言

钨精矿干燥工序是处理矿物精矿加工生产过程中的一个重要工序，也是制约产品质量和产量的一个重要环节。

湖南柿竹园某多金属选厂钨精矿干燥原采用蒸汽炉干燥工艺，存在着高能耗、使用效率低、干燥耗时长、环境污染严重等弊端，研究提出了钨精矿用微波干燥的方法，并针对工艺过程中的参数和工艺流程设计等关键技术，采用理论分析与工业模拟试验相结合的方法开展相关研究工作。

在生产现实情况中由于物料中的水分优先吸取了大量微波能，在短时间内形成了较高的蒸汽压，使物料中的水分快速的逸出物料表面。减少了对物料的整体加热，降低了能耗。由于其独特的干燥方式具有干燥时间短、干燥速度快、热能利用率高、产品干燥度高、生产易控制等优点，从而使得该技术能较好地适应现代矿物精矿干燥的生产需要，能有效地改善传统干燥方法、减少环境污染存在的缺点。

1 微波干燥原理与系统结构

微波干燥的本质是将微波与被干燥产品直接相互作用，将电磁能瞬间转化为热能，利用介质的损耗，实现对被干燥产品的快速脱水干燥的过程。由于物料中水分子的损耗因子大能大量的吸收微波能转化为热能，微波加热热量在被加热物料内部产生，这样里外一起热不仅温度均匀，而且内部温度高于外部，温度梯度方向和水分梯度的方向相同。传热和传质方向一致，从而促使物料内部水分迅速蒸发。内压梯度的形成使水分迅速扩散到表面，使干燥时间短得多。微波通过与产品直接相互作用将电磁能在瞬间转化为热能，实现对产品的快速脱水干燥的过程。微波干燥设备主要由进出料端抑制腔、微波干燥炉腔、排风系统、传动装置、电控系统、水路系统、微波磁控管等部分组成。系统如图1所示。

微波加热是通过微波磁控管产生一个与上述原理相同的交替变化的外电场，通过微波场与介质分子的相互作用迅速加热。

2 试验方案

2.1 试验方案设计

将微波功率因素设定为3个不同功率（分别为1 000 W、700 W、400 W），时间因素共4个水平方案进行拟定。每次试验时时间控制在5 min内。

根据3不同功率的设置，对黑钨精矿开展试验，共计3×5=15个试验。

（1）试验仪器设备及性能参数。主要仪器：微波加热设备采用的是RWD型连续式微波烘干加热器设备（湖南中晟热能科技有限公司），微波频率为2 450 MHz，功率范围处于0～1 000 W。

图1 微波干燥系统结构Fig.1 Structure diagram of microwave drying system

（2）试验步骤。单个试验每次称取钨精矿物料质量100 g，物料在初次称重时选用干燥洁净的容器，用电子天平称取100 g的钨精矿物，记录初始质量W0（g），数值精确到0.1 g；将称取的矿物放入微波加热器中，物料在干燥设定的微波功率和干燥时间进行干燥；对干燥物料称重并记录W0的数据进行必要的数据处理，得到为分析所用的结果；对从微波加热器取出的物料用电子天平称取物料干燥质量W∞。单次试验完成，循环进行不同功率、不同时间条件下的试验。

（3）钨精矿微波干燥过程中的瞬时含水率。通过取样分析测试，计算钨精矿微波干燥过程中的瞬时含水率。

式中：M为物料含水量，%；W0为物料原始质量，g；W∞为物料干燥质量，g。

计算微波干燥钨精矿相对脱水率：

式中：φ为相对脱水率，%；Wt为t时刻物料质量，g；其他同上。

计算微波干燥钨精矿相对脱水速率：

式中：v为脱水速率，%；Wt1为t1时刻物料质量，g；Wt2为t2时刻物料质量，g。

2.2 试验结果讨论与分析

2.2.1 试验结果

黑钨精矿取样均为日常生产中的产品，分别从黑钨压滤机压干后混合均匀的取1 500 g，平均分配15组，每组100 g。1～5组对应1 000 W功率，每组干燥时间依次是 60 s、120 s、180 s、240 s、300 s，将每次测定的对应时刻的含水率换算出最终干燥时含水率，取5次含水率的均值为其最终的含水率值，得到该功率1 000 W下相对脱水率取值。其他700 W、400 W时情况类比于1 000 W的方法。试验结果分别列入表1。

表1 微波干燥黑钨精矿试验结果Tab.1 Experimental results of microwave drying and black tungsten concentrate

2.2.2 讨论分析

通过试验，验证微波干燥物料过程中水分含量和干燥时间的函数关系模型，运用MATLAB软件绘制曲线图，并将试验结果与理论曲线比较，绘制功率为1 000 W时微波干燥规律曲线（图2）。

图2 功率为1000W时黑钨精矿微波干燥规律曲线Fig.2 Microwave drying rule of black tungsten concentrate under1 000 W

同样运用MATLAB软件绘制曲线图，并将试验结果与理论曲线比较，分别绘制功率为700 W和400 W时微波干燥规律曲线图（图3和图4）。

图3 功率为700W时黑钨精矿微波干燥规律曲线Fig.3 Curve of microwave drying of black tungsten concentrate under 700 W

图4 功率为400 W时黑钨精矿微波干燥规律曲线Fig.3 Curve of microwave drying of black tungsten concentrate under 400 W

从图2～图4中曲线可以看出，理论预测和试验结果是存在误差的，但理论预测和试验结果之间具有相同的变化趋势。即在增速、恒速干燥时预测值与试验结果具有良好的拟合效果，而在减速干燥时存在误差较大。

误差计算：

式中：Δ为误差；W计为理论计算含水率，%；W实为试验计算含水率，%。将误差计算结果统计，列入表2。最大误差为黑钨精矿的4号试验样品，造成以上误差可能与物料在试验中厚度不均匀有关。

表2 微波干燥黑钨精矿试验结果 %Tab.2 Experimental results of microwave drying and black tungsten concentrate

3 结论

黑钨精矿均匀的取样1 500 g，平均分配15组，每组100 g共15组试验。工业试验结果表明：不同含水率的样品，在同功率情况下脱水时间长的比脱水时间短的脱水率好。蒸汽灶烘干黑钨水分在3%～4%，经微波干燥后的黑钨精矿水分在1%以内。试验表明该装置满足了黑钨精矿干燥生产工艺的要求，提高了黑钨精矿产品的质量，并降低了生产成本。

随着高新技术的发展和对微波干燥技术研究的日益深入，微波干燥设备将朝着更高功率、自动化及智能化方向发展，微波干燥技术大规模的应用在矿业和精矿干燥过程中将会有较广阔的前景。