微波加热技术在冶金工程中的应用

赵秀峰,李峰,孟浩杰,白洋

（中国铝业郑州有色金属研究院有限公司，河南郑州 450041）

“碳中和”目标的提出，促进能源科技不断创新，朝向更高的目标发展，对冶金行业生产技术的要求也在不断提高。近些年来，冶金企业充分利用各种技术手段改善工作环境、降低能耗等。其中，微波加热技术因其具有选择性加热、均匀加热、快速加热、无污染、控制精度高等优点[1],在微波干燥、微波烧结、碳热还原等发挥了重要作用。

1 微波加热技术

微波加热技术是利用物料吸收微波能，使物料中极性分子与微波电磁场相互作用，使电磁能转化为热能的一种技术。受磁场的作用，当有极分子电介质和无极分子电介质置于微波电磁场中时，介质材料中会形成偶极子或使已有的偶极子重新排列，并随着高频交变电磁场以每秒高达数亿次的速度摆动，分子要随着不断变化的高频电磁场的方向重新排列，就必须克服分子原有的热运动和分子相互间作用的干扰和阻碍，产生类似于摩擦的作用，这个过程就会使得电磁场能量逐渐转化成新的热能，使介质温度出现大幅度地提升，单位体积内介质吸收的微波功率Pa与该处电场强度及频率有下列关系:

式中:Pa为单位体积内介质吸收的微波功率;ε0为真空中的介电常数,ε0=8.85×10-12F/m；ε′为介质的介电系数，是使表征介质极化程度的参量；tanδ为介质的损耗正切，是使表征介质损耗的参量；f为微波工作频率。

微波技术据此对物质进行作用，从而进行加热升温[2]。微波加热与传统加热方式有很大不同：传统加热方式是传导式加热，是一种通过外部热源由表面到内部的加热方式。微波加热是从对象材料内部进行，通过对象内部耗散来对目标进行加热。微波加热方式与传统方式相比也有其明显的优势：由于微波加热方式的受热目标直接成为发热体，所以在加热的过程中，不需要经历热传导的过程，从而提升受热速度；在微波的作用下，物质的原子和分子会发生高速振动，为化学反应建立更为有利的环境，从而降低能耗。另外，微波加热速度快，微波本身不会产生废渣、废气等有害物质，也更利于环境保护。

2 微波加热技术在冶金中的应用

目前，微波技术在冶金行业得到了广泛应用，主要应用在干燥处理、烧结、碳热还原等方面。

2.1 微波干燥技术

在冶金、化工工业生产中，干燥的过程是将物料中水分由液态变成气态。这需要外界提供较高的汽化潜热，因此能耗较高。每年用于传统工业干燥的能耗约占全球总能耗的15%以上[3]。为提高干燥速度，传统干燥工艺往往需升高物料外部温度，加大温差梯度，随之而来的是出现物料外焦内生的现象。然而，在常压条件下，微波干燥不同于传统干燥方式。微波加热不需要任何热传导过程，直接通过微波在物料内部的介电损耗将能量转移给分子或原子。由于水的介电损耗因素远大于一般矿物或材料，微波能选择性加热水分，而不是物料整体受热，所以在干燥过程中微波辐射对水分的脱除具有独特的优势。基于此，微波干燥技术能使物料内层和表层水分同时被选择性加热，并瞬间汽化，从而使水分快速地由物料内部转移至空气中。尤其在真空条件下，水的沸点远低于100℃。在这种状态下，干燥温度更低，干燥速度更快。

与通过辐射达到干燥的传统技术相比，微波干燥技术因其独特的加热、传热机理，使其具有加热速度快、干燥效率高、温度控制容易、能耗低等优点，能更加有效地对物品起到保护作用[4]。尤其在某些特定场合，如三元材料合成后的物料干燥，微波干燥的加热特点可以保证物料粒径分布不发生变化。

2.2 微波烧结技术

微波烧结是利用微波技术对材料进行加热。与常规烧结相比，微波烧结具有烧结速度快、高效节能以及改善材料组织、提高材料性能等一系列优点。21世纪以来，随着人们对纳米材料研究的重视，微波烧结技术在制备纳米块体金属材料和纳米陶瓷方面具有很大的潜力，被誉为“21世纪新一代烧结技术”。

由于微波电磁场的频率很高，使材料内部的介质极化过程无法跟随外电场变化，极化强度矢量P总是滞后于电场E，导致产生与电场同相的电流，从而构成材料内部的耗散。在微波波段，主要是偶极子极化和界面极化产生的吸收电流构成材料的介质耗散。单位体积材料在微波场作用下的升温速率为：

式中:f为微波工作频率；ε′为材料介电损耗；ε0为空间介电常数；E为微波电场强度；Cp为材料热容；ρ为材料密度。

微波烧结的功率决定了微波烧结场场强的大小，升温速率与烧结场场强、材料热容和材料密度密切相关。这对进行微波炉设计和进行试样烧结时对实验参数的设计提供了一个基本依据[5]。与常规烧结相比，微波烧结具有如下特点：1)烧结温度大幅度降低，与常规烧结相比，最大降温幅度可达300℃；2)比常规烧结节能30%～50%，大幅减少烧结能耗费用；3)安全无污染；4)使用微波法快速升温和致密化可以抑制晶粒组织长大，从而有助于制备纳米粉末、超细或纳米块体材料；5)烧结时间缩短；6)能实现空间选择性烧结。

微波烧结技术的研究与工业化应用尽管还处于发展早期，但它展现出了常规烧结技术无法比拟的优点[5-6]，预示了它具有广泛的发展前景。随着微波烧结设备朝着更高功率密度、自动化、智能化方向的发展，微波烧结技术必将成为最具应用前景的新一代烧结技术。

2.3 微波碳热还原

碳热还原是冶金工程中重要流程，保证碳热还原率对于提升冶金工程产成物纯度和该项工程整体质量起到无可替代的作用。但是冶金工程中碳热还原过程容易受外在因素的干扰。

微波作为一种辐射型加热能源，不依靠物料颗粒间传递热量，而是依靠物料自身在介电性质转换微波能的过程中产生热量。碳作为还原剂，可以有效地吸收微波实现快速升温，使其还原力得到增强。微波碳热还原技术的目的就是利用碳吸收微波后温度升高，从而还原氧化物，得到用于冶金的金属和化合物[7]。这对大部分碳还原金属氧化物的反应来说都是有利的。但对于少数金属氧化物，如Cu2O，由于该氧化物的还原反应是放热反应，升高温度反而不利，所以此时微波碳热还原技术并不适用。

将微波还原技术应用到含碳矿物质冶炼过程中，还能提高含碳矿物质加热速率，继而强化含碳矿物质冶炼在冶金工程中的地位，不断提高含碳矿物质在冶金工程中的应用价值[8]。而且通过微波还原技术还能改善冶金工程中传统加热方式潜藏的问题，提高含碳矿物质内部能量聚集效率，继而为含碳矿物质的冶炼打下坚实基础[9]。对于冶炼过程中含碳矿物质出现的“冷中心”问题来说，相关人员也可以借助微波还原技术进行优化。

3 结论

综上所述，微波作为新世纪的清洁能源，具有独有的加热特点及优势。然而，目前微波技术在冶金工程中的工业化程度有限，主要原因如下:1)微波冶金大型化、专业化设备研制落后，大功率、高温专用微波设备研制能力不足;2)对微波与物质作用机理还有待进一步深入研究;3)在高温及高真空的条件下，用微波加热会产生放电现象即微波效应。如何在微波技术的设计与应用过程中,避免这种微波效应还有待进一步研究。

未来，相关研究者和从业人员应该适应发展需要，加强微波技术与其他外场技术的结合，提升技术联合能力，充分利用微波技术优势，相信随着高新技术的发展和对微波技术的研究日益深入，微波在冶金领域必将发挥更为重要的作用，具有着广阔的应用前景。