微波技术在冶金中的应用

2013-09-28

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微波技术在冶金中的应用

微波加热在冶金中的应用是近年来发展起来的冶金新技术，世界上的一些发达国家如美国、英国、德国、日本、加拿大、澳大利亚等都很重视这一新技术的研究，我国也在八十年代开始了这一领域的研究工作。微波加热在冶金中的应用虽然还处于发展阶段，但已经取得了很多极其重要的研究成果，例如：用微波（2450MHz，800W）对炭和17种氧化物及硫化物进行辐射，一些化合物在一分钟内就能被加热到摄氏几百度。

实验证明：微波加热能够促进氧化镍、氧化钴和氧化锰矿在浸出前的预还原，能够促进硫化钼和硫化铼的焙烧和氯化，几乎所有工业上使用的金属都可以用微波进行处理。八十年代后期，微波加热被用于矿石的破碎、难选金矿的预处理、从低品位矿石和尾矿中回收金、从矿石中提取稀有金属和重金属、铁矿石和钒钛磁铁矿的碳热还原、工业废料的处理等等。

微波加热与传统加热不同，他不需要由表及里的热传导，而是通过微波在物料内部的能量耗散来直接加热物料。根据物料性质（电导率、磁导率、介电常数）的不同，微波可以直接而有效地在整个物料内部产生热量。

微波在冶金中的应用具有以下传统加热方式无法比拟的优点：

　　（1）选择性加热物料，升温速率快，加热效率高；

　　（2）微波能够同时促进吸热反应和放热反应，对化学反应具有催化作用；

　　（3）当用微波加热代替传统加热时，熔炼和其他高温化学反应可以在十分低的温度下进行，即微波加热具有降低化学反应温度的作用；

　　（4）微波能可以使原子和分子发生高速振动，从而为化学反应创造出更为有利的热力学条件；

　　（5）微波很容易使极性液体（例如水、乙醇、各种酸碱溶液等）加热，因而微波加热可以用来促进矿物在溶剂中的溶解，提高湿法冶金过程中的浸出速率和降低过程中的能耗；

　　（6）微波本身不产生任何气体，所须净化的只有还原或氧化反应产生的气体，因而利于环保；

（7）易于自动控制；设备操作简便，没有热惯性，能根据生产工艺要求实时调控。整条生产线只需1～2名操作工。

矿物在微波场中的升温性能

　　金属矿石通常是指从矿床开采出来的固体物质，一般由有用的金属矿物和伴生的脉石矿物组成，是矿物的集合体。用微波加热对矿物进行处理，其处理的效果往往与矿物（被处理物料）本身的电导性能和物料的组成及结构有关。

　　1、电导对升温速率的影响

　　由于微波是介于无线电和光波之间的超高电磁波（通常频率在100MHz~100000MHz），因此，微波对物料的加热升温速率首先取决于物料的电导和透射深度。研究表明：绝缘体型矿物的电导很小（σ<10-81/Ωｍ），几乎不能吸收微波，对微波是透明的；电导性矿物具有很好的电导性能（σ＞1061/Ωｍ），微波在这类矿物中的能量损耗很大，但透射深度很小，因而升温速率不是很快；半导体型的矿物（σ=10-81/Ωｍ~1061/Ωｍ），其介电损耗因子较大、同时微波的透射深度较大，因而能很好地吸收微波，其升温速度一般较大。

　　2、矿物组份及结构对升温速率的影响

研究结果表明：影响矿物升温速率的另一个重要因素是矿物的组成和结构，即矿物的升温速率与矿物的离子类型、离子半径、键型和杂质含量直接相关。单质元素基本都能被微波加热，其中碳的微波加热升温速率最快，仅60s就可以加热到1556K，因此，常用碳作为金属氧化物的碳热还原添加剂。大多数的硫化矿和硫化物具有较大的升温速率，这主要是由于它们在微波频率段具有较大的介电常数。但是，对于不同正离子，矿物和化合物的升温速率有所不同：含有Fe2+，Co2+，Ni2+，Mo4+，Cu+，Sn2+，Pb2+的矿物和化合物具有较快的升温速率，而含有Sb3+，Zn2+，Ag+的矿物和化合物则升温速度相对较慢，其根本原因在于前者以过渡键型为主，后者则主要为共价键型。大多数的氧化矿和氧化物具有较大的升温速率，其中含有Fe3+，Fe2+，Mn4+， Cu+，Sn4+，Pb2+，Sb3+的氧化矿和氧化物的升温速率与硫化矿和硫化物相似。含氧盐矿物和卤化物与其他矿物和化合物相比在微波下的升温速率较低。除矿物键型以外，升温速率还与矿物杂质含量有关，通常情况下，含有一定杂质的矿物和化合物具有更好的升温速率，例如：锡石和纯二氧化锡相比，虽然其化学组成都是SnO2，但锡石的升温速率为19.7（K/s），而纯二氧化锡的升温速率为4.75（K/s）。

微波加热对矿石显微结构的影响

　　矿石中通常含有多种矿物（包括有用矿物和脉石矿物），当用传统方法加热时，矿石中各种矿物的升温速率基本相同，它们被加热的温度也大致相同，在矿物之间不会产生明显的温度差，如果在加热过程中没有晶型转变、相变或化学变化发生，则矿物的显微结构通常不会因加热而发生明显变化。当用微波加热时，情况则大不相同，由于组成矿石的各种矿物具有不同的性质，它们在微波场中的升温速度各不相同，因而矿石中的不同矿物会被微波加热到不同的温度，由于微波能够加热大多数有用矿物，而不加热脉石矿物，因而在有用矿物和脉石矿物之间会形成明显的局部温差，从而使它们之间产生热应力，当这种热应力大到一定的程度时，就会在矿物之间的界面上产生裂缝，裂缝的产生可以有效地促进有用矿物的单体解离和增加有用矿物的有效反应面积，对于降低磨矿成本﹑提高选矿回收率和加快冶金反应速率，具有重要的实际意义。用扫描电子显微镜（SEM）对各种金属氧化矿和硫化矿的应力断裂研究表明，矿石的显微组织在微波辐射前后明显不同，经过微波辐射以后，可以观察到矿石发生了热应力断裂，矿石与脉石被分离。

矿物的微波加热分解

　　用于冶炼过程的矿石多由各种化合物组成，重要的化合物有碳酸盐、氧化物、硫化物和氯化物等。化合物加热到一定的温度时，它可以分解为一种更为简单的化合物和气体。化合物的热分解过程需要吸收大量的热，反应的速率通常受传热控制。采用传统加热方法时，热量不能有效地从化合物表面传递到内部，致使分解过程的速率低、能耗高。由于微波可以直接在化合物内部产生热量，因而能够有效地加快化合物的分解速率和降低过程的能耗。

　　1、二氧化锰的微波加热分解

　　在用铝热还原法从锰的氧化物生产金属锰时，Mn3O4在MnO2、Mn2O3、Mn3O4和 MnO中具有最佳的含氧量。它既能保证反应以适当的速率进行，产生足够的温度，又能保证过程的安全。含氧量过高将会导致爆炸的危险或使过程失去控制，而含氧量过低则会使反应热不足以使物料熔化，致使金属和炉渣不能很好的分离。因此，为了使过程能够顺利进行，必须对氧化物或矿石的含氧量进行调整。调整含氧量的方法之一是在1273～1373K的温度下通过热分解将MnO2转变成Mn3O4。应用微波加热取代传统的传导加热来促进MnO2分解成Mn3O4，将会提高反应的速率和降低过程的能耗。

　　使用的MnO2是化学纯的化学试剂（98.5%）。Mn3O4是在空气气氛及1273K的条件下分解MnO2制取的，经X射线衍射（XRD）分析证实分解产物完全由Mn3O4组成，MnO2和Mn3O4的粒度小于0.087mm。实验前，MnO2和Mn3O4在378K干燥12h，每次实验的样品重量为15g，在空气气氛下，分解实验在2450MHz，650W的微波炉和硅碳棒加热的管式炉中进行。实验时，将粉状样品置于石英坩锅（15cm×Ø5cm），并悬挂在电子天平上以测定样品的失重。微波加热样品的失重从一施加微波能就开始测定，而传统加热分解的失重则在恒温条件下测定。

　　MnO2和Mn3O4在空气气氛下分别用微波进行辐射。它们所达到的温度为时间的函数，如表一所示。显然，MnO2具有很快的升温速率，而Mn3O4则几乎不能被加热。因此微波能可以有效地用来加热MnO2而不是Mn3O4，从而降低过程的能耗。微波对MnO2和Mn3O4的选择性加热对于MnO2的分解十分有利。

表一 MnO2和Mn3O4的微波加热升温速率