微波技術在冶金中的應用

2013-09-28

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微波技術在冶金中的應用

微波加熱在冶金中的應用是近年來發展起來的冶金新技術，世界上的一些發達國家如美國、英國、德國、日本、加拿大、澳大利亞等都很重視這一新技術的研究，我國也在八十年代開始了這一領域的研究工作。微波加熱在冶金中的應用雖然還處于發展階段，但已經取得了很多極其重要的研究成果，例如：用微波（2450MHz，800W）對炭和17種氧化物及硫化物進行輻射，一些化合物在一分鐘內就能被加熱到攝氏幾百度。

實驗證明：微波加熱能夠促進氧化鎳、氧化鈷和氧化錳礦在浸出前的預還原，能夠促進硫化鉬和硫化錸的焙燒和氯化，幾乎所有工業上使用的金屬都可以用微波進行處理。八十年代后期，微波加熱被用于礦石的破碎、難選金礦的預處理、從低品位礦石和尾礦中回收金、從礦石中提取稀有金屬和重金屬、鐵礦石和釩鈦磁鐵礦的碳熱還原、工業廢料的處理等等。

微波加熱與傳統加熱不同，他不需要由表及里的熱傳導，而是通過微波在物料內部的能量耗散來直接加熱物料。根據物料性質（電導率、磁導率、介電常數）的不同，微波可以直接而有效地在整個物料內部產生熱量。

微波在冶金中的應用具有以下傳統加熱方式無法比擬的優點：

　　（1）選擇性加熱物料，升溫速率快，加熱效率高；

　　（2）微波能夠同時促進吸熱反應和放熱反應，對化學反應具有催化作用；

　　（3）當用微波加熱代替傳統加熱時，熔煉和其他高溫化學反應可以在十分低的溫度下進行，即微波加熱具有降低化學反應溫度的作用；

　　（4）微波能可以使原子和分子發生高速振動，從而為化學反應創造出更為有利的熱力學條件；

　　（5）微波很容易使極性液體（例如水、乙醇、各種酸堿溶液等）加熱，因而微波加熱可以用來促進礦物在溶劑中的溶解，提高濕法冶金過程中的浸出速率和降低過程中的能耗；

　　（6）微波本身不產生任何氣體，所須凈化的只有還原或氧化反應產生的氣體，因而利于環保；

（7）易于自動控制；設備操作簡便，沒有熱慣性，能根據生產工藝要求實時調控。整條生產線只需1～2名操作工。

礦物在微波場中的升溫性能

　　金屬礦石通常是指從礦床開采出來的固體物質，一般由有用的金屬礦物和伴生的脈石礦物組成，是礦物的集合體。用微波加熱對礦物進行處理，其處理的效果往往與礦物（被處理物料）本身的電導性能和物料的組成及結構有關。

　　1、電導對升溫速率的影響

　　由于微波是介于無線電和光波之間的超高電磁波（通常頻率在100MHz~100000MHz），因此，微波對物料的加熱升溫速率首先取決于物料的電導和透射深度。研究表明：絕緣體型礦物的電導很小（σ<10-81/Ωｍ），幾乎不能吸收微波，對微波是透明的；電導性礦物具有很好的電導性能（σ＞1061/Ωｍ），微波在這類礦物中的能量損耗很大，但透射深度很小，因而升溫速率不是很快；半導體型的礦物（σ=10-81/Ωｍ~1061/Ωｍ），其介電損耗因子較大、同時微波的透射深度較大，因而能很好地吸收微波，其升溫速度一般較大。

　　2、礦物組份及結構對升溫速率的影響

研究結果表明：影響礦物升溫速率的另一個重要因素是礦物的組成和結構，即礦物的升溫速率與礦物的離子類型、離子半徑、鍵型和雜質含量直接相關。單質元素基本都能被微波加熱，其中碳的微波加熱升溫速率最快，僅60s就可以加熱到1556K，因此，常用碳作為金屬氧化物的碳熱還原添加劑。大多數的硫化礦和硫化物具有較大的升溫速率，這主要是由于它們在微波頻率段具有較大的介電常數。但是，對于不同正離子，礦物和化合物的升溫速率有所不同：含有Fe2+，Co2+，Ni2+，Mo4+，Cu+，Sn2+，Pb2+的礦物和化合物具有較快的升溫速率，而含有Sb3+，Zn2+，Ag+的礦物和化合物則升溫速度相對較慢，其根本原因在于前者以過渡鍵型為主，后者則主要為共價鍵型。大多數的氧化礦和氧化物具有較大的升溫速率，其中含有Fe3+，Fe2+，Mn4+， Cu+，Sn4+，Pb2+，Sb3+的氧化礦和氧化物的升溫速率與硫化礦和硫化物相似。含氧鹽礦物和鹵化物與其他礦物和化合物相比在微波下的升溫速率較低。除礦物鍵型以外，升溫速率還與礦物雜質含量有關，通常情況下，含有一定雜質的礦物和化合物具有更好的升溫速率，例如：錫石和純二氧化錫相比，雖然其化學組成都是SnO2，但錫石的升溫速率為19.7（K/s），而純二氧化錫的升溫速率為4.75（K/s）。

微波加熱對礦石顯微結構的影響

　　礦石中通常含有多種礦物（包括有用礦物和脈石礦物），當用傳統方法加熱時，礦石中各種礦物的升溫速率基本相同，它們被加熱的溫度也大致相同，在礦物之間不會產生明顯的溫度差，如果在加熱過程中沒有晶型轉變、相變或化學變化發生，則礦物的顯微結構通常不會因加熱而發生明顯變化。當用微波加熱時，情況則大不相同，由于組成礦石的各種礦物具有不同的性質，它們在微波場中的升溫速度各不相同，因而礦石中的不同礦物會被微波加熱到不同的溫度，由于微波能夠加熱大多數有用礦物，而不加熱脈石礦物，因而在有用礦物和脈石礦物之間會形成明顯的局部溫差，從而使它們之間產生熱應力，當這種熱應力大到一定的程度時，就會在礦物之間的界面上產生裂縫，裂縫的產生可以有效地促進有用礦物的單體解離和增加有用礦物的有效反應面積，對于降低磨礦成本﹑提高選礦回收率和加快冶金反應速率，具有重要的實際意義。用掃描電子顯微鏡（SEM）對各種金屬氧化礦和硫化礦的應力斷裂研究表明，礦石的顯微組織在微波輻射前后明顯不同，經過微波輻射以后，可以觀察到礦石發生了熱應力斷裂，礦石與脈石被分離。

礦物的微波加熱分解

　　用于冶煉過程的礦石多由各種化合物組成，重要的化合物有碳酸鹽、氧化物、硫化物和氯化物等。化合物加熱到一定的溫度時，它可以分解為一種更為簡單的化合物和氣體。化合物的熱分解過程需要吸收大量的熱，反應的速率通常受傳熱控制。采用傳統加熱方法時，熱量不能有效地從化合物表面傳遞到內部，致使分解過程的速率低、能耗高。由于微波可以直接在化合物內部產生熱量，因而能夠有效地加快化合物的分解速率和降低過程的能耗。

　　1、二氧化錳的微波加熱分解

　　在用鋁熱還原法從錳的氧化物生產金屬錳時，Mn3O4在MnO2、Mn2O3、Mn3O4和 MnO中具有最佳的含氧量。它既能保證反應以適當的速率進行，產生足夠的溫度，又能保證過程的安全。含氧量過高將會導致爆炸的危險或使過程失去控制，而含氧量過低則會使反應熱不足以使物料熔化，致使金屬和爐渣不能很好的分離。因此，為了使過程能夠順利進行，必須對氧化物或礦石的含氧量進行調整。調整含氧量的方法之一是在1273～1373K的溫度下通過熱分解將MnO2轉變成Mn3O4。應用微波加熱取代傳統的傳導加熱來促進MnO2分解成Mn3O4，將會提高反應的速率和降低過程的能耗。

　　使用的MnO2是化學純的化學試劑（98.5%）。Mn3O4是在空氣氣氛及1273K的條件下分解MnO2制取的，經X射線衍射（XRD）分析證實分解產物完全由Mn3O4組成，MnO2和Mn3O4的粒度小于0.087mm。實驗前，MnO2和Mn3O4在378K干燥12h，每次實驗的樣品重量為15g，在空氣氣氛下，分解實驗在2450MHz，650W的微波爐和硅碳棒加熱的管式爐中進行。實驗時，將粉狀樣品置于石英坩鍋（15cm×Ø5cm），并懸掛在電子天平上以測定樣品的失重。微波加熱樣品的失重從一施加微波能就開始測定，而傳統加熱分解的失重則在恒溫條件下測定。

　　MnO2和Mn3O4在空氣氣氛下分別用微波進行輻射。它們所達到的溫度為時間的函數，如表一所示。顯然，MnO2具有很快的升溫速率，而Mn3O4則幾乎不能被加熱。因此微波能可以有效地用來加熱MnO2而不是Mn3O4，從而降低過程的能耗。微波對MnO2和Mn3O4的選擇性加熱對于MnO2的分解十分有利。

表一 MnO2和Mn3O4的微波加熱升溫速率