微波技术在冶金中应用

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1、万方数据第5卷第2期2005年4月过程工程学报TheChineseJo啪alofProcessEnginee血gVbl．5No．2A弘2005微波技术在冶金中的应用蔡卫权，李会泉，张懿(中国科学院过程工程研究所，北京l00080)摘要：在简要概述微波加热基本原理和用于冶金基础研究现状的基础上，着重评述了微波辐射技术在磨矿、湿法浸取、干燥、废物处理和矿石还原等冶金领域中的最新进展．大量研究实例表明，用微波强化传统冶金单元操作过程可以显著地减少操作时间并提高效率，具有良好的经济价值和潜在的工业化前景．最后详细论述了微波冶金亟需解决的问题，展望了今后的研究开发方向．关键词：

2、微波；冶金；磨矿；浸取；干燥／脱水；矿物还原：废物处理中图分类号：TD925．6；TN015文献标识码：A文章编号：1009—606x(2005)02—0228一051前言微波是一种频率在O．3～300GHz、波长在0．1～100cm之间的电磁波．把微波能作为一种能量加以利用，通过在物料内部的能量耗散选择性加热物料，具有加热均匀、热效率高、清洁无污染、启动和停止加热非常迅速以及甚至可以改善材料性能等传统加热方式无法比拟的优点，在提高生产效率和改善生产条件等方面具有明显优势，因而在电子、食品加工、化工、医药、环境保护和家庭生活等领域得到了广泛的应用[1】．作为一种发展迅

3、猛的新型绿色冶金方法，微波加热在磨矿、预处理、预还原、干燥、焙烧、金属提取和烟尘等废料的处理和利用等领域也受到了广泛重视，某些研究成果正逐步转入实用阶段，初步显示了在化学冶金[2_5]中应用的巨大潜力．本工作在简要概述微波加热矿物作用原理的基础上，较全面地评述了微波冶金近几年研究的最新进展，最后详细讨论了微波冶金现存的主要问题，展望了今后的研究开发方向．2微波加热基础微波加热的前提是微波能可以透过材料并被其吸收，这需要材料必须具备以下两种特性[6]：一是被加热材料的表面不能反射微波能，即材料的标准阻抗为1．zn-zL／磊=1，ZL=z0，(1)式中，Zn，ZL和Z0分

4、别为材料的标准阻抗、载荷阻抗和透射线阻抗．二是被加热材料能不可逆地将入射的电磁能转化为自身的热能．单位体积材料吸收的微波能为‘1】P=仃IEl2=27∥气珞IEl2=2，叮岛《tall占

5、E12，(2)式中，E为腔体中的电场强度，一’。行为介质在微波场中的有效损耗因子，面为无外电场时材料的介电常数，厂为微波频率，D为整个材料体系的有效电导率，卉为相对介电常数，tan劝介质损耗角正切，反映了介质吸收微波能的能力．可见，材料的介电性质(一，，矿。ff和taIl国在很大程度上反映了其对微波的吸收能力．对高磁敏感性材料，必须考虑磁场的影响，式(2)需校正为[21P=2疗归2岛

6、珞+2巧％昭日2，(3)式中，肋为自由空间中的磁损耗因子，∥。fr为有效磁损耗因子，甘为磁场强度．而材料吸收微波能转化成热能后的升温速率为△r2万．厂岛矗lErr4、一，、。，出pCp式中，L乃Cp和f分别为材料的温度、密度、恒压质量热容和升温时间．材料的介电性质对微波在其内部的穿透深度有重要影响，即：D=3厶／8．686瓜an6(《／‰)¨·【5)式中，凡为入射微波的波长，D为入射微波能减少一半时的材料深度，其大小将决定材料加热和熟化的均匀性．可见，低频率微波能和低介电损耗材料将导致体加热，而高频率微波能和高介电损耗材料只能加热材料表面．根据材料和微波间的相互作用情

7、况可以将其分为微波透过体、微波反射体、微波吸收体和两种以上介电性质不同的材料组成的混合体四大类【71．一般矿物都属于第四类，而矿物中所含的Cao，CaC03和Si02等物质都是微波透过体，属于惰性材料，不能被微波加热，Fe304，FeS2，CuCl，Mn02和木炭等物质均为微波吸收体，属于高活性材料，在微波场中的升温速率非常快．利收稿日期：2004_02—27，修回日期：2004埘-26基金项目：国家“十五”、863计划资助项目(编号：2003AA647010)；国家自然科学基金重点资助项目(编号：50234040)作者简介：蔡卫权(1973一)，男，湖北省十堰市人，

8、博士研究生，讲师，化学工艺专业，E—mail：wqcai@home．ipe．ac．cn．万方数据第2期蔡卫权等：微波技术在冶金中的应用229用微波选择性加热矿物组分的特性，向矿石中添加适当的组分，可以有效地实现有用组分从矿物中的分离．例如，向黑钨精矿中加入30％的苏打后混合物能强烈地吸收微波能，在80∞850℃下恒温处理20～30min就可以获得高质量的烧结快，烧结料水浸时钨的浸出率高达99％[81．但要真正弄清矿物在微波场中的加热特性或对其加热特性从理论上进行预测，必须测定其介电常数一和有效损耗因子∥随温度的变化关系．Pickles【9】采用谐振腔