微波技術(shù)在冶金中的應(yīng)用

微波加熱在冶金中的應(yīng)用是近年來發(fā)展起來的冶金新技術(shù)，世界上的一些發(fā)達(dá)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(shù)的研究，我國也在八十年代開始了這一領(lǐng)域的研究工作。微波加熱在冶金中的應(yīng)用雖然還處于發(fā)展階段，但已經(jīng)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(jìn)行輻射，一些化合物在一分鐘內(nèi)就能被加熱到攝氏幾百度。

實(shí)驗(yàn)證明：微波加熱能夠促進(jìn)氧化鎳、氧化鈷和氧化錳礦在浸出前的預(yù)還原，能夠促進(jìn)硫化鉬和硫化錸的焙燒和氯化，幾乎所有工業(yè)上使用的金屬都可以用微波進(jìn)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(yù)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(yè)廢料的處理等等。

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

微波在冶金中的應(yīng)用具有以下傳統(tǒng)加熱方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：

　　（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(shí)促進(jìn)吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)，對化學(xué)反應(yīng)具有催化作用；

　　（3）當(dāng)用微波加熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)加熱時(shí)，熔煉和其他高溫化學(xué)反應(yīng)可以在十分低的溫度下進(jìn)行，即微波加熱具有降低化學(xué)反應(yīng)溫度的作用；

　　（4）微波能可以使原子和分子發(fā)生高速振動，從而為化學(xué)反應(yīng)創(chuàng)造出更為有利的熱力學(xué)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(jìn)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(chǎn)生任何氣體，所須凈化的只有還原或氧化反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，因而利于環(huán)保；

（7）易于自動控制；設(shè)備操作簡便，沒有熱慣性，能根據(jù)生產(chǎn)工藝要求實(shí)時(shí)調(diào)控。整條生產(chǎn)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(zhì)，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(jìn)行處理，其處理的效果往往與礦物（被處理物料）本身的電導(dǎo)性能和物料的組成及結(jié)構(gòu)有關(guān)。

　　1、電導(dǎo)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(dǎo)和透射深度。研究表明：絕緣體型礦物的電導(dǎo)很小（σ<10-81/Ωｍ），幾乎不能吸收微波，對微波是透明的；電導(dǎo)性礦物具有很好的電導(dǎo)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(dǎo)體型的礦物（σ=10-81/Ωｍ~1061/Ωｍ），其介電損耗因子較大、同時(shí)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(jié)構(gòu)對升溫速率的影響

研究結(jié)果表明：影響礦物升溫速率的另一個(gè)重要因素是礦物的組成和結(jié)構(gòu)，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(zhì)含量直接相關(guān)。單質(zhì)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(shù)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(shù)。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(jià)鍵型。大多數(shù)的氧化礦和氧化物具有較大的升溫速率，其中含有Fe3+，F(xiàn)e2+，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(zhì)含量有關(guān)，通常情況下，含有一定雜質(zhì)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(xué)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(jié)構(gòu)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(dāng)用傳統(tǒng)方法加熱時(shí)，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(chǎn)生明顯的溫度差，如果在加熱過程中沒有晶型轉(zhuǎn)變、相變或化學(xué)變化發(fā)生，則礦物的顯微結(jié)構(gòu)通常不會因加熱而發(fā)生明顯變化。當(dāng)用微波加熱時(shí)，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(zhì)，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(shù)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(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)這種熱應(yīng)力大到一定的程度時(shí)，就會在礦物之間的界面上產(chǎn)生裂縫，裂縫的產(chǎn)生可以有效地促進(jìn)有用礦物的單體解離和增加有用礦物的有效反應(yīng)面積，對于降低磨礦成本﹑提高選礦回收率和加快冶 金反應(yīng)速率，具有重要的實(shí)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(yīng)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(jīng)過 微波輻射以后，可以觀察到礦石發(fā)生了熱應(yīng)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(shí)，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(yīng)的速率通常受傳熱控制。采用傳統(tǒng)加熱方法時(shí)，熱量不能有效地從化合物表面?zhèn)鬟f到內(nèi) 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(nèi)部產(chǎn)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(chǎn)金屬錳時(shí)，Mn3O4在MnO2、Mn2O3、Mn3O4和 MnO中具有最佳的含氧量。它既能保證反應(yīng)以適當(dāng)?shù)乃俾蔬M(jìn)行，產(chǎn)生足夠的溫度，又能保證過程的安全。含氧量過高將會導(dǎo)致爆炸的危險(xiǎn)或使過程失去控制，而含 氧量過低則會使反應(yīng)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(jìn)行，必須對氧化物或礦石的含氧量進(jìn)行調(diào)整。調(diào)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(zhuǎn)變成Mn3O4。應(yīng)用微波加熱取代傳統(tǒng)的傳導(dǎo)加熱來促進(jìn)MnO2分解成Mn3O4，將會提高反應(yīng)的速率和降低過程的能耗。

　　使用的MnO2是化學(xué)純的化學(xué)試劑（98.5%）。Mn3O4是在空氣氣氛及1273K的條件下分解MnO2制取的，經(jīng)X射線衍射（XRD）分析證實(shí)分解產(chǎn)物完全由Mn3O4組成，MnO2和Mn3O4的粒度小于0.087mm。實(shí)驗(yàn)前，MnO2和Mn3O4在378K干燥12h，每次實(shí)驗(yàn)的樣品重量為15g，在空氣氣氛下，分解實(shí)驗(yàn)在2450MHz，650W的微波爐和硅碳棒加熱的管式爐中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(tǒng)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(jìn)行輻射。它們所達(dá)到的溫度為時(shí)間的函數(shù)，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

　　由上表可見，在加熱的初期，MnO2的升溫速率（?T/?t）隨時(shí)間的增加而迅速減小，但當(dāng)加熱時(shí)間到達(dá)7min時(shí)，升溫速率趨于零，此后，升溫速率變成負(fù)值，即樣品開始降溫。這預(yù)示著在微波輻射過程中發(fā)生的MnO2向Mn3O4的轉(zhuǎn)變會影響升溫的速率，可以討論如下：

　　如果考慮熱的輻射損失及反應(yīng)的熱效應(yīng)，則樣品在微波場中的升溫速率公式為：

式中：T為溫度，t為時(shí)間，Cp為熱容，為真空中的介電常數(shù)，為介電損耗因子，為微波頻率，為電場強(qiáng)度，為樣品的熱輻射系數(shù)，為Stefan Boltzmann常量，為樣品表面積，為樣品體積，為單位體積樣品中組元的摩爾數(shù)，為反應(yīng)的熱效應(yīng)，為反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。

●微波加熱原理       http://www.tnk1.cn/yingyong-neiye-17.html

●微波殺菌原理       http://www.tnk1.cn/yingyong-neiye-18.html

●微波設(shè)備定做流程   http://www.tnk1.cn/yingyong-neiye-19.html