冶金业微波加热发展走势

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1微波干燥

当微波辐射进入湿物料时,极性水分子随微波的频率作同步旋转(用915MHz微波每秒可转动9•15亿次),与物料所产生的瞬时摩擦热导致物料升温,水分逸出,物料失水干燥。与从外向内加热物料的传统加热方式不同,微波使物料成了“发热体”,是内加热,而且微波从各个方向同时进入物料,既不需要传热介质,也无需流体对流和温度梯度。与远红外加热相比,因辐射穿透深度和波长为同一数量级,微波加热对应的波长为十几毫米到几十厘米,除大型物体外一般都可穿透全部物料整体同时快速升温,而远红外加热的波长在56~1000μm,故穿透能力差,只能在物体表面薄层发热,要靠热传导热才能进入内部,不仅加热升温慢,而且易造成物料加热不匀。因此,微波加热干燥不仅快而且内外均匀,无冷中心,优势明显[1]。微波干燥应用的新领域不断扩大,把微波技术与真空技术有机结合,即微波真空干燥,能充分发挥微波加热快速、均匀、真空条件下水汽化点低的特点,是一项很有前途的干燥技术,已开始由实验室转入工业化生产。这种技术很适合用于热敏性物料的干燥,我国在上世纪90年代后期,已开发出微波真空干燥设备。

1.1微波干燥仲钼酸铵[6]

仲钼酸铵是钼冶金重要的中间产品和深加工用原料,工业生产的仲钼酸铵结晶含有13%~18%的水分,传统方法是经离心分离后进入真空(或烘箱)干燥器烘干,由于这种干燥方式温度分布不均匀,产生局部过热会使仲钼酸铵脱水或结团而影响质量,且加热速度慢,能耗高。采用微波加热干燥仲钼酸铵,水是强极性物质,易被加热脱除,仲钼酸铵跟水比为弱吸收微波辐射物质,因此微波主要是对水作选择性加热,在提高产品质量的同时,也可节能,降低能耗。秦文峰等用微波干燥仲钼酸铵的实验研究证明,微波干燥仲钼酸铵,对脱水率的影响,以干燥时间最大,其次是物料质量,微波功率影响最小;最佳条件是,干燥时间90s、物料质量15g、微波功率525W;在此最佳条件下,仲钼酸铵的脱水率达99•98%,时间仅用90s。因此,微波干燥仲钼酸铵可使干燥时间大为缩短、操作简化、粉尘降低,在工业上是可行的。该实验研究为微波干燥仲钼酸铵的工业化提供了基本工艺程序与工艺参数。

1.2褐铁矿微波脱水[7]

褐铁矿(Fe2O3•nH2O)资源占江西省总铁矿资源的30%以上,因其含结晶水,经分选后的褐铁矿含铁最高约55%。采用传统脱水工艺仅能去除颗粒表面吸附水,对结晶水无能为力。有个别厂曾用煤燃料焙烧脱水,因其污染严重,已明令禁止。由于传统脱水技术无法达到铁厂对铁精矿含铁62%以上的要求,使大部分褐铁矿资源一直未开发利用;另一方面,钢铁厂需大量进口原料。针对这种情况,李新冬等采用WHO75-11、微波频率2450±50MHz、功率700W的小型实验用微波装置开展了褐铁矿脱水研究。实验研究发现,微波加热过程最初几分钟,温度上升较快,随后升温渐缓。由微波加热基本原理可知:物质对微波能的吸收与其介电损耗因子(ε″)有关,对于由多种组元构成的物料存在加合关系,即ε″=∑Viε″iVi、ε″i分别表示组元i的体积分数和介电损耗因子。微波加热褐铁矿,其中H2O的ε″较大,温度快速提高,脱除速度也快;其他组分的ε″值较小,只能吸收少量微波能,其升温速度慢。因此,随褐铁矿中较多水分的快速脱除,其升温速度渐缓。实验证明,在700W微波辐射功率作用下,微波脱水速度远远高于用传统方法加热到250℃的干燥脱水速度,不仅能脱除游离水还能脱除结合水,从而能将褐铁矿的总铁含量提高到60%,而且微波加热温度均匀,表里一致,热能利用率高,既节能,又提高生产效率。

2微波高温加热的应用

2.1微波烧结[5]

微波烧结技术是利用微波对材料整体加热至烧结温度而实现材料致密化的方法。微波加热加热速度很快(可达1500℃/min),对某些物料可以很少能量高速加热达到2000℃以上的高温,同时因受热物体内温度均匀,可降低因膨胀不均匀引起的变形和抑制晶粒长大,故所得材料的性能和质量较好。微波烧结概念于上世纪60年代提出,1976年在实验室用微波烧制材料获得成功。在微波烧结技术发展初期,研究主要集中在容易吸收微波且烧结温度较低的新型陶瓷材料上,于80年代中期至90年代中期进入应用开发阶段,90年代末开始产业化进程。研究证明,微波烧结不仅可用于陶瓷材料,而且可以烧结如不锈钢、铜铁合金、铜锌合金、钨铜合金及镍基高温合金,并已有微波烧结硬质合金试验及其产业化报导。我国1988年将微波烧结研究列入国家“863计划”,研制出多台主要用于陶瓷制造的微波烧结设备。2001年成立了专业公司,在陶瓷和特种冶金领域研发成功氮化硅、压敏陶瓷电阻、钕铁硼永磁、锰锌铁氧体软磁、硬质合金等材料的微波烧结工艺技术。专家指出,微波烧结技术的成功是材料领域的重大突破,在本世纪初期将出现微波烧结材料产业化高潮。

2.2微波用于黑钨矿的苏打烧结[8]

微波烧结是近些年在硬质合金原料及其生产领域出现的新技术之一。在国外,匈牙利开发出仲钨酸铵的微波干燥和脱水技术;乌兹别克将微波加热用于黑钨矿的苏打烧结;德国集中进行硬质合金的微波烧结技术产业化开发。黑钨精矿和苏打的混合物能强烈吸收微波能,在适宜微波场强度下,试样可于15~20min内加热至820~980℃,在该温度下保持10~20min可完成烧结,获得高质量的烧结块。在800~850℃下的最佳处理时间为20~30min。实验证明,微波能转变为热能的效率跟样品的组成和介电性质有关,当苏打含量为30%、烧结的恒温时间为25min时,烧结效果最佳,烧结块浸出时钨进入钨酸钠溶液的浸出率达99%,浸出渣中的WO3含量降至0.88%。我国专家认为,这很值得我国仲钨酸铵生产厂家关注。研究结果说明,微波烧结的特点是,能激发所烧结物料的离子化和交互置换、氧化、相变等物理化学过程,促进物料中的矿物产生结构变化,使烧结反应完成时间缩短。为实现这一微波烧结新工艺的工业化生产,国外开发成功的微波烧结炉(结构见文献[8])总长度15m,由4个高频功率为50kW高频发生器供电。烧结试验的烧结块生产能力约为1t/h。初步成本核算表明,钨酸钠溶液中每千克钨的成本约为2.4美元。

2.3微波煅烧钼酸铵制三氧化钼[9]

三氧化钼是钼冶金另一种重要的中间产物和深加工用原料,用途广泛,其传统生产工艺是将粉状钼酸铵在回转炉中煅烧,其缺点是生产时间长、成本高、热效率低、能耗大,而且粉料泄漏,工作环境差,因杂质的进入使产品的纯度和粒度难以保证。秦文峰等针对这种情况研究了微波煅烧钼酸铵制高纯三氧化钼的新工艺。实验结果说明,微波对钼酸铵进行整体加热,加热速度快,不会因局部温度过高而引起三氧化钼挥发和单个颗粒的异常长大,所得三氧化钼产品为絮状形貌,无菱形,粒度较均匀,分散度较好,杂质含量低;煅烧时间短,仅6min,为传统方法的1/10。在本实验范围内的最佳条件为:微波功率700W、煅烧时间6min、物料重量6g。在此最佳条件下,钼酸铵的分解率为99.67%。煅烧的主要影响因素为:首先是物料重量,其次为微波功率和煅烧时间。

3微波加热碳还原回收利用冶金尘泥[10]

随着我国镀锌钢材等消耗量增加和钢铁厂废钢消耗量快速增长,钢铁厂含锌粉尘不断增多,目前锌含量<1%的冶金尘泥主要用于烧结配料实现冶金内部的循环利用,而含锌量≥1%的冶金尘泥多露天堆放,其量以万吨计。为了环保和铁、锌等重要资源的回收利用,已成功研发出不少回收工艺(如磁选、回转窑法等物理法和火法、湿法工艺),但在金属回收率、设备腐蚀、环保、成本等方面各有不足之处,有待进一步研究。其中令人瞩目的是微波加热技术的运用,国外已有(见表1)将微波技术用于碱法浸出炼钢电炉粉尘回收锌的报导。2000年,美、日学者提出用微波加热处理含锌冶金尘泥,经研究已取得了较好的脱锌效果。在冶金含锌尘泥中加入炭粉和辅料,于微波加热下进行氧化铁的碳还原反应。碳能很好地吸收微波,可在很短的时间内被加热升温到1053~1556K,因此,在对碳与金属氧化物的混合物进行微波加热时,碳产生的高温使其还原能力明显增强,碳对铁的金属氧化物的还原效果显著。冶金尘泥中所含Fe3O4、Fe2O3都属微波敏感材料,能够快速升温,及时补充还原反应所需的热量,促进反应加速进行。近年来,我国学者为了加速冶金尘泥资源化进程,改进其有价金属的回收利用工艺,提出采用微波热还原法处理我国冶金尘泥工艺。采用此法,可大大提高加热速度,物料中的温度均匀一致,利于反应的进行。据报导,经实验室试验证明,微波加热碳还原回收利用冶金尘泥工艺是可行的,为含锌冶金尘泥的资源化开避了一条新途径。

4结束语

微波加热技术已广泛用于工农业生产以及家庭日用,继新型材料研发之后微波加热技术与冶金工业相结合已引起广泛关注,不断有研究成果报导。本文介绍的研究工作并非全面,但也可看出,微波加热技术在各种金属矿产及其冶金工艺上的应用研发工作方兴未艾;微波加热在冶金工业中的应用,不论在理论探讨,还是在工艺技术、设备的研发和产业化方面都将有良好的发展前景。可以预测,在我国冶金工业走自主创新,不断改进传统冶金工艺技术,实现冶金工业生态化和持续发展的道路上,微波加热技术将发挥日益重要的作用。