冶金業(yè)微波加熱發(fā)展走勢(shì)

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1微波干燥

當(dāng)微波輻射進(jìn)入濕物料時(shí),極性水分子隨微波的頻率作同步旋轉(zhuǎn)(用915MHz微波每秒可轉(zhuǎn)動(dòng)9•15億次),與物料所產(chǎn)生的瞬時(shí)摩擦熱導(dǎo)致物料升溫,水分逸出,物料失水干燥。與從外向內(nèi)加熱物料的傳統(tǒng)加熱方式不同,微波使物料成了“發(fā)熱體”,是內(nèi)加熱,而且微波從各個(gè)方向同時(shí)進(jìn)入物料,既不需要傳熱介質(zhì),也無(wú)需流體對(duì)流和溫度梯度。與遠(yuǎn)紅外加熱相比,因輻射穿透深度和波長(zhǎng)為同一數(shù)量級(jí),微波加熱對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為十幾毫米到幾十厘米,除大型物體外一般都可穿透全部物料整體同時(shí)快速升溫,而遠(yuǎn)紅外加熱的波長(zhǎng)在56~1000μm,故穿透能力差,只能在物體表面薄層發(fā)熱,要靠熱傳導(dǎo)熱才能進(jìn)入內(nèi)部,不僅加熱升溫慢,而且易造成物料加熱不勻。因此,微波加熱干燥不僅快而且內(nèi)外均勻,無(wú)冷中心,優(yōu)勢(shì)明顯[1]。微波干燥應(yīng)用的新領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,把微波技術(shù)與真空技術(shù)有機(jī)結(jié)合,即微波真空干燥,能充分發(fā)揮微波加熱快速、均勻、真空條件下水汽化點(diǎn)低的特點(diǎn),是一項(xiàng)很有前途的干燥技術(shù),已開(kāi)始由實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)入工業(yè)化生產(chǎn)。這種技術(shù)很適合用于熱敏性物料的干燥,我國(guó)在上世紀(jì)90年代后期,已開(kāi)發(fā)出微波真空干燥設(shè)備。

1.1微波干燥仲鉬酸銨[6]

仲鉬酸銨是鉬冶金重要的中間產(chǎn)品和深加工用原料,工業(yè)生產(chǎn)的仲鉬酸銨結(jié)晶含有13%~18%的水分,傳統(tǒng)方法是經(jīng)離心分離后進(jìn)入真空(或烘箱)干燥器烘干,由于這種干燥方式溫度分布不均勻,產(chǎn)生局部過(guò)熱會(huì)使仲鉬酸銨脫水或結(jié)團(tuán)而影響質(zhì)量,且加熱速度慢,能耗高。采用微波加熱干燥仲鉬酸銨,水是強(qiáng)極性物質(zhì),易被加熱脫除,仲鉬酸銨跟水比為弱吸收微波輻射物質(zhì),因此微波主要是對(duì)水作選擇性加熱,在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí),也可節(jié)能,降低能耗。秦文峰等用微波干燥仲鉬酸銨的實(shí)驗(yàn)研究證明,微波干燥仲鉬酸銨,對(duì)脫水率的影響,以干燥時(shí)間最大,其次是物料質(zhì)量,微波功率影響最小;最佳條件是,干燥時(shí)間90s、物料質(zhì)量15g、微波功率525W;在此最佳條件下,仲鉬酸銨的脫水率達(dá)99•98%,時(shí)間僅用90s。因此,微波干燥仲鉬酸銨可使干燥時(shí)間大為縮短、操作簡(jiǎn)化、粉塵降低,在工業(yè)上是可行的。該實(shí)驗(yàn)研究為微波干燥仲鉬酸銨的工業(yè)化提供了基本工藝程序與工藝參數(shù)。

1.2褐鐵礦微波脫水[7]

褐鐵礦(Fe2O3•nH2O)資源占江西省總鐵礦資源的30%以上,因其含結(jié)晶水,經(jīng)分選后的褐鐵礦含鐵最高約55%。采用傳統(tǒng)脫水工藝僅能去除顆粒表面吸附水,對(duì)結(jié)晶水無(wú)能為力。有個(gè)別廠曾用煤燃料焙燒脫水,因其污染嚴(yán)重,已明令禁止。由于傳統(tǒng)脫水技術(shù)無(wú)法達(dá)到鐵廠對(duì)鐵精礦含鐵62%以上的要求,使大部分褐鐵礦資源一直未開(kāi)發(fā)利用;另一方面,鋼鐵廠需大量進(jìn)口原料。針對(duì)這種情況,李新冬等采用WHO75-11、微波頻率2450±50MHz、功率700W的小型實(shí)驗(yàn)用微波裝置開(kāi)展了褐鐵礦脫水研究。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),微波加熱過(guò)程最初幾分鐘,溫度上升較快,隨后升溫漸緩。由微波加熱基本原理可知:物質(zhì)對(duì)微波能的吸收與其介電損耗因子(ε″)有關(guān),對(duì)于由多種組元構(gòu)成的物料存在加合關(guān)系,即ε″=∑Viε″iVi、ε″i分別表示組元i的體積分?jǐn)?shù)和介電損耗因子。微波加熱褐鐵礦,其中H2O的ε″較大,溫度快速提高,脫除速度也快;其他組分的ε″值較小,只能吸收少量微波能,其升溫速度慢。因此,隨褐鐵礦中較多水分的快速脫除,其升溫速度漸緩。實(shí)驗(yàn)證明,在700W微波輻射功率作用下,微波脫水速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于用傳統(tǒng)方法加熱到250℃的干燥脫水速度,不僅能脫除游離水還能脫除結(jié)合水,從而能將褐鐵礦的總鐵含量提高到60%,而且微波加熱溫度均勻,表里一致,熱能利用率高,既節(jié)能,又提高生產(chǎn)效率。

2微波高溫加熱的應(yīng)用

2.1微波燒結(jié)[5]

微波燒結(jié)技術(shù)是利用微波對(duì)材料整體加熱至燒結(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)材料致密化的方法。微波加熱加熱速度很快(可達(dá)1500℃/min),對(duì)某些物料可以很少能量高速加熱達(dá)到2000℃以上的高溫,同時(shí)因受熱物體內(nèi)溫度均勻,可降低因膨脹不均勻引起的變形和抑制晶粒長(zhǎng)大,故所得材料的性能和質(zhì)量較好。微波燒結(jié)概念于上世紀(jì)60年代提出,1976年在實(shí)驗(yàn)室用微波燒制材料獲得成功。在微波燒結(jié)技術(shù)發(fā)展初期,研究主要集中在容易吸收微波且燒結(jié)溫度較低的新型陶瓷材料上,于80年代中期至90年代中期進(jìn)入應(yīng)用開(kāi)發(fā)階段,90年代末開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。研究證明,微波燒結(jié)不僅可用于陶瓷材料,而且可以燒結(jié)如不銹鋼、銅鐵合金、銅鋅合金、鎢銅合金及鎳基高溫合金,并已有微波燒結(jié)硬質(zhì)合金試驗(yàn)及其產(chǎn)業(yè)化報(bào)導(dǎo)。我國(guó)1988年將微波燒結(jié)研究列入國(guó)家“863計(jì)劃”,研制出多臺(tái)主要用于陶瓷制造的微波燒結(jié)設(shè)備。2001年成立了專(zhuān)業(yè)公司,在陶瓷和特種冶金領(lǐng)域研發(fā)成功氮化硅、壓敏陶瓷電阻、釹鐵硼永磁、錳鋅鐵氧體軟磁、硬質(zhì)合金等材料的微波燒結(jié)工藝技術(shù)。專(zhuān)家指出,微波燒結(jié)技術(shù)的成功是材料領(lǐng)域的重大突破,在本世紀(jì)初期將出現(xiàn)微波燒結(jié)材料產(chǎn)業(yè)化高潮。

2.2微波用于黑鎢礦的蘇打燒結(jié)[8]

微波燒結(jié)是近些年在硬質(zhì)合金原料及其生產(chǎn)領(lǐng)域出現(xiàn)的新技術(shù)之一。在國(guó)外,匈牙利開(kāi)發(fā)出仲鎢酸銨的微波干燥和脫水技術(shù);烏茲別克將微波加熱用于黑鎢礦的蘇打燒結(jié);德國(guó)集中進(jìn)行硬質(zhì)合金的微波燒結(jié)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)。黑鎢精礦和蘇打的混合物能強(qiáng)烈吸收微波能,在適宜微波場(chǎng)強(qiáng)度下,試樣可于15~20min內(nèi)加熱至820~980℃,在該溫度下保持10~20min可完成燒結(jié),獲得高質(zhì)量的燒結(jié)塊。在800~850℃下的最佳處理時(shí)間為20~30min。實(shí)驗(yàn)證明,微波能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿男矢鷺悠返慕M成和介電性質(zhì)有關(guān),當(dāng)蘇打含量為30%、燒結(jié)的恒溫時(shí)間為25min時(shí),燒結(jié)效果最佳,燒結(jié)塊浸出時(shí)鎢進(jìn)入鎢酸鈉溶液的浸出率達(dá)99%,浸出渣中的WO3含量降至0.88%。我國(guó)專(zhuān)家認(rèn)為,這很值得我國(guó)仲鎢酸銨生產(chǎn)廠家關(guān)注。研究結(jié)果說(shuō)明,微波燒結(jié)的特點(diǎn)是,能激發(fā)所燒結(jié)物料的離子化和交互置換、氧化、相變等物理化學(xué)過(guò)程,促進(jìn)物料中的礦物產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化,使燒結(jié)反應(yīng)完成時(shí)間縮短。為實(shí)現(xiàn)這一微波燒結(jié)新工藝的工業(yè)化生產(chǎn),國(guó)外開(kāi)發(fā)成功的微波燒結(jié)爐(結(jié)構(gòu)見(jiàn)文獻(xiàn)[8])總長(zhǎng)度15m,由4個(gè)高頻功率為50kW高頻發(fā)生器供電。燒結(jié)試驗(yàn)的燒結(jié)塊生產(chǎn)能力約為1t/h。初步成本核算表明,鎢酸鈉溶液中每千克鎢的成本約為2.4美元。

2.3微波煅燒鉬酸銨制三氧化鉬[9]

三氧化鉬是鉬冶金另一種重要的中間產(chǎn)物和深加工用原料,用途廣泛,其傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝是將粉狀鉬酸銨在回轉(zhuǎn)爐中煅燒,其缺點(diǎn)是生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)、成本高、熱效率低、能耗大,而且粉料泄漏,工作環(huán)境差,因雜質(zhì)的進(jìn)入使產(chǎn)品的純度和粒度難以保證。秦文峰等針對(duì)這種情況研究了微波煅燒鉬酸銨制高純?nèi)趸f的新工藝。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,微波對(duì)鉬酸銨進(jìn)行整體加熱,加熱速度快,不會(huì)因局部溫度過(guò)高而引起三氧化鉬揮發(fā)和單個(gè)顆粒的異常長(zhǎng)大,所得三氧化鉬產(chǎn)品為絮狀形貌,無(wú)菱形,粒度較均勻,分散度較好,雜質(zhì)含量低;煅燒時(shí)間短,僅6min,為傳統(tǒng)方法的1/10。在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的最佳條件為:微波功率700W、煅燒時(shí)間6min、物料重量6g。在此最佳條件下,鉬酸銨的分解率為99.67%。煅燒的主要影響因素為:首先是物料重量,其次為微波功率和煅燒時(shí)間。

3微波加熱碳還原回收利用冶金塵泥[10]

隨著我國(guó)鍍鋅鋼材等消耗量增加和鋼鐵廠廢鋼消耗量快速增長(zhǎng),鋼鐵廠含鋅粉塵不斷增多,目前鋅含量<1%的冶金塵泥主要用于燒結(jié)配料實(shí)現(xiàn)冶金內(nèi)部的循環(huán)利用,而含鋅量≥1%的冶金塵泥多露天堆放,其量以萬(wàn)噸計(jì)。為了環(huán)保和鐵、鋅等重要資源的回收利用,已成功研發(fā)出不少回收工藝(如磁選、回轉(zhuǎn)窯法等物理法和火法、濕法工藝),但在金屬回收率、設(shè)備腐蝕、環(huán)保、成本等方面各有不足之處,有待進(jìn)一步研究。其中令人矚目的是微波加熱技術(shù)的運(yùn)用,國(guó)外已有(見(jiàn)表1)將微波技術(shù)用于堿法浸出煉鋼電爐粉塵回收鋅的報(bào)導(dǎo)。2000年,美、日學(xué)者提出用微波加熱處理含鋅冶金塵泥,經(jīng)研究已取得了較好的脫鋅效果。在冶金含鋅塵泥中加入炭粉和輔料,于微波加熱下進(jìn)行氧化鐵的碳還原反應(yīng)。碳能很好地吸收微波,可在很短的時(shí)間內(nèi)被加熱升溫到1053~1556K,因此,在對(duì)碳與金屬氧化物的混合物進(jìn)行微波加熱時(shí),碳產(chǎn)生的高溫使其還原能力明顯增強(qiáng),碳對(duì)鐵的金屬氧化物的還原效果顯著。冶金塵泥中所含F(xiàn)e3O4、Fe2O3都屬微波敏感材料,能夠快速升溫,及時(shí)補(bǔ)充還原反應(yīng)所需的熱量,促進(jìn)反應(yīng)加速進(jìn)行。近年來(lái),我國(guó)學(xué)者為了加速冶金塵泥資源化進(jìn)程,改進(jìn)其有價(jià)金屬的回收利用工藝,提出采用微波熱還原法處理我國(guó)冶金塵泥工藝。采用此法,可大大提高加熱速度,物料中的溫度均勻一致,利于反應(yīng)的進(jìn)行。據(jù)報(bào)導(dǎo),經(jīng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)證明,微波加熱碳還原回收利用冶金塵泥工藝是可行的,為含鋅冶金塵泥的資源化開(kāi)避了一條新途徑。

4結(jié)束語(yǔ)

微波加熱技術(shù)已廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及家庭日用,繼新型材料研發(fā)之后微波加熱技術(shù)與冶金工業(yè)相結(jié)合已引起廣泛關(guān)注,不斷有研究成果報(bào)導(dǎo)。本文介紹的研究工作并非全面,但也可看出,微波加熱技術(shù)在各種金屬礦產(chǎn)及其冶金工藝上的應(yīng)用研發(fā)工作方興未艾;微波加熱在冶金工業(yè)中的應(yīng)用,不論在理論探討,還是在工藝技術(shù)、設(shè)備的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面都將有良好的發(fā)展前景?？梢灶A(yù)測(cè),在我國(guó)冶金工業(yè)走自主創(chuàng)新,不斷改進(jìn)傳統(tǒng)冶金工藝技術(shù),實(shí)現(xiàn)冶金工業(yè)生態(tài)化和持續(xù)發(fā)展的道路上,微波加熱技術(shù)將發(fā)揮日益重要的作用。