1微波干燥

當微波輻射進入濕物料時,極性水分子隨微波的頻率作同步旋轉(用915MHz微波每秒可轉動9•15億次),與物料所產生的瞬時摩擦熱導致物料升溫,水分逸出,物料失水干燥。與從外向內加熱物料的傳統加熱方式不同,微波使物料成了“發熱體”,是內加熱,而且微波從各個方向同時進入物料,既不需要傳熱介質,也無需流體對流和溫度梯度。與遠紅外加熱相比,因輻射穿透深度和波長為同一數量級,微波加熱對應的波長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快速升溫,而遠紅外加熱的波長在56~1000μm,故穿透能力差,只能在物體表面薄層發熱,要靠熱傳導熱才能進入內部,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外均勻,無冷中心,優勢明顯[1]。微波干燥應用的新領域不斷擴大,把微波技術與真空技術有機結合,即微波真空干燥,能充分發揮微波加熱快速、均勻、真空條件下水汽化點低的特點,是一項很有前途的干燥技術,已開始由實驗室轉入工業化生產。這種技術很適合用于熱敏性物料的干燥,我國在上世紀90年代后期,已開發出微波真空干燥設備。

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品和深加工用原料,工業生產的仲鉬酸銨結晶含有13%~18%的水分,傳統方法是經離心分離后進入真空(或烘箱)干燥器烘干,由于這種干燥方式溫度分布不均勻,產生局部過熱會使仲鉬酸銨脫水或結團而影響質量,且加熱速度慢,能耗高。采用微波加熱干燥仲鉬酸銨,水是強極性物質,易被加熱脫除,仲鉬酸銨跟水比為弱吸收微波輻射物質,因此微波主要是對水作選擇性加熱,在提高產品質量的同時,也可節能,降低能耗。秦文峰等用微波干燥仲鉬酸銨的實驗研究證明,微波干燥仲鉬酸銨,對脫水率的影響,以干燥時間最大,其次是物料質量,微波功率影響最小;最佳條件是,干燥時間90s、物料質量15g、微波功率525W;在此最佳條件下,仲鉬酸銨的脫水率達99•98%,時間僅用90s。因此,微波干燥仲鉬酸銨可使干燥時間大為縮短、操作簡化、粉塵降低,在工業上是可行的。該實驗研究為微波干燥仲鉬酸銨的工業化提供了基本工藝程序與工藝參數。

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,因其含結晶水,經分選后的褐鐵礦含鐵最高約55%。采用傳統脫水工藝僅能去除顆粒表面吸附水,對結晶水無能為力。有個別廠曾用煤燃料焙燒脫水,因其污染嚴重,已明令禁止。由于傳統脫水技術無法達到鐵廠對鐵精礦含鐵62%以上的要求,使大部分褐鐵礦資源一直未開發利用;另一方面,鋼鐵廠需大量進口原料。針對這種情況,李新冬等采用WHO75-11、微波頻率2450±50MHz、功率700W的小型實驗用微波裝置開展了褐鐵礦脫水研究。實驗研究發現,微波加熱過程最初幾分鐘,溫度上升較快,隨后升溫漸緩。由微波加熱基本原理可知:物質對微波能的吸收與其介電損耗因子(ε″)有關,對于由多種組元構成的物料存在加合關系,即ε″=∑Viε″iVi、ε″i分別表示組元i的體積分數和介電損耗因子。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。實驗證明,在700W微波輻射功率作用下,微波脫水速度遠遠高于用傳統方法加熱到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,既節能,又提高生產效率。

2微波高溫加熱的應用

2.1微波燒結[5]

微波燒結技術是利用微波對材料整體加熱至燒結溫度而實現材料致密化的方法。微波加熱加熱速度很快(可達1500℃/min),對某些物料可以很少能量高速加熱達到2000℃以上的高溫,同時因受熱物體內溫度均勻,可降低因膨脹不均勻引起的變形和抑制晶粒長大,故所得材料的性能和質量較好。微波燒結概念于上世紀60年代提出,1976年在實驗室用微波燒制材料獲得成功。在微波燒結技術發展初期,研究主要集中在容易吸收微波且燒結溫度較低的新型陶瓷材料上,于80年代中期至90年代中期進入應用開發階段,90年代末開始產業化進程。研究證明,微波燒結不僅可用于陶瓷材料,而且可以燒結如不銹鋼、銅鐵合金、銅鋅合金、鎢銅合金及鎳基高溫合金,并已有微波燒結硬質合金試驗及其產業化報導。我國1988年將微波燒結研究列入國家“863計劃”,研制出多臺主要用于陶瓷制造的微波燒結設備。2001年成立了專業公司,在陶瓷和特種冶金領域研發成功氮化硅、壓敏陶瓷電阻、釹鐵硼永磁、錳鋅鐵氧體軟磁、硬質合金等材料的微波燒結工藝技術。專家指出,微波燒結技術的成功是材料領域的重大突破,在本世紀初期將出現微波燒結材料產業化高潮。

2.2微波用于黑鎢礦的蘇打燒結[8]

微波燒結是近些年在硬質合金原料及其生產領域出現的新技術之一。在國外,匈牙利開發出仲鎢酸銨的微波干燥和脫水技術;烏茲別克將微波加熱用于黑鎢礦的蘇打燒結;德國集中進行硬質合金的微波燒結技術產業化開發。黑鎢精礦和蘇打的混合物能強烈吸收微波能,在適宜微波場強度下,試樣可于15~20min內加熱至820~980℃,在該溫度下保持10~20min可完成燒結,獲得高質量的燒結塊。在800~850℃下的最佳處理時間為20~30min。實驗證明,微波能轉變為熱能的效率跟樣品的組成和介電性質有關,當蘇打含量為30%、燒結的恒溫時間為25min時,燒結效果最佳,燒結塊浸出時鎢進入鎢酸鈉溶液的浸出率達99%,浸出渣中的WO3含量降至0.88%。我國專家認為,這很值得我國仲鎢酸銨生產廠家關注。研究結果說明,微波燒結的特點是,能激發所燒結物料的離子化和交互置換、氧化、相變等物理化學過程,促進物料中的礦物產生結構變化,使燒結反應完成時間縮短。為實現這一微波燒結新工藝的工業化生產,國外開發成功的微波燒結爐(結構見文獻[8])總長度15m,由4個高頻功率為50kW高頻發生器供電。燒結試驗的燒結塊生產能力約為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物和深加工用原料,用途廣泛,其傳統生產工藝是將粉狀鉬酸銨在回轉爐中煅燒,其缺點是生產時間長、成本高、熱效率低、能耗大,而且粉料泄漏,工作環境差,因雜質的進入使產品的純度和粒度難以保證。秦文峰等針對這種情況研究了微波煅燒鉬酸銨制高純三氧化鉬的新工藝。實驗結果說明,微波對鉬酸銨進行整體加熱,加熱速度快,不會因局部溫度過高而引起三氧化鉬揮發和單個顆粒的異常長大,所得三氧化鉬產品為絮狀形貌,無菱形,粒度較均勻,分散度較好,雜質含量低;煅燒時間短,僅6min,為傳統方法的1/10。在本實驗范圍內的最佳條件為:微波功率700W、煅燒時間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間。

3微波加熱碳還原回收利用冶金塵泥[10]

隨著我國鍍鋅鋼材等消耗量增加和鋼鐵廠廢鋼消耗量快速增長,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配料實現冶金內部的循環利用,而含鋅量≥1%的冶金塵泥多露天堆放,其量以萬噸計。為了環保和鐵、鋅等重要資源的回收利用,已成功研發出不少回收工藝(如磁選、回轉窯法等物理法和火法、濕法工藝),但在金屬回收率、設備腐蝕、環保、成本等方面各有不足之處,有待進一步研究。其中令人矚目的是微波加熱技術的運用,國外已有(見表1)將微波技術用于堿法浸出煉鋼電爐粉塵回收鋅的報導。2000年,美、日學者提出用微波加熱處理含鋅冶金塵泥,經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,于微波加熱下進行氧化鐵的碳還原反應。碳能很好地吸收微波,可在很短的時間內被加熱升溫到1053~1556K,因此,在對碳與金屬氧化物的混合物進行微波加熱時,碳產生的高溫使其還原能力明顯增強,碳對鐵的金屬氧化物的還原效果顯著。冶金塵泥中所含Fe3O4、Fe2O3都屬微波敏感材料,能夠快速升溫,及時補充還原反應所需的熱量,促進反應加速進行。近年來,我國學者為了加速冶金塵泥資源化進程,改進其有價金屬的回收利用工藝,提出采用微波熱還原法處理我國冶金塵泥工藝。采用此法,可大大提高加熱速度,物料中的溫度均勻一致,利于反應的進行。據報導,經實驗室試驗證明,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避了一條新途徑。

4結束語

微波加熱技術已廣泛用于工農業生產以及家庭日用,繼新型材料研發之后微波加熱技術與冶金工業相結合已引起廣泛關注,不斷有研究成果報導。本文介紹的研究工作并非全面,但也可看出,微波加熱技術在各種金屬礦產及其冶金工藝上的應用研發工作方興未艾;微波加熱在冶金工業中的應用,不論在理論探討,還是在工藝技術、設備的研發和產業化方面都將有良好的發展前景。可以預測,在我國冶金工業走自主創新,不斷改進傳統冶金工藝技術,實現冶金工業生態化和持續發展的道路上,微波加熱技術將發揮日益重要的作用。