微波加热技术在冶金工业中的应用

郑雪婷

摘 要：在简要介绍微波加热原理和微波加热优点的基础上，综述了微波加热技术在铁矿石预处理、碳热还原、冶金原料的升温特性、废气处理、钢渣处理等领域的研究成果和进展。认为微波加热技术在冶金工业中具有广阔的应用前景。

关键词：微波加热；碳热还原；钢渣处理

1微波加热技术

微波是频率在 0.3 ～ 300GHz 范围内的电磁波。微波加热的基本原理是：在高频电磁作用下，介质材料中的极性分子从原来的随机分布状态转向按电场的极性排列取向，取向运动以每秒数十亿的频率不断变化，从而造成分子剧烈运动与碰撞摩擦，产生热量，使介质温度不断升高。

微波加热具有以下优点：

（1）非传导加热。加热速度快，一般只需常规加热时间的几分之一或几十分之一。

（2）体加热。加热均匀，不易产生外层结

“壳”而内层 “夹生” 的加热现象。

（3）高效节能。微波加热设备壳体金属材料是微波反射型材料，只能反射而不能吸收微波或极少吸收微波，且微波是内部“体热源”，它并不需要高温介质来传热，形成了微波能量利用的高效性。

（4）易于控制。与常规加热方法相比，微波加热的控制只要设定功率即可达到温度升降和设备开停的目的。

（5）环保、清洁。常规加热一般采用矿物燃料等作为加热能源，燃烧会产生大量的废气，而微波加热所用能源为电能，对环境污染小。

（6）选择性加热。不同成分的物质由于其自身的介电特性不同，对微波加热的反应也不相同，它们不同程度的吸收微波能量，因此升温速度不同。

2在冶金工业中的应用

2.1铁矿石预处理

矿山开采的铁矿石尚不适于直接入高炉冶炼，要经过破碎、筛分、选矿、造块、混匀等准备处理，以品位高，成分、粒度均匀稳定的状态供应高炉。富铁矿一般在矿山通过破碎、筛分，得到粒度符合规格的块矿。而贫铁矿和含有共生矿物的铁矿在破碎之后，还须进行细磨富选提高品位，回收有用成分，去除有害物质，取得铁精矿粉。

利用微波选择性加热可对铁矿石进行预处理。

在微波辐射时，矿物的复杂性可以导致矿石 中矿物和杂质被加热至不同温度，矿石内部应力 增加，从而使脉石发生破裂，对磨矿产生积极的影 响。对于不同的矿物，要选择合适的微波频率、强 度和加热时间。刘全军等[1] 以磨矿动力学系数和选择性破裂函数为依据，证明了微波的选择性 加热可以促进磁铁矿的磨细，而石英矿不受影响，从而达到使磁铁矿石选择性磨细的目的。

黄亚蕾等对铁矿石在微波热风烧结点火条件下进行试验研究，并通过计算不同烧结点火气流中氧气的含量分析了微波热风点火机理。烧结点火试验结果表明，微波热风点火温度远远低于传统铁矿烧结点火温度，在微波输出功率8kW、点火 1.5min、预热风温度 350℃ 下可获得指标良好的烧结矿。点火气流中氧气含量计算结果 表明，微波热风点火气流中的氧气含量为 21%，煤气点火气流中氧气含量为 8.59%。点火气流中氧气含量较高，能够使焦粉在较低的温度下点 燃，并且燃烧完全，从而获得较好指标的烧结矿。

2.2冶金物料的升温特性

微波加热主要取决于物料的介电性质，不同 物料的介电性质不同，因此加热效果有很大区 别。在微波加热过程中，升温速率与冶金物料的 导热系数，微波场在物料中分布的均匀性，以及 介电常数随温度的变化率有关。物料的导热系数 越大，微波加热时物料内部的温度分布越均匀，物料的升温速率越快，前提是要保证物料中微波 场分布的均匀性。而影响物料微波场变化的主要 因素是物料的相对介电常数随温度的变化率。

陈津[3] 等人研究了磁铁矿粉、赤铁矿粉、无烟煤粉和烟煤在 KQ6000 可调式工业箱式微波加热炉中的升温特性。在微波输出功率 15kW、物料重量 1kg 条件下，磁铁矿粉、赤铁矿粉、无烟煤粉和烟煤升温速率分别为 72.67、70.20、68.47、55℃ / min，石灰和石灰石粉对微波的吸收较差，升温速率为 53.13 和 48.73℃ / min。Standis等在微波功率为 1.3kW 的微波炉中测得磁铁矿粉、赤铁矿粉、木炭、焦粉的升温速率分别为 236、275、198、155℃ / min。以上研究表明常用的冶金物料是很好的微波吸收体，在微波加热条件下升温比传统加热方式快，而升温速率有所差别是由于不同的研究者使用的微波功率和物料质量、成分、粒度各不相同。

2.3金属氧化物的碳热还原反应

金属氧化物矿的微波碳热还原是在金属氧化 物矿中加入适量的碳，碳是一种很好的微波吸波 体，可在短时间内被加热到 1053 ～ 1556K。碳不仅是还原剂而且为金属氧化物矿的还原提供了热源。

金属氧化物的碳热还原反应可表示为：

MeO + C = Me + CO （1）

金属氧化物的碳热还原实际上是由两个反应组成的：

2MeO + C = 2Me + CO2 （2）CO2 + C = 2CO （3）

在微波碳热还原过程中碳的气化反应（3）是限制性环节，因为反应（3）是强吸热反应。传统的加热方式不能及时有效地向反应物内部提 供能量，以弥补碳的气化反应所消耗的热量，因 此产生 “冷中心” 问题。

Standish等人将完全相同的赤铁矿粉、焦粉和石灰粉按一定比例混合，分别用微波和传 统马弗炉加热进行还原，用热重法测定还原过程 混合物的失重量。微波加热与传统加热对

微波加热 10min 混合物失重大于 75%；马弗炉在 1000℃ 下，加热 10min 失重小于 15%，加热 50min 失重低于 40%。

3结语

微波加热技术应用于冶金工业，具有节能、高效、易于自動控制、保护环境等优点。但微波 加热技术在冶金工业中的应用还不够成熟，仍处 于实验室或半工业阶段，还存在着诸多问题，比 如大型微波设备的开发，微波能转化为热能的效 率，某些物质的介电特性，微波冶金流程设计、过程预测和控制等一些问题有待解决。相信随着 研究的不断深入，微波加热技术在冶金工业中的 应用会越来越广泛。

参考文献

[1]刘全军，熊燕琴. 微波在铁矿石选择性磨细中的应用机理研究[J]. 云南冶金，1997，6（3）：25 - 28.

[2]黄亚蕾，黄柱成，毛晓明等. 铁矿石热风烧结点火研究 [J]. 矿冶工程，2008，28（5）：64 - 67.

（作者单位：辽宁科技学院）