微波加热技术在冶金工业中的应用.pdf

4 2 冶金能源 ENERGY FOR METALL URGI CAL I NDUS TRY Vo l _ 3 2 No ． 6 NO V ． 2 Ol 3 微波加热技术在冶金工业 中的应用 艾立群 张彦龙 朱袢妲 张小妹 河北联合大学 冶金与能源学院 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 Ap p l i c a t i o n o f t h e mi c r o wa v e h e at i n g t e c h n o l o g y i n me t a l l u r g i c a l i n d u s t r y Ai Li q u n Zh a n g Ya n l o n g Z hu Yi h e n g Zh a n g Xi a o me i H e b e i U n i t e d U n i v e r s i t y Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e b ri e f i n t r o d u c ti o n o f t h e mi c r o w a v e h e a t i n g me c h a n i s m a n d a d v a n t a g e， t h e r e - s e a r c h r e s u l t s a n d p r o g r e s s o f mi e rowa v e h e a t i n g t e c h n o l o g y i n t h e i ron o r e p r e t r t me n t ，c a r b o n t h e r - ma l r e d u c ti o n ，t e mp e r a t u r e c h a r a c t e r i s ti c s o f me t a l l u r g i c a l ma t e ri a l s ，ws ate g a s t r e a t me n t ，s t e e l ma k i n g s l a g p roc e s s i n g an d o t h e r fi e l d s w e re s u mma r i z e d ． Mi c r o w a v e i s r e g a r d e d h a v i n g a g r e a t a p p H e a fi o n p ros p e c t i n t h e me t a l l u r g i c a l i n d u s t r y ． Ke y wo r d s mi c r o w a v e h e a ti n g c a r b o n t h e r ma l r e d u c t i o n s t e e l ma k i n g s l a g p r o c e s s i n g 1 微 波加 热技 术 微波是 频率在 0 ． 33 0 0 G H z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 。 国家 自然科学资助 ， 编号 2 0 1 2 5 1 1 7 4 0 7 2 。 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 0 8 艾立群 1 9 6 5一 ， 教授； 0 6 3 0 0 9 河北省唐山市。 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人高炉冶 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 Vo 1 ． 3 2 No ． 6 NO V ． 2 01 3 冶 金能源 ENE RG Y F O R ME T A L L U RG I C AL I NDU S T RY 4 3 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⋯ 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 8 k W、 点火 1 ． 5 rai n 、 预热风温度 3 5 0 ℃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 2 1 ％， 煤气点火气流 中氧气 含量为 8 ． 5 9 ％ 。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 等 人 研 究 了磁铁 矿 粉、赤 铁矿 粉 、 无烟煤粉和烟煤在 K Q 6 0 0 0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 1 5 k w、 物料重量 1 k g 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 7 2 ． 6 7 、7 0 ． 2 O 、 6 8 ． 4 7、5 5 ℃／ mi n ，石灰和石 灰石粉对微波 的吸 收较差 ，升温速率为 5 3 ． 1 3和 4 8 ． 7 3 ℃／ m i n 。 N ．S t a n d i s h 等在微 波功率为 1 ． 3 k W 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2 3 6 、2 7 5 、1 9 8 、1 5 5 ℃／ m i n 。 以上研究表明常用的冶金物料是很好的微波 吸收体L 5 J ， 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 1 0 5 31 5 5 6 K。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 Me OCMe C O 1 金属氧化物的碳热还原实际上是由两个反应 组成的 2 Me OC 2 Me C O s 2 C O 2 C 2 C O 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 。 N ．S t a n d i s h 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比见图 1 。微波加热 l O m i n混合物失重大于 7 5 ％ ；马弗 炉在 1 0 0 0 q C 下 ，加热 1 0 m i n失重小于 1 5 ％ ，加 热 5 0 m i n失重低于 4 0 ％。微波加热 与传 统加热 对比见 图 1 。由此可见 ，微波加热还原的速率 比 传统加热还原的速率大得多。 华一新 等人在 2 ． 4 5 G H z ,6 5 0 W 的微波炉 N E一 6 7 9 0 中对钛铁矿 的碳热还原做 了研 究。 结果表 明，微 波加热可以明显促进钛铁矿 的还 原，随着配碳量的增加，还原反应速率增大，但 图 1 微 波加 热和传 统加 热对 比 ，o ／ 嘲水 ． 冶 金 能 源 ENERGY FOR METALLURCI CAL I NDUS TRY V0 1 ． 3 2 N0 ． 6 No v ． 2 01 3 配碳量超过 2 0 ％时 ，还原反应速率增加不明显。 代林晴 等研究 了无保护气氛条件下微波 加热还原含碳铁矿粉 磁铁矿粉和铁鳞 的情况 ， 结果表明还原温度为 1 1 3 9 o C、 时间 2 8 m i n 、 煤粉配 比2 0 ． 9 5 ％的条件下 ， 金属化率可达到 9 7 ． 0 6 ％。 2 ． 4 冶金废气处理 冶金过程会产生大量的 S O 和 N O 等气体， 严重污染环境，制约着社会和经济的可持续发 展。韩庆虹【 9 等提出了一种利用微波加热精炼 炉渣制作脱硫剂处理低浓度烧结烟气的新方法。 从试验结果看，微波加热精炼炉渣制作脱硫剂是 可行的，脱硫率最高可达 5 0 ． 8 ％。在一定范围 内，吸收剂在较高的微波功率和较长的辐射时间 下具有较强的脱硫能力。认为用精炼炉渣制作低 浓度烧结 烟气脱 硫剂具 有 “ 以废治废 ” 、成本 低 、经济实用等特点。 2 ． 5 钢渣处理 转炉炼钢产生的钢渣是一种工业废渣 ，大量 的堆积不但会占用土地资源，还会造成水体和空 气污染 ，而钢渣用于道路、水泥、建筑、烧结等 时，都存在磷富集问题。从环境保护和资源再利 用角度出发 ，需要开发去除钢渣中的磷及回收渣 中铁 、锰等金属的技术” ⋯。 贾俊荣 1 等在微波加 热条件下对钢 渣还原 脱磷行为进行了研究 ，认为碳当量和温度对脱磷 影响最为显著 ，并综合考虑了影响脱磷效果的各 种因素，确定了微波处理转炉钢渣脱磷的最佳工 艺条件。结果表明钢渣的吸波性能 良好 ；不同 成分的钢渣在微波场中均具有较好的脱磷效果， 脱磷率可达到5 1 ． 3 5 ％ 一 8 1 ． 1 6 ％。 许少霞l l 等利 用微波 碳热还原 方法 ， 选取 5 k w 微波冶金实验炉 ， 抽真空后持续吹入氩 氮 气的条件下对转炉钢渣脱磷进行了实验 。实验发 现 当温度为 l 5 0 0 ℃ 、 加人 2 C e q 、 保温 6 0 ra i n时 ， 脱磷 率 约 为 9 1 ． 4 8 ％ ； 1 5 0 0 、一2 0 0 目、 加 入 2 C e q 、 保 温 6 0 m i n时， 脱 磷 率约 为 9 2 ． 5 9 ％； 1 5 0 0 C、 一1 2 0目、 加入 2 C e q 、 保温4 0 mi n时， 脱磷 率约为9 2 ． 0 o ％。结果表明温度越高、 粒度越小、 碳当量越大时， 微波处理钢渣的脱磷效果越好。 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 动控制、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 ， 1 9 9 7 ， 6 3 2 5 2 8 ． [ 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，2 0 0 8 ，2 8 5 6 4 6 7 ． [ 3 ]陈津 ，刘浏，曾加庆等．微波加热还原含碳铁 矿粉试验研究 [ J ] ，钢铁，2 0 0 4 ，3 9 6 1 5 ． [ 4]S t a n d i s h ．N，Wo m e r ．H．Mi c r o w a v e a p p l i c a t i o n i n t h e r e d u c ti o n o f m e t a l o x i d e s 也 c a r b o n[ J ] ．I ron and S t e e l ma k e r ．1 9 9 l ，1 8 5 5 9 6 1 ． [ 5 ]D a v i dE C ．P r o c e s s i n g ma t e r i a l sw i t hm i c row a v e e n e r g y [ J ] ．M a t ．S c i ．E n g ．A ， 2 O O O 2 1 5 3 1 5 8 ． [ 6 ]N ．S t a n dis h and H．Wo me r ，Mi c row a v e h and l i n g o f i - i o n o r e p o w d e r[ J ] ．M i c r o w a v e P o w e r a n d E l e c t ro - m a g n e ti c E n e r g y ，1 9 9 0，2 5 3 1 7 7 1 8 0 ． 『 7 ]H u a Y ．Mi c r o w a v e a s s i s t e d e a r b o the r m i e r e d u c ti o n o f l i m o n i t s[ J ] ．A e t a m e t a U u r g i e a s i n i e a ， 1 9 9 6 ， 9 3 1 64 1 7 0 ． [ 8 ]L i n q i n g D a i ， J i n h u i P e n g ， H o n g b o Z h u ． O p ti miz a ti o n o f t h e P r o c e s s V a r i a b l e s f o r Ma k i n g D i r e c t Re d u c e d I r o n b y Mi c rowa v e He a ti n g u s i n g Re s pon s e S u r f a ce Me tho d o l o g y [ c] ． J i a n nY ang H w ang ， J a ro s l a w D r e li e h ， J e - F o me D o w n e y ，e t a 1 ． 2 n d I n t e rna t i o n a l S y mp o s i u m O i l H i g l l T e m p e r a t u r e M e t a l l u r g i c a l P r o c e s s i ng．N e w J e r s e y， US A J o h n Wi l e y S o n s ， I n c 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