微波技术在冶金工程中的应用探析

微波技术在冶金工程中的应用探析

张刚 ,张友宝

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摘 要：为探讨微波技术在冶金工程中的应用，采用理论结合实践的方法，立足微波技术的工作原理，分析了微波技术在冶金工程中的应用要点，并提出发展前景。分析认为：冶金工程是冶金领域持续发展的重中之重，深受国家的重视；将微波技术应用到冶金工程中，可大幅度提升生产效率，更好地控制成本，而且在绿色环保等方面也有非常显著的优势，值得大范围推广应用。

关键词：微波技术   冶金工程   辅助磨矿   金属提取

在科学技术飞速发展的大环境下，很多高新技术和设备被广泛应用到冶金工程中，微波技术就是其中之一。和传统冶金工程中应用的加热技术相比，微波技术具有非常显著的特点，其加热方式是通过传导进行加热的，利用外部热源将热量从物品表面传递到物品的内部，可保证物品受热的均匀性和一致性，可有效解决传统冶金加热中存在的“冷中心”问题，无论何 种材质、种类、形状的冶金材料都能均匀加热，从而提升生产效率。基于此，开展微波技术在冶金工程中的运用探析就显得尤为必要。

1 微波技术的工作原理

微波是一种特殊的电磁波段，波长在1 mm~1 nm之间，频率在300 GHz~300 MHz之间。在冶金领域中常用的微波频率只有两个，一个是915 HMz，另一个是2 450 MHz。微波是一种介于无线电波和红外辐射之间的电磁波，但微波的生产方式、传播途径、应用方面和无线电波以及红外辐射有很大的差别。其加热的工作原理是在磁场环境中，部分物质的分子会发生极化，极化之后的分子，会随着微波场方向发生改变，在整个运动过程中，发生极化之后的分子会尝试对自身速率进行调整，就会引起极化分子旋转，原子弹性散射会在一定程度上阻碍极性分子旋转，形成能耗耗散，将电磁能转变为热能，从而实现对物质的加热和升温。

2 微波技术在冶金工程中的应用要点

2.1 在辅助磨矿中的应用

辅助磨矿是冶金工程的核心步骤，在传统冶金工程中，磨矿耗能非常大，占矿物加工总能耗的59%~ 70%之间，但能效缺乏非常低，只有约1%左右。矿石种类不同，其组分也不相同，比如石英石、方解石几乎无法被微波加热。在短时间内，选择性地加热矿石中的某些组分，可促使矿石中的不同组分间碰撞系数的不同，而在晶格间产生应力，致使颗粒边界发生断裂， 解析出有用的矿物，提升矿石的可磨性。微波辐射可大幅度提升矿石中组分颗粒的断裂效果，甚至可能促使一些矿石的功指数快速下降到 90%以上。在微波辅助磨矿中，矿石的粒径较大，分散度比较差时，有利于形成更大的应力，强化断裂并形成更大的加热速率。因此，在运用微波技术辅助磨矿中，需要适当提升矿石的粒径，降低分散度，以提升应用效果。

2.2 在冶金产品微量和痕量分析中的应用

在社会经济持续发展的大环境下，对新产品、新钢种的开发利用提出了更高的要求，各行各业愈发重视钢中微量元素的分析，要求能够达到空白低值、背景值低的要求。微波消解样品预处理技术是冶金工程中微量分析和痕量分析时样品处理的关键技术。将样品放在高温、密闭的容器中进行酸消解，可有效缩短样品处理所需的时间，具有用酸量少、背景值低、回收 率完整等优势，这是传统样品处理技术难以达到的高度[1]。如在进行钢铁样品中痕量钙的分析中，由于钢铁样品中钙的含量非常低，但在自然界中钙是常见的元素。传统处理方法空白值比较高，而且测量结果可靠性不足，难以准确获得钢铁样品中的痕量钙。而采取微波消解技术，可大幅度降低钙的空白值，如果操作得当会无限接近水的空白值。具体做法为：称取0.2 g钢铁样品，放入到80 mL的高压罐中，加入少量的水润湿处理；然后再加入5 mL王水，用微波消解15 min，5 min时温度就会达到200 ℃，在 180~200℃之间保持10 min；最后冷却后，移入到容量瓶中，用去离子水稀释到刻度，就能得到痕量钙的含量。

2.3 在冶金尘泥回收利用中的应用

冶金工程是一项非常复杂的工业项目，会形成大量的尘泥，这些尘泥中依然含有很多可利用的金属资源，传统冶金技术有限，无法从尘泥中回收利用金属资源，造成了巨大的浪费和污染。利用微波技术可有效解决这一问题。近年来，我国镀锌钢材的用量逐年加大，钢铁企业废钢消耗量逐年增长，含有锌的尘泥量不断增多。如锌含量(质量分数)小于1%的冶金尘泥通常用于烧结配料来实现冶金工程内部的循环利用。而大于或者等于 1%的冶金尘泥，多进行露天堆放处理，堆放以万吨计量的大量尘泥。为响应节能环保的号召，并提升铁资源和锌资源的回收再利用率，出现了很多回收工艺，如磁选技术、回转窑法、火法、湿法等。但这些技术金属回收率、设备腐蚀、环保、成本等方面存在很多不足。

而将微波技术应用到其中，具有良好的效果。在冶金含锌尘泥中加入一定量的碳粉和辅料，  再在微波加热情况下进行氧化铁的碳还原反应，通过碳能够很好的吸收微波，可在很短的时间内就可加热到1 053~1 556 K，在碳和金属氧化物的混合物进行微波加热中，碳形成的高温可大幅度提升还原能力，碳对铁的金属氧化物具有显著的还原效果[2]。在冶金尘泥中含有大量的Fe3O4和Fe2O3，这些都是微波敏感材料，可大幅度提升升温速度，并及时补充还原反应所需的热量，加快反应速度。尤其是近年来，我国一些学者认为加速冶金尘泥资源化速度，提升有价金属的回收利用率，提出了微波热还原法处理冶金尘泥技术，此种技术的出现，大幅度提升了加热速度，物料中的加热温度也能保持一致，更加利于反应，为冶金工程冶金尘泥的资源化处理提供了一条新的路径。

3 微波技术在冶金工程中运用的前景分析

虽然目前在冶金工程中大力推广和应用微波技术，大大提升了冶金工程的工作效率，以及金属的回收利用率，降低了冶金工程领域的能耗和成本。但并没有最大限度上发挥出微波技术的优势和作用。在未来冶金工程中应用微波技术时，必然会结合其他技术联合应用，如微波技术和超声波技术相互结合，可在冶金工程中发生空化反应，将溶液中的悬浮团聚颗粒直接粉碎掉，从而达到提升溶液吸收微波的能力[3]。但就目前发展现状而言，冶金工程中场外技术的应用还 不够先进和成熟，还要很大的提升空间，且外场技术的应用是必然的。这就要求冶金企业必须加大相关新技术的研发力度，尽快突破技术瓶颈，促使冶金技术向着更好的方向发展，为我国科学经济持续健康地发展提供更多的资源支持。

4 结语

在冶金工程中应用微波技术具有非常积极的作用，未来的发展空间也很大。在磨矿、冶金产品微量和痕量分析、冶金尘泥回收利用等环节，科学合理地应用微波技术，可大幅度缩短生产周期。优化改良材料的性能，是一种绿色、清洁的能源和技术，对促进我国冶金行业健康发展有非常重要的意义，值得大范围推广和应用。

参考文献

[1]赵秀峰，李峰，孟浩杰，等 .微波加热技术在冶金工程中的应用[J].有色冶金设计与研究，2021，42(5)：3.

[2]刘培海，冯波，胡晓明，等.微波热压优化分层微观结构BixSb2-xTe3合金的热电性能[J].粉末冶金材料科学与工程，2020，25(3)：8.

[3]马爱元，郑雪梅，孙成余，等.微波技术在材料制备与矿物冶金中的应用[J].稀有金属，2020，44(10)：14.