技術：新型非常規綠色冶金技術之—微波冶金

冶金技術在人類歷史發展的長河中起著劃時代的重要意義，從青銅時代到鐵器時代，再到近代鋼鐵冶煉的大規模發展，人類發展的歷史融合了冶金的發展歷史。尤其是近代以來，伴隨著科學技術的發展和跨學科間的滲透，冶金與物理、化學、電學、生物學、光學等學科有著密不可分的關係。到了本世紀，冶金工程主要的發展方向分為兩方面：

一是開發新的冶金技術做到冶金過程最大程度減少資源和能源的消耗，減少對環境的污染，做到可持續發展;

二是把傳統的冶金產業與新技術融合，開發新的冶金技術，做到材料提純新路徑。基於跨學科的發展和冶金工程新的發展方向兩方面的原因，出現了一系列非常規冶金技術(如：微波冶金、電磁冶金、生物冶金、真空冶金、電子束熔煉)使得金屬的提取、分離和淨化過程做到了高效、環保和節能。

20世紀60年代，微波技術逐漸的被人們用於紙類、木材等加工過程，微波因獨特的選擇性加熱、均勻輻射等特點，越來越受到人們的重視，應用範圍不斷擴大。微波加熱在冶金中的應用是近年來發展起來的冶金新技術，世界上的一些發達國家如美國、英國、德國、日本、加拿大、澳大利亞等都很重視這一新技術的研究，大陸也在八十年代開始了這一領域的研究工作。在冶金領域中，因微波加熱與常規加熱不同，它不需要由表及里的熱傳導，它可以做到選擇性加熱、升溫速率快，加熱效率高、對化學反應有催化作用，能夠降低反應溫度，縮短反應時間，促進節能降耗等優點，利用這些優點改造某些傳統的冶金工藝和技術，提升冶金產品的深加工水平，完善產品結構，做到了冶金過程的高效、節能、環境友好特點。

一、 微波加熱原理

微波是指波長在1mm-1m範圍內的電磁波，其相應的頻率300MHz-300GHz之間，它位於電磁波的紅外輻射(光波)和無線電波之間，如圖1 所示：微波是一個十分特殊的電磁波段，雖然介於無線電波和紅外輻射之間，但其產生、傳輸和應用的原理與他們不同，聯邦通訊委員會(FCC)根據減少通訊服務干擾的國際協議選定分配給工業、科技、醫藥和製造業的應用額定功率，最常用的加熱頻率是915 MHz 和2450 MHz ，對於波長分別是32.79 cm和12.26cm。

圖1 微波在電磁波中的位置

微波加熱過程實際上就是將微波能轉換為物質內能的過程，水分子是典型的極性分子共價鍵結構，在外加電磁場中，原來雜亂無章的水分子排列便趨向於有序，如圖二，當外加電場方向改變時，水分子也隨之轉向，在快速變化的微波電磁場中，水分子方向不斷變化搖擺，再加上分子本身的熱運動和相鄰分子之間的相互作用，迅速產生巨大的熱量。

圖2 磁場中分子極化示意圖

磁場中所吸收的微波能與其物質的電磁特性(如介質常數、介質損耗數、電導率、磁導率等)有很大的關係，一些學者對微波場中的物質升溫行為做了一些研究。根據材料和微波相互作用情況可以將材料分為微波透過體、微波反射體、微波吸收體三大類。大多數硫化物(如：硫鐵化合物、硫化銅等)和一些氧化物(如：氧化鎳、氧化錳)能夠大量吸收微波能，這些物質在微波輻射下1-2min後溫度升至幾百度甚至上千度，而有些物質(如氧化鈣、氧化矽)卻不能達到很高的溫度，從微波加熱特性可以看出，微波具有選擇加熱特性，同時升溫速率非常快。因此，微波加熱不需要由表及里的熱傳導，而是通過微波在物料內部的熱量耗散來直接加熱物料，根據物料電磁特性的不同，可及時有效地在整個物料內部產生熱量，加熱過程中能克服常溫加熱「冷中心」的缺陷，做到表里均勻加熱。微波通過在物料內部的介電損耗直接將化學反應所需的能量傳遞給反應的分子和原子，這種原位能量轉換方式可促進化學反應和擴散過程快速進行。此外，微波還具有易於對物料加熱溫度進行自動控、清潔無污染、對環境友好等特點。

二、 微波加熱在冶金應用領域1微波加熱在礦石預處理中的應用

礦石粉碎是礦物加工過程中最消耗能源的工序，它占到礦物加工過程能耗的50%-70%，通常粉碎工序的能源效率約為1%。礦石通常含有多種礦物(包括有用礦物和脈石礦物)，當用傳統方法加熱時，礦物中的各中物質升溫速率基本相同，被加熱的溫度也大致相同，在礦物間不會產生溫度差，礦物的顯微結構不會因加熱而發生明顯的變化。當採用微波加熱時，由於組成礦石的各種礦物具有不用的吸收微波特性，他們在微波場中的升溫速率各不相同，同一時間內被加熱到不同的溫度(微波選擇性加熱)從而產生熱應力，致使礦物之間的界面產生裂縫，裂縫產生可以有效的促進礦物的單體解離和增加有用礦物的有效反應面積，這種處理使得礦石更容易粉碎。該工藝特別是處理一些高附加值的礦石，如貴金屬礦的提取，微波預處理可以改進礦石的粉碎和貴金屬的釋放。大量實踐表明，微波輻照可以顯著的提高礦石等物料的磨礦效率，有效降低磨礦成本，提高選礦的回收率。

2微波加熱在火法冶金中的應用

在黑色、有色及稀有金屬冶金過程中，廣泛採用火法冶金工藝，其原理就是將金屬氧化鋁在高溫下還原成為金屬的工藝。目前使用最為廣泛的還原劑是碳，碳是一種非常好的微波吸收材料，可以在很短的時間內被微波加熱到1053 K至1556K，而且微波加熱具有升溫速率快、滲透度大，加熱均勻等優點，用微波加熱代替傳統加熱時，可以明顯提高金屬氧化物的碳熱還原速率，無論金屬氧化物本身的吸熱性能如何，微波加熱都可以對碳熱還原反應起到促進的作用，只是對於吸波性能良好的金屬氧化物效果更好。如圖3所示：在碳熱還原赤鐵礦或磁鐵礦的實驗中，在微波加熱的條件下，只需要10min反應就基本結束，而在傳統的條件下，反應進行了50min反應才進行了50%，這就說明微波加熱的反應速率快於常規加熱。因此，微波輔助鐵礦石碳熱還原有可能被用於高硫燒結和球團過程，這對直接煉鐵有著實際的意義。

圖3 微波和常規碳熱還原的比較

3微波加熱在濕法浸出過程中的應用

在濕法冶金過程中，浸出是一道關鍵的工序，濕法浸出工藝具有低溫操作、浸出產品加工成本低，可處理低品位礦石等優點，但缺點是金屬的回收率較低、固液分離困難、雜質對提純效果影響較大等。研究表明這是由於在浸出進行到一定時間，浸出化學反應產生較為致密的物質包裹未反應的礦核，使得浸出反應受阻，浸出速率變慢。採用微波加熱，可以大大提高浸出速率，同時可以縮短浸出時間。比如微波技術用於處理難處理金礦石，難處理金礦石主要有含砷的硫化物包裹型金礦和碳質難浸出金礦兩類，包裹型金礦因包裹難以氰化浸出，需要採用適當措施預處理金礦，改變浸出物料的物理和化學性質，解離金礦包裹體，消除和減弱有害雜質的影響，從而使物料容易浸出。通常採用機械磨碎及氧化焙燒等方法處理，但是此工藝能耗較大，環境污染嚴重。碳質難浸出金礦含有天然碳質材料，球狀的黃鐵礦和其他黏土物料等成分組成，他們都能搶先從礦漿中吸附金氰絡合物，因此，氰化前首先要除碳。難處理金礦石中碳質、磁黃鐵礦等都為強吸波物質，脈石為透波物質，在微波作用下，礦粒度會產生局部熱應力，致使礦粒產生裂紋和空隙，導致包裹的金礦暴露出來，從而增加金屬的氰化浸出率。加拿大EMR公司建造了一條微波預處理金礦中試線，在實際生產中結果顯示微波預處理能耗低(圖4所示)，生產效率高，污染物硫化物排放少，處理後的礦石氰化浸出效果好。

圖4 難處理金礦能耗對比圖

4微波加熱在其他冶金過程中的應用

在自然界中，金屬礦物大多數以硫化物的形式存在，在微波場中，鐵、鎳、鉛的硫化物能與提供的氧作用生成氧化物，避免採用傳統的加熱處理時SO2的排放，有利於環境保護。微波能最普遍的應用是乾燥和脫水(圖5微波乾燥生產線)，微波可去除分子間和分子內部(氫氧或碳氧化合物形式的水)兩種形式的水，將微波用於冶金過程中焙燒、煅燒工藝是非常有效的。微波燒結是利用微波將材料整體加熱至燒結溫度而做到材料致密化的方法，微波燒結時，材料升溫速度快，材料內部溫度均勻，燒結時間短，晶粒長大受到抑制，故微波燒結制得的材料性能和質量良好。微波還可以穿透萃取介質，直接加熱物料，所以微波輔助萃取可以強化傳統萃取過程中傳質、傳熱，縮短萃取時間，提高萃取效率。

圖5微波乾燥生產線

三、 微波冶金技術優勢

微波加熱與傳統加熱方式具有明顯的優點：

(1)加熱速率快。微波加熱與傳統加熱方式完全不同，它是被加熱物料本身成為發熱體，不需要熱傳導過程，因此，盡管是熱傳導性比較差的物料，也可在極短的時間內達到加熱溫度。

(2)微波加熱均勻，加熱效率高，微波可對被加熱物資內外一起加熱，熱損耗小。熱能利用高，由於含水分子的物質容易吸收微波而發熱，因此除少量的熱傳輸損失外，幾乎無其他損耗，因此熱效率高、節能。無論物體各部位形狀如何，微波加熱均可使得物體表面同時均勻滲透電磁波而產生熱能，所以加熱均勻性好，不會出現外焦內生的現象。

(3)微波加熱能降低化學反應溫度，降低過程能耗。微波可使原子和分子發生高速振動，為化學反應創造更有利的熱力學條件，對化學反應具有催化作用，可使反應在更低的溫度下進行，降低過程能耗。

綜上所述，微波加熱在火法冶金、濕法冶金、微波乾燥、微波燒結等領域都有獨到之處，具有非常大的潛力，微波技術應用於冶金過程，可以大大提高金屬回收率、產品轉化率、提高產品純度、降低冶金過程能耗，因此微波冶金技術發展前景廣闊。隨著人們對環保要求的日益增強，世界能源短缺以及日益激烈的全球競爭等方面，可以看到採用高效的非常規微波冶金技術來提高效率，降低生產成本是將來發展的必然趨勢。隨著對微波技術研究的日益深入，微波作為一種清潔、乾淨高效的能源，在冶金領域必將發揮著重要的作用，具有廣闊的應用前景。

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