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时间:2014年06月12日 阅读:

 

一、概述

    微波加热在冶金中的应用是近年来发展起来的一种冶金新技术,80年代的研究表明,微波加热能够促进氧化镍、氧化钴和氧化锰矿在浸出前的预还原,能够促进硫化钼和硫化铼的焙烧或氯化。研究证明,微波加热在黑色金属和有色金属的火法冶金过程中均有很大的应用前景,几乎所有工业上使用的金属都可以用微波进行处理。微波加热被用于矿石的破碎、难选金矿的预处理、从低品位矿石和尾矿中回收金、从矿石中提取稀有金属和重金属、铁矿石和钒钛磁铁矿的碳热还原、工业废料的处理等等。

微波加热与传统加热不同,它不需要由表及里的热传导,而是通过微波在物料内部的能量耗散来直接加热物料。根据物料性质(导电率、磁导率、介电常数)的不同,微波可以及时而有效地在整个物料内部产生热量。微波加热在冶金中的应用具有以下用传统加热方式无法比拟的优点:

    1、选择性加热物料,升温速率快,加热效率高;

    2、微波能够同时促进吸热反应和放热反应,对化学反应具有催化作用;

    3、当用微波加热代替传统加热时,熔炼和其它高温化学反应可以在十分低的温度下进行,即微波加热具有降低化学反应温度的作用;

    4、微波能可以使原子和分子发生高速振动,从而为化学反应创造出更为有利的热力学条件;

    5、微波很容易使极性液体(如水、乙醇、各种酸碱溶液)加热,因而微波加热可以用来促进矿物在溶剂中的溶解,提高湿法冶金过程中的浸出速率和降低过程的能耗;

    6、微波本身不产生任何气体,所须净化的只有还原或氧化反应产生的气体,因而利于环境保护;

    7、微波加热易于自动控制。

二、冶金中的几种实际应用

    1. 矿物的微波加热分解

    用于冶炼过程中的矿石多由各种化合物组成,重要的化合物有碳酸盐、氧化物、氯化物和硫化物等。化合物加热到一定温度时,它可以分解为一种更为简单的化合物和气体。化合物的热分解过程需要吸收大量的热,反应的速率通常受传热控制,采用传统加热方式时,热量不能有效地从化合物表面传递到内部,致使分解过程的速率低、能耗高。由于微波可以直接在化合物内部产生热量,因而能够有效地加快化合物的分解速率和降低过程的能耗。

    1.1   二氧化锰的微波加热分解

实验证明:利用微波的选择性加热和物料吸收微波加热后其产生化学反应的非热效应,微波能够显著提高二氧化锰分解成四氧化三锰的反应速率,分解速率比传统加热提高了78.86倍,所以微波加热比传统加热节能效果相当明显。

    1.2   软锰矿的微波加热分解

软锰矿的分解对于金属锰的生产具有极其重要的意义,可以显著降低还原过程的焦炭消耗。软锰矿通常含有杂质和脉石,当用传统方法加热时,因热效率低而使分解过程的能耗很高,但处于微波加热就能够在物料内部直接产生热量,其加热效率比传统加热的传导加热高得多,因此把微波加热用于软锰矿的分解将会降低过程的能耗,并能加快分解反应的速率和降低反应的温度。

    1.3   碱式碳酸镍的微波加热分解

碱式碳酸镍是镍电解生产过程中的副产品,一般将其制成氧化镍出售。传统的生产方法是采用燃煤加热法进行分解,这种方法会造成严重的喷料现象,生产效率低、能耗高、产品质量低、劳动条件恶劣。

    由于碱式碳酸镍属于弱的微波吸收物质,也就是吸波能力差,用微波单独加热碱式碳酸镍只能脱出部分结晶水而不能脱出二氧化碳,不能使其完全分解;但氧化镍则是较好的微波吸收物质,在微波场中只需5min就可升温到700K左右。实验证明,微波场中加入一定量的氧化镍后,碱式碳酸镍的微波加热升温速率明显提高,可以完全分解成氧化镍,且无喷料现象,其反应速率可以通过调整添加剂比例或调节微波功率加以控制。碱式碳酸镍在微波辐射下的热分解过程主要有脱出结晶水和脱出二氧化碳俩个阶段组成。

    2. 金属氧化矿的微波加热碳热还原

金属氧化物在高温下还原为金属,是火法冶金中最重要的一个冶炼过程,广泛地用于黑色、有色及稀有金属冶金中,Fe、Sn、Zn、Pb、Cr或Si等许多金属都可以用这种方法生产。而碳作为还原剂被广泛应用于火法冶金的还原过程中,碳对氧具有很大的化学亲和力,并且具有随温度升高化学亲和力增大的特性,这表明它在高温下具有更强的还原能力。同时碳也是一种非常好的吸波物质,可以在很短的时间内被微波加热到1053~1566K,因此当把微波加热用于金属氧化物的碳热还原时,碳可以产生局部的高温,使碳的还原能力明显提高,从而加速还原过程的进行。

    2.1   铁矿石的微波碳热还原

在铁矿石的实际还原过程中,通常是将铁矿石与碳粉混合制成球团,然后再对球团进行还原。当用传统加热时,由于热量不能有效而及时地传递到球团内部以补充布多尔反应所消耗的热量,因而球团中心会变冷,即产生“冷中心”,致使球团中心区域的还原气体浓度降低,反应速率减慢。

在球团的传统加热过程中,有效传热系数对球团所包含的物料的性质不是十分敏感,因此各种物料的加热速率大约是相同的。而微波加热对物料的性质则十分敏感,碳热还原过程中使用的碳是一种很好的吸波材料,在球团的微波加热过程中,碳可以优先被加热到很高的温度,碳的局部高温可以促进布多尔反应的进行和提高CO的浓度。在碳热还原过程中,总的反应速率是受碳的气化反应(即布多尔反应)控制的,因此,当用微波加热代替传统加热时,金属氧化物的碳热还原速率会明显提高。如果被还原的金属氧化物本身也是一种很好的吸波材料,那么微波加热对碳热还原反应速率的促进作用就更为明显;如果金属氧化物不是一种很好的微波吸收材料,那么碳在微波加热过程中可以起到掺杂剂的作用,改善金属氧化物的吸波性能,微波加热同样起到加速反应速率的作用。

    由此可见,微波加热在碳热还原反应中的应用克服了传统加热还原过程中的主要缺点,从根本上消除了“冷中心”现象,使反应速率显著加快,此外,微波加热碳热还原的最终产物具有足够的机械强度,对下一步的处理十分有利。

    2.2   钛铁矿的微波碳热还原

钛铁矿(FeTiO3)的碳热还原是生产二氧化钛的第一步,具有重要的工业意义。然而,它的工业应用则因还原速率慢而受限制,为了增加反应速率,在还原过程中使用了三氯化铁和碱金属碳酸盐作为催化剂,但同时也增加了生产成本,因为使用的催化剂不能从过程中回收。而微波加热对化学反应有催化作用,把微波加热用于钛铁矿的碳热还原,将会提高反应速率和降低过程的能耗。

与铁矿石的碳热还原类似,钛铁矿的碳热还原反应也是强烈的吸热反应,采用传统的加热还原时同样会产生“冷中心”。由于微波可以对物料进行整体加热,“冷中心”的问题自然得到解决,因而反应速率明显加快。

    2.3   软锰矿的微波碳热还原烧结

锰矿石强度低,含粉率高。采用粉料入炉,会显著降低炉料的透气性,恶化炉气的分布,引起烟尘损失增加及悬料、结壳、塌料等一系列操作问题,以致使冶炼过程不能顺利进行,技术经济指标下降。因此,粉矿进行烧结造矿十分必要,通过烧结造块,不仅可以改善炉料的透气性,改变锰矿粉的物理特性和化学组成,而且还可以使锰矿粉发生脱水、分解、氧化、还原、烧结等物理化学变化,使锰矿的还原性得到改善,降低冶炼过程中的能耗。

    锰矿石中的MnO2以及加入的碳质还原剂均是很好的吸波物质,当用微波对锰矿石进行还原焙烧时,微波对物质的选择性加热可以使还原剂和氧化锰产生局部高温,从而使碳的气化反应和氧化锰的还原反应得到加速;其次,非热效应使原子、分子、离子等微观粒子得到活化,使晶格扩散和晶界扩散加快;扩散活化能大大降低,反应物间的物质迁移加速,反应的活化能也因此降低,从而使反应速率加快。

    由于微波能可以在物料内部直接转化成热能而使其迅速加热,从根本上消除了传统加热时的冷中心,反应速率大大提高,反应时间明显缩短,从而大大提高了矿石的烧结效率,也降低了过程的能耗,并使产出的烧结矿具有较高的强度。所以,锰矿的微波碳热还原具有广阔的工业应用前景。

    3. 硫化矿的微波加热浸出

大多数金属矿物在自然界中都是以硫化物的形态存在,例如铜、铅、锌、镍、钴、汞、钼等金属矿物多为硫化物硫化矿的现代处理方法主要是采用火法流程,包括氧化焙烧、造锍熔炼、熔锍吹炼等过程,这些过程都不可避免地要产生二氧化硫,造成环境污染,为了解决二氧化硫对环境的污染问题,出现了硫化矿的湿法冶金工艺,而硫化矿的微波加热浸出就是一种很有前途的湿法冶金新技术。

    3.1   硫化铜精矿的微波辐射三氯化铁浸出

    浸出反应属于有固体产物层生成的多项反应,在微波加热浸出条件下,由于微波加热的选择性,浸出体系中的硫化铜精矿颗粒可能会局部受热而使其与周围的脉石或产物层之间产生热应力并产生裂纹,暴露出新鲜的矿粒表面,使浸出反应的有效面积增加,从而使浸出反应的速率加快。同时,硫化铜精矿颗粒的局部受热,会使固体颗粒周围的流体产生较强的热对流,使流体中的传质速率加快。正是微波加热浸出的这些优点使得微波加热浸出的速率比传统加热浸出的速率快得多。

    与传统加热搅拌浸出相比,硫化铜精矿的微波加热三氯化铁浸出无需机械搅拌,浸出速率明显加快,反应时间大大缩短。是一种高效节能的湿法冶金新工艺。

    3.2   微波辐照下闪锌矿与软锰矿的同时浸出

用闪锌矿与软锰矿同时浸出—净化—电解法处理硫化锌矿可以同时获得金属锌和二氧化锰,并能回收其中的元素硫是一种湿法冶金新工艺。但采用传统加热,浸出时间为3~4小时,有时长达5小时,浸出时间过长。而采用微波加热浸出将会有效地提高浸出过程的速率和降低过程的能耗。实验证明:在微波辐射下约90min锌的浸出率可达92%,而传统加热下仅仅为41%。

    3.3   闪锌矿的微波辐射三氯化铁浸出

    闪锌矿的三氯化铁浸出也是一种无污染的湿法冶金工艺,采用传统加热浸出同样存在着浸出速率慢、反应时间长、能耗高的缺点。研究表明;在相同条件下,对闪锌矿浸出30min,微波辐射下的锌浸出率达59.3%,而传统加热方式只有28.4%;浸出60min,微波辐射下的锌浸出率达90%,而传统加热方式只有51%。

    4. 矿石的微波辐射预处理

    用微波辐射对矿石进行预处理时,由于微波对矿物的选择性加热,会使矿石中的某些矿物发生化学反应和物相转变,而不影响其它矿物。因此,用常规方法难以加工的矿石,经微波辐射后,有可能变得容易处理。

    例如:煤炭中的黄铁矿经微波辐射后会转变成磁黄铁矿,用磁选方法就可以将其从煤炭中分选出来;红土矿是一种低品位的氧化镍矿,直接浸出时,镍钴的浸出率很低,将红土矿与30%NH4CI混合后用微波辐射5min,然后用水浸出,镍和钴的浸出率分别为70%和85%.

    4.1   难处理金精矿的微波辐射预处理

    难处理精金矿是黄铁矿型多金属硫化矿,是重要的提金原料,这种矿石中的金子颗粒被包裹在黄铁矿或砷黄铁矿中,直接用常规的碱性氰化物浸出法进行处理,金的浸出率通常很低。为了提高金的浸出率,必须对矿石进行预处理。

    由于微波加热可以使黄铁矿和砷黄铁矿分解,因此用微波辐射对难处理精金矿进行预处理,就可以吧金子、砷和硫从矿石基体中分离出来,游离出来的金即可用常规的碱性氰化法浸出,难处理精金矿的微波辐射预处理是一种很有前途的新方法。

    4.2   红砷镍矿的微波辐射氧化脱砷

    红砷镍矿是一种较为重要的含镍矿物,可以用来提取金属镍和生产三氧化二砷。到目前为止还没有一种处理这种矿石的有效方法。红砷镍矿的微波辐射氧化脱砷,能够使红砷镍矿的脱砷速率较传统加热法明显加快,而且脱砷率也较传统加热方法有所提高,传统加热的脱砷率为50%,而微波辐射法的脱砷率可达60%。

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