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

刘光剑,刘存健

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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；应用探析

引言

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1mm~1nm之间，频率在300GHz~300MHz之间。在冶金领域中常用的微波频率只有两个，一个是915HMz，另一个是2450MHz。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微波加热技术在冶金中的应用

目前，微波技术在冶金行业得到了广泛应用，主要应用在干燥处理、烧结、碳热还原等方面。

2.1微波干燥技术

在冶金、化工工业生产中，干燥的过程是将物料中水分由液态变成气态。这需要外界提供较高的汽化潜热，因此能耗较高。每年用于传统工业干燥的能耗约占全球总能耗的15%以上。为提高干燥速度，传统干燥工艺往往需升高物料外部温度，加大温差梯度，随之而来的是出现物料外焦内生的现象。然而，在常压条件下，微波干燥不同于传统干燥方式。微波加热不需要任何热传导过程，直接通过微波在物料内部的介电损耗将能量转移给分子或原子。由于水的介电损耗因素远大于一般矿物或材料，微波能选择性加热水分，而不是物料整体受热，所以在干燥过程中微波辐射对水分的脱除具有独特的优势。基于此，微波干燥技术能使物料内层和表层水分同时被选择性加热，并瞬间汽化，从而使水分快速地由物料内部转移至空气中。尤其在真空条件下，水的沸点远低于100℃。在这种状态下，干燥温度更低，干燥速度更快。与通过辐射达到干燥的传统技术相比，微波干燥技术因其独特的加热、传热机理，使其具有加热速度快、干燥效率高、温度控制容易、能耗低等优点，能更加有效地对物品起到保护作用。尤其在某些特定场合，如三元材料合成后的物料干燥，微波干燥的加热特点可以保证物料粒径分布不发生变化。

2.2微波烧结技术

微波烧结是利用微波技术对材料进行加热。与常规烧结相比，微波烧结具有烧结速度快、高效节能以及改善材料组织、提高材料性能等一系列优点。21世纪以来，随着人们对纳米材料研究的重视，微波烧结技术在制备纳米块体金属材料和纳米陶瓷方面具有很大的潜力，被誉为“21世纪新一代烧结技术”。由于微波电磁场的频率很高，使材料内部的介质极化过程无法跟随外电场变化，极化强度矢量P总是滞后于电场E，导致产生与电场同相的电流，从而构成材料内部的耗散。在微波波段，主要是偶极子极化和界面极化产生的吸收电流构成材料的介质耗散。单位体积材料在微波场作用下的升温速率为：

Pa=2πfε0ε'tanδ（1）

DT/dt=2πfε0ε'E2/Cp（2）

ρ式中:f为微波工作频率；ε'为材料介电损耗；ε0为空间介电常数；E为微波电场强度；Cp为材料热容；ρ为材料密度。微波烧结的功率决定了微波烧结场场强的大小，升温速率与烧结场场强、材料热容和材料密度密切相关。这对进行微波炉设计和进行试样烧结时对实验参数的设计提供了一个基本依据。与常规烧结相比，微波烧结具有如下特点：（1)烧结温度大幅度降低，与常规烧结相比，最大降温幅度可达300℃；（2)比常规烧结节能30％～50％，大幅减少烧结能耗费用；（3)安全无污染；（4)使用微波法快速升温和致密化可以抑制晶粒组织长大，从而有助于制备纳米粉末、超细或纳米块体材料；（5)烧结时间缩短；（6)能实现空间选择性烧结。微波烧结技术的研究与工业化应用尽管还处于发展早期，但它展现出了常规烧结技术无法比拟的优点。

2.3微波碳热还原

碳热还原是冶金工程中重要流程，保证碳热还原率对于提升冶金工程产成物纯度和该项工程整体质量起到无可替代的作用。但是冶金工程中碳热还原过程容易受外在因素的干扰。微波作为一种辐射型加热能源，不依靠物料颗粒间传递热量，而是依靠物料自身在介电性质转换微波能的过程中产生热量。碳作为还原剂，可以有效地吸收微波实现快速升温，使其还原力得到增强。微波碳热还原技术的目的就是利用碳吸收微波后温度升高，从而还原氧化物，得到用于冶金的金属和化合物。这对大部分碳还原金属氧化物的反应来说都是有利的。但对于少数金属氧化物，将微波还原技术应用到含碳矿物质冶炼过程中，还能提高含碳矿物质加热速率，继而强化含碳矿物质冶炼在冶金工程中的地位，不断提高含碳矿物质在冶金工程中的应用价值。而且通过微波还原技术还能改善冶金工程中传统加热方式潜藏的问题，提高含碳矿物质内部能量聚集效率，继而为含碳矿物质的冶炼打下坚实基础。对于冶炼过程中含碳矿物质出现的“冷中心”问题来说，相关人员也可以借助微波还原技术进行优化。

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。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。

结语

微波作为新世纪的清洁能源，具有独有的加热特点及优势。然而，目前微波技术在冶金工程中的工业化程度有限，主要原因如下:1)微波冶金大型化、专业化设备研制落后，大功率、高温专用微波设备研制能力不足;2)对微波与物质作用机理还有待进一步深入研究;3)在高温及高真空的条件下，用微波加热会产生放电现象即微波效应。如何在微波技术的设计与应用过程中,避免这种微波效应还有待进一步研究。未来，相关研究者和从业人员应该适应发展需要，加强微波技术与其他外场技术的结合，提升技术联合能力，充分利用微波技术优势，相信随着高新技术的发展和对微波技术的研究日益深入，微波在冶金领域必将发挥更为重要的作用，具有着广阔的应用前景。

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