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锰及其化合物微波吸收性能研究 ① 苏秀娟１， 莫秋红１， 何春林２， 马少健１， 阙绍娟３ （１．广西大学 资源与冶金学院，广西 南宁 ５３００００； ２．广西大学 化学化工学院，广西 南宁 ５３００００； ３．广西冶金研究院，广西 南宁 ５３００２３） 摘 要 采用中间介质量热法考察了微波辐射时间、输出功率、物料质量等条件对各锰矿微波吸收能力的影响，并对各锰矿的升温 特性和介电性能进行了比较。 结果表明，二氧化锰吸波能力最强，而一氧化锰和一水合硫酸锰吸波能力较弱；在实验微波输出功 率、辐射时间条件范围内锰矿相对于中间介质水的吸波能力未改变。 二氧化锰介电损耗最大，在微波场中也有较好的升温特性，一 氧化锰和一水合硫酸锰介电损耗较小，升温特性也较差。 说明矿物微波吸收性能主要取决于其介电性能。 升温特性测试法、介电 常数测试法和中间介质量热法表征矿物的微波吸收性能结果基本相吻合，三者各存在优势和劣势，相互补充。 关键词 锰矿； 中间介质量热法； 吸波能力； 升温特性； 介电性能 中图分类号 Ｏ６４２文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１５．０５．０２４ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１５）０５－００９０－０５ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｍａｎｇａｎｅｓｅ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ＳＵ Ｘｉｕ⁃ｊｕａｎ１， ＭＯ Ｑｉｕ⁃ｈｏｎｇ１， ＨＥ Ｃｈｕｎ⁃ｌｉｎ２， ＭＡ Ｓｈａｏ⁃ｊｉａｎ１， ＱＵＥ Ｓｈａｏ⁃ｊｕａｎ３ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ， Ｇｕａｎｇｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｎａｎｎｉｎｇ ５３００００， Ｇｕａｎｇｘｉ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｇｕａｎｇｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｎａｎｎｉｎｇ ５３００００， Ｇｕａｎｇｘｉ， Ｃｈｉｎａ； ３．Ｇｕａｎｇｘｉ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ， Ｎａｎｎｉｎｇ ５３００２３， Ｇｕａｎｇｘｉ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｔｉｍｅ， ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｓａｍｐｌｅ ｍａｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｏｒｅ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｍｅｄｉｕｍ ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ． Ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｈｅａｔｉｎｇ ｒａｔｅ ａｎｄ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｍｏｎｇ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｏｒｅｓ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ＭｎＯ２ ｈａｄ ｔｈｅ ｓｔｒｏｎｇｅｓｔ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ， ｗｈｉｌｅ ＭｎＯ ａｎｄ ＭｎＳＯ４Ｈ２Ｏ ｗｅｒｅ ｗｅａｋｅｒ． Ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｏｒｅｓ ｄｉｄｎ′ｔ ｃｈａｎｇｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｔｉｍｅ． ＭｎＯ２ｈａｄ ｔｈｅ ｂｉｇｇｅｓｔ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｏｓｓ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｈｅａｔｉｎｇ ｒａｔｅ， ｗｈｉｌｅ ＭｎＯ ａｎｄ ＭｎＳＯ４Ｈ２Ｏ ｈａｄ ｔｈｅ ｌｅｓｓ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｏｓｓｅｓ ｗｉｔｈ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｌｏｗｅｒ ｈｅａｔｉｎｇ ｒａｔｅ． Ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔｅｄ ｏｒｅｓ ｄｅｐｅｎｄ ｏｎ ｔｈｅｉｒ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ， ａｎｄ ｔｈｒｅｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｉｔｈ ａｌｍｏｓｔ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ， ｉｎｄｉｃａｔｅ ｅａｃｈ ｏｆ ｔｈｅｍ ｗｉｔｈ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｔｏ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｏｒｅ； ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｍｅｄｉｕｍ ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ； ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ； ｈｅａｔｉｎｇ ｒａｔｅ； ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ 微波作为一种新的绿色清洁型能源，在锰矿还原 等方面得到广泛应用［１－２］。 因锰矿与微波的相互作用 过程较为复杂，制约了锰矿物微波处理设备及工艺设 计，阻碍了其工业化进程。 而锰矿微波吸收性能研究 是掌握微波与锰矿相互作用过程的关键。 目前，主要 运用矿物的升温特性及其介电性能来表征其微波吸收 性能。 升温特性测试方法常用热电偶或红外来测量矿 物的温度变化，因矿物自身的不均匀性，该方法不能全 面反映矿物的整体温度［３－４］。 介电性能的测试方法主 要有谐振法、微扰法、反射法和传输反射法，这些方法 都受到实验条件的局限，测试结果难以达到一致，因此 也不能准确反映矿物的吸波性能［５－６］。 马少健［７－８］等 运用中间介质量热法实现了从能量角度反应各物料在 微波场中的吸波性能。 基于此，本文以锰的氧化物、碳 酸锰和一水合硫酸锰为研究对象，运用中间介质量热 法、介电性能测试法及微波场中的升温特性法来表征 锰矿的微波吸收性能，并探讨微波辐射时间、输出功 率、物料质量对各锰矿吸波能力的影响，为锰矿物的微 波高温冶金理论研究及高温微波冶金设备、过程设计 及结果预测提供依据。 ①收稿日期 ２０１５－０４－０６ 基金项目 广西教育厅项目（Ｃ１３３００１）；广西研究生教育创新计划项目（ＹＣＳＺ２０１４０５４） 作者简介 苏秀娟（１９７７－），女，黑龙江双城人，副教授，硕士研究生导师，主要研究方向为矿物资源化学提取与综合利用。 第 ３５ 卷第 ５ 期 ２０１５ 年 １０ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３５ №５ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１５ １ 实 验 １．１ 实验原料 实验样品包括 ＭｎＯ２、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、ＭｎＯ、ＭｎＣＯ３、 ＭｎＳＯ４Ｈ２Ｏ 等６ 种分析纯试剂及 Ｍｎ 金属单质粉末， 样品的基本参数见表 １。 并使用粉晶 Ｘ 射线衍射仪 （德国 Ｂｒｕｋｅｒ Ｄ８ Ａｄｖａｎｃｅ），在入射光源为 ＣｕＫα 靶、 入射波长 ０．１５４０６ ｎｍ、管电压４０ ｋＶ、管电流４０ ｍＡ、扫 描速度 ６ ／ ｍｉｎ、２θ 为 １０ ～ ７０条件下，对样品进行 ＸＲＤ 衍射图谱测试，测试结果如图 １ 所示。 表 １ 实验用样品的基本参数 名称化学式颜色表观纯度／ ％ 二氧化锰ＭｎＯ２黑色无定型粉末或黑色斜方晶体９９．８１ 三氧化二锰Ｍｎ２Ｏ３黑色立方系晶体９８．９４ 四氧化三锰Ｍｎ３Ｏ４深褐色四方晶系尖晶石结构９９．３２ 一氧化锰ＭｎＯ灰绿色立方晶系粉末或八面体结晶９９．００ 碳酸锰ＭｎＣＯ３深褐色四方晶系尖晶石结构９８．００ 一水合硫酸锰 ＭｎＳＯ４Ｈ２Ｏ 无定形亮白棕色粉末９８．３４ 锰金属Ｍｎ银灰色粉末９９．３７ 2 / θ 10203040506070 A 旁 k Mn2O3 Mn3O3 MnO2 MnO MnCO3 MnSO4 H2OA 令 ＊ k k k k k k kkk kk A A A A A A 旁 旁旁 旁 旁 旁旁 旁 旁 旁 旁旁旁 旁 A A A A A A A AAA A A A A A A AA AAA 令 令 令 令令 令令 令令令 ＊ ＊ ＊ 图 １ 样品 ＸＲＤ 图谱 表 １ 中所示样品纯度通过锰元素含量测定间接获 得，实验用样品纯度都达到了９８％以上。 由图１ 可知， 各锰矿的衍射峰均与 ＰＤＦ 标准卡片上该物质的衍射 峰相吻合，说明实验用样品纯度高，达到了纯物质的实 验测试要求。 １．２ 实验方法 １．２．１ 升温特性 升温特性实验所用设备为广州科威 微波能有限公司生产的型号 ＱＷ－６ＨＯ 六边形微波炉， 它的构成包括产生微波的风冷磁控管（２ ４５０ ＭＨｚ），传 输微波用的矩形波导管，微波腔体。 经改装后升温特 性测试系统简图如图 ２ 所示。 实验时将一定质量的矿 样放入高纯石英坩埚中，然后将外加不锈钢屏蔽管热 电偶探针插入矿样一定深度，同时石英坩埚周围及底 部用 ＳｉＯ２基纳米孔超级隔热材料包裹，确保被测物料 的温度不传递到腔体中，在微波辐射功率不变，空气气 氛条件下，测定矿样温度随时间的变化规律。 1 2 3 5 7 4 6 8 图 ２ 矿物升特性测试系统 １ 转盘； ２ 待测矿物； ３ ＳｉＯ２基纳米孔超级隔热材料； ４ 高纯石英坩埚； ５ 不锈钢屏蔽管； ６ Ｋ 型热电偶； ７ 微 波腔体； ８ 测温计 １．２．２ 样品介电常数测试 样品的介电常数测试采 用同轴传输反射法，即把待测样品等效为双端口网络， 通过网络分析仪（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｎ５２４４Ａ ＰＮＡ－Ｘ）测量散射 参数，通过中间变量反射系数 Γ （ω） 和传输系数 Ｔ（ω），再结合 Ｎｉｃｈｏｌｓｏｎ⁃Ｒｏｓｓ⁃Ｗｅｉｒ 模型计算样品材料 的复介电常数实部和虚部。 实验中将样品研磨至－０．０７５ ｍｍ 粉末后与切片石 蜡（ε′＝２．１，ε″＝ ０，μ′＝ １，μ″＝ ０）按照质量比 ７ ∶ ３混合 后加热至石蜡融化，并均匀混合，控制好温度，避免石 蜡挥发，冷却至半流动状态时根据要测量的样品环厚 度取出部分混合样品填充至环形模具中，制备的同轴 试样，其外径７ ｍｍ，内径３．０４ ｍｍ，厚度２ ｍｍ。 实验中 网络分析仪的频率参数为 ２～１８ ＧＨｚ。 １．２．３ 中间介质量热法 中间介质量热法所采用的 微波输出设备为美的家用平板微波炉，盛放矿物的容 器为纯度达 ９９．９９％以上的石英坩埚。 中间介质量热 法装置如图 ３ 所示。 中间介质量热法是指同时将待测 物料和水介质置于微波炉中加热，通过测量水介质所 吸收的微波能量来间接反映固体物料吸收微波能力大 小的方法。 其基本原理是能量守恒定律，假定在微波 输出功率、微波辐射时间不变的条件下，微波谐振腔内 物料吸收的微波总能量保持不变。 1 9 5 6 10 7 8 T1 T2 10 t1 t2 2 3 4 图 ３ 中间介质量热法装置 １ 高纯石英坩埚；２ 水介质；３ 微波专用塑料盒；４ 微波 腔体；５ 金属壳；６ 操作面板；７ 陶瓷板；８ 波导出口； ９ 待测矿物；１０ 测温计 １９第 ５ 期苏秀娟等 锰及其化合物微波吸收性能研究 为研究方便，指定 Ｑｓ是在固定的微波加热功率和 时间下，谐振腔内水质量为 ｍ 时，水吸收的微波能量， 即总的有效微波能；ｑｓ是在相同微波加热功率和时间 条件下，谐振腔内水质量为 ｍ，物料质量为 ｎ 时，水吸 收的微波能量。 计算公式如下 Ｑｓ＝ ｍｃ（Ｔ２ － Ｔ １） ｑｓ＝ ｍｃ（ｔ２ － ｔ １） 式中 ｃ 为水的比热，Ｊ／ （ｋｇ℃）；ｍ 为水质量，ｋｇ；Ｔ１、 Ｔ２分别为无物料时水加热前后的温度，℃；ｔ１、ｔ２分别 为有物料时水加热前后的温度，℃。 物料吸收微波的能力可由 Ｑｓ减去 ｑｓ得到。 不同 物料吸收微波能力的强弱可由物料吸收微波能量的相 对值比较而得，即ＲＥ＝（Ｑｓ －ｑ ｓ） ／ Ｑｓ，由此便可计算物 料吸收微波能量的相对值，简称相对微波能，％［９］。 ２ 结果与讨论 ２．１ 升温特性研究 分别对 ＭｎＯ２、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、ＭｎＯ、ＭｎＳＯ４Ｈ２Ｏ、 ＭｎＣＯ３等 ６ 种分析纯以及 Ｍｎ 金属单质粉末进行了升 温特性研究。 实验时炉腔内为空气，在矿样质量为 １００ ｇ，热电偶探针插入矿样深度为 ２ ｃｍ，微波输出功 率为 １ ０００ Ｗ 条件下，每隔一定时间读取热电偶记录 下的矿样温度，结果如图 ４ 所示。 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 010203040 2 1 4 3 5 6 7 时间／min 温度／℃ 1 MnO2 2 Mn 3 Mn2O3 4 MnCO3 5 Mn3O4 6 MnSO4 H2O 7 MnO 图 ４ 各锰矿在微波场中的升温曲线 从图 ４ 可知，二氧化锰在微波场中有较好的升温 特性，锰金属单质次之，一氧化锰和一水合硫酸锰升温 特性较差。 二氧化锰经微波加热，０～１０ ｍｉｎ 阶段其温 度随加热时间增加而迅速升高，１０～２５ ｍｉｎ 阶段其温 度随时间缓慢升高至最大值 １ ２４０ ℃，之后缓慢下 降［１０］。 微波加热三氧化二锰，３ ｍｉｎ 内温度缓慢升高， ３ ｍｉｎ 后温度急剧升高，并观察到三氧化二锰被燃烧 时有火焰产生，温度急剧上升的原因可能是三氧化二 锰细粉末可燃，其燃烧后变成升温特性较好的二氧化 锰放出大量热；加热 １０ ｍｉｎ 后升温速度变慢，原因可 能是产生的二氧化锰又变成了其他升温特性较差的物 质。 碳酸锰和四氧化三锰的升温特性较差，微波加热 后阶段温度急剧上升的原因可能是，碳酸锰经分解变 成一氧化锰，一氧化锰很不稳定，当热条件满足时立即 被氧化成升温特性较好的二氧化锰放出大量热使温度 急剧上升，两个反应几乎同时进行［１１］；而四氧化三锰则 是氧化变成三氧化二锰放出大量热使温度急剧升 高［１２－１４］。 一氧化锰和一水合硫酸锰的升温速度相当， 升温特性都较差。 ２．２ 样品介电常数分析 对于无磁性材料，其损耗主要由介电损耗引起。 复介电常数 ε＝ε′－ｉε″，ε′是复介电常数实部，ε″是复介 电常数虚部。 ε′代表介质材料储存能量的本领，ε″代 表介质材料中发生的耗散，即损耗大小。 ｔａｎδ＝ε″／ ε′， 称为损耗角正切，代表材料介质损耗大小，当 ｔａｎδ 很 小（ｔａｎδ＜０．０１）时可认为材料是无损耗介质［１５］。 材料 微波吸收性能的强弱主要取决于其介电损耗的大 小［１６］。 样品复介电常数的实部 ε′和虚部 ε″通过同轴传 输反射法测量，结果如图 ５～６ 所示。 损耗角正切 ｔａｎδ 通过公式 ｔａｎδ ＝ ε″／ ε′计算得到，如图 ７ 所示。 从图 ５ 可知，二氧化锰的 ε′随频率增加逐渐降低，其他锰矿 的 ε′随频率变化趋势一样，基本保持不变；二氧化锰 的 ε′远大于其他锰矿。 从图 ６ 可以看出，各锰矿 ε″随 频率变化趋势与图５ 类似；二氧化锰的 ε″最大，远大于 其他锰矿，其次是碳酸锰和锰金属单质，其他锰矿 ε″ 9 8 7 6 5 4 3 24681210141618 2 1 7 5 4 6 3 频率／GHz 复介电常数实部 ε 1 MnO2 2 Mn 3 MnCO3 4 Mn2O3 5 Mn3O4 6 MnSO4 H2O 7 MnO 图 ５ 样品复介电常数实部 24681210141618 频率／GHz 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 32 456 7 11 MnO2 2 Mn 3 MnCO3 4 Mn2O3 5 Mn3O4 6 MnSO4 H2O 7 MnO 复介电常数虚部 ε 图 ６ 样品复介电常数虚部 ２９矿 冶 工 程第 ３５ 卷 24681210141618 频率／GHz 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 3 2 456 7 1 1 MnO2 2 Mn 3 MnCO3 4 Mn2O3 5 Mn3O4 6 MnSO4 H2O 7 MnO 损耗角正切 tanδ 图 ７ 样品损耗角正切 相当。 此结果恰好与图 ４ 中二氧化锰升温速率最快相 一致。 从图 ７ 可知，各锰矿的 ｔａｎδ 随频率变化趋势与 ε″变化趋势相似，二氧化锰的 ｔａｎδ 随频率增加逐渐降 低，其他锰矿的 ｔａｎδ 随频率变化上下波动，且变化趋 势相同。 与 ε″一样，二氧化锰的 ｔａｎδ 最大，其次是碳 酸锰和锰金属单质，其他锰矿相当。 结合图 ５ ～ ７ 可 知，二氧化锰的 ε′，ε″和 ｔａｎδ 都远大于其他矿，说明其 介电损耗最大，微波吸收性能也最好。 碳酸锰和锰金 属单质的 ε″和 ｔａｎδ 都大于其余锰矿，微波吸收性能也 较其他锰矿好［１７－１８］。 但介电性能测试实验制样过程 对实验测试结果影响较大，制样中石蜡融化要控制在 一定温度，石蜡与矿样混合均匀，特别注意制备的同轴 试样质量要求高，同时试样与测试的同轴夹具之间的 缝隙也是影响试验准确性的因素之一，并且测试结果 是微波频率为 ２～１８ ＧＨｚ 的电磁参数，而工业中用于 微波加热的微波频率为 ２．４５ ＧＨｚ。 ２．３ 微波吸收能力研究 运用中间介质量热法分别对 ＭｎＯ２、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、 ＭｎＯ、ＭｎＣＯ３、ＭｎＳＯ４Ｈ２Ｏ 、Ｍｎ 等 ７ 种矿样进行了吸 波能力研究，考察了微波辐射时间、输出功率、物料质 量等因素对矿物微波吸收能力的影响。 ２．３．１ 微波辐射时间对矿物吸波能力的影响 矿样 质量为 １００ ｇ，中间介质水质量为 １ ０００ ｇ，微波输出功 率为 ８００ Ｗ，相对微波能随时间的变化如图 ８ 所示。 时间／s 相对微波能／ 回 回 回 回 回 回 ＠ ＠ ＠ ＠ ＠ ＠ A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A AA A A 旁 回 ＠ A A A A 旁 旁 旁 旁 旁旁 18 15 12 9 6 3 0 306090120150180 MnO2 Mn Mn2O3 MnCO3 Mn3O4 MnSO4 H2O MnO 图 ８ 微波辐射时间对矿物吸波能力的影响 由图 ８ 可以看出在相同的辐射时间下，微波吸收 能力最强的是二氧化锰，该结果与升温特性及介电性能 测试结果相同；其次是锰金属单质和碳酸锰，一氧化锰 的吸波能力最弱，而三氧化二锰、四氧化三锰、一水合硫 酸锰的吸波能力相差不大。 随着微波辐射时间增加，各 锰矿在微波场中吸收的能量相对变化值基本保持不变， 即在物料质量不变时，微波辐射功率为 ８００ Ｗ，微波辐 射时间在 ３０～１８０ ｓ 范围内未改变物料吸收微波能力。 在一定微波输出能量密度下，物质的状态、物理化学性 质不变，其内部结构也不变，则吸波能力也不变［１９］。 ２．３．２ 微波输出功率对矿物吸波能力的影响 矿样 用量为 １００ ｇ，中间介质水质量为 １ ０００ ｇ，微波辐射时 间为 ２ ｍｉｎ，相对微波能随功率的变化如图 ９ 所示。 功率／W 相对微波能／ 回 回 回 回 回 ＠ ＠ ＠ ＠ ＠ A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A 旁 回 ＠ A A A A 旁 旁 旁旁 旁 18 15 12 9 6 3 0 02004006008001000 MnO2 Mn Mn2O3 MnCO3 Mn3O4 MnSO4 H2O MnO 图 ９ 微波输出功率对矿物吸波能力的影响 由图 ９ 可以看出各锰矿吸波能力规律与图 ８ 类 似，在相同的输出功率下，吸波能力最强的是二氧化 锰，其次是锰金属单质、碳酸锰和三氧化二锰，一氧化 锰的吸波能力最弱，而四氧化三锰、一水合硫酸锰的吸 波能力相差不大。 随着微波输出功率增加，各锰矿在 微波场中吸收的能量相对变化值基本保持不变，即在 物料质量不变时，微波辐射时间为 ２ ｍｉｎ，微波输出功 率在 １００～１ ０００ Ｗ 范围内未改变物料吸收微波能力。 ２．３．３ 物料质量对矿物吸波能力的影响 中间介质 水质量为 １ ０００ ｇ，微波辐射时间为 ２ ｍｉｎ，微波输出功 率为 ８００ Ｗ，相对微波能随物料质量的变化如图 １０ 所 示。 由图 １０ 可以看出物料质量相同时，吸波能力最 强的是二氧化锰，其次是锰金属单质和碳酸锰，一氧化 锰吸波能力最弱，而三氧化二锰、四氧化三锰、一水合 硫酸锰吸波能力相差不大。 随着物料质量增加，各锰 矿在微波场中吸收的能量相对变化值随之增加。 说明 在谐振腔中同时存在中间介质水和物料时，物料吸收 的微波能量随其质量增加而增加，则中间介质水吸收 的微波能量减少，也就是说，在微波输出功率不变的情 况下，微波能量在水介质和固体物料之间的分配与各 自的质量有关。 结合图 ８～１０ 可知，用中间介质量热 ３９第 ５ 期苏秀娟等 锰及其化合物微波吸收性能研究 法测量矿物的吸波能力，数据重复性好，较于其他两种 方法稳定。 质量／g 相对微波能／ 回 回 回 回 回 ＠ ＠ ＠ ＠ ＠ A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A 旁 回 ＠ A A A A 旁 旁 旁 回 ＠ A A A A 旁 旁 旁 50 40 30 20 10 0 50100150200250300 MnO2 Mn Mn2O3 MnCO3 Mn3O4 MnSO4 H2O MnO 图 １０ 物料质量对矿物吸波能力的影响 ３ 结 论 １） ３ 种方法测量锰矿物的微波吸收性能所得结 果基本一致二氧化锰在微波场中有较好的升温特性， 且其介电损耗相应最大，相对吸波能量最大。 ２） 从样品制备、实验数据重复性及稳定性角度来 说，中间介质量热法更适用于锰矿物微波吸收性能的 比较研究。 ３） 运用中间介质量热法测量锰矿物的吸波能力 时发现，在实验的微波辐射时间和功率范围内，改变微 波辐射时间和功率，矿物相对微波能基本保持不变，说 明其吸波能力未被改变；随着物料质量增大，其吸波能 力显著提高。 从能量的角度分析，微波能量在水介质 和固体物料之间的分配与各自的质量有关。 参考文献 ［１］ 陈 津，潘小娟，王社斌，等． 锰矿粉利用技术研究［Ｊ］． 铁合金， ２００７（５）７－１２． ［２］ 罗思强，梁 媛． 微波加热还原软锰矿的工艺研究［Ｊ］． 大众科 技，２０１２（１）６２－６４． ［３］ 杨 坤，朱红波，彭金辉，等． 微波焙烧高钛渣中试研究［Ｊ］． 矿冶 工程，２０１４（２）７７－７９． ［４］ 李 解，韩腾飞，李保卫，等． 赤铁矿微波还原焙烧⁃弱磁选工艺研 究［Ｊ］． 矿冶工程，２０１４（１）８２－８６． ［５］ 金钦汉． 微波化学［Ｍ］． 北京科学出版社，１９９９． ［６］ 肖金凯． 矿物的成分和结构对其介电常数的影响［Ｊ］． 矿物学报， １９８５，５（４）３３１－３３６． ［７］ Ｍａ Ｓ Ｊ， Ｚｈｏｕ Ｘ Ｗ， Ｓｕ Ｘ Ｊ， ｅｔ ａｌ． Ａ ｎｅｗ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒ⁃ ｍｉｎｅ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］． Ｍｉｎｅｒ⁃ ａｌｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９（２２）１１５４－１１５９． ［８］ Ｃｈｕｎ Ｌｉｎ Ｈｅ， Ｓｈａｏ Ｊｉａｎ Ｍａ， Ｘｉｕ Ｊｕａｎ Ｓｕ， ｅｔ ａｌ． Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｍｅ Ｓｏｌｉｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ⁃ ｗａｖｅ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ，２０１３，４７（４）２５１－２６１． ［９］ 陈燕清． 应用中间介质量热法研究固体物料的微波吸收能力 ［Ｄ］． 南宁广西大学资源与冶金学院，２０１２． ［１０］ 胡雪玲． ＭｎＯ２热分解制备 Ｍｎ３Ｏ４的动力学及工艺研究［Ｄ］． 南 宁广西大学化学化工学院，２００７． ［１１］ 张 杰，唐定国，刘浩文． 碳酸锰高温分解制备三氧化二锰研究 ［Ｊ］． 山东化工，２０１３（４）１－４． ［１２］ 陈 津，潘小娟，张 猛，等． 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Ｂｅｓｅ Ａ Ｖ， Ａｔａ Ｏ Ｎ， Ｃｅｌｉｋ Ｃ， ｅｔ ａｌ． Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｉｎ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｓｌａｇ ｗｉｔｈ ｃｈｌｏｒｉｎｅ ｇａｓ ｉｎ ａｑｕｅｏｕｓ ｍｅｄｉａ［Ｊ］． Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００３，４２ （４）２９１－２９８． ［９］ 韩 伟，秦庆伟． 从炼铜炉渣中提取铜铁的研究［Ｊ］． 矿冶，２００９， １８（２）９－１２． ［１０］ 徐 萌． 转底炉煤基热风熔融炼铁工艺的基础性研究［Ｄ］． 北 京北京科技大学冶金与生态工程学院，２００６． ［１１］ 黄希祜． 钢铁冶金原理（第 ３ 版）［Ｍ］． 北京冶金工业出版社， ２００２． ［１２］ ＤＩＮＧ Ｙｉｎ⁃ｇｕｉ， ＷＡＮＧ Ｊｉｎｇ⁃ｓｏｎｇ， ＳＨＥ Ｘｕｅ⁃ｆｅｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ Ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｏｆ Ｂａｙａｎｏｂｏ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｉｒｏｎ Ｏｒｅ Ｃａｒｂｏｎ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｐｅｌｌｅｔｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ⁃ ａｌ，２０１３，２０（５）２８－３３． ［１３］ 吴 铿，齐渊洪，赵继伟，等． 含碳球团的还原性和还原冷却后的 强度［Ｊ］． 北京科技大学学报，２０００，２２（２）１０１－１０４． ［１４］ ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ⁃ｌｉａｎｇ， ＸＩＮＧ Ｘｉａｎｇ⁃ｄｏｎｇ， ＣＡＯ Ｍｉｎｇ⁃ｍｉｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｒｅ⁃ ｄｕｃｔｉｏｎ Ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｏｆ Ｖａｎａｄｉｕｍ Ｔｉｔａｎｏ⁃Ｍａｇｎｅｔｉｔｅ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｐｅｌｌｅｔｓ Ａｄｄｉｎｇ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ Ｕｎｄｅｒ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉ⁃ ｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２０１３，２０（２）１－７． ４９矿 冶 工 程第 ３５ 卷