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锰铁生产用原料微波加热特性研究 ① 刘 建1, 刘建华1, 袁国华2, 彭灵芝2, 刘可威2, 张游游1 (1.北京科技大学 冶金工程研究院,北京 100083; 2.五矿(湖南)铁合金有限责任公司,湖南 湘乡 411400) 摘 要 采用微波加热方式,测定了锰铁原料的升温曲线,包括各单一原料和混合料的升温曲线,结果表明在微波中单一原料和混 合料均能在短时间内快速升温,说明采用微波加热铁合金原料可行。 单一原料的升温速率主要受原料的介电常数影响,升温速率 与介电常数呈正比。 混合物料的升温速率与微波功率、物料质量、辐射面积有一定关系原料一定时,适当提高微波加热功率,增大 微波辐射面积均有利于提高物料的升温速率;微波功率一定时,并不是质量越小升温速率就越快,而是当功率与质量相匹配时才获 得最佳的升温速率。 通过微波加热机理得出升温速率方程满足线性关系,与实验结果一致。 关键词 微波加热; 锰铁; 升温特性; 能源消耗; 介电常数 中图分类号 TF19文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2015.03.025 文章编号 0253-6099(2015)03-0091-05 Microwave Heating Characteristics of Raw Materials for Ferromanganese Production LIU Jian1, LIU Jian⁃hua1, YUAN Guo⁃hua2, PENG Ling⁃zhi2, LIU Ke⁃wei2, ZHANG You⁃you1 (1. Institute of Metallurgical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2.Minmetals(Hunan)Ferro⁃alloys Co Ltd, Xiangxiang 411400, Hunan, China) Abstract By microwave heating, the temperature rise curves of ferromanganese materials, including single raw material and the mixture, are determined. The results show that both of the single raw material and the mixture can be heated up by microwave in a short time, indicating the feasibility of heating ferroalloy raw materials by microwave. The heating rate of single material is mainly affected by the dielectric constant, showing a directly proportional relationship. While the heating rate of the mixed material has something with the microwave power, material weight and radiation area. With a fixed weight of raw materials, increasing the microwave power and enlarging the microwave radiation area is propitious to raising the heating rate. At a certain microwave power, lighter weight can not bring higher heating rate. The best heating rate can be achieved only when the power matches the weight. That the heating rate equation obtained by microwave heating mechanism represents a linear relationship is consistent with the experimental results. Key words microwave heating; ferromanganese; temperature rise characteristics; energy consumption; dielectric constant 钢铁工业是国民经济的基础工业,而铁合金生产 是钢铁工业的重要组成部分[1]。 我国每年生产铁合 金约 3 000 多万吨,其中 98%的铁合金采用矿热炉生 产,但矿热炉冶炼周期长,生产效率低,耗能高,因此有 必要进一步研究生产铁合金节能降耗和提高生产效率 的新方法。 微波冶金(Microwave Metalurgy)是近年来发展起 来的一种新的冶金技术[2-3],是利用微波加热从矿石 中提取金属及其化合物,并加工成具有一定性能的金 属材料的新兴学科[4-5]。 微波加热具有选择加热、快 速加热、体加热和即时加热等优点,微波能无污染、节 能降耗、易于控制,是一种绿色加热方式[6-9]。 尽管微 波加热较传统加热优势明显,但微波加热在工业化生 产中的应用发展很缓慢,尤其是在高温冶金领域,目前 尚无成熟的工业化生产案例[10]。 有关矿物微波加热的实验室研究较多,但仅限于 ①收稿日期 2014-12-14 基金项目 海外青年基金(51350110515) 作者简介 刘 建(1987-),男,江苏徐州人,博士研究生,主要从事微波冶金及铁合金生产工艺。 第 35 卷第 3 期 2015 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.35 №3 June 2015 少量纯物质且是粉末状,对于实际铁合金生产所用原 料尤其是大体积块状铁合金原料的微波加热,目前尚 无人探索。 本文主要测定了锰铁生产所用的块状锰矿和焦炭 在微波场中的升温曲线,研究了微波加热锰铁工业所 用原料的可行性,并进一步分析了物料质量、微波加热 功率、微波辐射面积和介电常数等因素对物料升温特 性的影响。 1 原料及实验方法 本实验所用原料包括南非块锰矿、巴西烧结锰矿、 郴州块锰矿、焦炭,相关原料均为国内某铁合金企业矿 热炉冶炼高碳锰铁所用,其尺寸见图 1。 南非块锰矿 大小约 1~5 cm,巴西烧结矿大小约 1~6 cm,郴州块锰 大小约 1.5~5 cm,焦炭尺寸约 1.5~3 cm。 图 1 原料尺寸 混合料加热时质量配比按铁合金企业的矿热炉配 比,原料主要成分以及含量见表 1,原料配比见表 2,物 相分析结果见表 3。 表 1 原料主要化学成分(质量分数) / % 矿样MnFePSiO2SH2OCaOMgO Al2O3 南非块锰38.84.680.0226.130.0271.9 巴西烧结 47.776.40.08780.1870.90.567.54 郴州块锰19.727.540.049.861.130.8 表 2 工厂矿热炉原料配比 矿石品种添加质量/ g比例/ % 南非块锰177.535.5 巴西机烧177.535.5 郴州块锰5511 焦炭9018 表 3 原料物相分析结果 物质名称主要成分次要成分晶系类型 南非块锰矿Mn2O3MnO2, MnO立方晶系 巴西机烧MnOMnO2立方晶系 郴州矿Mn3O4, Fe2O3Fe3O4四方晶系 图 2 为实验装置示意图,其中微波炉最大功率 6 kW,频率 2.5 GHz,一共 4 个微波磁控管,坩埚采用 莫来石材质,坩埚尺寸为 Φ100 mm 100 mm。实验 时原料放入坩埚,坩埚放置于保温桶中,上面用带有观 察口的桶盖盖上,保温桶外面用保温棉包裹,以防止坩 埚内热量散失。 实验中采用红外测温仪和双铂铑热电 偶进行坩埚内测温。 2 3 1 4 图 2 实验装置 1 红外测温仪和测温表;2 磁控管;3 保温桶和桶盖; 4 坩埚及原料 2 实验原理 2.1 高碳锰铁冶炼原理 炉料中 Mn 的高价氧化物在炉料区被高温分解或 被 CO 还原成低价氧化物 MnO[11]。 MnO2 735 K →Mn2O3 1 203 K →Mn3O4 1 450 K →MnO (1) MnO2 CO →Mn2O3 CO →Mn3O4 CO →MnO(2) MnO 较为稳定,只能被 C 直接还原。 2MnO+2C2Mn+2CO ΔGθ=575 266.32-339.78T, T开=1 693 K(3) 2MnO+ 8 3 C 2 3 Mn3C+2CO ΔGθ=510 789.6-340.80T, T开=1 499 K(4) 由式(3) ~(4)可以看出,用碳作还原剂生产锰铁 时,得到的不是单质锰,而是锰的碳化物,合金中碳含 量通常为 6%~7%。 转换温度为 1 226 ℃。 2.2 微波加热机理 微波加热物料,在物料中可能产生电子极化、原子 29矿 冶 工 程第 35 卷 极化、界面极化和偶极转向极化,其中界面极化和偶极 转向极化起主导作用。 电介质在无外电场作用时,偶极矩在各个方向的 几率相等,宏观偶极矩为“0”,但是当物料在微波场之 中,物料的偶极子要受到电场作用产生转矩,在微波场 中高速变化中,偶极转向极化跟不上交变电场的变化 而滞后,从而导致物料内部功率耗散,电磁能转换为热 能,从而使物料在短时间内达到所需温度,实现快速升 温[12]。 介电质常数 ε 是综合反映电介质极化行为的宏观 物理量,电介质极化能力越强,其介电常数越大,介质 损耗越大。 介电常数与极化强度的关系为[13-14] P = ε0(εr- 1)E = NαEe 式中 P 为极化强度,C/ m2;Ee为有效电场,V/ m;ε0为 真空介电常数,为 8.8510-12F/ m;εr为相对介电常 数;N 为单位体积中的粒子数;α 为极化率,Fm2。 微波必须透射到物料内部才能使物质加热,因此 还应考虑微波在物质中的穿透深度,微波可以均匀加 热物料,是针对达到物料的穿透深度而言的。 通常用 Dp来表示穿透深度[15] Dp= C 2πf2ε′ 1 + tan2δ - 1 [] 1/ 2 式中 f 为频率,Hz;C 为光速,3108m/ s;ε′为介电常数 实部;tanδ 为损耗正切。 3 试验结果及分析 3.1 单一物料升温曲线 单一物料升温曲线见图 3。 1200 1000 800 600 400 200 00 50 100 150 200 250 300 , ;0s 13 6,35 D35 1, ;0s 500 g , 4 kW 300 g , 4 kW 图 4 相同功率下不同质量混合料的升温曲线 物料质量相同,不同功率条件下的升温曲线见图5。 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 00 200 400 600 800 1000 1200 , ;0s 4 kW 6 kW 图 5 不同功率条件下的升温曲线 由图 5 可以看出,功率越大,物料升温速度越快。 微波输出功率越大,物料单位面积上接受的微波辐射 能量越高,从而物料升温更迅速。 功率为 6 kW 时, 500 s 左右就可以加热到 1 300 ℃,平均升温速率为 2.6 ℃ / s;功率为 4 kW 时则需要 600 s 左右才可以达 到 1 300 ℃,平均升温速率为 2.16 ℃ / s,可见加大微波 功率可以加快升温速率并缩短加热时间。 物料质量为 300 g,微波功率为 4 kW,不同微波辐 射面积下的升温曲线见图 6。 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 00 200 400 600 800 1000 1200 , ;0s 300 g , 4 kW , 110 cm2 300 g , 4 kW , 157 cm2 图 6 同质量同功率不同辐射面积的升温曲线 增大微波辐射面积(单位质量的物料接受微波辐 射的面积)可以提高对微波的吸收率,因为微波是辐 射加热,增大辐射面积,可以减少微波自耗的能量,提 高微波能量利用率。 实验表明,物料质量 300 g、微波 功率 4 kW 时,微波辐射面积为 157 cm2的升温速率大 于辐射面积为 110 cm2的升温速率,并且节约加热时 间。 因此,可以在微波加热功率和物料质量一定的情 况下,设法提高辐射面积,这样可以提高升温速率,节 约加热时间,从而更好利用微波能量。 对比图 4~6 可知,尽管混合物料在微波场中的升 温速率存在差异,但其升温曲线极为类似。 即混合物 料的微波加热升温过程分为 3 个阶段在微波加热第 1 阶段升温速率最快,这是由于锰矿和焦炭均易吸收 微波能,微波辐射后物料温度迅速升高,此时混合物料 温度较低,物料的介电性质尚未发生变化,该阶段升温 曲线满足线性关系;温度达到 600~800 ℃后进入第 2 阶段,该阶段微波加热升温速率有所下降但仍较快,此 阶段混合物料的介电性质发生了一些改变,升温曲线 基本接近线性关系;混合物料温度到 1 200~1 300 ℃ 之间进入第 3 阶段,此时坩埚内物料温度达最大值,试 样与周围环境达到热平衡而保持恒温,该阶段升温速 率很慢,此时物质已发生还原化学反应生成高碳锰铁, 且物质的介电性质和结构都已发生变化,这些变化都 影响物料的吸波特性。 4 物料升温曲线方程 在单位时间内,微波在单位体积的物料中损耗的 能量为[16] P = 2πfε0ε″E2 式中 P 为物料吸收微波的功率密度,W/ m3;f 为微波 频率,Hz;ε0为介电常数;ε″为复介电常数中的介电损 耗因子;E 为电场强度,V/ m。 Q = mcpΔT 转换成单位体积的能量,则为 q = ρcpΔT 式中 ρ 为物料密度,kg/ m3;cp为物料比热容,J/ (Kkg); ΔT 为物料的温差,K。 由于本实验物料质量较大,且装有保温桶,物料散 失到环境中的热量较小。 物料在短时间内可升至较高 温度,故认为坩埚内物料温度分布均匀,忽略对周围环 境的热损失,则 P=q。 物料在微波场中的升温速率为 dT dt = 2πfε0ε″E2 ρcp 假定物料中电磁场均匀,物料的比热、热导率、介电常 数和正切损耗系数随温度变化很小,因此可视为常数, 49矿 冶 工 程第 35 卷 即dT dt 为常数,可得温度随时间变化的函数关系式为 T = kt + b 式中 k,b 为常数。 对比实验中的升温曲线,第 1 阶段和第 2 阶段均为 快速升温阶段,且基本满足线性关系,与该方程吻合。 5 结 语 1) 工业冶炼锰铁所用的巴西烧结矿、南非块锰 矿、郴州块锰矿、焦炭等原料均可在微波环境中加热, 其中焦炭的升温速率最快,南非块锰和巴西烧结矿次 之,郴州锰矿最慢。 焦炭的平均升温速率为17.01 ℃ / s, 巴西烧结矿为 5 ℃ / s,南非块锰为 6.45 ℃ / s,郴州块 锰为 3.33 ℃ / s。 2) 单一原料在微波场中的升温速率主要受原料 介电性质影响,升温速率与介电常数呈正比,在物料升 温过程中物质发生化学变化,或物料随温度变化时介 电常数发生改变,均会引起物料升温速率的改变。 3) 混合物料的升温速率与微波功率、物料质量、 辐射面积有一定关系,原料质量一定的情况下,适当提 高微波加热功率,增大微波辐射面积均有利于提高微 波的升温速率;微波功率相同时,并不是质量越小升温 速率就越快,而是当功率与质量相匹配时,升温速率 最快。 4) 根据微波加热机理得出的升温速率方程与实 验所得升温曲线较吻合。 参考文献 [1] 蔡卫权,李会泉,张 懿,等. 微波技术在冶金中的应用[J]. 过程 工程学报,2005,5(2)228-232. 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