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1、微波技术在湿法冶金中的应用微波技术在湿法冶金中的应用研 究 生 考 试 试 卷 评分 考试科目： 课程编号： 专业： 姓名: 学号： 现代湿法冶金 微波技术在湿法冶金中的应用 目录 微波技术在湿法冶金中的应用 . - 1 - 第1章 绪论 . - 1 - 微波加热原理. - 1 - 微波加热优点. - 2 - 第2章 微波在湿法冶金冶金中的应用. - 3 - 微波强化浸出. - 3 - 微波辅助萃取. - 4 - 微波碳热还原. - 4 - 微波干燥. - 5 - 微波烧结. - 5 - 微波辅助磨矿. - 6 - 微波干燥和分解. - 7 - 废物处理. - 7 - 第3章 微波协同其他技术

2、在冶金中的应用 . - 9 - 微波与磁场协同在矿石浸出中的应用. - 9 - 微波与超声波协同在蒸发结晶中的应用. - 9 - 第4章 问题与展望 . - 11 - 现代湿法冶金 微波技术在湿法冶金中的应用 微波辅助萃取 微波可以穿透萃取介质，直接加热物料，所以微波辅助萃取可强化传统萃取过程中的传质、传热，缩短萃取时间，提高萃取效率。 高云涛等5在微波辅助聚乙二醇-硫酸铵双水相体系中研究了微波辐照条件下铂和钯络阴离子的萃取及分配行为。结果发现，微波辐照对体系的分相有较好的促进作用，能有效提高萃取率，增大分配比和饱和吸附容量；非等温动力学研究表明，微波辐照可增大萃取速率。戴江洪等6研究了微波辅

3、助，Lix984从低品位铜矿浸出液中(铜离子质量浓度2g/L)萃取铜。在微波功率180W、相比=、pH=2条件下萃取8min，铜萃取率达98%左右。 微波辅助萃取时，极性溶剂比非极性溶剂更有利，因为极性溶剂吸收微波的能力更强，溶剂的活性更容易提高，极性溶剂与被萃物之间的相互作用更有效7。 微波碳热还原 碳既是冶金中应用广泛的还原剂，又是一种很好的微波吸收物质，可在短时间内升温到1000K以上。碳急剧升温后，还原能力增强，可缩短还原时间和降低反应温度。微波碳热还原就是利用碳对微波的良好吸收性能来还原氧化物，从而得到有用的金属或化合物。 等8研究了铁矿石的微波碳热还原，发现微波加热可以解决传统加热

4、方法无法解决的“冷中心”问题，而且氧化物的碳热还原速率明显提高。黄孟阳等9用微波碳热还原钛铁矿的研究表明，微波加热在较低温度下就能发生还原反应。微波碳热还原速率与样品的含碳量关系密切，样品中碳质量分数低于20%时，还原速率随含碳量增加而明显增加。 微波碳热还原还可用于材料的制备。肖劲等10以乙炔黑还原氢氧化铝，加入单质添加剂作催化剂，在氮气气氛中，于1300下反应1h，获得完全氮化的片状氮化铝(AlN)粉末。微波碳热还原大大降低了反应温度，缩短了反应时间。王雄等11以五氧化二钒或偏钒酸铵为原料，碳黑为还原剂，在通入氮气条件下，采用微波碳热还原法制备出了氮化钒(VN)，与传统的电阻炉加热方式相比

5、，微波加热的反应和冷却时间都大大缩短。 - 4 - 现代湿法冶金 微波技术在湿法冶金中的应用 微波干燥 微波最普通的应用是干燥和脱水。水是良好的微波吸收物质，以微波辐照含水物料可实现物料的快速、均匀发热，脱水效率高。微波干燥还能克服传统辐射加热干燥存在的干燥温度高、脱水速慢、甚至局部过热而影响产品质量等弊端。 等12在微波功率100700W条件下，探讨了硼酸的微波加热干燥。试验表明：试样的温度能很快上升到90100，但随即就开始下降，表明游离水已快速脱除。整个微波干燥过程中，硼酸中的结晶水没有发生分解，干燥后的物料既没被污染，也没发生物理形态的改变，而且干燥时间短，干燥温度相对较低。秦文峰等1

6、3研究了用微波干燥仲钼酸铵。仲钼酸铵与水相比为弱吸收微波物质，因此，干燥过程中，微波主要是对水作选择性加热。在微波功率525W、辐照时间90s、物料质量15g条件下，物料的脱水率达到%，而用传统方法，达到同样效果所用时间为50min。微波干燥克服了传统干燥方式的干燥速度慢、温度分布不均匀、局部过热而使仲钼酸铵结块、能耗高等缺点。 微波烧结 微波烧结是利用微波将材料整体加热至烧结温度而实现材料致密化的方法。微波烧结时，材料升温速度快，材料内部温度均匀，烧结时间短，晶粒长大受到抑制，故微波烧结制得的材料性能和质量都较好。 等13研究发现，用微波烧结与用常规方法烧结的WC-Co材料在微观结构上存在不

7、同。微波烧结的钴相中几乎没有W，且WC晶粒较细小，钴黏结相细小且分布更均匀。试验表明，获得同样致密的WC-Co材料，采用微波烧结可在较低表面温度和较短的时间完成。罗春峰等15采用微波烧结技术研究了粉末冶金铁基材料的烧结工艺与性能，并与常规真空烧结工艺进行了比较。结果表明：微波烧结粉末冶金铁基材料在1280的烧结温度下保温10min，可达到%的相对密度；烧结温度降低，烧结时间大幅度缩短，且微波烧结制品的孔隙明显减小或消失，微波烧结材料硬度、抗弯强度、抗拉强度均有较大幅度提高。朱凤霞等16对铜粉压坯试样分别进行了微波烧结和常规烧结研究，烧结温度均为1000，比较了2种烧结试样的显微组织和力学性能。

8、结果表明，采用微波烧结，试样在30min内即可室温升高到1000，再保温10min，相对密度可达- 5 - 现代湿法冶金 微波技术在湿法冶金中的应用 %；而采用常规烧结，试样达到相近的密度，升温时间和保温时间均较长，需几个小时。此外，微波烧结因升温快，材料内部温度均匀，基本无温度梯度，晶粒往往来不及长大烧结即已结束，所以，试样的晶粒比常规烧结法的晶粒细小且孔隙分布均匀。微波烧结试样因显微组织得到改善，其硬度和延伸率均高于相同温度下的常规烧结试样。 微波辅助磨矿 传统磨矿大约消耗矿物加工过程总能耗的59%70%，但能效却只有约1%，利用矿石中的不同组分，尤其是石英、方解石等脉石组分几乎不能被微波

9、加热的特性，短时间内(图1不同矿石的功指数随微波辐射时间的变化 - 6 - 现代湿法冶金 微波技术在湿法冶金中的应用 Kingman等的研究还表明，用大功率微波短时间预处理钛铁矿在迅速产生应力、降低矿石强度和提高磨矿产量的同时，还强化了其组分的磁学性质，这对提高下游浮选和磁分离等过程的回收率非常有效。Whittles等13对微波透过体方解石中模拟1mm大小黄铁矿的研究结果也证实了上述结论.用能量密度为1109W/m3的微波辐射30s可以使矿石的强度从125MPa减小到80MPa，而微波能量密度为11011W/m3时只需辐射就使矿石的强度从125MPa减小到60MPa，即用前者能耗的1/6达到了

10、更好地减小矿石应力的目的。可见，采用大功率微波短时间预处理矿石对大幅度降低磨矿成本具有重要意义。于矿石可磨性的改善程度和其种类、粒径以及组分的分散程度密切相关，因此应针对具体情况选择合适的微波频率、强度和加热时间13。 微波干燥和分解 与传统被加热物料从外部热源吸收热量相比，微波加热辅助干燥、浓缩和脱水的优点是热从材料内部产生、脱水速度快，不会因局部过烧和生烧出现皲裂或爆裂现象，甚至能降低脱水温度，产品外观和其他理化性能也可以得到明显改善。理想的微波干燥是只有水吸收微波能，实际干燥效果取决于物料中水和矿物组分吸收微波能的比例。利用微波辐射还能使某些化合物发生脱水反应。例如，樊希安等用800W微

11、波辐射Mg(OH)2的研究结果表明，微波辐射8min时Mg(OH)2的分解率高达%，所得轻质活性MgO的质量达到沪Q/HG1123882一级标准，且煅烧时间只有传统方法的1/10。张世敏等则已研制出了微波加热中试装置，在该装置中用10kW微波处理50kg二级硫酸铜10min，可以将其转变为一级硫酸铜，干燥时间短且产品质量均匀，该装置还可以推广应用到微波加热再生载金炭和其他过程，显示了良好的工业化前景。 当需要干燥的矿物和溶剂都是微波透过型物质时，可以加入吸收微波性能优异的碳、磁铁矿或碳化硅等促进剂，使这些物质升温后再传热给被干燥物质。这种微波干燥方法可以推广到从矿物中去除挥发性的污染物。 废物

12、处理 矿石冶炼过程伴随有大量的SO2和NOx等气体，严重污染环境。Cha等研究- 7 - 现代湿法冶金 微波技术在湿法冶金中的应用 了微波作用下活性炭还原这些污染物的方法，在活性炭吸附柱吸附这些有害气体的同时，用微波加热吸附柱，CO，CO2和N2等还原产物排放到大气中，而硫磺则用喷雾室收集后作为产品出售，脱硫率高达95%以上。与常规的加热还原方法相比，采用该方法可以使SO2或NOx的还原温度降低300以上。炼钢电弧炉烟尘中含有高浓度水溶性Pb，Fe，Zn和Cr6+，是一种十分危险的废弃物，估计北美每年电弧炉烟尘的排放量约为700kt。通常采用的烟化回转窑法需要处理40kt/a以上，在经济上才具

13、有可行性，因而，发展针对许多小炼钢企业就地经济处理电弧炉烟尘的方法很有意义，微波处理提供了一种可选方案。与传统湿法碱浸取电弧炉烟尘相比，Xia等采用微波强化浸取后，不仅Zn的回收率提高5%10%，而且浸出速度大大加快，新过程只需要几分钟就可以达到传统过程需要几小时才能达到的Zn的回收率。于电弧炉烟尘中的主要组分ZnFe2O4等物质具有良好的微波吸收性能，在微波辐射下，这些悬浮在溶液中的烟尘颗粒表面的水会迅速过热，急剧汽化，从而促进ZnO和ZnFe2O4等物质的溶出。- 8 - 现代湿法冶金 微波技术在湿法冶金中的应用 第3章 微波协同其他技术在冶金中的应用 虽然，微波在冶金中的研究较多，但微波

14、协同其他外场技术在冶金中的应用研究却较少。随着微波等外场技术在冶金中的研究的不断成熟，微波与其他外场技术协同作用于冶金过程已逐渐成为新的研究热点。 微波与磁场协同在矿石浸出中的应用 细菌浸出难处理矿石是当前湿法冶金的研究热点之一，其中，细菌最主要的作用是将亚铁离子连续不断地氧化成大多数难处理矿石浸出所必不可少的三价铁离子，所以，细菌的活性对难处理矿石的浸出效果有很大影响。汪模辉等研究表明，以磁化水配制9K培养基溶液可促进细菌的生长，提高细菌的活性，有利于亚铁离子的氧化，对细菌浸矿有明显的促进作用。而水是极性分子，在微波场中，水分子互相摩擦、碰撞，可导致分子化学键的破坏或水分子结构的改变，大分子

15、变为小分子，致使不易形成水合物15，因此，用微波处理的水也有利于游离三价铁离子的存在，有利于矿石的浸出。祝丽丽等13以细菌氧化二价铁离子的速率衡量细菌的活性，研究了磁场处理水、微波处理水、普通水所配9K培养基溶液中细菌的活性，并用微波-磁场联合处理水所配细菌溶液浸出黄铜矿。结果表明，微波与磁场对细菌活性的提高均有影响，其中微波的作用较明显；浸矿初期，微波处理水所配含菌溶液浸矿效果好于磁场处理水所配含菌溶液，但微波-磁场联合处理水所配含菌溶液浸矿效果最好。 微波与超声波协同在蒸发结晶中的应用 频率大于20Hz的声波称为超声波，超声波在溶液中可发生空化效应。空化效应不但可使溶液出现湍流特征，强化传

16、质过程，促进反应进行，还能将悬浮在溶液中的团聚颗粒和已结晶长大的晶粒粉碎使晶粒细化。而水溶液吸收微波的性能良好，微波辐照下，水溶液整体快速升温，蒸发结晶时间和晶粒长大周期都明显缩短。熊卫江等对微波及超声波协同辅助蒸发结晶钼酸钠溶液制备钼酸钠晶体进行了研究。结果表明，在相同蒸发温度下，与传统蒸发结晶方式相比，在微波- 9 - 现代湿法冶金 微波技术在湿法冶金中的应用 -超声波协同作用下，钼酸钠的结晶速率更快，完成时间更短，且可以减少聚结发生，所得产品纯度更高，质量更好。孟凡伟等研究了微波-超声波联合作用对蒸发结晶钨酸铵溶液制备仲钨酸铵的影响，与传统蒸发结晶方式相比，微波-超声波联合作用可以得到更

17、细、更均匀、表面更光滑的仲钨酸铵晶体，但仲钨酸铵晶体的晶型并未改变。- 10 - 现代湿法冶金 微波技术在湿法冶金中的应用 第4章 问题与展望 微波技术应用于冶金过程中，可提高金属回收率、产品转化率，提高产品纯度，降低冶金过程能耗，因此，微波冶金技术发展前景广阔。随着微波等单一外场技术在冶金中的应用研究不断成熟，单一外场强化冶金过程将向多元外场协同强化冶金过程的方向发展，这种协同既有不同外场技术作用于不同冶金单元，也有不同外场技术联合作用于同一冶金单元。此外，任何技术的发展都是以相应设备的发展为前提的，要实现微波等外场技术在工业生产规模上强化冶金过程，必须要有相应的外场发生设备，所以，未来对于

18、外场技术强化冶金过程的研究重点应更多地针对多元外场协同强化冶金过程的机制探究及成熟的、满足工业生产规模的外场发生设备的研制。 尽管微波加热具有传统加热方式不可比拟的优点，但也存在一些亟待解决的问题。迄今为止，有关微波作用机理的两种解释电磁效应说和热效应说还主要停留在实验事实的积累上，许多研究者对电磁效应是否存在还持怀疑态度，尚需开发出更精确的反应检测方法进行验证，这对反应条件的优化和能耗的降低是非常重要的。目前，美国的一些实验室已开始在统计学、严格的热力学监测和功率控制的基础上采用结果反推法来预测微波的作用机理。其次，受微波加热材料自身特性的限制，微波在具有显著离子或金属导电的材料中穿透率不够

19、，而低介电损耗的绝缘体对入射微波能的吸收极其有限，也很难被加热到预定温度。于材料在加热过程中的介电常数不断发生变化，测定起来非常困难，导致材料介电常数等基础数据严重缺乏，这在一定程度上限制了微波技术的应用。另外，磁控管的功率输出受反射波谐振的影响而不稳定，微波场场强的分布不均匀导致加热不均匀，而微波炉腔体构造和样品反射功率特性等因素也会使加热体系对微波能的吸收有一定的随机性，微波泄漏还会对人体健康带来不良影响。再次，微波加热过程中材料物性和结构的变化都会影响其介电性质，导致微波加热能力不断发生变化，甚至出现热点，引起热失控，这给微波场中温度的准确测量、加热条件的优化、过程的模拟和控制乃至高效微

20、波炉体的设计都带来了困难，这也是能应用于化学冶金的微波设备还很少的主要原因。如何结合计算机模拟等手段设计出合理- 11 - 现代湿法冶金 微波技术在湿法冶金中的应用 的微波反射腔，准确测量和控制被加热材料在微波场中的温度，从而认识它们之间的相互作用规律并防止微波泄漏，将是研究者未来面临的重大挑战。目前，英国伯明翰大学正积极从事这方面的研究，通过结合矿物组分在升温过程中介电性质的变化来设计微波反射腔13。微波冶金一个不容忽视的问题是受微波能转化成电能效率较低的制约，例如微波能的转化率为50%，915MHz微波能的转化率为85%，微波冶金的诸多优势能否足以补偿其电能转化效率低的缺点还有待评估3。于

21、固定设备的投资与整个过程的能耗和微波加热功率、频率、设备大小及矿石处理量等因素密切相关，当矿石处理量大或产品附加值低时，微波冶金的成本有可能高于传统过程。一般地，冶金工业每天的矿石处理量在几千吨、甚至几万吨以上，而通常微波发生器在915MHz时的最高发射功率为75kW，要处理如此大量的矿石必须有许多微波发生器同时平行操作，导致处理成本大大增加。而文献报道的大量工作都是在改装家用微波炉的基础上进行的，不仅规模小、安全性差、效率低，也很难进行经济评价。可喜的是有许多研究者正在从事工业化微波设备的研究和开发工作，例如，乌兹别克斯坦的科学家已成功开发出4个50kW高频发生器供电、总长为15m的黑钨精矿和苏打的微波烧结炉，烧结块的生产能力已经达到1t/h。预计，随着发射频率可调的新型微波反应器的自动化和在线控制的实现，对微波加热进行精确控制并深化微波冶金基础理论的研究将不再是遥远的梦想，届时微波理论化学的研究和发展将大大深入，微波加热设备的研制和开发将不再是制约微波工业化应用的瓶颈问题，微波加热在化学、冶金等众多领域中将会得到更广泛和更高效的应用。- 12 - 现代湿法冶金 微波技术在湿法冶金中的应用