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微波技術在冶金中的應用

文檔作者：劉書禎1，白燕1，程艷明1，鐘文2 文檔來源： 1．江西理工大學應用科學學院 2．江西省地質調查研究院，		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年06月06日
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第30卷第2期(總第118期)
2011年6月
濕法冶金
Hydrometallurgy of China
V01．30 No．2(Sum．118)
June 2011
微波技術在冶金中的應用
劉書禎1，白燕1，程艷明1，鐘文2
(1．江西理工大學應用科學學院，江西贛州341000)
2．江西省地質調查研究院，江西南昌330000)
摘要：介紹了微波加熱原理及其優(yōu)點，綜述了微波技術在冶金過程中的應用狀況，以及微波協(xié)同其他外場技術
在冶金中的最新應用狀況，展望了未來外場技術強化冶金過程的發(fā)展趨勢與研究重點。
關鍵詞：微波；外場技術；冶金；應用
中圖分類號：TFl9；TN015 文獻標志碼：A 文章編號：1009—2617(2011)02—009卜04
隨著科技的發(fā)展和學科間的交叉融合，諸如微波、超
聲波、激光、電磁等外場技術不斷引入傳統(tǒng)冶金過程中，
產生了新的冶金方法和理論。外場技術引入冶金過程
中，強化了傳統(tǒng)冶金過程，具有高效、低耗的突出優(yōu)點，應
用前景非常廣闊。
l 微波加熱原理及微波加熱優(yōu)點
微波是指波長在1 mm～1 ra范圍內的電磁波，其相
應頻率在300 GHz～300 MHz之間。微波技術引入冶金
過程中，主要是利用微波加熱物質所體現(xiàn)出的優(yōu)良性能。
微波是一種電磁波。在磁場中，一些物質的分子會
被極化，隨著微波場方向發(fā)生每秒數(shù)以億次的改變，極性
分子總是試圖以相同的速率調整其取向，引起極性分子
旋轉。當這種旋轉行為受到原子的彈性散射或晶格熱振
動等因素阻礙時就會引起能量耗散，電磁能轉化為熱能，
從而引起物質溫度升高。
微波加熱與傳統(tǒng)加熱方式相比具有明顯的優(yōu)點：
1)微波加熱能夠實現(xiàn)選擇性加熱，加熱速度快。大
多數(shù)硫化物和一些氧化物(如MnO、NiO等)能夠大量吸
收微波，這些物質能在微彼輻照1～2 rain后溫度升至幾
百攝氏度甚至上千攝氏度，而有些物質(如CaO、SiO。等)
卻不能大量吸收微波，不能在微波輻照下被加熱到很高
溫度。
2)微波加熱均勻，加熱效率高。微波可對被加熱物
質內外一起加熱，避免了傳統(tǒng)加熱產生的冷中心現(xiàn)象，熱
損耗小，熱能利用率高。
3)微波加熱能降低化學反應溫度，降低過程能耗。
微波可使原子和分子發(fā)生高速振動，為化學反應創(chuàng)造更
有利的熱力學條件，對化學反應具有催化作用，可使反應
在更低的溫度下進行，降低過程能耗。
4)微波潔凈、環(huán)保。微波本身不產生任何有害氣體，
所需凈化的只有還原和氧化反應產生的氣體，因而有利
于環(huán)保。
2 微波在冶金中的應用
目前，微波在冶金過程中的應用研究涉及微波強化
浸出、微波輔助萃取、微波碳熱還原、微波干燥、微波燒結
等領域。
2．1 微波強化浸出
隨著冶金原料的日趨貧化，難處理礦、低品位礦逐漸
被開采利用，采用濕法冶金工藝處理該類礦石雖更具優(yōu)
勢，但存在浸出率低、浸出時問長等缺點。為克服上述缺
點，增大礦石反應面積是常用、有效的方法之一。
谷晉川等[11在用微波處理主要組分為黃鐵礦的難選
冶金礦時發(fā)現(xiàn)，微波作用于金礦后，礦石產生了裂紋和孔
隙。這是由于在微波輻照下，礦石中不同成分物質吸收
微波的能力不同，致使不同物質升溫速率不一致，不同物
質的界面因此而產生熱應力，當這種熱應力大到一定程
度時，物質界面間就出現(xiàn)了裂紋。此外，礦石中的黃鐵
礦、砷黃鐵礦等吸收微波升溫后會分解產生氣體，使礦石
出現(xiàn)孔隙。裂紋和孔隙的產生有利于礦物內部的金與浸
出劑接觸，提高了金的氰化浸出效果。金礦石中，碳和結
收稿日期：2010—12—27
作者簡介：劉書禎(1981一)。男，江西吉水人，碩士，助教，主要從事有色冶金教學科研丁作。
萬方數(shù)據(jù)
· 92 · 濕法冶金201t年6月
構致密的硫化物會包裹微細金粒，不利于金的浸出。B．
Nanthakumar等[2]研究了低品位難浸金礦的微波預處
理，結果表明，經(jīng)微波輻照預處理后，礦石中的總碳可降
低60％以上，致密硫化物則基本被氧化為結構更為疏松
的氧化物。微波預處理后的礦石用氰化物浸出，金回收
率可達95％以上，與不經(jīng)預處理、在580℃下常規(guī)氰化浸
出26 h的金浸出率相當。
周曉東等[31在常規(guī)和微波輻照條件下，研究了氧化
銅礦的氨浸。結果表明，常規(guī)條件下，不斷攪動浸出2 h，
銅浸出率為20．5％，而在低功率微波輻照下浸出4 min，
銅浸出率就達26．8％，微波對難選氧化銅礦的氨浸具有
明顯的催化作用。盧友中等[43對微波輔助堿分解低品位
鎢礦進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)，常規(guī)堿分解40 rain，WO。浸
出率不到60％；分解240 min，WO。浸出率約為96％。而
以微波輔助加熱，即使在減少堿用量30％和不添加添加
劑情況下，分解40 min，WO。浸出率即可達96％。
2．2 微波輔助萃取
微波可以穿透萃取介質，直接加熱物料，所以微波輔
助萃取可強化傳統(tǒng)萃取過程中的傳質、傳熱，縮短萃取時
間，提高萃取效率。
高云濤等[53在微波輔助聚乙二醇一硫酸銨雙水相體
系中研究了微波輻照條件下鉑(II)和鈀(11)絡陰離子的
萃取及分配行為。結果發(fā)現(xiàn)，微波輻照對體系的分相有
較好的促進作用，能有效提高萃取率，增大分配比和飽和
吸附容量；非等溫動力學研究表明，微波輻照可增大萃取
速率。戴江洪等[6]研究了微波輔助，Lix984從低品位銅
礦浸出液中(銅離子質量濃度2 g／L)萃取銅。在微波功
率180 W、相比=0．5、pH=2條件下萃取8 min，銅萃取
率達98％左右。
微波輔助萃取時，極性溶劑比非極性溶劑更有利，因
為極性溶劑吸收微波的能力更強，溶劑的活性更容易提
高，極性溶劑與被萃物之間的相互作用更有效L7]。
2．3 微波碳熱還原
碳既是冶金中應用廣泛的還原劑，又是一種很好的
微波吸收物質，可在短時間內升溫到1 000 K以上。碳急
劇升溫后，還原能力增強，可縮短還原時間和降低反應溫
度。微波碳熱還原就是利用碳對微波的良好吸收性能來
還原氧化物，從而得到有用的金屬或化合物。
N．Standish等∽o研究了鐵礦石的微波碳熱還原，發(fā)
現(xiàn)微波加熱可以解決傳統(tǒng)加熱方法無法解決的“冷中心”
問題，而且氧化物的碳熱還原速率明顯提高。黃孟陽
等∽o用微波碳熱還原鈦鐵礦的研究表明，微波加熱在較
低溫度下就能發(fā)生還原反應。微波碳熱還原速率與樣品
的含碳量關系密切，樣品中碳質量分數(shù)低于20％時，還原
速率隨含碳量增加而明顯增加。
微波碳熱還原還可用于材料的制備。肖勁等[1叩以
乙炔黑還原氫氧化鋁，加入單質添加劑作催化劑，在氮氣
氣氛中，于1 300℃下反應1 h，獲得完全氮化的片狀氮化
鋁(AIN)粉末。微波碳熱還原大大降低了反應溫度，縮短
了反應時間。王雄等[11]以五氧化二釩或偏釩酸銨為原
料，碳黑為還原劑，在通入氮氣條件下，采用微波碳熱還
原法制備出了氮化釩(VN)，與傳統(tǒng)的電阻爐加熱方式相
比，微波加熱的反應和冷卻時間都大大縮短。
2．4 微波干燥
微波最普通的應用是干燥和脫水。水是良好的微波
吸收物質，以微波輻照含水物料可實現(xiàn)物料的快速、均勻
發(fā)熱，脫水效率高。微波干燥還能克服傳統(tǒng)輻射加熱干
燥存在的干燥溫度高、脫水速慢、甚至局部過熱而影響產
品質量等弊端。
S．Kocakusak等[121在微波功率100～700 W條件下，
探討了硼酸的微波加熱干燥。試驗表明：試樣的溫度能
很快上升到90～100℃，但隨即就開始下降，表明游離水
已快速脫除。整個微波干燥過程中，硼酸中的結晶水沒
有發(fā)生分解，干燥后的物料既沒被污染，也沒發(fā)生物理形
態(tài)的改變，而且干燥時間短，干燥溫度相對較低。秦文峰
等[131研究了用微波干燥仲鉬酸銨。仲鉬酸銨與水相比
為弱吸收微波物質，因此，干燥過程中，微波主要是對水
作選擇性加熱。在微波功率525 W、輻照時間90 s、物料
質量15 g條件下，物料的脫水率達到99．98％，而用傳統(tǒng)
方法，達到同樣效果所用時間為50 min。微波干燥克服
了傳統(tǒng)干燥方式的干燥速度慢、溫度分布不均勻、局部過
熱而使仲鉬酸銨結塊、能耗高等缺點。
2．5 微波燒結
微波燒結是利用微波將材料整體加熱至燒結溫度而
實現(xiàn)材料致密化的方法。微波燒結時，材料升溫速度快，
材料內部溫度均勻，燒結時間短，晶粒長大受到抑制，故
微波燒結制得的材料性能和質量都較好。
E．Breval等[14]研究發(fā)現(xiàn)，用微波燒結與用常規(guī)方法
燒結的WC-Co材料在微觀結構上存在不同。微波燒結
的鈷相中幾乎沒有W，且WC晶粒較細小，鈷黏結相細小
且分布更均勻。試驗表明，獲得同樣致密的WC—Co材
料，采用微波燒結可在較低表面溫度和較短的時間完成。
羅春峰等[151采用微波燒結技術研究了粉末冶金鐵基材
料的燒結工藝與性能，并與常規(guī)真空燒結工藝進行了比
較。結果表明：微波燒結粉末冶金鐵基材料在1 280℃的
燒結溫度下保溫i0 rain，可達到95．8％的相對密度；燒結
萬方數(shù)據(jù)
第30卷第2期劉書禎，等：微波技術在冶金中的應用· 93 ·
溫度降低，燒結時間大幅度縮短，且微波燒結制品的孑L隙
明顯減小或消失，微波燒結材料硬度、抗彎強度、抗拉強
度均有較大幅度提高。朱鳳霞等n6]對銅粉壓坯試樣分
別進行了微波燒結和常規(guī)燒結研究，燒結溫度均為1 000
℃，比較了2種燒結試樣的顯微組織和力學性能。結果
表明，采用微波燒結，試樣在30 rain內即可由室溫升高到
l 000℃，再保溫10 min，相對密度可達92．68％；而采用
常規(guī)燒結，試樣達到相近的密度，升溫時間和保溫時間均
較長，需幾個小時。此外，微波燒結因升溫快，材料內部
溫度均勻，基本無溫度梯度，晶粒往往來不及長大燒結即
已結束，所以，試樣的晶粒比常規(guī)燒結法的晶粒細小且孔
隙分布均勻。微波燒結試樣因顯微組織得到改善，其硬
度和延伸率均高于相同溫度下的常規(guī)燒結試樣。
3 微波協(xié)同其他外場技術在冶金中的應用
雖然，微波在冶金中的研究較多，但微波協(xié)同其他外
場技術在冶金中的應用研究卻較少。隨著微波等外場技
術在冶金中的研究的不斷成熟，微波與其他外場技術協(xié)
同作用于冶金過程已逐漸成為新的研究熱點。
3．I 微波與磁場協(xié)同在礦石浸出中的應用
細菌浸出難處理礦石是當前濕法冶金的研究熱點之
一，其中，細菌最主要的作用是將亞鐵離子連續(xù)不斷地氧
化成大多數(shù)難處理礦石浸出所必不可少的三價鐵離子，
所以，細菌的活性對難處理礦石的浸出效果有很大影響。
汪模輝等口71研究表明，以磁化水配制9K培養(yǎng)基溶
液可促進細菌的生長，提高細菌的活性，有利于亞鐵離子
的氧化，對細菌浸礦有明顯的促進作用。而水是極性分
子，在微波場中，水分子互相摩擦、碰撞，可導致分子化學
鍵的破壞或水分子結構的改變，由大分子變?yōu)樾》肿?，?
使不易形成水合物【l 8|，因此，用微波處理的水也有利于
游離三價鐵離子的存在，有利于礦石的浸出。
祝麗麗等[1 9]以細菌氧化二價鐵離子的速率衡量細
菌的活性，研究了磁場處理水、微波處理水、普通水所配
9K培養(yǎng)基溶液中細菌的活性，并用微波一磁場聯(lián)合處理水
所配細菌溶液浸出黃銅礦。結果表明，微波與磁場對細
菌活性的提高均有影響，其中微波的作用較明顯；浸礦初
期，微波處理水所配含菌溶液浸礦效果好于磁場處理水
所配含菌溶液，但微波一磁場聯(lián)合處理水所配含菌溶液浸
礦效果最好。
3．2 微波與超聲波協(xié)同在蒸發(fā)結晶中的應用
頻率大于20 Hz的聲波稱為超聲波，超聲波在溶液
中可發(fā)生空化效應?？栈坏墒谷芤撼霈F(xiàn)湍流特
征，強化傳質過程，促進反應進行，還能將懸浮在溶液中
的團聚顆粒和已結晶長大的晶粒粉碎使晶粒細化。而水
溶液吸收微波的性能良好，微波輻照下，水溶液整體快速
升溫，蒸發(fā)結晶時間和晶粒長大周期都明顯縮短。
熊衛(wèi)江等[2明對微波及超聲波協(xié)同輔助蒸發(fā)結晶鉬
酸鈉溶液制備鉬酸鈉晶體進行了研究。結果表明，在相
同蒸發(fā)溫度下，與傳統(tǒng)蒸發(fā)結晶方式相比，在微波一超聲波
協(xié)同作用下，鉬酸鈉的結晶速率更快，完成時間更短，且
可以減少聚結發(fā)生，所得產品純度更高，質量更好。孟凡
偉等[2u研究了微波一超聲波聯(lián)合作用對蒸發(fā)結晶鎢酸銨
溶液制備仲鎢酸銨的影響，與傳統(tǒng)蒸發(fā)結晶方式相比，微
波一超聲波聯(lián)合作用可以得到更細、更均勻、表面更光滑的
仲鎢酸銨晶體，但仲鎢酸銨晶體的晶型并未改變。
4 展望
微波技術應用于冶金過程中，可提高金屬回收率、產
品轉化率，提高產品純度，降低冶金過程能耗，因此，微波
冶金技術發(fā)展前景廣闊。
隨著微波等單一外場技術在冶金中的應用研究不斷
成熟，單一外場強化冶金過程將向多元外場協(xié)同強化冶
金過程的方向發(fā)展，這種協(xié)同既有不同外場技術作用于
不同冶金單元(如微波強化浸出，超聲波強化結晶)，也有
不同外場技術聯(lián)合作用于同一冶金單元(如微波一超聲波
協(xié)同作用蒸發(fā)結晶)。此外，任何技術的發(fā)展都是以相應
設備的發(fā)展為前提的，要實現(xiàn)微波等外場技術在工業(yè)生
產規(guī)模上強化冶金過程，必須要有相應的外場發(fā)生設備，
所以，未來對于外場技術強化冶金過程的研究重點應更
多地針對多元外場協(xié)同強化冶金過程的機制探究及成熟
的、滿足工業(yè)生產規(guī)模的外場發(fā)生設備的研制。
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Application of Microwave Technology in Metallurgy
LIU Shu—zhenl，BAI Yanl，CHENG Yan—ruin91，ZHONG Wen2
(1．College of Applied Science，J iangxi Universty of Science and Technology，
Ganzhou，J iangxi 34 1000，China)
2．Geological Survey of Jiangxi Provice，Nanchang，Jiangxi 330000，China)
Abstract：The principle and advantages of microwave heating are introduced．The application of microwave in
metallurgy and latest researches on microwave collaborated with other external filed technologies in
metallugy are reviewed．The trends and research emphasis of external filed technologies strengthen
metallugical process in the future are prospected．
Key words：microwave；external filed technology；metallugry；application
用氫氧化鈉預處理難處理含銻金銀礦
Oktay Celep，et a1．研究了堿法預處理含銻難處理金銀礦，如輝銻礦，硫銻銀礦(Sb3PbAgS。)，輝銻
鉛礦(Pb。Sb：：S。：)。用氫氧化鈉進行試驗，確定它對提高金和銀回收率的效果。礦物學研究表明：銀以
硫銻銀礦和金銀合金形式存在；金粒與石英和含銻礦物的雜質有關。將氫氧化鈉濃度從O．5 mol／L提
高到5 mol／L，溫度由20℃提高到80℃，礦石粒度由50肛m減小到5弘m，礦石中銻的去除率將會提
高，約75．5％的銻可以通過堿法預處理去除，在隨后的氰化作用中銀提取率由不到18．7％提高到
90％，金提取率由不到49．3％提高到85．4％。試驗結果和礦物學研究表明：作為化學預處理方法，堿法
浸出可以作為一種處理難處理含銻金銀礦的有效方法之一。
L張子悅譯自《Hydrometallurgy))2011，108(1／2)：109—114]

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