冶金技术在人类历史发展的长河中起着划时代的重要意义，从青铜时代到铁器时代，再到近代钢铁冶炼的大规模发展，人类发展的历史融合了冶金的发展历史。尤其是近代以来，伴随着科学技术的发展和跨学科间的渗透，冶金与物理、化学、电学、生物学、光学等学科有着密不可分的关系。到了本世纪，冶金工程主要的发展方向分为两方面：
一是开发新的冶金技术实现冶金过程最大程度减少资源和能源的消耗，减少对环境的污染，实现可持续发展;
二是把传统的冶金产业与新技术融合，开发新的冶金技术，实现材料提纯新路径。基于跨学科的发展和冶金工程新的发展方向两方面的原因，出现了一系列非常规冶金技术(如：微波冶金、电磁冶金、生物冶金、真空冶金、电子束熔炼)使得金属的提取、分离和净化过程实现了高效、环保和节能。
20世纪60年代，微波技术逐渐的被人们用于纸类、木材等加工过程，微波因独特的选择性加热、均匀辐射等特点，越来越受到人们的重视，应用范围不断扩大。微波加热在冶金中的应用是近年来发展起来的冶金新技术，世界上的一些发达国家如美国、英国、德国、日本、加拿大、澳大利亚等都很重视这一新技术的研究，我国也在八十年代开始了这一领域的研究工作。在冶金领域中，因微波加热与常规加热不同，它不需要由表及里的热传导，它可以实现选择性加热、升温速率快，加热效率高、对化学反应有催化作用，能够降低反应温度，缩短反应时间，促进节能降耗等优点，利用这些优点改造某些传统的冶金工艺和技术，提升冶金产品的深加工水平，完善产品结构，实现了冶金过程的高效、节能、环境友好特点。
一、 微波加热原理
微波是指波长在1mm-1m范围内的电磁波，其相应的频率300MHz-300GHz之间，它位于电磁波的红外辐射(光波)和无线电波之间，如图1 所示：微波是一个十分特殊的电磁波段，虽然介于无线电波和红外辐射之间，但其产生、传输和应用的原理与他们不同，联邦通讯委员会(FCC)根据减少通讯服务干扰的国际协议选定分配给工业、科技、医药和制造业的应用额定功率，最常用的加热频率是915 MHz 和2450 MHz ，对于波长分别是32.79 cm和12.26cm。
图1 微波在电磁波中的位置
微波加热过程实际上就是将微波能转换为物质内能的过程，水分子是典型的极性分子共价键结构，在外加电磁场中，原来杂乱无章的水分子排列便趋向于有序，如图二，当外加电场方向改变时，水分子也随之转向，在快速变化的微波电磁场中，水分子方向不断变化摇摆，再加上分子本身的热运动和相邻分子之间的相互作用，迅速产生巨大的热量。
图2 磁场中分子极化示意图
磁场中所吸收的微波能与其物质的电磁特性(如介质常数、介质损耗数、电导率、磁导率等)有很大的关系，一些学者对微波场中的物质升温行为做了一些研究。根据材料和微波相互作用情况可以将材料分为微波透过体、微波反射体、微波吸收体三大类。大多数硫化物(如：硫铁化合物、硫化铜等)和一些氧化物(如：氧化镍、氧化锰)能够大量吸收微波能，这些物质在微波辐射下1-2min后温度升至几百度甚至上千度，而有些物质(如氧化钙、氧化硅)却不能达到很高的温度，从微波加热特性可以看出，微波具有选择加热特性，同时升温速率非常快。因此，微波加热不需要由表及里的热传导，而是通过微波在物料内部的热量耗散来直接加热物料，根据物料电磁特性的不同，可及时有效地在整个物料内部产生热量，加热过程中能克服常温加热“冷中心”的缺陷，做到表里均匀加热。微波通过在物料内部的介电损耗直接将化学反应所需的能量传递给反应的分子和原子，这种原位能量转换方式可促进化学反应和扩散过程快速进行。此外，微波还具有易于对物料加热温度进行自动控、清洁无污染、对环境友好等特点。
二、 微波加热在冶金应用领域
1微波加热在矿石预处理中的应用
矿石粉碎是矿物加工过程中最消耗能源的工序，它占到矿物加工过程能耗的50%-70%，通常粉碎工序的能源效率约为1%。矿石通常含有多种矿物(包括有用矿物和脉石矿物)，当用传统方法加热时，矿物中的各中物质升温速率基本相同，被加热的温度也大致相同，在矿物间不会产生温度差，矿物的显微结构不会因加热而发生明显的变化。当采用微波加热时，由于组成矿石的各种矿物具有不用的吸收微波特性，他们在微波场中的升温速率各不相同，同一时间内被加热到不同的温度(微波选择性加热)从而产生热应力，致使矿物之间的界面产生裂缝，裂缝产生可以有效的促进矿物的单体解离和增加有用矿物的有效反应面积，这种处理使得矿石更容易粉碎。该工艺特别是处理一些高附加值的矿石，如贵金属矿的提取，微波预处理可以改进矿石的粉碎和贵金属的释放。大量实践表明，微波辐照可以显著的提高矿石等物料的磨矿效率，有效降低磨矿成本，提高选矿的回收率。
2微波加热在火法冶金中的应用
在黑色、有色及稀有金属冶金过程中，广泛采用火法冶金工艺，其原理就是将金属氧化铝在高温下还原成为金属的工艺。目前使用最为广泛的还原剂是碳，碳是一种非常好的微波吸收材料，可以在很短的时间内被微波加热到1053 K至1556K，而且微波加热具有升温速率快、渗透度大，加热均匀等优点，用微波加热代替传统加热时，可以明显提高金属氧化物的碳热还原速率，无论金属氧化物本身的吸热性能如何，微波加热都可以对碳热还原反应起到促进的作用，只是对于吸波性能良好的金属氧化物效果更好。如图3所示：在碳热还原赤铁矿或磁铁矿的实验中，在微波加热的条件下，只需要10min反应就基本结束，而在传统的条件下，反应进行了50min反应才进行了50%，这就说明微波加热的反应速率快于常规加热。因此，微波辅助铁矿石碳热还原有可能被用于高硫烧结和球团过程，这对直接炼铁有着实际的意义。
图3 微波和常规碳热还原的比较
3微波加热在湿法浸出过程中的应用
在湿法冶金过程中，浸出是一道关键的工序，湿法浸出工艺具有低温操作、浸出产品加工成本低，可处理低品位矿石等优点，但缺点是金属的回收率较低、固液分离困难、杂质对提纯效果影响较大等。研究表明这是由于在浸出进行到一定时间，浸出化学反应产生较为致密的物质包裹未反应的矿核，使得浸出反应受阻，浸出速率变慢。采用微波加热，可以大大提高浸出速率，同时可以缩短浸出时间。比如微波技术用于处理难处理金矿石，难处理金矿石主要有含砷的硫化物包裹型金矿和碳质难浸出金矿两类，包裹型金矿因包裹难以氰化浸出，需要采用适当措施预处理金矿，改变浸出物料的物理和化学性质，解离金矿包裹体，消除和减弱有害杂质的影响，从而使物料容易浸出。通常采用机械磨碎及氧化焙烧等方法处理，但是此工艺能耗较大，环境污染严重。碳质难浸出金矿含有天然碳质材料，球状的黄铁矿和其他黏土物料等成分组成，他们都能抢先从矿浆中吸附金氰络合物，因此，氰化前首先要除碳。难处理金矿石中碳质、磁黄铁矿等都为强吸波物质，脉石为透波物质，在微波作用下，矿粒度会产生局部热应力，致使矿粒产生裂纹和空隙，导致包裹的金矿暴露出来，从而增加金属的氰化浸出率。加拿大EMR公司建造了一条微波预处理金矿中试线，在实际生产中结果显示微波预处理能耗低(图4所示)，生产效率高，污染物硫化物排放少，处理后的矿石氰化浸出效果好。
图4 难处理金矿能耗对比图
4微波加热在其他冶金过程中的应用
在自然界中，金属矿物大多数以硫化物的形式存在，在微波场中，铁、镍、铅的硫化物能与提供的氧作用生成氧化物，避免采用传统的加热处理时SO2的排放，有利于环境保护。微波能最普遍的应用是干燥和脱水(图5微波干燥生产线)，微波可去除分子间和分子内部(氢氧或碳氧化合物形式的水)两种形式的水，将微波用于冶金过程中焙烧、煅烧工艺是非常有效的。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良好。微波还可以穿透萃取介质，直接加热物料，所以微波辅助萃取可以强化传统萃取过程中传质、传热，缩短萃取时间，提高萃取效率。
图5微波干燥生产线
三、 微波冶金技术优势
微波加热与传统加热方式具有明显的优点：
(1)加热速率快。微波加热与传统加热方式完全不同，它是被加热物料本身成为发热体，不需要热传导过程，因此，尽管是热传导性比较差的物料，也可在极短的时间内达到加热温度。
(2)微波加热均匀，加热效率高，微波可对被加热物资内外一起加热，热损耗小。热能利用高，由于含水分子的物质容易吸收微波而发热，因此除少量的热传输损失外，几乎无其他损耗，因此热效率高、节能。无论物体各部位形状如何，微波加热均可使得物体表面同时均匀渗透电磁波而产生热能，所以加热均匀性好，不会出现外焦内生的现象。
(3)微波加热能降低化学反应温度，降低过程能耗。微波可使原子和分子发生高速振动，为化学反应创造更有利的热力学条件，对化学反应具有催化作用，可使反应在更低的温度下进行，降低过程能耗。
综上所述，微波加热在火法冶金、湿法冶金、微波干燥、微波烧结等领域都有独到之处，具有非常大的潜力，微波技术应用于冶金过程，可以大大提高金属回收率、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。随着人们对环保要求的日益增强，世界能源短缺以及日益激烈的全球竞争等方面，可以看到采用高效的非常规微波冶金技术来提高效率，降低生产成本是将来发展的必然趋势。随着对微波技术研究的日益深入，微波作为一种清洁、干净高效的能源，在冶金领域必将发挥着重要的作用，具有广阔的应用前景。
更多会议咨询，请关注我们的公众号：有色技术平台
本文来自大风号，仅代表大风号自媒体观点。
