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1、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11.1微波加热原理11.2微波加热优点2第2章 微波在湿法冶金冶金中的应用32.1微波强化浸出32.2微波辅助萃取42.3微波碳热还原42.4微波干燥52.5微波烧结52.6微波辅助磨矿62.7微波干燥和分解72.8废物处理7第3章 微波协同其他技术在冶金中的应用93.1微波与磁场协同在矿石浸出中的应用93.2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11参考文献13微波技术在湿法冶金中的应用摘要：介绍了微波加热原理
2、及其优点，综述了微波技术在冶金过程中的应用状况，以及微波协同其他外场技术在冶金中的最新应用状况，展望了未来外场技术强化冶金过程的发展趋势与研究重点。关键词：微波；外场技术；冶金；应用第1章 绪论随着科技的发展和学科间的交叉融合，诸如微波、超声波、激光、电磁等外场技术不断引入传统冶金过程中，产生了新的冶金方法和理论。外场技术引入冶金过程中，强化了传统冶金过程，具有高效、低耗的突出优点，应用前景非常广阔。1.1微波加热原理微波是指波长在1mm1m范围内的电磁波，其相应频率在300GHz300MHz之间。微波技术引入冶金过程中，主要是利用微波加热物质所体现出的优良性能。微波是一种电磁波。在磁场中，一
3、些物质的分子会被极化，随着微波场方向发生每秒数以亿次的改变，极性分子总是试图以相同的速率调整其取向，引起极性分子旋转。当这种旋转行为受到原子的弹性散射或晶格热振动等因素阻碍时就会引起能量耗散，电磁能转化为热能，从而引起物质温度升高。物料介质可分为极性分子和非极性分子，在电磁场作用下，极性分子从随机分布状态转为按电场方向进行取向排列。在微波电磁场作用下，这些取向运动以每秒数十亿次的频率不断变化，造成分子的剧烈运动与磨擦碰撞，从而产生热量，导致电能直接转化为热能。可见，微波加热是介质材料自身损耗电场能量而发热。不同介质材料在微波电磁场作用下的热效应是不一样的。由极性分子所组成的物质，能较好地吸收微
4、波能。水分子为强极性分子，是吸收微波的最好介质，所以凡含水分子的物质必定吸收微波。有机化学反应中常用的溶剂如乙醇、二甲基甲酰胺等具有偶极的溶剂受微波照射时也会有加热效应的出现。另一类由非极性分子组成的物质，它们基本卜不吸收或很少吸收微波，而如己烷、四氯化碳等小分子溶剂，以及聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚砜、玻璃、陶瓷等高分子及无机材料。这些材料能透过微波，但不吸收微波，可作为微波加热用的容器或支承物，或做密封材料。大量的实验研究结果表明，微波照射可以使许多化学反应很快完成，在某些反应中明显地提高了产率。一些科学家将微波在化学反应上造成的这些影响解释为微波效应，但仍然没有一种确切的理论解释，所以
5、，其作用机制还有待于进一步研究和阐明。1.2微波加热优点微波加热与传统加热方式相比具有明显的优点：（1） 微波加热能够实现选择性加热，加热速度快。大多数硫化物和一些氧化物（如MnO、NiO等）能够大量吸收微波，这些物质能在微彼辐照12min后温度升至几百摄氏度甚至上千摄氏度，而有些物质（如CaO、SiO2等）却不能大量吸收微波，不能在微波辐照下被加热到很高温度。（2） 微波加热均匀，加热效率高。微波可对被加热物质内外一起加热，避免了传统加热产生的冷中心现象，热损耗小，热能利用率高。（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
6、，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。（4） 微波洁净、环保。微波本身不产生任何有害气体，所需净化的只有还原和氧化反应产生的气体，因而有利于环保。微波不属于放射性射线、又无有害气体排放，是一种较为安全的加热技术。但同时应该指出的是，不适当的微波辐射也会对人体产生全身性的不利影响，尤其是眼睛的晶状体、睾丸、胃、肠等血液循环不良的器官更易受到损伤。因此，实验过程中要防止仪器的微波泄漏，避免微波辐射。- 14 -第2章 微波在湿法冶金冶金中的应用目前，微波在冶金过程中的应用研究涉及微波强化浸出、微波辅助萃取、微波碳热还原、微波干燥、微波烧结等领域。2.1微波强化浸出随着
7、冶金原料的日趋贫化，难处理矿、低品位矿逐渐被开采利用，采用湿法冶金工艺处理该类矿石虽更具优势，但存在浸出率低、浸出时间长等缺点。为克服上述缺点，增大矿石反应面积是常用、有效的方法之一。谷晋川等1在用微波处理主要组分为黄铁矿的难选冶金矿时发现，微波作用于金矿后，矿石产生了裂纹和孔隙。这是由于在微波辐照下，矿石中不同成分物质吸收微波的能力不同，致使不同物质升温速率不一致，不同物质的界面因此而产生热应力，当这种热应力大到一定程度时，物质界面间就出现了裂纹。此外，矿石中的黄铁矿、砷黄铁矿等吸收微波升温后会分解产生气体，使矿石出现孔隙。裂纹和孔隙的产生有利于矿物内部的金与浸出剂接触，提高了金的氰化浸出效
8、果。金矿石中，碳和结构致密的硫化物会包裹微细金粒，不利于金的浸出。B.Nanthakumar等2研究了低品位难浸金矿的微波预处理，结果表明，经微波辐照预处理后，矿石中的总碳可降低60%以上，致密硫化物则基本被氧化为结构更为疏松的氧化物。微波预处理后的矿石用氰化物浸出，金回收率可达95%以上，与不经预处理、在580下常规氰化浸出26h的金浸出率相当。周晓东等3在常规和微波辐照条件下，研究了氧化铜矿的氨浸。结果表明，常规条件下，不断搅动浸出2h，铜浸出率为20.5%，而在低功率微波辐照下浸出4min，铜浸出率就达26.8%，微波对难选氧化铜矿的氨浸具有明显的催化作用。卢友中等4对微波辅助碱分解低品
9、位钨矿进行了研究，结果发现，常规碱分解40min，WO3浸出率不到60%；分解240min，WO3浸出率约为96%。而以微波辅助加热，即使在减少碱用量30%和不添加添加剂情况下，分解40min，WO3浸出率即可达96%。2.2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
10、研究了微波辅助，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=0.5、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。2.3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。N.Standish等8研究了铁矿石的微波碳
11、热还原，发现微波加热可以解决传统加热方法无法解决的“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(
12、VN)，与传统的电阻炉加热方式相比，微波加热的反应和冷却时间都大大缩短。2.4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。S.Kocakusak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
13、13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99.98%，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。2.5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。E.Breval等13研究发现，用微波烧结与用常规方法烧结的WC
14、-Co材料在微观结构上存在不同。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95.8%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
15、了2种烧结试样的显微组织和力学性能。结果表明，采用微波烧结，试样在30min内即可由室温升高到1000，再保温10min，相对密度可达92.68%；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。2.6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加热的特性，短时间内(10s)选择性地加热矿石中的某些组分，使不同组分间因热膨胀系数不同而在晶格间产生应力，导致颗粒间边界断裂，从而促进有用矿物的解离并改善矿石的可磨性.微波辐射对促使矿石中组分颗粒间断裂非常有效，甚至可以使挪威钛铁矿等矿石的功指数迅速下降90%以上，见图113。图中金矿石的功指数基本上不受微波辐射时间影响的主要原因是样品中遍布分散度非常好的黄铁矿晶粒和团聚体，而微波场中矿石颗粒较大、分散度较差时有利于产生较大
