文章编号：1004-0609(2007)03-0476-05

微波场中不同配碳量钛精矿的吸波特性

黄孟阳¹，彭金辉¹，黄  铭²，张世敏¹，李  雨¹，雷  鹰¹

(1. 昆明理工大学 材料与冶金工程学院，昆明 650093；

2. 云南大学 信息学院，昆明 650093)

摘 要：采用微波谐振腔微扰法测定了碳质还原剂和钛精矿混合物料的吸波特性，研究了碳质还原剂配入钛精矿不同比例时混合物的吸波特性与材料的复介电常数(ε″)、微波场内热源强度p的关系。分析结果表明：当粒度为147~175 ?m时，钛精矿的吸波特性优于椰壳碳、焦碳和无烟煤的；且通过比较复介电常数的大小确定了椰壳碳和钛精矿最佳配比为20%，焦碳和钛精矿最佳配比为14%，无烟煤和钛精矿最佳配比为5%；并在此配比条件下得到了ε″和p的最大值。

关键词：钛精矿；配碳量；碳质还原剂；吸波特性

中图分类号：TF 19; TF 823　　     文献标识码：A

Microwave-absorbing characteristics of mixtures about different proportions of carbonaceous reducer and ilmenite in microwave field

HUANG Meng-yang¹, PENG Jin-hui¹, HUANG Ming², ZHANG Shi-min¹, LI Yu¹, LEI Ying¹

(1. Faculty of Materials and Metallurgical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;

2. School of Information Science and Engineering, Yunan University, Kunming 650091, China)

Abstract：The microwave-absorbing characteristics of the mixtures about carbonaceous reducer and ilmenite were measured by the technique of microwave cavity perturbation and the relationships between p and the microwave-absorbing characteristic of the mixtures were studied. The results indicate when the particles sizes of the mixtures are 147~175 ?m, the microwave-absorbing characteristic of ilmenite is better than those of coconut carbon, coke and anthracite. And the optimal proportions of coconut carbon and ilmenite coke, ilmenite anthracite and ilmenite are defined as 20%, 14% and 5%, respectively. ε″ and p reach up to the maximums under the above conditions.

Keywords：ilmenite; proportions of carbon; carbonaceous reducer; microwave-absorbing characteristic

传统加热电炉熔炼钛精矿采用的是碳质还原　剂，其加入比例的理论值是配碳量与过碳量的总和，但其具体比例的确定依靠实际生产的加入量而定，种类一般选择无烟煤^[1]。国内外采用微波加热碳热还原铁矿石的研究较多^[2-5]，是通过产物的指标确定配碳量。文献[6-8]研究碳质还原剂在微波场中的还原性能，认为微波能提高碳质还原剂反应速率，达到降能提效的作用。

冶金行业属于能耗大户，能耗的大小往往决定着冶金领域一些新工艺能否成功。微波是一种高效的清洁能源，微波在冶金中应用越来越广泛^[9]。有研究者^[10]对金属氧化物的微波加热碳热工业应用的经济价值进行了分析，认为微波法可比传统法的成本降低15%~50%。曲世鸣等^[11]烧结了ZrO₂、Si₃O₄和Si₃N₄样品，并得出结论：微波混合加热技术具有大幅度缩短烧结时间和节约电能的优点，为了发展微波加热技术，应该配合开展材料介电性能的基础研究。黄铭等^[12]开展了材料介电性能的基础研究，并导出微波场中辐射材料吸波新公式。Cutmore等^[13]也研究了相关矿物的介电性能。物料介电性能随着其成分变化而变化，在钛精矿含碳球团中，主要物质为钛精矿和碳质还原剂，两者不同比例混合后，引起混合料成分比例发生变化，进一步影响其微波场内热源强度的变化。钛精矿和碳质还原剂可能存在最佳的比例，使得钛精矿含碳球团在微波场内热源强度达到最大值。这种比例的确定可以提高物料在微波场中的能量利用率，为微波在冶金领域应用的新工艺节约能耗，降低生产成本。因此，本文作者研究了3种碳质还原剂椰壳碳、焦碳和无烟煤配入钛精矿的不同比例时与微波场内热源强度的关系。

1　实验

1.1　实验原料

实验采用的原料钛精矿来自攀西地区岩矿类，其主要化学成分如表1所列。

表1  钛精矿的主要化学成分

Table 1  Major chemical ingredients of ilmenite (mass fraction, %)

由表１可看出，钛精矿中钙镁含量偏高，在还原时，钙镁容易形成一层“屏障”，阻碍反应的进一步进行，属难处理矿物。

1.2　吸波特性的测试原理

测试原理^[14]是将微波馈入微波谐振型传感器，在传感器内微波与物质相互作用。若引入谐振腔的样品很小，微扰^[15]理论成立，则

谐振腔体具体尺寸为：TM₀₁₀腔(内直径为80 mm，高12 mm)；样品内直径大小为5 mm，高为9 mm，样品位于腔体中心，且在腔体内均匀分布。

由此可见，仅需研究测量传感器放入样品前后的微波输出幅度和谐振频率的变化，即可反演出被测物质的吸波特性，其测量示意图如图1所示。

图1  微波测量钛精矿吸波特性示意图

Fig.1  Sketch diagram of absorbing characteristics of ilmenite by microwave

1.3  样品测试

原料钛精矿经筛分后，取粒径为147~175 ?m的  样品5 g进行测试；椰壳碳、焦碳、无烟煤磨碎后，也取粒径为147~175 ?m作为测试样品，按比例配入5 g钛精矿中，然后用研钵初步混匀，再经干式磨样机混匀2 min，混合后样品于烘箱150 ℃干燥2 h，取2 g的样品进入微波传感器腔体进行吸波特性的测试。

2  结果与讨论

2.1  椰壳碳和钛精矿配碳量的确定

实验测得不同椰壳碳含量钛精矿的微波波谱图如图2所示。通过分析此波谱变化趋势并由程序计算出波谱线第一高峰处衰减值和频率，然后由衰减值和相对频移可以比较出钛精矿和椰壳碳的最佳配比，分析结果如图3和4所示。

图2  不同椰壳碳含量钛精矿的微波波谱图

Fig.2　Microwave spectra of titanium concentrate with different proportions of coconut carbon

图3　衰减与椰壳碳配入比例的关系

Fig.3　Relationship between attenuations and proportions of coconut carbon

图4　相对频移与椰壳碳配入比例的关系

Fig.4　Relationship between frequency shift and proportions of coconut carbon

由微波技术可知, 混合物的ε″反比于微波传感器衰减变化，混合物的ε′-1正比于微波传感器相对频移。同时, 混合物的吸波能力正比于其介电常数的虚部ε″。由图3可看出，第一高峰值处的衰减值U₂₀＜U₅＜U₁₄＜U₂₅＜U₁₂＜U₁₀＜U₁₈＜U₁₆＜U₁₅(纵坐标)； 相对频移?ω₂₀＞?ω₁₂＞?ω₅＞?ω₀＞?ω₁₄＞?ω₁₀＞?ω₁₆＞?ω₁₈＞?ω₁₅＞?ω₂₅＞?ω₁₀₀(横坐标)；因此，物料的复介电常数虚部＞＞＞＞＞＞＞＞和＞。从图3可以比较明显看出，衰减值最低点值配入比为椰壳碳占矿含量20%；从图4分析也可明显看出，相对频移最大值点为20%。因此，椰壳碳与钛精矿最佳配比为20%。此时，ε₂₀为所被测值中最大数，进一步由微波场内热源强度公式p=ωε″E²V (式中 E为微波场电场强度；V为物料吸收微波的有效体积；下标数字为各碳质还原剂的配入质量分数)，当ω、E²和V相同时，可以得出p₂₀为所测值中的最大值，此外，还可以从＞得出：钛精矿的吸波特性优于椰壳碳的。华一新等^[16]研究了钛精矿的微波碳热还原，发现钛精矿的微波碳热还原速率与样品的含碳量关系十分密切，含碳量(质量分数)小于20%时，还原速率随含碳量的增加而明显增加；大于20%时，则效果不明显。这项研究结果与测试结果相吻合，分析其原因：在含碳量为20%时，其p₂₀值最高，其表征为物料温度最高，从而还原速率为最大。

2.2　焦碳和钛精矿配碳量的确定

实验测得不同焦碳含量钛精矿的微波波谱图如图5所示。由图5可看出，通过分析此波谱变化趋势并由程序计算出波谱线第一高峰处衰减值和频率，然后由衰减值和相对频移可以比较出钛精矿和焦碳的最佳配比，分析结果如图6和7所示。

图5　不同焦碳含量钛精矿的微波波谱图

Fig.5　Microwave spectra of titanium concentrate with different proportions of coke

图6  衰减与焦碳含量的关系图

Fig.6  Relationship between attenuations and proportions of coke

图7  相对频移与焦碳含量的关系

Fig.7  Relationship between frequency shift and proportions of coke

由图6可看出，第一高峰值处的衰减值U₁₄＜  U₁₅＜U₁₂＜U₁₆＜U₅＜U₁₀＜U₂₀＜U₀＜U₁₈＜U₂₅＜U₁₀₀(纵坐标)；相对频移?ω₁₄＞?ω₁₅＞?ω₁₂＞?ω₁₆＞?ω₅＞?ω₁₀＞?ω₂₀＞?ω₁₈＞?ω₂₅(横坐标)；因此有　＞＞＞＞＞＞e＞＞＞＞。由图6可以看出，衰减值最低值为焦碳占矿比例为14%。从图7分析也可看出，相对频移最大值点配入比为14%，因此，焦碳和钛精矿最佳配比为14%。此外，还可以从图6分析得到：U₀＞U₁₀₀；从而＞，钛精矿的吸波特性好于焦碳，焦碳的大量加入会降低钛精矿吸波特性，从而降低两者混合料在微波场中的能量利用率，在14%用量时，物料的p值为最大，适合用作钛精矿产业化生产试验的还原剂。

2.3  无烟煤和钛精矿配碳量的确定

实验测得不同无烟煤含量钛精矿的微波波谱图如图8所示。图8中的波谱图从左到右，钛精矿的含碳量呈现由低到高的微波波谱变化趋势。通过分析此波谱变化规律并由程序计算出波谱线第一高峰处衰减值和频率，然后由衰减值和相对频移可以比较出钛精矿和无烟煤的最佳配比，分析结果如图9和10所示。

图8　不同无烟煤含量钛精矿的微波波谱图

Fig.8　Microwave spectra of titanium concentrate with different proportions of anthracite

图9　衰减与无烟煤不同含量的关系

Fig.9　Relationship between attenuations and proportions of anthracite

图10　相对频移与无烟煤配入比例的关系

Fig.10　Relationship between frequency shift and proportions of anthracite

由图9可看出，衰减值的趋势是从0%到100%依次增加；曲线不出现波峰值。从图10分析可以得到，相对频移趋势是从5%到25%依次减少。因此，从微波场的角度来衡量，无烟煤和钛精矿最佳配比从5%~25%范围内是越小越好。若仅从微波场内热源强度p考虑，5%为无烟煤和钛精矿最佳配比。此外，从图10还可看出，0%的配入量为钛精矿，100%的配入量为无烟煤，0%的相对频移大于100%的相对频移，因此，无烟煤吸波特性弱于钛精矿，比较两者的p值：无烟煤的p值小于钛精矿的p值，无烟煤大量的加入会减弱钛精矿混合料的吸波特性，并可减低两者混合料在微波场中的能量利用率；为5%用量时，物料的p值为最大，适合用作钛精矿产业化生产试验的还原剂，为钛精矿产业化生产试验提供理论依据。

3  结论

1) 从微波场内热源强度角度来衡量，椰壳碳和钛精矿最佳配比为20%，且钛精矿的吸波特性好于椰壳碳的，测试结果和以往研究者的结果相吻合。当用量为20%时，适合用作钛精矿产业化生产试验的还原剂。

2) 从微波场内热源强度角度来衡量，焦碳和钛精矿最佳配比为14%，且钛精矿的吸波特性好于焦碳的。当用量为14%时，适合用作钛精矿产业化生产试验的还原剂。

3) 从微波场内热源强度角度来衡量，无烟煤和钛精矿最佳配比在5%~25%范围内是越小越好，5%为无烟煤和钛精矿最佳配比，且无烟煤吸波特性弱于钛精矿。当用量为5%时，适合用作钛精矿产业化生产试验的还原剂。

4) 在上述各种还原剂和钛精矿的配比条件下，混合物的复介电常数达到最大值，其相应微波场内热源强度p也为最高，从而为微波在冶金领域应用节约能耗提供了理论依据。

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基金项目：2003年攀枝花重点资助项目(2003GX－2)

收稿日期：2006-07-04；修订日期：2007-01-10

通讯作者：彭金辉, 男, 教授, 博士; 电话: 0871-5191046; E-mail: hmy228@126.com

(编辑　李艳红)