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微波技术在冶金中的应用

文档作者：刘书祯1，白燕1，程艳明1，钟文2 文档来源： 1．江西理工大学应用科学学院 2．江西省地质调查研究院，		点击数：	更新时间： 2024年06月06日
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第30卷第2期(总第118期)
2011年6月
湿法冶金
Hydrometallurgy of China
V01．30 No．2(Sum．118)
June 2011
微波技术在冶金中的应用
刘书祯1，白燕1，程艳明1，钟文2
(1．江西理工大学应用科学学院，江西赣州341000)
2．江西省地质调查研究院，江西南昌330000)
摘要：介绍了微波加热原理及其优点，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
中图分类号：TFl9；TN015 文献标志码：A 文章编号：1009—2617(2011)02—009卜04
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。
l 微波加热原理及微波加热优点
微波是指波长在1 mm～1 ra范围内的电磁波，其相
应频率在300 GHz～300 MHz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。
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1～2 rain后温度升至几
百摄氏度甚至上千摄氏度，而有些物质(如CaO、SiO。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，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。
2 微波在冶金中的应用
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、浸出时问长等缺点。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[11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果。金矿石中，碳和结
收稿日期：2010—12—27
作者简介：刘书祯(1981一)。男，江西吉水人，硕士，助教，主要从事有色冶金教学科研丁作。
万方数据
· 92 · 湿法冶金201t年6月
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26 h的金浸出率相当。
周晓东等[31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2 h，
铜浸出率为20．5％，而在低功率微波辐照下浸出4 min，
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[43对微波辅助碱分解低品位
钨矿进行了研究，结果发现，常规碱分解40 rain，WO。浸
出率不到60％；分解240 min，WO。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40 min，WO。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[53在微波辅助聚乙二醇一硫酸铵双水相体
系中研究了微波辐照条件下铂(II)和钯(11)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]研究了微波辅助，Lix984从低品位铜
矿浸出液中(铜离子质量浓度2 g／L)萃取铜。在微波功
率180 W、相比=0．5、pH=2条件下萃取8 min，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L7]。
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1 000 K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∽o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∽o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[1叩以
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1 300℃下反应1 h，获得完全氮化的片状氮化
铝(AIN)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，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[121在微波功率100～700 W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90～100℃，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[131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525 W、辐照时间90 s、物料
质量15 g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50 min。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[14]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[151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1 280℃的
烧结温度下保温i0 rain，可达到95．8％的相对密度；烧结
万方数据
第30卷第2期刘书祯，等：微波技术在冶金中的应用· 93 ·
温度降低，烧结时间大幅度缩短，且微波烧结制品的孑L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n6]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1 000
℃，比较了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30 rain内即可由室温升高到
l 000℃，再保温10 min，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。
3 微波协同其他外场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。
3．I 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。
汪模辉等口71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，由大分子变为小分子，致
使不易形成水合物【l 8|，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[1 9]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，并用微波一磁场联合处理水
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，但微波一磁场联合处理水所配含菌溶液浸
矿效果最好。
3．2 微波与超声波协同在蒸发结晶中的应用
频率大于20 Hz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[2明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，在微波一超声波
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[2u研究了微波一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
波一超声波联合作用可以得到更细、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。
4 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(如微波强化浸出，超声波强化结晶)，也有
不同外场技术联合作用于同一冶金单元(如微波一超声波
协同作用蒸发结晶)。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。
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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
用氢氧化钠预处理难处理含锑金银矿
Oktay Celep，et a1．研究了碱法预处理含锑难处理金银矿，如辉锑矿，硫锑银矿(Sb3PbAgS。)，辉锑
铅矿(Pb。Sb：：S。：)。用氢氧化钠进行试验，确定它对提高金和银回收率的效果。矿物学研究表明：银以
硫锑银矿和金银合金形式存在；金粒与石英和含锑矿物的杂质有关。将氢氧化钠浓度从O．5 mol／L提
高到5 mol／L，温度由20℃提高到80℃，矿石粒度由50肛m减小到5弘m，矿石中锑的去除率将会提
高，约75．5％的锑可以通过碱法预处理去除，在随后的氰化作用中银提取率由不到18．7％提高到
90％，金提取率由不到49．3％提高到85．4％。试验结果和矿物学研究表明：作为化学预处理方法，碱法
浸出可以作为一种处理难处理含锑金银矿的有效方法之一。
L张子悦译自《Hydrometallurgy))2011，108(1／2)：109—114]

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