陳 晉 高 磊 郭勝惠 陳 菓，2

(1.昆明理工大學 冶金與能源工程學院，昆明 650093；2.云南民族大學 云南省高校綠色化學材料重點實驗室，昆明 650500)

鈦是重要的戰(zhàn)略資源，含鈦材料是航空航天、化工、醫(yī)療等領域的支撐材料，因此，鈦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平直接關系到我國的國防建設和經(jīng)濟發(fā)展[1-3]。我國鈦鐵礦中的有價金屬提取和分離過程中仍存在難解決的關鍵共性難題，尤其是鈦、釩等重要金屬元素提取利用程度較低[4]。以原礦石計算，鈦的回收利用率不到10%，以鐵精礦計算，釩的回收利用率不到50%，并且每年都會有相當數(shù)量的固體廢料被排入尾礦庫，造成嚴重的資源和環(huán)境問題[5]，我國急需開發(fā)一種綠色高效的礦物加工和礦石處理的新技術。

微波加熱是一種新穎的綠色冶煉技術，該技術通過在處理物料過程中引入非常規(guī)外場，利用物料中的介電損耗將冶金過程中需要的熱能有選擇性地轉(zhuǎn)移到參與該反應的分子或者原子中。其特殊的能量轉(zhuǎn)化模式可使材料的微觀區(qū)域迅速積累能量，并且這種能量轉(zhuǎn)換方式使得有可能通過利用礦物電磁性能的差別，對礦體中的目標礦物進行高溫處理，避免脈石被直接加熱，導致復合多相態(tài)的礦石系統(tǒng)中的高溫不均勻性，從而造成目標礦物與脈石的交界部位產(chǎn)生熱應力，加速目標礦物與脈石間的分離，增加目標礦物的反應區(qū)域，可加強界面化學反應以及有效提高反應擴散速率[6-8]。因此，通過微波加熱技術在一定程度上可以突破常規(guī)加熱需要從外到內(nèi)的熱傳遞過程，提高冶金反應過程的傳質(zhì)、傳熱和動量傳輸，從而實現(xiàn)冶金反應過程的強化，降低反應過程的能源消耗。而且，在鈦鐵礦源頭處理過程中引入非常規(guī)外場，在一定程度上可以減弱強酸、強堿、高溫、高壓等極端操作條件，提高冶金效率。本文重點綜述了鈦鐵礦的微波電磁特性以及微波加熱技術在攀西地區(qū)含鈦物料預處理過程中的應用情況。

1 鈦鐵礦的微波電磁特性

微波電磁特性是微波加熱的本征參數(shù)，鈦鐵礦的相關微波電磁參數(shù)的獲得，將有利于闡明微波功率、損耗因子、化學反應熱、溫度等多個因素的相互作用關系，實現(xiàn)定性向定量的轉(zhuǎn)變，進一步揭示鈦鐵礦在微波加熱過程中演變規(guī)律和吸收過程[9，10]。如GUO等[11]采用諧振腔微擾法研究了摻合不同比例活性炭的鈦鐵礦的微波波譜，并根據(jù)波譜圖中頻率的相對移動和電壓的相對衰減關系(圖1)發(fā)現(xiàn)：摻合30%活性炭的鈦鐵礦具有較大的頻率移動和電壓衰減，如果在微波場中進行碳熱還原反應，該混合物具有很好的微波吸波性能。

圖1 不同比例活性炭與鈦鐵礦混合物的頻率的相對移動(a)和電壓的相對衰減(b)[11]圖1 The relative shift of frequency (a) and the relative attenuation of voltage (b) in the microwave field of the mixture of activated carbon and ilmenite with different ratios[11]

針對攀枝花地區(qū)釩鈦磁鐵礦具有釩、鉻含量高、結構復雜、致密、難以利用的特點，LI等[12]采用微波電磁特性高溫測試系統(tǒng)，獲得了釩鈦磁鐵礦含釩尾渣從室溫到800 ℃的介電常數(shù)、介電損耗因子、損耗正切系數(shù)(圖2)，并檢測了釩鈦磁鐵礦含釩尾渣在不同微波功率下的微波吸收行為(圖3)?；谒@得的指標數(shù)據(jù)和實驗結果可知，采用微波加熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法對釩鈦磁鐵礦進行預處理，可以破壞釩鈦磁鐵礦中致密結構，從而進一步提高釩和鉻的提取率。

圖2 釩鈦磁鐵礦含釩尾渣在微波頻率為2 450 MHz下的微波電磁特性：(a)介電常數(shù)(εr′)；(b)介電損耗因子(εr″)；(c)損耗正切系數(shù)(tanδ)[12]Fig.2 Microwave electromagnetic characteristics of vanadium titanomagnetite at microwave frequency 2 450 MHz(a)dielectric constant(εr′)；(b)dielectric dissipation factor(εr″)；(c)loss tangent coefficient(tanδ)[12]

鈦鐵礦及其混合物料的微波電磁特性的獲得，可以定量描述其在微波場中的升溫特性，進一步掌握在微波加熱過程中的反應特性[13，14]。

2 微波技術預處理攀西地區(qū)含鈦物料的應用現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)加熱方式相比，微波加熱具有加熱快速、選擇性強、分布均勻、效率高、開關快速、靈活等優(yōu)點，在鈦鐵礦選礦和處理中的應用近年來引起了冶金行業(yè)的高度關注，已被廣泛應用于各種鈦鐵礦選礦和鈦冶金提取過程，如微波輔助磨礦、微波輔助碳熱還原和浸出、微波干燥、微波輔助焙燒和精礦冶煉[15]。本文重點總結了微波深度干燥鈦精礦和微波技術輔助加工處理釩鈦磁鐵礦的相關研究。

2.1 微波深度干燥鈦精礦

現(xiàn)代的干燥技術不但要去除原料中的水分，還要得到優(yōu)質(zhì)的成品，更要注意保護環(huán)境以及降低能耗[16，17]。微波加熱干燥較常規(guī)加熱干燥的優(yōu)勢在于，微波加熱干燥可改變某些遷移勢和遷移勢梯度方向。采用微波干燥時，其傳熱、傳質(zhì)模型與常規(guī)干燥不同[18]，如圖4所示。基于微波場中特有的傳熱、傳質(zhì)方式，可以獲得微波干燥過程中物料內(nèi)部的熱量遷移特性和水分遷移規(guī)律，從而強化了冶金、化工物料微波干燥過程的理論延伸和技術發(fā)展，進一步提高能源利用效率，達到節(jié)能降耗的目的[19]。

LI等[18]研究了微波功率及物料量對鈦精礦微波干燥過程的含水率、脫水速率、水分比等干燥特性的影響規(guī)律，結果如圖5所示。從圖5可以看出，微波功率密度對含水率和干燥速率的影響較大，干燥過程更符合Henderson-Pabis指數(shù)模型。

昆明理工大學非常規(guī)冶金教育部重點實驗室針對攀枝花地區(qū)浮選鈦精礦浮選藥劑高溫易揮發(fā)、分解造成的環(huán)境污染問題，建立了年處理鈦精礦10萬t、單機裝機容量1 980 kW、長度110 m的微波低溫清潔干燥生產(chǎn)線，如圖6所示。

圖6 浮選鈦精礦微波低溫清潔干燥生產(chǎn)線圖6 Industrial line of microwave low temperature clean drying of flotation titanium concentrate

2.2 微波輔助加工處理釩鈦磁鐵礦

由于構成礦石的多種礦物質(zhì)在微波作用下的特性各異(極性大的吸波能力強)，因而在微波場中的升溫速度出現(xiàn)差別，呈現(xiàn)出微波的選擇性加熱，產(chǎn)生了較強的熱應力，導致礦物間的交界出現(xiàn)裂紋。裂紋的出現(xiàn)有利于提高有用礦物的單體分解，增大有用礦物的活性反應區(qū)域，進而提高礦石的破碎能力[20]。

我們發(fā)現(xiàn)透輝石、鈦角閃石、二氧化硅、鎂橄欖石等物相已經(jīng)出現(xiàn)在微波加熱后的攀枝花釩鈦磁鐵礦中(圖7)[21]。打開攀枝花釩鈦磁鐵礦中的包裹體，使雜質(zhì)礦物暴露出來，有利于還原劑與鈦鐵礦最大限度地接觸。

圖7 微波處理前(a)和微波處理后(b)的釩鈦磁鐵礦的XRD圖譜[21]Fig.7 XRD patterns of vanadium-titanium magnetite before(a)and after(b)microwave treatment[21]

鄭孝英等[22]發(fā)現(xiàn)攀枝花釩鈦磁鐵礦中(圖8a)的脈石在微波加熱過程中不吸收微波能，但是攀枝花釩鈦磁鐵礦中有用礦物吸收微波能兩者間產(chǎn)生熱應力，這種熱應力使礦物顆粒沿邊緣產(chǎn)生裂縫，結果使礦物更容易磨碎，如圖8b所示。采用不同功率的微波對該釩鈦磁鐵礦進行加熱和磨礦處理，并通過磁選回收磁鐵礦發(fā)現(xiàn)，微波加熱對礦石的選擇性磨礦起到了強化作用，可提高礦物解離效率，提高磁鐵礦的回收率(如圖8c)。

圖8 微波處理前后釩鈦磁鐵礦的SEM圖像和微波處理后的磁選回收率[22]Fig.8 SEM images and magnetic separation recovery of vanadium-titanomagnetite before and after microwave treatment[22]

CHEN等[23]采用磨礦前先對釩鈦磁鐵礦進行微波輔助處理，之后再進行磨礦時發(fā)現(xiàn)，在微波處理過程中，隨著微波處理時間的延長，釩鈦磁鐵礦的平均粒徑(d50)可從約54.75 μm逐漸減小到16.76 μm，釩鈦磁鐵礦中有用礦物和脈石之間產(chǎn)生裂紋，包裹體被打開，這有利于提高后續(xù)的磨礦效率。

從以上結果可知，利用微波加熱可在釩鈦磁鐵礦礦物內(nèi)部進行快速的原位轉(zhuǎn)化，造成復雜組元間顯著的溫度梯度，引起應力解離，為鈦鐵礦的后續(xù)選冶工藝創(chuàng)造良好條件。因此，采用微波對含鈦物料進行處理，獲得顆粒的裂解方式和解離結果的變化趨勢，有助于拓展對復雜含鈦物料處理技術的開發(fā)和應用。

3 結論與展望

我國鈦等重要金屬元素的提取利用是當前低品位含鈦物料高效利用技術發(fā)展的重大難題。微波加熱技術在一定程度上可以突破常規(guī)加熱需要從外到內(nèi)的熱傳遞過程局限，提高冶金反應過程的傳質(zhì)、傳熱和動量傳輸，從而實現(xiàn)冶金反應過程強化，降低反應過程的能源消耗。將微波加熱技術應用到攀西地區(qū)復雜含鈦物料的預處理過程中，可獲得釩鈦磁鐵礦、鈦鐵礦、鈦精礦的微波電磁特性以及在微波作用下的深度干燥技術以及輔助磨碎技術，并通過對微波外場作用下材料物理和化學特性的分析，探討其在外場作用下特定的反應規(guī)律和傳質(zhì)特性，拓展非常規(guī)的冶金新技術與新工藝。特殊場冶金新技術對于豐富冶金物理化學的理論、改造和革新傳統(tǒng)工藝，具有重要的科學意義和廣闊的工業(yè)應用前景。