作者：張世敏，黃孟陽(yáng)，彭金輝，黃銘，雷鷹，李雨，范興祥
摘要：采用微波諧振腔法測(cè)定了焦炭和越南鈦精礦混合物料的吸波特性，并研究了焦炭配入鈦精礦不同比例時(shí)與微波場(chǎng)內(nèi)熱源強(qiáng)度P的關(guān)系，測(cè)試結(jié)果為:焦炭和鈦精礦最佳配比為10%。同時(shí)還進(jìn)行了微波加熱還原鈦精礦制備富鈦料的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明:在碳質(zhì)還原劑采用焦炭，含量為10%；以硅酸鈉為粘結(jié)劑，用量為4%；添加劑為A，用量為5%；還原溫度為1150℃；還原時(shí)間為1.5h的條件下，金屬化球團(tuán)還原產(chǎn)品的Ti02品位為48. 85%，初級(jí)富鈦料品位達(dá)70.57%。
關(guān)鍵詞：越南鈦精礦；微波加熱還原；吸波特性；新工藝

  世紀(jì)之交，有關(guān)常規(guī)加熱鈦精礦還原試驗(yàn)研究的報(bào)道較多，但較為成熟的電爐熔煉法生產(chǎn)鈦渣的工藝流程僅適合水煤豐富的地區(qū)。微波是一種快速、清潔的加熱方式，在冶金中的應(yīng)用逐漸得到重視。有研究者對(duì)金屬氧化物的微波加熱碳熱還原工業(yè)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行了分析，認(rèn)為微波加熱法可比傳統(tǒng)加熱法的成本降低15%一50%。但為了開發(fā)微波冶金加熱技術(shù)，還應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)微波場(chǎng)內(nèi)材料介電性能的基礎(chǔ)研究。因此，本文結(jié)合微波加熱還原鐵精礦制備富鈦料新工藝試驗(yàn)，采用微波諧振腔法測(cè)定了焦炭和越南鈦精礦混合物料的吸波特性，并研究了焦炭配人鈦精礦不同比例時(shí)與微波場(chǎng)內(nèi)熱源強(qiáng)度P的關(guān)系。

1實(shí)驗(yàn)及測(cè)試原理
1.1實(shí)驗(yàn)原料
  實(shí)驗(yàn)采用的原料鈦精礦來(lái)自越南某地區(qū)，其主要化學(xué)成分界。含量為31. 28%,TiO2含量為44.85%。
1 .2吸波特性測(cè)試原理
  測(cè)試材料對(duì)微波的吸波性能的原理是依據(jù)微波理論，將一定頻率范圍內(nèi)的微波，饋人微波諧振型傳感器，從傳感器內(nèi)得到微波與物質(zhì)相互作用的相關(guān)參數(shù)。若引人諧振腔的樣品很小，微擾理論成立，則

  上式中△ω為角頻率偏移;ωo為未加樣品時(shí)諧振傳感器的諧振角頻率；εr'為樣品相對(duì)復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部；εr"為樣品相對(duì)復(fù)介電常數(shù)的虛部；εo為真空中的復(fù)介電常數(shù)；Eo*和Ho*分別為微擾前諧振傳感器內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的復(fù)共軛；E為諧振傳感器內(nèi)樣品的場(chǎng)強(qiáng)；Do和Bo分別為微擾前電位移和磁感應(yīng)強(qiáng)度的復(fù)共軛；Qo和Q分別為諧振傳感器的無(wú)載和有載Q值；W為諧振傳感器存儲(chǔ)的能量；D1和B1分別為微擾后樣品中電位移和磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加值；Ve為諧振傳感器內(nèi)樣品的體積；V為諧振傳感器的體積。
  由此可見，僅需研究測(cè)量出傳感器放人樣品前后的微波輸出幅度和諧振頻率的變化，即可反演出被測(cè)物質(zhì)的吸波特性。
1.3測(cè)試樣品準(zhǔn)備
  原料鈦精礦經(jīng)篩分后，取粒度為175一147um的5g鈦精礦作為測(cè)試樣品;將焦炭磨碎篩分后，也取175一147um的原料作為測(cè)試樣品，并按比例配人鈦精礦中，然后用研缽初步混勻，再經(jīng)干式磨樣機(jī)混勻2min,混合后樣品于烘箱150℃干燥2h,取2g的樣品進(jìn)入微波傳感器腔體進(jìn)行吸波特性的測(cè)試。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1鈦精礦與焦炭的升溫曲線
  鈦精礦與焦炭的升溫曲線見圖1，其測(cè)定條件為物料總重100g,微波功率800W。

  由圖1可以看到:越南鈦精礦在30min升溫到1165℃；焦炭在30min溫度達(dá)到1151℃，表明越南鈦精礦和焦炭都具有良好的吸波特性與升溫速率，為微波加碳還原越南鈦精礦新工藝奠定了理論基礎(chǔ)。
2. 2焦炭和越南鈦精礦配碳量的確定
  試驗(yàn)測(cè)得不同焦炭含量鈦精礦的微波波譜圖，通過(guò)分析波譜變化趨勢(shì)，并由程序計(jì)算出波譜線第一高峰處頻率和衰減值，然后由相對(duì)頻移和衰減值可以比較出鈦精礦和焦炭的最佳配比，其分析結(jié)果見圖2。

  由微波理論可知，混合物的ε"反比于微波傳感器衰減變化，混合物的ε'-1正比于微波傳感器相對(duì)頻移；同時(shí)，混合物的吸波能力正比于其介電常數(shù)的虛部ε"。由圖2可以看到:第一高峰值處的衰減值V10＜V15＜V0＜V20＜V18＜V14＜V5；相對(duì)頻移△W10＞△W15＞△W0＞△W20＞△W18＞△W14＞△W5；因此有ε10＞ε15＞ε0＞ε20＞ε18＞ε14＞ε5。相對(duì)頻移最大值點(diǎn)的配入比為焦炭含量10%；從衰減值分析其最大值點(diǎn)也為10%。因此，焦炭和越南鈦精礦最佳配比為10%。
  同時(shí)由微波場(chǎng)內(nèi)熱源強(qiáng)度公式:P=εωE2Vtgδ可知，當(dāng)式中的ε值成為變數(shù)，并存在ε10＞ε15＞ε0＞ε20＞ε18＞ε14＞ε5時(shí)，可以得出P10為所測(cè)值中的最大值，即在ω、E、V和tgδ相同時(shí)，10%配碳量的情況下，微波能量利用率是最高的。
2. 3粘結(jié)劑用量對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度的影響
  試驗(yàn)研究了粘結(jié)劑硅酸鈉對(duì)還原球團(tuán)強(qiáng)度的影響。球團(tuán)在恒溫干燥箱內(nèi)于150℃烘干30min之后進(jìn)行測(cè)定，生球強(qiáng)度測(cè)定方法是隨機(jī)取10個(gè)球團(tuán)，從0.5m高處落在鋼板上，記錄其破碎前最大次數(shù)，然后取10個(gè)生球落下次數(shù)的平均值。粘結(jié)劑A用量與球團(tuán)強(qiáng)度的關(guān)系如圖3所示。

  從圖3可以看到，球團(tuán)強(qiáng)度隨著粘結(jié)劑硅酸鈉用量增多，其強(qiáng)度愈來(lái)愈高。當(dāng)硅酸鈉用量為4%時(shí)，其強(qiáng)度為15次，已達(dá)到微波還原工藝對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度的要求，因此粘結(jié)劑硅酸鈉用量取為4%。
2.4內(nèi)配碳對(duì)二氧化鐵品位的影響
  固定添加劑用量為5%，還原溫度為1150℃，還原時(shí)間為1.5h等條件，考查內(nèi)配碳對(duì)還原產(chǎn)品TiO2品位的影響，其結(jié)果見圖4。

  從圖4可以看到，當(dāng)內(nèi)配碳量含量為10%時(shí)，TiO2品位已達(dá)到48.85%。在含碳量為10%時(shí)，其P10值最高，表征為物料溫度最高，從而還原速率為最大，因此，其還原效果比較好。
2.5溫度對(duì)二氧化鈦品位的影響
  固定添加劑用量為5%，還原時(shí)間1.5h，內(nèi)配碳為10%等條件，考查還原溫度對(duì)產(chǎn)品TiO2品位的影響，其結(jié)果見圖5。

  從圖5可知，還原溫度由1100℃提高到1150℃、還原產(chǎn)品TiO2的品位顯著提高。繼續(xù)升高至1200℃ ,TiO2的品位提高不大，因此還原溫度定為1150℃。分析其原因，在1150℃時(shí)己經(jīng)有金屬鐵產(chǎn)生，金屬鐵在微波場(chǎng)內(nèi)會(huì)引起局部放電與電弧而產(chǎn)生高溫，四價(jià)鈦會(huì)分解成低價(jià)鐵，因此，二氧化鈦品位提高不大。
2. 6還原時(shí)間對(duì)二氧化鈦品位的影晌
  固定復(fù)合添加劑用量為5%，還原溫度為1150℃，內(nèi)配碳為10%，考查還原時(shí)間對(duì)產(chǎn)品TiO2品位的影響，其結(jié)果見圖6。

  從圖6可以看到:當(dāng)還原時(shí)間為1.5h,TiO2品位已達(dá)到48.85% 延長(zhǎng)還原時(shí)間，有利于促進(jìn)鐵晶粒長(zhǎng)大和增強(qiáng)Fe/Ti分離效果;但局部高溫效應(yīng)就越明顯，四價(jià)鐵會(huì)分解成低價(jià)鈦。綜合考慮Fe/Ti分離效果、二氧化鈦品位以及還原能耗，還原時(shí)間選擇1.5h。
2. 7添加荊用量對(duì)二氧化鈦品位的影響
  恒定反應(yīng)溫度為l150℃，反應(yīng)時(shí)間1.5h，內(nèi)配碳為10%，考查添加劑用量對(duì)產(chǎn)品TiO2品位的影響，其結(jié)果見圖7。

  從圖7可以看出，添加劑的加人對(duì)Ti02品位有著明顯的提高。當(dāng)添加劑用量從5%提高到7%時(shí)，TiO2品位提高幅度不大。考慮添加劑的成本及Ti/Fe分離效果，復(fù)合添加劑用量選擇為5%。
2. 8初級(jí)富鈦料制備
  還原產(chǎn)品經(jīng)過(guò)破碎，磨礦，磁選，非磁性物和磁性物再磨，搖床重選，可制得初級(jí)富鈦料和鐵粉，初級(jí)富鈦料品位為70.57%。

3結(jié)論
1.越南鈦精礦和焦炭都具有良好吸波特性;粘結(jié)劑硅酸鈉用量為4%時(shí)，球團(tuán)強(qiáng)度能滿足微波還原工藝的要求，同時(shí)粘結(jié)劑硅酸鈉能促進(jìn)還原反應(yīng)。
2.從微波場(chǎng)內(nèi)熱源強(qiáng)度角度來(lái)衡量，焦炭和越南鈦精礦最佳配比為10%，此時(shí)由微波場(chǎng)內(nèi)熱源強(qiáng)度公式P10=εωE2Vtgδ可以得出，P10為所測(cè)值中最大值，即在ω、E、V和tgδ相同時(shí)，10%配碳量的情況下，微波能量利用率是最高的。
3.微波處理越南鈦精礦的優(yōu)化條件為:內(nèi)配碳含量10%.反應(yīng)溫度1150℃，反應(yīng)時(shí)間1.5h，添加劑用量5%，在此條件下，還原產(chǎn)品TiO2品位為48.85%，初級(jí)富鈦料品位為70.57%
4.當(dāng)內(nèi)配碳含量為10%時(shí)，還原后產(chǎn)品TiO2品位為最大值，該試驗(yàn)結(jié)果與吸波特性測(cè)試結(jié)果相吻合。