作者：張世敏，黃孟陽，彭金輝，黃銘，雷鷹，李雨，范興祥
摘要：采用微波諧振腔法測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與微波場內熱源強度P的關系，測試結果為:焦炭和鈦精礦最佳配比為10%。同時還進行了微波加熱還原鈦精礦制備富鈦料的試驗研究，結果表明:在碳質還原劑采用焦炭，含量為10%；以硅酸鈉為粘結劑，用量為4%；添加劑為A，用量為5%；還原溫度為1150℃；還原時間為1.5h的條件下，金屬化球團還原產品的Ti02品位為48. 85%，初級富鈦料品位達70.57%。
關鍵詞：越南鈦精礦；微波加熱還原；吸波特性；新工藝

  世紀之交，有關常規加熱鈦精礦還原試驗研究的報道較多，但較為成熟的電爐熔煉法生產鈦渣的工藝流程僅適合水煤豐富的地區。微波是一種快速、清潔的加熱方式，在冶金中的應用逐漸得到重視。有研究者對金屬氧化物的微波加熱碳熱還原工業應用的經濟價值進行了分析，認為微波加熱法可比傳統加熱法的成本降低15%一50%。但為了開發微波冶金加熱技術，還應該加強對微波場內材料介電性能的基礎研究。因此，本文結合微波加熱還原鐵精礦制備富鈦料新工藝試驗，采用微波諧振腔法測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與微波場內熱源強度P的關系。

1實驗及測試原理
1.1實驗原料
  實驗采用的原料鈦精礦來自越南某地區，其主要化學成分界。含量為31. 28%,TiO2含量為44.85%。
1 .2吸波特性測試原理
  測試材料對微波的吸波性能的原理是依據微波理論，將一定頻率范圍內的微波，饋人微波諧振型傳感器，從傳感器內得到微波與物質相互作用的相關參數。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為未加樣品時諧振傳感器的諧振角頻率；εr'為樣品相對復介電常數的實部；εr"為樣品相對復介電常數的虛部；εo為真空中的復介電常數；Eo*和Ho*分別為微擾前諧振傳感器內電場強度和磁場強度的復共軛；E為諧振傳感器內樣品的場強；Do和Bo分別為微擾前電位移和磁感應強度的復共軛；Qo和Q分別為諧振傳感器的無載和有載Q值；W為諧振傳感器存儲的能量；D1和B1分別為微擾后樣品中電位移和磁感應強度的增加值；Ve為諧振傳感器內樣品的體積；V為諧振傳感器的體積。
  由此可見，僅需研究測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，即可反演出被測物質的吸波特性。
1.3測試樣品準備
  原料鈦精礦經篩分后，取粒度為175一147um的5g鈦精礦作為測試樣品;將焦炭磨碎篩分后，也取175一147um的原料作為測試樣品，并按比例配人鈦精礦中，然后用研缽初步混勻，再經干式磨樣機混勻2min,混合后樣品于烘箱150℃干燥2h,取2g的樣品進入微波傳感器腔體進行吸波特性的測試。

2試驗結果與討論
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。
2. 2焦炭和越南鈦精礦配碳量的確定
  試驗測得不同焦炭含量鈦精礦的微波波譜圖，通過分析波譜變化趨勢，并由程序計算出波譜線第一高峰處頻率和衰減值，然后由相對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頻移；同時，混合物的吸波能力正比于其介電常數的虛部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；相對頻移△W10＞△W15＞△W0＞△W20＞△W18＞△W14＞△W5；因此有ε10＞ε15＞ε0＞ε20＞ε18＞ε14＞ε5。相對頻移最大值點的配入比為焦炭含量10%；從衰減值分析其最大值點也為10%。因此，焦炭和越南鈦精礦最佳配比為10%。
  同時由微波場內熱源強度公式:P=εωE2Vtgδ可知，當式中的ε值成為變數，并存在ε10＞ε15＞ε0＞ε20＞ε18＞ε14＞ε5時，可以得出P10為所測值中的最大值，即在ω、E、V和tgδ相同時，10%配碳量的情況下，微波能量利用率是最高的。
2. 3粘結劑用量對球團強度的影響
  試驗研究了粘結劑硅酸鈉對還原球團強度的影響。球團在恒溫干燥箱內于150℃烘干30min之后進行測定，生球強度測定方法是隨機取10個球團，從0.5m高處落在鋼板上，記錄其破碎前最大次數，然后取10個生球落下次數的平均值。粘結劑A用量與球團強度的關系如圖3所示。

  從圖3可以看到，球團強度隨著粘結劑硅酸鈉用量增多，其強度愈來愈高。當硅酸鈉用量為4%時，其強度為15次，已達到微波還原工藝對球團強度的要求，因此粘結劑硅酸鈉用量取為4%。
2.4內配碳對二氧化鐵品位的影響
  固定添加劑用量為5%，還原溫度為1150℃，還原時間為1.5h等條件，考查內配碳對還原產品TiO2品位的影響，其結果見圖4。

  從圖4可以看到，當內配碳量含量為10%時，TiO2品位已達到48.85%。在含碳量為10%時，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溫度對二氧化鈦品位的影響
  固定添加劑用量為5%，還原時間1.5h，內配碳為10%等條件，考查還原溫度對產品TiO2品位的影響，其結果見圖5。

  從圖5可知，還原溫度由1100℃提高到1150℃、還原產品TiO2的品位顯著提高。繼續升高至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℃時己經有金屬鐵產生，金屬鐵在微波場內會引起局部放電與電弧而產生高溫，四價鈦會分解成低價鐵，因此，二氧化鈦品位提高不大。
2. 6還原時間對二氧化鈦品位的影晌
  固定復合添加劑用量為5%，還原溫度為1150℃，內配碳為10%，考查還原時間對產品TiO2品位的影響，其結果見圖6。

  從圖6可以看到:當還原時間為1.5h,TiO2品位已達到48.85% 延長還原時間，有利于促進鐵晶粒長大和增強Fe/Ti分離效果;但局部高溫效應就越明顯，四價鐵會分解成低價鈦。綜合考慮Fe/Ti分離效果、二氧化鈦品位以及還原能耗，還原時間選擇1.5h。
2. 7添加荊用量對二氧化鈦品位的影響
  恒定反應溫度為l150℃，反應時間1.5h，內配碳為10%，考查添加劑用量對產品TiO2品位的影響，其結果見圖7。

  從圖7可以看出，添加劑的加人對Ti02品位有著明顯的提高。當添加劑用量從5%提高到7%時，TiO2品位提高幅度不大?？紤]添加劑的成本及Ti/Fe分離效果，復合添加劑用量選擇為5%。
2. 8初級富鈦料制備
  還原產品經過破碎，磨礦，磁選，非磁性物和磁性物再磨，搖床重選，可制得初級富鈦料和鐵粉，初級富鈦料品位為70.57%。

3結論
1.越南鈦精礦和焦炭都具有良好吸波特性;粘結劑硅酸鈉用量為4%時，球團強度能滿足微波還原工藝的要求，同時粘結劑硅酸鈉能促進還原反應。
2.從微波場內熱源強度角度來衡量，焦炭和越南鈦精礦最佳配比為10%，此時由微波場內熱源強度公式P10=εωE2Vtgδ可以得出，P10為所測值中最大值，即在ω、E、V和tgδ相同時，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化條件為:內配碳含量10%.反應溫度1150℃，反應時間1.5h，添加劑用量5%，在此條件下，還原產品TiO2品位為48.85%，初級富鈦料品位為70.57%
4.當內配碳含量為10%時，還原后產品TiO2品位為最大值，該試驗結果與吸波特性測試結果相吻合。