微波技術在材料制備與礦物冶金中的應用

發布時間：2020-12-26所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：隨著現代科技的迅猛發展，微波技術的應用也愈加廣泛，分別在制藥、冶金、食品、化工以及新材料加工中獲得了良好的應用。我國相關專家學者也在不斷對微波技術的實踐應用進行研究分析，發現其具備較強的清潔性、環保性，屬于一種新型的綠色能源，并且在

　　摘要：隨著現代科技的迅猛發展，微波技術的應用也愈加廣泛，分別在制藥、冶金、食品、化工以及新材料加工中獲得了良好的應用。我國相關專家學者也在不斷對微波技術的實踐應用進行研究分析，發現其具備較強的清潔性、環保性，屬于一種新型的綠色能源，并且在材料制備與礦物冶金中有著極高的應用價值。因此，本文闡述分析了微波技術在硅材料、硬質合金材料制備中的應用，并詳細探討了微波技術在冶金礦物干燥與強化金屬提取中的應用，以供參考。

　　關鍵詞：微波技術;材料制備;礦物冶金;應用

　　引言

　　微波屬于電磁波的一種，其頻率通常為0.3-300GHz，波長為0.1-100cm之間。跟普通加熱方式不同，微波加熱不僅加熱速度快且均勻，而且熱損耗也極低，同時還能加強化學反應分子活性，能夠促進化學反應的發生，并在特定環境下令化學反應溫度下降、能量消耗量減少。這些優勢大大加寬了微波加熱技術的應用領域，尤其是材料制備、冶金礦物干燥、有價金屬強化提取等方面，因此對微波技術的實踐應用進行研究十分必要。

　　1.微波技術在材料制備過程中的實際應用探析

　　1.1硅材料

　　半導體器件在加工制作過程中，最不可缺少的材料就是硅。尤其是光伏產業，其必須要用到的材料就是多晶硅材料，而該材料的性能與多晶硅原材料品質、規格以及生產工藝、制備技術有很大的關系。社會在發展，時代在進步，過去陳舊的加熱重熔方法已經無法滿足新時代下進步巨大的光伏產業，無法生產制作出純度較高的硅材料。而微波加熱技術的出現解決了這一難題，將其應用到硅材料的制備環節，不但加快了加熱速度，也提升了熔融的進程，還增強了能源的利用率。

　　比如：在制備優質多晶硅薄膜過程中應用微波加熱技術，首先要將微波功率調整至500W，通過鋁金屬對a-硅薄膜的誘導，再靈活運用橫向晶化技術，能夠在低溫短期內獲得高品質的poly-硅薄膜[1]。此外，利用之前落后的技術工藝生產制備亞微米β-SiC材料時，往往需要30個小時才能完成，且對溫度有較高的要求，即2200-2400℃。而微波加熱技術則不同，首先收集光伏產業中廢棄的多晶硅、廢芯片中的單晶硅以及活性炭等原材料，其次將溫度控制在1450±50℃，然后再利用微波加熱技術燒結6-8分鐘就能夠獲得該產品。并且，與選擇二氧化硅作為原材料對比，該技術的能源耗費量得到了大幅度的減少，且釋放的二氧化碳也減少了78%。

　　1.2硬質合金材料

　　由于硬質合金(WC-Co)粉末壓坯具備一定的吸波能力，所以應用常規生產技術很難成功，而微波則能夠輕易貫穿硬質合金(WC-Co)粉末壓坯，因此，微波技術在硬質合金材料的制備中也獲得了良好的應用。通過調查大量文獻資料發現，無論是國外還是國內，將傳統燒結硬質合金材料技術和微波技術相比，前者在加熱環節會受到一定熱傳導系數的限制，從而產生溫度散步不均勻的問題，進而導致微觀組織出現偏析。而解決該問題的唯一方式就是降低溫度上升的速度，但是該行徑會對生產出的硬質合金材料性能帶來極大不利影響。微波技術加熱快且均勻，其能夠在低溫、短期內實現硬質合金粉末壓坯所需要的致密化與合金化，并讓制備完成的硬質合金材料具備較高的致密度、較強的硬度、極高的斷裂韌性以及優質抗腐蝕性與細微的WC晶粒和散步勻稱的Co等優點。

　　2.微波技術在礦物冶金中的實際應用分析

　　2.1微波技術在冶金礦物干燥中的應用

　　微波能在產業化中應用最廣泛的區域就是脫水干燥。微波干燥礦物所針對的成分主要是水，其跟礦物質的介電常數、介電損耗有著很大的區別，而水的損耗極高，輕易便能將微波能盡數吸收，但是礦物質的損耗低于水，所以，微波在干燥環節實際上就是高速加熱讓水的溫度升高從而揮發。跟普通干燥方式對比，不僅高效快速，而且整個干燥階段都沒有污染。

　　相關專家學者曾研究過團聚物干燥，像鐵礦球團等，應用微波技術，結果表明跟過去所使用的干燥模式相比，微波干燥技術更加節省能源。但是微波功率、干燥時長、干燥材料用量都會對微波干燥效果產生一定影響，所以務必要對這些要素進行嚴格控制。除此之外，部分專家學者在對Zr(OH)₄干燥環節中做過實驗，將微波干燥技術與傳統干燥工藝進行對比，結論是：后者要想讓Zr(OH)₄達到標準的干燥度需要用時2個小時，而微波加熱技術僅需要20分鐘就能夠讓Zr(OH)₄的干燥度滿足標準需求，這充分說明，微波干燥模式不但操作簡便快捷，而且還大大減短了干燥周期[2]。將兩種干燥技術下的Zr(OH)₄粉末SEM圖像進行對比，發現使用微波干燥技術的Zr(OH)₄粉末粒子均勻性更強。

　　2.2微波在強化金屬提取環節的應用

　　微波自身體積特殊，且加熱模式具備可選擇性，這極大提升了微波技術在輔助還原以及強化礦物的浸出等方面的應用效果。使用微波技術對冶金物料予以還原時，微波所獨具的選擇性加熱模式能夠令有用礦物和雜質出現熱應力，但是兩者之間的吸波性存在較大差異，所以導致微觀中的多元多相復雜礦石體系溫度分布不均，這加強了兩者的解離現象，從而創造出了非平衡狀態的反應條件，擴大了有用礦物界面的反應范圍，加快了界面化學反應，最后將包裹型礦物進行了轉化，由難到易，也分離并提取了礦石中的有價元素，且效率極高。該還原過程不但出現了高溫熱點，而且還做到了節能降耗。而在浸出冶金物料提取金屬中應用微波技術，礦物顆粒會出現開裂，這令礦物顆粒的表面積有所加大，從而提升了浸出反應的速度、降低了反應時間、增強了金屬浸出率。并且，大量研究均表明，微波技術在眾多金屬的回收處理中獲得了良好的應用，比如重金屬Fe、Co、Zn、Ni、Pb、Cu等;輕金屬Al、Mg;稀有金屬Ti、Mo;貴金屬Au;核能原料鈾的提取等。

　　以重金屬為例，在配碳還原鐵酸鋅中分別應用傳統技術與微波技術，其中傳統加熱技術需要在900℃的環境下進行，將鐵酸鋅予以碳熱還原需要90分鐘，且鐵酸鋅的分解率最高為85%，其反應還會受到擴散的影響;而微波加熱技術對溫度的要求為850℃，還原時長只需要1個小時，鐵酸鋅的分解率就能夠提升至90%，其反應會受到碳氣化的影響[3]。而應用微波還原技術分解率較高的根本原因是微波加熱具備選擇性，傳熱傳質的成效好，而且還能對物質顆粒表面致密包裹層予以解離，進行比傳統加熱更深層次的分解。除此之外，電弧爐煙塵等類型的冶金渣塵屬于有害廢棄物，其中具備Zn、Pb、Fe等重金屬，而應用微波技術聯合石墨能夠在電弧爐煙塵中回收Fe和Zn，其中ZnO的還原比Fe2O3的還原要慢，而且回收完畢之后剩余的物質也是無害的。

　　結束語

　　微波加熱技術無論是在材料制備，還是在冶金礦物干燥，亦或者是有價金屬強化提取等方面有著很大的積極作用，而且發展空間也較大。在材料制備過程中應用微波技術，能夠縮短周期、優化改良材料的性能，而且屬于清潔類型的能源。而在礦物冶金中應用微波技術，能夠顯著提升金屬回收率和產品轉化率，還能將能量消耗量降至最低。由此可見，微波技術的發展前景十分廣闊。——論文作者：李永佳 楊志鴻 *通訊作者

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