粒度和温度对钒钛磁铁矿介电特性的影响

王俊鹏， 姜 涛， 刘亚静， 刘晨辉

(1.东北大学 冶金学院，沈阳 110819；2.非常规冶金教育部重点实验室，昆明 650093)

微波加热具有快速加热、选择性加热、加热效率高等优点，现已广泛应用于矿物加工、冶金、化工、食品等领域[1-2].在微波预处理矿石过程中，由于微波快速加热和选择性加热的特点，金属矿石中的脉石成分，尤其是石英、云母和绿泥石等几乎不被微波加热；而有价矿物会被选择性地迅速加热，导致不同矿物因膨胀系数不同而产生晶格间的热应力，引起晶界间的断裂.这些裂纹不仅可以改善矿石的可磨性，同时还能有效地提高矿物的解离程度[3].虽然微波加热在矿物预处理领域应用前景广阔，但是对微波和矿物间相互作用的机理研究较少.

在微波场中，介电特性是表征材料吸收微波能力的物理量，其中介电常数表示材料对微波的吸收能力，介电损耗表示材料将吸收的微波能转化成热能的能力[4-5].因此，测量材料的介电特性对了解材料在微波场中的升温情况有着重要意义.

钒钛磁铁矿是一种多元素共伴生的复杂难处理矿石，是我国重大战略资源之一，我国90%钛和45%钒赋存在其中[6].基于微波加热的特点，结合微波预处理技术，本文研究了温度和粒度对钒钛磁铁矿介电特性的影响，并测量了其在微波场中的升温性能，为微波预处理钒钛磁铁矿提供理论基础.

1 实验原料与方法

1.1 实验原料

实验所用的钒钛磁铁矿取自四川攀西地区，矿石的主要化学成分如表1所示，X射线衍射分析如图1所示.由表1可知，矿石中的主要金属元素为铁和钛.由图1可知，矿石中的主要有价矿物为磁铁矿和钛铁矿.试验开始前先用球磨机将矿石磨细，然后将矿石筛分成-0.048、-0.075+0.048、-0.150+0.075 mm三个粒级，最后将不同粒级矿石在105 ℃条件下干燥12 h后备用.

表1 矿石的主要化学成分(质量分数)

图1 钒钛磁铁矿XRD谱Fig.1 XRD pattern of the raw vanadium titano-magnetite

1.2 实验方法

介电特性测试装置为材料微波性能变温测试系统，测试方法为谐振腔微扰法，矢量网络分析仪为安捷伦科技有限公司生产的E5071C型，腔体与软件为电子科技大学设计，加热装置采用感应加热.测量过程为：将样品在下部感应线圈中加热至测量温度并保温一段时间，然后将样品迅速弹射至谐振腔内测量，测量结束将样品下降至感应线圈内继续加热，测量间隔为100 ℃，频率为2.45 GHz.

矿石升温特性试验在MobileLab系列微波工作站(微波频率2.45 GHz)中进行，称取100 g不同粒级的钒钛磁铁矿作为试验对象，设置微波功率4 kW对其进行微波加热，测量其升温曲线.

2 结果与讨论

2.1矿石介电特性测定

对粒度为-0.048、-0.075+0.048、-0.150+0.075 mm钒钛磁铁矿的介电特性进行测试分析.图2给出了这3种粒级钒钛磁铁矿的介电常数实部ε′、介电常数虚部ε″及损耗角正切tanδ随温度的变化规律.

图2 不同粒度钒钛磁铁矿的介电特性随温度变化曲线Fig.2 Variation of the dielectric properties of different particle size VTM with sample temperature(a)—介电常数实部ε′；(b)—介电常数虚部ε″；(c)—损耗角正切tan δ

由图2可知，不同粒度的钒钛磁铁矿的介电常数实部ε′均随着温度的升高而增大，其中-0.048 mm粒级的钒钛磁铁矿在20～800 ℃之间变化范围为8.386～11.287.在600 ℃之前ε′增长较慢，但在600 ℃到800 ℃之间增速变大.该钒钛磁铁矿拥有较高的ε′，这主要是因为钒钛磁铁矿中含有较多的Fe3O4和FeTiO3.介电常数虚部ε″和损耗角正切tanδ随温度的变化规律与介电常数实部ε′的变化趋势大致相同，都是随着温度的升高而增大.ε″在测试的温度下均低于ε′.-0.048 mm 粒级的钒钛磁铁矿的 tanδ在20～800 ℃ 之间变化范围为0.021～0.034，表明该矿石具有良好的转化电磁能为热能的能力.

对比不同粒级钒钛磁铁矿介电特性可知，粒度越小ε′越大，这说明粒度小的矿石在微波场中更容易产生极化效应而储存电磁能，同时ε″和tanδ也随着粒度的减小而上升，这说明粒度小的矿石在微波场中吸收微波并将其转换为热能的能力大于粒度大的矿石.这是由于矿石的粒度越小，其填充层的空隙率也就越小，矿石填充更紧密，空气的夹杂少，从而提高了矿石的介电性能.

2.2 矿石穿透深度

矿石的穿透深度是指微波穿过材料过程中，微波场的场强由于被材料吸收而逐渐衰减，当强度减弱到原场强的1/e时距离材料表面的深度.穿透深度dp可反映微波场在材料中衰减能力的强弱，也是微波加热材料时材料内部温度梯度的重要参数，其表达式如下[7]：

(1)

式中：c0为微波在真空中的传播速度， 即3.0×108m/s；f为频率.

图3显示了粒度为-0.048、-0.075+0.048、-0.150+0.075 mm的钒钛磁铁矿在微波频率为2.45 GHz时，温度对其穿透深度dp的影响.由图3可知，微波加热不同粒度的钒钛磁铁矿时，微波穿透深度均随着温度的升高而下降，在500 ℃之前，下降较为缓慢，但在500 ℃到800 ℃之间降低幅度较为明显.同时，微波加热过程中随着矿石粒度的增大，微波穿透矿石的能力逐渐提高，这是由于粒度大的矿石具有相对较低的损耗角正切tanδ.-0.048、-0.075+0.048、-0.150+0.075 mm粒级钒钛磁铁矿在20～800 ℃之间的穿透深度变化范围分别为1.51～1.28、1.56～1.35、1.60～1.42 cm.因此，微波加热钒钛磁铁矿过程中，为得到均匀加热的效果，依据微波穿透深度的变化，微波加热钒钛磁铁矿的适宜厚度为1.28～1.60 cm.矿石厚度大于1.60 cm，部分矿石由于微波穿度不够，引起矿石内部产生较大的温度梯度，不利于微波加热的均一性；矿石厚度小于1.28 cm，会降低微波对矿石的处理能力，对能效不利.

图3 不同粒度钒钛磁铁矿穿透深度随温度变化曲线Fig.3 Variation of penetration depth of different particle size VTM with sample temperature

2.3 矿石升温特性

微波加热的原理为介电加热，当材料置于微波场中时，通过施加高频交变电场，触发并加速材料中的偶极子取向极化，使邻近的分子之间通过碰撞和摩擦产生大量热能，从而实现材料均一性加热.

将不同粒度的钒钛磁铁矿放入微波工作站中加热并测量其升温曲线，结果如图4所示.由图4可知，不同粒级钒钛磁铁矿温度随微波加热时间均呈线性升高，并且升温速率随着矿石粒度的增大而下降.通过回归分析可知，粒度为-0.048、-0.075+0.048、-0.150+0.075 mm的钒钛磁铁矿在微波功率为4 kW时，前240 s内的升温速率分别为2.49、3.05、3.51 ℃/s，相关系数均大于0.98，其中-0.048 mm粒级的升温速率是-0.150+0.075 mm粒级的1.41倍.根据前文所述，由于细粒级的钒钛磁铁矿的介电常数大，高温时介电损耗率大于粗粒级矿石，也就是说,细粒级矿石在微波加热过程中贮存电磁能的能力强，并且更容易吸收和转化电磁能为热能，宏观上表现为细粒级钒钛磁铁矿的升温速率大于粗粒级.

图4 不同粒度钒钛磁铁矿升温曲线Fig.4 Temperature rising curves of different particle size VTM

3 结 论

(1)通过对粒度为-0.048、-0.075+0.048、-0.150+0.075 mm钒钛磁铁矿的介电特性分析，结果表明： 矿石的介电常数和损耗角正切随温度的升高而增大；介电特性随着粒度的减小而增强，这是由于细粒级矿石间空隙率小于粗粒级矿石所导致的.

(2)微波加热钒钛磁铁矿时，在20～800 ℃之间，穿透深度随着温度的升高而下降，且粒度越大越有利于微波对矿石的穿透，

通过穿透深度方

程计算可知，钒钛磁铁矿的最佳物料厚度为1.28～1.60 cm.

(3)不同粒度的钒钛磁铁矿，在微波场中其温度随微波加热时间均呈线性升高，在微波功率为4 kW时，-0.048 mm粒级矿石的升温速率是-0.150+0.075 mm粒级的1.41倍，这正是不同粒度矿石介电特性差异的体现.