含碳氧化锰矿粉微波加热升温特性研究

2021-11-27陆青艳许继明玉安宁梁梅花

科技与创新 2021年4期

关键词：矿粉混合物微波

陆青艳，许继明，玉安宁，梁梅花，苏静

（信大锰矿业有限责任公司大新锰矿分公司，广西崇左532315）

锰是一种非常重要的原料，在钢铁生产中的用量非常多，为90%～95%，常被用于炼钢的脱氧剂和脱硫剂。含碳锰矿粉由于本身的强度不高，导致使用受限。为有效解决这一问题，可以利用微波技术对含碳锰矿粉进行加热处理。

下面重点对含碳氧化锰矿粉微波加热升温特性展开分析探讨。

1 实验材料与方法

1.1 主要材料

本次实验中使用的原料有含软锰矿的锰矿粉、氧化锰矿粉、钙质石灰粉以及无烟煤粉等。

1.2 实验方法

先用制样机将本次实验中所有的原料全部制成粒径为0.074 mm 的物料，然后预先设定好配比对各种物料进行称重，制备成含碳氧化锰矿粉混合物料，并从其中称取1.0 kg的矿粉混合物料，装入坩埚内，放入微波冶金炉，将炉温升至预先设定好的温度。当冶金炉完全冷却之后，将物料从炉中取出。实验中的微波加热频率为2.450 GHz。

2 含碳氧化锰矿粉微波加热升温特性

2.1 关键影响因素

2.1.1 碳配比的影响

通过微波对不同碳配比的含碳氧化锰矿粉进行加热，当矿粉达到1 373 K 时，可以得到相应的电磁参数，下面据此对碳配比的影响进行分析。在碳配比提升的情况下，矿粉的介电常数、介电损耗因子均随之提升，但磁导率、磁损耗却并未发生太大的变化。之所以会产生这样的情况，主要原因为：为获得较高配碳比的混合物料，需要在配制的过程中加入大量的无烟煤，当矿粉达到1 373 K 时，由于矿粉本身的电磁性能非常好，从而会被还原成低价的锰氧化物，因此类物质的电磁性能偏低，而无烟煤本身的电磁性能较好，所以碳配比高的混合物料的电磁性能会有所提升，微波功率的消耗会随之增大，可以获得较好的微波吸收性能。

2.1.2 加热温度的影响

通过微波对含碳氧化锰矿粉进行加热，可得到1 373 K、1 473 K 和1 573 K 三个温度下的电磁参数值。由实验结果可知，在上述三个温度下，含碳氧化锰矿粉的电磁参数值存在一定的差别。当物料本身的温度不断升高时，还原物料的介电常数会随之下降，因矿粉本身为介电型损耗介质。因此，温度对其电磁性能基本不会产生影响。

2.1.3 石灰的影响

对于不掺石灰的混合物料而言，其介电常数及损耗因子全部都比掺有石灰粉的混合物料高，并且这种情况在碳配比高的情况下更为明显。而矿粉的磁导率和磁损耗却并未受到石灰的影响。尽管不掺石灰的混合物料在电磁性能方面要高于掺有石灰的混合物料，但只是介电性能的提高。因此，石灰粉的掺入会导致混合物料的电磁性能降低。对于含碳氧化锰矿粉而言，它的介电特性与锰矿物结构、辅料种类、晶格缺陷类型等有关。含碳氧化锰矿粉在微波加热还原中，锰矿物除了会发生化学反应之外，还会产生较为明显的相变，还原物料本身的介电性质则会随着矿物结构发生改变。软锰矿颗粒的形状以条片状为主，呈现为不规则结构，颗粒的大小不一，范围在100～200 nm 之间。与球状颗粒相比，条片状颗粒的比表面积更大一些，由此使得此类结构可以产生出更大的偶极矩。同时条片状颗粒在电磁场中具有更多的吸收与散射截面，从而可以对电磁波进行散射与衰减。正因如此，使得软锰矿具有更好的微波吸收性能。

2.2 升温特性

在对含碳氧化锰矿粉的升温特性进行研究时，可以从如下两个方面着手：原料混合前与原料混合后。

2.2.1 原料混合前

通过微波对单个原料进行加热，可以得到相应的升温曲线。由此可知，对微波具有较好吸收性能的原料为MnO 矿粉、无烟煤粉，这两种原料在微波就加热后能够快速升温，相比而言，MnO 矿粉的升温效果更佳；对微波吸收性能比较弱的原料为钙质石灰粉，这种原料基本上无法被微波加热，究其根本原因是该原材料中所含的主要成分为CaO（氧化钙）和SiO2（二氧化硅），这两种物质全部归属于惰性材料的范畴，对于微波而言，它们都是透明体，无法被微波加热。相关研究结果显示，纯氧化钙的升温速率为1.01 K/s，纯二氧化硅的升温速率为0.32 K/s，纯二氧化锰的升温速率为10.8 K/s，石墨的升温速率为9.98 K/s。由物相分析可知，本次实验中选用的MnO 矿粉当中含有以下物质：软锰矿、水锰矿、褐锰矿以及赤褐铁等。因MnO 矿粉的矿物成分相对比较复杂，从而使其对电磁性能产生了较大的影响，越复杂的成分中所含的杂质越多，从而会使介电损耗进一步增大，有助于提升微波的吸收性能。

MnO 矿粉在微波加热的初期阶段升温速率快速提高，并在2 min 时达到了118 K，由此说明软锰矿具有较大的介质损耗因子，对微波具有良好的吸收性能。同时，在锰矿当中，会含有一定的高价氧化物及化合水，由于水本身具有较高的介电常数，从而使其会对锰矿粉的介电性质产生影响，即增大介质的损耗，使升温过程进一步加快。不仅如此，在MnO 矿粉当中还含有大量的杂质矿物，这部分杂质会引起空位缺陷，由此可会使矿粉对微波的吸收性能得到提升。在对物料进行加热14 min 后，物料的温度达到1 134 K，此时物料的升温速率逐步下降为45 K/min。之所以会出现这种情况，主要是因为在微波辐射的过程中，软锰矿向四氧化三锰转变，与软锰矿相比，四氧化三锰对微波的吸收性能较弱，进而对升温速率造成影响。软锰矿在向四氧化三锰转变时，需要进行吸热反应，导致大量的微波能被消耗，升温速率随之降低。在15 min 以后，四氧化三锰重新向软锰矿转变，升温速率再次升高。

2.2.2 原料混合后

各种原料以一定的配比制备成混合物料，其升温特性如下：由实验结果可知，提高配碳比后，混合物料的升温速率随之提高，在不同温度下的平均升温速率分别为73.33 K/min（对应的混合物料温度为1 373 K）、46.15 K/min（对应的混合物料温度为1 473 K）、37.14 K/min（对应的混合物料温度为1 573 K）。从上述数据中可以看出，物料温度提高，升温速率下降。换言之，混合物料的升温性能随加热温度的提高而下降。究其根本原因，是受到混合物料温度升高的影响，在还原反应当中生成的金属化物量会变得越来越多，从而导致还原混合物料的电磁性能下降，升温性能随之降低。基于热力学的原理，越高的加热温度越有助于含碳氧化锰矿粉的还原，产生的还原效果越好。混合物料中钙质石灰石的加入会使升温性能呈现出略微下降的态势，降幅相对较小。在混合物料不加石灰的前提下，对其进行加热，时间为2 min，物料的升温速率能够达到29 K/min，随着物料排出吸附水，升温速率随之下降，加热时间为3 min 时，升温速率重新升高，当加热时间达到7 min 时，升温速度达到最大值，即134 K/min。之所以会出现这样的情况是因为混合物料当中的MnO 和软锰矿对微波具有良好的吸收性能，达到较快的升温速率。加热7 min 后，升温速度开始呈现出下降的趋势，这个情况与软锰矿与无烟煤发生还原反应有关，在加热9 min 时，生成四氧化三锰，因该物质对微波的吸收性能较弱，从而使得升温速率开始快速下降。加热12 min 时，四氧化三锰被逐步还原成MnO，由于MnO 在微波吸收性能方面要比四氧化三锰强一些。因此，升温速率的降速有所减缓，当加热15 min 时，MnO 被还原为金属锰及碳化物，升温速率进一步降低。