微波加热技术在攀西地区含钛物料预处理过程的研究现状

陈 晋 高 磊 郭胜惠 陈 菓，2

(1.昆明理工大学 冶金与能源工程学院，昆明 650093；2.云南民族大学 云南省高校绿色化学材料重点实验室，昆明 650500)

钛是重要的战略资源，含钛材料是航空航天、化工、医疗等领域的支撑材料，因此，钛产业的发展水平直接关系到我国的国防建设和经济发展[1-3]。我国钛铁矿中的有价金属提取和分离过程中仍存在难解决的关键共性难题，尤其是钛、钒等重要金属元素提取利用程度较低[4]。以原矿石计算，钛的回收利用率不到10%，以铁精矿计算，钒的回收利用率不到50%，并且每年都会有相当数量的固体废料被排入尾矿库，造成严重的资源和环境问题[5]，我国急需开发一种绿色高效的矿物加工和矿石处理的新技术。

微波加热是一种新颖的绿色冶炼技术，该技术通过在处理物料过程中引入非常规外场，利用物料中的介电损耗将冶金过程中需要的热能有选择性地转移到参与该反应的分子或者原子中。其特殊的能量转化模式可使材料的微观区域迅速积累能量，并且这种能量转换方式使得有可能通过利用矿物电磁性能的差别，对矿体中的目标矿物进行高温处理，避免脉石被直接加热，导致复合多相态的矿石系统中的高温不均匀性，从而造成目标矿物与脉石的交界部位产生热应力，加速目标矿物与脉石间的分离，增加目标矿物的反应区域，可加强界面化学反应以及有效提高反应扩散速率[6-8]。因此，通过微波加热技术在一定程度上可以突破常规加热需要从外到内的热传递过程，提高冶金反应过程的传质、传热和动量传输，从而实现冶金反应过程的强化，降低反应过程的能源消耗。而且，在钛铁矿源头处理过程中引入非常规外场，在一定程度上可以减弱强酸、强碱、高温、高压等极端操作条件，提高冶金效率。本文重点综述了钛铁矿的微波电磁特性以及微波加热技术在攀西地区含钛物料预处理过程中的应用情况。

1 钛铁矿的微波电磁特性

微波电磁特性是微波加热的本征参数，钛铁矿的相关微波电磁参数的获得，将有利于阐明微波功率、损耗因子、化学反应热、温度等多个因素的相互作用关系，实现定性向定量的转变，进一步揭示钛铁矿在微波加热过程中演变规律和吸收过程[9，10]。如GUO等[11]采用谐振腔微扰法研究了掺合不同比例活性炭的钛铁矿的微波波谱，并根据波谱图中频率的相对移动和电压的相对衰减关系(图1)发现：掺合30%活性炭的钛铁矿具有较大的频率移动和电压衰减，如果在微波场中进行碳热还原反应，该混合物具有很好的微波吸波性能。

图1 不同比例活性炭与钛铁矿混合物的频率的相对移动(a)和电压的相对衰减(b)[11]图1 The relative shift of frequency (a) and the relative attenuation of voltage (b) in the microwave field of the mixture of activated carbon and ilmenite with different ratios[11]

针对攀枝花地区钒钛磁铁矿具有钒、铬含量高、结构复杂、致密、难以利用的特点，LI等[12]采用微波电磁特性高温测试系统，获得了钒钛磁铁矿含钒尾渣从室温到800 ℃的介电常数、介电损耗因子、损耗正切系数(图2)，并检测了钒钛磁铁矿含钒尾渣在不同微波功率下的微波吸收行为(图3)。基于所获得的指标数据和实验结果可知，采用微波加热代替传统方法对钒钛磁铁矿进行预处理，可以破坏钒钛磁铁矿中致密结构，从而进一步提高钒和铬的提取率。

图2 钒钛磁铁矿含钒尾渣在微波频率为2 450 MHz下的微波电磁特性：(a)介电常数(εr′)；(b)介电损耗因子(εr″)；(c)损耗正切系数(tanδ)[12]Fig.2 Microwave electromagnetic characteristics of vanadium titanomagnetite at microwave frequency 2 450 MHz(a)dielectric constant(εr′)；(b)dielectric dissipation factor(εr″)；(c)loss tangent coefficient(tanδ)[12]

钛铁矿及其混合物料的微波电磁特性的获得，可以定量描述其在微波场中的升温特性，进一步掌握在微波加热过程中的反应特性[13，14]。

2 微波技术预处理攀西地区含钛物料的应用现状

与传统加热方式相比，微波加热具有加热快速、选择性强、分布均匀、效率高、开关快速、灵活等优点，在钛铁矿选矿和处理中的应用近年来引起了冶金行业的高度关注，已被广泛应用于各种钛铁矿选矿和钛冶金提取过程，如微波辅助磨矿、微波辅助碳热还原和浸出、微波干燥、微波辅助焙烧和精矿冶炼[15]。本文重点总结了微波深度干燥钛精矿和微波技术辅助加工处理钒钛磁铁矿的相关研究。

2.1 微波深度干燥钛精矿

现代的干燥技术不但要去除原料中的水分，还要得到优质的成品，更要注意保护环境以及降低能耗[16，17]。微波加热干燥较常规加热干燥的优势在于，微波加热干燥可改变某些迁移势和迁移势梯度方向。采用微波干燥时，其传热、传质模型与常规干燥不同[18]，如图4所示。基于微波场中特有的传热、传质方式，可以获得微波干燥过程中物料内部的热量迁移特性和水分迁移规律，从而强化了冶金、化工物料微波干燥过程的理论延伸和技术发展，进一步提高能源利用效率，达到节能降耗的目的[19]。

LI等[18]研究了微波功率及物料量对钛精矿微波干燥过程的含水率、脱水速率、水分比等干燥特性的影响规律，结果如图5所示。从图5可以看出，微波功率密度对含水率和干燥速率的影响较大，干燥过程更符合Henderson-Pabis指数模型。

昆明理工大学非常规冶金教育部重点实验室针对攀枝花地区浮选钛精矿浮选药剂高温易挥发、分解造成的环境污染问题，建立了年处理钛精矿10万t、单机装机容量1 980 kW、长度110 m的微波低温清洁干燥生产线，如图6所示。

图6 浮选钛精矿微波低温清洁干燥生产线图6 Industrial line of microwave low temperature clean drying of flotation titanium concentrate

2.2 微波辅助加工处理钒钛磁铁矿

由于构成矿石的多种矿物质在微波作用下的特性各异(极性大的吸波能力强)，因而在微波场中的升温速度出现差别，呈现出微波的选择性加热，产生了较强的热应力，导致矿物间的交界出现裂纹。裂纹的出现有利于提高有用矿物的单体分解，增大有用矿物的活性反应区域，进而提高矿石的破碎能力[20]。

我们发现透辉石、钛角闪石、二氧化硅、镁橄榄石等物相已经出现在微波加热后的攀枝花钒钛磁铁矿中(图7)[21]。打开攀枝花钒钛磁铁矿中的包裹体，使杂质矿物暴露出来，有利于还原剂与钛铁矿最大限度地接触。

图7 微波处理前(a)和微波处理后(b)的钒钛磁铁矿的XRD图谱[21]Fig.7 XRD patterns of vanadium-titanium magnetite before(a)and after(b)microwave treatment[21]

郑孝英等[22]发现攀枝花钒钛磁铁矿中(图8a)的脉石在微波加热过程中不吸收微波能，但是攀枝花钒钛磁铁矿中有用矿物吸收微波能两者间产生热应力，这种热应力使矿物颗粒沿边缘产生裂缝，结果使矿物更容易磨碎，如图8b所示。采用不同功率的微波对该钒钛磁铁矿进行加热和磨矿处理，并通过磁选回收磁铁矿发现，微波加热对矿石的选择性磨矿起到了强化作用，可提高矿物解离效率，提高磁铁矿的回收率(如图8c)。

图8 微波处理前后钒钛磁铁矿的SEM图像和微波处理后的磁选回收率[22]Fig.8 SEM images and magnetic separation recovery of vanadium-titanomagnetite before and after microwave treatment[22]

CHEN等[23]采用磨矿前先对钒钛磁铁矿进行微波辅助处理，之后再进行磨矿时发现，在微波处理过程中，随着微波处理时间的延长，钒钛磁铁矿的平均粒径(d50)可从约54.75 μm逐渐减小到16.76 μm，钒钛磁铁矿中有用矿物和脉石之间产生裂纹，包裹体被打开，这有利于提高后续的磨矿效率。

从以上结果可知，利用微波加热可在钒钛磁铁矿矿物内部进行快速的原位转化，造成复杂组元间显著的温度梯度，引起应力解离，为钛铁矿的后续选冶工艺创造良好条件。因此，采用微波对含钛物料进行处理，获得颗粒的裂解方式和解离结果的变化趋势，有助于拓展对复杂含钛物料处理技术的开发和应用。

3 结论与展望

我国钛等重要金属元素的提取利用是当前低品位含钛物料高效利用技术发展的重大难题。微波加热技术在一定程度上可以突破常规加热需要从外到内的热传递过程局限，提高冶金反应过程的传质、传热和动量传输，从而实现冶金反应过程强化，降低反应过程的能源消耗。将微波加热技术应用到攀西地区复杂含钛物料的预处理过程中，可获得钒钛磁铁矿、钛铁矿、钛精矿的微波电磁特性以及在微波作用下的深度干燥技术以及辅助磨碎技术，并通过对微波外场作用下材料物理和化学特性的分析，探讨其在外场作用下特定的反应规律和传质特性，拓展非常规的冶金新技术与新工艺。特殊场冶金新技术对于丰富冶金物理化学的理论、改造和革新传统工艺，具有重要的科学意义和广阔的工业应用前景。