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(shí)與微波場內(nèi)熱源強(qiáng)度P的關(guān)系，測試結(jié)果為:焦炭和鈦精礦最佳配比為10%。同時(shí)還進(jìn)行了微波加熱還原鈦精礦制備富鈦料的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明:在碳質(zhì)還原劑采用焦炭，含量為10%；以硅酸鈉為粘結(jié)劑，用量為4%；添加劑為A，用量為5%；還原溫度為1150℃；還原時(shí)間為1.5h的條件下，金屬化球團(tuán)還原產(chǎn)品的Ti02品位為48. 85%，初級富鈦料品位達(dá)70.57%。
關(guān)鍵詞：越南鈦精礦；微波加熱還原；吸波特性；新工藝

  世紀(jì)之交，有關(guān)常規(guī)加熱鈦精礦還原試驗(yàn)研究的報(bào)道較多，但較為成熟的電爐熔煉法生產(chǎn)鈦渣的工藝流程僅適合水煤豐富的地區(qū)。微波是一種快速、清潔的加熱方式，在冶金中的應(yīng)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(yè)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行了分析，認(rèn)為微波加熱法可比傳統(tǒng)加熱法的成本降低15%一50%。但為了開發(fā)微波冶金加熱技術(shù)，還應(yīng)該加強(qiáng)對微波場內(nèi)材料介電性能的基礎(chǔ)研究。因此，本文結(jié)合微波加熱還原鐵精礦制備富鈦料新工藝試驗(yàn)，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(shí)與微波場內(nèi)熱源強(qiáng)度P的關(guān)系。

1實(shí)驗(yàn)及測試原理
1.1實(shí)驗(yàn)原料
  實(shí)驗(yàn)采用的原料鈦精礦來自越南某地區(qū)，其主要化學(xué)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(jù)微波理論，將一定頻率范圍內(nèi)的微波，饋人微波諧振型傳感器，從傳感器內(nèi)得到微波與物質(zhì)相互作用的相關(guān)參數(shù)。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(shí)諧振傳感器的諧振角頻率；εr'為樣品相對復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部；εr"為樣品相對復(fù)介電常數(shù)的虛部；εo為真空中的復(fù)介電常數(shù)；Eo*和Ho*分別為微擾前諧振傳感器內(nèi)電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的復(fù)共軛；E為諧振傳感器內(nèi)樣品的場強(qiáng)；Do和Bo分別為微擾前電位移和磁感應(yīng)強(qiáng)度的復(fù)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(yīng)強(qiáng)度的增加值；Ve為諧振傳感器內(nèi)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(zhì)的吸波特性。
1.3測試樣品準(zhǔn)備
  原料鈦精礦經(jīng)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(jīng)干式磨樣機(jī)混勻2min,混合后樣品于烘箱150℃干燥2h,取2g的樣品進(jìn)入微波傳感器腔體進(jìn)行吸波特性的測試。

2試驗(yàn)結(jié)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(dá)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(chǔ)。
2. 2焦炭和越南鈦精礦配碳量的確定
  試驗(yàn)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(jì)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(jié)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(shí)，混合物的吸波能力正比于其介電常數(shù)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(diǎn)的配入比為焦炭含量10%；從衰減值分析其最大值點(diǎn)也為10%。因此，焦炭和越南鈦精礦最佳配比為10%。
  同時(shí)由微波場內(nèi)熱源強(qiáng)度公式:P=εωE2Vtgδ可知，當(dāng)式中的ε值成為變數(shù)，并存在ε10＞ε15＞ε0＞ε20＞ε18＞ε14＞ε5時(shí)，可以得出P10為所測值中的最大值，即在ω、E、V和tgδ相同時(shí)，10%配碳量的情況下，微波能量利用率是最高的。
2. 3粘結(jié)劑用量對球團(tuán)強(qiáng)度的影響
  試驗(yàn)研究了粘結(jié)劑硅酸鈉對還原球團(tuán)強(qiáng)度的影響。球團(tuán)在恒溫干燥箱內(nèi)于150℃烘干30min之后進(jìn)行測定，生球強(qiáng)度測定方法是隨機(jī)取10個(gè)球團(tuán)，從0.5m高處落在鋼板上，記錄其破碎前最大次數(shù)，然后取10個(gè)生球落下次數(shù)的平均值。粘結(jié)劑A用量與球團(tuán)強(qiáng)度的關(guān)系如圖3所示。

  從圖3可以看到，球團(tuán)強(qiáng)度隨著粘結(jié)劑硅酸鈉用量增多，其強(qiáng)度愈來愈高。當(dāng)硅酸鈉用量為4%時(shí)，其強(qiáng)度為15次，已達(dá)到微波還原工藝對球團(tuán)強(qiáng)度的要求，因此粘結(jié)劑硅酸鈉用量取為4%。
2.4內(nèi)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(shí)間為1.5h等條件，考查內(nèi)配碳對還原產(chǎn)品TiO2品位的影響，其結(jié)果見圖4。

  從圖4可以看到，當(dāng)內(nèi)配碳量含量為10%時(shí)，TiO2品位已達(dá)到48.85%。在含碳量為10%時(shí)，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(shí)間1.5h，內(nèi)配碳為10%等條件，考查還原溫度對產(chǎn)品TiO2品位的影響，其結(jié)果見圖5。

  從圖5可知，還原溫度由1100℃提高到1150℃、還原產(chǎn)品TiO2的品位顯著提高。繼續(xù)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(shí)己經(jīng)有金屬鐵產(chǎn)生，金屬鐵在微波場內(nèi)會引起局部放電與電弧而產(chǎn)生高溫，四價(jià)鈦會分解成低價(jià)鐵，因此，二氧化鈦品位提高不大。
2. 6還原時(shí)間對二氧化鈦品位的影晌
  固定復(fù)合添加劑用量為5%，還原溫度為1150℃，內(nèi)配碳為10%，考查還原時(shí)間對產(chǎn)品TiO2品位的影響，其結(jié)果見圖6。

  從圖6可以看到:當(dāng)還原時(shí)間為1.5h,TiO2品位已達(dá)到48.85% 延長還原時(shí)間，有利于促進(jìn)鐵晶粒長大和增強(qiáng)Fe/Ti分離效果;但局部高溫效應(yīng)就越明顯，四價(jià)鐵會分解成低價(jià)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(shí)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(yīng)溫度為l150℃，反應(yīng)時(shí)間1.5h，內(nèi)配碳為10%，考查添加劑用量對產(chǎn)品TiO2品位的影響，其結(jié)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(dāng)添加劑用量從5%提高到7%時(shí)，TiO2品位提高幅度不大。考慮添加劑的成本及Ti/Fe分離效果，復(fù)合添加劑用量選擇為5%。
2. 8初級富鈦料制備
  還原產(chǎn)品經(jīng)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(jié)論
1.越南鈦精礦和焦炭都具有良好吸波特性;粘結(jié)劑硅酸鈉用量為4%時(shí)，球團(tuán)強(qiáng)度能滿足微波還原工藝的要求，同時(shí)粘結(jié)劑硅酸鈉能促進(jìn)還原反應(yīng)。
2.從微波場內(nèi)熱源強(qiáng)度角度來衡量，焦炭和越南鈦精礦最佳配比為10%，此時(shí)由微波場內(nèi)熱源強(qiáng)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(shí)，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(yōu)化條件為:內(nèi)配碳含量10%.反應(yīng)溫度1150℃，反應(yīng)時(shí)間1.5h，添加劑用量5%，在此條件下，還原產(chǎn)品TiO2品位為48.85%，初級富鈦料品位為70.57%
4.當(dāng)內(nèi)配碳含量為10%時(shí)，還原后產(chǎn)品TiO2品位為最大值，該試驗(yàn)結(jié)果與吸波特性測試結(jié)果相吻合。