5微波炼钢(终)

1、微波加热微波加热-电炉直接炼钢新工芝探讨电炉直接炼钢新工芝探讨陈津陈津1，刘浏，刘浏1，曾加庆，曾加庆1，任瑞刚，任瑞刚2，刘经营，刘经营3(1.钢铁研究总院，北京钢铁研究总院，北京; 2.宜化钢铁公司，河北张家口宜化钢铁公司，河北张家口;3.信息产业部电子第十二研究所，北京）信息产业部电子第十二研究所，北京）1 前前言言 微波加热主要取决于冶金物料自身的电磁物理特性，微波加热主要取决于冶金物料自身的电磁物理特性，即电介质性能和磁介质性能。微波冶金的原理就是利用即电介质性能和磁介质性能。微波冶金的原理就是利用冶金物料在微波电磁场中的电场损耗和磁场损耗使其整冶金物料在微波电磁场中的电场损耗和磁场

2、损耗使其整体加热至特定温度而实现冶金反应，达到分离和提取金体加热至特定温度而实现冶金反应，达到分离和提取金属的目的。属的目的。 理论和试验证明，依靠介电性质，微波可以快速均理论和试验证明，依靠介电性质，微波可以快速均匀地加热含碳铁矿粉，进行自还原。微波不仅能够直接匀地加热含碳铁矿粉，进行自还原。微波不仅能够直接加热含碳铁矿粉，缩短还原所需要的时间，还可以消除加热含碳铁矿粉，缩短还原所需要的时间，还可以消除炼焦和造块工艺，减少环境污染，最大限度地提高资源炼焦和造块工艺，减少环境污染，最大限度地提高资源利用率和生产效率。利用率和生产效率。 电力属二次能源，商品价格比煤要高，但水电和自电力属二次能源

3、，商品价格比煤要高，但水电和自备发电厂的发展会使冶金电耗成本降低备发电厂的发展会使冶金电耗成本降低50%左右左右(1 kg标煤按标煤按40%的发电率可发电的发电率可发电3.25 kWh,1 kg标煤为标煤为0.25元，元，3.25 kW h电为电为0.975元元)。把电能转化为微波。把电能转化为微波能加热还原含碳铁矿粉，不需要制气和造块工艺，可以能加热还原含碳铁矿粉，不需要制气和造块工艺，可以直接使用矿粉和煤粉。微波加热对原料有广泛的适应性，直接使用矿粉和煤粉。微波加热对原料有广泛的适应性，从钢铁冶金短流程、资源综合利用率和环境保护的从钢铁冶金短流程、资源综合利用率和环境保护的角度考虑，利应该

4、大于弊。角度考虑，利应该大于弊。 微波加热技术的产生，使得微波冶金有可能成为未微波加热技术的产生，使得微波冶金有可能成为未来冶金工业原料处理的重要手段之一。微波频段范围为来冶金工业原料处理的重要手段之一。微波频段范围为0.3 300 GHz，在微波冶金炉中，目前只允许使用，在微波冶金炉中，目前只允许使用2.450 GHz和和0.915 GHz两个频率。两个频率。微波加热与传统加热相比有很大的本质区别微波加热与传统加热相比有很大的本质区别: 传统加热主要是依靠热源通过热幅射、热传导、热对传统加热主要是依靠热源通过热幅射、热传导、热对流三种热量传输方式，首先使冶金物料的表面变热，然流三种热量传输方

5、式，首先使冶金物料的表面变热，然后再通过物料内部的热传导，使物料温度由表及里地逐后再通过物料内部的热传导，使物料温度由表及里地逐渐升高。尤其在加热粉状物料过程中，由于粉状物料比渐升高。尤其在加热粉状物料过程中，由于粉状物料比较松散、孔隙度大，热量在物料内部难以进行有效的热较松散、孔隙度大，热量在物料内部难以进行有效的热传导，使得粉状物料内部的冶金反应无法顺利进行。传导，使得粉状物料内部的冶金反应无法顺利进行。 采用微波加热，由于微波能够容易地穿透一定厚度的采用微波加热，由于微波能够容易地穿透一定厚度的粉状物料，通过物料自身可极化粒子粉状物料，通过物料自身可极化粒子(如分子、离子、原如分子、离子

6、、原子等子等)随微波电磁场快速的转向、相随微波电磁场快速的转向、相 互摩擦耗散微波能互摩擦耗散微波能产生热量加热物料。因此，微波加热具有体积加热的特产生热量加热物料。因此，微波加热具有体积加热的特点，并具有分子搅拌作用，可以加热粉状物料，加热迅点，并具有分子搅拌作用，可以加热粉状物料，加热迅速均匀，无环境污染。速均匀，无环境污染。2 微波加热还原法工艺参数微波加热还原法工艺参数微波加热还原反应器利用系数，定义为每微波加热还原反应器利用系数，定义为每m3有有效容积效容积24 h生产还原铁的产量计算公式如下生产还原铁的产量计算公式如下（）（）式中式中:为有效容积利用系数为有效容积利用系数t/(m3

7、d); 为含碳铁矿为含碳铁矿粉在微波加热还原反应器中停留的时间，粉在微波加热还原反应器中停留的时间，h; 为物料为物料在反应器中的充填体积比在反应器中的充填体积比（%）;Fe为含碳铁矿粉单位为含碳铁矿粉单位体积中的含铁量，体积中的含铁量，t/m3; Fe为还原铁中的含铁量为还原铁中的含铁量（%）。）。取计算参数取计算参数:0.3h,=80%,Feb=0.26 t/m3,Fep60%,按上式计算，微波加热还原反应器的有效容积利按上式计算，微波加热还原反应器的有效容积利用系数为用系数为27.7 t/(m3d)左右。左右。24bvpFeFev单位容积出铁率，是指在微波加热还原反应器中，单位容积出铁率

8、，是指在微波加热还原反应器中，每每容积每容积每24h产出还原铁中的金属铁量产出还原铁中的金属铁量（）（）式中式中:为单位容积出铁率，为单位容积出铁率，t/(d);为有效容积为有效容积利用系数利用系数.t/ (d);为产品金属化率为产品金属化率，。取计算参数取计算参数:=90%, 27.7 t/(d)，按式，按式(2)计算，微波加热还原反应器的单位容积出铁率计算，微波加热还原反应器的单位容积出铁率为为24.93 t/ (d)。物料还原度，即为物料在还原过程中总的失氧率，物料还原度，即为物料在还原过程中总的失氧率，按物料全部铁结合成按物料全部铁结合成Fe2O时的氧化度为时的氧化度为100%计算计算

9、（）（）式中式中:R为物料的还原度为物料的还原度，%; TFe为全铁含量为全铁含量,%; 为为三价铁含量三价铁含量,%;为为二价铁含量二价铁含量,。3mVeVMVe3mV3mMMV3mVe3m321.5111.5FeFeRTFe氧化度3Fe2Fe物料金属化率按物料中金属铁量与全部铁量之物料金属化率按物料中金属铁量与全部铁量之比计算：比计算：（）（）式中式中:M为物料的金属化率，为物料的金属化率，%;TFe为物料中的全铁含为物料中的全铁含量量%;为物料中的金属铁含量，为物料中的金属铁含量，%。微波加热温度数学模型。微波加热还原含碳铁矿粉，微波加热温度数学模型。微波加热还原含碳铁矿粉，物料中电场耗

10、散的功率即为物料所吸收的能量，物料温物料中电场耗散的功率即为物料所吸收的能量，物料温度随加热时间的增加而提高。由于含碳铁矿粉升温速率度随加热时间的增加而提高。由于含碳铁矿粉升温速率很快，在不考虑热扩散的条件下，物料温度与微波加热很快，在不考虑热扩散的条件下，物料温度与微波加热时间的关系可用下式表示时间的关系可用下式表示：（）（）式中式中: T为物料温度为物料温度.；为物料等压热容为物料等压热容.J/(g);0100%FeMTFe0Fe00()00(0)BPpTettC 为样品的装填密度，为样品的装填密度，g/cm3 ; 为比例因子，为比例因子，J/cm3 ，物理意义为单位体积介质所能转化的能量

11、物理意义为单位体积介质所能转化的能量; 为介质升为介质升温势垒，温势垒，J;P为微波输为微波输入入功率，功率，W; 为加热时间为加热时间,min; 为拐点时间，为拐点时间，min微波加热功率一定时，物料升温速率与物料质量微波加热功率一定时，物料升温速率与物料质量有关，根据试验结果，得出微波加热物料温度数学模型有关，根据试验结果，得出微波加热物料温度数学模型（）（）式中式中:m为物料质量因子，为物料质量因子，kg/kg.物料温度随微波功率和加热时间的增加而提高，物料温度随微波功率和加热时间的增加而提高，随物料比热、装填密度和物料质量的增加而降低。取含随物料比热、装填密度和物料质量的增加而降低。取

12、含碳铁矿粉物性参数碳铁矿粉物性参数:以以m=1为例，为例，记记算出的物料温度与试验值基本吻合，见图算出的物料温度与试验值基本吻合，见图1。在物料。在物料00B000()001(0)1BPpTettCm30.95 /( .),0.72/oPCJg Cg cm30001230/,34730 ,0 minJcmBJ t的质量、成分和热容一定的条件下，微波加热功率对物的质量、成分和热容一定的条件下，微波加热功率对物料加热具有主要作用料加热具有主要作用;而物料密度对物料温度的影响较小，而物料密度对物料温度的影响较小，见图见图2 在相同的试验条件下，粉状物料的温度在相同的试验条件下，粉状物料的温度1161

13、比球团的温度比球团的温度1 151 要高一些，但两者相差不大要高一些，但两者相差不大3 微波加热还原过程能耗微波加热还原过程能耗微波加热能耗包括物理加热能耗、化学反应能耗微波加热能耗包括物理加热能耗、化学反应能耗和热损失，根据能量守恒原理，用温度和热损失，根据能量守恒原理，用温度T表示的能量方表示的能量方程为程为（）（）式中式中:为单位体积物料耗散的微波功率，为单位体积物料耗散的微波功率，J/(s);T为绝对温度，为绝对温度，K;为时间，为时间，s;为密度，为密度，kg/; C为比为比热容，热容，J/(kg.K);e为物料的热辐射系数为物料的热辐射系数(无量纲无量纲); 为为斯蒂芬波尔兹曼斯蒂

14、芬波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)常数常数(5.675x w/( );Aa为物料表面积，为物料表面积， ; V为物料体积，为物料体积， ;Kt为为导热系数导热系数J/(m.s.K); ni为物料中组元为物料中组元i的摩尔数的摩尔数,mol;dP3m3m081024m K2m3m400,1( , , , )( , , , )1),aPdmaitiT iiAT x y zCPeTVAdFT x y zKnHVxVd 为反应为反应i的热效应，的热效应，J/mol,Fi为反应为反应i的转化率，的转化率，0,T iH1s 微波加热还原含碳铁矿粉，设微波能全部转化为微波加热还原含碳铁矿粉，设微

15、波能全部转化为物料热能，且不考虑热损失，则有物料热能，且不考虑热损失，则有0,1( , , , )()miPdiT iidFT x y zCPnHd (8) 根据物料微波加热积累的热量、加热时间和物料根据物料微波加热积累的热量、加热时间和物料质量的关系，可以得出微波加热能耗关系式质量的关系，可以得出微波加热能耗关系式 (9)式中式中:W为微波加热为微波加热1t含碳铁矿粉的电能消耗含碳铁矿粉的电能消耗, kW . h/t;P为微波加热功率为微波加热功率,kW; 为物料加热时间为物料加热时间,h;m0为物料为物料质量质量,t. 表表1是用不同微波功率是用不同微波功率(频率频率2.45 GHz)加热

16、加热1 kg含碳铁矿粉物料温度的试验结果和计算结果。两者之含碳铁矿粉物料温度的试验结果和计算结果。两者之间的温度差，是由于实际加热还原时微波加热反应器间的温度差，是由于实际加热还原时微波加热反应器的自耗和保温不好造成的，这部分能量损失是可以通的自耗和保温不好造成的，这部分能量损失是可以通过微波反应器设计消除。过微波反应器设计消除。 0/WPm根据微波加热能耗关系式，可以得出不同微波功根据微波加热能耗关系式，可以得出不同微波功 率下每率下每吨含碳铁矿粉的加热还原电耗，见图吨含碳铁矿粉的加热还原电耗，见图3。从试验可知，。从试验可知，微波加热还原微波加热还原1t含碳铁矿粉，电耗均为含碳铁矿粉，电耗

17、均为1 666kW.h。分。分析电耗高的原因，是由于微波加热反应器没有良好的保析电耗高的原因，是由于微波加热反应器没有良好的保温系统，物料在大气下加热，热损失太大造成的。温系统，物料在大气下加热，热损失太大造成的。 含碳铁矿粉微波加热还原可以在一个封闭体系中含碳铁矿粉微波加热还原可以在一个封闭体系中进行，在还原过程中煤粉仅作为还原剂，不作为燃料提进行，在还原过程中煤粉仅作为还原剂，不作为燃料提供热量。微波体加热为物料的热量传输提供了有利的供热量。微波体加热为物料的热量传输提供了有利的条件，含碳铁矿粉自还原反应过程如下条件，含碳铁矿粉自还原反应过程如下: (10) (11) (12) 含碳铁矿粉

18、自还原反应由直接还原、间接还原以及含碳铁矿粉自还原反应由直接还原、间接还原以及碳气化反应所组成。反应开始时，碳气化反应所组成。反应开始时，CO是由铁矿粉与煤是由铁矿粉与煤粉粉之间发生的固之间发生的固-固相直接还原反应产生的。随着反应的进固相直接还原反应产生的。随着反应的进行，煤粉和铁矿粉不再紧密接触，由碳气化反应维持着行，煤粉和铁矿粉不再紧密接触，由碳气化反应维持着自还原反应的进行。自还原反应的进行。34( )( )( )( )( )2( )25424ssssggFe OCFeFeOCOCO298869.04()810220868.01ooHkJGTJ吸热当碳氧摩尔比接近于当碳氧摩尔比接近于1

19、时，温度对提时，温度对提高高含碳铁矿粉的自含碳铁矿粉的自还原反应速度是十分明显的还原反应速度是十分明显的。在大气条件下，微波加在大气条件下，微波加热还原含碳铁矿粉，这种关系也十分明显，温度热还原含碳铁矿粉，这种关系也十分明显，温度856时，金属化率为时，金属化率为0.49%;温度温度964时金属化率为时金属化率为25.31 % ; 温度温度1 235时时 ，金属化率为，金属化率为61.14%,见图见图4。微。微波加热还原含碳铁矿粉不受物料物理性质的制约，能波加热还原含碳铁矿粉不受物料物理性质的制约，能有效地提高含碳铁矿粉的金属化率。有效地提高含碳铁矿粉的金属化率。 从试验得知，微波功率从试验得

20、知，微波功率15 kW加热含碳铁矿粉加热含碳铁矿粉1kg，6.5 min后物料温度为后物料温度为1 002 ，金属化率为，金属化率为500%,每吨含碳铁矿粉电能消耗为每吨含碳铁矿粉电能消耗为1 625 kW .h，每吨含碳铁，每吨含碳铁矿粉折合标准煤矿粉折合标准煤500 kg.4 微波加热微波加热-电炉直接炼钢新工艺流程电炉直接炼钢新工艺流程 根据微波体加热特点和含碳铁矿粉自还原特性，可根据微波体加热特点和含碳铁矿粉自还原特性，可以设计一种微波加热含碳铁矿粉填充移动床，利用煤粉以设计一种微波加热含碳铁矿粉填充移动床，利用煤粉(C)和铁矿粉和铁矿粉(Fe3O4)对微波吸收能力强的特点，用微波对微

21、波吸收能力强的特点，用微波加热的方式补偿加热的方式补偿C还原还原Fe3O4所需热量，进行加热还原所需热量，进行加热还原反应，使物料的金属化率达到反应，使物料的金属化率达到90%95%。还原产生的。还原产生的CO气体可对原料进行预还原，并且利用还原尾气的余气体可对原料进行预还原，并且利用还原尾气的余热对原料预热，以提高电能的利用率。还原出的还原铁热对原料预热，以提高电能的利用率。还原出的还原铁可以直接进可以直接进入入电炉进行冶炼，最终产品为合格的钢水电炉进行冶炼，最终产品为合格的钢水，见图见图5。每吨还原铁能耗为。每吨还原铁能耗为:标准煤耗标准煤耗540 kg(碳耗为碳耗为266)，电耗为，电耗

22、为1 438 kW h，见图，见图6 表表2为微波加热还原为微波加热还原电炉直接炼钢工艺电炉直接炼钢工艺(MWR-EF)能能耗与有关工艺能耗对比，从总能耗分析，耗与有关工艺能耗对比，从总能耗分析，MWR-EF工艺工艺能耗比较合理。能耗比较合理。 微波能是一种清微波能是一种清洁洁能源，其优点是可以实现对粉状能源，其优点是可以实现对粉状物料的快速选择性体加热，避免热传导和热对流带来的物料的快速选择性体加热，避免热传导和热对流带来的传热不均匀现象。利用煤粉和铁矿粉传热不均匀现象。利用煤粉和铁矿粉(Fe3O4或或Fe2O3)对对微波吸收能力强的特点微波吸收能力强的特点 ， 采用微波加热补偿碳还原采用微

23、波加热补偿碳还原Fe30所需热量，进行自还原。还原产生的所需热量，进行自还原。还原产生的CO气体可对气体可对粉料进行预热预还原，提高能量利用率。粉料进行预热预还原，提高能量利用率。 这一方法这一方法生生产还原铁料具有以下优点产还原铁料具有以下优点： (1) 自还原反应速度快自还原反应速度快(反应时间反应时间12 min）; (2) 可以降低自还原反应温度可以降低自还原反应温度(约约200 ); (3) 可直接使用粉矿可直接使用粉矿; (4) 实现清洁生产。实现清洁生产。oC 随着人们对微波能应用领域的拓宽，微波冶金技随着人们对微波能应用领域的拓宽，微波冶金技术得到快速发展。因此，在微波冶金中如

24、何选择合适术得到快速发展。因此，在微波冶金中如何选择合适的耐火材料就显得尤为重要。由于微波加热的特殊性，的耐火材料就显得尤为重要。由于微波加热的特殊性，在微波冶金中使用的耐火材料也就具有特殊性。微波在微波冶金中使用的耐火材料也就具有特殊性。微波冶金耐火材料不但要具备普通耐火材料所具有的基本冶金耐火材料不但要具备普通耐火材料所具有的基本理化性质外，还应当具备特定的电磁性能。目前，微理化性质外，还应当具备特定的电磁性能。目前，微波冶金耐火材料的研究还是一项空白，研究微波耐火波冶金耐火材料的研究还是一项空白，研究微波耐火材料的使用特点及其分类、评价指标，就成为微波冶材料的使用特点及其分类、评价指标，

25、就成为微波冶金工程学研究的重要内容之一。金工程学研究的重要内容之一。5. 微波冶金耐火材料微波冶金耐火材料5.1 微波与物料相互作用关系微波与物料相互作用关系 微波向外发射能量的过程称为微波电磁辐射，由于微波向外发射能量的过程称为微波电磁辐射，由于微波频段发出的微波辐射与初始进微波频段发出的微波辐射与初始进入入物料的温度基本一物料的温度基本一致，故可称为冷辐射致，故可称为冷辐射(微波辐射微波辐射); 而热辐射则决定于供而热辐射则决定于供热物体的温度热物体的温度(或热运动或热运动)，当它辐射到被加热物体上时，当它辐射到被加热物体上时，由于相互存在着温度差，才被物体吸收转变为内能，使由于相互存在着

26、温度差，才被物体吸收转变为内能，使其温度升高。从能量传输的本质的分析，冷辐射与热辐其温度升高。从能量传输的本质的分析，冷辐射与热辐射有相同的一面，它们同属于非接触式的电磁波辐射加射有相同的一面，它们同属于非接触式的电磁波辐射加热范畴热范畴;所不同的是辐射的波长和耗散吸收的机理不同。所不同的是辐射的波长和耗散吸收的机理不同。热辐射的波长短热辐射的波长短(在在0.1100 M之间之间)，其辐射强度与，其辐射强度与温度有关，热辐射的吸收与被加热物料的表面温度和内温度有关，热辐射的吸收与被加热物料的表面温度和内部的温度梯度有关，因此热辐射属于面加热方式部的温度梯度有关，因此热辐射属于面加热方式;而微而

27、微波加热使用的微波波长相对较长波加热使用的微波波长相对较长(为为122 mm和和327 mm),在一定的物料厚度物料范围内，吸收微波辐射的优劣与在一定的物料厚度物料范围内，吸收微波辐射的优劣与被加热物料的电磁性能有关，加热过程中物料内外没有被加热物料的电磁性能有关，加热过程中物料内外没有明显的温度梯度，因此微波加热属于体加热方式。类比明显的温度梯度，因此微波加热属于体加热方式。类比热辐射的传递理论，微波辐射物料时也会产生三种情热辐射的传递理论，微波辐射物料时也会产生三种情况况:吸收、反射，透射吸收、反射，透射(图图7)。设微波加热腔体中总微。设微波加热腔体中总微波辐射能为波辐射能为Q，物料吸收

28、的微波辐射能为，物料吸收的微波辐射能为QA，反射的，反射的微微波辐射能为波辐射能为QR，透过的微波辐射能为，透过的微波辐射能为QD，其微波辐射，其微波辐射能量平衡关系有能量平衡关系有 (13)式中式中: QA/Q为物料对微波的吸收率，用为物料对微波的吸收率，用A表示表示;QR/Q为为 物料对微波的反射率，用物料对微波的反射率，用R表示表示;QD/Q为物料对微波透为物料对微波透过率，用过率，用D表示。表示。图图7 冶金物料与微波能作用关系示意图冶金物料与微波能作用关系示意图 定义物料对微波的吸收率定义物料对微波的吸收率A=1时时(R=D=0)，微波完，微波完全被物料自身吸收，微波既无反射，也不透

29、过，这种物全被物料自身吸收，微波既无反射，也不透过，这种物料称为微波黑体料称为微波黑体; 物料对微波的反射率物料对微波的反射率R=1时时(A=D=O)，微波完全被物料反射出去，既无吸收，也不透过，这种微波完全被物料反射出去，既无吸收，也不透过，这种物料称为微波白体物料称为微波白体;若物料对微波透过率若物料对微波透过率D=1 (A=R=0)，微波完全被物体全部透过，既不吸收，也不反射，这种微波完全被物体全部透过，既不吸收，也不反射，这种物料称为微波透明体。自然界不存在绝对的微波黑体、物料称为微波透明体。自然界不存在绝对的微波黑体、微波白体或微波透过体，对冶金物料来说，大部分为微微波白体或微波透过

30、体，对冶金物料来说，大部分为微波灰体，与微波的作用关系为波灰体，与微波的作用关系为A+R+D=1。 实际上，物料与微波的作用有三种机理类型实际上，物料与微波的作用有三种机理类型:即电即电介质型、磁介质型和电阻型。由于耐火材料亦可由非金介质型、磁介质型和电阻型。由于耐火材料亦可由非金属氧化物属氧化物(Si02)、金属氧化物、金属氧化物(Al203)及单质及单质(C)组成，所组成，所以微波冶金耐火材料与微波的作用机理类型也可分为电以微波冶金耐火材料与微波的作用机理类型也可分为电介质型介质型、磁介质型和电阻型磁介质型和电阻型，但一般以电介质型为主。但一般以电介质型为主。冶金物料冶金物料 模型模型与微

31、波作用方式及微波加热性能与微波作用方式及微波加热性能微波透明体，微波透明体，透波透波材料材料物料能完全透过物料能完全透过入入射的微波，既射的微波，既不反射微波，也不在物料中耗散不反射微波，也不在物料中耗散微波能，不易被微波加热微波能，不易被微波加热。微波白体，微波白体，反波材料反波材料物料能完全反射物料能完全反射入入射的微波，既射的微波，既不吸收微波，也不透过微波，不不吸收微波，也不透过微波，不能被微波加热。能被微波加热。微波黑体，微波黑体，吸波材料吸波材料物料能完全吸收、衰减物料能完全吸收、衰减入入射的微射的微波，并将微波能转换成热能耗散波，并将微波能转换成热能耗散在物料中，易被微波加热。在

32、物料中，易被微波加热。微波灰体，微波灰体，一般材料一般材料物料具有不同程度的吸收、反射物料具有不同程度的吸收、反射和透过微波的能力，一般都能被和透过微波的能力，一般都能被微波加热。微波加热。表表1 冶金物料模型及其微波加热特性冶金物料模型及其微波加热特性 对于微波冶金耐火材料来说，使用要求在理论上应对于微波冶金耐火材料来说，使用要求在理论上应为微波透明体和微波白体。微波透明体亦为透波材料，微为微波透明体和微波白体。微波透明体亦为透波材料，微波透波材料是指对微波电磁波的透过率波透波材料是指对微波电磁波的透过率70%的材料的材料。由由于微波冶金耐火材料与微波的作用完全取决于物质的电介于微波冶金耐火

33、材料与微波的作用完全取决于物质的电介质参数，因此可以选择这些参数作为微波冶金耐火材料的质参数，因此可以选择这些参数作为微波冶金耐火材料的使用、分类和评价的指标使用、分类和评价的指标。5.2 微波冶金耐火材料的分类和评价指标微波冶金耐火材料的分类和评价指标 用在微波冶金窑炉和各种微波热工设备的高温建筑用在微波冶金窑炉和各种微波热工设备的高温建筑材料和结构材料，其耐火度要求一般高于材料和结构材料，其耐火度要求一般高于1 580，并，并在高温下能经受结构应力、各种物理、化学和机械作用在高温下能经受结构应力、各种物理、化学和机械作用的耐火材料，称为微波冶金耐火材料。微波冶金耐火材的耐火材料，称为微波冶

34、金耐火材料。微波冶金耐火材料的组分、粒度、相态、密度是决定其理化性质及电磁料的组分、粒度、相态、密度是决定其理化性质及电磁性能的关键因素。由于微波冶金一般是在高于性能的关键因素。由于微波冶金一般是在高于1 000 的温度下进行，所以能承受高温反应的普通冶金耐火材的温度下进行，所以能承受高温反应的普通冶金耐火材料应是微波冶金耐火材料的首选，但要根据其电磁性能料应是微波冶金耐火材料的首选，但要根据其电磁性能和进行筛选使用。和进行筛选使用。 大部分以天然矿物为原料大部分以天然矿物为原料的复合氧化物耐火材料的复合氧化物耐火材料(如如硅砖、粘土砖等硅砖、粘土砖等)使用温度在使用温度在1650以下，一般可

35、做成以下，一般可做成通用型微波冶金耐火砖，作为炉子的砌筑材料。但要求通用型微波冶金耐火砖，作为炉子的砌筑材料。但要求更高的耐火度和更优良的电磁性能性质，往往在微波冶更高的耐火度和更优良的电磁性能性质，往往在微波冶金反应炉中选用纯物质作为耐火材料，如刚玉、石英、金反应炉中选用纯物质作为耐火材料，如刚玉、石英、石墨等。石墨等。 微波冶金耐火材料按化学微波冶金耐火材料按化学-矿物组成划分大致可分为矿物组成划分大致可分为五类五类 : (1)硅酸铝质制品，包括粘土砖，硅酸铝质制品，包括粘土砖，Al203含量为含量为30% 48%; 高铝砖，高铝砖，Al203含量含量48%;半硅砖，半硅砖，Al203含量

36、含量65%。 (2)硅质制品，包括硅砖，硅质制品，包括硅砖，Si02含量含量93%;熔融石英，熔融石英，Si02含量含量99%. (3)镁质制品，包括镁砖，镁质制品，包括镁砖，MgO含量含量85%;镁铝砖，镁铝砖，Mg0含量含量80%, Al203含量为含量为5% 10%;镁白云石，镁白云石，Mg0含量含量30%, CaO含量含量40%。 (4)碳质制品，包括碳砖，含碳量为碳质制品，包括碳砖，含碳量为70%90%;石墨制品，石墨制品，含碳量为含碳量为30%以上。以上。(5)特种耐火材料制品，包括纯度较高的氧化物制品，此特种耐火材料制品，包括纯度较高的氧化物制品，此外还有不定形耐火材料、保温耐火

37、材料等外还有不定形耐火材料、保温耐火材料等 。 根据各向同性线性根据各向同性线性 (弱磁性弱磁性) 介质中正弦电磁波传输的麦克介质中正弦电磁波传输的麦克斯斯韦方程，可以得到材料的微波吸收系数与损耗因子之间的关系韦方程，可以得到材料的微波吸收系数与损耗因子之间的关系：其中：其中： (14) (15) (16) (17)200000000tan222tan,pnnnj 微波冶金耐火材料理论要求是透波材料，即微波透微波冶金耐火材料理论要求是透波材料，即微波透明体，其吸收微波和反射微波的能力越小越好。从公式明体，其吸收微波和反射微波的能力越小越好。从公式(14)可见，材料的微波吸收系数可见，材料的微波

38、吸收系数 越小，就可以获得越越小，就可以获得越高的透波性能，这就要求材料具有较小的介电系数高的透波性能，这就要求材料具有较小的介电系数 和和较小的介电损耗角正切值较小的介电损耗角正切值tan 。根据电介质物质的评根据电介质物质的评价指标，微波冶金耐火材料价指标，微波冶金耐火材料(微波透明体微波透明体)的参考评价指的参考评价指标见表标见表4。p0p需要注意的是，大多数固体物质在室温下吸收微波需要注意的是，大多数固体物质在室温下吸收微波的能力很小，而随着温度的上升，吸收微波的能力随之的能力很小，而随着温度的上升，吸收微波的能力随之上升，由微波透明体转变为微波黑体。上升，由微波透明体转变为微波黑体。

39、5.3 几种重要的微波冶金耐火材料几种重要的微波冶金耐火材料(1) 3Al203-2SiO2耐火材料耐火材料:莫来石具有耐高温、抗莫来石具有耐高温、抗氧化、低热导率、低膨胀系数、低蠕变、低弹性模量、氧化、低热导率、低膨胀系数、低蠕变、低弹性模量、高温强度不衰减等优良特性高温强度不衰减等优良特性(表表5)，加之化学稳定性好、，加之化学稳定性好、抗腐蚀耐磨、来源广泛、价格便宜，应用范围十分广泛抗腐蚀耐磨、来源广泛、价格便宜，应用范围十分广泛莫来石的优点是热震性好，可作为微波冶金耐火材料。莫来石的优点是热震性好，可作为微波冶金耐火材料。虽然莫来石具有优良的力学性能和介电性能，但是虽然莫来石具有优良的

40、力学性能和介电性能，但是莫来石制备较为困难，而且将莫来石作为高性能透波材莫来石制备较为困难，而且将莫来石作为高性能透波材料应用时，其复介电常数的实部和虚部均较目前普遍应料应用时，其复介电常数的实部和虚部均较目前普遍应用的石英玻璃高，因此透波性能不及石英。随着莫来石用的石英玻璃高，因此透波性能不及石英。随着莫来石陶瓷烧结致密度的提高，莫来石陶瓷复介电常数的实部陶瓷烧结致密度的提高，莫来石陶瓷复介电常数的实部和虚部也明显升高。实部和虚部也明显升高。实部从从3.85增加到增加到5.87，虚部，虚部从从0.04增加到增加到0.11图图8 莫来石陶瓷的复介电常数随烧结密度的变化莫来石陶瓷的复介电常数随烧

41、结密度的变化莫来石复介电常数的实部和虚部与莫来石陶瓷的烧莫来石复介电常数的实部和虚部与莫来石陶瓷的烧结致密度、烧结助剂有关。烧结致密度升高时，莫来石结致密度、烧结助剂有关。烧结致密度升高时，莫来石复介电常数的实部和虚部均升高，添加复介电常数的实部和虚部均升高，添加Mg0烧结助剂后，烧结助剂后，莫来石复介电常数的实部和虚部也有所升高，且其复介莫来石复介电常数的实部和虚部也有所升高，且其复介电常数无明显频散效应。除制备工艺外，混电常数无明显频散效应。除制备工艺外，混入入杂质使杂质使莫来石陶瓷的介电常数增大。莫来石陶瓷的介电常数增大。(2) Al203耐火材料耐火材料:Al203来源丰富，具有良好的

42、绝来源丰富，具有良好的绝缘性缘性(常温电阻率常温电阻率 cm，绝缘强度，绝缘强度15 kV/mm)和和化学稳定性化学稳定性(熔点熔点2050)，氧化铝材料是一种低损耗，氧化铝材料是一种低损耗材料。是目前应用最成熟的中性微波冶金耐火材料，缺材料。是目前应用最成熟的中性微波冶金耐火材料，缺点是热震性差。点是热震性差。 在纯氧化物中，氧化铝的机械强度高，导热性能良在纯氧化物中，氧化铝的机械强度高，导热性能良好，介电常数一般在好，介电常数一般在810之间，其介电性能随温度和之间，其介电性能随温度和频率的变化比较稳定，且纯度越高，频率的变化比较稳定，且纯度越高，tan 越小越小( 1x10-4)，对微波

43、的吸收性越弱，热损耗越小。用纯，对微波的吸收性越弱，热损耗越小。用纯度为度为99%的氧化铝材料进行测试，材料的介电常数实部的氧化铝材料进行测试，材料的介电常数实部和虚部随着温度的上升而提高和虚部随着温度的上升而提高(图图3)。 在微波冶金炉中，一般使用的频率为在微波冶金炉中，一般使用的频率为2.45 GHz，而，而微波吸收好的介质损耗因数范围为微波吸收好的介质损耗因数范围为 .15102105eff从表从表 6可以看出可以看出Al203在室温下其介电损耗因数均在此在室温下其介电损耗因数均在此范围以外，在室温下很难吸收微波，当温度升高时，介范围以外，在室温下很难吸收微波，当温度升高时，介电损耗明

44、显增加电损耗明显增加;在在1 000以上，则处于微波吸收范围。以上，则处于微波吸收范围。 (3) Si02耐火材料耐火材料:石英具有密度低、热膨胀系数石英具有密度低、热膨胀系数小、优良的介电性能，以及较高的机械强度和耐热温度，小、优良的介电性能，以及较高的机械强度和耐热温度，优良的抗热冲击性、抗腐蚀性，从而使其在微波介电材优良的抗热冲击性、抗腐蚀性，从而使其在微波介电材料及微波冶金耐火材料等高技术领域中得到广泛应用。料及微波冶金耐火材料等高技术领域中得到广泛应用。实验研究发现实验研究发现 ，石英的介电常数随着温度的升高而缓慢，石英的介电常数随着温度的升高而缓慢地增大，其介电损耗则近似于指数增大

45、。地增大，其介电损耗则近似于指数增大。 石英的介电常数随温度的变化特性见图石英的介电常数随温度的变化特性见图4 ，相同频，相同频率下石英的介电常数率下石英的介电常数 随温度的升高而增大，温度升高随温度的升高而增大，温度升高至至2 000 K时其介电常数增大值为时其介电常数增大值为0.21，变化率为，变化率为10-4/K左右。在相同温度下，当频率较高时，由于偶极转向极左右。在相同温度下，当频率较高时，由于偶极转向极化滞后于电场变化，而使得石英的介电常数要略低于直化滞后于电场变化，而使得石英的介电常数要略低于直流电场下的介电常数。因此石英具有很低的介电常数，且流电场下的介电常数。因此石英具有很低的

46、介电常数，且在室温到在室温到2 000 K范围内介电常数随温度的变化不大，表范围内介电常数随温度的变化不大，表现出较好的温度稳定性。由于石英中杂质和现出较好的温度稳定性。由于石英中杂质和羟羟基对偶极基对偶极转向极化影响很大，因此减小杂质和转向极化影响很大，因此减小杂质和羟羟基的含量，提高基的含量，提高石英的纯度，可有效地增强石英的频率稳定性。石英的纯度，可有效地增强石英的频率稳定性。当杂质浓度为当杂质浓度为2.5 x10-6 时，石英的总损耗随温度的时，石英的总损耗随温度的变化关系见图变化关系见图5 。石英的损耗随温度的增高表现出明。石英的损耗随温度的增高表现出明显的增大，特别是当温度高于显的

47、增大，特别是当温度高于1 600 K时，损耗随温度时，损耗随温度呈现指数式增加，这主要因为石英的电导随温度的升高呈现指数式增加，这主要因为石英的电导随温度的升高急剧增大。另外，在微波频率范围内，频率对损耗的温急剧增大。另外，在微波频率范围内，频率对损耗的温度变化特性存在显著的影响，当频率为度变化特性存在显著的影响，当频率为1 GHz,温度达温度达到到1 600 K时，损耗迅速升高时，损耗迅速升高;当频率为当频率为10 GHz，损耗，损耗在较高的温度下表现出急剧增大的趋势。在相同温度下在较高的温度下表现出急剧增大的趋势。在相同温度下频率越高，损耗越小，这是因为石英的漏电导随频率的频率越高，损耗越

48、小，这是因为石英的漏电导随频率的增大而减小的原因。低温部分石英玻璃的损耗随温度的增大而减小的原因。低温部分石英玻璃的损耗随温度的变化关系，可以看出低温时以弛豫损耗为主，温度较高变化关系，可以看出低温时以弛豫损耗为主，温度较高时，电导损耗迅速增大。时，电导损耗迅速增大。 石英玻璃纤维具有强度好、介电损耗小、保温性能石英玻璃纤维具有强度好、介电损耗小、保温性能好等优点，也是广泛使用的微波冶金耐火材料，表好等优点，也是广泛使用的微波冶金耐火材料，表7为为石英玻璃纤维的特性参数。石英玻璃纤维的特性参数。图图9 不同频率下石英玻璃介电损耗的温度特性不同频率下石英玻璃介电损耗的温度特性(室温室温1900 K) 石英玻璃纤维具有强度好、介电损耗小、保温性能石英玻璃纤维具有强度好、介电损耗小、保温性能好等优点，也是广泛使用的微波冶金耐火材料，表好等优点，也是广泛使用的微波冶金耐火材料，表7为为石英玻璃纤维的特性参数。石英玻璃纤维的特性参数。 (4)石墨耐火材料石墨耐火材料: 石墨是一种非金属矿物，天然石墨是一种非金属矿物，天然石墨大量用于电炭行业生产各种电刷、耐磨材料和石墨石墨大量用于电炭行业生产各种电刷、耐磨材料和石墨坩埚坩埚等。石墨在冶