鎢精礦的微波干燥過程優(yōu)化研究

曾 志，王毅芳

（湖南柿竹園有色金屬有限責任公司，湖南 郴州 423037）

0 引言

鎢精礦干燥工序是處理礦物精礦加工生產(chǎn)過程中的一個重要工序，也是制約產(chǎn)品質量和產(chǎn)量的一個重要環(huán)節(jié)。

湖南柿竹園某多金屬選廠鎢精礦干燥原采用蒸汽爐干燥工藝，存在著高能耗、使用效率低、干燥耗時長、環(huán)境污染嚴重等弊端，研究提出了鎢精礦用微波干燥的方法，并針對工藝過程中的參數(shù)和工藝流程設計等關鍵技術，采用理論分析與工業(yè)模擬試驗相結合的方法開展相關研究工作。

在生產(chǎn)現(xiàn)實情況中由于物料中的水分優(yōu)先吸取了大量微波能，在短時間內(nèi)形成了較高的蒸汽壓，使物料中的水分快速的逸出物料表面。減少了對物料的整體加熱，降低了能耗。由于其獨特的干燥方式具有干燥時間短、干燥速度快、熱能利用率高、產(chǎn)品干燥度高、生產(chǎn)易控制等優(yōu)點，從而使得該技術能較好地適應現(xiàn)代礦物精礦干燥的生產(chǎn)需要，能有效地改善傳統(tǒng)干燥方法、減少環(huán)境污染存在的缺點。

1 微波干燥原理與系統(tǒng)結構

微波干燥的本質是將微波與被干燥產(chǎn)品直接相互作用，將電磁能瞬間轉化為熱能，利用介質的損耗，實現(xiàn)對被干燥產(chǎn)品的快速脫水干燥的過程。由于物料中水分子的損耗因子大能大量的吸收微波能轉化為熱能，微波加熱熱量在被加熱物料內(nèi)部產(chǎn)生，這樣里外一起熱不僅溫度均勻，而且內(nèi)部溫度高于外部，溫度梯度方向和水分梯度的方向相同。傳熱和傳質方向一致，從而促使物料內(nèi)部水分迅速蒸發(fā)。內(nèi)壓梯度的形成使水分迅速擴散到表面，使干燥時間短得多。微波通過與產(chǎn)品直接相互作用將電磁能在瞬間轉化為熱能，實現(xiàn)對產(chǎn)品的快速脫水干燥的過程。微波干燥設備主要由進出料端抑制腔、微波干燥爐腔、排風系統(tǒng)、傳動裝置、電控系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、微波磁控管等部分組成。系統(tǒng)如圖1所示。

微波加熱是通過微波磁控管產(chǎn)生一個與上述原理相同的交替變化的外電場，通過微波場與介質分子的相互作用迅速加熱。

2 試驗方案

2.1 試驗方案設計

將微波功率因素設定為3個不同功率（分別為1 000 W、700 W、400 W），時間因素共4個水平方案進行擬定。每次試驗時時間控制在5 min內(nèi)。

根據(jù)3不同功率的設置，對黑鎢精礦開展試驗，共計3×5=15個試驗。

（1）試驗儀器設備及性能參數(shù)。主要儀器：微波加熱設備采用的是RWD型連續(xù)式微波烘干加熱器設備（湖南中晟熱能科技有限公司），微波頻率為2 450 MHz，功率范圍處于0～1 000 W。

圖1 微波干燥系統(tǒng)結構Fig.1 Structure diagram of microwave drying system

（2）試驗步驟。單個試驗每次稱取鎢精礦物料質量100 g，物料在初次稱重時選用干燥潔凈的容器，用電子天平稱取100 g的鎢精礦物，記錄初始質量W0（g），數(shù)值精確到0.1 g；將稱取的礦物放入微波加熱器中，物料在干燥設定的微波功率和干燥時間進行干燥；對干燥物料稱重并記錄W0的數(shù)據(jù)進行必要的數(shù)據(jù)處理，得到為分析所用的結果；對從微波加熱器取出的物料用電子天平稱取物料干燥質量W∞。單次試驗完成，循環(huán)進行不同功率、不同時間條件下的試驗。

（3）鎢精礦微波干燥過程中的瞬時含水率。通過取樣分析測試，計算鎢精礦微波干燥過程中的瞬時含水率。

式中：M為物料含水量，%；W0為物料原始質量，g；W∞為物料干燥質量，g。

計算微波干燥鎢精礦相對脫水率：

式中：φ為相對脫水率，%；Wt為t時刻物料質量，g；其他同上。

計算微波干燥鎢精礦相對脫水速率：

式中：v為脫水速率，%；Wt1為t1時刻物料質量，g；Wt2為t2時刻物料質量，g。

2.2 試驗結果討論與分析

2.2.1 試驗結果

黑鎢精礦取樣均為日常生產(chǎn)中的產(chǎn)品，分別從黑鎢壓濾機壓干后混合均勻的取1 500 g，平均分配15組，每組100 g。1～5組對應1 000 W功率，每組干燥時間依次是 60 s、120 s、180 s、240 s、300 s，將每次測定的對應時刻的含水率換算出最終干燥時含水率，取5次含水率的均值為其最終的含水率值，得到該功率1 000 W下相對脫水率取值。其他700 W、400 W時情況類比于1 000 W的方法。試驗結果分別列入表1。

表1 微波干燥黑鎢精礦試驗結果Tab.1 Experimental results of microwave drying and black tungsten concentrate

2.2.2 討論分析

通過試驗，驗證微波干燥物料過程中水分含量和干燥時間的函數(shù)關系模型，運用MATLAB軟件繪制曲線圖，并將試驗結果與理論曲線比較，繪制功率為1 000 W時微波干燥規(guī)律曲線（圖2）。

圖2 功率為1000W時黑鎢精礦微波干燥規(guī)律曲線Fig.2 Microwave drying rule of black tungsten concentrate under1 000 W

同樣運用MATLAB軟件繪制曲線圖，并將試驗結果與理論曲線比較，分別繪制功率為700 W和400 W時微波干燥規(guī)律曲線圖（圖3和圖4）。

圖3 功率為700W時黑鎢精礦微波干燥規(guī)律曲線Fig.3 Curve of microwave drying of black tungsten concentrate under 700 W

圖4 功率為400 W時黑鎢精礦微波干燥規(guī)律曲線Fig.3 Curve of microwave drying of black tungsten concentrate under 400 W

從圖2～圖4中曲線可以看出，理論預測和試驗結果是存在誤差的，但理論預測和試驗結果之間具有相同的變化趨勢。即在增速、恒速干燥時預測值與試驗結果具有良好的擬合效果，而在減速干燥時存在誤差較大。

誤差計算：

式中：Δ為誤差；W計為理論計算含水率，%；W實為試驗計算含水率，%。將誤差計算結果統(tǒng)計，列入表2。最大誤差為黑鎢精礦的4號試驗樣品，造成以上誤差可能與物料在試驗中厚度不均勻有關。

表2 微波干燥黑鎢精礦試驗結果 %Tab.2 Experimental results of microwave drying and black tungsten concentrate

3 結論

黑鎢精礦均勻的取樣1 500 g，平均分配15組，每組100 g共15組試驗。工業(yè)試驗結果表明：不同含水率的樣品，在同功率情況下脫水時間長的比脫水時間短的脫水率好。蒸汽灶烘干黑鎢水分在3%～4%，經(jīng)微波干燥后的黑鎢精礦水分在1%以內(nèi)。試驗表明該裝置滿足了黑鎢精礦干燥生產(chǎn)工藝的要求，提高了黑鎢精礦產(chǎn)品的質量，并降低了生產(chǎn)成本。

隨著高新技術的發(fā)展和對微波干燥技術研究的日益深入，微波干燥設備將朝著更高功率、自動化及智能化方向發(fā)展，微波干燥技術大規(guī)模的應用在礦業(yè)和精礦干燥過程中將會有較廣闊的前景。