CN112417637B - 一种仿真优化连续工业化微波管式炉的方法、装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿真优化连续工业化微波管式炉的方法、装置及其应用，所述方法具体包括：获取处理对象的介电特性参数后采用多物理场模拟软件，根据所述介电特性参数进行仿真分析，通过调整微波腔体的馈口位置，进行微波加热效率计算，以馈口干扰因子和反射系数最小为目标，获取最优的腔体馈口位置。本发明通过该方法设计了一种用于矿物解离的连续工业化微波管式炉，其炉体可倾斜，3个馈口位置距微波管式腔体底端的比例为0.09～0.15：0.30～0.50：0.60～0.92。本发明采用多物理场模拟软件对微波管式炉的结构进行仿真优化，获取最优的腔体馈口位置；经试验验证，根据本方法优化得到的微波管式炉在实际试验操作中的加热以及节能等性能上比优化前有大幅提高。
Description
技术领域
本发明属于微波冶金设备技术领域，具体涉及一种仿真优化连续工业化微波管式炉的方法及其应用，还涉及一种用于矿物解离的连续工业化微波管式炉。
背景技术
微波具有穿透物料选择性对金属硫化矿物、磁性矿物晶粒等进行快速集中加热，而脉石等杂质组分晶粒吸波性差，不同组分升温不同，矿物的热膨胀性能也不同，从而在它们的分界面上产生巨大的应力而产生裂纹。其优点不仅是降低了矿石的机械强度，提高磨矿效率，节省磨矿能耗，而且使有价矿物表面更多的暴露出来，提高矿石的解离度，更加有利于浮选等选矿过程。因此，微波处理高硬度矿石，宏观上表现出磨矿成本大大下降，磨矿效率大大提高，选矿产品品位和选矿效率提高。
但是，尽管微波加热能够处理高硬度矿石，但仍存在微波利用率低的问题。因为使用多个磁控管同时馈能，如若馈口位置安排不当，磁控管之间必然发生严重的互耦合现象，这会影响磁控管的输出功率、工作稳定性甚至安全性。为避免这种情况的发生就需要对微波炉的馈入口位置进行更详细的分析设计。
另外，对于较大颗粒矿物的微波解离，通常采用微波带式炉进行，而矿物物料的运送通常采用机械皮带运行，机械皮带运行需要电机带动，因此这种方式存在的问题是耗能较大。
综上所述，为了更好地利用微波加热的优点，需要优化设计用于矿物优化解离的微波加热腔体，以使腔体内电磁场与温度场分布更加均匀，提高微波能利用率，降低能耗。
发明内容
为解决以上问题，本发明的第一目的是提供一种仿真优化连续工业化微波管式炉的方法，本发明的第二目的是提供用于矿物解离的连续工业化微波管式炉的优化方法及应用。
本发明的第一目的是这样实现的，一种仿真优化连续工业化微波管式炉的方法，包括：
获取处理对象的介电特性参数；
将所述介电特性参数导入多物理场模拟软件；
根据所述介电特性参数，采用多物理场模拟软件进行仿真分析，具体包括：调整微波腔体的馈口位置，进行微波加热效率计算，以馈口干扰因子和反射系数最小为目标，获取最优的腔体馈口位置。
本发明的第二目的是这样实现的，一种用于矿物解离的连续工业化微波管式炉，包括管式炉体以及固定设置其内部的微波腔体，所述微波腔体的顶部或者侧壁设有数个微波馈口，所述馈口上设有两两搭配的磁控管和波导，由波导通过腔体上的馈口将微波馈入到腔体中，微波腔体的上端和底端分别设有入料口和出料口，其特征在于，所述管式炉体可倾斜，其倾斜角度为0<α<90°。
本发明的有益效果为：
本发明采用多物理场模拟软件对微波管式炉的结构进行仿真优化，以馈口干扰因子和反射系数最小为目标，获取最优的腔体馈口位置。经试验证明，根据本方法优化得到的微波管式炉在实际试验操作中，在加热以及节能等性能上比优化前有大幅提高。本发明提供的微波管式炉较现有技术的微波带式炉，省去了物料运转机构，通过调整微波腔体与水平方向的夹角，既可通过微波腔体自带的坡度运输物料又可调整物料运输至出料口的速度，从而根据物料的特性调节其加热时间。另外，本微波管式炉结构简单、操作方便，热能利用效率高。
附图说明
图1为本发明用于矿物解离的连续工业化微波管式炉的整体结构图；
图2为本发明微波腔体馈口部分示意图；
图3为本发明微波腔体的结构图；
图4为 微波管式炉输入功率15 KW，夹角α=35°条件下电场分布情况；
图5为 微波管式炉输入功率6KW，夹角α=50°条件下电场分布情况；
图6为微波管式炉输入功率10KW，夹角α=52°条件下电场分布情况；
图7为微波管式炉输入功率3KW，夹角α=60°条件下电场分布情况；
图8为本发明1~2cm长的尺寸矿物未经微波处理的光学显微镜图；
图9为本发明1~2cm长的尺寸矿物经过15s微波处理以后的光学显微镜图；
图10为本发明1~2cm长的尺寸矿物经过30s微波处理以后的光学显微镜图；
图11为本发明1~2cm长的尺寸矿物未经微波处理的SEM检测图；
图12为本发明1~2cm长的尺寸矿物经过15s微波处理以后的SEM检测图；
图13为微波作用时间与矿石（单个块度为边长达50mm的立方体）抗压强度的关系图；
其中，1—管式炉体，2—微波腔体，21—馈口，22—磁控管，23—波导，24—入料口，25—出料口，26—入料管道，27—出料管道，3—法兰，4—测温元件，5—去尘装置，6—蒸汽冷凝装置，7—储料仓。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
本发明一种仿真优化连续工业化微波管式炉的方法，包括：
获取处理对象的介电特性参数；
将所述介电特性参数导入多物理场模拟软件；
根据所述介电特性参数，采用多物理场模拟软件进行仿真分析，具体包括：调整微波腔体的馈口位置，进行微波加热效率计算，以馈口干扰因子和反射系数最小为目标，获取最优的腔体馈口位置。
所述多物理场模拟软件为Comsol多物理场模拟软件。
所述处理对象为高硬度矿石或流体。
所述的连续工业化微波管式炉的优化方法应用于流体加热、化工反应领域中。
本发明一种用于矿物解离的连续工业化微波管式炉，包括管式炉体1以及固定设置其内部的微波腔体2，所述微波腔体2的顶部或者侧壁设有数个微波馈口21，所述馈口21上设有两两搭配的磁控管22和波导23，由波导23通过腔体上的馈口21将微波馈入到腔体中，微波腔体2的上端和底端分别设有入料口24和出料口25，所述管式炉体1可倾斜，其倾斜角度为0<α<90°。
所述微波腔体2数量为至少1个，微波腔体2之间通过法兰3连接，各微波腔体2的长度为长度为800-1000mm，直径为100mm-150mm，，所述馈口21有3个，三个馈口21位置距微波管式腔体底端的比例为0.09～0.15：0.30～0.50：0.60～0.92。
所述三个馈口21距微波管式腔体2底端的比例为0.15：0.30：0.60。
所述管式炉体1通过转轴与支架连接，所述支架上设有驱动机构带动转轴转动，从而调节管式炉体1的倾斜角度α。
所述驱动机构为电动调整机构或液压调整机构。
所述入料口24与入料管道26连接，所述出料口25与出料管道27连接。
所述微波腔体2是截面为圆形或多边形的柱形，所述入料口24设置于微波腔体2的顶部或侧壁，出料口25设置于微波腔体2的底部。
所述微波管式腔体2上布置的测温元件4，用于检测物料处理的程度。
所述微波管式腔体2顶端或底端的收尘装置5用于吸收矿石解离石产生的灰尘，保证腔体内的清洁。
所述微波管式腔体2顶端或底端还设置有蒸汽冷凝装置6，物料在高温下产生高温气体，蒸汽冷凝装置6将其冷凝回收而不会污染微波管式腔体，用于保证腔体内的清洁。
实施例1
本实施例以镍矿石作为处理对象，对用于矿物解离的连续工业化微波管式炉进行优化设计。
表1为仿真优化设计之前的微波腔体各参数。
仿真优化方法：
1、在sol多物理场仿真软件中，耦合以下多个物理场的作用：a、多个微波源在微波腔体内的谐振叠加效应；b、微波穿透物料实现介电加热效应；c、由微波加热和固体热传导造成的热场；d、镍矿石碎块以各种速度由入口向出口滑动的重力场。
2、调整微波腔体角度、多馈口位置，进行微波加热效率计算，以馈口干扰因子和反射系数最小为目标，得到优化的馈口位置。
优化结果：
1、优化后微波能利用率
表2是优化后的馈口参数值，其他参数不变，与优化前参数比较（表1）优化前微波能利用率仅为11%左右，通过本方法优化后，微波能利用率可提高到83%以上，见表3；
2、优化条件下微波腔内电磁场分布
（1）输入功率15 KW，夹角α=35°
输入功率6KW，夹角α=50°
输入功率9KW，夹角α=52°
输入功率3KW，夹角α=60°
由图4可知，仿真优化后可以清楚地看到：由3个馈口进入腔体的电场得到了谐振加强，可实现将矿石快速加热到260℃左右。
通过优化，在最终优化条件下，可使得矿石快速升温到约300℃，在反应区内停留时间约为10 s，从而为确保反应的充分进行提供了良好的条件。
（2）输入功率6KW，夹角α=50°
由图5可知，仿真优化后可以清楚地看到：由3个馈口进入腔体的电场得到了谐振加强，可实现将矿石快速加热到260℃左右；
通过上述一系列优化仿真研究，最终优化条件下，可使得矿石快速升温到约300℃，在反应区内保温时间约为10 s，从而为确保反应的充分进行提供了良好的条件。
（3）输入功率10KW，夹角α=52°
在上述优化条件下，电磁场分布情况如图6所示：
仿真优化后可以清楚地看到：由3个馈口进入腔体的电场得到了谐振加强，可实现将矿石快速加热到260℃左右；
（4）输入功率3KW，夹角α=60°
在上述优化条件下，电磁场分布情况如图7所示：
由图10可知，仿真优化后可以清楚地看到：由3个馈口进入腔体的电场得到了谐振加强，可实现将矿石快速加热到260℃左右。
结论：上述4种情况下，根据对不同夹角（即不同的矿石滑动速度）、不同的功率（3-15KW）下，微波加热镍矿石的升温情况的模拟，得到上述四种组合都可以将镍矿石升温到目标温度，充分说明的本次腔体结构尺寸和馈口的设计是很优的。
实施例2
一种用于矿物解离的连续工业化微波管式炉，包括管式炉体1以及固定设置其内部的一个圆柱形微波腔体2，微波腔体2的长度为800mm，直径为100mm，其侧壁设有3个微波馈口21，其顶部设有入料口24，底部设有出料口25，三个馈口21距微波管式腔体底端的距离分别为90mm、420mm及660mm；馈口21上设有两两搭配的磁控管22和波导23，由波导23通过腔体上的馈口将微波馈入到腔体中，微波腔体2的上端和底端分别设有入料口24和出料口25，所述管式炉体1通过液压驱动转轴旋转调节其向上倾斜角度α，值为0<α<90°；所述入料管道26与出料管道27均从管式炉体1穿过，微波腔体的内壁光滑，物料顺着入料管道26进入微波腔体2，并从其底部滑至出料口，出料口打开后物料即通过出料管道27即进入储料仓7内。微波管式腔体2上布置有测温元件4，用于检测物料处理的程度；微波管式腔体2顶端的收尘装置5用于吸收矿石解离石产生的灰尘，保证腔体内的清洁；微波管式腔体2底端还设置有蒸汽冷凝装置6，物料在高温下产生高温气体，蒸汽冷凝装置6将其冷凝回收而不会污染微波管式腔体，用于保证腔体内的清洁。
使用时，通过液压调节管式炉1与水平位置的角度，使管式炉体1呈一定倾斜角度后，往入料管道26中添加矿石，启动开关进行微波解离，解离完成后，矿石从出料口25滑出通过出料滑道27进入储料仓7。
实施例3
微波腔体2的长度为900mm，直径为120mm，三个馈口21距微波管式腔体底端的距离分别为150mm、480mm及920mm。
实施例4
微波腔体2的长度为1000mm，直径为150mm，三个馈口21距微波管式腔体底端的距离分别为120mm、360mm及660mm。
试验例1 镍矿石微波解离效果
将高硬度的大块的矿石用颚式破碎机破碎，高硬度镍石中的元素含量分别为：Fe18.4%，O 14.91%，Mg 31.86%，Si 17.0%，S 12.5%，Ni 2.12%，Ca 0.89%，Al 0.71%，Co0.051%，Ti 0.09%，V 0.07%，Cr 0.43%，Mn 0.19%，Cu 0.78%。破碎的粒度大约是1~5cm长，1~3cm宽，1cm以内厚度的碎块，用一般的直尺进行粗略的分类，选取颗粒尺寸为1~2cm长约1cm宽，约1cm厚的颗粒3份，每一份70g，第一份未经微波辐照。第二份放入2450MHz本发明微波管式炉中加热，采取辐照功率为3KW，照射时间为15秒，保温时间5min，然后取出物料，自然冷却。磨矿研究发现，磨矿时间缩短到原来的1/5，磨矿成本降低到了原来的1/6；经过解离度分析，发现微波处理后解离度提高了10%，经浮选处理，其镍精矿的镍含量提高了5%，镍总回收提高10%。第三份放入2450MHz本发明微波管式炉中加热，采取辐照功率为3KW，照射时间为30秒，保温时间5min，然后取出物料，自然冷却。磨矿研究发现，磨矿时间缩短到原来的1/4，磨矿成本降低到了原来的1/6；经过解离度分析，发现微波处理后解离度提高了11%，经浮选处理，其镍精矿的镍含量提高了5%，镍总回收提高10%。
把未经微波处理的原始物料和经过微波处理的物料进行镶样。用酚醛塑料热镶，先用280目砂纸进行粗磨，400目砂纸进一步细磨，继续用800目，2500目砂纸依次细磨，制样成功以后进行拍照。图8为未经微波处理的矿物光学显微镜照片，图9为经过15s微波辐照的矿物光学显微镜照片。图10为未经微波处理的矿物SEM照片，图11为经过15s微波辐照的矿物SEM照片，图12为经过30s微波辐照的矿物光学显微镜照片。
从图8-12很容易看出，未经微波处理的镍矿物料裂纹数目很少，而且裂纹并不是沿着不同组分的分界面。而经过微波处理以后产生了大量裂纹，而且裂纹都沿着分界面产生。微波处理的时间越长内部组分开始破碎。从图13可知，镍矿石经微波加热后，其抗压强度迅速下降；以上综合说明本发明提供的微波管式炉对镍矿石的解离效果佳。
Claims (4)
1.一种用于矿物解离的连续工业化微波管式炉，包括设置在支架上的管式炉体（1）以及至少1个微波腔体（2），微波腔体（2）固定于管式炉体（1）内，所述微波腔体（2）的顶部或者侧壁设有3个微波馈口（21），所述馈口（21）上设有两两搭配的磁控管（22）和波导（23），由波导（23）通过微波腔体（2）上的馈口（21）将微波馈入到微波腔体（2）中，微波腔体（2）的上端和底端分别设有入料口（24）和出料口（25）；其特征在于，管式炉体（1）可倾斜且倾斜角度为35<α<60°，3个馈口（21）位置距微波腔体（2）底端的比例为0.09~0.15:0.30~0.50:0.60~0.92；微波腔体（2）的直径为100~150mm、长度为800~1000mm。
2.根据权利要求1所述的连续工业化微波管式炉，其特征在于，所述管式炉体（1）通过转轴与支架连接，所述支架上设有驱动机构带动转轴转动从而调节管式炉体（1）的倾斜角度。
3.根据权利要求1所述的连续工业化微波管式炉，其特征在于，所述微波腔体（2）的截面为圆形或多边形的柱形，所述入料口（24）设置于微波腔体（2）顶部或侧壁，出料口（25）设置于微波腔体的底部，所述入料口（24）与入料管道（26）连接，所述出料口（25）与出料管道（27）连接。
4.根据权利要求1所述的连续工业化微波管式炉，其特征在于，所述微波腔体（2）内壁布置有多个测温元件（4），在微波腔体（2）的底端或顶端分别设置有蒸汽冷凝装置（6）和去尘装置（5）。
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