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—— 第二部分 国家自然科学基金项目成果巡礼 ——

  微波首先应用于通讯领域,随后引起了冶金界的广泛关注。大量小试研究发现,微波具有选择性加热、内部加热和非接触加热的特点,可显著降低反应温度、缩短时间,具有强化作用,实现某些常规条件下难以进行的冶金反应、提高冶金效率,促进资源高效清洁利用。但是,近几十年来,微波技术在冶金中的应用大都停留在实验室阶段,工程应用一直没有突破性进展,其主要原因是微波反应腔多尺度放大的问题没有解决,无法制造出大型微波反应器。

  在国家自然科学基金的资助下,针对上述难题,昆明理工大学彭金辉教授带领张世敏、张利波、郭胜惠、许磊、夏洪应和刘秉国等组成研究团队,围绕微波冶金反应器工程化关键难题的基础理论开展系统研究,取得如下主要成果:

  在微波能应用基础理论方面,建立了微波场中冶金物料的升温速率方程(式[1])和瞬态特性方程(式[2]),阐明微波功率、损耗因子、化学反应热、温度、时间、电场强度、热导率和频率等多个因素的相互作用关系,定量描述了微波与物质的相互作用机制,进而开发出了高温微波动态电磁特性测试系统(图1),并构建了复杂物料电磁特性数据库,为大型微波冶金反应器的研制提供了基础理论数据。

  在微波冶金反应器工程化方面,针对微波冶金反应腔多尺度放大的难题,提出多源大功率微波反应腔的分布耦合方法(图2)。与常规微波反应腔研究方法相比,该方法创新性地引入冶金物料微波动态电磁特性作为变量,揭示了微波馈口位置、方向、腔体大小等对反射系数和互耦系数的影响规律,通过建立多馈口耦合数学模型,实现了高功率微波源和大型谐振腔集成,突破微波冶金反应器大型化瓶颈。

  理论成果被Nature China亮点评述,为ESI Top1%高被引论文。基于理论研究,首次研发出大型化、连续化、自动化微波冶金反应器,在重有色金属、稀有金属、贵金属的焙烧、煅烧、还原、浸出、溶液净化等典型冶金单元中得到工程应用,先后向高校、科研院所和企业等国内外多家单位转让86项,获得国家技术发明奖二等奖。

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