·1584 工程科学学报，第41卷，第12期 heating of molten metal.Microwave energy can be absorbed in four ways:collisions between electrons and nucleus,rapid liquid surface renewal,hindering of internal defects of electron movement,and atom movement and collision.Absorbed microwave energy can be transferred into the internal energy of the molten metal. KEY WORDS liquid metal:microwave heating:skin depth:conductivity loss:collision 微波加热具有均匀加热和选择性加热物料、 在，因此研究采用微波直接加热金属液体的可行 加热速度快、容易控制、清洁卫生无污染等优点山， 性、效果与机理意义重大 已被广泛应用于食品、橡胶、造纸、纺织、农产品 1实验方法 加工、冶金和化学工业等领域.治冶金工业中，微波 加热主要应用于铁矿石预处理、金属氧化物的 本研究选择金属铜和铁进行微波加热实验， 碳热还原、治金废气处理和钢渣处理等方 一方面是因为这两种金属为高温火法冶金的典型 面，已取得较好的效果 产品；另一方面是考虑到铜为较纯金属，熔点较 微波加热物料的前提是微波能可以透过材料 低，铁为铁、碳、硅等元素组成的合金，与钢组成 并被吸收，要求材料必须具备以下两种特性：一 类似，但熔点也较低，较容易熔化成液体，在微波 是被加热材料的表面不能反射微波能：二是被加 加热站中较易实现对这两种金属液体的加热实验 热材料能不可逆地将入射的电磁能转化为自身的 研究.实验所用铜为麦克林公司生产的铜粒，粒 热能. 径<5mm,铜的质量分数大于99.9%：铁块由钢铁 当微波与物质相互作用时，物质的各种物理 研究总院提供，铁块成分如表1所示，熔点为1162℃， 化学性质，如极化、电导、介电常数、介电损耗系 为了便于熔化，采用线切割将铁块切成50mm× 数、温度和湿度等都将发生变化.根据材料对微 20mm×3mm的铁片 波的反应，可以将材料分为以下四类例：(1)导体， 该种材料反射微波，可以作为干燥室和波导材料； 表1实验用铁成分（质量分数） (2)绝缘体，几乎不反射也不吸收微波，能被电磁 Table 1 Composition of the iron for experiments % 波穿透，可用作电磁场中被加热材料的支撑装置； C Si Mn Ti Fe (3)介电体，特性介于导体和绝缘体之间，可不同 4.03 1.09 0.12 0.064 0.190.11 余量 程度地吸收电磁波能量，并将之转化为热量；(4) 铁磁体，既可吸收和反射微波，又能被电磁波穿 微波加热实验在唐山纳源热工仪器制造有限 透，与电磁波的磁场分量发生作用，产生热量 公司研制的MobileLab-W-R型微波材料学工作站 介电材料可采用微波加热，通过介质材料在 进行，图1为该设备结构示意图 微波场中的定向极化实现加热，其加热效果主要 取决于材料的介电性质.微波加热时，物质的微波 吸收功率密度P由物质的相对复介电常数决定， 固态金属是导体，是微波反射体，微波对金属 的趋肤深度仅为几个微米，利用这一特性可以采 用微波检测金属，如雷达利用金属反射微波实现 对飞机的远程监测.也因如此，不能采用微波直接 加热块状固态金属， 冶金生产存在许多高温反应及操作，如铜转 1一炉门：2一谐振腔：3一箱体：4一加热腔：5一坩埚：6一磁控管；7一波 炉中铜的高温冶炼、铜杆连铸连轧生产、矿热炉 导：8一物料：9一刚玉套管：10一热电偶：11一温度显示器 中矿石碳热还原铁合金、高炉中铁矿石碳热还原 困1微波加热站示意图 生产铁液、转炉和电炉中高温炼钢、炉外精炼过 Fig.I Diagram of the experimental microwave workstation 程中钢液精炼、连铸生产中中间包钢液加热等，这 些高温工序如能实现微波直接加热金属物料，从 微波材料学工作站由谐振腔、波导管、磁控 而实现快速、精准、无污染加热，将具有重要意 管、加热腔、温度测量系统等组成.谐振腔是由金 义.鉴于在高温冶金生产中，金属常以液体形式存 属炉门和箱体封闭而成的封闭空间，上部为可以heating of molten metal. Microwave energy can be absorbed in four ways: collisions between electrons and nucleus, rapid liquid surface renewal,  hindering  of  internal  defects  of  electron  movement,  and  atom  movement  and  collision.  Absorbed  microwave  energy  can  be transferred into the internal energy of the molten metal. KEY WORDS    liquid metal；microwave heating；skin depth；conductivity loss；collision 微波加热具有均匀加热和选择性加热物料、 加热速度快、容易控制、清洁卫生无污染等优点[1] ， 已被广泛应用于食品、橡胶、造纸、纺织、农产品 加工、冶金和化学工业等领域. 冶金工业中，微波 加热主要应用于铁矿石预处理[2]、金属氧化物的 碳热还原[3−4]、冶金废气处理[5] 和钢渣处理[6] 等方 面，已取得较好的效果. 微波加热物料的前提是微波能可以透过材料 并被吸收，要求材料必须具备以下两种特性[7] ：一 是被加热材料的表面不能反射微波能；二是被加 热材料能不可逆地将入射的电磁能转化为自身的 热能. 当微波与物质相互作用时，物质的各种物理 化学性质，如极化、电导、介电常数、介电损耗系 数、温度和湿度等都将发生变化. 根据材料对微 波的反应，可以将材料分为以下四类[8] ：（1）导体， 该种材料反射微波，可以作为干燥室和波导材料； （2）绝缘体，几乎不反射也不吸收微波，能被电磁 波穿透，可用作电磁场中被加热材料的支撑装置； （3）介电体，特性介于导体和绝缘体之间，可不同 程度地吸收电磁波能量，并将之转化为热量；（4） 铁磁体，既可吸收和反射微波，又能被电磁波穿 透，与电磁波的磁场分量发生作用，产生热量. 介电材料可采用微波加热，通过介质材料在 微波场中的定向极化实现加热，其加热效果主要 取决于材料的介电性质. 微波加热时，物质的微波 吸收功率密度 P 由物质的相对复介电常数决定. 固态金属是导体，是微波反射体，微波对金属 的趋肤深度仅为几个微米，利用这一特性可以采 用微波检测金属，如雷达利用金属反射微波实现 对飞机的远程监测. 也因如此，不能采用微波直接 加热块状固态金属. 冶金生产存在许多高温反应及操作，如铜转 炉中铜的高温冶炼、铜杆连铸连轧生产、矿热炉 中矿石碳热还原铁合金、高炉中铁矿石碳热还原 生产铁液、转炉和电炉中高温炼钢、炉外精炼过 程中钢液精炼、连铸生产中中间包钢液加热等，这 些高温工序如能实现微波直接加热金属物料，从 而实现快速、精准、无污染加热，将具有重要意 义. 鉴于在高温冶金生产中，金属常以液体形式存 在，因此研究采用微波直接加热金属液体的可行 性、效果与机理意义重大. 1    实验方法 本研究选择金属铜和铁进行微波加热实验， 一方面是因为这两种金属为高温火法冶金的典型 产品；另一方面是考虑到铜为较纯金属，熔点较 低，铁为铁、碳、硅等元素组成的合金，与钢组成 类似，但熔点也较低，较容易熔化成液体，在微波 加热站中较易实现对这两种金属液体的加热实验 研究. 实验所用铜为麦克林公司生产的铜粒，粒 径<5 mm，铜的质量分数大于 99.9%；铁块由钢铁 研究总院提供，铁块成分如表 1 所示，熔点为 1162 ℃， 为了便于熔化，采用线切割将铁块切成 50 mm × 20 mm × 3 mm 的铁片. 微波加热实验在唐山纳源热工仪器制造有限 公司研制的 MobileLab-W-R 型微波材料学工作站 进行，图 1 为该设备结构示意图. 微波材料学工作站由谐振腔、波导管、磁控 管、加热腔、温度测量系统等组成. 谐振腔是由金 属炉门和箱体封闭而成的封闭空间，上部为可以 表 1    实验用铁成分（质量分数） Table 1    Composition of the iron for experiments % C Si Mn S Ti P Fe 4.03 1.09 0.12 0.064 0.19 0.11 余量 2 6 4 5 8 7 9 10 11 1 3 1—炉门；2—谐振腔；3—箱体；4—加热腔；5—坩埚；6—磁控管；7—波 导；8—物料；9—刚玉套管；10—热电偶；11—温度显示器 图 1    微波加热站示意图 Fig.1    Diagram of the experimental microwave workstation · 1584 · 工程科学学报，第 41 卷，第 12 期