微波快速測定鎂質(zhì)硅酸鎳礦水分的應(yīng)用研究

1、收稿日期作者簡介范興祥（），男，云南建水縣人，昆明貴金屬研究所博士，研究方向：冶金新技術(shù)微波快速測定鎂質(zhì)硅酸鎳礦水分的應(yīng)用研究范興祥，楊晶晶，黃銘，汪云華暢，李柏榆（暢昆明貴金屬研究所，昆明；暢昆明理工大學(xué)材料與冶金工程學(xué)院，昆明；暢云南大學(xué)信息學(xué)院，昆明）摘要利用微波技術(shù)快速測定鎂質(zhì)硅酸鎳礦的水分，并對不同含水量的鎂質(zhì)硅酸鎳礦對檢測結(jié)果的影響進(jìn)行了分析和討論；對微波檢測裝置、特性及其操作方法做了說明。關(guān)鍵詞微波；測定；鎂質(zhì)硅酸鎳礦；水分中圖分類號TD 暢文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號（）1前言氧化鎳礦床是含鎳橄欖巖在熱帶或亞熱帶經(jīng)大規(guī)模長期風(fēng)化淋濾變質(zhì)而成的，是由鐵、鋁、硅等含水氧化物組成的疏松的粘

2、土狀礦石。鎳礦石是在年由Garnier 在新喀里多尼亞發(fā)現(xiàn)的，因而這種礦石被稱作：“garnierite ”鎂質(zhì)硅酸鎳礦。由于礦床風(fēng)化后鐵被氧化，礦石呈紅色，所以通稱為紅土鎳礦。實(shí)際上，礦床的上部由于風(fēng)化淋濾作用的結(jié)果，鐵多、硅少、鎂少，鎳較低，鈷稍高，鎳礦呈紅色；礦床的下部，由于風(fēng)化富集，鎳礦多硅、多鎂、低鐵，鎳較高，鈷較低，稱之為鎂質(zhì)鎳礦硅酸鎳礦。兩種礦石相對于硫化鎳礦而言，均稱為氧化鎳礦，。氧化鎳礦石的特點(diǎn)是成分復(fù)雜、含有色金屬的礦物種類繁多，游離水與結(jié)合水的含量一般在，預(yù)干燥后，仍有的的結(jié)合水，需要以上煅燒或與預(yù)還原工藝結(jié)合才可除之。工業(yè)生產(chǎn)中，為了測定鎂質(zhì)硅酸鎳礦水分，一般采用標(biāo)準(zhǔn)失

3、重法測定，缺點(diǎn)是時(shí)間長、費(fèi)用高，而且不能及時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)。除標(biāo)準(zhǔn)失重法外，測量物料水分的方法還有紅外法、電容法、電導(dǎo)法、中子法、阻力法、電化學(xué)法、核磁共振法和微波法等。其中，微波法具有較高的精度和檢測限，測量的是物料的平均水分，受物料電導(dǎo)率的影響較小，適合于工業(yè)環(huán)境使用。目前，國內(nèi)外雖然有用微波法測量精礦水分的報(bào)道，但是對用微波法測量鎂質(zhì)硅酸鎳礦水分的研究尚未見到，因此，研究微波法測定鎂質(zhì)硅酸鎳礦水分具有重要的實(shí)際意義。文章研究采用微波技術(shù)快速測定鎂質(zhì)硅酸鎳礦的水分，為在火法處理鎂質(zhì)硅酸鎳礦過程中測定水分提供一種新方法。2實(shí)驗(yàn)部分2暢1實(shí)驗(yàn)原料實(shí)驗(yàn)原料來自云南省元江縣某鎳礦廠，鎳以硅酸鎳主，占左右

4、，其原料成分見表。表1原料化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1The composition of garnierite materials元素Ni Mg Fe Co Al Si 鎂質(zhì)礦含量桙暢暢暢暢暢暢以此為原料，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，加入不同比例的水，可得到不同含水量的鎂質(zhì)硅酸鎳礦作為實(shí)驗(yàn)樣品。2暢2測試原理微波是指頻率范圍在MHz GHz 的電磁波，廣泛用于集群通信、移動(dòng)通信、無線接入、衛(wèi)星通信、雷達(dá)和微波化學(xué)等高技術(shù)領(lǐng)域。近年來，微波測量物質(zhì)水分的技術(shù)發(fā)展迅速，微波水分測量設(shè)備已用于茶葉、卷煙等制品以及木材、藥品、電工絕緣材料、紡織紗線、鑄造型砂、煤炭、混凝土等物料的水02中國工程科學(xué)分檢測中。 測

5、試原理是將微波饋入微波諧振型傳感器，在該傳感器內(nèi)，微波與物質(zhì)相互作用。若引入傳感器內(nèi)的樣品很小，微擾理論成立，則（r ）eE 倡·E d 桙W（）r eE 倡·E d 桙W（）式中，W （E倡·D H 倡·B ）（E 倡·D H 倡·B ）d 由此可見，測量傳感器引入樣品前后微波信號輸出的幅度、諧振頻率和品質(zhì)因素變化，即可反演出物質(zhì)的水分含量。圖為測量鎂質(zhì)硅酸鎳礦原料水分裝置示意圖。微波掃頻信號源微波傳感器 多功能卡計(jì)算機(jī)多功能卡 圖1微波測量鎂質(zhì)硅酸鎳礦原料水分裝置示意圖Fig 暢1Sketch of the microwave s

6、ensor system for measuringmoisture content of garnierite3檢測結(jié)果與討論3暢1檢測結(jié)果實(shí)驗(yàn)測量得到不同水分含量的鎂質(zhì)硅酸鎳礦原料的微波波譜圖見圖所示。由圖可以看出從右到左鎂質(zhì)硅酸鎳礦原料含水量由低到高的微波波譜變化規(guī)律。圖中，橫軸表示微波傳感器諧振頻率（GHz ），縱軸表示微波傳感器輸出電壓（V ）。微波波譜圖顯示了鎂質(zhì)硅酸鎳礦水分含量與諧振頻率以及輸出電壓等的關(guān)系，采用曲線擬合的方式得到描述這些關(guān)系的方程后，即可通過程序計(jì)算出樣品含水量。3暢2含水的影響圖圖分別是通過圖所示界面進(jìn)行測量，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后獲得的各種關(guān)系曲線。當(dāng)樣品的含水量

7、為暢暢時(shí)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測量得到的水分含量與微波傳感器的輸出電壓的關(guān)系如圖所示，測量值用二次曲線擬合，其表達(dá)式為：V 暢x 暢x 暢，其中，V 為微波傳感器的輸出電壓，x 為樣品水分含量。水分含量與諧振頻率的關(guān)系如圖所示，擬合曲線的表達(dá)式為：f 暢x 暢x 暢，其中，f 為微波傳感器諧振頻率。同樣，樣品水分與微圖2不同水分含量鎂質(zhì)硅酸鎳礦原料的微波波譜圖Fig 暢2Microwave spectra of different moisturecontent garnierite圖3鎂質(zhì)硅酸鎳礦原料不同水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與微波傳感器輸出電壓的關(guān)系Fig 暢3The relation between mois

8、ture content of garnieriteand output voltage of the microwave sensor圖4鎂質(zhì)硅酸鎳礦原料不同水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與微波傳感器諧振頻率的關(guān)系Fig 暢4The relation between moisture content of garnierite and resonant frequency of the microwave sensor102年第卷第期 圖5鎂質(zhì)硅酸鎳礦原料不同水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與微波傳感器輸出電壓桙帶寬的關(guān)系Fig 暢5The relation between moisture content of garnier

9、ite and output voltage 桙bandwidth of the microwave sensor波傳感器輸出電壓桙帶寬的關(guān)系如圖所示，擬合曲線為：y 暢x 暢x 暢，其中，y 為輸出電壓與帶寬之比。將校準(zhǔn)曲線存入計(jì)算機(jī)，于是，通過測量不同水分含量鎂質(zhì)硅酸鎳礦樣品所對應(yīng)的微波傳感器的輸出電壓（V ）、諧振頻率（f ）或輸出電壓與帶寬之比（y ），即可得到其水分含量（x ）。測量結(jié)果及誤差見表表。當(dāng)鎂質(zhì)硅酸鎳礦原料的水分含量為暢暢時(shí)，從表可以看出，利用微波傳感器輸出電壓與水分含量的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，檢測結(jié)果誤差小于暢；從表可以看出，利用微波傳感器諧振頻率與水分的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，

10、檢測結(jié)果誤差小于暢；從表可以看出，利用微波傳感器輸出電壓桙帶寬與水分的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，檢測結(jié)果誤差小于暢。表2由水分與輸出電壓關(guān)系校準(zhǔn)曲線得到的鎂質(zhì)硅酸鎳礦水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2Experimental results is extracted from the fitting curve of the relation between garnierite moisture contentand output voltage of the microwave sensor水質(zhì)量分?jǐn)?shù)桙暢暢暢暢暢暢暢暢暢暢檢測值桙暢±暢暢±暢暢±暢暢±暢暢&

11、#177;暢暢±暢暢±暢暢±暢暢±暢暢±暢表3由水分與諧振頻率關(guān)系校準(zhǔn)曲線得到的鎂質(zhì)硅酸鎳礦水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3Experimental results is extracted from the fitting curve of the relation between garnieritemoisture content and resonant frequency of the microwave sensor水質(zhì)量分?jǐn)?shù)桙暢暢暢暢暢暢暢暢暢暢檢測值桙暢±暢暢±暢暢±暢暢±暢暢±

12、;暢暢±暢暢±暢暢±暢暢±暢暢±暢表4由水分與輸出電壓桙帶寬關(guān)系校準(zhǔn)曲線得到的鎂質(zhì)硅酸鎳礦水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4Experimental results is extracted from the fitting curve of the relation between garnieritemoisture content and output voltage 桙bandwidth of the microwave sensor水質(zhì)量分?jǐn)?shù)桙暢暢暢暢暢暢暢暢暢暢檢測值桙暢±暢暢±暢暢±暢暢±暢

13、暢±暢暢±暢暢±暢暢±暢暢±暢暢±暢4實(shí)驗(yàn)裝置特性介紹及其使用方法4暢1實(shí)驗(yàn)裝置特性介紹微波諧振腔、微波掃頻信號源和檢波放大處理電路集成在一起，實(shí)驗(yàn)裝置性能可靠；微波被屏蔽在傳感器內(nèi)，傳感器外無微波輻射，對操作人員無害，是綠色環(huán)保產(chǎn)品；主要微波器件為軍品級，可靠性高，穩(wěn)定性好；充分利用計(jì)算機(jī)資源，數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大。4暢2實(shí)驗(yàn)裝置使用方法本實(shí)驗(yàn)裝置的用戶界面如圖所示。測量前先開機(jī)半小時(shí)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后方可使用本裝置進(jìn)行水分測量。測量前應(yīng)首先設(shè)置好物質(zhì)類型、水分測量算法、溫度及掃描范圍。其次，應(yīng)在腔體中放入樣品，通過單擊校準(zhǔn)鍵，并觀察光標(biāo)讀

14、數(shù)和調(diào)整掃描范圍，確定好微波波譜坐標(biāo)系，以便觀察。最后單擊測量鍵以及水分計(jì)算鍵，可以在右下方的顯示框中得到該樣品的水分。202中國工程科學(xué)5結(jié)論）鎂質(zhì)硅酸鎳礦原料水分含量為暢暢時(shí)，檢測結(jié)果誤差小于暢；）利用本文介紹的技術(shù)有望解決鎂質(zhì)硅酸鎳礦原料水分在線檢測的問題，相關(guān)工作正在進(jìn)行。參考文獻(xiàn)蔣繼穆，孫倬，王協(xié)邦重有色金屬冶煉設(shè)計(jì)手冊（銅鎳卷）M 北京：冶金工業(yè)出版社，李建華，程威，肖志海紅土鎳礦處理工藝綜述J 濕法冶金，（）：王曉民濕法冶金處理氧化鎳礦的現(xiàn)狀J 金川科技，（）：黃銘，彭金輝，楊晶晶微波快速測量球團(tuán)鐵精礦混合原料水分新方法J 物理測試，（）：黃銘，彭金輝，王威廉，等微波快速測量硫化

15、鎳精礦水分新方法的研究J 金屬礦山，（）：Huang Ming ，Peng Jinhui ，Yang Jingjing ，et al Microwave cavityperturbation technique for measuring the moisture content of minerals sulphide concentrate J Minerals Engineering ，（）：Huang Ming ，Yang Jingjing ，Wang Jiaqiang ，et al Microwave sensor formeasuring the properties of a l

16、iquid drop J Measurement Science and Technology ，（）：黃銘，彭金輝，宗容，等微波測量氫氧化鋁水分新方法的研究J 輕金屬，：Application Research on Quick Measuring Moisture ofGarnierite by Means of Microwave SensorFan Xingxiang ，Yang Jingjing ，Huang Ming ，Wang Yunhua ，Li Baiyu （1暢Kunming Institute of Precious Metals Er Huan Bei Lu ，He T

17、ao qing ，Kunming China ，650221；2暢Faculty of Materials and Metallurgical Engineering ，Kunming University of Science and Technology ，Kunming ，650093，China ；3暢School of Information Science and Engineering ，Yunnan University ，Kunming ，650091，China ）Abstract A novel method for quick measuring moisture of garnierite by means of microwave sensor wasinvestigated ，and the effects of the different moisture content on the measuring results were analyzed and discussed indetail