微波场中无烟煤和烟煤电磁性能研究_冯秀梅

第38卷　第5期2007年9月 太原理工大学学报
JO U RNA L OF T A IY U A N UN IV ERSIT Y OF T ECH NO LO G Y
　V ol.38N o.5
　Sep.2007
文章编号:1007-9432(2007)05-0405-03
微波场中无烟煤和烟煤电磁性能研究
冯秀梅1,陈　津1,李　宁1,崔慧军1,刘金营2
(1.太原理工大学材料科学与工程学院,山西太原030024;
2.中国电子科技集团公司第十二研究所,北京100016)
摘　要:对无烟煤和烟煤在2～18GH z微波频段间的电磁性质及其变化规律进行了系统分析和研究。

结果表明,无烟煤和烟煤均属于电阻型吸波材料,电磁能主要衰减在材料电阻上。

无烟煤的电磁性能优于烟煤,在微波冶金常用的2.45GH z处,更适宜用无烟煤作还原剂,达到快速升温进而还原的目的。

本结论对微波冶金研究工作有一定的指导意义。

关键词:无烟煤;烟煤;电磁行为;微波频率
中图分类号:T F05;T Q531.3 文献标识码:A
我国煤矿地质条件复杂,煤种繁多。

自然界的煤是以有机质为主,并含有多种无机矿物杂质和各种孔隙的碳基材料。

煤大分子结构单元的核心为缩聚芳环、氢化芳环或各种杂环。

煤的结构是多元非晶态的[1]。

物质结构与电、磁现象是有直接联系的,煤的电、磁性也随煤分子结构的变化(表现在煤化度即碳含量的变化上)而变化[2]。

在利用微波加热进行冶金物料的碳热还原过程中,煤的电磁性质在微波场中的变化对微波冶金的效果影响很大。

影响其电磁性质的因素很多,有变质程度、湿度、各向异性、温度和测试频率等[3]。

在微波频率下,描述煤电磁性质的物理量(介电常数和磁导率)为复数:ε=ε′-iε″,μ=μ′-iμ″。

国内外许多文献报道了煤电性质和热性质及其物理结构特征[4-7],但对无烟煤和烟煤电磁性质的报道还很少。

笔者拟研究2～18GH z微波频段间无烟煤和烟煤的电磁性质及其变化规律。

1　实验部分
1.1　煤样制备
实验所用无烟煤为阳泉煤,烟煤为大同煤,由东鑫牌全封MZF1型粉碎制样机将无烟煤和烟煤分别制成粒度为-200目的物料。

1.2　工业分析与灰分分析
实验所用无烟煤和烟煤的工业分析和灰分分析在721分光光度计上进行,由中国冶金地质勘查工程总局第三地质中心试验室测定。

无烟煤和烟煤的工业分析见表1,灰分分析见表2。

　表1　无烟煤粉和烟煤粉的工业分析(质量分数)　%煤样灰分挥发分水分硫固定碳
无烟煤21.125.903.760.3469.22
烟煤17.3027.6311.470.6043.60
表2　无烟煤粉和烟煤粉的灰分分析(质量分数)　%煤样SiO2Al2O3T i O2Fe2O3CaO MgO P 无烟煤49.5018.371.2011.4611.89 2.400.49烟煤49.5018.290.8410.5912.73 1.900.26 1.3　试样制备和电磁参数测试
1)试样制备。

将-200目的煤样颗粒和石蜡基体混合均匀,将共混物倒入波导片中固化,固化后切成2.00m m×10.16mm×22.86m m的标准测试试样,其中煤粉的质量分数为75%。

2)测试方法。

电磁参数测试采用波导型传输反射法测量系统,测量仪器为北京航空材料研究院H P8722ES矢量网络分析仪。

该方法是将待测试样的波导段作为传输系统的一部分来测量它的特性参量的。

填充均匀各向同性的煤样颗粒和石蜡的一段波导,构成一有耗二端口网络,如图1所示。

通过网络分析仪测量该网络的散射参数S11、S21(S参数的第一个下标表示激励端口,第二个下标表示被测量的出射波输出端口),据此计算样品材料的电磁参数ε′,ε″,μ′,μ″。

测试频段为2～18GH z,测试温度为25℃。

*收稿日期:2007-01-25
基金项目:国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助项目(50474083)
作者简介:冯秀梅(1972-),女,山西孝义人,硕士,主要从事矿物电磁学研究,(E-mail)fengxium eity@
图1　S 参数示意图
2　结果和讨论
2.1　无烟煤和烟煤的电磁性能
图2、图3分别为阳泉无烟煤和大同烟煤介电常数(ε′)和介质损耗因子(ε″)随频率变化关系曲线。

由曲线可以看出,无烟煤的ε′随频率增加而减小(在2～14GH z 频率范围内,变化不明显),与吕绍林[8]
等人的结果一致,也符合一般电介质变化规律[9]。

无烟煤的ε″随频率增加先增大再减小,在13.80GH z 处取
值最大。

由于电导机理和极化机理相似[10]
,在此频率处电子跃迁频率和电场频率几乎相等,因而ε″达到最大值。

由曲线可以看出,烟煤的ε′、ε″随频率变化不明显,与文献结果一致。

并且,无烟煤的ε′、ε″大于烟
煤粉的ε′、ε″,这是由于煤的电性质与煤变质程度有关,即与煤的大分子结构有关,变质程度越大,自由电子数量越多,且其活动性越强,ε′、ε″越大,与文献[8,11]结果一致。

反过来,也可根据复介电常数数值判断煤的变质程度。

图4、图5分别为阳泉无烟煤和大同烟煤磁导率(μ′)和磁损耗因子(μ″)随频率变化关系曲线。

随着频率增加,无烟煤的μ′先减小再增大,μ″变化与磁导率变化相反,先增大再减小;烟煤的μ′、μ″随频率增加几乎保持不变。

图2　无烟煤和烟煤ε′随频率变化曲线 图3　无烟煤和烟煤ε″
随频率变化曲线
图4　无烟煤和烟煤μ′随频率变化曲线 图5　无烟煤和烟煤μ″随频率变化曲线
无烟煤的μ′、μ″较小,μ′的范围为0.75～1.02,μ″的范围为-0.21～0.09;烟煤的μ′几乎等于1,μ″等于0。

按微波衰减损耗机理,传统吸波材料可分为电阻型、电介质型和磁介质型[12]。

无烟煤和烟煤均属于电阻型吸波材料,具有较高的电损耗正切角,电磁能主要衰减在材料电阻上。

2.2　无烟煤和烟煤的电磁性能分析
影响煤介电常数的因素很多,如变质程度、水分和灰分等。

煤的变质程度用煤大分子中碳原子的质量分数w (C )表示。

由表1可以看出,本研究的无烟煤和烟煤的w (C )=69.22%,43.60%,且无烟煤
的ε′、ε″均高于烟煤的ε′、ε″。

ε′、ε″均随w (C )的升高而增大,这是由煤大分子结构所决定的。

质量分数越大,缩合芳环越大[13]
,结构有序性越强,游离的载流子越多,使得其导电性增强,ε′、ε″也随之增大。

并且煤的变质程度越大,其孔体积和孔隙率越大,ε′、ε″也随之增大。

随着水分增加,煤的电阻率普遍下降,但湿度对无烟煤、烟煤影响比较小[3]。

因此,尽管烟煤水分含量高于无烟煤(表1),但对它们的ε′、ε″影响较小。

煤灰化学成分是从整体上表征灰的元素组成,不能确切反映各矿物元素究竟以何种化合物、晶体
406
太原理工大学学报 第38卷　
或共晶体及无定形玻璃体等形态存在,但根据煤灰成分分析可以定性分析煤中矿物质。

由表2灰分分析结果知,本测试无烟煤和烟煤中的主要矿物质为石英(SiO 2含量最高),高岭土(A l 2O 3含量较高)、方解石(CaO 含量较高)和菱铁矿(Fe 2O 3含量较高)含量也较高;石英、方解石和高岭土的ε′、ε″较小,均小于测试的无烟煤和烟煤的ε′、ε″;菱铁矿的ε′、ε″高于无烟煤和烟煤,但其相对含量太小,对无烟煤和烟煤的贡献较小。

表1、表2数据表明,无烟煤和烟煤的灰分含量及其化学组成相近,因此两种煤样的矿物质对两种煤ε′、ε″的影响也相近。

2.3　无烟煤和烟煤在2.45GH z 下的电磁性能
无烟煤和烟煤属于电阻损耗型,这类损耗与电导率有关,电导率越大,载流子引起的宏观电流越大(电场引起的电流和磁场变化引起的涡流),有利于电磁能转变为热能[14]。

表3列出了无烟煤和烟煤在2.45GH z 下的电磁参数。

从表中数据可以看出,无烟煤粉的ε′、ε″、σ远远大于烟煤粉的ε′、ε″、σ,表明无烟煤粉在频率为2.45GH z 的微波场中,更易极化,更能有效、快速地将微波能转化为热能而升温。

文献[15]中的实验证明,在微波场中,无烟煤、
烟煤的升温速率分别为68.47,53.27℃/min ,理论
和实验相符。

因此,在微波冶金上,我们更适宜用无烟煤作还原剂,达到快速升温进而还原的目的。

表3　无烟煤和烟煤的电磁参数(2.45GH z ,25℃)
煤样ε′ε″tan δE μ′μ″
tan δM σ/(S m
-1)无烟煤36.8510.650.0290.97-0.03-0.031 1.448烟煤
3.64
0.04
0.011
0.98
-0.05-0.051
0.013
3　结论
无烟煤和烟煤均属于电阻型吸波材料,具有较
高的电损耗正切角,电磁能主要衰减在材料电阻上。

1)2～18GH z 微波频段间,无烟煤的ε′、ε″随频率增加而减小,烟煤的ε′、ε″几乎不随频率变化而变化;无烟煤的ε′、ε″大于烟煤的ε′、ε″。

2)2～18GH z 微波频段间,无烟煤的μ′随频率增加先减小再增大,μ″随频率增加先增大再减小;烟煤的μ′、μ″几乎不随频率变化。

3)在2.45GH z 处,无烟煤的电磁性能优于烟煤的电磁性能,无烟煤更适宜用作微波冶金的还原剂,达到快速升温进而还原的目的。

参考文献:
[1]　徐龙君,张代钧,鲜学福.煤的超细物理结构特征[J ].重庆大学学报(自然科学版),1997,20(1):31-37.[2]　陈文敏,张自劭.煤化学基础[M ].北京:煤炭工业出版社,1983.
[3]　徐宏武.煤层电性参数的测试和研究[J ].煤田地质与勘探,1996,24(2):53-56.[4]　徐龙君,张代钧,鲜学福.煤的电性质和热性质[J ].煤炭转化,1996,19(3):56-62.
[5]　徐龙君,鲜学福,李晓红,等.交变电场下白皎煤介电性质的研究[J ].重庆大学学报(自然科学版),1998,21(3):6-10.[6]　Ginu tini J C ,Zancheta J V ,Diaby S.C haracterization of Coals b y the S tudy of C om plex Permittivity [J ].Fuel ,1987,66:179.[7]　M ens ter M ,E rgun S.A C orrelation b etw een Helium Density an d H ydrogen Content of Coals [J ].Fuel ,1960,39:509.[8]　吕绍林,何继善.瓦斯突出煤体的介电性质研究[J ].世界地质,1997,16(4):43-46.[9]　张兆镗,钟若青.微波加热技术基础[M ].电子工业出版社,1988.
[10]　Ravin der D.A Chandrashekhar Reddy [J ].M aterials Letters ,2003(57):2855-2860.
[11]　徐龙君,刘成伦,鲜学福.频率对突出区煤导电性的影响[J ].矿业安全与环保,2000,27(6):25-26.[12]　步文博,徐洁,丘泰,等.吸波材料的基础研究及微波损耗机理的探讨[J ].材料导报,2001,15(5):14-17.[13]　徐龙君.突出区煤的超细结构、电性质、吸附特征及其应用的研究[D ].重庆:重庆大学资环学院,1996.[14]　周克省,黄可龙,孔德明,等.吸波材料的物理机制及其设计[J ].中南工业大学学报,2001,32(6):617-621.[15]　陈津.微波加热还原自熔性含碳球团的应用基础研究[D ].北京:钢铁研究总院博士学位论文,2003.
(下转第411页)
407
　第5期 冯秀梅等:微波场中无烟煤和烟煤电磁性能研究
Research on Spraying Interface of Non -self -fluxing
Copper Powdered Alloy on Cast Iron
WEI Xiao -jia ,HA O Hu -zai ,GUO Zhi -an
(College of Materials S cience and Engineering o f TUT ,T aiy uan 030024,China )
A bstract :By adding the additive into the non -self -fluxing co ppe r pow dered alloy ,as a result ,the pow der sho w s self -fluxing and improves the o xyg en -acety lene flam e spraying.The additive
pro motes po wder w etting on iron surface ,and can absorb co ppe r oxide w hen spraying ,because it creates a layer of film to cover the co pper liquid ,w hich can protect the copper liquid fro m oxidi -zing efficiently ,and m ake atoms diffuse and co mbine between Cu and Fe ,thereby it upgrades the usag e v alue of g eneral pow der.Through analy sis of micro structures ,it is found that the fastness and co mpactness o f the com bining interface are ex cellent ,and the coating hardness is suitable.The mechanical property can entirely meet the needs of industrial parts.
Key words :non -self -fluxing ;copper po w dered alloy ;spraying co pper o n cast iron interface ;transition area
(编辑:庞富祥)
(上接第407页)
Study on Electromagnetic Properties
of Anthracite and Soft Coal in Microwave Field
FENG Xiu -mei 1,CHEN Jin 1,LI Ning 1,C UI Hui -jun 1,LIU Jin -ying 2
(1.College of Materials and Science Engineering o f T UT ,T aiy uan 030024,China ;
2.12th Research I nstitute of China Electronics T echnolog y Group Company ,B ei jing 100016,China )
A bstract :In this paper the electromag netic properties of anthracite and soft coal and their
changing rule in 2～18GH z microw ave frequency rang e a re sy stemically analyzed and studied.The result indicates that anthracite and soft coal belong to resistance loss w ave abso rption material ,in w hich electro magnetic energy mainly w eakens in the material resistance.It is concluded that the electrom agne tic perform ance of anthracite is better than that of soft coal.At frequency 2.45GH z comm only used in microw ave me tallurgy ,anth racite is suitable for reducing ag ent to achieve the g oal o f the fast elevatio n of temperature then returning to o riginal state.
Key words :anthracite ;so ft coal ;electromagnetic behavior ;microw ave frequency
(编辑:庞富祥)
411
　第5期 蔚晓嘉等:非自熔性铜粉与铸铁喷焊结合的界面研究。