微波輻照預(yù)處理技術(shù)在難選鐵礦石磨礦中的應(yīng)用*

徐宏達(dá) 張 新 馬藝聞

(遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

微波輻照能引起礦石內(nèi)部分子的振動而產(chǎn)生熱量。隨著微波技術(shù)的迅速發(fā)展，根據(jù)礦石內(nèi)部不同礦物吸收微波能力不同的特點，可將其應(yīng)用于礦物加工過程。目前該項研究已逐漸深入，微波技術(shù)在金屬礦石磨礦領(lǐng)域中潛在的應(yīng)用價值也受到越來越多的重視[1-3]。我國鐵礦石脈石礦物主要以石英、方解石、磷灰石和金紅石為主[4]，脈石礦物在微波輻照下升溫速率很慢，而有用礦物升溫速率較快。微波選擇性加熱的特性可以使有用礦物與脈石礦物之間形成明顯的局部溫差，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力達(dá)到一定大小時，礦物界面上就會產(chǎn)生裂縫，使礦石更易磨，從而降低磨礦能耗[5-7]。為給難選鐵礦資源的開發(fā)利用提供新思路，提高鐵礦資源利用率，對微波輻照在難選鮞狀赤鐵礦和鈦鐵礦磨礦中的應(yīng)用進(jìn)行綜合分析。

1 微波輻照影響因素

磨礦可使有用礦物與脈石礦物解離，為選別過程提供適宜粒級的給礦。磨礦過程能耗很高，且碎磨作業(yè)中約30%～50%的能量(礦石堅硬時高達(dá)70%)被消耗，真正用于生成礦石新生表面的能量僅1%左右。微波技術(shù)作為提高能量利用率、降低碎磨能量消耗的一種新興處理手段備受關(guān)注[8-10]。

1.1 外部因素

影響微波輻照礦石可磨性的外部因素主要是人為可控因素，主要包括礦石粒度、礦石質(zhì)量、照射時間、輻照功率、輻照后冷卻處理方式及輻照方式等。Kumar等[11]采用900 W微波爐加熱0.5 kg礦樣，加熱時間分別為30，60，90，120 s，研究微波加熱預(yù)處理對鐵含量62%的赤鐵礦可磨性的影響。結(jié)果表明，微波加熱預(yù)處理后礦石產(chǎn)生微細(xì)裂紋，且微波輻照時間越長，裂紋越明顯。

礦物顆粒大小[12-13]對微波加熱助磨有明顯影響。細(xì)粒礦石初始加熱速率慢，熱量流失快，熱應(yīng)力小，微波輻照助磨效果不明顯；礦石顆粒較粗時，微波加熱預(yù)處理后助磨礦效果明顯改善。主要原因是粗粒礦石初始加熱速率快，不容易散熱，保溫效果好，熱應(yīng)力較大。

何春林[14]發(fā)現(xiàn)微波加熱預(yù)處理的鐵礦石質(zhì)量越少、加熱預(yù)處理時間越長，加熱終點溫度越高，微波加熱預(yù)處理助磨效果越好。錢功明等[15]開展微波處理對鮞狀赤鐵礦解離的影響試驗，發(fā)現(xiàn)微波加熱時間較長時，過高的溫度會使礦石組分發(fā)生相變，不同組分會重新粘連、聚結(jié)在一起，礦石礦物之間的解離又變得困難。因此要想達(dá)到微波助磨礦石的最佳效果，必須權(quán)衡微波加熱功率與處理時間之間的關(guān)系。

李軍等[16]研究微波助磨技術(shù)發(fā)現(xiàn)，加熱時間和微波功率對礦石助磨效果均有影響。粒度20～30 mm鐵礦石用功率分別為0，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 kW的微波對礦石進(jìn)行等時輻照后，立即水淬冷卻，充分干燥后進(jìn)行磨礦—篩分試驗。結(jié)果表明，微波功率越高，磨礦產(chǎn)品中-0.074 mm粒級含量越高；在同樣微波輻照條件下，水淬冷卻處理的礦石磨礦效果比自然冷卻的礦石要好；在相同的微波輻照功率下，礦石粒度對微波輻照助磨效果也存在明顯差異。礦石粒度為20～30 mm時，助磨效果差別較為明顯；當(dāng)?shù)V石粒度較小且有用礦物已單體解離時，微波輻照對助磨效果影響很小。Jones等[17]對比連續(xù)性微波和脈沖式微波兩種方式對礦石助磨效果的影響，發(fā)現(xiàn)脈沖式微波輻照較大硬度礦石時助磨效果顯著優(yōu)于連續(xù)性微波；微波輻照不規(guī)則形狀礦石的助磨效果要比規(guī)則形狀的要好。影響微波輻照礦石助磨效果的外部因素人為可控，避免這些因素能大大降低碎磨能耗。

1.2 內(nèi)在因素

影響微波輻照礦石助磨效果的內(nèi)在因素通常難以控制，主要包括礦石對微波的吸收特性、礦石鐵含量、熱膨脹系數(shù)、介電損耗因數(shù)等。

彭金輝等[18-19]研究發(fā)現(xiàn)，礦石在微波場中的升溫速率取決于自身介電常數(shù)。介電常數(shù)越大，礦物升溫速率越大。礦石內(nèi)部各礦物介電常數(shù)和升溫速率不同，微波輻照下礦石內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)小裂紋。何春林[14]發(fā)現(xiàn)在相同的微波輻照條件下，含F(xiàn)e礦物的礦石相比含Sn、Pb、Zn礦物的礦石磨礦效果更好。粗略計算，微波加熱預(yù)處理磨礦能耗僅為傳統(tǒng)加熱預(yù)處理的1/20。Jones等應(yīng)用有限元差值模擬黃鐵礦-方解石模型的準(zhǔn)靜態(tài)熱形變，發(fā)現(xiàn)礦石內(nèi)部各礦物的熱膨脹系數(shù)不同時，微波輻照后礦物晶格會產(chǎn)生應(yīng)變；當(dāng)應(yīng)變超過礦物自身強度時，產(chǎn)生裂紋；且微波輻照功率越大，裂紋越明顯；經(jīng)微波輻照后，不規(guī)則形狀的礦石較規(guī)則形狀的裂紋更明顯。

有文獻(xiàn)表明[20-24]，微波輻照礦石助磨效果還與介電損耗因數(shù)有關(guān)。礦石內(nèi)不同礦物介電損耗因數(shù)不同，短時間內(nèi)吸收微波的能力也不同，從而產(chǎn)生不同的局部溫度差和熱應(yīng)力，進(jìn)而影響內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生。

雖然影響微波輻照預(yù)處理礦石可磨性的內(nèi)在因素難以控制，但可通過預(yù)判礦石鐵含量、熱膨脹系數(shù)、介電損耗因數(shù)等指導(dǎo)微波輻照預(yù)處理礦石的后續(xù)相關(guān)試驗，從而提高礦石可磨性。

2 微波輻照預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用

2.1 在鮞狀赤鐵礦磨礦中的應(yīng)用

鮞狀赤鐵礦占我國鐵礦資源總儲量的10%以上，但其與石英、鮞狀綠泥石、膠磷礦和黏土礦物層層環(huán)狀包裹，易形成鮞粒，嵌布粒度極細(xì)，要實現(xiàn)礦物間的單體解離，需將其細(xì)磨至-20 μm甚至1～5 μm，極易泥化，目前仍缺少成熟的技術(shù)實現(xiàn)該類礦石的工業(yè)化開發(fā)利用[25-28]。

有研究人員采用微波輻照預(yù)處理鮞狀赤鐵礦，考察微波輻射后礦物力學(xué)性質(zhì)的變化，分析微波輻照對鮞狀赤鐵礦磨礦過程的影響，取得了一定的成果。唐惠慶等[29]通過微波輻照預(yù)處理鮞狀高磷赤鐵礦發(fā)現(xiàn)，處理后的礦石內(nèi)部環(huán)狀磷灰石層結(jié)構(gòu)遭到破壞，出現(xiàn)大量的微細(xì)裂痕和疏松結(jié)構(gòu)，有利于磨礦。陳鵬飛等[30]研究發(fā)現(xiàn)微波輻照預(yù)處理可以有效降低鐵礦石的抗壓強度，在相同的磨礦時間內(nèi)，磨礦產(chǎn)品細(xì)度比未處理的要小。Omran等[31]分別采用微波輻照加熱方式和傳統(tǒng)加熱方式處理埃及阿斯旺地區(qū)鮞狀赤鐵礦，對比發(fā)現(xiàn)微波輻照處理可以提高礦石可磨性，相比傳統(tǒng)加熱方式能明顯降低磨礦能耗。錢功明等[32]將礦石置于工業(yè)微波高溫加熱裝置內(nèi)進(jìn)行微波處理，處理后在球磨機內(nèi)進(jìn)行磨礦，控制礦漿濃度40%，考察磨礦細(xì)度。結(jié)果表明，當(dāng)微波功率不小于2 000 W時，隨著微波功率的增加，磨礦細(xì)度-0.074 mm粒級含量先增加后減小，并且微波功率越高，-0.074 mm粒級含量達(dá)到最大值所需的時間越短，即礦物達(dá)到最大單體解離度的時間越短。錢功明等[33]又以鄂西鮞狀赤鐵礦為研究對象,采用不同功率與加熱時間對其進(jìn)行微波輻照預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)礦石升溫速率隨功率的增大而增加；經(jīng)不同條件的微波輻照預(yù)處理后，赤鐵礦與脈石顆粒間出現(xiàn)明顯裂縫，礦石比表面積與孔隙率分別提高了43.8%～51.9%和20.9%～40.0%；相同磨礦條件下，經(jīng)功率2 000 W、照射時間45 s微波輻照處理后，磨礦產(chǎn)品-0.038 mm和-0.074 mm粒級產(chǎn)率最高分別可提升37.2%、43.4%，邦德球磨礦功指數(shù)最多可下降13.6%；微波輻照預(yù)處理能降低磨礦過程功耗，當(dāng)磨礦產(chǎn)品-0.038 mm粒級產(chǎn)率49.2%時，最大能耗降幅為21.4%。說明微波輻照預(yù)處理鄂西鮞狀赤鐵礦，能顯著改善磨礦效果、降低磨礦能耗。

2.2 在難選鈦鐵礦中的應(yīng)用

我國鈦鐵礦資源豐富，鈦鐵礦組成較為復(fù)雜，礦物之間共生關(guān)系密切，較難單體解離，給資源的高效利用帶來了困難。為達(dá)到理想的單體解離度，往往需要對礦石進(jìn)行細(xì)磨，而磨礦時間過長則會造成大量微細(xì)粒級鈦鐵礦無法有效回收[34-37]。

Kingman等[38-39]研究微波輻照加熱后挪威某鈦鐵礦礦石性質(zhì)的變化，發(fā)現(xiàn)短時間內(nèi)大功率微波輻照可以顯著降低礦石強度，磨礦功指數(shù)最高可降低90%，能節(jié)約一半電耗，助磨效果明顯。N A Rowson[40]研究發(fā)現(xiàn)微波輻照預(yù)處理可增加鈦鐵礦礦石中的粒間裂隙,從而提高鈦鐵礦單體解離度。李軍等[41]在微波功率1 000 W的條件下對50 g粒度20～30 mm攀枝花某鈦鐵礦石進(jìn)行微波輻照預(yù)處理，研究其對磨礦過程的影響。結(jié)果表明，預(yù)處理30 s后，磨礦產(chǎn)品-0.074 mm含量達(dá)94%，比未經(jīng)預(yù)處理的提高了28%，磨礦效率明顯改善。廖雪峰等[42]控制不同微波功率和處理時間對攀枝花地區(qū)鈦鐵礦(主要礦物為磁鐵礦和鈦鐵礦)進(jìn)行微波加熱預(yù)處理，水淬冷卻干燥后進(jìn)行干磨處理。結(jié)果表明，在微波功率3 000 W、處理時間29.08 s、礦石質(zhì)量42.23 g的最佳條件下，試驗最終磁精礦產(chǎn)率71.76%，相比未經(jīng)微波輻照預(yù)處理，提高了27.16%。

為解釋微波輻照預(yù)處理對鈦鐵礦磨礦促進(jìn)作用的根本原因，歐陽紅勇等[43]對攀枝花鈦鐵礦在微波輻照場中的升溫機理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同性狀的礦石升溫特性不同；細(xì)粒級鈦鐵礦比粗粒級鈦鐵礦在低溫段的升溫速度更快，預(yù)氧化處理會降低鈦鐵礦的升溫能力。

微波輻照預(yù)處理難選鈦鐵礦效果較好，因此可以考慮將微波輻照預(yù)處理技術(shù)與其他工藝相結(jié)合，以獲得較為理想的回收指標(biāo)[44-48]。

3 結(jié) 論

微波輻照預(yù)處理技術(shù)能改善礦石磨礦效果，節(jié)約磨礦能耗。礦石粒度、礦石質(zhì)量、照射時間、輻照功率、輻照后冷卻處理方式及輻照方式等是影響微波輻照預(yù)處理效果的人為可控因素，礦石對微波的吸收特性、礦石鐵含量、熱膨脹系數(shù)、介電損耗因數(shù)等是不可控的內(nèi)在因素。盡量減少這些因素的不良影響，以盡可能地發(fā)揮微波輻照預(yù)處理技術(shù)對促進(jìn)礦石磨礦、提高礦物單體解離度的作用。

微波輻照預(yù)處理鮞狀赤鐵礦和難選鈦鐵礦效果較好，能顯著降低磨礦過程功耗，需要根據(jù)礦石性質(zhì)選擇最佳的微波輻照預(yù)處理條件，以增大輻照后礦石內(nèi)部裂紋，促進(jìn)磨礦，提高礦物單體解離度，為進(jìn)一步選別提供前提。但大部分結(jié)論僅局限于試驗，并沒有具體數(shù)據(jù)計算說明微波能耗是否可以抵消節(jié)約的磨礦能耗，實際應(yīng)用的經(jīng)濟性仍需進(jìn)一步實踐證明。

微波輻照預(yù)處理技術(shù)的研究與工業(yè)化應(yīng)用尚處于初期階段，目前仍存在許多問題需解決，如微波設(shè)備大型化、降低產(chǎn)生微波的能耗等問題。隨著科研工作者的不斷探索和對微波預(yù)處理技術(shù)研究的不斷深入，微波輻照預(yù)處理技術(shù)將在礦物加工領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。