微波照射對(duì)鞍山式鐵礦石磨礦效果的影響

徐宏達(dá) 孫體昌 馬藝聞

（1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京100083；2.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧鞍山114051）

在選礦廠生產(chǎn)過(guò)程中，破碎磨礦的能量消耗占選礦廠總能耗的65%～70%，但其中真正用于礦石生成新表面的能量?jī)H為1%左右［1-3］。有研究表明［4-8］，微波照射可以明顯提高礦石的磨礦效果。由于礦石內(nèi)部各礦物的介電常數(shù)和損耗角正切值不相等，微波場(chǎng)中脈石礦物和有用礦物之間形成明顯的溫度差，進(jìn)而產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，礦物界面上就會(huì)產(chǎn)生裂縫，使得礦石更易磨，從而實(shí)現(xiàn)提高磨礦效率的目的。

錢(qián)功明等［9］采用微波照射對(duì)鄂西鮞狀赤鐵礦進(jìn)行處理，結(jié)果表明微波照射可促進(jìn)鮞狀赤鐵礦的解離，并提高磨機(jī)的生產(chǎn)能力，最高增量可達(dá)23.51%，具有明顯的助磨效果。王俊鵬等［10］研究了微波照射對(duì)釩鈦磁鐵礦磨礦性能的影響，結(jié)果表明微波照射后礦石內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的晶界裂紋，使更多的單體礦物解離出來(lái)。在微波功率為4 kW、照射時(shí)間為100 s的條件下對(duì)試樣進(jìn)行微波照射，磨礦產(chǎn)品中-0.074 mm粒級(jí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由原礦的72%提高到95%。微波處理對(duì)磨礦效果的影響研究，多以鄂西鮞狀赤鐵礦和釩鈦磁鐵礦為研究對(duì)象，而針對(duì)浸染粒度較細(xì)的鞍山式鐵礦石的研究則涉及較少［11-12］。為此，本研究以鞍山式赤鐵礦石為研究對(duì)象，采用脈沖式微波照射裝置對(duì)其進(jìn)行微波照射處理，系統(tǒng)研究了微波照射功率、微波照射時(shí)間、礦石塊度以及冷卻方式等對(duì)其磨礦效果的影響，確定了鞍山式赤鐵礦石微波照射的最佳試驗(yàn)條件。此外，對(duì)比了微波照射對(duì)鞍山式赤鐵礦石和磁鐵礦石磨礦效果的影響，研究結(jié)果可為同類(lèi)型礦石的助磨工藝提供參考。

1 礦石性質(zhì)及研究方法

1.1 礦石性質(zhì)

試驗(yàn)所用赤鐵礦石和磁鐵礦石取自遼寧省鞍山市某選礦廠，石英取自南非某地區(qū)純度較高的2～5 mm塊狀純礦物。對(duì)以上3種礦石分別進(jìn)行化學(xué)多元素分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，赤鐵礦礦石的TFe品位為34.25%，F(xiàn)eO含量為6.85%，磁鐵礦礦石的TFe品位為32.15%，F(xiàn)eO含量為16.51%，赤鐵礦和磁鐵礦中主要脈石成分SiO2的含量則分別為56.68%、42.32%。試驗(yàn)用石英的SiO2含量大于95.10%，純度符合試驗(yàn)要求。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及試樣制備

試驗(yàn)所用到的主要設(shè)備有：微波照射裝置，0～3 kW功率非連續(xù)可調(diào)，頻率2 450 MHz，無(wú)錫三樂(lè)工業(yè)微波技術(shù)應(yīng)用有限公司生產(chǎn)；PE-150 mm×200 mm和PE-100 mm×125 mm型顎式破碎機(jī)；XMQ型?200 mm×240 mm球磨機(jī)，容積7.5 L，轉(zhuǎn)速110 r/min；G15-100型角磨機(jī)，轉(zhuǎn)速11 000 r/min，砂輪直徑100 mm。

由文獻(xiàn)［1，13-14］以及前期探索試驗(yàn)結(jié)果可知，15～20 mm、20～25 mm、25～30 mm這3個(gè)塊度的礦石經(jīng)微波照射后磨礦，產(chǎn)品-0.074 mm粒級(jí)含量變化明顯?；诖?，本試驗(yàn)將礦樣置于PE-150 mm×200 mm型顎式破碎機(jī)進(jìn)行破碎，破碎機(jī)的最大給料粒度為120 mm，設(shè)置排料口粒度為30 mm，破碎后的礦石篩分成4個(gè)粒級(jí)（0～15 mm、15～20 mm、20～25 mm、25～30 mm），其中0～15 mm粒級(jí)的試樣備用。

1.3 研究方法

每次取50 g試樣，在一定的試驗(yàn)條件下進(jìn)行微波照射，微波照射后的試樣采用PE-100 mm×125 mm型顎式破碎機(jī)破碎，其中，破碎機(jī)的最大給料粒度為80 mm，設(shè)置排料口粒度為2 mm。使用XMQ型?200 mm×240 mm球磨機(jī)對(duì)破碎后的試樣進(jìn)行磨礦，入磨礦量為400 g，礦漿濃度為75%。

以鞍山地區(qū)某選礦廠一段球磨產(chǎn)品-0.074 mm約占60%測(cè)定礦石的磨礦時(shí)間，通過(guò)磨礦曲線測(cè)定鞍山式赤鐵礦石的磨礦時(shí)間為225 s，磁鐵礦石的磨礦時(shí)間為165 s。以磨礦產(chǎn)品中-0.074 mm粒級(jí)產(chǎn)率的增長(zhǎng)百分點(diǎn)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究微波照射對(duì)鞍山式赤鐵礦石磨礦效果的影響；對(duì)比了微波照射對(duì)鞍山式赤鐵礦石和磁鐵礦石磨礦效果的影響，具體試驗(yàn)流程見(jiàn)圖1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微波照射功率和照射時(shí)間對(duì)赤鐵礦石磨礦效果的影響

選取礦石塊度為20～25 mm的赤鐵礦石，微波照射后立即水淬冷卻，在微波照射時(shí)間為45 s的條件下，研究微波照射功率對(duì)赤鐵礦石磨礦效果（磨礦時(shí)間225 s）的影響，結(jié)果如圖2所示；在微波照射功率為3 kW的條件下，研究微波照射時(shí)間對(duì)赤鐵礦石磨礦效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

由圖2可知，微波照射功率對(duì)赤鐵礦石磨礦效果的影響明顯，赤鐵礦石的磨礦效果隨微波照射功率的增大而提高；與未經(jīng)微波處理的礦石相比，在相同磨礦時(shí)間（225 s）下，微波照射功率為3 kW時(shí)，磨礦產(chǎn)品的-0.074 mm粒級(jí)含量提高了5.57個(gè)百分點(diǎn)。

由圖3可知，微波照射時(shí)間對(duì)赤鐵礦石磨礦效果的影響顯著，赤鐵礦石的磨礦效果隨微波照射時(shí)間的增加而提高；繼續(xù)增加微波照射時(shí)間至60 s，赤鐵礦石的磨礦效果與微波照射45 s時(shí)相比有所下降。

以上結(jié)果表明，微波照射功率和時(shí)間均對(duì)赤鐵礦石的磨礦效果影響顯著，微波處理礦石需要選擇適宜的微波功率與照射時(shí)間才能獲得較好的礦石解離效果。

2.2 赤鐵礦礦石塊度對(duì)磨礦效果的影響

選取礦石塊度為15～20 mm、20～25 mm、25～30 mm的赤鐵礦石，在微波照射功率為3 kW、微波照射時(shí)間為45 s的條件下，采用水淬冷卻方式，研究赤鐵礦礦石塊度對(duì)磨礦效果（磨礦時(shí)間225 s）的影響，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，對(duì)鞍山式赤鐵礦而言，不同礦石塊度的礦石經(jīng)過(guò)微波照射后，具有不同的磨礦效果，該微波照射條件下20～25 mm為最佳的礦石塊度。礦石塊度為15～20 mm時(shí)，由于塊度較小，微波穿透能力過(guò)強(qiáng)，礦石升溫過(guò)高，可能導(dǎo)致礦石內(nèi)部粘連；隨著礦石塊度的增加，微波穿透能力沿礦石內(nèi)部逐漸減弱，礦石表層和礦石內(nèi)部產(chǎn)生適宜的熱應(yīng)力的時(shí)間不一致，導(dǎo)致磨礦效果下降。

2.3 微波照射后冷卻方式對(duì)赤鐵礦石磨礦效果的影響

選取礦石塊度為20～25 mm的赤鐵礦石，在微波照射功率為3 kW、微波照射時(shí)間45 s的條件下，研究微波照射后的冷卻方式對(duì)赤鐵礦石磨礦效果（磨礦時(shí)間225 s）的影響，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，照射后自然冷卻的赤鐵礦石經(jīng)磨礦處理，產(chǎn)品的-0.074 mm粒級(jí)含量比與未經(jīng)微波處理時(shí)提高了2.67個(gè)百分點(diǎn)，照射后立即水淬冷卻的赤鐵礦石經(jīng)磨礦處理，產(chǎn)品的-0.074 mm粒級(jí)含量比與未經(jīng)微波處理時(shí)提高了5.57個(gè)百分點(diǎn)。該結(jié)果說(shuō)明水淬冷卻試樣的磨礦效果明顯優(yōu)于自然冷卻試樣的。微波照射處理后，礦石內(nèi)部有用礦物與脈石礦物的界面因巨大的溫度梯度差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，在熱應(yīng)力的作用下，礦石內(nèi)部不同礦物之間會(huì)產(chǎn)生裂痕，微波照射后立即水淬冷卻，使礦石內(nèi)部有用礦物和脈石礦物之間的應(yīng)力增大，擴(kuò)大裂痕，從而提高礦石的磨礦效率［14］。

2.4 微波照射對(duì)鞍山式赤鐵礦石與磁鐵礦石碎磨特性的影響

選取礦石塊度為20～25 mm的赤鐵礦石和磁鐵礦石，在微波照射功率為3 kW、時(shí)間45 s、產(chǎn)品水淬冷卻的條件下，對(duì)比鞍山式赤鐵礦、磁鐵礦磨礦效果的差異（赤鐵礦石的磨礦時(shí)間為225 s，磁鐵礦石的磨礦時(shí)間為165 s），結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，微波照射后，赤鐵礦石磨礦產(chǎn)品-0.074 mm粒級(jí)含量提高5.57個(gè)百分點(diǎn)，而磁鐵礦石磨礦產(chǎn)品-0.074 mm粒級(jí)含量?jī)H提高2.68個(gè)百分點(diǎn)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，赤鐵礦石比磁鐵礦石更加堅(jiān)硬、難磨，說(shuō)明微波照射對(duì)此類(lèi)難磨礦石磨礦效果的提升更為顯著。

為進(jìn)一步考察微波照射對(duì)鞍山式赤鐵礦石和磁鐵礦石最大抗壓強(qiáng)度的影響，將赤鐵礦石和磁鐵礦石分別用角磨機(jī)處理成大小為15 mm×15 mm×20 mm的規(guī)則礦塊若干。試樣經(jīng)微波照射（照射功率為3 kW、照射時(shí)間為45 s）后立即水淬冷卻，接著通過(guò)WDW-10型微機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試樣的最大抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)進(jìn)行10次，取平均值，同時(shí)設(shè)置未經(jīng)微波照射的空白對(duì)照組。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，微波照射前后2種礦石的最大抗壓強(qiáng)度變化明顯，赤鐵礦石的最大抗壓強(qiáng)度為7 283.1 N，經(jīng)微波照射后最大抗壓強(qiáng)度為2 555.6 N；磁鐵礦石的最大抗壓強(qiáng)度為6 291.3 N，經(jīng)微波照射后最大抗壓強(qiáng)度為2 021.9 N。這表明，經(jīng)微波照射處理后，鞍山式赤鐵礦石和磁鐵礦石的最大抗壓強(qiáng)度顯著降低，對(duì)于鞍山式赤鐵礦石的降低程度要大于磁鐵礦石。

2.5 微波照射對(duì)鞍山式赤鐵礦微觀結(jié)構(gòu)的影響

為了了解微波照射對(duì)鞍山式赤鐵礦微觀結(jié)構(gòu)的影響，采用SEM技術(shù)比較了微波照射前后礦石的微觀結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，未經(jīng)微波照射的赤鐵礦石，其深色脈石礦物石英與淺色有用礦物赤鐵礦緊密相連，經(jīng)微波照射后的赤鐵礦石，其脈石礦物石英與赤鐵礦礦物之間存在明顯的裂痕，這些裂痕產(chǎn)生的主要原因?yàn)榈V石的不均勻膨脹和收縮應(yīng)力的擠壓。

2.6 赤鐵礦石和石英的升溫特性曲線

為研究微波照射對(duì)赤鐵礦石及主要脈石石英升溫特性曲線的影響，選取20～25 mm的礦塊50 g置于透波材質(zhì)的坩堝中，坩堝外部加保溫棉進(jìn)行保溫，將坩堝放入微波設(shè)備中加熱。以10 s為時(shí)間間隔，用紅外測(cè)溫儀測(cè)量坩堝礦石中心頂部溫度，得到不同微波照射功率下赤鐵礦石的升溫特性曲線，以及微波照射功率3 kW的石英升溫特性曲線，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，赤鐵礦石的中心頂部溫度與微波照射時(shí)間成正比；微波照射功率越大，鐵礦石中心頂部溫度越高；微波照射功率3 kW、微波照射時(shí)間60 s的赤鐵礦石，其中心頂部溫度可以達(dá)到600℃以上，而石英的溫度幾乎不隨微波加熱時(shí)間而變化。研究結(jié)果表明，微波照射可以使礦石內(nèi)部有用礦物和脈石礦物之間形成明顯的溫度差，并且微波照射功率越高，一定時(shí)間內(nèi)溫度差也越大。

3 結(jié)論

（1）對(duì)于鞍山式赤鐵礦石，微波照射能顯著提升其磨礦效果，最佳的微波照射條件為：礦石塊度20～25 mm、微波照射功率3 kW、照射時(shí)間45 s、水淬冷卻，此時(shí)，磨礦產(chǎn)品中-0.074 mm粒級(jí)含量為65.80%，相比未經(jīng)微波處理的礦樣，提高了5.57個(gè)百分點(diǎn)。

（2）在相同的微波照射條件（礦石塊度20～25 mm、微波照射功率3 kW、照射時(shí)間45 s、水淬冷卻）下，赤鐵礦石的磨礦效果要明顯優(yōu)于磁鐵礦。抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了該結(jié)論，經(jīng)微波照射后赤鐵礦石的最大抗壓強(qiáng)度為2 555.6 N，磁鐵礦石的最大抗壓強(qiáng)度為2 021.9 N，微波照射能顯著降低鞍山式赤鐵礦石和磁鐵礦石的最大抗壓強(qiáng)度，且赤鐵礦石的降低程度要大于磁鐵礦石。

（3）SEM微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，微波照射后赤鐵礦和石英之間出現(xiàn)明顯裂痕，有助于提高選擇性磨礦效果。赤鐵礦石和石英的升溫特性曲線表明，微波照射功率3 kW、微波照射時(shí)間60 s的赤鐵礦石，其中心頂部溫度可以達(dá)到600℃以上，而石英的溫度幾乎不隨微波加熱時(shí)間而變化。