微波強(qiáng)化礦物(煤)解離研究綜述

張寧寧，龐 甜，韓 瑞，李 振，周安寧

(1.西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710054；2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021)

0 引 言

解離是指通過(guò)破碎、研磨或其他方法，對(duì)礦石中緊密共生的有用礦物和脈石礦物(或煤炭中的有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì))的連生體進(jìn)行破壞，使之各自形成單一性質(zhì)礦粒的過(guò)程[1]。單體解離是實(shí)現(xiàn)礦物有效分離和煤炭高效分選的前提。以煤炭為例，在加工利用之前通常要通過(guò)分選來(lái)降低其中的灰分和硫分，而這些灰分和硫分通常存在于矸石中，因此要實(shí)現(xiàn)脫灰降硫首要的就是使煤和矸石充分解離，即將煤從高灰的脈石礦物中解放出來(lái)，為兩者的分選分離奠定基礎(chǔ)[2]。

礦物(煤)碎磨解離效果的影響因素主要包括2個(gè)方面：一是礦石的自身性質(zhì)，包括其嵌布特征、硬度大小、內(nèi)部裂隙情況等；二是破碎磨礦過(guò)程中的工藝條件，包括機(jī)器選擇、球荷強(qiáng)度、磨礦濃度等[3]?，F(xiàn)如今關(guān)于破碎磨礦過(guò)程中工藝條件的研究已經(jīng)取得了顯著成效，并且研制出了高壓輥磨機(jī)等高效設(shè)備，在一定程度上提高了破碎磨礦的效率[4]。然而，受一些礦石或煤炭自身性質(zhì)的影響，其組分要達(dá)到充分的單體解離仍存在一定困難。

例如，對(duì)于礦石而言，隨著開(kāi)采的不斷深入，中國(guó)礦石貧、細(xì)、雜的特點(diǎn)日益突出。由于一些礦石的嵌布粒度極細(xì)，使用傳統(tǒng)的直接破碎磨礦方式對(duì)其進(jìn)行解離所需的作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、作業(yè)功耗高[5]，且礦物的單體解離釋放作用非常有限，直接影響了后續(xù)分選加工的效率和效果。此外，一些礦石經(jīng)過(guò)分選加工后得到的中間產(chǎn)品或尾礦中依然含有較多的嵌布粒度較細(xì)的有用礦物，特別是還含有許多的貴金屬及戰(zhàn)略稀有金屬[6]，由于其連生復(fù)雜、解離困難，導(dǎo)致大量該類產(chǎn)品被直接拋棄，造成資源的極大浪費(fèi)和環(huán)境的嚴(yán)重污染。

而對(duì)于煤炭而言，雖然中國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，但是煤種質(zhì)量參差不齊，煉焦煤資源十分匱乏，且資源利用不盡合理[7]，特別是一些煉焦中煤被用作動(dòng)力煤消耗，導(dǎo)致部分煉焦煤資源被浪費(fèi)[8]。對(duì)煉焦中煤的深度解離再選不僅可以實(shí)現(xiàn)煉焦煤的合理利用，還能有效提高選煤廠的經(jīng)濟(jì)效益[9]。但煉焦中煤中有機(jī)質(zhì)與礦物質(zhì)嵌布緊密，解離困難，使其難以再選脫灰。此外，國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，對(duì)煤炭資源的清潔轉(zhuǎn)化和分質(zhì)利用提出了更高的要求，而不同顯微組分之間的分選分離是實(shí)現(xiàn)煤炭資源低碳高值利用的重要途徑[10]。高效解離是實(shí)現(xiàn)顯微組分分選的最關(guān)鍵一步，而傳統(tǒng)的碎磨方式對(duì)嵌布連生緊密的顯微組分的解離效果十分有限，制約了煤炭該高值化利用途徑的進(jìn)程。

因此，為了契合中國(guó)國(guó)情，攜手共建“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會(huì)，我們必須從礦石性質(zhì)出發(fā)，探尋一種能夠從內(nèi)部改變礦石自身物理性質(zhì)的方法來(lái)促進(jìn)礦物(煤)的破碎及磨礦效率，提高破碎及磨礦過(guò)程中礦物(煤)的單體解離度，進(jìn)而方便后續(xù)的分選加工。

微波作為一種由快速振動(dòng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成的波長(zhǎng)足夠短且穿透力極強(qiáng)的電磁波[11]，通常被應(yīng)用于對(duì)物體進(jìn)行加熱、干燥以及改性[12]。微波的波長(zhǎng)范圍在1～1 000 mm之間，對(duì)應(yīng)的頻率范圍為300 MHz～300GHz，它不僅能夠穿透并與介質(zhì)耦合，產(chǎn)生瞬時(shí)體積加熱[14]，而且加熱速度快(啟動(dòng)速度快)、處理時(shí)間短、能耗低、內(nèi)部加熱效率高，同時(shí)清潔無(wú)污染[15]，具有良好的應(yīng)用前景。由于微波的獨(dú)特作用性質(zhì)，微波預(yù)處理已被證實(shí)在提高連生復(fù)雜、嵌布緊密的礦石或煤炭單體解離度方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，微波預(yù)處理在強(qiáng)化礦物及煤?jiǎn)误w解離方面的研究引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并涌現(xiàn)出大量的研究性論文。為了全面掌握微波預(yù)處理強(qiáng)化礦物及煤?jiǎn)误w解離的研究現(xiàn)狀、影響因素及作用機(jī)理，從而指導(dǎo)該領(lǐng)域的發(fā)展及工業(yè)化進(jìn)程，對(duì)目前的研究成果進(jìn)行全面總結(jié)梳理是非常有必要的。文中首先對(duì)微波預(yù)處理強(qiáng)化礦物(煤)解離的應(yīng)用情況進(jìn)行了綜述，其次總結(jié)了微波促進(jìn)礦物(煤)解離效果的影響因素，而后分析了微波預(yù)處理對(duì)礦物解離的作用機(jī)理，最后對(duì)微波預(yù)處理技術(shù)在礦物解離領(lǐng)域的研究方向及工業(yè)應(yīng)用前景進(jìn)行了探討和展望。

1 微波在礦物及煤解離中的應(yīng)用

1.1 微波在礦物解離中的應(yīng)用

在礦石處理方面，JONE早在1991年就提出微波預(yù)處理可以明顯提高礦物的可磨性[16]。OMRAN等研究表明微波預(yù)處理可使高磷鮞狀鐵礦的磨礦產(chǎn)品中0.125 mm以下含量從46.6%增加至59.76%[17]。岳鐵兵等考察了微波加熱對(duì)不同礦石磨礦細(xì)度的影響，表1的結(jié)果顯示微波預(yù)處理后各礦石的可磨性均有所提高，一般微波輻射5 min后磨礦細(xì)度可提高3%～15%[18]。

表1 不同礦石微波助磨效果表[18]

微波預(yù)處理會(huì)影響礦物的破碎強(qiáng)度和邦德功指數(shù)。KINGMAN等對(duì)南非帕拉波拉銅礦實(shí)施微波預(yù)處理后其磨礦的邦德功指數(shù)大大降低，同時(shí)發(fā)現(xiàn)微波處理會(huì)使得黃銅礦/脈石的邊界發(fā)生破碎(如圖1所示)，從而使得黃銅礦從脈石中解離出來(lái)，而其他礦物則留在脈石基體中[19]。AMANKWAH和OFORI-SARPONG對(duì)含石英、硅酸鹽及鐵氧化礦等的金礦進(jìn)行碎磨研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，微波預(yù)處理在降低破碎強(qiáng)度和邦德功指數(shù)的同時(shí)，使金從脈石礦物中解離出來(lái)，從而提高金單體的重選回收率[20]。從圖2結(jié)果可以看出相較于普通加熱，微波預(yù)處理?xiàng)l件下金的回收率顯著提升，最高可達(dá)95.6%。

圖1 微波預(yù)處理后磁鐵礦和含銅礦物發(fā)生邊界解離的掃描電鏡圖[19]Fig.1 SEM of boundary dissociation of magnetite and copper-bearing minerals after microwave pretreatment[19]

圖2 不同預(yù)處理?xiàng)l件下金回收率的變化趨勢(shì)圖[20]Fig.2 Changing trends of gold recovery rate under different pretreatment conditions[20]

不同礦物在微波預(yù)處理過(guò)程中的吸波能力不同。白立記等采用同步暴露競(jìng)爭(zhēng)吸波設(shè)備對(duì)錫石多金屬硫化礦進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)礦石中的主要礦物對(duì)微波吸收能力存在顯著差異，各金屬礦物和脈石礦物的相對(duì)微波能量值RE(被測(cè)物料吸收的微波能量與中間介質(zhì)水吸收的微波能量的比值)見(jiàn)表2，其大小順序?yàn)榇嗔蜾R鉛礦>黃鐵礦>錫石>閃鋅礦>方解石>石英[21]。

表2 錫石多金屬硫化礦中不同礦物的相對(duì)微波能量值[21]

不同礦物的微波吸收能力差異為后續(xù)礦石的微波加熱-選擇性解離奠定了基礎(chǔ)。張錦利用光學(xué)顯微鏡研究了微波輻照前后太鋼鋼渣礦樣的顯微結(jié)構(gòu)變化如圖3所示，其中圖3(a)為未經(jīng)微波處理的礦樣，各物相間緊密的連生在一起，界限明顯但質(zhì)地緊密，內(nèi)部無(wú)裂紋；圖3(b)為經(jīng)過(guò)微波處理的礦樣，除同種物相本身產(chǎn)生了極少量的裂紋外，沿著2種礦物相的邊界產(chǎn)生了大量明顯的斷裂微裂紋，這說(shuō)明微波輻照有助于晶界裂紋的產(chǎn)生而促進(jìn)其粉碎解離[22]。此外，微波對(duì)層狀礦物有其特殊的作用規(guī)律，岳鐵兵等研究發(fā)現(xiàn)層狀礦物在微波輻射后層間分裂趨勢(shì)增大，導(dǎo)致其易于粉碎[18]。

圖3 微波輻照前(a)后(b)鋼渣礦樣的顯微結(jié)構(gòu)[22]Fig.3 Microstructure of steel slag sample before (a)& after(b)microwave treatment[22]

1.2 微波在煤炭解離中的應(yīng)用

在煤炭處理方面，也有大量研究表明微波預(yù)處理可提高煤炭可磨性，促進(jìn)煤中不同組分的解離[23-24]。RUISNCHEZ等在實(shí)驗(yàn)室條件下通過(guò)改變微波預(yù)處理模式使冶金煤的磨礦功耗降低了40%[25]；SAMANLI通過(guò)對(duì)褐煤進(jìn)行微波預(yù)處理，使煤樣的磨礦速率及可磨性指數(shù)均得到顯著提高[26]。

微波輔助磨礦可以促進(jìn)細(xì)粒級(jí)煤顆粒的生成而不影響煤表面的化學(xué)元素含量。ZHU等發(fā)現(xiàn)在相同的研磨時(shí)間下微波預(yù)處理的煤比未處理的煤更容易實(shí)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)與礦物質(zhì)的解離[27]。圖4(a)為微波預(yù)處理對(duì)煤樣磨礦產(chǎn)物粒度的影響，微波預(yù)處理后磨礦產(chǎn)品中的細(xì)粒級(jí)產(chǎn)率增大，而粗粒級(jí)產(chǎn)率減小；圖4(b)和(c)分別為產(chǎn)品密度及灰分分布圖，微波預(yù)處理后所得磨礦樣品中的低密度(低灰)顆粒產(chǎn)率增大，說(shuō)明微波預(yù)處理使更多的煤從礦物質(zhì)中解離出來(lái)。

圖4 原煤、直接磨礦和微波處理磨礦樣品的粒度、密度及灰分分布[27]Fig.4 Distribution of particle size(a)，density(b)and ash content(c)of raw coal，direct grinding samples and microwave pretreatment-grinding samples[27]

此外，對(duì)于煤中的不同顯微組分，其實(shí)現(xiàn)單體解離的粒度一般需小于10 μm[28-29]，而目前廣泛使用的普通機(jī)械研磨幾乎無(wú)法達(dá)到各顯微組分充分單體解離的效果。曾凡桂和郝玉英研究表明，不同煤巖組分對(duì)微波的敏感程度不同，絲炭對(duì)微波的感應(yīng)較為敏感，鏡煤對(duì)微波的敏感程度較低[30]。趙偉等研究了磨礦過(guò)程中微波輻照對(duì)神府絲炭(SFF)及神府鏡煤(SFV)顆粒表面形貌的影響，圖5為2種組分在未經(jīng)微波輻射及微波輻射1 min和2 min后煤樣顆粒的掃描電鏡圖[31]。對(duì)比圖5(a)～(c)可以發(fā)現(xiàn)，隨微波輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，絲炭顆粒中的裂紋沿其自身固有裂紋方向不斷增大；而對(duì)比圖5(d)～(f)可以看出，微波輔助球磨前后鏡煤表面均較光滑，裂紋變化不明顯。這為微波在促進(jìn)煤顯微組分解離中的應(yīng)用提供了可能。

圖5 不同微波輻射時(shí)間下神府絲炭(SFF)和神府鏡煤(SFV)的SEM圖[31]Fig.5 SEM of Shenfu fusain(SFF)and Shenfu vitrinite (SFV)under different microwave time[31]

2 微波促進(jìn)礦物(煤)解離的影響因素

以上研究表明，微波預(yù)處理對(duì)礦石(煤)的解離及其后續(xù)分選都有一定的促進(jìn)效果，而不同的影響因素對(duì)其促進(jìn)效果有所不同。總的來(lái)說(shuō)，影響因素主要包括物料自身性質(zhì)和所加微波環(huán)境參數(shù)2大方面。其中物料自身性質(zhì)包括物理化學(xué)性質(zhì)、入料粒度及入料量等；所加微波環(huán)境參數(shù)包括微波功率、微波頻率及微波加熱時(shí)間等[18，27，32-36]。

2.1 物料自身性質(zhì)的影響

不同于傳統(tǒng)加熱方式，在微波場(chǎng)中礦石中不同礦物的升溫速率有所差異，部分礦物在微波場(chǎng)中的升溫速率見(jiàn)表3，一般有用礦物的升溫速率快、達(dá)到的溫度高，脈石礦物的升溫速率慢、達(dá)到的溫度低[18]。從圖6中也可以看出，不同材料吸收微波的能力有很大的差異：一般介電常數(shù)越大，加熱速率越快，圖中物質(zhì)中黃鐵礦的介電常數(shù)最大，因此其在微波場(chǎng)中的加熱速度最快；極性水分子是微波的良好吸收體，可以相對(duì)容易地加熱到較高的溫度；原煤樣在微波場(chǎng)中達(dá)到的加熱溫度也相對(duì)較高，而煤中的有機(jī)組分對(duì)微波的吸收能力稍差；高嶺石、方解石及石英等脈石礦物對(duì)微波的響應(yīng)最差[27]。

表3 不同礦物微波加熱溫度變化速率表[18]

圖6 微波預(yù)處理時(shí)間對(duì)不同樣品加熱溫度的影響[27]Fig.6 Influence of microwave pretreatment time on heating temperature of different samples[27]

KINGMAN等研究表明微波輔助磨礦過(guò)程中礦石可磨度、有用礦物的單體解離度及分選指標(biāo)的提高，主要與特定類型礦種的存在、特定類型礦種的礦粒大小及其嵌布狀況有關(guān)，如圖7所示的試驗(yàn)。結(jié)果顯示鈦鐵礦、碳酸鹽礦和銅礦的磨礦邦德功指數(shù)受微波影響顯著，而金礦幾乎不受影響[32]。鈦鐵礦受微波的影響最大，是因其更加粗糙的礦物學(xué)和晶格結(jié)構(gòu)。

圖7 不同礦石的邦德功指數(shù)與微波處理時(shí)間的關(guān)系圖[32]Fig.7 Relationship between bond power index of different ores and microwave processing time[32]

王俊鵬等對(duì)不同粒度釩鈦磁鐵礦在微波場(chǎng)中的升溫性能研究表明，其介電常數(shù)隨溫度的升高而增大，介電特性隨著粒度的減小而增強(qiáng)[33]。這是由于當(dāng)粒度降低時(shí)，礦石填充層的空隙率也隨之降低，即其中的空氣夾雜量降低，從而使得礦石的介電性能得到提升。不同粒度的釩鈦磁鐵礦微波加熱后升溫曲線結(jié)果如圖8所示，可以看出升溫速率隨礦石粒度的減小而增大，這是由于細(xì)粒級(jí)礦石的介電性能強(qiáng)，更容易在微波加熱過(guò)程中貯存電磁能，并將其吸收和轉(zhuǎn)化為熱能，從而加快其升溫速率。

圖8 不同粒度釩鈦磁鐵礦在微波場(chǎng)中的升溫曲線[33]Fig.8 Heating curves of vanadium-titanium magnetite with different particle size in microwave field[33]

2.2 微波環(huán)境參數(shù)的影響

JONES等通過(guò)模擬得出在礦物助磨過(guò)程中脈沖微波較連續(xù)微波更為有效[34]?？芮嘬姷瓤偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)不同微波頻率對(duì)不同粒度礦石的粉碎強(qiáng)化效果不同，研究微波頻率與礦石粒度的匹配關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)輸入微波能量的充分利用，有效降低生產(chǎn)成本，達(dá)到節(jié)能降耗的目的[35]。

廖雪峰等研究發(fā)現(xiàn)微波功率、施加時(shí)間以及物料量均會(huì)影響微波對(duì)鈦鐵礦的助磨效果，從而影響后續(xù)磁選中的精礦產(chǎn)率[36]。圖9所示結(jié)果顯示隨微波功率的增大，磁選精礦產(chǎn)率逐漸提高；隨微波處理時(shí)間的延長(zhǎng)，磁選精礦產(chǎn)率呈先提高后降低的趨勢(shì)，這是由于在微波輻射時(shí)間短時(shí)有用礦物的單體解離度得到提高，但輻射時(shí)間長(zhǎng)時(shí)礦石內(nèi)部溫度過(guò)高，超過(guò)了產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋所需的溫度，使得礦物顆粒間發(fā)生熔融粘結(jié)，從而降低了礦物的單體解離度；因物料量?jī)H間接影響物料的吸波速率，故較前兩因素相比，其對(duì)分選指標(biāo)的影響較小。

圖9 磁選精礦產(chǎn)率對(duì)微波預(yù)處理各因素的響應(yīng)曲面圖Fig.9 Response surface plot of magnetic separation concentrate yield to various factors of microwave pretreatment

3 微波強(qiáng)化礦物(煤)解離機(jī)理

3.1 微波的加熱特性及加熱機(jī)理

3.1.1 微波的加熱特性

微波預(yù)處理強(qiáng)化礦物(煤)解離的主要作用點(diǎn)在于微波加熱的獨(dú)特性質(zhì)，微波加熱主要有以下幾個(gè)特性。

1)即時(shí)性，可以使物料在瞬間得到或失去熱量來(lái)源。

2)整體性，除非物體體積巨大，微波基本可以做到內(nèi)外均勻加熱[37]。

3)選擇性，在礦物的破碎解離過(guò)程中發(fā)揮作用的主要是微波的選擇性加熱。根據(jù)對(duì)微波的吸收特性不同，材料可分為微波反射型、微波吸收型、微波透過(guò)型和部分微波吸收型。由于比較常見(jiàn)的有用礦物屬于微波吸收型，而石英、長(zhǎng)石等脈石礦物屬于微波透過(guò)型，故可以選擇性地加熱有用礦物，而不是脈石礦物[38]。同時(shí)，由于大多數(shù)有用礦物熱穩(wěn)定性好，因此其自身性質(zhì)不受任何影響[39]。

4)環(huán)保性，微波加熱安全、衛(wèi)生、污染小。不同于常規(guī)加熱直接以燃料作為能源，微波加熱只需要消耗較少的電能即可獲得很好的加熱效果[40]。

3.1.2 微波的加熱機(jī)理

首先，根據(jù)微波的加熱特性可知，當(dāng)物料受到微波輻射時(shí)，物料中對(duì)微波具有吸收作用的組分就會(huì)被加熱，而對(duì)微波具有透過(guò)或反射作用的組分不會(huì)被加熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同組分的選擇性加熱。圖10是通過(guò)紅外熱像儀觀察到的微波輻射不同時(shí)間下錫石多金屬硫化礦表面溫度分布圖[41]，可以看出由于不同礦物對(duì)微波的響應(yīng)存在差異而使樣品表面溫度分布不均，同時(shí)存在著較多的高溫?zé)岚唿c(diǎn)和低溫區(qū)域；隨微波輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品中金屬礦物被選擇性加熱而逐步升溫，使亮斑區(qū)域不斷增大；當(dāng)溫度升高到一定值后，因熱傳導(dǎo)作用使部分不吸收微波或吸波能力差的礦物表面溫度也有所升高，使得與之臨近的吸波能力強(qiáng)的礦物溫度有所下降。

圖10 錫石多金屬硫化礦在不同微波預(yù)處理時(shí)間下表面溫度分布情況[41]Fig.10 Surface temperature distribution of cassiterite polymetallic sulfide ore at different microwave pretreatment time[41]

其次，受到微波輻射后，物料中吸波礦物中的可動(dòng)粒子因吸收能量而加速運(yùn)動(dòng)，使粒子間相互碰撞及摩擦而產(chǎn)生高熱量。由于礦物中的可動(dòng)粒子在礦物內(nèi)部近似均勻存在，因此可以使物料內(nèi)外同時(shí)均勻加熱升溫。另外，物料在微波場(chǎng)中會(huì)使其中的介質(zhì)產(chǎn)生偶極子，并使之隨已有的偶極子一同重新排列。如圖11所示，帶正電的一端趨向負(fù)極，帶負(fù)電的一端趨向正極，使得本來(lái)雜亂無(wú)章的偶極子按一定取向規(guī)則重新排列[42]。同時(shí)由于微波頻率極高，偶極子排列時(shí)就會(huì)隨著高頻交變電磁場(chǎng)以每秒高達(dá)數(shù)億次的頻率擺動(dòng)，使得分子隨著不斷變化的高頻交變電磁場(chǎng)的方向重新排列，在分子原有的熱運(yùn)動(dòng)和分子間相互作用的干擾和阻礙下，產(chǎn)生類似于摩擦的作用，從而產(chǎn)生大量的熱量[13，43]，實(shí)現(xiàn)物料的快速加熱。

圖11 一個(gè)偶極子在微波場(chǎng)中的取向調(diào)整示意[42]Fig.11 Schematic diagram of the orientation adjustment of a dipole in microwave field[42]

3.2 微波加熱強(qiáng)化礦物單體解離機(jī)理

從能量守恒(熱力學(xué)第一定律)的角度來(lái)看，微波預(yù)處理即是將微波能量以熱能的方式儲(chǔ)存在礦物(煤)中，從而實(shí)現(xiàn)在破碎解離過(guò)程中誘導(dǎo)其單體解離并減少粉碎所需的能量的作用[44]。而從熵增原理(熱力學(xué)第二定律)的角度來(lái)看，微波預(yù)處理在對(duì)礦物(煤)加熱的同時(shí)還使其傾向于粒徑減小、混亂度增加，從而實(shí)現(xiàn)單體解離[45]。

微波加熱特性及加熱機(jī)理表明微波加熱能夠促進(jìn)礦物(煤)的單體解離，主要是由于礦物(煤)中不同組分的熱膨脹作用不同。礦物(煤)中的物質(zhì)主要分為2部分，一部分是各種不同的礦物相或顯微組分，另一部分是固體組分內(nèi)部包含的各種水分。

3.2.1 裂隙強(qiáng)化礦物(煤)解離機(jī)理

微波作為一種高頻電磁波，具有極強(qiáng)的滲透能力，使其能與物質(zhì)內(nèi)部每一個(gè)分子發(fā)生接觸，使物質(zhì)分子產(chǎn)生取向極化和變形極化。同時(shí)由于礦石或煤中的各組分性質(zhì)不同，吸波特性各異，使得礦石或煤中出現(xiàn)溫度梯度，從而根據(jù)各組分的熱膨脹性差異產(chǎn)生熱裂等現(xiàn)象，使礦石或煤體系中原有的微裂紋擴(kuò)展并產(chǎn)生更多的微裂紋，降低了礦石或煤的硬度，從而促進(jìn)礦物(煤)的破碎解離[46]。斯科特等研究發(fā)現(xiàn)，由微波作用使礦物內(nèi)部產(chǎn)生的差熱所導(dǎo)致的應(yīng)力碎裂多出現(xiàn)在不同組分的交界處，從而使得有用礦物的解離情況得到改善[47]。

以煤炭為例，趙偉等根據(jù)煤巖組分解離特點(diǎn)，提出了微波強(qiáng)化解離的2種模型：選擇性破碎和界面破碎[48]。微波作用下物料的選擇性破碎原理如圖12所示，圖中以2種組分的連生進(jìn)行說(shuō)明。由于煤中不同組分對(duì)于微波的敏感程度存在著差異，使得微波對(duì)于煤的破碎具有選擇性，即有的組分容易受微波干擾，在破碎過(guò)程中容易出現(xiàn)裂紋和微裂紋，而其他組分則表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的性能。

圖12 微波作用下物料的選擇性破碎行為示意Fig.12 Schematic diagram of selective crushing behavior of materials under microwave action

微波作用下物料沿界面破碎的行為模擬如圖13所示，煤中具有多種組分，且各組分界面間的作用力較小，所以可以認(rèn)為該界面本身就屬于煤樣的裂紋。由于界面之間夾雜的礦物質(zhì)屬于微波敏感物質(zhì)，所以在微波作用下該裂紋被擴(kuò)大，成為2組分的斷裂面。

圖13 微波作用下物料沿界面破碎行為示意Fig.13 Schematic diagram of material crushing behavior along the interface under microwave action

3.2.2 水分熱效應(yīng)強(qiáng)化礦物(煤)破碎解離機(jī)理

礦物(煤)中普遍存在水分子，因其具有很強(qiáng)的極性，對(duì)微波具有良好的吸收能力，極易被微波加熱。微波對(duì)物料中水分的加熱助磨機(jī)理主要有2個(gè)方面：一是水分子受熱膨脹導(dǎo)致裂隙的形成；二是水分子受熱蒸發(fā)使物料中水分含量減少，也可在一定程度上提高其可磨性。

早在1995年，HARRISON和ROWSON就提出猜測(cè)，在微波輻射的過(guò)程中，黃鐵礦和煤孔隙中的水分過(guò)度加熱會(huì)形成裂縫，從而提高礦物的磨礦效率[49]。LESTER等提出，在微波加熱過(guò)程中，煤中的水分形成蒸汽時(shí)的快速膨脹會(huì)導(dǎo)致裂縫的形成，對(duì)煤進(jìn)行多次微波加熱，煤中的水分就會(huì)進(jìn)行多次膨脹，從而導(dǎo)致更多的裂縫形成[50]。ZHU等研究發(fā)現(xiàn)，微波預(yù)處理高水分褐煤，其內(nèi)部水分快速蒸發(fā)形成蒸汽射流，沖擊引起煤孔隙結(jié)構(gòu)的破壞，從而提高褐煤的可磨性，進(jìn)而顯著提高其破碎率和細(xì)粒產(chǎn)品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[51]。RUISNCHEZ等在對(duì)煤焦炭的微波試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)焦炭水淬后，水分子被封閉在煤的內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)中，因此當(dāng)它們被加熱和蒸發(fā)時(shí)，蒸汽的內(nèi)部壓力有助于破裂，從而對(duì)煤的解離有一定的促進(jìn)作用，而焦炭中存在的表面水分由于微波輻射而蒸發(fā)，對(duì)焦炭結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響，且微波處理不會(huì)影響焦炭結(jié)構(gòu)，也就不會(huì)影響其后續(xù)應(yīng)用[25]。

其次，由于礦物(煤)中存在水分，在常規(guī)破碎解離過(guò)程中，破碎后的物料中的部分水分會(huì)釋放出來(lái)并在物料表面展布，破碎后的細(xì)粒級(jí)產(chǎn)物就會(huì)黏附在粗顆粒表面，影響礦物(煤)的進(jìn)一步破碎解離，并會(huì)加大過(guò)粉碎現(xiàn)象的產(chǎn)生。而通過(guò)微波加熱后，礦物(煤)中的水分被蒸發(fā)，可以有效減少此類現(xiàn)象的發(fā)生，從而在一定程度上達(dá)到促進(jìn)礦物破碎解離的目的。

此外，外加水分也可促進(jìn)微波對(duì)礦物破碎解離的效果。JAISWAL等[52]總結(jié)前人[53-56]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，濕微波法可以在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到和干微波法相同的助磨效果。白立記等研究發(fā)現(xiàn)，物料被微波加熱預(yù)處理后采用加水快速冷卻后的磨礦效果比自然慢冷后的磨礦效果好[21]。其作用機(jī)理為加水冷卻后礦物與脈石溫度驟降，急劇收縮，從而產(chǎn)生不均勻的收縮應(yīng)力，對(duì)礦石進(jìn)行二次破壞，使得熱膨脹應(yīng)力集中產(chǎn)生的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)一步降低礦石強(qiáng)度，提高礦石可磨度。

4 結(jié)論與展望

微波作為一種外加能量場(chǎng)，以其特殊的性質(zhì)，在礦物(煤)破碎磨礦過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。它不僅可以有效降低破碎磨礦環(huán)節(jié)的能耗，提高破磨效率，而且在促進(jìn)礦物(煤)單體解離方面也發(fā)揮了巨大的作用，為礦產(chǎn)的后續(xù)分選利用提供了有力保障。一方面，微波對(duì)于礦物(煤)的加熱是物理作用，而非化學(xué)作用，因此礦物本身只產(chǎn)生熱，而不會(huì)改變礦物(煤)的性質(zhì)；另一方面，微波可以選擇性地加熱某一組分而不加熱其他組分，從而通過(guò)其熱膨脹作用使得有用礦物和脈石礦物之間或不同煤巖組分之間出現(xiàn)裂縫，促進(jìn)解離；同時(shí)，微波加熱使得礦石內(nèi)部普遍存在的水分子膨脹以及蒸發(fā)，使礦石(煤)內(nèi)部產(chǎn)生大量的微裂紋，進(jìn)一步促進(jìn)礦物(煤)的破碎解離。

經(jīng)過(guò)近30 a的發(fā)展，微波預(yù)處理的相關(guān)研究已經(jīng)取得了豐碩的成果。但由于現(xiàn)有理論研究依舊不夠深入系統(tǒng)，使得微波預(yù)處理技術(shù)在煤及礦物解離領(lǐng)域的應(yīng)用仍主要局限于實(shí)驗(yàn)室研究階段；另外，現(xiàn)有設(shè)備小、能耗高、生產(chǎn)能力低下也是制約其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的一個(gè)重要因素。因此，加快微波預(yù)處理在礦物(煤)解離領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程，需要開(kāi)展不同礦物質(zhì)及不同煤巖組分對(duì)微波響應(yīng)特性的深入研究，分析微波場(chǎng)中微波能量的分配規(guī)律以及預(yù)處理過(guò)程能量耗散機(jī)理，實(shí)現(xiàn)效率利用的最大化；針對(duì)影響微波預(yù)處理效率的各因素進(jìn)行全面系統(tǒng)研究，并對(duì)微波作用各參數(shù)與礦物(煤)裂隙演化行為的耦合適配規(guī)律進(jìn)行研究，通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)，得出微波預(yù)處理對(duì)特定礦物釋放解離行為的定向調(diào)控機(jī)制，不斷提高其經(jīng)濟(jì)性能；在充分分析微波預(yù)處理與磨礦功耗關(guān)系的基礎(chǔ)上，加快微波預(yù)處理設(shè)備研究進(jìn)程，大力研發(fā)高效能、大產(chǎn)率微波反應(yīng)器，為礦物(煤)解離的工業(yè)化應(yīng)用提供設(shè)備支持。