微波輔助礦石碎磨研究進(jìn)展*

曹 陽(yáng)，劉殿文,2

(1.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093)

0 引言

礦石碎磨是選礦過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，其效果將直接影響最終分選指標(biāo)。我國(guó)每年需要碎磨的礦石多達(dá)數(shù)十億噸[1]，造成碎磨設(shè)備耗鋼量巨大。在實(shí)際的選礦過(guò)程中，碎磨階段能耗占選廠全部能耗的50%以上[2]，但是僅有約1%的能耗被用于使礦石形成新的表面[3]，剩余的能量大多以摩擦發(fā)熱等形式被碎磨設(shè)備消耗。礦石碎磨的難易程度取決于礦石內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)，因此通過(guò)對(duì)礦石進(jìn)行預(yù)處理而改變其內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)、降低硬度是提高碎磨效率的有效手段。礦石碎磨預(yù)處理的常用方法有：添加助磨劑法、超聲波預(yù)處理法和熱預(yù)處理法等[4]。微波是熱預(yù)處理法中比較新穎的一種，具有整體性、選擇性、高效性[5]等特點(diǎn)。當(dāng)用微波輻照礦石時(shí)，礦石內(nèi)部不同的礦物組分會(huì)被選擇性加熱，導(dǎo)致礦石內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而使得礦石的硬度降低。通過(guò)研究微波輻照對(duì)礦石晶格的作用，可以進(jìn)一步探索微波輔助礦石碎磨的機(jī)理，為后續(xù)研究提供理論依據(jù)。

1 微波輔助礦石碎磨機(jī)理

1.1 微波概述

1.1.1 微波的定義

微波是一種高頻的電磁波[6]，處于無(wú)線電波和紅外輻射之間，其頻率范圍為300 MHz～300 GHz、波長(zhǎng)范圍為1 mm～1 m[7]。根據(jù)微波的波長(zhǎng)，可將其劃分為：分米波、厘米波、毫米波、亞毫米波等。

1.1.2 微波加熱物料機(jī)理

當(dāng)微波輻照物料時(shí)，物料內(nèi)部非極性分子中的電荷會(huì)在電場(chǎng)作用下朝著相反的方向移動(dòng)，該過(guò)程稱為“極化”現(xiàn)象[8]，被極化的分子稱為偶極子。當(dāng)電場(chǎng)的方向以高頻率發(fā)生改變時(shí)，偶極子將重新排列，在此過(guò)程中偶極子會(huì)受到其他分子的干擾和阻礙，產(chǎn)生摩擦和碰撞進(jìn)而產(chǎn)生大量熱量。

1.1.3 微波加熱特點(diǎn)

a.選擇性：不同物料的介電特性存在差異，因此對(duì)微波的吸收能力不同；僅有微波吸收型和微波部分吸收型的物料可以被微波加熱[2]。

b.整體性：微波具有較強(qiáng)的穿透性[8]，在微波的輻照下，物料不同位置的溫度梯度較小，受熱均勻[9]。

c.高效性：微波可以直接對(duì)物料進(jìn)行從內(nèi)而外的加熱，因此在熱量傳遞過(guò)程中熱量損失較小，升溫速率高，可直接將電磁能轉(zhuǎn)化成熱能[10]；取消微波輻照后，會(huì)立即停止加熱物料[11]。

由微波對(duì)物料加熱的機(jī)理和特點(diǎn)可知，微波加熱方式相較于傳統(tǒng)加熱方式具有明顯的優(yōu)勢(shì)。利用微波選擇性加熱的特點(diǎn)，可以差異性加熱礦石中的不同礦物組分，降低礦石硬度，提高碎磨效率。

1.2 微波輔助碎磨礦石機(jī)理

礦石中的目的礦物和脈石礦物具有不同的介電常數(shù)、導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率和比熱容等，因此對(duì)微波的吸收能力存在差異。當(dāng)用微波對(duì)不同種類的礦物進(jìn)行輻照時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，不同礦物會(huì)呈現(xiàn)不同的升溫趨勢(shì)。常見礦物微波輻照升溫速率見表1[11]。礦石中不同種類的礦物被微波輻照后的溫度差異較大，并且不同礦物自身的膨脹系數(shù)不同，因此會(huì)在不同礦物晶格邊緣產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂紋或在晶格內(nèi)部發(fā)生斷裂。大量的裂紋和斷裂會(huì)明顯降低礦石的硬度、減小碎磨難度、提高碎磨效率，促進(jìn)有用礦物和脈石礦物的解離。

表1 常見礦物的微波輻照升溫速率[11]

2 微波在礦石碎磨中的輔助作用

礦石內(nèi)部發(fā)生變形和產(chǎn)生裂紋是碎磨的關(guān)鍵[12]。在微波輔助礦石碎磨的過(guò)程中，造成礦石內(nèi)部晶格邊緣產(chǎn)生裂紋或晶格內(nèi)部發(fā)生斷裂的根本原因是產(chǎn)生了內(nèi)部熱應(yīng)力。此外，由于不同礦物具有不同的介電特性，對(duì)微波吸收能力存在差異，因此在微波場(chǎng)中會(huì)呈現(xiàn)不同的溫度分布以及升溫特性，這些因素都會(huì)直接影響微波輔助礦石碎磨的效果。了解不同礦物在微波場(chǎng)中的溫度變化規(guī)律，可以進(jìn)一步降低礦石碎磨的難度、提高碎磨效率。

2.1 微波對(duì)礦石硬度的影響

通過(guò)微波輻照對(duì)礦石進(jìn)行預(yù)處理的主要目的是降低礦石的硬度及碎磨成本，提高碎磨效率。礦石內(nèi)部熱應(yīng)力產(chǎn)生的方式主要有以下幾種：

a.不同礦物的介電特性不同，在微波輻照下，不同礦物之間產(chǎn)生的熱膨脹具有一定的不均勻性，進(jìn)而產(chǎn)生了熱應(yīng)力，使得相鄰的晶格界面之間產(chǎn)生裂紋，從而降低礦石硬度。

b.不同礦物對(duì)微波的敏感性不同，因此會(huì)發(fā)生不同程度的熱膨脹；膨脹程度較小的礦物會(huì)對(duì)膨脹程度較大的礦物產(chǎn)生一定的約束效應(yīng)，當(dāng)產(chǎn)生的應(yīng)力足夠大時(shí)，便會(huì)使晶格內(nèi)部發(fā)生斷裂而降低礦石硬度。

c.在礦石被微波加熱的過(guò)程中，部分礦物會(huì)熱分解[13]或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變礦石內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)，進(jìn)而產(chǎn)生熱應(yīng)力而降低礦石硬度。

d.有時(shí)礦石內(nèi)部水分較多，在微波加熱的過(guò)程中會(huì)有氣體生成，其產(chǎn)生的壓力會(huì)在礦石內(nèi)部結(jié)構(gòu)薄弱的區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力，增加了裂紋的數(shù)量從而降低礦石硬度[14]。

LU等[15]在用微波輔助碎磨玄武巖、輝長(zhǎng)巖、花崗巖時(shí)發(fā)現(xiàn)：巖石對(duì)微波的敏感性及巖石內(nèi)部礦物的熱膨脹系數(shù)是影響微波輔助碎磨效果的主要因素；當(dāng)巖石中同時(shí)存在對(duì)微波敏感和熱膨脹系數(shù)較大的礦物時(shí)，微波輔助碎磨的效果較好。首先，對(duì)微波敏感的礦物可以使巖石被快速加熱；其次，熱膨脹系數(shù)較大的礦物在高溫作用下，巖石內(nèi)部會(huì)發(fā)生非均勻膨脹，從而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，進(jìn)而在巖石內(nèi)部產(chǎn)生大量晶間斷裂或穿晶斷裂。當(dāng)巖石中只存在對(duì)微波敏感但不存在熱膨脹系數(shù)較大的礦物時(shí)，雖然巖石會(huì)被快速加熱，但是巖石內(nèi)部產(chǎn)生的不均勻膨脹不明顯，產(chǎn)生的熱應(yīng)力較小，因此產(chǎn)生的晶間斷裂或穿晶斷裂較少。當(dāng)巖石中不存在具有上述兩種特征的礦物時(shí)，巖石則不會(huì)被快速加熱，并且?guī)r石內(nèi)部幾乎不會(huì)產(chǎn)生晶間斷裂或穿晶斷裂。

戴俊等[16]在不同參數(shù)微波輻照對(duì)花崗巖硬度影響的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：短時(shí)間大功率的微波輻照比長(zhǎng)時(shí)間小功率的微波輻照對(duì)花崗巖硬度的降低更加有效；對(duì)比之下，雖然經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間小功率的微波輻照，花崗巖同樣可以被加熱到相同的溫度，但不同礦物之間的溫度梯度較??；短時(shí)間大功率的微波輻照可以在短時(shí)間內(nèi)形成更大溫度梯度，產(chǎn)生更大的集中熱應(yīng)力，能更有效地降低巖石硬度。此外，短時(shí)間大功率的微波輻照會(huì)減少不同礦物之間因熱傳遞造成的熱量損失，因此微波輻照需要維持在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間范圍內(nèi)，長(zhǎng)時(shí)間的微波輻照并不會(huì)使巖石硬度持續(xù)降低，相反會(huì)造成能量浪費(fèi)。

王帥等[17]在用微波輻照降低方解石硬度的研究中發(fā)現(xiàn)：在高于700 ℃時(shí)，方解石的質(zhì)量隨著溫度的升高而減小，這是由于方解石發(fā)生熱分解反應(yīng)生成了CO2氣體；大量的CO2氣體會(huì)在方解石內(nèi)部產(chǎn)生一定的壓力而形成內(nèi)外壓差，從而產(chǎn)生應(yīng)力，使得方解石內(nèi)部產(chǎn)生裂紋和破裂，降低方解石的硬度。不僅如此，周文戈等[18]研究發(fā)現(xiàn)：石英在微波加熱過(guò)程中，當(dāng)溫度高于580 ℃時(shí)，會(huì)發(fā)生由α-石英向β-石英的轉(zhuǎn)化；后者的體積比前者大，因此在轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)發(fā)生體積膨脹，進(jìn)而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，使得含有石英的礦石內(nèi)部產(chǎn)生裂紋而降低礦石硬度。BOBICKI等[19]在研究微波對(duì)超鎂鐵質(zhì)鎳礦的加熱行為和粉碎效應(yīng)中發(fā)現(xiàn)：超鎂鐵質(zhì)鎳礦中的蛇紋石在微波加熱過(guò)程中脫去羥基轉(zhuǎn)化成橄欖石的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生水蒸氣，在礦石內(nèi)部形成一定的壓力，進(jìn)而在礦石結(jié)構(gòu)薄弱處產(chǎn)生一定的應(yīng)力，致使礦石內(nèi)部出現(xiàn)裂紋而降低礦石硬度。

由此可見，微波的輻照功率、輻照時(shí)間是影響礦石硬度降低程度的重要因素之一。對(duì)于不同的礦物，各自有其相應(yīng)的微波輻照功率及時(shí)間。礦石硬度的降低程度并非與微波的輻照功率和輻照時(shí)間成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。影響微波降低礦石硬度的另一重要因素是不同礦物組分對(duì)微波吸收能力的差異性。當(dāng)?shù)V石中不同礦物組分對(duì)微波吸收能力或者敏感性差別較大時(shí)，礦石硬度會(huì)顯著降低；反之，礦石硬度降低不明顯。綜合上述兩種影響因素，根據(jù)礦石內(nèi)不同礦物組分對(duì)微波吸收能力或敏感性的差異，選擇最合適的微波輻照功率及輻照時(shí)間，可以最大限度地降低礦石硬度，最大程度地提高礦石的碎磨效率，減少礦石碎磨階段的能量消耗，延長(zhǎng)碎磨設(shè)備的使用壽命并降低成本。

2.2 礦物對(duì)微波的吸收特性

礦物對(duì)微波的吸收能力可以用相對(duì)微波能量ER表示，ER是指物體所吸收的微波能量與中間介質(zhì)水吸收微波能量的比值[20]；ER越高，表明物體對(duì)微波的吸收能力越強(qiáng)。

白立記等[20]分析了脆硫銻鉛礦、黃鐵礦和錫石對(duì)微波吸收能力的差異及3種礦物的溫度隨微波輻照時(shí)間的變化，結(jié)果表明：3種礦物對(duì)微波均具有較好的吸收能力(實(shí)驗(yàn)設(shè)備見圖1[20])，值得注意的是，3種礦物對(duì)微波的吸收能力并未隨微波輻照時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)上升；在初始階段，礦物對(duì)微波的吸收能力增幅較大；隨著微波輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，礦物對(duì)微波吸收能力的增幅趨于平緩。礦物對(duì)微波的吸收能力直接影響礦物溫度的變化，因此礦物溫度的變化與微波吸收能力的變化相同。這種升溫現(xiàn)象很好地體現(xiàn)了微波加熱的高效性，即微波加熱可以使礦物短時(shí)間內(nèi)被快速加熱。該研究還分析了脈石礦物對(duì)微波的吸收能力，石英和方解石的ER只有0和2.12，金屬硫化礦除閃鋅礦外，ER均大于18。WALKIEWICZ等[21-23]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，閃鋅礦雖是金屬硫化礦，但對(duì)微波的吸收能力較弱，其ER僅為2.44，與方解石對(duì)微波的吸收能力相似。

圖1 多物料分立共存吸波升溫試驗(yàn)設(shè)備[20]

MO等[24]在測(cè)定各類硫化礦精礦對(duì)微波的吸收能力的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：黃銅礦精礦對(duì)微波的吸收能力最強(qiáng)，閃鋅礦精礦對(duì)微波的吸收能力最弱，但仍強(qiáng)于石英；當(dāng)不同種類的硫化礦混合后，每種礦物仍保持自身對(duì)微波的吸收能力,混合礦物對(duì)微波的吸收能力取決于其中對(duì)微波吸收能力較強(qiáng)礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，則混合礦物對(duì)微波的吸收能力越強(qiáng)。LU等[25]在不同礦石對(duì)微波吸收能力的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，頑火輝石的升溫速率最大，對(duì)微波的吸收能力最強(qiáng)，黑云母對(duì)微波的吸收能力屬于中等水平，鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、白云母、橄欖石、石英和方解石等對(duì)微波的吸收能力較弱，可見大多數(shù)造巖礦物對(duì)微波的吸收能力均較弱；采用能譜掃描電鏡(SEM-EDX)對(duì)不同礦石中的元素和裂紋進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)即使是同種礦物，但由于來(lái)源、雜質(zhì)的含量等不同，其對(duì)微波的吸收能力也有很大差別；另外還發(fā)現(xiàn)，鐵含量較高的區(qū)域比含量較低的區(qū)域?qū)ξ⒉ǖ奈漳芰Ω鼜?qiáng)，說(shuō)明鐵可以促進(jìn)礦物對(duì)于微波的吸收。

PICKLES等[26]的研究發(fā)現(xiàn)，礦物對(duì)微波的吸收能力會(huì)隨著溫度的變化而變化。決定礦物對(duì)微波吸收能力的影響因子是復(fù)介電常數(shù)ε，其由實(shí)部和虛部?jī)刹糠纸M成，實(shí)部為礦物的介電常數(shù)ε′，表示礦物對(duì)電磁能的存儲(chǔ)能力；虛部為損耗因子ε″，表示礦物將存儲(chǔ)的電磁能轉(zhuǎn)化成熱能的能力；tanφ為虛部和實(shí)部的比值，稱為損耗角正切，表示電磁能轉(zhuǎn)化成熱能所消耗的能量值。由于礦物復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部均隨溫度變化而變化，因此礦物對(duì)微波的吸收能力也在不斷變化。

LIU等[27]在鈦鐵礦對(duì)微波的吸收能力研究中發(fā)現(xiàn)：在20～100 ℃范圍內(nèi)，溫度對(duì)復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部均有很大影響；隨著溫度的升高，實(shí)部和虛部均迅速增大，使得復(fù)介電常數(shù)增大，鈦鐵礦對(duì)微波的吸收能力增強(qiáng)；此外，不同礦物晶格中的離子隨著溫度的上升，其電導(dǎo)率也會(huì)明顯增大，進(jìn)而使損耗因子ε″增大，同樣使鈦鐵礦對(duì)微波的吸收能力得到提升。

SALSMAN等[28]在粒度對(duì)微波吸收能力的影響試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)混合礦物的粒度較小時(shí)，對(duì)微波的吸收能力較差；中等粒度混合礦物對(duì)微波的吸收能力最強(qiáng)；大粒度混合礦物對(duì)微波的吸收能力會(huì)減弱，但仍強(qiáng)于小粒度混合礦物。這是因?yàn)椋夯旌系V物復(fù)介電常數(shù)中虛部ε″在低溫或者高溫時(shí)會(huì)明顯減??；此外，混合礦物的粒度較小時(shí)，比表面積的增大會(huì)導(dǎo)致熱量在不同的礦粒之間傳遞而造成能量損失。

莫秋紅[29]在不同的微波輻照功率及時(shí)間下研究了各種類型錳礦石對(duì)微波的吸收能力，結(jié)果表明：隨著輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，γ-MnO2對(duì)微波的吸收能力最強(qiáng)，MnO2對(duì)微波的吸收能力居中，Mn單質(zhì)、MnCO3、Mn2O3、MnO對(duì)微波的吸收能力較弱；不同錳礦石在微波輻照120 s內(nèi)對(duì)微波的吸收能力相對(duì)穩(wěn)定，這是因?yàn)椴煌i礦石的加熱狀態(tài)、物化性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化時(shí)，其對(duì)微波的吸收能力一般會(huì)保持穩(wěn)定；在改變微波輻照功率的條件下，固定質(zhì)量的不同錳礦石對(duì)微波吸收能力的變化趨勢(shì)與前者相似，這是因?yàn)樵谫|(zhì)量不變的情況下，微波輻照功率的變化對(duì)錳礦石吸收微波的能力影響不大。

劉全軍等[30]在采用微波輻照對(duì)鐵礦石進(jìn)行選擇性磨礦的研究中使用公式定量計(jì)算出了鐵礦石對(duì)微波的吸收與升溫關(guān)系。 單位介質(zhì)吸收的微波功率可以用式(1)計(jì)算：

P=0.556×fE2ζk×10-12,

(1)

式中：P為單位介質(zhì)吸收的微波功率，W/cm3；f為微波頻率，Hz；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/cm；ζ為物料介電常數(shù)；k為介質(zhì)損耗系數(shù)。

介質(zhì)在微波中因極性分子高速振蕩，升高的溫度可用式(2)計(jì)算：

(2)

式中：c為比熱容，J/(kg·K)；d為物料密度，g/cm3。

由式(1)和式(2)可知，不同礦物在同一微波場(chǎng)輻照下，雖然微波頻率f和電場(chǎng)強(qiáng)度E相同，但由于不同礦物的比熱容、密度、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗系數(shù)不同，因此會(huì)導(dǎo)致不同礦物對(duì)微波的吸收能力存在差異。

由此可見：大多數(shù)金屬礦物如黃鐵礦、方鉛礦、磁鐵礦、鈦鐵礦等的復(fù)介電常數(shù)一般較大，因此對(duì)微波的吸收能力較強(qiáng)，會(huì)被快速加熱；非金屬礦物如石英、方解石等的復(fù)介電常數(shù)一般較小，因此對(duì)微波的吸收能力較弱，即使延長(zhǎng)輻照時(shí)間，溫度的變化仍不明顯。礦物對(duì)微波的吸收能力并非一成不變，而是隨著礦物自身復(fù)介電常數(shù)中實(shí)部和虛部的變化而變化[31]。礦石的粒度、礦石內(nèi)部雜質(zhì)含量、礦粒的比表面積、礦石內(nèi)部鐵的含量、礦物的物化性質(zhì)、礦物的質(zhì)量、礦物的電導(dǎo)率及礦石的當(dāng)前溫度等都會(huì)引起復(fù)介電常數(shù)中實(shí)部和虛部的變化，從而影響礦物對(duì)微波的吸收能力。在實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)綜合考慮上述因素，以提高礦物對(duì)微波的吸收能力。

2.3 微波場(chǎng)中礦物內(nèi)部的溫度分布和升溫特性

通過(guò)對(duì)微波場(chǎng)中礦物內(nèi)部的溫度分布及升溫特性的進(jìn)一步了解，可以更加有效地控制微波輻照的輸入功率、輻照時(shí)間，減少能量的過(guò)度輸入從而降低能耗，這對(duì)微波在礦石碎磨中的應(yīng)用具有重要意義。

2.3.1 微波對(duì)礦物內(nèi)部溫度分布的影響

相關(guān)學(xué)者通過(guò)建立礦物結(jié)構(gòu)模型分析微波加熱過(guò)程中礦物內(nèi)部溫度的分布情況。秦立科等[32]對(duì)黃鐵礦與方解石組成的混合礦物進(jìn)行了溫度分布研究，礦樣為立方體結(jié)構(gòu)，黃鐵礦位于立方體的中心位置，四周由方解石圍成(見圖2)，結(jié)果表明：在微波輻照下，中心黃鐵礦的溫度最高，并且黃鐵礦內(nèi)部的溫度梯度較小，外側(cè)方解石的溫度隨著與中心的距離的增大而降低，中心和邊緣溫差較大；中心黃鐵礦在短時(shí)間內(nèi)的升溫速率很高，隨著微波輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，升溫速率減緩，外側(cè)方解石的溫度為線性增加，但升溫速率遠(yuǎn)低于中心黃鐵礦，中心與邊緣的溫度梯度呈減小趨勢(shì)；當(dāng)提高微波功率時(shí)，中心黃鐵礦、外側(cè)方解石的溫度及中心與邊緣的溫度梯度均明顯增大。這說(shuō)明提高微波功率可以使礦物被加熱到更高的溫度，同時(shí)礦物的空間分布也是影響溫度分布的一個(gè)重要因素。

圖2 微波加熱礦樣結(jié)構(gòu)示意圖[32]

微波輻照預(yù)處理不僅對(duì)礦石具有加熱效果，對(duì)煤巖也有很好的加熱效果，可以利用微波高穿透性的特點(diǎn)，對(duì)煤巖進(jìn)行由內(nèi)而外的加熱[33-34]。張永利等[35]研究了微波預(yù)處理對(duì)煤巖滲透能力和氣體解析能力的影響，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微波可以在煤樣的中心產(chǎn)生高溫區(qū)，隨著微波輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，中心高溫區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，進(jìn)而由內(nèi)而外對(duì)整個(gè)煤樣進(jìn)行加熱；在不同微波功率對(duì)煤樣溫度影響的模擬試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，盡管微波的功率不同，但是產(chǎn)生的中心高溫區(qū)形狀相似，微波的功率越高，中心高溫區(qū)的范圍就越大，對(duì)整個(gè)煤樣的加熱效果就越好。

由此可見，微波輻照加熱與常規(guī)加熱有很大不同，前者熱源從內(nèi)部產(chǎn)生，由內(nèi)而外對(duì)礦物進(jìn)行加熱，這將大幅提高加熱效果。微波的功率、輻照時(shí)間及礦物的嵌布關(guān)系均是影響溫度在礦物內(nèi)分布的重要因素。礦石中對(duì)微波吸收能力較強(qiáng)的礦物的溫度會(huì)隨著微波功率的提高而上升，同時(shí)與微波吸收能力較弱的礦物的溫度梯度會(huì)變大，有利于礦石內(nèi)部熱應(yīng)力的產(chǎn)生。隨著微波輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，不同礦物的溫度均會(huì)升高，但不同礦物之間的溫差會(huì)逐漸減小，這不利于礦石內(nèi)部熱應(yīng)力的產(chǎn)生。因此在礦石碎磨中微波輻照的時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，同時(shí)短時(shí)間的微波輻照可以大幅減少能量消耗。

2.3.2 微波對(duì)礦物升溫特性的影響

徐宏達(dá)等[36]在用微波輻照鞍山式鐵礦石的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：在3種不同功率微波輻照下，赤鐵礦的溫度隨著微波功率的提升而升高;在3 kW微波作用下，1 min內(nèi)赤鐵礦就可以被加熱至600 ℃；但石英在相同功率的微波輻照下，雖然延長(zhǎng)輻照時(shí)間至150 s，相較于30 s，溫度并沒(méi)有明顯提升，說(shuō)明微波對(duì)石英的加熱效果不明顯。

侯明等[37]在鈦鐵礦的升溫特性研究中發(fā)現(xiàn)：隨著微波輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，鈦鐵礦會(huì)被加熱至更高的溫度；在鈦鐵礦的質(zhì)量從40 g增加至60 g的過(guò)程中，鈦鐵礦的升溫速率均較快，不同質(zhì)量的鈦鐵礦隨著微波輻照時(shí)間的延長(zhǎng)均呈現(xiàn)相同的升溫特性；隨著樣品質(zhì)量繼續(xù)增加，鈦鐵礦在相同輻照時(shí)間內(nèi)的溫度有所降低，這是因?yàn)檫m當(dāng)提高礦物的質(zhì)量，可以提高礦物對(duì)微波的吸收能力，使礦物的升溫速率也得到了提升，但是當(dāng)介質(zhì)的質(zhì)量過(guò)大時(shí)，微波的電磁能轉(zhuǎn)化成熱能的效率就會(huì)明顯降低，導(dǎo)致升溫速率下降。

劉漢文[38]通過(guò)研究認(rèn)為：相同族類礦物中，鐵含量對(duì)礦物升溫特性的影響遠(yuǎn)不及礦物晶格類型本身造成的影響；只有在相同族類礦物并且晶格類型相同的情況下，礦物的升溫速率才會(huì)隨著鐵含量的增加而升高。

雷鷹等[39]的研究表明，礦物粒度也是影響其微波輻照升溫特性的因素之一。劉國(guó)崗[12]研究不同粒度釩鈦磁鐵礦在微波輻照下的升溫特性后發(fā)現(xiàn)，隨著粒度的減小，礦石內(nèi)部的空隙率降低，氣體在礦石內(nèi)部的含量減少，導(dǎo)致復(fù)介電常數(shù)增大，使礦物的介電性能得到了增強(qiáng)。因此釩鈦磁鐵礦的升溫速率隨著礦物粒度的減小而升高，但微波對(duì)礦物的穿透能力卻隨著粒度的減小而下降。

劉亞靜等[40]同樣研究了粒度對(duì)硼鐵礦介電特性和升溫特性的影響，結(jié)果表明：硼鐵礦在200 ℃以下時(shí)，隨著粒度的減小，空隙率變小，復(fù)介電常數(shù)變大，升溫速率變快；而在200 ℃以上時(shí)，復(fù)介電常數(shù)中的虛部迅速降低，這是因?yàn)榕痂F礦中的硼鎂石和蛇紋石隨著溫度的升高發(fā)生了脫水，增大了空隙率，并且脫水后的產(chǎn)物對(duì)微波的吸收能力較弱[41]，升溫速率降低。

綜上所述，礦物的升溫速率會(huì)隨著微波功率的增大[42]、物料量的適當(dāng)增加[43]及粒度的減小而升高，但隨著微波輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，礦石內(nèi)部可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變?cè)械V石內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致復(fù)介電常數(shù)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致升溫速率降低。因此在試驗(yàn)中，應(yīng)該根據(jù)礦物的粒度和質(zhì)量，確定合適的微波功率和輻照時(shí)間，以降低成本、提高能量利用率。

3 微波對(duì)礦石碎磨解離度的影響

礦石中有用礦物和脈石礦物通常緊密連生，為了得到較好的精礦指標(biāo)，目的礦物需要具有一定的解離度。微波對(duì)礦石的輻照在降低其硬度的同時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋可以暴露出更多的新鮮表面，增加了單體解離的可能性，減小了連生體的占比，提高了細(xì)粒級(jí)顆粒的含量[44]，同時(shí)可以有效解決過(guò)粉碎和過(guò)磨的問(wèn)題。

郭潤(rùn)楠等[45]對(duì)主要成分為錫石、方鉛礦、閃鋅礦和黃鐵礦的多金屬硫化礦的可磨性進(jìn)行了研究，為了解決過(guò)磨與欠磨的問(wèn)題，采用微波對(duì)礦物進(jìn)行預(yù)處理，與未經(jīng)微波預(yù)處理的礦樣(磨礦1～5 min)相比，前者-0.074 mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)比后者平均高10%，在磨礦3 min時(shí)，最多高出12.90%；通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析，經(jīng)微波預(yù)處理后的礦石磨礦仍符合一級(jí)磨礦動(dòng)力學(xué)方程，磨礦破碎速率相對(duì)增加了56.96%；不僅如此，磨機(jī)的生產(chǎn)能力也有大幅提升，在磨礦1 min時(shí)相對(duì)增幅最大為77.92%。隨著-0.074 mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)越來(lái)越高，磨機(jī)的生產(chǎn)能力增幅逐漸減小，在5 min時(shí)為5.08%。

嚴(yán)妍等[46]對(duì)低品位磁鐵礦進(jìn)行了微波輔助磨礦研究，采用微波連續(xù)性加熱方式和微波脈沖間歇式加熱方式對(duì)磁鐵礦進(jìn)行預(yù)處理，并比較了兩種預(yù)處理方式的助磨效果，結(jié)果表明：兩種微波預(yù)處理方式均有良好的助磨效果，兩種處理方式下-0.074 mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提高14.32%和16.75%；但是脈沖間歇式加熱方式相較于連續(xù)性加熱方式助磨效果更好，雖然總時(shí)間有所增加，但是微波輻照的時(shí)間相對(duì)減少，磨礦效率提高了2.43%。

焦鑫等[47]在試驗(yàn)中采用馬弗爐作為參照組，對(duì)比了微波輔助輝鉬礦碎磨的效果，在輝鉬礦被氧化的溫度之內(nèi)，使用馬弗爐預(yù)處理的輝鉬礦的-0.074 mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)并沒(méi)有明顯升高；但使用微波輻照的輝鉬礦隨著溫度的上升，-0.074 mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯升高；通過(guò)掃描電鏡(SEM)觀察經(jīng)微波預(yù)處理后的礦樣，有用礦物與脈石礦物之間存在明顯裂紋，使得礦樣的抗壓能力下降而更易磨細(xì)。

由于鮞狀赤鐵礦嵌布粒度較細(xì)和被層層包裹的特點(diǎn)，其單體解離比較困難，為了使其充分解離，一般需要細(xì)磨至5 μm以下[48]。鮞狀赤鐵礦在普通的碎磨過(guò)程中易產(chǎn)生微細(xì)顆粒，常造成含泥量較大[49]。針對(duì)鮞狀赤鐵礦的特點(diǎn)，微波預(yù)處理是一種比較好的手段。錢功明等[50]研究了微波輻照對(duì)鮞狀赤鐵礦的磨礦效率以及解離度的影響，結(jié)果表明：在微波輻照之后，鮞粒與基體礦物交界處有較為明顯的裂紋，而沒(méi)有經(jīng)過(guò)微波預(yù)處理的鮞狀赤鐵礦，二者之間沒(méi)有裂紋；若延長(zhǎng)微波輻照時(shí)間，會(huì)發(fā)現(xiàn)鮞粒與基體礦物交界處的裂紋增多并逐漸形成斷裂，繼續(xù)加大微波功率，鮞粒內(nèi)部也有大量裂紋出現(xiàn)，礦物的比表面積和孔隙率均得到了提高，說(shuō)明微波可以促進(jìn)鮞狀赤鐵礦的單體解離。

由此可見，微波輻照可以促進(jìn)礦物單體解離，并且無(wú)需額外的能量，相較于馬弗爐等傳統(tǒng)加熱方式，解離效果更好。并且微波輻照對(duì)礦物加熱所需要的能量遠(yuǎn)低于碎磨設(shè)備所耗的電能。因此，在大批量礦石碎磨過(guò)程中，可以節(jié)約電能，避免和減少碎磨設(shè)備的磨損；同時(shí)，在提高礦物單體解離度的同時(shí)，可以產(chǎn)生更大的比表面積，為后續(xù)浮選過(guò)程中的藥劑吸附提供便利，從而增強(qiáng)藥劑對(duì)礦物的抑制和捕收能力。

4 展望

a.微波已經(jīng)在多個(gè)行業(yè)發(fā)揮巨大作用，但在礦物加工行業(yè)的發(fā)展尚處于起步階段。將礦石中多種礦物組分與微波選擇性加熱的特點(diǎn)相結(jié)合，可以獲得傳統(tǒng)熱處理方式無(wú)法比擬的助碎磨效果。

b.微波加熱礦物的作用機(jī)理研究仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，在實(shí)際生產(chǎn)中，礦石性質(zhì)的差異、礦石的粒度及雜質(zhì)含量都將嚴(yán)重影響微波的輔助碎磨效果。不僅如此，微波發(fā)生裝置對(duì)電能轉(zhuǎn)化成電磁能的效率不高，且在礦石日處理量較大的情況下，電能消耗是否能夠小于未經(jīng)過(guò)微波預(yù)處理礦石碎磨所需的能量，仍需實(shí)踐檢驗(yàn)。微波在礦物加工領(lǐng)域應(yīng)用的安全性和穩(wěn)定性也有待進(jìn)一步研究。

c.隨著國(guó)家對(duì)綠色礦山建設(shè)的大力扶持，以及研究人員對(duì)微波輔助碎磨理論研究的不斷深入，相信可以突破各種技術(shù)瓶頸，使微波技術(shù)可以在處理量較大的選廠中得到廣泛應(yīng)用。