微波辐照预处理技术在难选铁矿石磨矿中的应用*

徐宏达 张 新 马艺闻

(辽宁科技大学矿业工程学院)

微波辐照能引起矿石内部分子的振动而产生热量。随着微波技术的迅速发展，根据矿石内部不同矿物吸收微波能力不同的特点，可将其应用于矿物加工过程。目前该项研究已逐渐深入，微波技术在金属矿石磨矿领域中潜在的应用价值也受到越来越多的重视[1-3]。我国铁矿石脉石矿物主要以石英、方解石、磷灰石和金红石为主[4]，脉石矿物在微波辐照下升温速率很慢，而有用矿物升温速率较快。微波选择性加热的特性可以使有用矿物与脉石矿物之间形成明显的局部温差，从而产生热应力。当热应力达到一定大小时，矿物界面上就会产生裂缝，使矿石更易磨，从而降低磨矿能耗[5-7]。为给难选铁矿资源的开发利用提供新思路，提高铁矿资源利用率，对微波辐照在难选鲕状赤铁矿和钛铁矿磨矿中的应用进行综合分析。

1 微波辐照影响因素

磨矿可使有用矿物与脉石矿物解离，为选别过程提供适宜粒级的给矿。磨矿过程能耗很高，且碎磨作业中约30%～50%的能量(矿石坚硬时高达70%)被消耗，真正用于生成矿石新生表面的能量仅1%左右。微波技术作为提高能量利用率、降低碎磨能量消耗的一种新兴处理手段备受关注[8-10]。

1.1 外部因素

影响微波辐照矿石可磨性的外部因素主要是人为可控因素，主要包括矿石粒度、矿石质量、照射时间、辐照功率、辐照后冷却处理方式及辐照方式等。Kumar等[11]采用900 W微波炉加热0.5 kg矿样，加热时间分别为30，60，90，120 s，研究微波加热预处理对铁含量62%的赤铁矿可磨性的影响。结果表明，微波加热预处理后矿石产生微细裂纹，且微波辐照时间越长，裂纹越明显。

矿物颗粒大小[12-13]对微波加热助磨有明显影响。细粒矿石初始加热速率慢，热量流失快，热应力小，微波辐照助磨效果不明显；矿石颗粒较粗时，微波加热预处理后助磨矿效果明显改善。主要原因是粗粒矿石初始加热速率快，不容易散热，保温效果好，热应力较大。

何春林[14]发现微波加热预处理的铁矿石质量越少、加热预处理时间越长，加热终点温度越高，微波加热预处理助磨效果越好。钱功明等[15]开展微波处理对鲕状赤铁矿解离的影响试验，发现微波加热时间较长时，过高的温度会使矿石组分发生相变，不同组分会重新粘连、聚结在一起，矿石矿物之间的解离又变得困难。因此要想达到微波助磨矿石的最佳效果，必须权衡微波加热功率与处理时间之间的关系。

李军等[16]研究微波助磨技术发现，加热时间和微波功率对矿石助磨效果均有影响。粒度20～30 mm铁矿石用功率分别为0，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 kW的微波对矿石进行等时辐照后，立即水淬冷却，充分干燥后进行磨矿—筛分试验。结果表明，微波功率越高，磨矿产品中-0.074 mm粒级含量越高；在同样微波辐照条件下，水淬冷却处理的矿石磨矿效果比自然冷却的矿石要好；在相同的微波辐照功率下，矿石粒度对微波辐照助磨效果也存在明显差异。矿石粒度为20～30 mm时，助磨效果差别较为明显；当矿石粒度较小且有用矿物已单体解离时，微波辐照对助磨效果影响很小。Jones等[17]对比连续性微波和脉冲式微波两种方式对矿石助磨效果的影响，发现脉冲式微波辐照较大硬度矿石时助磨效果显著优于连续性微波；微波辐照不规则形状矿石的助磨效果要比规则形状的要好。影响微波辐照矿石助磨效果的外部因素人为可控，避免这些因素能大大降低碎磨能耗。

1.2 内在因素

影响微波辐照矿石助磨效果的内在因素通常难以控制，主要包括矿石对微波的吸收特性、矿石铁含量、热膨胀系数、介电损耗因数等。

彭金辉等[18-19]研究发现，矿石在微波场中的升温速率取决于自身介电常数。介电常数越大，矿物升温速率越大。矿石内部各矿物介电常数和升温速率不同，微波辐照下矿石内部产生细小裂纹。何春林[14]发现在相同的微波辐照条件下，含Fe矿物的矿石相比含Sn、Pb、Zn矿物的矿石磨矿效果更好。粗略计算，微波加热预处理磨矿能耗仅为传统加热预处理的1/20。Jones等应用有限元差值模拟黄铁矿-方解石模型的准静态热形变，发现矿石内部各矿物的热膨胀系数不同时，微波辐照后矿物晶格会产生应变；当应变超过矿物自身强度时，产生裂纹；且微波辐照功率越大，裂纹越明显；经微波辐照后，不规则形状的矿石较规则形状的裂纹更明显。

有文献表明[20-24]，微波辐照矿石助磨效果还与介电损耗因数有关。矿石内不同矿物介电损耗因数不同，短时间内吸收微波的能力也不同，从而产生不同的局部温度差和热应力，进而影响内部裂纹的产生。

虽然影响微波辐照预处理矿石可磨性的内在因素难以控制，但可通过预判矿石铁含量、热膨胀系数、介电损耗因数等指导微波辐照预处理矿石的后续相关试验，从而提高矿石可磨性。

2 微波辐照预处理技术应用

2.1 在鲕状赤铁矿磨矿中的应用

鲕状赤铁矿占我国铁矿资源总储量的10%以上，但其与石英、鲕状绿泥石、胶磷矿和黏土矿物层层环状包裹，易形成鲕粒，嵌布粒度极细，要实现矿物间的单体解离，需将其细磨至-20 μm甚至1～5 μm，极易泥化，目前仍缺少成熟的技术实现该类矿石的工业化开发利用[25-28]。

有研究人员采用微波辐照预处理鲕状赤铁矿，考察微波辐射后矿物力学性质的变化，分析微波辐照对鲕状赤铁矿磨矿过程的影响，取得了一定的成果。唐惠庆等[29]通过微波辐照预处理鲕状高磷赤铁矿发现，处理后的矿石内部环状磷灰石层结构遭到破坏，出现大量的微细裂痕和疏松结构，有利于磨矿。陈鹏飞等[30]研究发现微波辐照预处理可以有效降低铁矿石的抗压强度，在相同的磨矿时间内，磨矿产品细度比未处理的要小。Omran等[31]分别采用微波辐照加热方式和传统加热方式处理埃及阿斯旺地区鲕状赤铁矿，对比发现微波辐照处理可以提高矿石可磨性，相比传统加热方式能明显降低磨矿能耗。钱功明等[32]将矿石置于工业微波高温加热装置内进行微波处理，处理后在球磨机内进行磨矿，控制矿浆浓度40%，考察磨矿细度。结果表明，当微波功率不小于2 000 W时，随着微波功率的增加，磨矿细度-0.074 mm粒级含量先增加后减小，并且微波功率越高，-0.074 mm粒级含量达到最大值所需的时间越短，即矿物达到最大单体解离度的时间越短。钱功明等[33]又以鄂西鲕状赤铁矿为研究对象,采用不同功率与加热时间对其进行微波辐照预处理，发现矿石升温速率随功率的增大而增加；经不同条件的微波辐照预处理后，赤铁矿与脉石颗粒间出现明显裂缝，矿石比表面积与孔隙率分别提高了43.8%～51.9%和20.9%～40.0%；相同磨矿条件下，经功率2 000 W、照射时间45 s微波辐照处理后，磨矿产品-0.038 mm和-0.074 mm粒级产率最高分别可提升37.2%、43.4%，邦德球磨矿功指数最多可下降13.6%；微波辐照预处理能降低磨矿过程功耗，当磨矿产品-0.038 mm粒级产率49.2%时，最大能耗降幅为21.4%。说明微波辐照预处理鄂西鲕状赤铁矿，能显著改善磨矿效果、降低磨矿能耗。

2.2 在难选钛铁矿中的应用

我国钛铁矿资源丰富，钛铁矿组成较为复杂，矿物之间共生关系密切，较难单体解离，给资源的高效利用带来了困难。为达到理想的单体解离度，往往需要对矿石进行细磨，而磨矿时间过长则会造成大量微细粒级钛铁矿无法有效回收[34-37]。

Kingman等[38-39]研究微波辐照加热后挪威某钛铁矿矿石性质的变化，发现短时间内大功率微波辐照可以显著降低矿石强度，磨矿功指数最高可降低90%，能节约一半电耗，助磨效果明显。N A Rowson[40]研究发现微波辐照预处理可增加钛铁矿矿石中的粒间裂隙,从而提高钛铁矿单体解离度。李军等[41]在微波功率1 000 W的条件下对50 g粒度20～30 mm攀枝花某钛铁矿石进行微波辐照预处理，研究其对磨矿过程的影响。结果表明，预处理30 s后，磨矿产品-0.074 mm含量达94%，比未经预处理的提高了28%，磨矿效率明显改善。廖雪峰等[42]控制不同微波功率和处理时间对攀枝花地区钛铁矿(主要矿物为磁铁矿和钛铁矿)进行微波加热预处理，水淬冷却干燥后进行干磨处理。结果表明，在微波功率3 000 W、处理时间29.08 s、矿石质量42.23 g的最佳条件下，试验最终磁精矿产率71.76%，相比未经微波辐照预处理，提高了27.16%。

为解释微波辐照预处理对钛铁矿磨矿促进作用的根本原因，欧阳红勇等[43]对攀枝花钛铁矿在微波辐照场中的升温机理进行研究，发现不同性状的矿石升温特性不同；细粒级钛铁矿比粗粒级钛铁矿在低温段的升温速度更快，预氧化处理会降低钛铁矿的升温能力。

微波辐照预处理难选钛铁矿效果较好，因此可以考虑将微波辐照预处理技术与其他工艺相结合，以获得较为理想的回收指标[44-48]。

3 结 论

微波辐照预处理技术能改善矿石磨矿效果，节约磨矿能耗。矿石粒度、矿石质量、照射时间、辐照功率、辐照后冷却处理方式及辐照方式等是影响微波辐照预处理效果的人为可控因素，矿石对微波的吸收特性、矿石铁含量、热膨胀系数、介电损耗因数等是不可控的内在因素。尽量减少这些因素的不良影响，以尽可能地发挥微波辐照预处理技术对促进矿石磨矿、提高矿物单体解离度的作用。

微波辐照预处理鲕状赤铁矿和难选钛铁矿效果较好，能显著降低磨矿过程功耗，需要根据矿石性质选择最佳的微波辐照预处理条件，以增大辐照后矿石内部裂纹，促进磨矿，提高矿物单体解离度，为进一步选别提供前提。但大部分结论仅局限于试验，并没有具体数据计算说明微波能耗是否可以抵消节约的磨矿能耗，实际应用的经济性仍需进一步实践证明。

微波辐照预处理技术的研究与工业化应用尚处于初期阶段，目前仍存在许多问题需解决，如微波设备大型化、降低产生微波的能耗等问题。随着科研工作者的不断探索和对微波预处理技术研究的不断深入，微波辐照预处理技术将在矿物加工领域得到更广泛的应用。