微波預處理條件對鄂西鮞狀赤鐵礦磨礦效率的影響

錢功明,張　博，李漫漫，楊　蓉，張慧麗

(武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢，430081)

微波預處理條件對鄂西鮞狀赤鐵礦磨礦效率的影響

錢功明,張博，李漫漫，楊蓉，張慧麗

(武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢，430081)

摘要：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行微波預處理，研究礦樣在微波場中的升溫特性，考察預處理前后礦樣形貌、比表面積及孔隙率變化，分析所得礦樣的磨礦效率、邦德磨礦功指數及過程功耗。結果表明，當微波功率為1～3kW時，礦石可在90s內被迅速加熱至400 ℃以上，且升溫速率隨功率的增大而增加；經不同條件微波預處理后，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升43.8%～51.9%和20.9%～40.0%；相同磨礦條件下，經功率為2 kW、時間為45 s處理后的礦樣，-0.038mm和-0.074mm粒級產品產率最高可提升37.2%和43.4%，邦德磨礦功指數最多可下降13.6%；微波預處理有助于降低磨礦過程功耗，當磨礦產品中-0.038mm粒級產率為49.2%時，最大能耗降幅為21.4%。

關鍵詞：鮞狀赤鐵礦；微波處理；晶界裂縫；磨礦效率；功耗

我國鮞狀赤鐵礦儲量豐富，約占全國鐵礦資源總儲量的10%，廣泛分布于湖北、河北、湖南、四川等省, 但目前仍缺少成熟的工藝實現(xiàn)該類礦石的工業(yè)化開發(fā)利用。原因在于鮞狀赤鐵礦嵌布粒度極細，與石英、鮞綠泥石、膠磷礦和黏土礦物層層環(huán)狀包裹形成鮞粒，要實現(xiàn)礦物間的單體解離，則必須將其細磨至粒徑為1～5 μm[1-2]。但實際磨礦過程中，能量利用率極低，直接作用于促使礦物顆粒間斷裂和產生新表面的能量僅占全部能耗的1%～5%[3]。若采取一些手段對礦石進行入磨前的預處理，則可通過改變礦石性質的方式來提高礦物解離能力，進而達到提高破碎效率和降低過程能耗的目的[4]。

微波作為一種高頻率電磁波，具有穿透性良好、選擇性加熱、熱慣性小等特點，近年來被許多學者應用于礦物加工領域。Kingman等[5]研究發(fā)現(xiàn)微波輻射助磨挪威鈦鐵礦效果顯著，且短時間大功率的處理方式最為有效，礦石磨礦功指數最高可降低90%；Jones等[6]通過試驗和建模證明礦物在吸收微波能量和能量投射階段，晶界周圍由于熱應力的作用會產生裂縫；Omran等[7]采用不同加熱方式對埃及阿斯旺地區(qū)鮞狀鐵礦進行預處理，結果表明經微波預處理后的礦石可磨性最佳且磨礦能耗最低；陳鵬飛等[8]研究表明微波處理可有效地降低鐵礦石的抗壓強度，且在一定的研磨時間內所得產物顆粒度較小。然而，目前關于微波處理條件對礦石磨礦效率影響的研究并不多。

基于此，本文以鄂西某鮞狀赤鐵礦為研究對象，利用微波加熱對礦石進行預處理，考察微波功率與處理時間對礦石性質及磨礦效果的影響，以期為提高鮞狀赤鐵礦磨礦效率、進一步實現(xiàn)其工業(yè)化開發(fā)提供理論依據。

1試驗

1.1原料

試驗原料為鄂西高磷鮞狀赤鐵礦，其化學成分及鐵物相分析結果分別如表1和表2所示。由表1可見，該礦鐵品位較低，為43.31%，有害雜質磷含量較高，為1.49%，除磷外還含有一定量的硅、鋁、鈣等雜質。由表2可見，礦石中的鐵主要以赤褐鐵礦的形式存在，含量占礦石中含鐵總量的95.91%。

表1　鮞狀赤鐵礦的化學成分(wB/%)

表2　鮞狀赤鐵礦的鐵物相分析

1.2試驗設備

1.3試驗方法

將原料礦石破碎為15～20 mm塊狀，充分干燥后，分別稱取100 g放入剛玉坩堝中，利用微波加熱裝置，在不同功率與時間條件下對礦樣進行預處理，并記錄不同功率下礦樣的升溫特性曲線。選取-2 mm粒級的原礦及微波處理后的礦樣，在礦漿濃度為60%、處理量為200 g/次、填充率為35%的條件下，進行磨礦實驗，采用濕式篩分法分析-0.074 mm和-0.038 mm粒級產品產率。稱取微波處理前后粒度為-2 mm的礦石各1.5 kg，采用干式閉路磨礦法，利用功指數球磨機進行可磨性測試，以磨礦循環(huán)負荷達到250%時的數據計算標準邦德功指數，可表示為：

(1)

式(1)中：Wib為球磨機功指數，kW·h/t；P為試驗用篩孔尺寸，μm；Gbp為磨機每一轉新生成的試驗篩孔以下粒級物料的重量，g；P80為產品中80%物料通過的粒度尺寸，μm；F80為給礦中80%物料通過的粒度尺寸，μm。

1.4性能測試與表征

采用Siemens D5000型X射線衍射分析儀(XRD)表征原礦的物相組成；采用Zeiss Ultra Plus型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)及能譜儀(EDS)分析微波處理前后礦石的形貌及成分；采用3H-2000PM1型高性能比表面及微孔分析儀測定微波處理前后礦樣的比表面積、裂縫面積及孔體積；采用DTS1986型三相四線有功電子式電能表測量微波處理及磨礦過程所需能耗。

2結果與討論

2.1原礦的微觀形貌及物相分析

鮞狀赤鐵礦原礦的物相組成、微觀形貌及能譜分析結果分別如圖1～圖3所示。由圖1～圖3可見，鮞粒間(點1、2處)顏色較深，以硅、氧、鈣、磷等元素為主，鐵元素含量較少，表明該區(qū)域主要是膠磷礦、石英和鮞綠泥石等構成的脈石礦物；鮞粒內(點3、4處)顏色較淺，以鐵、氧、磷等元素為主，同時含有少量的鎂、鋁等元素，表明該區(qū)域主要由含鐵礦石和少量鮞綠泥石構成。由此可知，該礦是以赤鐵礦為主的含鐵礦物為核心，被含膠磷礦、石英和鮞綠泥石等脈石礦物包裹，形成緊密排列的鮞狀結構。

Fig.1 XRD pattern of oolitic hematite

圖1　鮞狀赤鐵礦的XRD衍射圖譜

圖2　鮞狀赤鐵礦的SEM照片

(a) 圖2中點1處(b) 圖2中點2處

(c) 圖2中點3處(d) 圖2中點4處

圖3鮞狀赤鐵礦的EDS圖譜

Fig.3 EDS spectra of oolitic hematite

2.2微波預處理條件對礦樣升溫特性的影響

不同微波功率下礦樣的升溫特性曲線如圖4所示。由圖4可見，所得礦樣的溫度整體隨加熱時間的延長而升高，且均可在90 s內被迅速加熱至400 ℃以上；隨著微波功率增大，礦石升溫速率明顯提高。這表明該鮞狀赤鐵礦具有良好的微波吸收能力，且礦物中吸收微波物質所吸收的能量隨功率的增大而增加。

2.3微波預處理條件對礦樣微觀形貌的影響

原礦及不同微波條件預處理后所得礦樣的微觀相貌如圖5所示。其中，圖5(b)中區(qū)域I、II的局部放大SEM照片如圖6所示。

圖4　不同微波功率下鮞狀赤鐵礦的升溫特性曲線

Fig.4 Temperature-rising characteristic curves of oolitic hematite at different microwave powers

(a) 未處理(b)2 kW×30 s

(c) 2 kW×45 s(d) 3 kW×30 s

圖5不同微波預處理條件下礦樣的組織形貌

Fig.5 Morphologies of ore samples under different microwave pretreatment conditions

(a) 區(qū)域I(b) 區(qū)域II

圖6圖5(b)中區(qū)域I、II的SEM照片

Fig.6 SEM images of zone I and zone II in Fig.5(b)

由圖5可見，原礦中鮞粒和基體礦物間沒有裂縫，完全連為一體(見圖5(a))，經微波功率為2 kW、時間為30 s的條件處理后，鮞粒和基體礦物邊界出現(xiàn)明顯裂縫(見圖6)；當保持功率為2 kW、延長處理時間為45 s時，礦樣中鮞粒與基體礦物邊界的晶界裂縫會延展變寬甚至產生斷裂，使基體礦物與鮞粒分離，且鮞粒上也出現(xiàn)極少量的細微裂縫(見圖5(c))；當功率增加為3 kW、保持處理時間為30 s時，礦樣中晶界裂縫不僅產生于鮞粒與基體礦物邊界和基體礦物內部，在鮞粒內也產生了大量裂縫，甚至鮞粒呈片層狀碎裂(見圖5(d))。

這是由于鮞狀赤鐵礦中的含鐵礦物與脈石礦物的介電常數不同，對微波能量的吸收程度也有所不同。赤鐵礦的介電常數較大，在微波場中能有效吸收微波能量迅速升溫，而SiO2、CaO等脈石礦物的介電常數較小，不能有效吸收微波能量因而升溫較為緩慢。因此，微波預處理后不同礦物間存在的溫度梯度會導致晶粒間產生熱應力，進而形成裂紋。另一方面，赤鐵礦與脈石礦物的熱膨脹系數也有很大差異(αFe2O3=12.6×10-6K-1，αSiO2=0.59×10-6K-1，αP2O5=2.1×10-6K-1，αAl2O3=23.8×10-6K-1)[9]，這將導致不同礦物間產生作用力。當升溫速率與溫度達到一定程度時，溫度差異所帶來的熱應力超過礦物的極限壓力強度或張力強度，就會產生裂縫。由于赤鐵礦石的抗壓強度大于脈石，在微波預處理初期，裂縫多出現(xiàn)于鮞粒與基體礦物的邊界及基體礦物中。當延長處理時間、保持微波功率不變時，礦樣在微波場中的升溫速率無明顯變化，預處理過程中不同礦樣間的溫度梯度較小，所產生的熱應力不足以使鮞粒中的赤鐵礦達到其極限抗壓或抗拉強度，因而在鮞粒內部很少產生新的晶界裂紋。當增大微波功率時，由于微波能量增高，短時間內礦樣中吸收微波能力強的成分可以被迅速加熱，礦石間易產生較大的溫度梯度，進而形成更大的且足以破壞鮞粒的熱應力，導致鮞粒內部產生裂紋，促進礦物解離。

2.4微波預處理條件對礦樣比表面積與孔隙率的影響

原礦及不同微波條件預處理后所得礦樣的比表面積及孔隙率如表3所示。由表3可知，與原礦樣相比，微波預處理所得礦樣的比表面積和孔隙率分別提高了43.8%～51.9%和20.9%～40.0%，同時產生了微細裂縫，且增大功率所帶來上述指標增長幅度大于延長處理時間。這表明礦樣經微波處理后，內部會產生大量的晶界裂縫，內部結構缺陷明顯增多，結合SEM分析可知，在一定程度上，延長處理時間有利于裂縫的延展變寬，加大微波功率有利于產生更多新的裂縫，皆有利于磨細作業(yè)的進行。

表3不同微波預處理條件下礦樣的比表面積及孔隙率

Table 3 Specific surface areas and porosities of ore samples under different microwave pretreatment conditions

預處理條件比表面積/m2·g-1微裂縫面積/m2·g-1孔隙率/%未處理8.742204.13742kW×30s12.57253.34125.00212kW×45s12.73993.67665.27333kW×30s13.28003.94555.7911

2.5微波預處理條件對礦樣磨礦效率的影響

對原礦及不同微波條件預處理后的礦石進行磨礦試驗，以產品中-0.074 mm和-0.038 mm粒級的產率作為衡量指標，考察微波處理條件對礦石磨礦效果的影響，結果如圖7所示。由圖7可見，與原礦樣的磨礦效果相比，微波預處理所得礦樣的可磨性發(fā)生明顯改善；磨礦產品中-0.074 mm和-0.038 mm粒級的產率最高可分別提升37.2%和43.4%(條件：2 kW×45 s)；其他條件一定的情況下，隨著微波功率的增大或處理時間的延長，產品中-0.074 mm和-0.038 mm粒級的產率均有所提高，且在一定程度內增大功率所帶來上述指標增長的幅度大于延長處理時間。這是由于在磨礦過程中礦石會優(yōu)先從裂縫處斷裂，裂縫使礦石變得易磨；微波預處理過程中，增加微波功率和延長處理時間，均會使礦石產生晶界間裂隙，因此可起到助磨作用，且增加微波功率會導致更多新裂縫產生且使裂縫延展，助磨效果則會更加顯著。

(a) -0.074 mm粒級

(b)-0.038 mm粒級

圖7磨礦產品中-0.074 mm和-0.038 mm粒級的產率隨磨礦時間的變化

Fig.7 Variation of the percentage of grinding product having size fractions of -0.074 mm and -0.038 mm with the grinding time

原礦及不同微波條件預處理后所得礦樣的邦德磨礦功指數如表4所示。由表4可知，微波預處理所得礦樣的邦德磨礦功指數Wib與原礦樣相比均有所下降，且當微波功率為2 kW、時間為45 s時，Wib值最高可下降13.6%。

表4不同微波預處理條件下礦樣的邦德磨礦功指數

Table 4 Bond grinding work indexs of ore samples under different microwave pretreatment conditions

預處理條件Wib/kW·h·t-1未處理15.251kW×30s14.892kW×30s14.112kW×45s13.18

結合磨礦試驗結果可知，微波預處理有助于提高鮞狀赤鐵礦的可磨性，且在一定范圍內，增大微波功率或延長處理時間均可提高其磨礦效率。

2.6微波預處理條件對礦樣磨礦能耗的影響

原礦及不同微波條件預處理后所得的礦樣在磨礦過程中，達到相同-0.038 mm粒級產品產率所需能耗如表5所示，其中，原礦樣的總功耗為磨礦功耗，微波處理后礦樣的總功耗為微波處理功耗與磨礦功耗之和。由表5可知，礦樣經不同條件微波處理后，當磨礦產品中-0.038 mm粒級的產率為49.2%時，總功耗降低了6.5%～21.4%，節(jié)能效果顯著。同時，微波功率與處理時間均會影響過程功耗。因此，要想以最小功耗達到最佳的磨礦效果，應權衡微波功率與處理時間之間的關系。

表5不同微波預處理條件下礦樣磨礦過程總功耗

Table 5 Total power consumption of ore grinding process under different microwave pretreatment conditions

-0.038mm粒級產品產率/%總功耗/kW·h未處理1kW×30s2kW×30s2kW×45s49.20.2010.1880.1580.160

3結 論

(1)當微波功率為1～3 kW時，該鮞狀赤鐵礦可在90 s內被迅速加熱至400 ℃以上，且礦石的升溫速率隨功率的增大而增加。

(2)經不同條件微波處理后，所得礦樣的比表面積與孔隙率分別提高了43.8%～51.9%和20.9%～40.0%，且礦物內部會產生新生裂縫和斷面；在一定程度上，延長處理時間有利于裂縫的延展變寬，加大微波功率有利于產生更多新裂縫。

(3)在礦漿濃度為60%、處理量為200 g/次、磨礦時間為7 min的條件下，微波處理后的礦樣可磨性明顯提升；當微波功率為2kW、時間為45s時，所得礦樣磨礦產品中-0.074 mm和-0.038 mm粒級的產率最高可提升37.2%和43.4%，邦德磨礦功指數最多可下降13.6%。

(4)經不同條件微波處理后的礦樣，當其磨礦產品中-0.038 mm粒級的產率為49.2%時，過程功耗降低了6.5%～21.4%，節(jié)能效果顯著。

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[責任編輯董貞]

Effect of microwave pretreatment condition on the grinding efficiency of oolitic hematite from western Hubei Province

QianGongming，ZhangBo，LiManman，YangRong，ZhangHuili

(College of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

Abstract:With oolitic hematite from western Hubei Province as the research object, microwave irradiation with different powers and heating times was employed to pretreat the ore samples. The temperature-rising characteristics of oolitic hematite in microwave field were studied. The vatiations of morphology, specific surface area and porosity of ore samples after microwave pretreatment were investigated. The grinding efficiency, Bond grinding work index and total power consumption of treated samples were analyzed. The results show that when the microwave power is in the range of 1～3 kW, oolitic hematite samples can be heated up to above 400 ℃ rapidly within 90 s and the heating rate increases with the elevation of microvave power. After pretreatment under different microwave conditions, obvious intergranular cracks appear on the boundaries between hematite and gangue particles, and the specificsurfaceareaandporosityoforesamplesareimprovedby43.8%～51.9%and20.9%～40.0%, respectively. Under the same grinding conditions, the percentages of grinding product with size fractions of -0.038 mm and -0.078 mm are increased by 37.2% and 43.4% respectively, while the Bond grinding work index is reduced up to 13.6% when the microwave power is 2 kW and the heating time is 45 s. Microwave pretreatment can promote the reduction of total grinding power consumption. When the percentage of grinding product with size fraction of -0.038 mm is 49.2%, the maximum decreasing amplitude of grinding power consumption can reach 21.4%.

Key words：oolitic hematite; microwave treatment; intergranular crack; grinding effeciency; power consumption

收稿日期：2015-11-02

基金項目：“十一五”國家科技支撐計劃項目(2007BAB15B01)．

作者簡介：錢功明(1977-)，男，武漢科技大學副教授，博士．E-mail: gongmingqian@126.com

中圖分類號：TF521

文獻標志碼：A

文章編號：1674-3644(2016)01-0001-06