微波照射對鞍山式鐵礦石磨礦效果的影響

徐宏達 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僅為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，微波場中脈石礦物和有用礦物之間形成明顯的溫度差，進而產(chǎn)生熱應(yīng)力。當熱應(yīng)力達到一定程度時，礦物界面上就會產(chǎn)生裂縫，使得礦石更易磨，從而實現(xiàn)提高磨礦效率的目的。

錢功明等［9］采用微波照射對鄂西鮞狀赤鐵礦進行處理，結(jié)果表明微波照射可促進鮞狀赤鐵礦的解離，并提高磨機的生產(chǎn)能力，最高增量可達23.51%，具有明顯的助磨效果。王俊鵬等［10］研究了微波照射對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)部會產(chǎn)生大量的晶界裂紋，使更多的單體礦物解離出來。在微波功率為4 kW、照射時間為100 s的條件下對試樣進行微波照射，磨礦產(chǎn)品中-0.074 mm粒級的質(zhì)量分數(shù)由原礦的72%提高到95%。微波處理對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象，而針對浸染粒度較細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象，采用脈沖式微波照射裝置對其進行微波照射處理，系統(tǒng)研究了微波照射功率、微波照射時間、礦石塊度以及冷卻方式等對其磨礦效果的影響，確定了鞍山式赤鐵礦石微波照射的最佳試驗條件。此外，對比了微波照射對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。對以上3種礦石分別進行化學(xué)多元素分析，結(jié)果見表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%。試驗用石英的SiO2含量大于95.10%，純度符合試驗要求。

1.2 試驗設(shè)備及試樣制備

試驗所用到的主要設(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，無錫三樂工業(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；XMQ型?200 mm×240 mm球磨機，容積7.5 L，轉(zhuǎn)速110 r/min；G15-100型角磨機，轉(zhuǎn)速11 000 r/min，砂輪直徑100 mm。

由文獻［1，13-14］以及前期探索試驗結(jié)果可知，15～20 mm、20～25 mm、25～30 mm這3個塊度的礦石經(jīng)微波照射后磨礦，產(chǎn)品-0.074 mm粒級含量變化明顯。基于此，本試驗將礦樣置于PE-150 mm×200 mm型顎式破碎機進行破碎，破碎機的最大給料粒度為120 mm，設(shè)置排料口粒度為30 mm，破碎后的礦石篩分成4個粒級（0～15 mm、15～20 mm、20～25 mm、25～30 mm），其中0～15 mm粒級的試樣備用。

1.3 研究方法

每次取50 g試樣，在一定的試驗條件下進行微波照射，微波照射后的試樣采用PE-100 mm×125 mm型顎式破碎機破碎，其中，破碎機的最大給料粒度為80 mm，設(shè)置排料口粒度為2 mm。使用XMQ型?200 mm×240 mm球磨機對破碎后的試樣進行磨礦，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%測定礦石的磨礦時間，通過磨礦曲線測定鞍山式赤鐵礦石的磨礦時間為225 s，磁鐵礦石的磨礦時間為165 s。以磨礦產(chǎn)品中-0.074 mm粒級產(chǎn)率的增長百分點作為評價指標，研究微波照射對鞍山式赤鐵礦石磨礦效果的影響；對比了微波照射對鞍山式赤鐵礦石和磁鐵礦石磨礦效果的影響，具體試驗流程見圖1。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 微波照射功率和照射時間對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，在微波照射時間為45 s的條件下，研究微波照射功率對赤鐵礦石磨礦效果（磨礦時間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，研究微波照射時間對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，在相同磨礦時間（225 s）下，微波照射功率為3 kW時，磨礦產(chǎn)品的-0.074 mm粒級含量提高了5.57個百分點。

由圖3可知，微波照射時間對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間的增加而提高；繼續(xù)增加微波照射時間至60 s，赤鐵礦石的磨礦效果與微波照射45 s時相比有所下降。

以上結(jié)果表明，微波照射功率和時間均對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間才能獲得較好的礦石解離效果。

2.2 赤鐵礦礦石塊度對磨礦效果的影響

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磨礦效果（磨礦時間225 s）的影響，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，對鞍山式赤鐵礦而言，不同礦石塊度的礦石經(jīng)過微波照射后，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，由于塊度較小，微波穿透能力過強，礦石升溫過高，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、微波照射時間45 s的條件下，研究微波照射后的冷卻方式對赤鐵礦石磨礦效果（磨礦時間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粒級含量比與未經(jīng)微波處理時提高了2.67個百分點，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粒級含量比與未經(jīng)微波處理時提高了5.57個百分點。該結(jié)果說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，擴大裂痕，從而提高礦石的磨礦效率［14］。

2.4 微波照射對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、時間45 s、產(chǎn)品水淬冷卻的條件下，對比鞍山式赤鐵礦、磁鐵礦磨礦效果的差異（赤鐵礦石的磨礦時間為225 s，磁鐵礦石的磨礦時間為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粒級含量提高5.57個百分點，而磁鐵礦石磨礦產(chǎn)品-0.074 mm粒級含量僅提高2.68個百分點。由試驗結(jié)果可知，赤鐵礦石比磁鐵礦石更加堅硬、難磨，說明微波照射對此類難磨礦石磨礦效果的提升更為顯著。

為進一步考察微波照射對鞍山式赤鐵礦石和磁鐵礦石最大抗壓強度的影響，將赤鐵礦石和磁鐵礦石分別用角磨機處理成大小為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、照射時間為45 s）后立即水淬冷卻，接著通過WDW-10型微機控制萬能試驗機測定試樣的最大抗壓強度，試驗進行10次，取平均值，同時設(shè)置未經(jīng)微波照射的空白對照組。試驗結(jié)果見表2。

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

2.5 微波照射對鞍山式赤鐵礦微觀結(jié)構(gòu)的影響

為了了解微波照射對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)生的主要原因為礦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行保溫，將坩堝放入微波設(shè)備中加熱。以10 s為時間間隔，用紅外測溫儀測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、微波照射時間60 s的赤鐵礦石，其中心頂部溫度可以達到600℃以上，而石英的溫度幾乎不隨微波加熱時間而變化。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，一定時間內(nèi)溫度差也越大。

3 結(jié)論

（1）對于鞍山式赤鐵礦石，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、照射時間45 s、水淬冷卻，此時，磨礦產(chǎn)品中-0.074 mm粒級含量為65.80%，相比未經(jīng)微波處理的礦樣，提高了5.57個百分點。

（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。抗壓強度試驗結(jié)果進一步驗證了該結(jié)論，經(jīng)微波照射后赤鐵礦石的最大抗壓強度為2 555.6 N，磁鐵礦石的最大抗壓強度為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、微波照射時間60 s的赤鐵礦石，其中心頂部溫度可以達到600℃以上，而石英的溫度幾乎不隨微波加熱時間而變化。