微波处理对鲕状赤铁矿解离的影响试验

钱功明 赵新泽 王 帅 夏 节 卢义飞 赵德世

(武汉科技大学资源与环境工程学院)

微波处理对鲕状赤铁矿解离的影响试验

钱功明 赵新泽 王 帅 夏 节 卢义飞 赵德世

(武汉科技大学资源与环境工程学院)

直接采用传统的选矿方法进行鲕状赤铁矿的选别，效果不理想。为探究微波处理对鲕状赤铁矿解离的影响，分别对微波处理的矿石量、微波功率及处理时间进行了试验研究，同时分析了微波对磨机生产能力的影响。结果表明：微波处理鲕状赤铁矿矿石量宜为50 g，矿石升温幅度随微波功率和处理时间的增加而增加；微波预处理可促进鲕状赤铁矿的解离，并提高磨机的生产能力，最高增量可达23.51%，具有明显的助磨效果，但微波功率不宜过低，处理时间不宜过长。该研究结果可为微波预处理鲕状赤铁矿以改善选矿效果提供依据。

鲕状赤铁矿 微波预处理 解离

鲕状赤铁矿储量丰富，约占我国铁矿石资源总量的1/9[1]。然而因其构造特征特殊、嵌布粒度极细，有用矿物与脉石矿物密切共生，解离困难，直接采用传统的选矿工艺难以获得理想的选别效果。目前，国内外针对鲕状赤铁矿选矿的研究已有一定的进展，选矿方法主要集中在浮选、选择性絮凝分选、磁化焙烧等方面[2]。鲕状赤铁矿的解离程度成为影响最终选矿指标的关键性因素。关于鲕状赤铁矿解离的研究，开始得到人们的重视[3-5]。

微波是一种具有选择性加热和穿透性的高频电波，在很多领域得到广泛应用。铁矿石中不同物质的介质损耗因素不同，对微波的吸收程度不同，微波对不同成分可进行选择性加热。加之不同成分的热膨胀性不同，势必就会产生内应力差，从而降低矿石的机械强度[6]，为之后鲕状赤铁矿矿石的细碎、磨矿等作业创造有利条件。对微波预处理鲕状赤铁矿进行研究，以揭示微波处理矿石量、微波功率及处理升温时间等因素对其解离的影响规律，为鲕状赤铁矿的进一步开发利用提供参考。

1 试验原料及设备

1.1 试验原料

试验所用鲕状赤铁矿取自鄂西某地，主要铁矿物为赤铁矿，矿石断裂处有明显的鲕粒状结构；主要脉石矿物为石英和碳酸盐，多分布在赤铁矿的间隙中。试验所用矿石粒度为2～8 mm。矿样的主要化学成分分析结果见表1。

表1 矿样主要化学成分分析结果 %

成分TFeAl2O3SiO2PCaOMgO含量41.4310.1118.430.394.353.27

由表1可知，矿石铁品位为41.43%，有害元素磷含量较高。

1.2 试验设备及流程

试验所用到的设备有：BWG2S-01型微波高温实验炉，0～9 kW功率非连续可调，频率2 450 MHz，烟台北方微波技术有限公司生产；XMB-68型φ160 mm×200 mm球磨机，容积4.02 L，转速120 r/min。

试验时，将矿石置于工业微波高温加热装置内进行微波处理，记录矿石处理量、微波功率，每隔一段时间记录矿石温度。处理后的矿石在球磨机内进行磨矿，控制矿浆浓度为40%，磨矿产品经0.074 mm筛孔直径的筛子筛分，考察-0.074 mm粒级的产品产率。

2 试验结果与讨论

2.1 微波处理试验

2.1.1 矿石处理量试验

在微波功率为3 000 W的条件下，改变矿石用量，考察处理量对升温行为的影响，结果见图1。

由图1可知，微波处理等质量的块矿时，随着微波处理时间的延长，矿石温度不断升高；在微波处理时间一定的情况下，随着矿石处理量的增加，矿石温度呈先升高后降低的趋势。在处理量为50 g时，矿石温度升到最高。少于50 g时，矿石在加热过程中的热量散失较多，温度不能及时迅速升高；高于 50 g，矿石难以上升到最高温度，并且升高到相应温度所需的时间延长，不利于试验的进行。在较低温度下，膨胀产生的热应力差就会相对较小，不足以破坏矿石的鲕状结构，促进矿石解离作用不明显。随着处理量的增加，要使矿石在相同时间内，达到同样高的温度，需要较大的微波功率。因此，后续试验矿石的处理质量选择50 g为宜。

图1 矿石处理量对升温行为的影响

2.1.2 微波功率对矿石升温的影响

在矿石处理量为50 g的条件下，微波高温加热装置选用不同的功率处理矿石，考察微波功率对矿石升温行为的影响，结果见图2。

图2 不同微波功率对矿石升温行为的影响

由图2可知，矿石的温度整体随着微波处理时间的增加而升高。在不同功率的微波处理下，矿石的升温行为不相同。微波功率为1 000 W时，矿石整体升温速率要明显低于功率为3 000和4 000 W时。说明微波功率越高，矿石升温越快。这表明矿石中吸收微波的物质所吸收的能量随功率的增大而增加，相应的膨胀速率也越大，从而使不同成分间的热应力差变大，易于产生更多的裂隙，有利于在磨矿过程的粉碎解离。

2.1.3 微波处理前后矿石SEM观察结果

50 g矿石在微波功率为3 000 W条件下处理 50 s。处理前后的矿石在扫描电镜下观察结果见图3。

对比微波处理前后的矿石，可以明显看出：处理后的矿石的粒度比未处理的要小，经微波处理后的部分矿石的鲕状球形结构被破坏，这说明微波处理有助于鲕状赤铁矿的解离。

图3 矿石经微波处理前后的SEM照片

2.2 微波处理对矿石磨矿效果的影响试验

对经过不同微波功率处理后的矿石在锥形球磨机中磨矿5 min，产品采用标准筛进行筛分，以 -0.074 mm 粒级产率作为衡量指标，考察微波处理对矿石磨矿效果的影响，结果见图4。

图4 不同微波处理功率对矿石磨矿效果影响

由图4可知，除功率为1 000 W的微波外，不同微波处理功率对鲕状赤铁矿矿石磨矿产品中 -0.074 mm 粒级的产率的影响趋势相似。当微波功率为1 000 W时，随着处理时间的延长，-0.074 mm产率不断减小。当微波功率大于等于2 000 W时，随着微波功率的增加，-0.074 mm粒级产率先增加后减小，并且微波功率越高，-0.074 mm产率达到最大值所需的时间越短，即达到最大解离度的时间越短。

高功率的微波处理矿石，短时间内矿石中吸收微波能力强的成分被迅速加热，产生明显膨胀。而吸收微波能力弱的成分短时间内升温较慢，产生的膨胀较小。这就会产生巨大的应力差，从而在短时间内使颗粒破裂，破坏鲕状赤铁矿的鲕状球形结构，促进矿石的解离。当使用低功率微波处理矿石时，微波仅起到缓慢加热的作用，矿石整体升温慢、膨胀小，无法使矿石解离。但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，导致矿石解离又变得困难。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。

2.3 微波对磨机生产能力的影响分析

不同微波处理该鲕状赤铁矿后，磨机对该矿石的生产能力有所变化。试验以-0.074 mm粒级的变化，来衡量球磨机的生产能力，计算公式[7]为：

q=Q(β2-β1)/V ，

式中,q为按矿石磨矿产物中新生成的-0.074 mm粒级的含量来计算球磨机的生产能力，t/(m3/ h)；Q为球磨机的处理量，t/h；β2为磨矿后产物中 -0.074 mm粒级的含量，%；β1为球磨机给矿中 -0.074 mm 粒级的含量，%；V为球磨机的有效容积，m3。试验时矿石处理量为50 g，球磨机有效容积为0.004 02 m3，磨矿时间5 min。考察不同功率的微波处理该矿石后，磨机对该矿石生产能力的影响，试验结果见表2。

表2 不同功率微波对磨机生产能力的影响

由表2可知，随着微波处理功率的提高，磨机生产能力呈先增大后降低的趋势。在微波处理功率为6 000 W时，生产能力达到最大，为0.099 6 t/(m3·h)，比矿石未经微波处理时，磨机生产能力提高了23.57%，达到最大值。说明微波处理该鲕状赤铁矿矿石能促进其解离，可提高球磨机的生产能力，且有一个能使磨机生产能力达到最大值的功率。

3 结 论

(1)微波预处理试验结果表明：微波功率越高、处理时间越长，矿石温度越高；功率越高，矿石达到最大解离程度所需的时间越短。

(2)微波预处理有助于提高磨矿生产能力，最大可达23.57%。

(3)过长的微波处理时间会使矿石已解离的组分重新粘连、聚结。因此，必须综合考虑，选择适宜的微波处理功率和时间。

[1] 张锦瑞,胡力可,梁银英,等.难选鲕状赤铁矿的研究利用现状及展望[J].中国矿业,2007,16(7):74-76.

[2] 张伏龙,黄 润,张金柱,等.宁乡式鲕状赤铁矿开发利用研究现状及展望[J].现代矿业,2015,2(2):58-60.

[3] Li G, Zhang S, Rao M, et al. Effects of sodium salts on reduction roasting and Fe-P separation of high-phosphorus oolitic hematite ore[J].International Journal of Mineral Processing,2013(124):26-34.

[4] Song S, Campos-Toro E F, Lopez-Valdivieso A. Formation of micro-fractures on an oolitic iron ore under microwave treatment and its effect on selective fragmentation[J].Powder Technology,2013(243):155-160.

[5] Omran M, Fabritius T, Mattila R. Thermally assisted liberation of high phosphorus oolitic iron ore: A comparison between microwave and conventional furnaces[J].Powder Technology, 2015(269):7-14.

[6] 魏延涛,刘 亮.微波在碎矿磨矿中的应用[J].矿业快报,2008 (10):69-71.

[7] 张 强.选矿概论[M].北京：冶金工业出版社，2012.

2015-08-05)

钱功明(1977—)，男，副教授，博士，430081 湖北省武汉市青山区和平大道947号。