微波照射花岗岩型铀矿石试样力学特性试验研究

2021-02-10林郁森贺桂成

南华大学学报（自然科学版） 2021年6期

林郁森, 贺桂成

(南华大学资源环境与安全工程学院,湖南衡阳 421001)

0 引言

天然铀是我国重要的战略资源，是保持我国核威慑力长期有效和核军工可持续发展的重要保障。随着我国核工业和国防事业的快速发展，急需大量的铀资源满足国家发展战略的需求，必须加大对我国天然铀的生产能力。地表堆浸提铀是我国天然铀的主要生产方式之一，适用于南方的硬岩矿山，特别是花岗岩型铀矿床。但花岗岩型铀矿床存在抗压强度大、破磨效果差、耗电性能高等缺点，一直是困扰铀矿山工程技术界和学术界的重大工程难题。

目前，矿物破碎主要采用振动法和冲击法两种机械破碎方法进行破碎矿物，但这两种能耗高且利用率低。振动法具有“多碎少磨”的特点，能较好地破碎高硬度矿物，但难以有效地破碎抗疲劳性良好的矿物[1]。冲击法破碎后的矿物粒度存在很大的波动性且对设备的损耗较大[2]。因此，众多学者开始研究非机械的方法进行破碎矿物，其中，最主要的方法就是电能破碎和微波辅助破碎，电能破碎的安全性低且脉冲传输效率低[3]，微波辅助破碎的安全性高且破碎效果更好。微波辅助破碎是利用不同矿物晶体的热膨胀系数不同，对矿物整体进行加热，使得矿物沿晶体边界或在自身内部开裂[4]，降低矿物的解离度。因此，微波辅助破碎是近年来工程界和学术界研究的热点。

国内外学者对微波辅助破碎进行了积极探索，并取得了丰硕的研究成果。Y.L.Zheng通过对微波照射黑色辉长岩时的P波波速，发现整体纵波速度和试样中部的纵波速度分别降低了55%和80%，表明试样强度显著降低[5]；S.W.Kingman通过微波对铅锌矿进行照射，发现不同的矿物成分对微波的敏感程度有所不同，S.W.Kingman等人还对比了多模腔和单模腔的微波腔体对最终岩石强度变化的影响，发现前者对岩石强度的削弱情况比后者要相对更强[6-8]；A.Y.Ali和S.M.Bradshaw使用PFC2D软件研究了微波照射岩石造成热损伤的机理，结果表明，颗粒的大小对于模拟结果有很大影响，当内嵌颗粒的热膨胀系数大于基质颗粒的热膨胀系数时，裂纹垂直于不同颗粒胶结界面的方向发育，并且还发现温度和微波功率都可以提高不同矿物间温度梯度，从而产生更大的热应力而造成破坏[9-10]；M.XIA使用颗粒流软件PFC成果模拟了在考虑温度对弹性模量影响下，微波照射花岗岩时，其内部的裂纹发展情况与不考虑温度影响的情况做对比，发现前者更加符合实际情况[11]；G.M.Lu等人通过对多种岩石的SEM-EDX分析并对其进行微波照射观测温度变化，发现Fe元素含量对矿物的微波敏感性影响很大，越是富含Fe元素的矿物，对微波的吸收能量越好[12]；赵沁华通过对造岩矿物的研究得到了与G.M.Lu相似的结论，同一族的矿物在同样晶型结构下对微波的吸收能力受到Fe元素含量的影响，矿石矿物对于微波的敏感性远超于造岩矿物[13]。

学者们已经对花岗岩和金属矿物等矿石展开了大量研究，但对于微波辐照花岗岩型铀矿石的研究成果较少，微波辅助花岗岩型铀矿石破碎是非常具有前景的破碎手段之一。因此，本文以花岗岩型铀矿石为例，研究了微波辐照时间、微波功率和冷却方式对干燥花岗岩型铀矿石和水饱和花岗岩型铀矿石强度的影响和单轴压缩试样下的破碎特征。

1 花岗岩型铀矿石物化特性

拟研究的花岗岩型铀矿石取自于中国南方某铀矿山，运送至南华大学岩石力学实验室，从中随机选取花岗岩型铀矿石试样，使用四分法进行筛分，采用球磨机将其磨成粉末再对其进行XRD衍射试验，分析结果如图1所示。由图1可知：该试样主要矿物成分和质量分数分别为石英25%、云母20%、萤石18%、钠长石17%和磷灰石7%；主要铀矿物为水硅铀矿、萤石(UF2)、硅钙铀矿、钛铀矿，其中水硅铀矿含量较多，其他含铀矿物成分含量较少。经查阅相关文献资料的研究结果可知，矿物中的石英、白云母、钠长石、萤石(CaF2)等均为透波矿物，而水硅铀矿等含铀矿物为吸波矿物[14-15]。因此，花岗岩型铀矿石中大部分的成分均为透波矿物，对微波敏感性强的矿物占比较少。

图1 花岗岩型铀矿石矿物成分XRD衍射试验结果Fig.1 XRD diffraction test results of mineral composition of granite type uranium ore

为了表征花岗岩型铀矿石各矿物成分的分布规律，将该铀矿石制成直径为50 mm、高为10 mm的圆盘状试样，放入FEI QUANTA 250扫描电镜下进行试验，试验结果如图2所示。由图2可知：该铀矿物呈散乱状分布在脉石矿物内部，和脉石呈相互嵌套的关系，且粒度很小，这种杂散的分布关系无疑增加了分离铀矿物的难度[14]。

图2 花岗岩型铀矿石矿物成分扫描电镜试验结果Fig.2 SEM test results of mineral composition of granite type uranium ore

2 试验设备与方案

2.1 花岗岩型铀矿石试样

试样采自中国南方某矿山花岗岩型铀矿石，按照《工程岩体试验方法标准》将矿石制成直径50 mm、高100 mm的标准试样，如图3所示。

图3 花岗岩型铀矿石标准试样图Fig.3 Standard sample diagram of granite type uranium ore

2.2 试验设备及装置

采用RMT-150B岩石力学试验系统对试样进行单轴抗压强度试验，如图4所示。该系统采用力传感器和量程分别为5 mm、50 mm的位移传感器，分别测量试样的受力和轴向变形。本试验采用位移速率控制的方法对试样施加作用力，位移控制速率为0.02 mm/s。

图4 RMT-150B岩石力学试验系统Fig.4 RMT-150B mechanical test system

采用JYC-3型微波高温焙烧炉进行微波加热试验，如图5所示。该设备输出功率具有1 kW、2 kW、3 kW三个可调节档位，理论最高温度可达1 500 ℃以上，输出微波频率为固定的2 450 MHz。该微波高温焙烧炉系统内部腔体尺寸为200 mm×400 mm×200 mm，腔体周围装有隔温层，焙烧炉内部装有红外测温仪测量腔体温度，与外接K型电偶接触性测温棒测量试样表面温度，达到实时监测温度变化。

图5 JYC-3型微波高温焙烧炉Fig.5 Jyc-3 microwave high temperature roaster

2.3 试验方案

为了探讨不同微波参数、不同试样状态(干燥和水饱和)和冷却方式对花岗岩型铀矿石试样强度和破碎特征的影响，选取微波功率分别为1 kW、2 kW、3 kW；照射时间分别为30 mim和45 min；试样状态分别为饱和和干燥；冷却方式分别为干燥-自然冷却、饱和-自然冷却、干燥-水冷、饱和-水冷等组成的影响因素，同时考虑了1个对照组试验，共25种试验方案，如表1所示。

表1 试验方案表Table 1 Test plan table

3 试验结果与分析

3.1 对照组铀矿石试样力学参数试验结果

采用RMT-150B岩石力学试验机对未经微波照射的花岗岩型铀矿石试样(对照组)进行了力学参数试验，试验结果如表2所示。

表2 花岗岩型铀矿石照射前力学参数Table 2 Basic mechanical parameters of granite-type uranium ore

3.2 微波照射铀矿石试样抗压强度结果分析

不同功率微波照射花岗岩型铀矿石试样单轴抗压强度的试验结果，如图6所示。

图6 微波功率和冷却方式对试样抗压强度的影响Fig.6 Effects of microwave power and cooling mode on compressive strength of uranium ore samples

从图6可知：干燥状态的花岗岩型铀矿石试样的抗压强度随微波功率的增加而降低。铀矿石试样在微波照射时间为30 min，照射功率分别为1 kW、2 kW和3 kW；经自然冷却作用后，其抗压强度分别比对照组的抗压强度降低了2.54%、14.16%、31.30%，经水淬冷作用却后，其抗压强度分别比对照组的抗压强度降低了11.46%、21.12%、32.40%。

铀矿石试样在微波照射时间为45 min，照射功率分别为1 kW、2 kW和3 kW，并经自然冷却作用后，其抗压强度分别比对照组的抗压强度降低了13.12%、26.21%、40.98%；经水淬冷却作用后，其抗压强度分别比对照组的抗压强度降低了24.35%、27.10%、50.43%。

由图6还可知：微波功率从1 kW上升到2 kW时，铀矿石试样的抗压强度从108.2 MPa降低到96.7 MPa，抗压强度降低了10.63%；微波功率从2 kW上升到3 kW时，铀矿石试样的抗压强度从96.7 MPa降低到76.1 MPa，抗压强度降低了21.3%。因此，铀矿石试样的抗压强度随微波功率的增加而急剧降低。微波照射花岗岩型铀矿石试样的冷却方式对其抗压强度也有一定影响，水淬冷却的抗压强度比其自然冷却的抗压强度降低了8.70%。

花岗岩型铀矿石试样的抗压强度随微波照射时间的变化规律，如图7所示。

图7 微波功率和照射时间对抗压强度的影响Fig.7 Effects of microwave power and irradiation time on compressive strength

从图7可知：当微波照射的时间相同时，花岗岩型铀矿石试样的抗压强度随微波功率的增大而减小。

3.3 微波照射花岗岩型铀矿石试样破碎特征

经过微波照射后，铀矿石试样内部产生了一定的裂纹，如图8所示。

从图8可知：微波照射铀矿石试样的裂纹通常是在不同矿物晶体的边界产生，这是因为不同矿物晶体对微波能量的吸收能力不同。其吸收能力与矿物晶体的介电性质有关，介电性质可以用自身的复介电常数来表示为：

ε*=ε′-jε″

(1)

式中，ε′表示材料耗散微波的能力，ε″表示材料吸收微波的能力。

图8 微波照射铀矿石试样的裂纹演化规律Fig.8 Crack evolution of uranium ore samples irradiated by microwave

颗粒对于微波能量的吸收能力可以表示为：

(2)

式中，Pd表示微波功率密度，W/m3；f为微波的频率Hz；ε0为真空介电常数，其值为8.854×10-12F/m，ε″f为介质的介电损耗因子，E0为微波辐照的电场强度，V/m[16]。

不同的材料由于其密度、比热容、介电常数不同，在微波辐射下上升的温度也有所差异，当微波照射时间为Δt时，材料在微波辐射下的升高温度量ΔT可以表示为：

(3)

式中，ρ为材料的密度，kg/m3，Cp为材料的比热容，J/(kg·℃)。

当材料为各向同性时，材料由温度上升产生的体积膨胀为

ξ=αΔT

(4)

式中，α为材料的热膨胀系数。

当不同晶体的膨胀体积不同时，就会在晶体间产生热应力，当热应力超过了晶体间的黏结强度时就会产生破裂[17-23]。

微波照射后的花岗岩型铀矿石试样在单轴压缩试验中的破碎形式也能反应出微波对其抗压强度的降低程度，对于受微波影响程度较小的铀矿石试样，其抗压强度降低的程度也较小，且通常伴有大量的碎片弹射情况，只有小部分颗粒直接从试样表面向下脱落，且在单轴压缩下产生的裂纹较为单一，脱落下的碎片较大，产生的粉末较少，如图9所示。当花岗岩型铀矿石的抗压强度在微波照射下降低的程度较大时，单轴压缩试验过程中所产生的碎片较为零碎，且发生的碎片弹射情况较少，大多数碎片直接从试样上脱落，且产生的粉末状碎片较多，试样的下表面相对于上表面破碎更加严重，如图10所示。这就是由于矿物内部的原生裂隙在微波作用下开始发展，矿物晶体在吸收大量微波能量后开始热膨胀，从而产生了新裂隙[24]。

微裂纹的扩展与试样吸收的微波能量和微裂纹大小有关。在理想情况下，微裂纹为圆形微裂纹时，其半径为r，试样单位体积的能量U为弹性应变能UE和初始裂纹表面自由能US之和，既U=UE+US。其中弹性应变能是由试样吸收了微波能量后转换成热能再转换成而成，可以表示为

(5)

其中Eeff有效弹性模量MPa；μ为岩石的泊松比，W为单位时间内试样吸收的微波能量即P0Δt，kW。而初始裂纹的表面自由能可以表示为

US=2πr2·γs·N

(6)

其中γs为裂纹的表面自由能，N为单位体积内裂纹数量。综上所诉，单位体积的能量可以表示为

(7)

由此可见，当试样吸收了一定程度的微波能量后，原生裂纹开始扩展，并且伴随着新裂纹的产生，导致试样抗压强度的降低，在单轴试验中，这些裂纹在压力的作用下相互贯通最终导致试样破坏。

微波照射导致岩石内部开裂的原因不仅与岩石的成分特性和微波参数有关，还与岩石的含水率有一定关系。水饱和状态下的铀矿石试样容易在微波加热前期开裂，如图11所示。当试样的表面温度在200 ℃～400 ℃时发生整体开裂，这是由于水的介电常数较高，吸收微波的能量很强，所以在加热初期，试样温度上升的速率更快，更容易发生整体开裂的现象[25]。水在加热过程中蒸发成气体而体积膨胀，对原生裂隙施加压力，但随着加热时间的增加，水分子从铀矿石试样中流失，不同晶体热膨胀导致的热应力逐渐增加，因而高温时，水饱和试样与干燥试样的抗压强度并无明显差异[26]。因此，采用微波照射含水的铀矿石可提高其破碎性能。