微波照射对鞍山式铁矿石磨矿效果的影响

徐宏达 孙体昌 马艺闻

（1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083；2.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁鞍山114051）

在选矿厂生产过程中，破碎磨矿的能量消耗占选矿厂总能耗的65%～70%，但其中真正用于矿石生成新表面的能量仅为1%左右［1-3］。有研究表明［4-8］，微波照射可以明显提高矿石的磨矿效果。由于矿石内部各矿物的介电常数和损耗角正切值不相等，微波场中脉石矿物和有用矿物之间形成明显的温度差，进而产生热应力。当热应力达到一定程度时，矿物界面上就会产生裂缝，使得矿石更易磨，从而实现提高磨矿效率的目的。

钱功明等［9］采用微波照射对鄂西鲕状赤铁矿进行处理，结果表明微波照射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。王俊鹏等［10］研究了微波照射对钒钛磁铁矿磨矿性能的影响，结果表明微波照射后矿石内部会产生大量的晶界裂纹，使更多的单体矿物解离出来。在微波功率为4 kW、照射时间为100 s的条件下对试样进行微波照射，磨矿产品中-0.074 mm粒级的质量分数由原矿的72%提高到95%。微波处理对磨矿效果的影响研究，多以鄂西鲕状赤铁矿和钒钛磁铁矿为研究对象，而针对浸染粒度较细的鞍山式铁矿石的研究则涉及较少［11-12］。为此，本研究以鞍山式赤铁矿石为研究对象，采用脉冲式微波照射装置对其进行微波照射处理，系统研究了微波照射功率、微波照射时间、矿石块度以及冷却方式等对其磨矿效果的影响，确定了鞍山式赤铁矿石微波照射的最佳试验条件。此外，对比了微波照射对鞍山式赤铁矿石和磁铁矿石磨矿效果的影响，研究结果可为同类型矿石的助磨工艺提供参考。

1 矿石性质及研究方法

1.1 矿石性质

试验所用赤铁矿石和磁铁矿石取自辽宁省鞍山市某选矿厂，石英取自南非某地区纯度较高的2～5 mm块状纯矿物。对以上3种矿石分别进行化学多元素分析，结果见表1。

由表1可知，赤铁矿矿石的TFe品位为34.25%，FeO含量为6.85%，磁铁矿矿石的TFe品位为32.15%，FeO含量为16.51%，赤铁矿和磁铁矿中主要脉石成分SiO2的含量则分别为56.68%、42.32%。试验用石英的SiO2含量大于95.10%，纯度符合试验要求。

1.2 试验设备及试样制备

试验所用到的主要设备有：微波照射装置，0～3 kW功率非连续可调，频率2 450 MHz，无锡三乐工业微波技术应用有限公司生产；PE-150 mm×200 mm和PE-100 mm×125 mm型颚式破碎机；XMQ型ϕ200 mm×240 mm球磨机，容积7.5 L，转速110 r/min；G15-100型角磨机，转速11 000 r/min，砂轮直径100 mm。

由文献［1，13-14］以及前期探索试验结果可知，15～20 mm、20～25 mm、25～30 mm这3个块度的矿石经微波照射后磨矿，产品-0.074 mm粒级含量变化明显。基于此，本试验将矿样置于PE-150 mm×200 mm型颚式破碎机进行破碎，破碎机的最大给料粒度为120 mm，设置排料口粒度为30 mm，破碎后的矿石筛分成4个粒级（0～15 mm、15～20 mm、20～25 mm、25～30 mm），其中0～15 mm粒级的试样备用。

1.3 研究方法

每次取50 g试样，在一定的试验条件下进行微波照射，微波照射后的试样采用PE-100 mm×125 mm型颚式破碎机破碎，其中，破碎机的最大给料粒度为80 mm，设置排料口粒度为2 mm。使用XMQ型ϕ200 mm×240 mm球磨机对破碎后的试样进行磨矿，入磨矿量为400 g，矿浆浓度为75%。

以鞍山地区某选矿厂一段球磨产品-0.074 mm约占60%测定矿石的磨矿时间，通过磨矿曲线测定鞍山式赤铁矿石的磨矿时间为225 s，磁铁矿石的磨矿时间为165 s。以磨矿产品中-0.074 mm粒级产率的增长百分点作为评价指标，研究微波照射对鞍山式赤铁矿石磨矿效果的影响；对比了微波照射对鞍山式赤铁矿石和磁铁矿石磨矿效果的影响，具体试验流程见图1。

2 试验结果与讨论

2.1 微波照射功率和照射时间对赤铁矿石磨矿效果的影响

选取矿石块度为20～25 mm的赤铁矿石，微波照射后立即水淬冷却，在微波照射时间为45 s的条件下，研究微波照射功率对赤铁矿石磨矿效果（磨矿时间225 s）的影响，结果如图2所示；在微波照射功率为3 kW的条件下，研究微波照射时间对赤铁矿石磨矿效果的影响，结果如图3所示。

由图2可知，微波照射功率对赤铁矿石磨矿效果的影响明显，赤铁矿石的磨矿效果随微波照射功率的增大而提高；与未经微波处理的矿石相比，在相同磨矿时间（225 s）下，微波照射功率为3 kW时，磨矿产品的-0.074 mm粒级含量提高了5.57个百分点。

由图3可知，微波照射时间对赤铁矿石磨矿效果的影响显著，赤铁矿石的磨矿效果随微波照射时间的增加而提高；继续增加微波照射时间至60 s，赤铁矿石的磨矿效果与微波照射45 s时相比有所下降。

以上结果表明，微波照射功率和时间均对赤铁矿石的磨矿效果影响显著，微波处理矿石需要选择适宜的微波功率与照射时间才能获得较好的矿石解离效果。

2.2 赤铁矿矿石块度对磨矿效果的影响

选取矿石块度为15～20 mm、20～25 mm、25～30 mm的赤铁矿石，在微波照射功率为3 kW、微波照射时间为45 s的条件下，采用水淬冷却方式，研究赤铁矿矿石块度对磨矿效果（磨矿时间225 s）的影响，结果如图4所示。

由图4可知，对鞍山式赤铁矿而言，不同矿石块度的矿石经过微波照射后，具有不同的磨矿效果，该微波照射条件下20～25 mm为最佳的矿石块度。矿石块度为15～20 mm时，由于块度较小，微波穿透能力过强，矿石升温过高，可能导致矿石内部粘连；随着矿石块度的增加，微波穿透能力沿矿石内部逐渐减弱，矿石表层和矿石内部产生适宜的热应力的时间不一致，导致磨矿效果下降。

2.3 微波照射后冷却方式对赤铁矿石磨矿效果的影响

选取矿石块度为20～25 mm的赤铁矿石，在微波照射功率为3 kW、微波照射时间45 s的条件下，研究微波照射后的冷却方式对赤铁矿石磨矿效果（磨矿时间225 s）的影响，结果如图5所示。

由图5可知，照射后自然冷却的赤铁矿石经磨矿处理，产品的-0.074 mm粒级含量比与未经微波处理时提高了2.67个百分点，照射后立即水淬冷却的赤铁矿石经磨矿处理，产品的-0.074 mm粒级含量比与未经微波处理时提高了5.57个百分点。该结果说明水淬冷却试样的磨矿效果明显优于自然冷却试样的。微波照射处理后，矿石内部有用矿物与脉石矿物的界面因巨大的温度梯度差而产生热应力，在热应力的作用下，矿石内部不同矿物之间会产生裂痕，微波照射后立即水淬冷却，使矿石内部有用矿物和脉石矿物之间的应力增大，扩大裂痕，从而提高矿石的磨矿效率［14］。

2.4 微波照射对鞍山式赤铁矿石与磁铁矿石碎磨特性的影响

选取矿石块度为20～25 mm的赤铁矿石和磁铁矿石，在微波照射功率为3 kW、时间45 s、产品水淬冷却的条件下，对比鞍山式赤铁矿、磁铁矿磨矿效果的差异（赤铁矿石的磨矿时间为225 s，磁铁矿石的磨矿时间为165 s），结果如图6所示。

由图6可知，微波照射后，赤铁矿石磨矿产品-0.074 mm粒级含量提高5.57个百分点，而磁铁矿石磨矿产品-0.074 mm粒级含量仅提高2.68个百分点。由试验结果可知，赤铁矿石比磁铁矿石更加坚硬、难磨，说明微波照射对此类难磨矿石磨矿效果的提升更为显著。

为进一步考察微波照射对鞍山式赤铁矿石和磁铁矿石最大抗压强度的影响，将赤铁矿石和磁铁矿石分别用角磨机处理成大小为15 mm×15 mm×20 mm的规则矿块若干。试样经微波照射（照射功率为3 kW、照射时间为45 s）后立即水淬冷却，接着通过WDW-10型微机控制万能试验机测定试样的最大抗压强度，试验进行10次，取平均值，同时设置未经微波照射的空白对照组。试验结果见表2。

由表2可知，微波照射前后2种矿石的最大抗压强度变化明显，赤铁矿石的最大抗压强度为7 283.1 N，经微波照射后最大抗压强度为2 555.6 N；磁铁矿石的最大抗压强度为6 291.3 N，经微波照射后最大抗压强度为2 021.9 N。这表明，经微波照射处理后，鞍山式赤铁矿石和磁铁矿石的最大抗压强度显著降低，对于鞍山式赤铁矿石的降低程度要大于磁铁矿石。

2.5 微波照射对鞍山式赤铁矿微观结构的影响

为了了解微波照射对鞍山式赤铁矿微观结构的影响，采用SEM技术比较了微波照射前后矿石的微观结构变化，结果如图7所示。

由图7可知，未经微波照射的赤铁矿石，其深色脉石矿物石英与浅色有用矿物赤铁矿紧密相连，经微波照射后的赤铁矿石，其脉石矿物石英与赤铁矿矿物之间存在明显的裂痕，这些裂痕产生的主要原因为矿石的不均匀膨胀和收缩应力的挤压。

2.6 赤铁矿石和石英的升温特性曲线

为研究微波照射对赤铁矿石及主要脉石石英升温特性曲线的影响，选取20～25 mm的矿块50 g置于透波材质的坩埚中，坩埚外部加保温棉进行保温，将坩埚放入微波设备中加热。以10 s为时间间隔，用红外测温仪测量坩埚矿石中心顶部温度，得到不同微波照射功率下赤铁矿石的升温特性曲线，以及微波照射功率3 kW的石英升温特性曲线，结果如图8所示。

由图8可知，赤铁矿石的中心顶部温度与微波照射时间成正比；微波照射功率越大，铁矿石中心顶部温度越高；微波照射功率3 kW、微波照射时间60 s的赤铁矿石，其中心顶部温度可以达到600℃以上，而石英的温度几乎不随微波加热时间而变化。研究结果表明，微波照射可以使矿石内部有用矿物和脉石矿物之间形成明显的温度差，并且微波照射功率越高，一定时间内温度差也越大。

3 结论

（1）对于鞍山式赤铁矿石，微波照射能显著提升其磨矿效果，最佳的微波照射条件为：矿石块度20～25 mm、微波照射功率3 kW、照射时间45 s、水淬冷却，此时，磨矿产品中-0.074 mm粒级含量为65.80%，相比未经微波处理的矿样，提高了5.57个百分点。

（2）在相同的微波照射条件（矿石块度20～25 mm、微波照射功率3 kW、照射时间45 s、水淬冷却）下，赤铁矿石的磨矿效果要明显优于磁铁矿。抗压强度试验结果进一步验证了该结论，经微波照射后赤铁矿石的最大抗压强度为2 555.6 N，磁铁矿石的最大抗压强度为2 021.9 N，微波照射能显著降低鞍山式赤铁矿石和磁铁矿石的最大抗压强度，且赤铁矿石的降低程度要大于磁铁矿石。

（3）SEM微观结构分析结果表明，微波照射后赤铁矿和石英之间出现明显裂痕，有助于提高选择性磨矿效果。赤铁矿石和石英的升温特性曲线表明，微波照射功率3 kW、微波照射时间60 s的赤铁矿石，其中心顶部温度可以达到600℃以上，而石英的温度几乎不随微波加热时间而变化。