微波技术在选矿中的应用

    随着科学技术的发展，矿业开发有了质的飞跃。矿山企业不断寻求新设备、新工艺，以期实现生产成本的降低、设备的高效化运转、生产工艺的简化、伴生矿物的综合回收利用等，使企业获得更大的经济效益。

    微波因其独特的选择性加热、均匀辐射以及热效率高、能耗低等特点，正日益引起人们的重视，涉及的新应用领域不断扩大，其在矿物加工领域中的应用也越来越成为可能。

    一、微波加热原理及其特性

    微波是频率大约在300 MHz～30GHz、波长在100cm～1mm范围内的电磁波。它位于电磁波谱的红外辐射(光波)和无线电波之间。

    微波是一个十分特殊的电磁波段，虽然介于无线电波和红外辐射之间，但其产生、传输和应用的原理与它们不同。微波中只有915MHz和2450MHz作为民用。

    （一）微波加热原理

    微波加热与一般的常规加热方式不同。常规加热是由外部热源通过热辐射以由表及里的传导方式加热，而微波加热则是材料在电磁场中由介质损耗而引起的体加热。微波加热是将微波电磁能转变成为热能，这个过程与物质内部分子的极化有着密切的关系。

    根据参加极化的微观粒子种类，电介质分子极化大约可分成电子极化、原子极化、偶极子转向极化(取向极化)和界面极化。微波场中的加热主要是以偶极子转向极化和界面极化方式实现的。作为一种高频电磁波，微波对处于微波场下的物质发生作用，物质中的分子在电场作用下被电离而极化，形成极化分子，极化分子具有正负二极，它们在电场中产生定向排列。物料内的极化分子随着微波电磁场的交替变化发生高频振荡，分子运动产生热量，这就是微波炉加热的原理。

    （二）微波加热的特性

    1、微波加热的的即时性。用微波加热矿物物料时，加热非常迅速。只要有微波辐射，物料即刻得到加热；反之，物料就得不到微波能量而立即停止加热。微波能使物料在瞬间得到或失去热量来源，表现出对物料加热的无惰性。在外加交变电磁场作用下，物料内极性分子极化并随外加交变电磁场极性变更而交变取向。极性分子因频繁转向(约每秒108次)而相互间摩擦损耗，使电磁能转化为热能。因此，微波能在物料内转化为热能的过程具有即时特征。

    2、微波加热的整体性。微波是一种穿透力强的电磁波，能穿透到物体的内部，向被加热材料内部辐射微波电磁场，推动其极化分子的剧烈运动，使分子相互碰撞、摩擦而生热。因此其加热过程在整个物体内同时进行，升温迅速、温度均匀、温度梯度小，是一种“体热源”加热，大大缩短了常规加热中热传导的时间。除了特别大的物体外，一般可以做到表里一起均匀加热。这符合工业连续化生产和自动化控制的要求。

    3、微波加热的选择性。并非所有材料都能用微波加热。不同材料由于其自身的介电特性不同，对微波的反应也不相同。根据对微波的不同反应，材料分为微波反射型、微波透明型、微波吸收型和部分微波吸收型。因此，可以利用微波加热的选择性对混合物料中的各组分或零件的不同部位进行选择性加热。

    4、微波加热能量利用的高效性。微波进行加热时，介质材料能吸收微波，并转化为热能，而微波加热设备壳体金属材料是微波反射型材料，它只能反射而不能吸收微波(或极少吸收微波)，所以，微波加热设备本身的热损失仅占总能耗的极少部分。再加上微波是内部“体热源”，它并不需要高温介质来传热，因此绝大部分微波能量被介质物料吸收并转化为升温所需要的热量，形成了微波能量利用高效率的特性。与常规电加热方式相比，它一般可以节电30%～50%。

    5、微波加热安全、卫生、无污染。常规加热一般采用矿物燃料作为能源，其燃烧产生的二氧化碳是产生“温室效应”的主要成分。而微波加热所用能源为电能，对环境没有污染。用微波辐射生物体时，除了产生微波热效应外，还能使生物体的生物活性得到抑制或激励，即产生微波的非热效应或生物效应。在相同温度条件下，微波对细菌的致死率远高于常规加热。

    由微波加热原理和微波特性可见，微波加热是一种深入到物料内部、由内向外的加热方式，具有传统加热方式无法比拟的优点：选择性加热物料，升温速率快，加热效率高；能够同时促进吸热反应和放热反应，对化学反应具有催化作用；微波加热代替传统加热时，熔炼和其他高温化学反应可以在十分低的温度下进行，即微波加热具有降低化学反应温度的作用；微波能可以使原子和分子发生高速振动，从而为化学反应创造出更为有利的热力学条件；微波易使极性液体(水、酸碱溶液等)加热，因此可以提高浸出速率和降低过程的能耗；易于自动控制。

    因此，利用微波加热的特点，对矿物进行处理，可以获得较好的效果。

    二、微波技术在选矿中的应用

    微波由于其特殊性能，应用的领域越来越广。随着选矿领域对微波的重视，微波在选矿工程中的应用也逐渐显示出优越性和实用性。

    （一）碎矿

    英国诺丁汉大学的萨姆·金曼利用7年时间来研究用微波加热矿石。他发现用微波加热矿石可以像用电力碎矿那样粉碎矿石，但却可以节约一半的电能。各种矿石对微波的反应不同，因此可以针对不同类型的矿石选择不同的微波参数。在矿石中由于各种成分的吸热不同，会造成矿石内的裂纹，这将有助于将矿石破碎成各种成份的颗粒。对不同矿物，要选择恰当的微波频率，强度和加热时间也是十分关键的因素。

    （二）磨矿

    在矿物加工过程中，一般都要对矿物进行粉磨，使有价矿物与脉石单体分离，以便后续工艺顺利完成。在这个过程中，能耗很高，通常占到总能耗的50%～70%，但能效却往往很低，尤其是对于致密的矿石。

    根据微波的选择性加热特点，可以在磨矿前对矿石进行预处理，以降低粉磨过程的能耗。

    各种矿物的介电常数不同，对微波的反应也不相同。如前所述，根据材料对微波的不同反应，可将介质分为微波反射型、微波透明型、微波吸收型和部分微波吸收型。因此，组成矿石的各种矿物在微波场中的升温速率是各不相同的，相同条件下矿石中的不同矿物会被微波加热到不同的温度。

    矿石中的脉石矿物大部分是石英和方解石等，由表中的数据可知，它们的升温速率很低，而有用矿物的升温速率比较高，因此在有用矿物与脉石矿物之间就会形成明显的局部温差，从而使它们之间产生热应力。当这种热应力大到一定程度时，就会在矿物之间的界面上产生裂缝。裂缝的产生可以有效地促进有用矿物的单体解离和增加其表面积，对于降低磨矿成本、提高选矿回收率具有非常重要的意义。

    刘全军等以磨矿动力学系数和选择性破裂函数作为依据，证明了微波的选择性加热可以促进磁铁矿的磨细，而石英不受影响，从而达到使磁铁矿石选择性磨细的目的。微波预处理5 min可提高磁铁矿-0.3mm的粒级产率20%以上。岳铁兵等[4]研究了微波对黄铁矿、蓝晶石矿、铜钼矿、钽铌矿、铜铅锌多金属矿的助磨作用，效果比较明显。印度尼西亚班东技术研究所的研究人员研究了微波预处理对西望加尼斯金矿石磨矿能耗的影响。研究人员发现，在磨矿前将微波能对矿石作用不同时间(5～300s)后，金矿石的功指数降低了20%～35%。诺丁汉大学、伯明翰大学和斯特林波什大学均研究了微波能在矿业应用中的益处。伯明翰大学的研究指出，微波辐射是一种改善矿石磨矿的有效方法，因为它增加了颗粒之间的裂隙，而非横穿颗粒间的裂隙。

    （三）浮选

    伯明翰大学研究了微波对钛铁矿浮选的影响。研究表明，微波辐射预处理在改变钛铁矿表面特性和改善矿物浮选性方面是有效的。当微波频率在2.45GHz以下、功率为2.6kW时，松散钛铁矿的温度在10s后达到180℃，1min后达到720℃，而石英和长石具有较弱的微波加热特性，1min后它们的温度也只能分别达到53℃和65℃。

    经微波辐射后，钛铁矿的回收率增加近20%。钛铁矿试样的比表面随微波辐射时间的增加发生了显著变化，并可以观察到新相位。当钛铁矿(二价铁的钛酸盐FeTiO₃)暴露在空气中的时候，会发生氧化作用，Fe²⁺被氧化成Fe³⁺。这种氧化作用在室温条件下是缓慢的，但随着温度的升高，其氧化作用加强。

    微波选择性加热加速了钛铁矿表面铁的氧化作用。氧化作用提高了浮选试剂的吸附性能，改善了浮选效果。微波作用10s，使钛铁矿回收率提高了10%。随着辐射时间的延长，最终使其回收率从约64%增加到87%。矿石表面化学性质的改变，会影响通过浮选实现矿物回收所需的药剂。一定程度上，微波辐射减少了油酸钠的剂量。对未处理的钛铁矿，要获得60%的浮选回收率，需要油酸钠的浓度是2×10^-4mol/L，而微波处理过的钛铁矿所需油酸钠的浓度只有7×10^-5mol/L，其剂量大约减少了65%。

    由此可见，微波的作用效果比较明显。

    （四）磁选

    利用微波技术可以将无磁性的矿物转化为有磁性的矿物，从而可利用磁选的方法进行选别。煤炭中的黄铁矿属于有害物，利用重选和浮选的方法来处理都比较困难。采用微波辐照，将黄铁矿(FeS₂)转变成磁黄铁矿(Fe_1-xS)，利用磁选的方法就可以比较简单地将其从煤炭中分选出来。

   （五）浸出

    大多数金属矿物在自然界中都是以硫化物的形态存在的，提取金属时的处理方法主要是火法焙烧+浸出工艺流程。但火法不可避免地会产生二氧化硫，造成环境的污染。而采用微波加热浸出，就可以很好地解决这个问题。

    丁伟安研究了硫化铜精矿的三氯化铁浸出。在相同的温度及相同的FeCl₃浓度条件下，采用微波加热和传统加热方式对硫化铜精矿浸出，其中微波方式没有搅拌。微波辐照40～5Qmin，铜的浸出率可达98.8%～99.05%，渣含铜低于0.5%，而传统加热浸出需要3 h以上才能达到上述指标。

    彭金辉、刘纯鹏研究了闪锌矿的微波浸出，结果表明，在其他浸出条件相同的情况下，微波浸出时间短、浸出率高，浸出60min后，微波浸出的浸出率为90%，而传统方式的浸出率只有5l%。

    （六）还原

    金属氧化物在高温下还原为金属，是火法冶金中最重要的冶炼过程，应用范围很广。铁、锡、锌、铅、锰、铬等都用这种方法生产。

    将完全相同的赤铁矿粉或磁铁矿粉、焦粉和石灰粉按一定比例混合，分别在传统加热和微波加热条件下进行还原，结果表明，在微波加热条件下，只需10min反应基本结束，而传统方法反应进行50min还没有完成50%。由此可见，两者的反应速率相差很大。

    华一新等研究了软锰矿的微波还原与传统还原，结果表明，微波还原的速率比传统的还原速率高很多。

    （七）矿石预处理

    部分金矿石因含有砷和碳而难选，这些金矿石或金精矿用微波焙烧预处理后，金回收率可达90%以上，而未经处理的物料只能在30%左右。利用微波预处理黄铁矿包裹的金精矿，氰化浸出率由74%提高到90%以上。

    （八）其他应用

    微波技术除了以上应用外，还在矿物焙烧、活性炭再生、矿物粉体干燥、制备纳米产品和样品化验等方面也有应用。

    三、结语

    微波在选矿中的应用涉及方面很多，在工业生产中的应用也有报道，但大规模应用还没有展开，其主要原因是微波对于矿物的作用机理研究不足，生产设备有一定的缺陷，外围设备的衔接有一定的问题。

    把微波应用于选矿工艺，即利用微波对矿物产生的化学效应、极化效应和磁效应等来促进矿物中物质反应快速而充分地进行，达到比传统加热方法更好的效果，将为选矿工艺的发展开辟一条崭新的路子。尤其是微波具有选择性加热的特点，将有利于降低生产成本。

    目前国内外均在开展微波应用于选矿的研究，相信在不远的将来，高效、优质、低成本、无污染的微波选矿技术会得到大规模的推广。