王俊鹏, 姜涛, 刘亚静, 薛向欣
东北大学 冶金学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2016-05-19
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51574082)。
作者简介：王俊鹏(1988-), 男, 辽宁沈阳人, 东北大学博士研究生;
姜涛(1973-), 男, 辽宁本溪人, 东北大学教授, 博士生导师;
薛向欣(1954-), 男, 河北唐山人，东北大学教授, 博士生导师。

摘要：针对我国复杂难处理钒钛磁铁矿资源特点, 研究了微波加热对钒钛磁铁矿磨矿性能的影响, 揭示了钒钛磁铁矿在微波作用下选择性破碎与界面破碎特性.结果表明:微波场中, 矿石的温度随着矿石粒度的增大而增加, 且微波功率对矿石升温性能的影响最显著; X射线衍射分析与SEM分析表明, 微波预处理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、加热时间100 s后的磨矿产物中, 小于0.074 mm粒级的质量分数由原矿的72%提高到95%.
关键词：钒钛磁铁矿微波升温性能磨矿解离
Experiment of Microwave-Assisted Grinding on Vanadium Titano-Magnetite
WANG Jun-peng, JIANG Tao, LIU Ya-jing, XUE Xiang-xin
School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: JIANG Tao, professor, E-mail: jiangt@smm.neu.edu.cn
Abstract: According to the characteristics of the complex hard-processing vanadium titano-magnetite (VTM) resources in China, the influence of microwave irradiation on the grinding of VTM was investigated and the features of selective crushing and boundary cracking of VTM under microwave treatment were revealed. The results showed that the ore temperature increased with the increase of the particle size of VTM and the temperature rising capability of VTM was mostly influenced by microwave power. XRD and SEM analyses indicated that after being pretreated by microwave irradiation, a number of intergranular cracks appeared and more monomer was dissociated in VTM.The mass fraction of particle-size grade less than 0.074 mm in the ground product increased from 72% to 95% after being radiated by 4 kW microwave for 100 s.
Key Words: vanadium titano-magnetitemicrowavetemperature rising capabilitygrindingdissociation
微波是一种频率在3×10⁸~3×10¹¹ Hz的电磁波, 它具有极强的渗透能力^[1].相对于传统的加热方式, 微波加热具有选择性加热、热效率高、过程能耗低、节能环保等诸多突出优点, 现已在复杂矿物微波预处理、微波煅烧和焙烧、微波强化还原、微波强化浸出等领域展开了广泛的应用研究^[2].利用微波的选择性加热的特点, 在磨矿前对矿石进行预处理, 在足够强度的微波能量密度下, 使矿石中有用矿物被迅速加热而脉石不能被加热, 造成不同矿相之间温度的不均匀分布, 使有用矿物和脉石相界面之间产生热应力, 促进有用矿物与脉石矿物的解离, 大幅降低粉磨过程的能耗^[3-6].
钒钛磁铁矿是一种铁、钒、钛等多元素共伴生的复杂难处理矿石, 具有显著的利用价值, 但因其矿物组成及结构特点复杂, 存在着矿石磨、选过程能耗高且效率低, 冶炼难度大, 资源利用率低等状况^[7].本文以复杂难处理钒钛磁铁矿为研究对象, 利用微波加热技术对矿石进行预处理, 探究微波处理对矿石微观结构的变化及矿石可磨性的影响, 旨在开发出一种钒钛磁铁矿预处理的有效方法.
1 实验1.1 实验原料实验所用的钒钛磁铁矿采自四川攀枝花地区, 其主要化学成分如表 1所示.X射线衍射分析如图 1所示, 矿石的主要矿物为磁铁矿和钛铁矿, 由Ca, Mg等杂质元素形成的硅酸盐脉石矿物以辉石为主.
表 1(Table 1)

表 1 钒钛磁铁矿主要化学成分(质量分数)Table 1 Main chemical components of VTM (mass fraction) % TFe TiO2 SiO2 CaO MgO Al2O3 30.29 11.24 25.48 8.12 11.72 4.82

表 1 钒钛磁铁矿主要化学成分(质量分数) Table 1 Main chemical components of VTM (mass fraction)

图 1(Fig. 1)

图 1 钒钛磁铁矿X射线衍射分析Fig.1 XRD pattern of VTM

1.2 实验装置实验采用的微波加热装置为Mobile Lab系列微波材料学工作站, 如图 2所示.
图 2(Fig. 2)

图 2 微波加热装置示意图Fig.2 Schematic diagram of mobile lab workstation

此实验装置的微波功率为1~4 kW连续可调, 频率为2 450 MHz, 工作电压为220 V.
1.3 研究方法由于实验采用的矿石粒度不均匀, 需在微波处理前对矿石进行破碎和筛分, 筛选出粒度在1~30 mm的矿石备用.分别称取矿石100 g, 稳定微波输出功率2 ~ 4 kW, 在微波工作站中加热并测量矿石在微波场中升温特性曲线, 加热结束后取出矿石, 在空气中冷却至室温.
磨矿实验中, 利用颚式破碎机对原矿及微波处理后的矿石进行破碎, 破碎后的矿石放入型号为XMQ-?240×90的锥形球磨机中, 在矿浆质量分数为60%, 处理量为100 g/次的条件下球磨5 min, 通过筛分考察其磨矿产品中小于0.074 mm粒级的质量分数变化, 研究微波加热对钒钛磁铁矿磨矿性能的影响.
2 结果与分析2.1 矿石升温特性铁矿石在相对短的时间内有着强吸波能力, 并且能高效地将电磁能转化成热能, 本实验研究了微波功率、矿石粒度、加热时间对钒钛磁铁矿升温性能的影响.
不同粒度钒钛磁铁矿在微波功率为4 kW时的升温特性曲线如图 3所示.实验表明, 微波场中矿石的温度随着矿石粒度的增大而增加, 当矿石粒度为20~30 mm时, 矿石在微波加热100 s后温度上升至596 ℃, 而在相同情况下1~10 mm的矿石温度为549 ℃.这些结果表明微波加热对大粒度的矿石更加有效, 这可以解释为矿石粒度越小, 矿石内部的热量将更多地与空气接触, 空气流动将热量带走后, 导致矿石温度降低.
图 3(Fig. 3)

图 3 不同粒度钒钛磁铁矿升温特性曲线Fig.3 Temperature rising curves of VTM with different particle sizes

由图 3可以看出, 在微波功率为4 kW时, 矿石温度随着微波加热时间的延长而增大, 微波加热初期, 矿石升温非常迅速；当加热100 s后, 升温速率开始减小且趋于平缓, 这是由于矿石对微波加热反应的差异与其介电性能的差异一致；在升温过程中, 矿石的介电常数随温度的升高而降低, 矿石对微波的吸收能力也将随之降低.因此, 选择最佳的加热时间100 s进行后续试验.
微波功率对矿石温度的影响如图 4所示, 矿石在微波场中的温度随着微波功率的增大而增加, 当矿石粒度为20~30 mm, 在微波功率4 kW加热100 s后, 矿石温度达到596 ℃, 而相同条件下, 微波功率降至1 kW时, 矿石温度仅为336 ℃.这个结果表明, 随着微波功率的增大, 矿石将更多地吸收微波能量, 从而提高矿石的温度.同时, 由图 4也可以看出, 微波功率对矿石升温性能的影响比矿石粒度更显著.
图 4(Fig. 4)

图 4 微波功率对钒钛磁铁矿温度的影响(辐射时间100 s)Fig.4 Effect of microwave power density on VTM temperature (radiation time of 100 s)

2.2 X射线衍射分析对微波功率4 kW、微波加热时间100 s的矿石进行X射线衍射分析, 分析结果与原矿对比, 结果如图 5所示.从图 5b可以看出, 矿石在微波加热后, 其物相组成没有发生变化, 但主要有用矿物磁铁矿和钛铁矿峰强显著提高, 而矿石中的脉石相峰变弱或消失了.这是由于矿石中有用矿物属于易吸波物质, 能迅速地被微波加热, 而脉石相中的硅酸盐矿物属于不吸波物质, 在微波场中不被加热, 这就在矿石内部造成温度梯度, 在矿石晶界间产生热应力, 这种热应力可以让不同矿石颗粒沿其边缘产生裂隙, 从而导致更多的单体矿物解离出来, 提高了矿石中磁铁矿与钛铁矿的峰强^[8].
图 5(Fig. 5)

图 5 矿石X射线衍射分析Fig.5 XRD pattern of VTM (a)—钒钛磁铁矿原矿；(b)—微波加热后矿石.

2.3 SEM分析图 6为原矿EDS能谱分析图.点1区域为有用矿物, 主要由铁、钛、氧等元素组成; 点2区域代表了脉石矿物, 主要包含了硅、氧、镁、钙等元素.
图 6(Fig. 6)

图 6 钒钛磁铁矿能谱分析Fig.6 SEM image of VTM and EDS analysis (a)—SEM图；(b)—点1；(c)—点2.

通过SEM分析, 观察微波加热后钒钛磁铁矿微观结构的变化, 结果如图 7所示.通过对比可以发现, 微波加热后矿石内部会产生大量裂纹, 这是由于微波的选择性加热作用, 使得不同矿相之间产生不同程度的膨胀, 导致矿石内部大量裂纹的产生.裂纹主要集中在有用矿物(明相)和脉石矿物(暗相)的边界处及有用矿物内部, 呈网状交叉分布.
图 7(Fig. 7)

图 7 微波加热后钒钛磁铁矿SEM图Fig.7 SEM image of VTM after microwave irradiation

刘全军等^[9]认为, 碎矿与磨矿过程中, 重复施力总是相似的, 亦即强度因子变化不大.这时, 决定矿石破坏的只能是裂纹的强弱与数量.因此, 微波加热矿石产生的大量裂纹, 对随后的磨矿工作将大有帮助.
2.4 磨矿实验实验采用标准分样筛对细磨后的原矿及微波加热后的矿石进行筛分, 考察小于0.074 mm粒级的质量分数变化情况, 如图 8所示.结果表明:粒度为20~30 mm的矿石, 在微波功率为4 kW、加热40 s后的细磨产物中, 小于0.074 mm粒级占总量的80%, 相对于原矿的72%提高了近8%, 这说明微波预处理强化了磨矿过程.微波处理后, 矿石内部产生的大量裂纹使得矿物的抗压强度变弱, 从而使得矿物更易磨细.同时, 随着微波加热时间的延长, 在矿物内部的微波能总是越来越多, 能量密度越来越大, 当微波处理时间为100 s时, 矿石中小于0.074 mm粒级的质量分数达到95%.
图 8(Fig. 8)

图 8 微波加热不同时间后磨矿产物小于0.074 mm粒级质量分数Fig.8 Mass fraction of -0.074 mm in the ground product with different microwave irradiation time

2.5 微波助磨机理研究根据以上实验, 结合钒钛磁铁矿的结构特点, 提出钒钛磁铁矿微波辅助磨矿的两种模型:选择性破碎和界面破碎, 如图 9所示.由于有用矿物(磁铁矿、钛铁矿)与脉石矿物对微波吸收能力的不同, 在微波预处理过程中, 有用矿物由于吸收微波能量, 矿石内部温度会在短时间内大幅提高, 导致有用矿物内部的细小的裂纹和间隙因热力膨胀而扩大, 出现选择性破碎现象.同时, 在有用矿物与脉石矿物晶界处产生大量微裂纹, 进而增强了矿石的界面破碎作用, 并且随着微波能量密度的增加这两种微波破碎作用也随之增强^[10].
图 9(Fig. 9)

图 9 微波辅助磨矿模型Fig.9 Model of microwave-assisted grinding

3 结论1) 该钒钛磁铁矿具有良好的吸波能力, 微波功率是影响矿石升温性能的最主要因素.在相同的试验条件下, 矿石的温度随着矿石粒度的增大而增加, 矿石对微波的吸收能力, 将随其温度的升高而降低.
2) X射线衍射分析与SEM分析表明, 矿石在微波处理后, 其物相组成没有发生变化, 但微波加热会在矿石内部产生大量的晶界间裂纹, 磨矿过程中会使更多的单体矿物解离出来.
3) 磨矿实验表明, 在微波预处理后, 磨矿产品中小于0.074 mm粒级的质量分数随着微波加热时间的延长而增加, 当微波功率为4 kW、加热时间为100 s时, 质量分数由原矿的72%提高到95%, 验证了微波加热对矿石的助磨作用.
4) 由于有用矿物与脉石矿物对微波吸收能力的不同, 在微波预处理过程中, 矿石内会发生选择性破碎和界面破碎, 并且随着微波能量密度的增加这两种微波破碎作用也随之增强.
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