脉冲微波助磨工艺参数对钛铁矿升温性能的影响研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.04.170

脉冲微波助磨工艺参数对钛铁矿升温性能的影响研究

侯明^,¹^,⁴, 李军¹^,⁴, 杨黎¹^,²^,⁴, 范培强⁵, 郭胜惠^,¹^,²^,³^,⁴, 严妍¹^,⁴

1.昆明理工大学冶金与能源工程学院，云南昆明 650093

2.国家超硬材料先进制备技术国际联合研究中心，云南昆明 650093

3.微波能工程应用和装备技术国家地方联合工程实验室，云南昆明 650093

4.复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室，云南昆明 650093

5.云南磷化集团有限公司，云南昆明 650600

Study of Effect of Pulsed Microwave Assisted Grinding Process Parameters on the Ilmenite Heating Performance

HOU Ming^,¹^,⁴, LI Jun¹^,⁴, YANG Li¹^,²^,⁴, FAN Peiqiang⁵, GUO Shenghui^,¹^,²^,³^,⁴, YAN Yan¹^,⁴

1.Faculty of Metallurgical and Energy Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，Yunnan，China

2.State International Joint Research Center of Advanced Technology for Superhard Materials，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，Yunnan，China

3.National Local Joint Laboratory of Engineering Application of Microwave Energy and Equipment Technology，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，Yunnan，China

4.State Key Laboratory of Complex Nonferrous Metal Resources Clean Utilization，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，Yunnan，China

5.Yunnan Phosphate Group Co. ，Ltd. ，Kunming 650600，Yunnan，China

通讯作者: 郭胜惠（1978-），男，浙江兰溪人，教授，博士生导师，从事微波选矿及冶金新技术研究工作。1978327655@qq.com

收稿日期: 2019-10-22 修回日期: 2020-03-26 网络出版日期: 2020-08-27

基金资助:

国家自然科学基金项目“高功率脉冲微波场中矿物强化解离行为研究”.  51664035
“微波—流场耦合强化软锰矿湿法还原浸出的基础研究”.  U1802255
云南省应用基础研究计划“微波等离子体CVD制备金刚石膜基础研究”.  2018FA029
云南省杰出青年基金“沉积金刚石膜的生长调控机制”.  2019FJ006MPCVD
云南省“万人计划”青年拔尖人才专项.  YNWRQNBJ-2018-311

Received: 2019-10-22 Revised: 2020-03-26 Online: 2020-08-27

作者简介 About authors

侯明（1995-），男，辽宁锦州人，博士研究生，从事微波选矿和超硬材料制备研究工作houmingkmust@163.com , E-mail：houmingkmust@163.com

摘要

为了提高钛铁矿回收效率，对钛铁矿在脉冲微波条件下的升温行为进行了研究，采用自制的脉冲微波设备，对钛铁矿进行脉冲微波预处理。研究了不同辐照时间、脉冲微波功率、矿样质量和不同矿样粒度对钛铁矿升温性能的影响。采用X射线衍射仪对矿样组成进行分析，利用激光粒度仪对样品粒度进行检测。研究结果表明：物料在微波场中的升温行为，既决定于矿物本身的性质，又与微波加热设备的功率密切相关。当矿样粒度为25 mm、质量为40 g、辐照时间为30 s、微波平均功率为3 kW时，样品的升温性能最好。该研究对脉冲微波在助磨领域的应用具有重要意义。

关键词： 脉冲微波 ; 钛铁矿 ; 升温性能 ; 工艺参数 ; 辐照时间 ; 助磨技术

Abstract

Because of its light weight，high strength，and good corrosion resistance，the development and application of titanium have attracted widespread attention from Chinese and foreign scholars.The higher the content，the lower the grade of titanium concentrate that can be recovered，and it is difficult to improve the recovery rate.In order to improve the recovery efficiency of ilmenite，the heating behavior of ilmenite under pulsed microwave conditions was studied.In this study，pulsed microwave pretreatment of ilmenite was carried out using a self-made pulsed microwave device.The effects of different irradiation time，pulse microwave power，weight of ore sample and particle size of different ore samples on the heating performance of ilmenite were studied.The composition of the ore sample was analyzed by X-ray diffractometer，and the particle size of the sample was detected by a nano-laser particle size analyzer.The research results show that the heating behavior of materials in the microwave field is determined not only by the nature of the mineral itself，but also by the power of the microwave heating equipment.The temperature increase rate of ilmenite is significantly affected by the quality of the sample.At the same time，the change law shows consistency under different heating time conditions：When the mass of ilmenite is 40~60 g，the temperature increase rate reaches the maximum.The changes in the quality of ilmenite can significantly affect the heating temperature of the ore sample.Under the condition of a certain microwave power，the longer the microwave acts on the material，the higher the temperature of the ore sample.With the change of the particle size of the material，the microwave temperature showes a trend of increasing first and then decreasing.When the ore sample has a particle size of 25 mm，a weight of 40 g，an irradiation time of 30 s，and an average microwave power of 3 kW，the sample is heated to the best effect.The research in this paper is of great significance for the application of pulsed microwave in the field of grinding aid.

Keywords： pulsed microwave ; ilmenite ; heating performance ; process parameters ; irradiation time ; grinding aid technology

PDF (1451KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

侯明, 李军, 杨黎, 范培强, 郭胜惠, 严妍. 脉冲微波助磨工艺参数对钛铁矿升温性能的影响研究[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(4): 595-602 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.04.170

HOU Ming, LI Jun, YANG Li, FAN Peiqiang, GUO Shenghui, YAN Yan. Study of Effect of Pulsed Microwave Assisted Grinding Process Parameters on the Ilmenite Heating Performance[J]. Gold Science and Technology, 2020, 28(4): 595-602 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.04.170

有色金属及其化合物是各种功能材料和先进材料的重要组成部分，其在国防、电子电力和航空航天等多个领域得到了广泛应用，并发挥着重要作用^[1]。由于钛具有重量轻、强度高和耐腐蚀性好等性能，因此钛及其化合物在各个行业及材料领域的应用备受国内外学者的关注。94.5%的钛主要通过选矿、磁选及浮选等工艺获得^[2-7]。但由于钛在矿石中的嵌布粒度较细，晶格内部钙、镁含量较高，使得回收所得的钛精矿品位较低，回收率难以提高，同时在回收钛精矿的过程中需要消耗大量的浮选剂，工艺复杂。

针对上述问题，相关学者提出了助磨的方法^[8]，其中微波助磨的效果尤为显著。由于微波是一种频率为0.3~300.0 GHz的电磁波，具有极强的穿透能力，可直接将能量作用于物料内部，分子偶极以每秒数亿次的高速旋转，进行原位能量转换，可实现物料的瞬间加热及瞬间失热^[9-12]。由于物料内部各个组分的介电常数不同，在微波辐照的作用下，物料内部各个组分间将产生热量差，从而导致物料间存在应力差，在物料不同相界面处将产生大量裂痕，球磨作用后，包裹在脉石内部的钛矿被分解，经选矿、磁选和浮选等工艺处理后，可得到较高品位的钛精矿。前人在微波助磨领域开展了若干研究工作，如：廖雪峰等^[13]利用微波助磨的方法，在微波功率为3 000 W、处理时间为29.08 s、物料量为42.23 g的条件下，获得精矿产率达71.76%；刘全军等^[14]研究了微波在铁矿石选择性磨细中的应用，发现微波的选择性加热可以促进磁铁矿的磨矿，而石英的磨矿不受影响，从而强化了铁矿石的选择性磨细；赵伟等^[15]研究了微波与机械力结合对煤岩裂解效率的影响，结果显示当煤岩被微波作用2 min时，所得矿物富集率最高；王俊鹏等^[16]研究了微波加热性能对钒钛磁铁矿磨矿性能的影响，结果表明经微波加热处理后，粒径小于0.074 mm的矿物占总矿物的95%，回收率提高了31%；白立记等^[17]利用微波加热处理锡石多金属硫化矿，研究矿石处理前后及不同制冷方式对矿物磨矿效率的影响，结果表明经微波处理后的矿物，磨矿效率明显提高。虽然利用微波预处理矿石可以有效提高精矿品位及回收率，但需要作用在物料上的时间较长，长时间的辐照，在物料间存在热传导，使得不同相间产生较小的温度差，不利于矿物的裂解，能量利用率低。若要改变此种状况，需要输入更大的能量，在短时间内获得更大的温度梯度，进而产生应力差。

脉冲微波具有稳定性好、重复性高和寿命长等优点。高压脉冲微波技术是在脉冲磁控管上施加微秒级宽度的高压脉冲，使得磁控管上产生数百千瓦到几兆瓦的周期性脉冲微波能量，当此种脉冲能量作用在物料上时，物料能够在极短时间内吸收并转换能量，有效避免长时间辐照下的热传导^[18]。由上述可知，脉冲微波是助磨提高钛矿品位及回收率的首选技术。在短时间内使矿石迅速加热升温到一定程度，是实现脉冲微波辅助磨细矿物的主要技术手段。因此，能否使矿物在短时间内被有效加热是助磨提高精矿品位的关键。

本文利用自行研制的脉冲微波设备，对钛铁矿进行预处理，研究不同脉冲微波工艺参数（如微波功率、辐照时间和样品重量等）对矿样加热升温的影响。该项研究对脉冲微波在助磨领域的应用具有重要意义。

1 试验方法

1.1 钛铁矿矿物组成

本试验原料来源于某厂的钛铁矿，XRF分析得出其组成如表1所示。

表1 钛铁矿矿物组成

Table 1 Mineral composition of ilmenite（%）

矿物成分	质量分数	矿物成分	质量分数
TiO₂	52.86	MgO	2.01
Fe	35.12	SiO₂	1.86
CaO	3.22	其他	4.93

新窗口打开| 下载CSV

1.2 钛铁矿脉冲微波预处理

将钛铁矿与球磨介质按照一定比例称量混合，并置于行星式球磨机（型号PMQW04）中进行球磨预处理，球磨机转速为450 r/min，球磨3 h后取样，利用振动筛筛选分级，选取0.05 mm的样品，备用。

将上述0.05 mm的样品置于脉冲微波设备中，利用与腔体底座平行的不锈钢平板推压样品，保证样品平铺于腔体内。需要注意的是本脉冲微波设备是自行研制的，其功率、重复频率、占空比和辐照时间等均可调节，测温为热电偶（型号GH3030）测温，额定平均功率为50 kW，频率为2 450 MHz。分别改变脉冲微波辐照时间（10~120 s）、样品质量（20~100 g）、微波功率参数（500~3 000 W）和样品粒径（2，10，25，35，45 mm）等参数，研究各参数变化对样品升温性能的影响。本试验样品的粒径为经测量后样品粒径的平均值，其中最大值与最小值相差不到5 mm。本工作所得结果均为重复3次试验结果的平均值。

1.3 样品表征方法

利用激光粒度仪（型号：Winner801，执行标准：GB/T19627-2005）检测样品粒度；X射线荧光光谱分析仪（型号：Ux-310）分析钛铁矿组成。

2 结果与讨论

2.1 钛铁矿吸波性能的研究

称取粒度为25 mm的钛铁矿50 g，在脉冲微波平均功率为1 kW和瞬时功率为50 MW的条件下，测定了2 min内钛铁矿在微波场中的升温行为，结果如图1所示。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 50 g矿物2 min内升温曲线

Fig.1 Heating curve of minerals with mass of 50 g in 2 min

当钛铁矿在脉冲微波平均功率为1 kW和瞬时功率为50 MW条件下辐照30 s时，样品可升温至300 ℃，继续加热2 min，物料升温至440 ℃。在升温曲线中，辐照前30 s表现出的升温速率最快，而后随时间变化逐渐减弱并趋于平缓，说明钛铁矿拥有良好的微波吸收性能。

昆明理工大学刘全军等^[19]推导了矿物在微波场中的升温公式［式（1）］，由该公式可知，矿物在微波场下的升温行为不仅与微波性质（f、E）相关，还与物料本身的性质有关，如物料的介电常数和介电损耗因子等。

Δ T = \frac{8 \times 10^{- 12} f E^{2} ε_{r} t a n δ}{d c}

（1）

式中： $Δ T$ 为矿物的温度变化值（℃/min）；f为微波频率（Hz）；E为电场强度（V/cm）； $t a n δ$ 为介质损耗系数； $ε_{r}$ 为物料的介电常数；d为物料密度（g/cm³）；c为比热容（cal/g·℃）。

物料在微波辐射条件下的升温性能主要取决于物料内微波的能量密度。与此同时，随着微波辐照时间的延长，微波能量在物料内部逐渐汇聚，因此物料在微波场中温度的变化与加热时间呈正比关系。在加热升温过程中，物料的介电常数也与温度有关。赵俊蔚等^[20]研究指出：在微波加热的初级阶段，物料具有很高的升温速率；随着微波对物料的不断辐照，物料的升温速率趋于平缓。因此，物料在微波场中的升温行为，既取决于矿物本身的性质，又与微波加热设备的功率大小密切相关。

2.2 钛铁矿质量对升温性能的影响

称取粒度为25 mm、质量为20~100 g的钛铁矿若干份，设置脉冲微波平均功率为1 kW，瞬时功率为50 MW，对样品进行不同微波加热时间（10，20，30 s）的处理，结果如图2所示。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 不同物料量在不同加热时间内升温曲线

Fig.2 Heating curves of mineral with different weight in different heating time

如图2所示，若样品质量为20 g，微波加热时间为10 s，则样品温度可升至90 ℃，将加热时间延长至30 s，样品温度上升至250 ℃；若样品质量为40 g，微波加热时间为10 s，则样品温度可升至168 ℃，将加热时间延长至30 s，样品温度上升至320 ℃；当样品质量为100 g，微波加热时间为30 s时，样品温度上升至176 ℃。上述结果表明，钛铁矿的升温速率受样品质量的影响较显著，且3种不同加热时间条件下，升温速率变化规律表现出一致性：当钛铁矿的质量为40~60 g时，其升温速率达到最大值，同时钛铁矿质量的变化均能显著影响矿样的加热温度。

上述现象也可以利用微波能量与物料重量关系进行解释，重量大的物料将吸收更多的微波能量，此时脉冲微波功率能够被样品充分利用。在此基础上，若脉冲微波功率过高，则微波功率将会产生损耗；若样品质量过大，微波功率使用效率降低，使得样品升温较低。有关研究也曾指出^[20]，在利用微波加热降低样品磨矿功指数试验中，矿样重量增大能够降低功指数减小的幅度。同时，在一定微波功率下，若矿样太少，也就意味着能被微波加热的有用矿物量较少，则样品升温将受到限制。

2.3 微波功率对升温性能的影响

称取粒度为25 mm的钛铁矿50 g，微波加热时间为30 s，控制脉冲微波平均功率为500~3 000 W（以500 W为一个梯度），对样品进行微波加热处理，图3显示了微波功率与温度之间的关系。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 微波功率对加热温度的影响

Fig.3 Influence of microwave radiation on heating temperature

从图3中可以看出，脉冲微波功率对样品升温速率的影响显著。当脉冲微波平均功率为500 W时，对样品微波加热30 s，温度可升高至110 ℃；随着微波功率的增大，样品的升温速率随之提高，当平均功率为1 500 W时，温度升高至250 ℃；当平均功率超过2 000 W时，样品的升温速率有所降低，但温度一直保持上升的趋势，当平均功率为3 000 W时，微波辐照30 s后，矿样温度可达到330 ℃。

国内外学者也得出了类似的研究结果。赵俊蔚等^[20]研究得出，当利用微波对特定矿物进行加热时，其升温性能仅与微波功率有关。彭金辉等^[21]研究指出，物料的升温速率受到微波加热功率的影响，不同矿物可以通过相应的微波功率进行选择性分离。Whittles等^[22]利用二维有限差分模拟的方法，研究分析了不同的功率密度对矿物微波辅助磨细的影响，结果表明：较高的微波功率有助于矿石基体内部产生快速热应力。Jones等^[23]研究认为，在其他条件相同的情况下，短的微波辐照时间和高的微波功率将有助于产生更多的热应力裂纹。

2.4 微波辐照时间对升温性能的影响

分别称取粒度为25 mm的钛铁矿40，50，60 g，在脉冲微波平均功率为1 kW，瞬时功率为50 MW的条件下，研究不同的微波加热时间（10，20，30，40，50，60 s）对矿样升温性能的影响，结果如图4所示。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4 40，50，60 g物料一分钟内升温曲线

Fig.4 Heating curve of minerals with mass of 40，50，60 g in one minute

在微波功率一定的条件下，微波作用在物料上的时间越长，矿样的温度越高。当矿样质量为40 g时，经过10 s的微波辐射后，温度从室温迅速升高至155 ℃；当辐射时间为30 s时，矿样的升温速率呈现出线性增长的趋势，其温度升高至320 ℃，升温速率为10 ℃/s以上；继续增加辐照时间，矿样的升温速率逐渐变小，当辐照60 s后，矿样温度达到400 ℃。质量为50 g和60 g的矿样表现出的微波升温特性与质量为40 g的矿样基本保持一致，不同的是，当辐照30 s后，质量为50 g和60 g的矿样温度更低。本研究中，钛铁矿的温度与脉冲微波作用在矿物上的时间呈正相关，这是由于在一定的空间内，微波辐射所释放出来的能量随着时间的延长越来越多，使得物料所吸收的能量越来越多，从而导致温度升高。

2.5 矿样粒度对升温性能的影响

称取不同粒度（2~5，10，25，35，45 mm）的钛铁矿矿样各50 g，在脉冲微波平均功率为1 kW、瞬时功率为50 MW，微波辐照时间为30 s的条件下，研究矿样粒度与样品升温性能之间的关系，结果如表2所示。

表 2 不同粒度矿样的微波加热温度

Table 2 Microwave heating temperature of the mineral with different grain size

粒度/mm	温度/℃	粒度/mm	温度/℃
2	243	35	280
10	265	45	238
25	300

新窗口打开| 下载CSV

由表2可知，矿样在微波辐照下的升温速率受样品粒度的影响。当样品粒度为2 mm时，经过30 s的微波加热，样品温度达到243 ℃；随着矿样粒度的逐渐增大，在其他作用条件相同的情况下，矿样的温度也逐渐升高；当矿样粒度增大至25 mm时，温度可升高至300 ℃；继续增大矿样粒度，温度反而降低。这是因为物料颗粒的粒度较大时，脉冲微波不易穿透物料，使得微波能量难以得到汇聚，从而降低了整个体系的温度。

为了更清楚地描述本工作的试验情况，将所有试验条件及获得的相应结果列于表3。

表3 试验条件与结果汇总

Table 3 Summary of experiment conditions and corresponding results

温度/℃	试验条件				温度/℃	试验条件
温度/℃	辐照时间/s	脉冲微波功率/W	矿样质量/g	矿样粒度/mm	温度/℃	辐照时间/s	脉冲微波功率/W	矿样质量/g	矿样粒度/mm
150	10	1 000	50	25	175	30	1 000	50	25
240	20	1 000	50	25	250	30	1 500	50	25
300	30	1 000	50	25	270	30	2 000	50	25
330	40	1 000	50	25	305	30	2 500	50	25
350	50	1 000	50	25	330	30	3 000	50	25
370	60	1 000	50	25	155	10	1 000	40	25
386	70	1 000	50	25	242	20	1 000	40	25
398	80	1 000	50	25	320	30	1 000	40	25
409	90	1 000	50	25	360	40	1 000	40	25
420	100	1 000	50	25	380	50	1 000	40	25
429	110	1 000	50	25	400	60	1 000	40	25
440	120	1 000	50	25	150	10	1 000	50	25
90	10	1 000	20	25	240	20	1 000	50	25
168	10	1 000	40	25	300	30	1 000	50	25
170	10	1 000	60	25	326	40	1 000	50	25
132	10	1 000	80	25	352	50	1 000	50	25
95	10	1 000	100	25	370	60	1 000	50	25
182	20	1 000	20	25	140	10	1 000	60	25
256	20	1 000	40	25	234	20	1 000	60	25
248	20	1 000	60	25	308	30	1 000	60	25
185	20	1 000	80	25	326	40	1 000	60	25
145	20	1 000	100	25	352	50	1 000	60	25
250	30	1 000	20	25	360	60	1 000	60	25
320	30	1 000	40	25	243	30	1 000	50	2
295	30	1 000	60	25	265	30	1 000	50	10
210	30	1 000	80	25	300	30	1 000	50	25
176	30	1 000	100	25	280	30	1 000	50	35
25	30	0	50	25	238	30	1 000	50	45
110	30	500	50	25

新窗口打开| 下载CSV

3 结论

通过研究脉冲微波功率、辐照时间和样品质量等因素对钛铁矿升温性能的影响规律，得出以下结论：

（1）物料在脉冲微波场中的升温特性，不仅与矿物本身性质有关，还与脉冲微波功率密切相关。在脉冲微波平均功率为1 kW、瞬时功率为50 MW的条件下，样品经过30 s辐照时间后，温度可升高至300 ℃，2 min时间内物料被加热至440 ℃。

（2）在3个不同加热时间（10，20，30 s）范围内，质量为40~60 g钛铁矿的升温速率均能达到最大，矿样质量不在此范围内，增加或减少均会降低矿样的升温性能。

（3）脉冲微波功率对钛铁矿加热的升温速率具有显著影响。脉冲微波功率越大，矿物的升温性能越优异，当微波平均功率为3 000 W时，可以使矿样在30 s内从室温升高至330 ℃。

（4）钛铁矿的粒度对样品在微波辐照下的升温速率有显著影响，当矿样粒度为25 mm时，温度可达到最大值300 ℃。

http://www.goldsci.ac.cn/article/2020/1005-2518/1005-2518-2020-28-4-595.shtml

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

中国工程院

.中国科学院《两院咨询报告》[M].北京：中国工程院，2012.