微波在礦業(yè)中的應(yīng)用

   能源作為一種力量是世界運行的基礎(chǔ)。在當(dāng)時當(dāng)?shù)赜行У貞?yīng)用能源是建立優(yōu)質(zhì)工程的要求，礦業(yè)領(lǐng)域也不例外。即使一個外行看到用于破碎和球磨的每月電費，或者用于烘干花費的石油、天然氣，她/他也會感到非常的驚訝。
   正確地利用能源用于ROM礦業(yè)對于粉碎工序是關(guān)鍵。使用能源用于過濾水分直到水分蒸發(fā)進入下一道工序，從而降低整個的運行費用。
   通過查閱所有的研究和開發(fā)利用當(dāng)?shù)氐臒崮苡糜诘V業(yè)及其冶煉，人們能看到很多在礦業(yè)中應(yīng)用的優(yōu)勢。微波在礦業(yè)粉碎加工中存在的潛在降低能源消耗優(yōu)勢，表現(xiàn)在改變了礦物的表面化學(xué)和推進了在更多的可控環(huán)境中形成新的冶煉方法。如果能完全應(yīng)用微波技術(shù)，讓每種礦物都能用微波加工將減少整個礦業(yè)的運行費用。在研磨傳送過程中增加或直接用微波將很容易地高效地減少25％研磨能源費用。
   最后，幾乎所有的科學(xué)領(lǐng)域的每一項進步都會給商貿(mào)和個人帶來新的途徑。一個很好的例子是Velcro，它首先由美國的太空計劃設(shè)計，而現(xiàn)在全球的很多家庭可以找到。能源的生產(chǎn)和傳輸?shù)淖兓膊焕狻?/span>
   微波技術(shù)最初應(yīng)用在遠距離通信，最后發(fā)展應(yīng)用到微波爐，有些人叫“雷達”爐。家庭擁有微波爐用于煮飯的人認為用微波爐煮飯僅需幾分鐘而使用其他的熱源像氣體爐子要花一個小時或更多，有關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量和速度的平衡現(xiàn)在還在辯論。雖然食品行業(yè)更多的人應(yīng)用微波技術(shù)但它仍需繼續(xù)發(fā)展，有效地應(yīng)用微波加工礦物的研究已開展多年了。
   微波是一種電磁波，波長介入紅外與無線電波之間——1～1×103mm，頻率0.3～300GHz。電波與磁波形成電磁波，以一定的角度沿直線傳播。
   微波能穿透一些像玻璃、紙和塑料的材料，一般沒有反射，微波能直接通過這些材料表面。相反地，微波能被金屬表面反射，微波爐使用金屬制成反應(yīng)器。爐內(nèi)的金屬架使微波能均勻分散避免能譜的非均勻分布。市場上應(yīng)用的微波爐頻率為2450MHz，微波熱是微波與介電材料的交互作用形成的。在每端有不同的電荷極性分子（H2O是最常見的用于食品加熱的極性分子）排列在磁場中，當(dāng)磁場發(fā)生變化時，極性分子發(fā)生振動而產(chǎn)生熱。用于材料加熱時在表面有大量的熱源，擁有大量的分子級的“微小加熱器”。
   內(nèi)部加熱的深度與材料有關(guān)。舉例來說，被加熱的材料是香腸，微波將穿透“不可見”玻璃而在材料的表面或下面產(chǎn)生熱，因為通過香腸的微波作用與極性分子的原因。微波安全盤一般有氧化鐵復(fù)合材料吸收微波。如果加熱材料是硅基材料（如石英）與黃鐵礦，微波將穿透“不可見”的石英直接加熱在石英－黃鐵礦的界面。

電場和磁場形成電磁波

粉碎

   前面提到的一些微波的應(yīng)用是由美國礦業(yè)局在上世紀(jì)90年代中期作的研究，礦物的預(yù)處理微波優(yōu)越性的研究起決于微波對粉碎加工的影響。
   微波應(yīng)用不存在難理解的原理，微波作為一種非離子輻射，能量的傳輸類似于可見光的輻射。來自于太陽系衛(wèi)星的能量，從外層空間到達地球的微波應(yīng)用已經(jīng)有很多年了。能量傳輸中微波能的選擇性吸收使粉碎時減少所有的能量消耗成為可能。
   在粉碎加工中消耗的能量占整個加工能量消耗的50～70％或者更高，一般的礦物的加工改變礦物的物理特性（礦物的粒度和礦物的濃度）達到要求。找到更有效的辦法降低能量消耗，簡化材料中的物理變化提高整個加工的經(jīng)濟效益。
   礦物顆粒的局部加熱引起材料的微裂紋和脆性將導(dǎo)致更加高效的研磨，使用微波加熱將增強這種局部加熱。高能量的礦物顆粒在長時間的加熱（按秒計算）或增加功率能引起相或者化學(xué)變化，這樣產(chǎn)生更多的內(nèi)部應(yīng)力并改善了下一道工序。
   許多高等研究院正進行廣泛的研究，有單獨研究的也有合作開發(fā)的。在萬隆印度尼西亞技術(shù)研究院的研究人員研究了微波在Cimanggu研磨能的影響。西Janvanese金礦的研究人員發(fā)現(xiàn)應(yīng)用微波能加工礦物持續(xù)時間5～300秒，結(jié)果減少金礦的工作量20～35％。
   Nottingham、Birmingham和Stellenbosch大學(xué)已經(jīng)研究出微波在礦業(yè)工業(yè)中的優(yōu)勢，在Birmingham大學(xué)早先的研究顯示微波輻射是提高礦物粉碎的一種有效方法因為微波增加了穿晶與沿晶斷裂。下面的這些研究是微波加熱在礦物浮選方面影響?，F(xiàn)在Birmingham大學(xué)和Stellenbosch大學(xué)的研究人員在南非的一個項目上合作，研究微波腔體設(shè)計的變化對礦物加工的影響，這項工作得到工程和物理科學(xué)研究委員會與Rio Tinto技術(shù)的支持。Birmingham大學(xué)正在領(lǐng)導(dǎo)進行更深入地研究：微波處理和微波處理金礦脆性地形成。

烘干

   烘干是微波能應(yīng)用中最簡單的，比較傳統(tǒng)的管式烘干機，微波烘干減少了周圍環(huán)境空氣中包含的水分需要的熱。事實上，熱量的需要只有水分子的轉(zhuǎn)變而沒有其他形式變化熱的需要。在一些情況下這是可能的，但是在另外的情況下，礦物烘干需要更加高效的吸收能量通過它傳給水分子。
   考慮到水或者礦物真正吸收微波能的百分?jǐn)?shù)，微波烘干證實是更經(jīng)濟實惠的。因為全面評估效益平衡點還起決于當(dāng)?shù)氐碾妰r與石油、天然氣價格的對比。

電磁波譜圖

碳的再生

   微波加熱的另外一種應(yīng)用是活性碳的再生，這方面的應(yīng)用研究由Ontario Hydro（OTH）推出。OTH建于1912年，來自于Ontario Hydro的研究部門，該公司涉及手術(shù)及其輔助設(shè)施的電子技術(shù)的所有領(lǐng)域。該公司聲稱在環(huán)境應(yīng)用和開發(fā)方面評估微波技術(shù)用途提供實驗和技術(shù)。OTH 花了十多年開發(fā)和應(yīng)用微波加熱技術(shù)。
   典型的碳的再生在電、天然氣或者其他能源的輸送帶上完成。直接的微波加熱減少了能量消耗和碳的損失，當(dāng)使用溫和的操作系統(tǒng)時，碳出現(xiàn)突變。
   OTH 公司的技術(shù)包含兩個方面：微波源和波導(dǎo)。被處理的材料放進喂料處，微波功率與加熱時間與反應(yīng)器有關(guān)。微波器件可以定制滿足特殊的容量要求。

浮選

   前面提到的Birmingham大學(xué)已經(jīng)研究了微波在鈦鐵礦浮選方面的影響。出版在CIM的加拿大冶金季刊，研究結(jié)果顯示微波輻射預(yù)處理能有效地改善鈦鐵礦的表面特性提高礦物的浮選能力，鈦鐵礦，即鈦和鐵的金屬氧化物，它在2.45GHz的微波爐中具有很快的介電加熱特性。該大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)2600W功率輻射時，鈦鐵礦塊體樣品在10秒內(nèi)即達到180℃，1分鐘后達到720℃；石英和長石則只有很小的微波加熱性能，相應(yīng)地在1分鐘后僅能達到53℃和65℃。
   在微波輻射后，鈦鐵礦回收增加20％以上。鈦鐵礦樣品局部表面區(qū)域隨著微波輻射，出現(xiàn)了有價值地變化，同時觀察到新相的出現(xiàn)。當(dāng)鈦鐵礦（鐵鈦，FeTiO3）出現(xiàn)在空氣中時出現(xiàn)氧化，Fe+2氧化成Fe＋3，在室溫時，這種氧化速度很慢，但隨著溫度的提高而加快。微波選擇性加熱特性加速了鈦鐵礦表面Fe的氧化，氧化增強了浮選－反應(yīng)物的吸波性能，從而提高浮選速度。該大學(xué)的研究結(jié)果顯示微波輻射10秒鈦鐵礦的回收提高10％，隨著微波輻射時間的增加鈦鐵礦的回收增加大約64％，最大可到87％。通過浮選礦物表面化學(xué)特性的改善完成礦物的回收。
   微波輻射可減少油酸鈉用量，鈦鐵礦浮選回收率達到60％時，油酸鈉用量2×10－4摩爾；對于微波處理的鈦鐵礦，油酸鈉用量是7×10－5摩爾，回收率達到65％

煅燒

   OHT,EMR 微波技術(shù)集團公司已經(jīng)研究微波能的應(yīng)用并出現(xiàn)了在礦業(yè)的工業(yè)化生產(chǎn)，特別是應(yīng)用于難熔礦物及其冶煉。

傳統(tǒng)含砷黃鐵礦的煅燒

FeAsS→FeS+As

4As+3O2→2As2O3

3FeS+5O2→Fe3O4+3SO2

或者 2FeS+3.5O2→Fe2O3+2SO2

傳統(tǒng)黃鐵礦的煅燒

3FeS2+8O2→Fe3O4+6SO2

或者 2FeS2+5.5O2→Fe2O3+4SO2

   EMR 公司的研究已花十多萬美元和幾年的時間，用于開發(fā)微波系統(tǒng)設(shè)計加工工程。該公司已經(jīng)開發(fā)出各種加工貴重的、基本的和其他礦物的技術(shù)。EMP 公司最近授權(quán)位于加拿大Fredericton，New Brunswick 的pilot工廠向全球的礦業(yè)客戶展示最近和最大的加工設(shè)備，兩個微波反應(yīng)器和75KW的微波源，設(shè)計為兩段連續(xù)加工，生產(chǎn)量為5～10mt/d。這個設(shè)備主要加工方解石黃鐵礦和含砷黃鐵礦金的冶煉，同時也適應(yīng)含碳礦物等其他礦物。
   EMR的pilot工廠總部位于Fredericton，提供廣泛的小范圍的實驗和分析設(shè)備，公司擁有30個專業(yè)人員，提供工程、化學(xué)、地質(zhì)和分析方面的服務(wù)。
   存在大量的礦山運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生大量難熔尾渣，同時礦體不斷耗盡帶來復(fù)雜的冶金和經(jīng)濟難題。例如：典型的難熔含砷黃鐵礦－黃鐵礦金礦需要煅燒、高壓、過濾來提煉金，高壓和煅燒最后出現(xiàn)難題。利用微波的選擇性吸收原理僅讓礦中部分與微波起作用。這樣出現(xiàn)有價值的能量節(jié)約，同時避免某些副產(chǎn)品的出現(xiàn)滯留在生產(chǎn)線。幾個主要的加拿大公司和國際礦業(yè)公司已經(jīng)認識到微波加工的潛力，微波系統(tǒng)的優(yōu)勢已得到證實并達到pilot水平，同時證實微波加工提供了有潛力的機理，因為中和硫化物礦渣，避免含酸污染物污染地下水。

金的冶煉
 
   標(biāo)準(zhǔn)的烘烤是氧化黃鐵礦中的鐵和硫，考慮經(jīng)濟效益的原因，加工時利用其中的硫的氧化放出的熱量。EMR公司已經(jīng)成功地開發(fā)出鐵的選擇性氧化，很好的分離出硫。通過控制溫度在硫的燃燒點以下和控制氧含量這樣直接將黃鐵礦加工成赤鐵礦。EMP公司應(yīng)用微波技術(shù)在液化反應(yīng)床中完成了氧化。

含砷黃鐵礦金地冶煉
 
   傳統(tǒng)煅燒含砷黃鐵礦產(chǎn)生赤鐵礦方解石，副產(chǎn)物是SO2和AsO3。通過控制反應(yīng)條件，改變反應(yīng)產(chǎn)物形成磁鐵礦和AsS和SO2 ，這個反應(yīng)應(yīng)用微波提供反應(yīng)條件在減少氧含量的條件下在液化床中可持續(xù)進行。

含砷黃鐵礦的煅燒：兩段加工

1＃  FeS2FeAsS→2FeS+AsS（500～550℃空氣控制/再循環(huán)）

3FeS+2O2→Fe3O4+3S

或者 2FeS+1.5O2→Fe2O3+S (400℃ 空氣控制/再循環(huán))

2＃  3FeAsS＋2O2→Fe3O4＋3AsS

或者 2FeAsS＋1.5O2→Fe2O3＋2AsS（400～500℃空氣控制/再循環(huán)）

3 FeS2+2O2→Fe3O4+6S

或者 2FeS2+1.5O2→Fe2O3+4S（＞500℃時空氣控制/再循環(huán)）

含碳的礦物

   含碳的礦物中的有機碳很適合微波加工，快速的微波加熱形成CO2氣體。EMR公司指導(dǎo)pilot公司得到金的回收率超過95％，成功地輸入15－KW/st 礦。

黃銅礦的冶煉

   采用金的冶煉同樣的方法微波熔融冶煉銅。通過有效地控制加熱速度和氧含量，氣體逸出時產(chǎn)生酸。EMR證實微波加工能有效地氧化硫。在酸中溶解的銅的回收率超過99％。低體積，高密度從反應(yīng)產(chǎn)物中逸出的蒸氣直接形成酸用于SX。

難熔氫氧化物的封裝

   EMR應(yīng)用微波加工墨西哥的礦物尾渣料，它們包括針鐵礦，方解石，石英，和黃鉀鐵礬其中含有與針鐵礦結(jié)合的金和銀，接近50％的金不能用CN濾取。微波預(yù)處理尾渣料很快傳送針鐵礦濾取赤鐵礦，采用CN濾取方解石得到很高的金的回收率，破碎針鐵礦的反應(yīng)副產(chǎn)物只有水。

塊狀金屬硫化物礦