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微波照射下矿物颗粒温度分布及影响因素分析 ① 秦立科, 戴 俊 (西安科技大学 建筑与土木工程学院, 陕西 西安 710054) 摘 要 以黄铁矿和方解石组成的矿物颗粒为研究对象,利用 ABAQUS 有限元软件建立了三维数值计算模型,分析了微波场矿物 颗粒的温度分布及演化特征,并考虑了微波照射时间、功率密度及矿物晶体尺寸的影响作用。 结果表明微波场中矿物中心温度最 高,黄铁矿内部温差较低,方解石内部温差较大,不同微波照射时间下温度分布相似;矿物颗粒的中心温度、表面温度、内外温差及 升温速率都与功率密度呈线性增长关系,与黄铁矿晶体大小呈指数增长关系。 关键词 微波加热; 辅助选矿; 黄铁矿; 温度特性 中图分类号 O319.56文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2015.03.026 文章编号 0253-6099(2015)03-0096-03 Temperature Distribution and Influential Factors for Ore Particles under Microwave Irradiation QIN Li⁃ke, DAI Jun (College of Architecture and Civil Engineering, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054, Shaanxi, China) Abstract With ore particles composed of pyrite and calcite as study object, a three⁃dimensional model was established based on ABAQUS finite element software to analyze the temperature distribution and evolution characteristics of the ore particles in microwave field. The effects of irradiation time, power density and crystal size were investigated. The results show that the highest temperature is in the center of the ore particle in the microwave field. The temperature varies greatly in calcite but little in pyrite. The temperature distributions are similar under the condition of different irradiation time. The center and surface temperature, inside and outside temperature difference and the heating rate of the ore particles rises linearly with the power density but exponentially with the crystal size of pyrite. Key words microwave heating; auxiliary beneficiation; pyrite; temperature characteristics 微波加热作为一种新型加热方法,可用于矿物的 磨矿和选矿[1-2]。 由于矿石中的一些组分,特别是方 解石、石英等一些脉石成分几乎不能被微波加热,而其 余成分可被迅速加热,不同成分的不均匀膨胀在颗粒 边界产生很大的边界应力导致边界断裂形成微裂纹, 从而促进矿物的解离,提高碎矿和磨矿效率[3]。 微波辅助法的实质是加热法,温度提高是矿物产 生膨胀、形成热应力并导致矿物产生微裂纹的根本原 因。 所以,有必要对矿物在微波照射下的温度分布、升 温特性及影响因素等进行研究。 已有的研究[4-8]主要 针对微波场中矿物表面的温度变化特性,而对矿物内 部温度分布及影响因素的研究涉及较少。 由于矿物内 部温度很难通过试验直接测定,为此,本文以黄铁矿为 例,采用有限元法对矿物温度场进行计算,研究矿物内 部温度分布特性及主要因素对温度变化的影响,以期进 一步弄清矿物在微波照射下的温度分布及演化特性。 1 计算模型 1.1 计算原理 微波照射物体能产生的热量主要取决于微波的频 率和电场强度,单位体积内物质能产生的热量可以通 过如下公式进行计算 Pd= 2πfεoε″rE2 o (1) 式中 Pd为微波的功率密度,W/ m3,即微波转化为热能 的功率;f 为微波的发散频率,Hz;εo为真空介电系数, 为 8.85410-12F/ m;ε″r为介质的介电损耗因子;Eo为 电场有效值,V/ m。 在有限元计算中,能量平衡可用如下公式表示 ①收稿日期 2015-01-10 基金项目 国家自然科学基金项目(51174159);中国博士后科学基金(2015M572580) 作者简介 秦立科(1982-),男,江苏淮安人,博士后,讲师,主要从事岩石破碎、工程支护等教学和研究工作。 第 35 卷第 3 期 2015 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.35 №3 June 2015 - q i,j + q v = ρC ∂T ∂t (2) 式中 qi,j为单元 i,j 热通量向量,W/ m3,可由傅里叶定 律求得;qv为微波照射所产生的热量,W/ m3,即为微 波功率的耗散密度;ρ 为材料的密度,kg/ m3;C 为材料 的比热容,J/ (kg℃);T 为温度,℃;t 为时间,s。 式(2)可以写成 ∂T ∂t =- qi,j ρC + Pd ρC (3) 在微波照射过程中,材料内部任意位置的温度变 化可以通过式(3)计算。 1.2 计算模型 本文以黄铁矿为研究对象,脉石为方解石,黄铁矿 处于脉石中心。 常温下方解石的介电损耗因子为 410 -4 ,黄铁矿的为 17[9-10],所以计算时假定,在微波 照射下黄铁矿产生热量,而方解石不产生热量。 由于黄铁矿的晶体大多数呈立方体,计算时取边 长 0.4 mm 0.4 mm 0.4 mm 立方体,整个矿物颗粒 大小取 1 mm 1 mm 1 mm, 由于模型的对称性,取 1/8 进行计算,计算模型如图 1 所示。 O 点为矿物颗粒 中心点,A 点为两种矿物交界点,B 点为矿物颗粒表面 点。 本文采用有限元软件 ABAQUS 进行计算,单元采 用内置的热传导单元 CPE4T,单元长度为 0.002 mm。 模型划分后单元共 2 500 个,节点 2 601 个。 B A O ,1; /, 2D,mm 0.05 s 0.15 s 0.30 s /, C;0s OB O A B 图 4 温度随照射时间变化曲线 2.2 功率密度对矿物颗粒温度的影响 图 5 给出了不同功率密度下照射时间为 0.3 s 时 中心点 O、表面点 B 的温度及两者之间的温差变化曲 线。 从图中可以看出,三者都与功率密度呈线性关系, 都随着功率密度的增加而增加。 图 6 给出了矿物颗粒 升温速率随功率变化的关系曲线。 从图 6 可以看出, 不同大小的黄铁矿,其升温速率都随功率密度增加而 增加,且呈线性关系。 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 , .55,1011 W m-3 O, , OB 0.501.001.50 B 图 5 温度随功率密度变化曲线 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 .55,1011 W m-3 0.2 mm 0.3 mm 0.4 mm ;5 s-1 0.50 1.00 图 6 升温速率随功率密度变化曲线 2.3 晶体大小对矿物颗粒温度的影响 矿物颗粒整体尺寸不变,功率密度为 11011W/ m3, 照射时间为 0.3 s,O、B 点温度及两者之间的温差随黄 铁矿晶体尺寸变化曲线见图 7。 从图 7 可以看出,矿 物中心和表面温度均随着黄铁矿晶体尺寸增大而快速 增长,且增加幅度越来越大。 两者之间的温差随着尺 寸增大而增大,但其增幅越来越小,说明黄铁矿在矿物 颗粒中的含量越大,越利于颗粒的整体升温,但内外表 面的温差在黄铁矿尺寸大于 0.3 mm 后相差不大。 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 , /, , O B 图 7 温度随黄铁矿尺寸变化曲线 图 8 给出了不同功率密度下矿物颗粒的升温速率 随黄铁矿晶体尺寸的变化曲线。 从图 8 可以看出,随 着黄铁矿晶体尺寸增加,升温速率呈指数增长,增长速 率随尺寸增加而增大,黄铁矿尺寸每增加 0.1 mm,升 温速率可提高 1 倍。 4200 3600 3000 2400 1800 1200 600 0 ;5 s-1 /32**mm 0.51011 W m-3 7.51011 W m-3 1.01011 W m-3 0 0.2 0.4 0.6 图 8 升温速率随黄铁矿尺寸变化曲线 3 结 论 以黄铁矿和方解石组成的矿物为研究对象,建立三 维有限元模型,分析了微波照射时间、功率密度及黄铁矿 晶体大小对矿物颗粒温度的影响,得出如下主要结论 1) 微波照射下,矿物中心温度最高;黄铁矿内部 温度变化不大;方解石温度从里向外呈曲线降低,内外 (下转第 102 页) 89矿 冶 工 程第 35 卷 由表 8 可知,相比之前的浸出结果,3 种浸出方案 的结果均较稳定,说明试验再现性较好。 对比 3 种方案 可知,当 NH4SCN 用量为 0.4 mol/ L、KMnO4用量为 10 g/ L、pH 值为2、液固比为4∶1时金浸出率在 84%~86% 之间,且药剂和 pH 值在低水平时浸出效果反而较高, 其原因可能是 pH 值在低水平时,KMnO4和 NH4SCN 更稳定,矿浆中药剂与矿物的实际作用浓度较大。 而 KMnO4和 NH4SCN 过量时,KMnO4在氧化浸出的同 时,也会氧化分解 NH4SCN,造成浸出剂浓度下降,浸 出率降低。 因此药剂和 pH 值宜选择低水平,即较佳 的浸出条件为NH4SCN 用量 0.4 mol/ L,KMnO4用量 10 g/ L,pH 值为 2,液固比 4∶1。 3 结 论 1) 通过对微细浸染型金矿进行直接浸出探索试 验,金浸出率最高为 49.71%。 在相同浸出条件下,原 矿经强化浸出后,金浸出率明显高于直接浸出时的浸 出率,高达 86.16%。 2) 通过探索、正交试验得出,较优的强化浸出条 件为Q⁃1(50 kg/ t)和 Q⁃3(35 kg/ m3)联合使用,充气 量为 0.6 m3/ h,70 ℃下搅拌 24 h,搅拌后矿样经过滤 后取一定量在常温常压、NH4SCN 用量 0.4 mol/ L、 KMnO4用量 10 g/ L、矿浆液固比 4 ∶1、pH 值为 2 的条 件下搅拌浸出 4 h。 3) 原矿直接浸出时,原矿中大部分金以包裹体形 式存在,游离金较少,浸出率低。 经强化浸出工艺处理 后,主要的金包裹物硅酸盐与药剂发生了溶蚀反应,从 而使大部分金变为游离金,促进了硫氰酸铵的浸出。 4) 酸性硫氰酸盐法浸金具有毒性小、性质稳定、 浸出率较高、浸出速度快等优点,是一种有发展前途的 非氰浸金方法。 但由于硫氰酸盐的浸金体系较为复 杂,反应存在多种中间产物,未能实现硫氰酸盐的综合 回收利用。 因此后续应加强对硫氰酸盐浸金的条件优 化和机理分析。 参考文献 [1] 沈智慧,张 覃,卯 松,等. 贵州某微细浸染型金矿硫代硫酸盐 浸出试验研究[J]. 矿冶工程,2013,33(5)85-90. 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