專利名稱：利用高磁場強(qiáng)度的電磁波預(yù)處理多相材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)生高磁場強(qiáng)度的電磁輻射，優(yōu)選的是微波輻射，優(yōu)選采用微波輻射弱化多相材料的相間附著力。
本發(fā)明是由如何加工礦石的思考引發(fā)的，并在說明書中對此問題加以說明?？梢岳斫?，本發(fā)明具有廣泛的應(yīng)用范圍。
加工過程、例如從不需要的包裹巖石或礦物中提取需要的礦物質(zhì)是眾所周知，并且礦石粉碎是很成熟的行業(yè)。銑削或磨碎礦石是一個(gè)能量密集型的過程。據(jù)估測，美國所用總能量的1.5％用于粉碎礦石或礦物。這是一個(gè)很大的市場。
有關(guān)在用銑削設(shè)備或研磨設(shè)備處理前如何預(yù)處理材料，存在多種方案。一些方案涉及化學(xué)處理，一些方案涉及熱處理，還有一些使用微波預(yù)處理未經(jīng)成功實(shí)施的建議。還有使用放電處理的建議?，F(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)實(shí)施的方案與推測的方案在很多觀點(diǎn)上往往相互矛盾。
此領(lǐng)域的一些文獻(xiàn)包括美國專利No.5 824 1533，PCT專利申請WO 92/18249，英國專利申請No.GB 2 120 579，并且刊物有″The Influence of Minerology on Microwave AssistedGrinding″，S.W.Kingdom，W.Vorster and N.A.Rowson，Mineral Engineering Vol.13，No.2，Elsevier Science Limited，0892-6875(99)00010-8；″Effects of Microwave Radiation uponthe Mineralogy and Magnetic Processing of a MassiveNorwegian Ilmenite Ore″by S.W.Kingman，G.M.Corfield andN.A.Rowson，Magnetic and Electrical Separation，Vol.9.published by Overseas Publishers Association N.V.；″TheEffects of Microwave Radiation on the Processing of PalaboraCopper Ore″by S.W.Kingman，W.Vorster and N.A.Rowson，published by The Journal of the South African Institute ofMining and Metallurgy，May/June 2000；″Microwave Treatmentof Minerals-A Review″，by S. W. Kingman and N.A.Rowson，published by Minerals Engineering，Vol 11，Elsevier ScienceLimited，0892-6875(98)00094-6；″The Effect of MicrowaveRadiation on the Processing of Neves Corvo Copper Ore″byW.Vorster，N.A.Roswon and S.W.Kingman，InternationalJournal of Mineral Processing 63(2001)29-44 published byElsevier Science B. V.；″Short-Pulse Microwave Treatmentof Disseminated Sulfide Ores″by J.B.Salsman，R.L.Williamson，W.K.Tolley and D.A.Rice，MineralsEngineering，Vol.9，No.1，1996 published by ElsevierScience Limited 0892-6875(95)00130-1；″The Effect ofMicrowave Radiation on the Magnetic Properties ofMinerals″by S.W.Kingman and N.A.Rowson，Journal ofMicrowave Power and Electromagnetic Energy Vol 35，No.3,2000；″Applications of Microwave Radiation to EnhancePerformance of Mineral Separation Processes″by S.W.Kingman，N.A.Rowson and S.Blackburn，IMN 1997ISBN-1870706388。
有關(guān)常規(guī)多種形式微波生成設(shè)備的應(yīng)用存在很多討論，利用上述設(shè)備在相當(dāng)長的時(shí)間周期內(nèi)(10秒或者更長時(shí)間)向一批材料施加微波處理，然后再將材料壓碎或者磨碎。
在上述一些刊物中報(bào)道了，微波處理礦物消耗的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粉碎過程中節(jié)省的能量。
上述的一些建議缺乏實(shí)驗(yàn)依據(jù)，基本上處于理論階段。還有一些方案并非以真正的礦石進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而且采用兩種材料的簡單混合物測定其熱性能，而未在兩種礦物之間施壓。一些預(yù)測認(rèn)為，溫度升高會(huì)融化所需的礦物或使其化學(xué)變性，經(jīng)濟(jì)地提取礦物質(zhì)相當(dāng)困難或者根本就是不可能的，因此缺乏吸引力。
綜上所述，實(shí)際上礦石加工企業(yè)的設(shè)計(jì)人員根本不認(rèn)為微波預(yù)處理是可行的，或者是需要的。當(dāng)前，微波預(yù)處理也不被認(rèn)為是可以降低總成本的方法。本行業(yè)中存在不予使用微波的偏見。即使是一臺(tái)生產(chǎn)規(guī)模的設(shè)備也并未眾所周知，該設(shè)備將微波預(yù)處理作為粉碎前處理礦石的調(diào)節(jié)步驟。
英國專利局進(jìn)行了檢索，找出了下列文獻(xiàn)GB2205559(Wollongong Uniadvice Ltd)公開了一種干燥和加熱礦石的方法，其中使用碳材料進(jìn)行加熱。
EP0041841(Cato Research Corporation)公開了一種使用微波能量改變其化學(xué)性質(zhì)、從礦石中輔助提取化合物的方法。
WO 97/34019(EMR Microwave Technology Corporation)公開了一種在含有金屬礦石中產(chǎn)生冶金效果的方法。
WO 92/18249(The Broken Hill Proprietory Company Ltd)公開了一種分離礦石中貴重礦物質(zhì)的方法，該方法具有相當(dāng)于1小時(shí)的處理時(shí)間，在此期間每隔10秒-2分鐘，就用1-30秒周期的微波能量脈沖輻射礦石。
US 5003144(Lindroth)公開了利用微波輻射預(yù)弱化礦物的裝置。微波輻射的長時(shí)間應(yīng)用充分加熱了礦物，從而引起礦物中的化學(xué)變化，所需礦物質(zhì)的降解。
根據(jù)本發(fā)明的第一部分，我們提供一種后續(xù)處理以前微波預(yù)處理多相材料的方法，材料含有第一相材料和第二相材料，該方法包括在連續(xù)過程中以至少109Wm-3功率密度電磁加熱材料，在此連續(xù)過程中材料進(jìn)入并穿過電磁處理區(qū)域，為了后續(xù)處理，材料在處理區(qū)域中經(jīng)受了1/2秒或更短的微波輻射后通過處理區(qū)域。
本發(fā)明的一個(gè)重要應(yīng)用是在處理礦物過程中弱化多相復(fù)合材料第一相材料和第二相材料之間的附著力。例如，在巖石的不同相中發(fā)現(xiàn)了需要提取的礦石或脈石。
通過微波有差別地加熱一種材料(例如巖石)的兩相，兩相有可能產(chǎn)生熱膨脹差別，從而造成相界面的破裂或弱化。優(yōu)選的是，依舊在微波處理后對礦石進(jìn)行后續(xù)處理，例如對礦石或脈石機(jī)械預(yù)處理，從而分離第一相材料與第二相材料。
我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常吸引人并有商業(yè)價(jià)值的效果。采用微波加熱多相材料(或其它材料)的時(shí)間必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于以前認(rèn)定的所需時(shí)間。我們首先將材料在1秒或更短的時(shí)間內(nèi)暴露在高強(qiáng)微波下，但是在大多數(shù)可能的情況下暴露時(shí)間可以是0.5秒或者更短的時(shí)間、0.25秒或者更短的時(shí)間、0.1秒或者更短的時(shí)間、0.01秒或者更短的時(shí)間、0.001秒或者更短的時(shí)間。基于對第一相材料和第二相材料的選擇，將材料在微波處理區(qū)內(nèi)暴露1ms(或更短的時(shí)間)是令人滿意的。在微波處理區(qū)域中微波輻射時(shí)間為1秒的0.1或0.2的等級(jí)范圍內(nèi)，對于很高功率密度的動(dòng)力消耗可以取得最佳的弱化效果。我們認(rèn)為，特有的功率密度應(yīng)該是大約1012瓦/立方米或者更高，優(yōu)選的是1015或者1016瓦/立方米或者更高。
令人滿意的是，材料在處理區(qū)域內(nèi)停留或穿過的時(shí)間可以長于、或遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于材料實(shí)際遭受電磁輻射的時(shí)間。
同樣令人滿意的是，在連續(xù)處理過程中材料可以連續(xù)物流的方式通過微波腔。微波腔具有高能電場，可以產(chǎn)生高功率密度(例如1015、1016Wm-3或者更高)，材料可以穿過高磁場強(qiáng)度的電磁波，僅僅在高強(qiáng)度區(qū)域內(nèi)短暫停留。此方法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一個(gè)是增加了材料通過處理設(shè)備的處理量，另一個(gè)是利用了不需要長時(shí)間輻射就可以達(dá)到所需效果的觀點(diǎn)。這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)具有復(fù)合效果。
在一些實(shí)施例中，本發(fā)明包括在微波腔內(nèi)產(chǎn)生持續(xù)微波，并確保復(fù)合材料在微波腔的某個(gè)位置受到輻射，獲得駐波的最大強(qiáng)度。
本發(fā)明方法可以使用導(dǎo)向裝置，將復(fù)合材料導(dǎo)向駐波最強(qiáng)的方位。
根據(jù)本發(fā)明的另一部分，我們提供一種弱化多相復(fù)合材料第一相材料與第二相材料之間附著力的方法，其中包括用高功率密度的微波、或高電磁場強(qiáng)度的微波輻射復(fù)合材料，輻射時(shí)間可以是0.5秒量級(jí)、0.25秒量級(jí)或者更短的時(shí)間。
在上述定義中0.5秒量級(jí)、0.25秒量級(jí)，我們認(rèn)定在一些實(shí)施方式中排除了1秒，而在其它實(shí)施方式中依舊包括1秒。
根據(jù)本發(fā)明的另一部分，我們提供一種微波處理材料的裝置，其中包括微波處理區(qū)域；安裝在處理區(qū)域的微波發(fā)射器；
適合將材料輸送微波過處理區(qū)域的材料傳輸裝置；此裝置應(yīng)當(dāng)滿足下列條件發(fā)射器適合發(fā)射功率密度至少為109Wm-3的微波；所述的材料傳輸裝置應(yīng)該以足夠快的速度將材料送過微波處理區(qū)域，從而使材料在1/2秒或更短的停留時(shí)間內(nèi)經(jīng)受微波輻射。
根據(jù)本發(fā)明的另一部分，我們提供一種微波處理材料的方法，其中包括在1/2或1/4秒或更短的輻射時(shí)間內(nèi)將高功率密度的微波、或高電磁場強(qiáng)度的微波施用于材料。
根據(jù)本發(fā)明的另一部分，我們提供一種處理材料的裝置，其中包括適合在1/2或1/4秒或更短的輻射時(shí)間內(nèi)將高功率密度微波施用于材料的微波腔。
優(yōu)選的是，材料以能夠達(dá)到所需暴露時(shí)間的速度通過微波腔，從而實(shí)現(xiàn)暴露時(shí)間。
根據(jù)本發(fā)明的另一部分，我們提供一種弱化多相復(fù)合材料第一相材料與第二相材料之間附著力的裝置，其中包括適合于將高功率密度微波在0.5秒或0.25秒或更短的時(shí)間內(nèi)施用于復(fù)合材料的微波腔。
我們可以將礦石暴露在微波或其它射線下，持續(xù)1秒鐘或更長時(shí)間，畢竟我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了對此種照射的保護(hù)措施。
根據(jù)本發(fā)明的另一部分，我們提供一種連續(xù)處理礦石或脈石的方法，其中包括先將高功率密度的微波連續(xù)施用于穿過微波腔或微波區(qū)域的礦石或脈石，從而使其弱化，然后將連續(xù)輸送的礦石或脈石送入機(jī)械處理設(shè)備中機(jī)械粉碎。
微波可以采用脈沖形式，并且脈沖對材料的連續(xù)施用并不意味著排除了微波的反復(fù)脈沖。
如果先采用微波預(yù)處理弱化礦石或脈石，然后再使用機(jī)械粉碎步驟將其粉碎，那么就可以減少總能量消耗，而且是顯著減少總能量的消耗。
此外，連續(xù)處理具有很高的處理能力，與批次處理方式相比可以處理更多的材料。由此，可以使本發(fā)明在實(shí)用方面更具有吸引力。
特別重要的是，一旦具有足夠高的電場強(qiáng)度，我們就可以讓材料采用連續(xù)的方式以一定速度穿過微波場(不管是否可以弱化不同相間的附著力，還是其它目的)，該速度應(yīng)當(dāng)足夠的快，從而使材料在短暫時(shí)間內(nèi)暴露于高強(qiáng)微波(例如0.5秒、0.25秒或者更短的時(shí)間，也許等級(jí)在1ms)；并且一方面的事實(shí)是，對材料短暫時(shí)間的輻射可以降低單位材料的成本，另一方面的事實(shí)是，連續(xù)處理方式可以提高處理量，而材料不得不快速通過微波腔或微波區(qū)域的事實(shí)也提高了處理量，因此，上述所有事實(shí)都說明，本發(fā)明降低了單位材料的處理成本。
微波的電場強(qiáng)度與造成弱化或加熱差異所需的輻射時(shí)間相關(guān)聯(lián)；電場強(qiáng)度越高，所需輻射的時(shí)間就越短。
根據(jù)本發(fā)明的另一部分，我們提供了一種連續(xù)加工礦石或脈石的裝置，其中包括一種裝置，可以將高功率密度的微波連續(xù)施用于礦石或脈石；以及另一種加料裝置，適合將連續(xù)輸送的礦石或脈石送入機(jī)械處理設(shè)備中機(jī)械粉碎。
我們也認(rèn)為，需要在更高溫度梯度下從包裹的無用材料中分離礦石或礦物。
根據(jù)本發(fā)明的另一部分，我們提供了一種弱化材料的第一相材料與第二相材料分界面的方法，其中包括在第一與第二相界面產(chǎn)生至少100℃的溫度梯度，或者使用持續(xù)的微波差別加熱第一和第二相材料。
根據(jù)本發(fā)明的另一部分，我們提供一種弱化第一與第二相材料界面、或者從第二相材料分離第一相材料的方法，該方法在第一與第二相界面產(chǎn)生至少100℃的溫度梯度，或者使用持續(xù)的微波差別加熱第一和第二相材料。
根據(jù)本發(fā)明的另一部分，我們提供一種弱化第一與第二相材料界面、或者從第二相材料分離第一相材料的裝置，該裝置能夠在第一與第二相界面產(chǎn)生至少100℃的溫度梯度，或者產(chǎn)生持續(xù)的微波差別加熱第一和第二相材料。
本發(fā)明可以提供產(chǎn)生持續(xù)微波的單模微波腔。
根據(jù)本發(fā)明的另一部分，我們可以提供一種迅速加熱材料的方法，其中包括產(chǎn)生持續(xù)的微波，并形成電場強(qiáng)度的峰值區(qū)域，并且可以在所述電場強(qiáng)度的峰值區(qū)域內(nèi)處理材料。
我們認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)的多模微波腔與常規(guī)家庭微波爐的腔體相似，具有很多優(yōu)點(diǎn)并且容易獲得，是廣泛應(yīng)用領(lǐng)域中的首選設(shè)備，但是它不能獲得峰值的電場強(qiáng)度。多模微波腔并不在腔內(nèi)產(chǎn)生單一的駐波—而在其腔體切向方向任意均勻地發(fā)布能量，從而在整個(gè)腔體內(nèi)達(dá)到能量均勻分布的效果。這已經(jīng)成為多模腔體設(shè)計(jì)者的動(dòng)力。然而，我們也認(rèn)為，當(dāng)加工材料時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)下列情況在合理成本下由于缺少充足能量的多模腔體設(shè)備，當(dāng)需要很高的電場強(qiáng)度時(shí)，最好的辦法就是使用能夠持續(xù)釋放單一駐波的微波腔。這種單一駐波具有與最大與最小功率密度重合的最大與最小的電場區(qū)域(功率密度與電場強(qiáng)度之間相關(guān)聯(lián)，電場強(qiáng)度隨著功率密度以大于1的冪次變化—通常是二次冪的關(guān)系)。我們認(rèn)為，為了施用常規(guī)微波生成器(或者是任何特定的微波生成器)產(chǎn)生的最大電場強(qiáng)度，需要將待處理材料的位置調(diào)整到駐波的峰值位置。通常，通過控制材料相對于腔體的位置，實(shí)現(xiàn)上述目的，此外，通過適當(dāng)扭轉(zhuǎn)駐波的角度，將其峰值的位置調(diào)整到適合腔體內(nèi)材料的位置，從理論上講也是可行的。優(yōu)選的是，使用單模微波腔體。單模微波腔體可以提供良好的駐波。
根據(jù)本發(fā)明的另一部分，我們提供一種弱化多相復(fù)合材料中第一相材料與第二相材料之間附著力的方法，其中包括，利用功率密度至少為109Wm-3的微波產(chǎn)生具有高電場強(qiáng)度區(qū)域的駐波，再將材料定位于高電場強(qiáng)度區(qū)域，從而引發(fā)第一和第二相之間的高熱梯度。
根據(jù)本發(fā)明的另一部分，我們提供了一種處理多相材料從中提取一種材料的微波預(yù)處理方法，該方法包括將多相材料連續(xù)通過作用區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)多相材料的輸送速度至少保持在500噸/小時(shí)，微波產(chǎn)生的功率密度至少是109、1010、1012、1013、或1014Wm-3，所述材料在微波區(qū)域內(nèi)停留一定的時(shí)間，在此停留時(shí)間內(nèi)材料經(jīng)受了多種微波能量脈沖的輻射，例如在總計(jì)幾ms、1ms或者更短的時(shí)間內(nèi)微波輻射材料，其中多相材料的平均溫度增加量小于大約40℃，其中在相間產(chǎn)生了足夠大的熱應(yīng)力，以致斷裂了不同相間的附著力，其中待提取的相材料化學(xué)性質(zhì)未發(fā)生顯著的變化。
使用微波的脈沖周期是幾μs、幾十μs、幾百μs或者更短的時(shí)間。
僅采用實(shí)例方式對本說明的具體實(shí)施方式
加以說明，并參照下列


圖1a圖解說明，在含有兩相材料的脈石中，第一相材料的晶體鑲嵌在第二相材料中；圖1b圖解說明根據(jù)本發(fā)明微波處理后圖1a的脈石；圖2A圖解說明根據(jù)本發(fā)明的礦物提取裝置與方法；圖3A圖解說明圖2裝置中微波預(yù)處理單元；圖3B說明沿著圖3A單元材料入口切線方向電場的變化；圖4A和圖4B說明了圖3A單元的變化；圖5圖解說明了方解石與黃鐵礦石樣品的模型；圖6說明了對應(yīng)溫度的介電損失；圖7說明對應(yīng)溫度的微波功率密度的變化；圖8說明了單軸向壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中模擬負(fù)荷的方向；圖9說明了2.45GHz、2.6kW微波腔體內(nèi)的溫度分布；圖10說明了不同加熱時(shí)間的效果；圖11說明微波加熱時(shí)間對自由壓縮強(qiáng)度的效果。
圖12說明在自由壓縮實(shí)驗(yàn)中切向裂紋的發(fā)展；圖13說明了在功率密度為1011Wm-3的微波腔體中的溫度分布；圖14說明了不同加熱時(shí)間下的應(yīng)力與應(yīng)變曲線；圖15說明了在功率密度為1011Wm-3的條件下對應(yīng)加熱時(shí)間的自由壓強(qiáng)；圖16說明了在功率密度為1011Wm-3的條件下在自由壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的過程中切向裂紋的發(fā)展；圖17說明了在功率密度為1011Wm-3的條件下對應(yīng)加熱時(shí)間的負(fù)荷指數(shù)點(diǎn)；
圖18說明了在不同功率密度的條件下對應(yīng)加熱時(shí)間的負(fù)荷指數(shù)點(diǎn)；圖19說明了對應(yīng)ECS的t10；圖20A-20C說明了圖3單元的進(jìn)一步變化；表1說明了作為溫度函數(shù)的比熱；表2說明了作為溫度函數(shù)的導(dǎo)熱率；表3說明了作為溫度函數(shù)的熱膨脹系數(shù)；表4說明了不同礦物的機(jī)械特性；表5說明了不同加熱時(shí)間對材料溫度與壓縮強(qiáng)度的效果；表6說明了在更高功率密度的條件下相似于表5的因子；表7說明了對應(yīng)多模腔體功率密度為3×109-9×109Wm-3的斷裂參數(shù)；表8說明了對應(yīng)具有更高功率密度的單模腔體的斷裂參數(shù)；表9是參考文獻(xiàn)列表。
圖1a說明，脈石材料10是由鑲嵌在第二相材料基質(zhì)14的第一相材料晶體12構(gòu)成。第一和第二相材料的實(shí)例可以有，作為第一相材料的金屬氧化物(例如磁鐵礦、鈦鐵礦或赤鐵礦)、金屬硫化物(例如銅、鐵、鎳、鋅或鉛)，或許作為第二相材料的硅酸鹽、長石或方解石?？梢哉J(rèn)定，這些實(shí)例只用于說明，未經(jīng)限定。還可以含有第三相材料或第四相材料，從而，脈石材料10中也可以出現(xiàn)材料16。因此，脈石材料10可以由具有晶界的多相材料構(gòu)成。
圖1b展示了根據(jù)本發(fā)明微波處理后的脈石材料10。第一相材料12晶體或區(qū)域?qū)τ诓牧?4具有弱化的附著力，因?yàn)橛捎诹鸭y、斷層和區(qū)域應(yīng)力與應(yīng)變的出現(xiàn)，晶界受到了弱化。請參看20。此外，第一相材料中出現(xiàn)了裂紋22，而第二相材料中出現(xiàn)了裂紋24。
現(xiàn)在無法深刻理解兩相材料晶界的確切性質(zhì)，但是可以認(rèn)定，兩個(gè)規(guī)則材料之間存在紊亂區(qū)域。如果這是事實(shí)，就可以明確地假定，晶界是一個(gè)弱化區(qū)域。然而，礦物的粉碎說明，晶界是一個(gè)受力的區(qū)域(在礦物的加工過程中穿晶斷裂很普遍)，因此可以負(fù)面影響一種材料從另一種材料的釋放。因此，理論認(rèn)為，晶界應(yīng)該是一個(gè)弱化區(qū)域，常規(guī)粉碎實(shí)踐說明，晶界特別堅(jiān)固。然而，假定如果微波能量可以產(chǎn)生晶界周圍的微裂紋，那么就可以降低粉碎所需的能量，并且促進(jìn)貴重礦物的釋放。
在晶界出現(xiàn)裂紋的原因是因?yàn)閮煞N相材料的區(qū)別升溫。經(jīng)認(rèn)定，兩種相材料從微波中吸收了不同的能量，并具有不同的溫度變化速率，從而產(chǎn)生了熱應(yīng)力。然而，過去在成本經(jīng)濟(jì)的條件下這種情況并未真正出現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明可以認(rèn)定，上述情況未曾發(fā)生的原因是不同相材料之間沒有形成充足的溫度梯度。我們認(rèn)定，為了獲得更高的溫度梯度，應(yīng)該使用更高的電場強(qiáng)度或者更高的功率密度。(例如)對于一些應(yīng)用功率密度的量級(jí)可以是1016Wm-3、1015Wm-3、1014Wm-3?；谇惑w的設(shè)計(jì)與材料的介電性質(zhì)，我們應(yīng)該生成105-107Vm-1的電場，或者是在0.05×106Vm-1范圍內(nèi)的電場。當(dāng)然，這些數(shù)字僅用于舉例說明，并非做出限定，從而沒有限定作用。
采用地理機(jī)械2-D限定差別模型軟件、FLAC V3.3(Itasca1995)，建立數(shù)字化模型。模型范圍限定在15毫米寬30毫米高的區(qū)域內(nèi)，此區(qū)域可以細(xì)分為邊長0.04毫米正方型單個(gè)區(qū)域。在模型區(qū)域內(nèi)黃鐵礦顆粒的位置隨機(jī)產(chǎn)生，形成一個(gè)相對分散的礦體，參見圖5。已經(jīng)證實(shí)，此種分散類型容易對微波加熱產(chǎn)生反應(yīng)?？梢哉J(rèn)定，用于建模的“礦物學(xué)”知識(shí)或材料結(jié)構(gòu)可以作為實(shí)際情況的簡化方案。然而，本發(fā)明目的是確定功率密度對附著力降低程度的影響，而與礦物學(xué)知識(shí)無關(guān)。因此，只要實(shí)驗(yàn)之間礦物學(xué)知識(shí)相同或材料結(jié)構(gòu)相同，所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行比較。然而，重要的是模擬礦石既含有對微波加熱敏感的材料，也含有對微波加熱不敏感的材料。
限定差別模型法包括下列5個(gè)主要階段，下文中將做更具體的說明1.微波加熱兩個(gè)不同的材料相2.在加熱過程中在兩種礦物之間進(jìn)行瞬間熱傳導(dǎo)3.測定熱應(yīng)力與熱應(yīng)變的峰值4.模型化由于材料斷裂與應(yīng)變軟化的熱損傷5.模擬單軸向壓縮實(shí)驗(yàn)，測定由于微波加熱造成的自由壓縮強(qiáng)度減少量。
第一階段微波加熱由于微波加熱儲(chǔ)存在材料中的熱能量值取決于內(nèi)部的電場強(qiáng)度、微波輻射的頻率、以及材料的介電性質(zhì)。
可以由公式I估算出礦物單位體積的功率吸收密度。
Pd＝2π.f.εo.εr”.Eo2(1)其中Pd是功率密度(watts/m3)f是微波輻射的頻率(Hertz)εo是自由空間的電容量(8.854×10-12F/m)εr”是礦物的介電損失因子Eo是微波輻射電場部分的量級(jí)(volts/m)
因?yàn)榉浇馐奈⒉ㄎ找蜃舆h(yuǎn)遠(yuǎn)小于黃鐵礦的微波吸收因子，因此在建模過程中假定，僅僅選擇性地加熱了黃鐵礦顆粒，而未微波加熱方解石基質(zhì)。Chen(1984)和Harrison(1997)的早期作品也證實(shí)了，這種假設(shè)是符合實(shí)際的。
經(jīng)發(fā)現(xiàn)，黃鐵礦的介電損失因子εr”取決于溫度(Salsman1995)。在測定黃鐵礦能量密度的過程中，發(fā)現(xiàn)了εr”與溫度之間的關(guān)系，如圖6所示。
在2.6kW、2.45GHz多模微波腔體內(nèi)加熱黃鐵礦，獲得了在不同溫度下一系列的模型初始功率密度。計(jì)算出的功率密度差別很大，在300K的3×109watts/m3到溫度大于600K(圖7)(Kingman1998)的9×109watts/m3范圍內(nèi)。樣品礦體的最初溫度設(shè)定在300k。
第二階段模型化在微波加熱過程中的瞬間熱傳導(dǎo)采用可以用算法表達(dá)的明確限定差異法，模型化在加熱過程中微波熱能量的瞬間傳導(dǎo)。
熱傳導(dǎo)建模的基本概念是，在一個(gè)區(qū)域與其緊鄰的四個(gè)區(qū)域之間發(fā)生熱流量。熱流量的方向(例如進(jìn)入或者穿出區(qū)域)和量級(jí)取決于區(qū)域之間的溫度梯度和區(qū)域的導(dǎo)熱率。極限條件是不考慮材料的熱量損失，例如認(rèn)定材料充分隔熱。
確定區(qū)域間熱流量的基本定律是傅立葉定律，可以用公式2表達(dá)q＝K.Tdiff(2)其中q是熱流量的向量，單位為joule/sec/mK是導(dǎo)熱率的張量，單位為w/m.℃Tdiff是溫差(℃)
因此，單位時(shí)間增量Δt內(nèi)存儲(chǔ)能量的變化可以由公式3獲得Δβ＝Δt.p (3)Δβ＝Δt.q，其中Δβ是存儲(chǔ)能量的變化量(Joule)。
對于邊長為1的平方區(qū)域i、j，采用明確限定差異的形式進(jìn)行表達(dá)Δβ＝Δt.K(i，j).l.[(T(i，j)-T(i，j-1))+(T(i，j)-T(i，j+1))+(T(i，j)-T(i+1，j))+(T(i，j)-T(i-l，j))](4)其中K(i，j)是區(qū)域(i，j)的導(dǎo)熱率Δt是以秒為單位的時(shí)間增量l是區(qū)域的邊長T(i，j)是區(qū)域(i，j)的溫度在特定的時(shí)間增量下，以焦耳為單位的熱能量與以K為單位的溫度之間的關(guān)系由公式5表達(dá)ΔT(i,j)=Δβ(i,j)(m(i,j).C(i,j))---(5)]]>其中ΔT(i，j)是區(qū)域(i，j)的溫度變化m(i，j)是區(qū)域(i，j)的質(zhì)量(單位為Kg)C(i，j)是區(qū)域(i，j)的比熱(單位joule/Kg.K)。
因此，由于熱傳導(dǎo)與微波加熱，在每次時(shí)間增量結(jié)束時(shí)按照公式6確定每個(gè)區(qū)域的新溫度ΔT(i，j)＝300K T(i，j)(n+1)＝T(i，j)(n)+ΔT(i，j)+Pd(i，j)/(C(i，j).Δt) (6)其中T(i，j)(n)是區(qū)域(i，j)在時(shí)間增量n時(shí)的溫度；Pd(i，j)是區(qū)域(i，j)的功率密度。
采用遞歸迭代公式4、5、6模擬指定加熱時(shí)間(ht)下的微波加熱和熱傳導(dǎo)，直到公式7的出現(xiàn)才令人滿意。
ht＝n.Δt (7)其中n是時(shí)間增量的個(gè)數(shù)Δt是以秒計(jì)的時(shí)間增量Ht是以秒計(jì)的加熱時(shí)間時(shí)間增量Δt限定在2.5×10-4秒以確保數(shù)值的穩(wěn)定性，此數(shù)值可以對應(yīng)于熱擴(kuò)散面穿過區(qū)域所需特定時(shí)間的度量單位。
方解石和黃鐵礦的導(dǎo)熱率和比熱性質(zhì)隨著溫度而變化(Harrison 1997)，并已作出了總結(jié)，參見表1和2。
熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力的配合第三階段熱應(yīng)變和熱應(yīng)力在加熱間隔結(jié)束時(shí)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了熱應(yīng)變，假定周圍區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行了絕對限制，因此均質(zhì)膨脹由公式8表達(dá)ε(i，j)＝-α(i，j)·(Tn(i，j)-T1(i，j))(8)其中ε(i，j)是區(qū)域(i，j)的應(yīng)變?chǔ)?i，j)是區(qū)域(i，j)的熱膨脹系數(shù)(1/K)Tn(i，j)是區(qū)域(i，j)的最終溫度T1(i，j)是區(qū)域(i，j)的初始溫度。
經(jīng)發(fā)現(xiàn)，黃鐵礦與方解石的熱膨脹系數(shù)由其溫度決定(Harrison 1997)。表3列出了方解石和黃鐵礦在不同溫度下計(jì)算獲得的熱膨脹系數(shù)，并在模型中應(yīng)用。
接著，使用對應(yīng)均質(zhì)彈性行為的Hoek定律(公式9)，確定區(qū)域內(nèi)經(jīng)計(jì)算的熱應(yīng)力
σ(i,j)=ϵ(i,j).E(i,j)(1-2v(i,j))---(9)]]>其中σ(i，j)是區(qū)域(i，j)內(nèi)均質(zhì)熱應(yīng)力，假定周圍區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行了絕對限制；E(i，j)是區(qū)域(i，j)的楊氏模數(shù)；v(i，j)是區(qū)域(i，j )的橫向變形系數(shù)。
熱應(yīng)力的再分布為了獲得整個(gè)材料區(qū)域的靜態(tài)機(jī)械平均狀態(tài)，需要重新分布熱應(yīng)力和熱應(yīng)變。為了達(dá)到平均分布，采用FLAC默認(rèn)計(jì)算模式將模型分級(jí)，進(jìn)行靜態(tài)機(jī)械分析。默認(rèn)模式進(jìn)行了明確的時(shí)間進(jìn)程限定差異計(jì)算，利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律獲得相關(guān)部分的應(yīng)變率、速度和力(Itasca 1995)。假定，材料作為線性均質(zhì)彈性介質(zhì)，其機(jī)械性能由楊氏模數(shù)、橫向變形系數(shù)和密度確定(表4)。
第四階段模型化與材料斷裂和應(yīng)變軟化有關(guān)的熱損失當(dāng)獲得靜態(tài)平衡時(shí)，通過采用塑性應(yīng)變軟化模擬作為彈塑性材料礦體的基本行為，模型化應(yīng)力大于材料強(qiáng)度的脆性斷裂。材料的強(qiáng)度近似于堅(jiān)固的脆性晶體石灰石，具有125MPa的自由壓縮強(qiáng)度，其切變強(qiáng)度與線性Mohr-Coulomb強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)(公式10)。
τ＝σn.tanφ+c(10)其中τ是切變強(qiáng)度σn是作用于切變面的正常應(yīng)力φ是材料的摩擦角度c是材料的內(nèi)聚強(qiáng)度假定，經(jīng)過斷裂材料表現(xiàn)為一種脆性線形應(yīng)變軟化介質(zhì)，經(jīng)過塑性變形，產(chǎn)生1％的應(yīng)變，獲得最終剩余的強(qiáng)度(表4)。
第五階段針對熱損傷樣品模擬自由壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)通過對熱損傷模型進(jìn)行單軸向壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)(圖8)，可以預(yù)測出加熱對自由壓縮強(qiáng)度和裂紋發(fā)展的效果。
采用模擬平面變形分析，認(rèn)定材料在穿出平面方向具有連續(xù)的平面變形。在區(qū)域左右邊界未做限定的條件下，將恒定速率施用到模型區(qū)域上下邊界的網(wǎng)格點(diǎn)，進(jìn)行模擬。此實(shí)驗(yàn)類似于控制位移的單軸向壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。為了測定實(shí)驗(yàn)過程中樣品內(nèi)部的負(fù)荷變形關(guān)系，歷史文獻(xiàn)已經(jīng)記錄了區(qū)域邊界頂部與底部的平均應(yīng)力狀態(tài)。模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到樣品產(chǎn)生大約0.2％軸向應(yīng)變，由此模型預(yù)測出斷裂強(qiáng)度，并且可以獲得樣品應(yīng)變軟化的一些詳細(xì)資料。
數(shù)字模型化的結(jié)論微波加熱時(shí)間為了確定微波加熱對方解石和黃鐵礦石強(qiáng)度的效果，對未經(jīng)加熱的樣品和微波加熱1秒、5秒、15秒和30秒的樣品進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)。在不同功率密度的多模微波腔體內(nèi)處理樣品，功率密度從300K下的3×109w/m3到溫度大于600K的9×109w/m3。
溫度分布對于4種加熱時(shí)間中每一種情況的模型化溫度分布參見圖9。從圖9可以看出，在黃鐵礦顆粒的聚集區(qū)產(chǎn)生了最高溫度與最大的溫度梯度。表5概括了模型樣品中對應(yīng)每一種溫度增量的溫度分布。由于在2.6kW微波腔體內(nèi)加熱黃鐵礦顆粒需要一定的時(shí)間長度，可以認(rèn)定黃鐵礦顆粒存儲(chǔ)的熱能量已經(jīng)傳入周圍的方解石基質(zhì)中。微波加熱30秒，將方解石基質(zhì)加熱到大于600K?？梢哉J(rèn)定，此熱量傳導(dǎo)降低了礦石樣品內(nèi)產(chǎn)生的溫度梯度，因此也降低了樣品內(nèi)部的熱應(yīng)力。
微波加熱對自由壓縮強(qiáng)度的效果在圖10中圖解說明了微波處理對礦石樣品自由壓縮強(qiáng)度的效果，并匯總在表5中。圖11展示了對應(yīng)微波加熱時(shí)間標(biāo)繪出的礦石材料的自由壓縮強(qiáng)度，表明1秒或5秒的加熱時(shí)間對礦石的自由加熱強(qiáng)度幾乎沒有影響。然而，在15秒和30秒的微波加熱條件下，可以認(rèn)定自由壓縮強(qiáng)度有了顯著的降低。上述觀點(diǎn)可以歸因于如下事實(shí)加熱速率不夠充足就會(huì)造成一定量級(jí)的局部溫度梯度，從而產(chǎn)生超過礦石材料強(qiáng)度的熱應(yīng)力。因此，由于不同的熱膨脹系數(shù)，產(chǎn)生超過樣品強(qiáng)度的盈利，礦體強(qiáng)度的模型化降低可以歸因于方解石和黃鐵礦材料的膨脹差異。
切變面的形狀另外的一個(gè)重點(diǎn)是，在自由壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)后模型化樣品內(nèi)部模擬切變面形狀的變化。對于經(jīng)過1、5、15和30秒微波加熱的樣品，切斷面形狀參見圖12。微波加熱樣品中出現(xiàn)的裂紋形狀與未經(jīng)微波加熱樣品中表現(xiàn)的裂紋形狀相似，即主要包括對應(yīng)負(fù)載方向傾斜大約25°的連續(xù)切斷面。
增加微波功率密度的效果功率密度與加熱時(shí)間為了評價(jià)增加微波功率密度對溫度分布的效果，對于黃鐵礦材料采用1×1011w/m3微波功率密度，測定礦石樣品內(nèi)部的自由壓縮強(qiáng)度和切斷面的發(fā)展。此功率密度值比采用2.6kW、2.45GHz微波腔體產(chǎn)生的功率密度大約高出10-15倍，但是在單模腔體內(nèi)微波加熱黃鐵礦石，依舊很容易達(dá)到此范圍的功率密度(Salsman1995)?？梢哉J(rèn)定，采用15kw、2.45GHz能量水平的單模腔體提供微波能量，可以實(shí)現(xiàn)上述的功率密度(在此能量水平下上述功率密度很容易實(shí)現(xiàn))?？梢哉J(rèn)為，微波能量未對方解石基質(zhì)材料進(jìn)行加熱?？梢哉J(rèn)定，功率密度越高加熱的時(shí)間就越短，可以采用0.05、0.25、0.5和1秒的加熱時(shí)間。
溫度分布對于4種加熱時(shí)間中的每一種情況，礦石樣品中模型化的溫度分布參見圖13。圖13說明了黃鐵礦顆粒中產(chǎn)生了明顯增高的溫度。與2.6kW微波腔體相比，縮短的加熱時(shí)間降低了熱傳導(dǎo)的程度，因此，減少了方解石基質(zhì)的加熱量。在礦石樣品中產(chǎn)生了量級(jí)明顯提高的溫度梯度。通過模型實(shí)驗(yàn)獲得的樣品內(nèi)部溫度匯總在表6中。
微波加熱對自由壓縮強(qiáng)度的影響微波加熱對礦石樣品自由壓縮強(qiáng)度的影響參見圖14。與在2.6kW腔體內(nèi)的強(qiáng)度減少量相比，從圖15可以發(fā)現(xiàn)，更高的功率密度產(chǎn)生更大的強(qiáng)度減少量，而且迅速完成大部分的強(qiáng)度減少量(在微波加熱的0.05秒范圍內(nèi))。模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總在表6中。
切變面的形狀在加熱時(shí)間為0.05、0.25、0.5和1秒的情況下，模擬進(jìn)行單軸向壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)后，礦石樣品內(nèi)部出現(xiàn)的變切面形狀參見圖16。圖16說明，與未經(jīng)加熱的樣品和2.6kW腔體加熱的樣品不同，產(chǎn)生的切變面呈現(xiàn)出不規(guī)則的特點(diǎn)，并在黃鐵礦與方解石之間的晶界聚集。這種情況歸因于沿著兩相界面出現(xiàn)的高熱應(yīng)力，因?yàn)樵谙鄬ξ唇?jīng)加熱的方解石基質(zhì)中黃鐵礦顆粒被瞬時(shí)局部加熱并迅速膨脹。
討論已經(jīng)證實(shí)了微波的功率密度對理論礦石的影響。數(shù)字模擬已經(jīng)清晰地說明，如果可以制備出吸收大部分施用能量的優(yōu)選介電材料，那么就可以實(shí)現(xiàn)壓縮強(qiáng)度的顯著降低。為了在本說明書中進(jìn)一步說明此問題，采用由Broch和Franklin(1972)、Bieniawski(1975)研究獲得的眾所周知關(guān)系式，從模型化的UCS數(shù)據(jù)中計(jì)算出點(diǎn)負(fù)荷指數(shù)。所用的公式如下Is(50)＝UCS/k(11)Is(50)是校正于50mm中心的點(diǎn)負(fù)荷強(qiáng)度K＝24UCS是單軸向的壓縮強(qiáng)度。
上述分析所得的結(jié)果參見圖17和圖18。圖17展示了在低功率密度條件下微波加熱時(shí)間對點(diǎn)負(fù)載指數(shù)的影響?？梢悦黠@地發(fā)現(xiàn)，隨著微波輻射時(shí)間的增長，點(diǎn)負(fù)載指數(shù)顯著降低。圖18中也表現(xiàn)出同樣情況，圖18展示了對于高功率密度輻射下的礦石與點(diǎn)負(fù)荷指數(shù)對應(yīng)的微波加熱時(shí)間。對于圖11和圖15中的單軸向壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，在高功率強(qiáng)度條件下點(diǎn)負(fù)荷指數(shù)特別明顯地降低，從未經(jīng)加熱狀態(tài)的5.25下降到只加熱了0.2秒時(shí)的1.25。
點(diǎn)負(fù)載指數(shù)對于礦物處理工程特別重要，因?yàn)楦鶕?jù)點(diǎn)負(fù)載指數(shù)可以迅速預(yù)測出Ecs(單位粉碎能量kWh/t)和t10(t10是通過初始平均粒徑1/10的百分比)之間的關(guān)系(Bearman et al 1997)。t10可以理解為細(xì)度指數(shù)，t10的值越大說明礦物處理得越出色。然而，實(shí)際上t10值可以用于再現(xiàn)破碎礦石的粒徑分布。t10值與單位粉碎能量有關(guān)，并按照下列公式表達(dá)(Napier-Munn et al 1996)t10＝A[1-e(-b.ecs)](12)
其中A和b是材料單位破碎參數(shù)。A是t10的理論限定因子，b是ECS圖形對應(yīng)t10的斜率。對特定材料的A和b的確定可以計(jì)算出對應(yīng)輸入特定能量的粒徑分布。
經(jīng)證實(shí)，點(diǎn)負(fù)載指數(shù)與模式1斷裂韌度密切相關(guān)(Bearman1999)。Bearman認(rèn)定Kic＝0.209Is(50)(13)其中Kic是模式1斷裂韌度(MN/m3/2)。
經(jīng)證實(shí)，模式1斷裂韌度具有與破碎參數(shù)A和b明顯的相互關(guān)系(Bearman et al 1997)。
可以表達(dá)為b＝2.2465×KIC-1.6986(14)A.b＝126.96×KIC-1.8463(15)表7展示了對于在2.6kW微波輻射下暴露10秒和30秒的理論礦石、破碎參數(shù)的計(jì)算。表8展示了對于采用更高功率參數(shù)輻射處理的理論礦石、破碎參數(shù)的計(jì)算。這些數(shù)據(jù)與公式11結(jié)合，用于計(jì)算ECS對t10的影響。為了計(jì)算使用0、0.25、1和2.5kWh/t的能量輸入。只有在未經(jīng)處理和采用極限處理時(shí)間(即30秒和0.02秒)的情況下，出現(xiàn)了清晰的數(shù)據(jù)。圖19展示了功率密度對ECS與t10圖形的影響。經(jīng)發(fā)現(xiàn)，隨著功率密度的增加，圖形斜率顯著增加，并且只有在極低的能量輸入條件下達(dá)到t10的理論極限值。簡單的講，在特定單位粉碎能量輸入的條件下，與高功率密度處理獲得的產(chǎn)物相比，低功率密度處理理論礦石得到了更為粗糙的產(chǎn)物。如果假定，加熱材料的質(zhì)量是1kg，每種情況下樣品輸入的能量是2.6kW，多模腔體內(nèi)處理樣品的加熱時(shí)間是30秒2.6×0.5/60×1000/1＝125kWh/t而在單模腔體內(nèi)以15kW處理，加熱樣品0.2秒
15×3.33×10-3×1000/1＝0.8325kWh/t由此可以明顯的說明功率密度對礦石粉碎的影響。
上述討論的目的是為了說明功率密度(或電場強(qiáng)度)對礦石粉碎的影響?？梢哉J(rèn)定，建模階段所用的材料結(jié)構(gòu)并非恰恰等同于“實(shí)際”礦石。然而，理論礦石在某種意義上具有與檢測過(Kingman et al 2000)的實(shí)際礦石相似的表現(xiàn)。而且，所得的斷裂參數(shù)A值與典型堅(jiān)硬脈礦石的估計(jì)值相似(Napier Munn 1996)。
經(jīng)證實(shí)，在極低輸入能量的情況下，功率密度的增長會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力的顯著增長。開發(fā)輔助粉碎工藝流程的微波，獲得了重大結(jié)果。得出的結(jié)論是，采用高功率密度的腔體，可以使微波處理礦物得到實(shí)際應(yīng)用，尤其是還結(jié)合了熱輔助粉碎的其它優(yōu)點(diǎn)。
討論中出現(xiàn)的參考文獻(xiàn)參見表9。
我們首次認(rèn)清的上述理論分析具有重要意義，接著進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將高電場強(qiáng)度的駐波瞬間照射脈石樣品，并且樣品中確實(shí)出現(xiàn)了沿著晶體邊界的斷裂?？梢杂^察到裂紋沿著晶界延伸，確實(shí)令人鼓舞。
我們認(rèn)為，以前處理礦物使用與常規(guī)微波爐結(jié)構(gòu)相似的標(biāo)準(zhǔn)多模微波腔體。盡管多模腔體結(jié)構(gòu)簡單，但是其具有效率差和電場強(qiáng)度相對較低的缺點(diǎn)。我們已經(jīng)得出了結(jié)論，高電場強(qiáng)度對高能量吸收至關(guān)重要，并且對在晶界產(chǎn)生裂紋或弱化附著力至關(guān)重要。我們的結(jié)論是，“逐漸”加熱多相材料是不恰當(dāng)?shù)?，因?yàn)闀r(shí)間會(huì)導(dǎo)致溫度梯度的下降。我們需要，在瞬間產(chǎn)生巨大的溫度梯度，從而在晶界產(chǎn)生巨大的應(yīng)力與應(yīng)變。使用高功率密度的微波輻射，可以更好的實(shí)現(xiàn)此目的。
實(shí)現(xiàn)此目的的一種方式不是采用標(biāo)準(zhǔn)的多模腔體，而是采用單模腔體。這些腔體特別包括一個(gè)金屬套，在此金屬套中引入正確的電磁場極化的微波信號(hào)，再經(jīng)過多重反射。反射波的重疊生成了在空間中清晰界定的駐波型。電磁場配置的準(zhǔn)確知識(shí)可以將待處理的脈石介電材料或其它材料放置在電場強(qiáng)度的峰值位置，獲得加熱范圍的最大值。雖然與多模腔體相比、單模腔體具有較差的通用性，但是我們認(rèn)為，不采用傳統(tǒng)優(yōu)選的多模腔體而使用單模腔體，可以獲得更高的電場強(qiáng)度。況且，在處理加工設(shè)備中調(diào)整單模腔體，從而使電場強(qiáng)度峰值區(qū)域出現(xiàn)在需要的位置，也是可行的。
然而，如果可以提供能夠產(chǎn)生充足功率密度的多模腔體，就沒有必要使用單模腔體并將材料定位在電場強(qiáng)度的峰值區(qū)域，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了高功率密度的多模腔體。因此，優(yōu)選使用能夠在其內(nèi)部產(chǎn)生功率密度足夠高的多模腔體。
其實(shí)，采用足夠高的電場強(qiáng)度，我們可以加熱過去認(rèn)為微波可以穿透的材料。
使用比多模腔體常規(guī)所獲得高得多的功率密度(例如1015Wm-3)，我們可以瞬間獲得數(shù)值上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于過去的沿著晶界的熱梯度。
我們發(fā)現(xiàn)，在輻射時(shí)間小于0.1秒的實(shí)驗(yàn)中材料強(qiáng)度降低了50％，甚至是60％。我們已經(jīng)證實(shí)了如下結(jié)論為了達(dá)到目的數(shù)十秒鐘的微波輻射沒有必要。
圖3A對單模微波腔體30進(jìn)行了圖解說明。在此實(shí)例中腔體30適用于材料的處理。以32示意說明的礦物通過進(jìn)料通道36進(jìn)入微波預(yù)處理區(qū)域34。在圖3顯示的實(shí)例中，設(shè)備垂直放置，礦物塊或礦物碎片32(通常最大尺寸達(dá)到大約15cm)在重力的作用下垂直穿過進(jìn)料通道36，再通過預(yù)處理區(qū)域34，最后穿過出料通道38。設(shè)備可以垂直放置，也可以傾斜放置(為了減緩礦物的進(jìn)料速率)，甚至可以水平放置。
微波發(fā)射器40放置在微波室42中，可以使通過微波室42的礦物流32恰好穿過預(yù)處理區(qū)域34。
在微波發(fā)射器40的對面位置放置一個(gè)反射器或微波短程調(diào)諧器44。另一個(gè)反射器46放置在微波發(fā)射器40的位置(此反射器46可以任選使用)。在微波室42周圍鋪滿微波反射表面48。
微波發(fā)射器40發(fā)射以49a示意表示的微波，通常頻率為2.45GHz或者915MHz(通?？捎玫奈⒉ù趴毓茴l率)?？梢赃B續(xù)發(fā)射微波，或者采用脈沖方式發(fā)射。微波由反射器44反射回來，以49b示意表示的反射波與發(fā)射器40首次發(fā)射的微波發(fā)生干涉現(xiàn)象，產(chǎn)生了一個(gè)駐波形。此駐波形至少有一個(gè)峰值區(qū)域52(功率密度的峰值區(qū)域)和一個(gè)最小值區(qū)域(功率密度的最小值區(qū)域)。
因?yàn)樾枰妶鰪?qiáng)度最大值，從而達(dá)到加熱多相材料的最快速率，以致獲得最快的加熱差異，所以我們確保，峰值區(qū)域52是礦物32通過預(yù)處理區(qū)域34的位置。此外，換一種說法，我們確保，材料32在電場強(qiáng)度最高或足夠高的位置穿過處理區(qū)34。我們既可以控制峰值出現(xiàn)的區(qū)域，也可以控制腔體內(nèi)處理材料的位置，或者對上述兩者都加以控制。在駐波中可以僅有一個(gè)峰值區(qū)域。
我們具有一個(gè)微波生成裝置，并通過波導(dǎo)管將微波能量傳送到腔體，再將腔體與微波生成裝置(磁控管)連接起來，并調(diào)整腔體使其內(nèi)部處理材料區(qū)域的電場強(qiáng)度最大化。
圖3B說明腔體內(nèi)所受的電場強(qiáng)度沿著腔體區(qū)域的變化，該腔體區(qū)域從進(jìn)料通道36開始?？梢钥吹?，在腔體中間或與通道36中間對齊的區(qū)域具有高于邊緣的電場強(qiáng)度。這是由形成駐波的相長干涉造成的。
圖4a展示了與圖3相似的實(shí)施方式，其中進(jìn)料通道36’將輸入的材料導(dǎo)向處理區(qū)域34’，該處理區(qū)域?qū)?yīng)于微波駐波的峰值區(qū)域52’。在圖4a的實(shí)例中，將材料流引導(dǎo)通過電場強(qiáng)度峰值區(qū)域的原因是出口緊鄰峰值區(qū)域52’的煙道型通路。現(xiàn)有微波設(shè)備可以產(chǎn)生帶有單一峰值的唯一駐波。在未來這種情況會(huì)持續(xù)下去，或發(fā)生改變。
圖4a概念性地展示了，調(diào)整腔體內(nèi)駐波或處理區(qū)域34’以控制峰值位置的能力。對于微波源40’反射板44’可以進(jìn)行移動(dòng)，示意性地加以說明。虛線標(biāo)注的反射器44’的兩個(gè)位置和箭頭56圖解說明了反射器移動(dòng)，從而展示了可移動(dòng)特性。
當(dāng)前圖4b還相當(dāng)富有想象力(因?yàn)槿绾萎a(chǎn)生如圖所示的駐波不得而知)，該圖示意說明了一個(gè)替換裝置，該裝置是具有若干引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的進(jìn)料通路36”，該引導(dǎo)結(jié)構(gòu)將穿過處理區(qū)域的可流動(dòng)材料分成了多股，參看60，其中每一股材料流都會(huì)遇到微波腔體內(nèi)形成駐波的多個(gè)峰值區(qū)域52”。可以認(rèn)定，采用出口對應(yīng)駐波峰值區(qū)域的通路，實(shí)現(xiàn)此設(shè)想是可行的。只要具有多個(gè)峰值區(qū)域，就可以實(shí)施如上所述的方案。在將來上述方案是可以實(shí)施的。
微波發(fā)射器的功率是1-100kW，在本實(shí)例中使用的是15kW。微波發(fā)射器的功率密度是109-1015或1016w/m3。采用高于109w/m3的功率密度是可行的，但是更高的功率密度會(huì)潛在造成材料之間空氣中電場的斷裂，這種情況有可能是有害的(或者是無害的)。
優(yōu)選采用通過處理室不太大的“塊狀”尺寸(例如最大尺寸小于20cm或15cm)。
圖20A示意說明了對于圖3A、4A和4B的替換方案，一種運(yùn)送礦物200穿過微波處理區(qū)域的方法。將礦物200放置在傳送帶206上，該傳送帶連續(xù)輸送礦物200，通過喇叭口204下方并穿過虛線212示意的微波區(qū)域。設(shè)置傳送帶的速度，使每一塊礦物具有1ms的輻射時(shí)間(喇叭口204下方微波區(qū)域內(nèi)的停留時(shí)間)，此方案具有1000噸/小時(shí)的處理量。在頻率為433MHz、915MHz或2.45GHz的條件下，微波發(fā)射器每1ms產(chǎn)生4次1μs脈沖輻射，意思是每塊礦物要經(jīng)受4次1μs脈沖輻射。在虛線212之間產(chǎn)生了達(dá)到30kVcm-1的電場強(qiáng)度，此強(qiáng)度下在空氣中電場發(fā)生斷裂。我們需要，在一些實(shí)施方式中使用在空氣中電場不發(fā)生斷裂的電場強(qiáng)度。
在其它實(shí)例中，在橫穿微波區(qū)域的時(shí)間內(nèi)，礦石經(jīng)歷了10次、或50次、或100次、或更多次的脈沖輻射。
圖20B示意說明了輸送材料200穿過虛線212示意的微波輻射區(qū)域的替換方法。采用空氣泵推動(dòng)礦物200，使其以達(dá)到12ms-1的速度穿過微波輻射202的區(qū)域。礦物的流動(dòng)速度可以受到控制。與使用傳送帶所能獲得的輻射時(shí)間相比，本方法產(chǎn)生了對于微波輻射202更短的暴露時(shí)間，并且可以獲得更高的處理量。本實(shí)例中使用5次頻率為915或896MHz的0.5μs微波脈沖輻射，生成了所需的1015Wm-3功率密度。本方法將礦物整體溫度升高了大約15℃，但是在晶界兩側(cè)產(chǎn)生了十幾度、或者幾十度、或者100-150℃的溫度梯度，從而在后續(xù)處理中，可以花費(fèi)比以前更少的能量提取礦物質(zhì)。
圖20c示意說明傳輸?shù)V物(在本實(shí)例中是煤201)通過虛線212示意微波輻射區(qū)域的另一種替換方法。將煤201連續(xù)放置在斜面210的頂部，并使其依靠重力運(yùn)動(dòng)通過微波輻射區(qū)域。通過改變斜面210的斜率與長度，可以改變成不同的輻射時(shí)間。本實(shí)例中使用單一的433MHz頻率、1ms脈沖微波輻射干燥煤。本實(shí)例中，煤得到了干燥，微波處理后的操作包括將煤燃燒。
圖2A展示了粉碎設(shè)備100，其中包括礦石篩分裝置102，用于確保預(yù)處理材料的最大尺寸或尺寸范圍；微波預(yù)處理或弱化單元104，其中包括如圖3、圖4A、圖4B、圖20A、圖20B、或圖20C所示的一個(gè)單元；棒磨機(jī)106；第一球磨機(jī)108；第一旋流除砂器110；第二球磨機(jī)112；第二旋流除砂器114。
可以認(rèn)定，裝置106和114屬于現(xiàn)有技術(shù)，與現(xiàn)有技術(shù)的關(guān)鍵差別是微波處理單元104。然而，應(yīng)當(dāng)注意的是，微波處理單元104是一個(gè)弱化單元，并且依舊在弱化礦石后進(jìn)行機(jī)械粉碎。應(yīng)當(dāng)注意的是，在單元104以前對礦石進(jìn)行機(jī)械限定或篩選，也許需要也許并不需要。
在一些實(shí)例中，為了弱化晶界或在晶界上產(chǎn)生裂紋，需要在第一相材料與第二相材料的晶界兩側(cè)達(dá)到100-1500℃的溫度梯度。在其它實(shí)例中，只要在瞬間產(chǎn)生溫度梯度，就可以在溫度梯度較低的條件下實(shí)現(xiàn)晶界的弱化與裂紋，例如15-20℃。溫度梯度形成的速度可以使我們使用比以前可能出現(xiàn)情況低很多的溫度梯度。如果使用瞬間(例如，微秒量級(jí))微波脈沖，幾十?dāng)z氏度的溫度梯度就足夠了。
我們認(rèn)為，材料強(qiáng)度變化是功率密度的函數(shù)，溫度梯度也是功率密度的函數(shù)，剪切應(yīng)變是溫度曲線圖的函數(shù)，剪切應(yīng)力是剪切應(yīng)變的函數(shù)，當(dāng)材料中的剪切應(yīng)變超過材料的切變強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)斷裂。因此，材料的斷裂與弱化與功率密度密切相關(guān)(很明顯的認(rèn)定，材料含有不同介電特性多相材料的混合物)。其中的一種材料必須對微波敏感。
在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明的一大優(yōu)點(diǎn)是連續(xù)處理，而不是批次處理。采用連續(xù)材料流穿過處理區(qū)域，可以使本方法在工業(yè)應(yīng)用中更具有可控性。在本發(fā)明一些實(shí)施方式中(不管是弱化兩相材料之間的附著力還是其它處理目的)，待處理材料穿過腔體，經(jīng)受了高功率強(qiáng)度的瞬間脈沖微波輻射。上述處理方法與批次處理形成了鮮明的對比，在批次處理中，在微波關(guān)閉的情況下將材料裝入腔體內(nèi)，然后開啟微波，再關(guān)閉微波，最后將材料送出腔體。
因此，可以先建立微波處理區(qū)域，再將材料穿過此區(qū)域。通常，如果微波電場強(qiáng)度沿著處理區(qū)域而變化，可以安排材料流從腔體的不同區(qū)域穿過，從而經(jīng)受不同電場強(qiáng)度的微波輻射。為了獲得任何特殊微波生成器(例如磁控管)的最佳效果，一部分材料流會(huì)穿過電場的峰值區(qū)域。在沿著腔體電場強(qiáng)度沒有實(shí)質(zhì)性變化或者腔體內(nèi)所有區(qū)域都具有足夠高電場強(qiáng)度的系統(tǒng)中，此問題處于爭論之中。
本方法可以采用半連續(xù)方式進(jìn)行(例如，一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)材料流穿過處理區(qū)域，一段時(shí)間內(nèi)沒有材料穿過)。
我們認(rèn)為，本發(fā)明的另一個(gè)重要因素是，如果采用可以實(shí)現(xiàn)足夠高溫度梯度的高電場強(qiáng)度，材料不需要經(jīng)受長時(shí)間的微波輻射。通常，在現(xiàn)有技術(shù)中材料經(jīng)受微波輻射的時(shí)間達(dá)到數(shù)十秒或者更長時(shí)間，有時(shí)達(dá)到若干分鐘。我們認(rèn)為，在足夠高電場強(qiáng)度的微波下，材料暴露時(shí)間可以是1秒鐘或者更短，優(yōu)選的是小于0.5秒，更優(yōu)選的是小于0.2秒，或者更短的時(shí)間。圖15說明，當(dāng)實(shí)現(xiàn)弱化材料的最強(qiáng)效果時(shí)0.2秒時(shí)間是適當(dāng)?shù)?。相似的是，圖1 4展示了，尤其與0.05秒與0.25秒的差別相比，0.5秒和0.25秒加熱時(shí)間之間的應(yīng)力差別并不大。由此，再一次指出，大約0.25秒是施用高能微波得到單位成本最佳效果的恰當(dāng)時(shí)間。
然而，我們發(fā)現(xiàn)，使用瞬間脈沖的微波(例如，量級(jí)為1μs的脈沖)，甚至更短的輻射時(shí)間也同樣有效。例如，使用脈沖微波照射礦石，輻射時(shí)間合計(jì)1ms，材料明顯弱化。
與現(xiàn)有技術(shù)所用時(shí)間相比，通過縮短了微波加熱材料的時(shí)間(大大縮短了所用時(shí)間)，從而改善了使用微波預(yù)處理兩相材料的實(shí)用問題。
在材料以高速率(例如，使材料以0.25秒或更短的時(shí)間內(nèi)穿過高強(qiáng)峰值區(qū)域)穿過處理區(qū)域所提供設(shè)備的實(shí)例中，實(shí)現(xiàn)了微波的瞬間輻射。在其它實(shí)例中，通過處理區(qū)域的時(shí)間可以是1秒或更短的時(shí)間。上述方法具有兩大優(yōu)點(diǎn)，其一是在微波能量單位成本下可以實(shí)現(xiàn)最佳的加熱效果，其二是增加了通過加熱區(qū)域的材料處理量，即每秒種處理比以前更多的材料。這兩大優(yōu)點(diǎn)都非常重要?？梢允刮⒉A(yù)處理在實(shí)用方面更具有可行性。
本發(fā)明適用于從另一相材料中抽提一種相材料。例如將液體從固體相中提取出來(例如，從礦物中提取水份，例如從煤或滑石中提取)。
在一實(shí)例中，我們使用了15kW微波，輻射時(shí)間為0.1秒。由此，給出了“高能電場”或“高功率密度”的含義。
據(jù)估測，從礦石提取礦物質(zhì)的粉碎工藝，由于未使用微波處理而僅采用機(jī)械處理礦石，每噸礦石消耗了大約25kwh。據(jù)估測，利用本發(fā)明能量消耗降低了大約50％，甚至降低了80％或90％。
由于礦物加工設(shè)備成本的60-70％與設(shè)備能量消耗有關(guān)，因此，生產(chǎn)礦物質(zhì)的成本得到了明顯的降低。此外，由于粉碎設(shè)備弱化材料使其粉碎，所以本方法降低了設(shè)備的磨損；一旦加速處理，就可以實(shí)現(xiàn)通過機(jī)械粉碎處理的更高處理量。況且，材料是內(nèi)部顆粒破碎，提取所需礦物質(zhì)就更加容易。經(jīng)確定，與未經(jīng)微波處理的情況相比，使用微波預(yù)處理的礦物質(zhì)提取率要高出3或4％。
提取率增長幾個(gè)百分點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果尚屬首次發(fā)現(xiàn)。我們認(rèn)定，實(shí)現(xiàn)此效果是因?yàn)楦唠妶鰪?qiáng)度微波的應(yīng)用。
我們可以將材料在腔體高電場強(qiáng)度區(qū)域中的共振時(shí)間設(shè)定在0.1-0.01秒，甚至是0.001秒左右。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方法可以完成很高的處理量。
盡管圖3、4a和4b涉及重力加料系統(tǒng)，但是肯定地認(rèn)為，還可以使用其它進(jìn)料機(jī)制，例如壓力進(jìn)料、傳送帶進(jìn)料、流化顆粒進(jìn)料、離心進(jìn)料、或進(jìn)料斗進(jìn)料等。
礦石的含水量會(huì)影響功率密度的選擇。
可以包括一個(gè)控制處理器，從而控制微波腔體的調(diào)節(jié)，(在一些實(shí)施方式中)還可以控制峰值位置或者腔體中材料的位置，任選控制材料流通過腔體的相對位置與峰值位置。還可以包括一個(gè)向控制處理器提供反饋信號(hào)的傳感器，和/或者一個(gè)電場探針，用于輔助監(jiān)測處理過程，再向控制處理器反饋信號(hào)?？梢哉J(rèn)為，一些實(shí)施方式中所用的軟件保證了，材料物理位置與微波峰值密度物理位置的重合。
還可以包括流量控制裝置，任選采用處理器控制，可以改變通過微波腔體的材料流量。而且還需要保證，材料經(jīng)受了恰當(dāng)?shù)奈⒉ㄝ椛洹?br> 材料粒度可以影響所需的體積流量和功率密度?？梢苑胖靡粋€(gè)粒度傳感器或粒度進(jìn)入機(jī)制(例如鍵盤)，將與微波化處理材料粒度有關(guān)的信息提供給控制處理器?？刂铺幚砥鲗ι鲜鲂畔⑦M(jìn)行處理，從而改變材料的進(jìn)料線路或流量和/或所用的功率密度。
可以在腔體內(nèi)保持可控氣體環(huán)境，例如氮?dú)猸h(huán)境或者其它惰性氣體環(huán)境。
本發(fā)明的其它用途包括從整體上分離兩種材料，例如給堅(jiān)果剝皮(或者使分離兩種材料更加容易)。
此外，利用高電場強(qiáng)度瞬間加熱的概念可以施用于不曾涉及分離材料的物品。例如，干燥材料，或者處理材料使其改變材料性質(zhì)，食品加工。
本發(fā)明的概念包括，在微波腔體內(nèi)產(chǎn)生駐波，并且在微波腔體內(nèi)產(chǎn)生電場強(qiáng)度的峰值區(qū)域，再保證待處理材料在電場強(qiáng)度峰值位置受到輻射處理；此概念可以應(yīng)用于各種各樣的物理過程。例如，瞬間加熱可以使材料松軟，并且瞬間加熱可以應(yīng)用于化學(xué)過程。
高電場強(qiáng)度的瞬間輻射是本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別。
可以認(rèn)定，各附圖中所示概念性的、示意性的、說明性的駐波振幅與波形沒有約束力，不具有限定性。三維腔體可以具有通常只有一個(gè)峰值區(qū)域的更復(fù)雜的駐波，該峰值區(qū)域內(nèi)相長干涉產(chǎn)生了最大的電場強(qiáng)度，并且待處理材料在此處受到輻射處理。
在一些情況下，腔體內(nèi)材料的存在可能會(huì)影響峰值區(qū)域的確定，因此，需要調(diào)節(jié)腔體，以適用于在腔體內(nèi)的特定區(qū)域處理特定體積、形狀或流量的特定材料。因?yàn)殡妶鰪?qiáng)度隨著功率密度的平方而變化，因此，隨著遠(yuǎn)離功率密度的峰值位置，電場強(qiáng)度迅速降低-由此需要認(rèn)真調(diào)整待處理材料與駐波的位置。
權(quán)利要求中所用“微波”指的是具有工業(yè)允許微波頻率(當(dāng)前是2.45GHz，915/896MHz和433MHz)的第一級(jí)微波，或者是常規(guī)微波(如果使用法拉第筒阻止電磁污染，可以使用任何頻率的微波)，也可以是RF加熱頻率的微波，通常其頻率是27.12MHz。還可以包括差異加熱兩相材料的電磁輻射，例如紅外線或紫外線。權(quán)利要求中所用的“微波”可以理解為“電磁輻射”(適合加熱所述材料)。
可以認(rèn)定，當(dāng)材料出現(xiàn)在微波處理區(qū)域時(shí)，不需要經(jīng)受持續(xù)的電磁輻射。材料經(jīng)受的微波輻射時(shí)間可以是5μs、幾μs、十幾μs、幾十μs、或者幾百μs、幾千μs，輻射時(shí)間可以是一次脈沖或多次瞬間脈沖輻射，輻射時(shí)間明顯短于微波處理區(qū)域的停留時(shí)間，停留時(shí)間的量級(jí)可以是幾秒或者幾十秒。
可以認(rèn)定，為了實(shí)現(xiàn)所需的多相材料處理量，通常是1000噸/小時(shí)，可以連續(xù)或并排使用多個(gè)腔體。然而，最優(yōu)選實(shí)施方式是使用一個(gè)可以每小時(shí)處理1000噸多相材料的腔體。
還可以認(rèn)定，在多相材料中的相界兩側(cè)產(chǎn)生的溫度梯度可以是10℃、幾十?dāng)z氏度、或者幾百攝氏度，但是為了產(chǎn)生足以斷裂不同相之間附著力的熱應(yīng)力，需要瞬間生成溫度梯度。
大型鉆石礦每年要處理5百萬噸多相材料，而大約只有百萬分之一的多相材料是鉆石。然而，銅礦每年要處理25萬噸礦物，其中含銅量明顯比鉆石含量豐富得多。
所用的微波腔體可以是25cm寬、40cm長。當(dāng)使用傳送帶輸送礦物通過微波腔體時(shí)，常規(guī)帶速可以是4m/s(或者5m/s)。這樣可以使腔體內(nèi)停留時(shí)間達(dá)到0.1秒，然而，總微波處理時(shí)間可以是一毫秒內(nèi)的多次微秒脈沖，或者是一微秒微波脈沖，該微波脈沖可以產(chǎn)生適合的足夠高的功率密度。
我們使用10-100MW微波能量，但是在瞬間產(chǎn)生(例如，1微秒左右，或1毫秒左右)。
整體材料的總升溫量不超過大約50℃。
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Walkiwicz JW，Kazonich G，McGill SL.1988.Microwave HeatingCharacteristics of Selected Minerals and Compounds.，Minerals andMetallurgical Processing 5，1，39-42.
權(quán)利要求
1.一種處理多相材料以前的微波預(yù)處理方法，所述材料含有第一相材料與第二相材料，該方法包括在連續(xù)過程中以至少109Wm-3功率密度電磁加熱材料，優(yōu)選的是使用微波，在此連續(xù)過程中材料進(jìn)入并穿過電磁處理區(qū)域，優(yōu)選的是微波處理區(qū)域，在處理區(qū)域內(nèi)材料停留了1/2秒或更短的時(shí)間，并經(jīng)受了微波輻射，最后材料穿出處理區(qū)域，以待后續(xù)處理。
2.權(quán)利要求1的方法，在處理區(qū)域內(nèi)所述材料經(jīng)受了電磁能量的輻射，優(yōu)選的是微波輻射，其輻射時(shí)間可以是(i)0.1秒或更短的時(shí)間；(ii)0.01秒或更短的時(shí)間；或(iii)0.001秒或更短的時(shí)間。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其中微波脈沖連續(xù)發(fā)射，脈沖作用時(shí)間可以是(i)1μs或更短的時(shí)間；(ii)10μs或更短的時(shí)間；(iii)100μs或更短的時(shí)間；(iv)1ms或更短的時(shí)間；(iv)10ms或更短的時(shí)間；100ms或更短的時(shí)間。
4.權(quán)利要求3的方法，其中當(dāng)在處理區(qū)域內(nèi)材料經(jīng)受了連續(xù)脈沖能量的輻射，所述連續(xù)輻射可以包括(i)100次脈沖或更多；(ii)50次脈沖或更多；(iii)10次脈沖或更多；(iv)5次脈沖或更多；(v)2次脈沖或更多；(vi)1次脈沖。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其中處理區(qū)域內(nèi)電磁處理、優(yōu)選是微波產(chǎn)生的功率密度是(i)1015Wm-3或更高；(ii)1016Wm-3或更高。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其中材料的平均溫度增長量小于200℃，優(yōu)選小于150℃。
7.權(quán)利要求6的方法，其中材料平均溫度的增長量可以是(i)小于等于50℃；(ii)小于等于20℃；(iii)小于等于10℃。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其中所述材料以至少100噸/小時(shí)的速度通過處理區(qū)域。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所述材料以1000噸/小時(shí)或更高的速度通過處理區(qū)域。
10.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其中第一相材料是所需的礦物質(zhì)，第二相材料是包裹礦物質(zhì)的巖石基質(zhì)，其中電磁能量、優(yōu)選是微波能量通過產(chǎn)生局部熱膨脹差異明顯弱化礦物質(zhì)與包裹基質(zhì)之間的附著力。
11.權(quán)利要求10的方法，其中將能量在足夠短的時(shí)間內(nèi)施用于材料，避免了(i)礦物質(zhì)和/或(ii)礦物質(zhì)與基質(zhì)的顯著化學(xué)變化，這些化學(xué)變化有害地影響了對礦物質(zhì)與基質(zhì)后續(xù)處理的效果。
12.權(quán)利要求1-10中任一權(quán)利要求的方法，其中第一相材料是一種礦物，第二相材料是水，所述預(yù)處理包括脫水，利用電磁能量干燥所述礦物。
13.權(quán)利要求12的方法，其中電磁能量、優(yōu)選是微波也可以直接或間接粉碎或弱化礦物。
14.權(quán)利要求12或13的方法，其中所述第一相材料是(i)煤，或者是(ii)其它含水礦物。
15.一種從礦石中分離礦物質(zhì)的方法，其中包括按照權(quán)利要求1-11中任一權(quán)利要求所述的方法預(yù)處理礦物質(zhì)，再粉碎礦石，優(yōu)選采用磨碎、銑削、或壓碎的方式。
16.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其中處理區(qū)域內(nèi)由電磁能量、優(yōu)選是微波產(chǎn)生的功率密度可以是1010Wm-3或更高；1011Wm-3或更高；1012Wm-3或更高；1013Wm-3或更高；1014Wm-3或更高；1015Wm-3或更高。
17.一種重復(fù)利用由不同材料構(gòu)成物品的方法，其中包括按照權(quán)利要求1-9中任一權(quán)利要求所述的方法預(yù)處理上述物品，再以機(jī)械重壓粉碎物品，從而提取出物品的所需部分。
18.一種微波處理或以其它電磁處理材料的裝置，其中包括微波或其它電磁能量處理區(qū)域；安裝在處理區(qū)域的微波或其它電磁能量發(fā)射器；適合將材料輸送過處理區(qū)域的材料傳輸裝置；此裝置應(yīng)當(dāng)滿足如下條件發(fā)射器適合發(fā)射功率密度至少為109Wm-3、優(yōu)選為1015Wm-3或者更高的電磁能量，優(yōu)選的是微波；所述的材料傳輸裝置應(yīng)該以足夠快的速度將材料送過處理區(qū)域，從而使材料在1/2秒或更短的停留時(shí)間內(nèi)經(jīng)受充足的電磁能量輻射，優(yōu)選的是微波輻射。
19.權(quán)利要求18的裝置，其中該裝置可以使上述材料在(i)0.1秒或更短的時(shí)間內(nèi)、(ii)0.01秒或更短的時(shí)間內(nèi)、或(iii)0.001秒或更短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)受微波或其它電磁能量的輻射。
20.權(quán)利要求18或19的裝置，其中該裝置適合以1000噸/小時(shí)的速度將材料運(yùn)送過處理區(qū)域。
21.權(quán)利要求18-20中任一權(quán)利要求的裝置，其中所述的發(fā)射器可以在處理區(qū)域內(nèi)等級(jí)為1微秒、或10微秒、或100微秒、或更短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生能量脈沖、優(yōu)選的是微波脈沖，材料優(yōu)選接受了大部分的脈沖輻射，優(yōu)選的是多次脈沖輻射。
22.一種連續(xù)處理礦石或脈石的方法，其中包括先將高功率密度的微波或高電磁場強(qiáng)度的微波連續(xù)施用于穿過微波腔或微波區(qū)域的礦石或脈石，從而使其弱化，然后將連續(xù)輸送的礦石或脈石送入機(jī)械處理設(shè)備中機(jī)械粉碎。
23.權(quán)利要求22的方法，其中礦石或脈石在高場強(qiáng)微波下暴露時(shí)間可以是0.5秒或更短的時(shí)間、0.25秒或更短的時(shí)間、0.1秒或更短的時(shí)間、0.01秒或更短的時(shí)間。
24.一種連續(xù)加工礦石或脈石的裝置，其中包括一種裝置，可以將高功率密度的微波或高電磁場強(qiáng)度的微波連續(xù)施用于穿過微波腔或微波區(qū)域的礦石或脈石，從而使其弱化；以及另一種裝置，接著將連續(xù)輸送的礦石或脈石送入機(jī)械處理設(shè)備中機(jī)械粉碎。
25.一種處理多相材料從中提取礦物質(zhì)前的微波、或其它電磁能量預(yù)處理方法，該方法包括將多相材料連續(xù)通過作用區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)施加了電磁能量、優(yōu)選的是微波，多相材料的輸送速度至少保持在500噸/小時(shí)，電磁能量的功率密度至少是1015Wm-3，所述材料在1ms或更短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)受電磁能量、優(yōu)選的是微波輻射，在上述作用時(shí)間內(nèi)材料經(jīng)受了一種或多種能量脈沖的輻射，優(yōu)選的是脈沖輻射具有1毫秒或更短時(shí)間的脈沖周期，其中多相材料的平均溫度的增加量小于40℃，其中在相界間產(chǎn)生了足夠大的熱應(yīng)力以致相間破裂，其中多相材料的相溫度相對保持較低水平，避免了不同相材料化學(xué)性質(zhì)的顯著變化。
26.一種從多相材料礦石中增加礦物質(zhì)產(chǎn)量的方法，其中包括通過將礦石在小于0.1或0.01秒的時(shí)間內(nèi)暴露在高場強(qiáng)度的微波下，從而弱化了相界間的附著力，電磁能量、優(yōu)選的是微波具有足夠高的磁場強(qiáng)度，在極短的作用時(shí)間內(nèi)在材料不同的相界間產(chǎn)生熱膨脹差異，不但弱化了相間的附著力，而且避免了礦石明顯的化學(xué)變化，或者至少是避免了待提取材料的顯著化學(xué)變化。
全文摘要
本發(fā)明提供一種后續(xù)處理材料(200)以前微波預(yù)處理多相材料(200)的方法。材料(200)含有第一相材料和第二相材料。該方法包括在連續(xù)過程中以至少10
文檔編號(hào)B02C19/18GK1692168SQ03812755
公開日2005年11月2日 申請日期2003年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月2日
發(fā)明者塞繆爾·金曼 申請人:諾丁漢大學(xué)