李 興,田時泓,牛一帆，陸斌剛，馬玉天，謝 賢，黃凌云，孫 鑫，巨少華

(1.昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院，云南 昆明 650093;2.昆明理工大學(xué) 微波能與裝備技術(shù)工程應(yīng)用國家地方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093;3.昆明理工大學(xué) 非常規(guī)冶金教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093;4.鎳鈷資源綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 金川 737100;5.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

0 引 言

因全球工業(yè)對鎳需求量不斷增加和可用鎳資源及鎳礦品位下降的矛盾日益凸顯，為滿足工業(yè)鏈條需求并進(jìn)一步保障國民經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展，硫化鎳礦在鎳資源供給中的地位越發(fā)重要.該類型鎳礦作為重要的陸生鎳礦資源之一，約占鎳資源工業(yè)儲量的20.0%.原生硫化鎳礦的鎳含量在0.3%～3%的范圍內(nèi)，在提取冶煉前需進(jìn)行磨礦、選礦兩級處理以提高礦物品級[1-3].

我國鎳礦資源中約90%為硫化鎳礦，且主要以硫化鎳銅礦形式存在.對于高含銅的硫化鎳礦而言，因鎳以游離硫化鎳形態(tài)賦存，同時被脈石及伴生礦物緊密包裹[1].該類型硫化鎳銅礦因組成復(fù)雜、品位低、包裹緊密、硬度高等原因，導(dǎo)致對該類型礦物進(jìn)行工業(yè)化處理時，存在磨礦能耗高、磨礦過細(xì)造成礦漿泥化降低浮選效率、資源利用不充分等問題[4-5].因此，為了實(shí)現(xiàn)對該類型鎳礦資源的高效利用，需尋求一種可有效解離硫化鎳銅礦、節(jié)省時間、降低能耗、提高浮選效率的預(yù)處理方法[6].

微波是頻率在0.3～300 GHz范圍內(nèi)的電磁波，在冶金工業(yè)中被廣泛利用于礦物預(yù)處理、焙燒、煅燒、還原、浸出強(qiáng)化等過程中，微波和礦物相互作用時呈現(xiàn)出選擇性加熱、體加熱等特點(diǎn)[7].采用微波對礦物進(jìn)行預(yù)處理是降低礦物機(jī)械強(qiáng)度的有效方法，基于復(fù)雜礦物中不同組分及相界面對微波吸收能力的不同，礦物在功率密度足夠強(qiáng)的微波場內(nèi)將在內(nèi)部產(chǎn)生溫度差，由此誘發(fā)的熱應(yīng)力使得礦物內(nèi)部沿不同相界面產(chǎn)生裂紋，且隨溫度差的增加而逐漸發(fā)育，最終在礦物內(nèi)形成裂紋網(wǎng)絡(luò)[8-9].由此微波加熱預(yù)處理促進(jìn)了礦物內(nèi)部的裂紋發(fā)育，強(qiáng)化了礦物和脈石之間的解離，降低了礦物的機(jī)械強(qiáng)度，進(jìn)而使得磨礦能耗大幅度降低.

眾多研究表明，礦物中不同成分吸收微波的能力取決于該成分的介電特性[10，14]，在相同微波加熱條件下，因鋁硅酸鹽、云母、碳酸鹽和硫酸鹽等介電特性差，該類礦物在微波場內(nèi)的升溫能力較差；而大多數(shù)硫化物和金屬氧化物的介電特性相對較好，在微波加熱條件下的升溫能力強(qiáng)于鋁硅酸鹽、云母等類型的脈石礦物[11-13].具體地，Batchelor等人[14]使用礦物定量分析儀(MLA)確定了13種鎳、銅和鉛鋅礦石的礦物學(xué)、粒度、分布、質(zhì)地一致性和礦物成分.在單模腔中對礦石進(jìn)行高達(dá)25 kW的高功率密度微波處理，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度下降幅度最大的礦石通常含有約2%～20%(重量)的高吸波礦物.微波處理能降低礦物的機(jī)械強(qiáng)度、增加礦物內(nèi)部解離度并有利于降低磨礦所需的能耗，Amankwah等[15]研究了微波加熱對金礦石可磨性的影響，發(fā)現(xiàn)微波加熱后金礦石的強(qiáng)度降低了31.2%.Hartlieb等人[16]通過微波預(yù)處理弱化巖石實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)巖石的切應(yīng)力下降了10%～30%.此外，采用微波預(yù)處理還可改變礦物表面的化學(xué)性質(zhì)并提高浮選效率.與此相關(guān)的研究有，Luo等[17]使用微波對鈦鐵礦進(jìn)行預(yù)處理，并研究鈦鐵礦在混合礦物中浮選行為，證明了微波預(yù)處理可將鈦鐵礦的回收率從 54% 提高到 76%，采用ICP-OES和XPS對樣品進(jìn)行分析，表明微波輻射促進(jìn)了Ca2+離子和Mg2+離子的溶解，使鈦鐵礦的zeta電位向負(fù)值移動，等電點(diǎn)從 pH～4.9 移動到 pH～1.9，促進(jìn)了礦物表面上Fe2+向 Fe3+的轉(zhuǎn)化.Irannajad等[18]也提出了Fe3+是提高鈦鐵礦可浮性的關(guān)鍵，F(xiàn)e3+相對含量的增加提高了鈦鐵礦在較寬的pH范圍內(nèi)的可浮性.

前人的研究成果充分地證明了微波處理對礦物的可磨性和浮選效率的有益效果.基于此，本文以硫化鎳銅礦作為研究對象，采用微波加熱對其進(jìn)行預(yù)處理，考察微波預(yù)處理時間對硫化鎳銅礦的解離特性、微觀形貌和抗壓強(qiáng)度的影響，并開展微波處理對硫化鎳銅礦浮選效率影響實(shí)驗(yàn).本文所做工作為后續(xù)微波解離硫化鎳銅礦的擴(kuò)大化試驗(yàn)及中試提供了部分基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)，為開發(fā)節(jié)能高效的硫化鎳銅礦處理技術(shù)提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用的硫化鎳銅礦來自甘肅金川地區(qū)某企業(yè)，采用X射線熒光光譜法(XRF)、XRD、SEM和EDX光譜對原料進(jìn)行表征，化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示，物相組成(XRD圖譜)如圖1所示,元素分布和區(qū)域組成(SEM-EDX圖譜)如圖2所示.

表1 硫化鎳銅礦的主要化學(xué)成分Tab.1 Main chemical components of copper-nickel sulfide ore

圖1 硫化鎳銅礦的 X 射線衍射圖Fig.1 X-ray diffraction pattern of copper-nickel sulfide ore

從表1和圖1～圖2中所示的分析檢測結(jié)果可知，礦石主要元素為氧、鎂、硅、鐵、硫、鎳、銅等元素，其中鎳、銅的含量分別為1.13%和0.6%.由此確定所選礦物屬于低品位硫化鎳銅礦.由物相分析圖譜可知，硫化鎳銅礦石的主要礦物是由Mg、Si和Fe等雜質(zhì)元素形成的鈣鎂硅酸鹽礦以及少量黃銅礦，橄欖石、蛇紋石等脈石礦物.由SEM結(jié)果可知，目標(biāo)礦物與脈石礦物之間存在著明顯的共生現(xiàn)象和伴生現(xiàn)象，其共生現(xiàn)象為包裹型，鎳主要分布在鐵、硫形成的黃鐵礦中，包裹脈石的主要元素成分為鎂、硅，礦相組成以橄欖石、蛇紋石等為主.而伴生狀態(tài)由鎳、鐵、銅與硫的氧化物共同形成，以鎳黃鐵礦、針硫鎳礦與黃銅礦伴生為主.基于以上分析可知，為了有效地從礦體中實(shí)現(xiàn)鎳的富集，有必要實(shí)施預(yù)處理實(shí)現(xiàn)礦物解離，促進(jìn)包裹體的打開和伴生礦物的分離.

圖2 硫化鎳銅礦的SEM圖像和EDX光譜Fig.2 SEM images and EDX spectra of copper-nickel sulfide ore

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)過程中所用到的儀器設(shè)備和工作參數(shù)如表2所示.

表2 主要儀器設(shè)備Tab.2 Main instruments and equipment

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及內(nèi)容

本研究主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如圖3所示，一部分由破碎篩分、微波加熱預(yù)處理、球磨濕篩、烘干步驟構(gòu)成，另一方面包含了礦物處理前后的抗壓載荷測試實(shí)驗(yàn)和浮選實(shí)驗(yàn).

圖3 實(shí)驗(yàn)流程簡圖Fig.3 Flow diagram of experiment

1.3.1 礦石樣品的微波加熱預(yù)處理

首先從顎破處理后的礦石中篩選出粒徑范圍1～2 cm的碎礦，采用堆錐四分法對所獲的碎礦進(jìn)行混勻和縮分.微波加熱預(yù)處理實(shí)驗(yàn)在箱式微波馬弗爐(INNOV-CS-03M1600)中進(jìn)行，該微波馬弗爐的腔體尺寸為17 cm × 20 cm × 15 cm，微波輸出頻率為2.45 GHz.稱取 340 g 碎礦置于剛玉坩堝中作為實(shí)驗(yàn)對象，微波實(shí)驗(yàn)功率設(shè)置為2 kW，微波處理時間分別為7.5 s、15 s、30 s和 45 s，共進(jìn)行了14組平行實(shí)驗(yàn).礦物由微波加熱預(yù)處理后的溫度由紅外測溫儀測量并記錄，由此計算平均值獲得了礦物經(jīng)微波處理后的升溫情況.

1.3.2 球磨與篩分

微波處理后的碎礦置于室內(nèi)自然冷卻至室溫后，采用堆錐四分法進(jìn)行混勻和縮分.稱取500 g處理后的碎礦采用錐形球磨機(jī)進(jìn)行(XMQ-240 mm × 90 mm)球磨處理，進(jìn)行了2組球磨的平行實(shí)驗(yàn)，球磨實(shí)驗(yàn)的時間分別為5 min、10 min、15 min和20 min.

球磨處理后的磨礦產(chǎn)品經(jīng)濕篩、過濾和烘干后使用振篩機(jī)進(jìn)行篩分，稱量質(zhì)量以確定磨礦產(chǎn)品中各粒級的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，最終計算得到小于0.074 mm粒級的質(zhì)量分?jǐn)?shù).實(shí)驗(yàn)所用錐形球磨機(jī)容積為6.25 L，轉(zhuǎn)速設(shè)定為96 r/min，功率輸入為0.55 kW.

1.3.3 硫化鎳銅礦塊的抗壓載荷測試實(shí)驗(yàn)

礦塊的分類和預(yù)處理：采用切割機(jī)將硫化鎳銅礦石切割為棱長50 mm的立方體，處理礦樣照片如圖4所示.切割獲取了重量范圍為350～400 g的礦塊，將所得礦塊分別標(biāo)記為A到K，共11個礦樣組，每組包含4個礦塊.在微波功率恒定為 2 000 W的條件下，對每個礦樣組的塊礦依次采用微波預(yù)處理7.5 s、15 s、30 s 和45 s.冷卻至室溫后由巖石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)臺測定各個礦塊的破壞載荷并進(jìn)行實(shí)時記錄.

圖4 塊狀硫化鎳銅礦圖片F(xiàn)ig.4 Picture of block copper-nickel sulfide ore

抗壓載荷測試：抗壓載荷測試執(zhí)行我國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DZ/T 0276.18-2015——《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程 第18部分：巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)》的規(guī)程方法[19].抗壓強(qiáng)度R的計算方法如式(1)所示：

(1)

式中：P為樣品碎裂時的破壞載荷，kN；A為樣品受力面的截面積，cm2；R為樣品碎裂時的抗壓強(qiáng)度，MPa.

1.3.4 浮選實(shí)驗(yàn)

針對原礦及微波處理碎礦樣品分別開展浮選實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)用礦樣質(zhì)量為500 g，礦樣中小于0.074 mm粒級的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68%.將礦樣加水?dāng)嚢柚瞥蓾舛葹?5%的礦漿樣品，在XFD-1.5L型機(jī)械攪拌浮選機(jī)中進(jìn)行浮選，攪拌槳轉(zhuǎn)速為 1 900 r/min，浮選實(shí)驗(yàn)所選用藥劑如表3所示，實(shí)驗(yàn)執(zhí)行如圖5所示的銅、鎳的混合開路浮選法工藝流程.

圖5 硫化鎳銅礦混合開路浮選工藝Fig.5 Mixed open circuit flotation process of nickel-copper sulfide ores

表3 浮選藥劑Tab.3 Flotation reagent

1.3.5 分析檢測

化學(xué)成份分析：使用X射線熒光光譜(XRF，品牌：PANalytical，AxiosMAX，Netherlands)進(jìn)行分析.物相組成：使用X’Pert3粉末X射線衍射儀(XRD，品牌：HollandPanalytical)進(jìn)行分析.礦相組成和形貌分析：采用臺式掃描電子顯微鏡(SEM，品牌：Phenom，PW-100-017)檢測礦相組成和觀測礦樣內(nèi)的微觀裂紋組織結(jié)構(gòu).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 硫化鎳銅礦微波加熱處理時的升溫特性

硫化鎳銅礦在微波輻照下的升溫速率對助磨效果影響較大，有必要對微波連續(xù)加熱條件下硫化鎳銅礦的升溫特性進(jìn)行探究.執(zhí)行1.3.1節(jié)所述的微波加熱預(yù)處理實(shí)驗(yàn)，獲取硫化鎳銅礦的溫度變化,如圖6所示.由實(shí)驗(yàn)參數(shù)及設(shè)備參數(shù)計算可知，微波功率密度為0.4 W/cm3，實(shí)驗(yàn)中的微波加熱處理量為 5.88 W/g.

圖6 硫化鎳銅礦的升溫特性曲線Fig.6 Temperature rise characeristic curve of copper-nickel sulfide ore

從圖6中數(shù)據(jù)計算可知，當(dāng)加熱時間為7.5s和15 s時的平均升溫速率為3.96℃/s，當(dāng)加熱時間為15 s和 30 s 時的平均升溫速率為 3.27 ℃/s，當(dāng)加熱時間為30 s和45 s時的平均升溫速率為 2.29 ℃/s.結(jié)合不同加熱處理時間下的升溫速率可知，對于粒級為1.0～2.0 cm的硫化鎳銅礦碎塊而言，其在微波場內(nèi)的升溫速率隨加熱時間的延長而降低.這可以解釋為微波作用于礦物后使得礦物溫度不斷升高，一方面使得礦物的介電特性發(fā)生了改變，呈現(xiàn)隨溫度的升高而降低的變化；另一方面由于熱應(yīng)力作用使得礦物內(nèi)部裂隙進(jìn)一步發(fā)育，礦物內(nèi)部的熱傳遞條件發(fā)生了改變[20].

整體來看，碎礦升溫特性的測試表明，碎礦在微波場內(nèi)具有較好的升溫速率，體現(xiàn)出較好的升溫特性，加熱45 s即可使340 g碎礦的溫度升高至 116.4 ℃ .說明硫化鎳銅礦是吸波特性較好的礦物，適合用微波來進(jìn)行加熱預(yù)處理.

2.2 微波預(yù)處理時間對硫化鎳銅礦微觀結(jié)構(gòu)的影響

將微波預(yù)處理后的硫化鎳銅礦進(jìn)行拋光處理后采用SEM分析，獲取不同處理時間條件下硫化鎳銅礦的SEM圖片，結(jié)果如圖7所示.

(a) MWT-7.5 s；(b) MWT-15 s；(c) MWT-30 s；(d) MWT-45 s圖7 不同加熱時間下鎳銅礦的SEM圖像Fig.7 SEM images of nickel-copper ores after microwave treatment (MWT) under different heating time

從圖7可見，裂紋的發(fā)育和生長主要集中在有用礦物和脈石礦物的邊界處及有用礦物內(nèi)部，且裂紋分布呈現(xiàn)網(wǎng)格化.結(jié)果表明，微波加熱處理后的礦物內(nèi)部出現(xiàn)了明顯裂紋，包括了不同間距的跨晶裂縫和晶間裂紋.這是由于微波具有較強(qiáng)的穿透能力，能夠穿透到碎礦內(nèi)部進(jìn)行加熱，在微波作用下礦樣產(chǎn)生自加熱效應(yīng)，溫度隨之升高.同時因不同礦相的介電常數(shù)差異及微波在不同礦相間的選擇性加熱作用，使得不同礦相之間產(chǎn)生不同程度的膨脹，導(dǎo)致了礦樣內(nèi)部晶間裂紋的產(chǎn)生.硫化鎳銅礦通過微波預(yù)處理后，礦石內(nèi)部裂紋出現(xiàn)了明顯的發(fā)育和生長，促進(jìn)了有用礦物的解離，有效增加了有用礦物的有效反應(yīng)面積，降低礦石的機(jī)械強(qiáng)度，提高了礦石的可磨性.

2.3 微波預(yù)處理時間對磨礦效果的影響

將不同微波預(yù)處理時間獲取的礦樣(處理時間：7.5 s、15 s、30 s和45 s)與原礦(處理時間：0 s)進(jìn)行球磨，細(xì)磨后采用標(biāo)準(zhǔn)分篩進(jìn)行篩分，以獲取小于0.074 mm粒級的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化，結(jié)果如圖8所示.

圖8 不同微波處理時間下磨礦產(chǎn)品小于0.074 mm粒級質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.8 Mass fraction of grinding products with particle size<-0.074 mm with different microwave treatment time

從圖8可見，硫化鎳銅礦磨礦產(chǎn)品中小于0.074 mm粒級的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨磨礦時間的增加而增強(qiáng).當(dāng)球磨處理時間為20 min，產(chǎn)品中小于0.074 mm粒級的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均達(dá)到80%以上.對圖8所示數(shù)據(jù)分析可知，與未進(jìn)行微波加熱預(yù)處理的硫化鎳銅礦相比，微波預(yù)處理后的磨礦產(chǎn)品中小于0.074 mm粒級的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到80%所需的球磨處理時間比原礦所需時間平均縮短3.3 min.且在球磨處理20 min后，微波預(yù)處理礦樣的磨礦產(chǎn)品中小于0.074 mm粒級的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值達(dá)到了91.75%，同比原礦提高了10.82%.結(jié)果表明，微波預(yù)處理提高了礦樣的可磨性并強(qiáng)化了磨礦效果，微波預(yù)處理礦石促進(jìn)了礦石內(nèi)相間裂紋和內(nèi)部裂紋的生長，并在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生了新的裂紋，降低了礦物的抗壓強(qiáng)度.

從圖8中還可見，以磨礦產(chǎn)品中小于0.074 mm粒級的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于80%作為磨礦效果考察指標(biāo)時，微波預(yù)處理時間為15 s、磨礦處理時間為15 min時達(dá)到了該指標(biāo).而磨礦15 min處理原礦、或微波預(yù)處理時間為7.5 s或微波預(yù)處理時間高于15 s的礦樣，均未使小于0.074 mm粒級的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于80%，但微波處理后的礦樣的磨礦效果均高于原礦.結(jié)果表明，當(dāng)微波預(yù)處理時間過長時，在相同磨礦處理時間條件下的磨礦效果反而降低，造成這一現(xiàn)象的原因在于微波預(yù)處理時間過長將使得礦物內(nèi)部溫差不明顯，有用礦物和脈石礦物間的裂紋生長受到了限制.

為了更進(jìn)一步的說明微波對硫化鎳銅礦的解離效果及對磨礦效果的強(qiáng)化作用，并證明微波預(yù)處理時間和磨礦處理時間對磨礦效果的協(xié)同作用.取磨礦10 min的微波預(yù)處理礦石磨礦產(chǎn)品，采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察分析，在200 μm放大倍數(shù)下的視界范圍內(nèi)，顯微照片如圖9所示.

(a) treatment time:7.5 s；(b) treatment time:15 s；(c) treatment time:30 s；(d) treatment time:45 s圖9 不同微波處理時間條件下磨礦10min所獲產(chǎn)品的SEM圖 Fig.9 SEM image of grinding product for 10 min different microwave treatment time

從圖9中可見，微波預(yù)處理后所得磨礦產(chǎn)品的顆粒尺寸明顯降低，可見顆粒的尺寸最高為130 μm，磨礦產(chǎn)品整體均為非常細(xì)小的顆粒.且在磨礦處理時間為10 min的條件下，顯微分析現(xiàn)實(shí)微波預(yù)處理時間為45 s時的磨礦產(chǎn)品粒徑最小，可見顆粒的尺寸最高為20 μm.大顆粒尺寸的礦物比例大幅度降低，所得磨礦產(chǎn)品的礦物粒徑細(xì)小且均勻.進(jìn)一步地對比圖9和圖8可知，SEM分析呈現(xiàn)的變化規(guī)律與磨礦處理時間為10 min時的小于0.074 mm粒級的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化具有一致性.

綜上所述可知，微波預(yù)處理時間與磨礦處理時間對磨礦效果具有協(xié)同的作用效果，綜合考察微波處理時間和磨礦處理時間，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)的優(yōu)化參數(shù)為處理礦樣質(zhì)量340 g、微波預(yù)處理時間 15 s.磨礦處理時間15 min，即可使磨礦產(chǎn)品中小于0.074 mm粒級的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均達(dá)到80%以上，磨礦處理時間同比原礦縮短了26.3%.

2.4 微波預(yù)處理對硫化鎳銅礦抗壓強(qiáng)度的影響

材料在外力作用下形變過程一般可分為彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段、局部變形4個階段[21].當(dāng)材料應(yīng)力與形變超過彈性階段時，材料在壓應(yīng)力作用下即可發(fā)生不可逆的塑性變形，從材料的應(yīng)力-應(yīng)變機(jī)制可將材料分為脆性材料與塑性材料，一般來說，脆性材料比塑性材料具有更大的抗壓強(qiáng)度，即脆性材料可承受更大的壓應(yīng)力.兩種不同材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖10(a)和(b)所示[22].

(a)脆性材料 (b)塑性材料圖10 脆性材料和塑性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.10 Stress-strain curves of brittle and plastic materials

從圖10所示材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，圖10(a)和(b)中的臨界點(diǎn)m1、m2稱為屈服點(diǎn)，對應(yīng)的壓應(yīng)力即為材料的屈服壓力.在超過屈服壓力的條件下繼續(xù)對脆性材料施加載荷，脆性材料將在短暫的塑性形變至極限應(yīng)力b1點(diǎn)后發(fā)生脆性斷裂，隨后載荷隨形變迅速下降至k1點(diǎn)，脆性材料的整個斷裂過程結(jié)束；但塑性材料的形變過程稍微復(fù)雜一些，進(jìn)入塑性變形階段，此時材料的應(yīng)力值會出現(xiàn)微小的波動，n點(diǎn)至n′為屈服形變過程，壓應(yīng)力處于屈服應(yīng)力階段，對塑性材料繼續(xù)施加載荷，達(dá)到極限應(yīng)力點(diǎn)b2時塑性材料方可發(fā)生斷裂[23].

大部分礦石材料具有彈性變形的特性，在抗壓載荷測試過程若壓力超到屈服壓力后，礦石材料會在某一點(diǎn)或者面上開始屈服，進(jìn)而發(fā)生塑性變形直至破壞[19,22].在明確材料應(yīng)力-應(yīng)變和斷裂機(jī)制的基礎(chǔ)上，據(jù)1.3.3所述方法對硫化鎳銅礦礦塊進(jìn)行壓力載荷測試，以探究微波預(yù)處理時間對礦物抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖11所示.

圖11 微波預(yù)處理時間對硫化鎳銅礦礦塊抗壓強(qiáng)度的影響Fig.11 Effect of microwave treatment time on load displacement of block copper-nickel sulfide ore

由圖11可見，對比原礦塊體和微波預(yù)處理后塊體的抗壓強(qiáng)度和壓力載荷曲線，原礦抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于微波預(yù)處理后抗壓強(qiáng)度，且壓力載荷曲線顯示在微波預(yù)處理7.5 s、15 s、30 s和45 s后，礦塊的抗壓強(qiáng)度平均下降了49.84%.其中，微波預(yù)處理7.5 s和 45 s 所獲取的抗壓強(qiáng)度較其他處理時間的都低，且遠(yuǎn)低于原礦的壓力載荷.結(jié)果表明，微波預(yù)處理有效地降低了硫化鎳銅礦的力學(xué)強(qiáng)度，促進(jìn)了礦物的解離.

由圖11可知，礦塊的形變量隨壓力載荷的增大而逐漸加大，體現(xiàn)為礦塊的載荷位移隨壓力載荷的增加而增加.對比圖10所示材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，所測試硫化鎳銅礦礦塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線類似于脆性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，當(dāng)施加的壓力載荷達(dá)到極限后，礦物隨之屈服進(jìn)而破碎，壓力載荷隨之下降，說明礦物塊體被完全破壞.結(jié)果表明，所測礦塊所屬斷裂機(jī)制為脆性斷裂.

微波加熱促進(jìn)礦物解離的機(jī)理可解釋如下，礦塊在微波場內(nèi)吸收微波能量使得溫度的快速升高，微波選擇性加熱導(dǎo)致了不同相間的溫度差異，由此誘發(fā)的熱應(yīng)力促使了礦物內(nèi)的熱膨脹，促進(jìn)了有用礦物內(nèi)部裂紋的生長、相間裂紋的擴(kuò)張.微波預(yù)處理促進(jìn)了礦石內(nèi)的微界面破碎，有效降低了礦物的抗壓強(qiáng)度.

2.5 浮選實(shí)驗(yàn)

根據(jù)前文1.3.4所述的浮選實(shí)驗(yàn)方法，對未經(jīng)微波處理的原礦和微波預(yù)處理后的硫化鎳銅礦進(jìn)行了浮選實(shí)驗(yàn).獲取了不同微波預(yù)處理時間條件下的Cu、Ni的整體回收率和尾礦中Cu、Ni的品位，結(jié)果如圖12所示.

圖12 微波預(yù)處理時間對銅、鎳整體回收率及尾礦中銅、鎳品位的影響Fig.12 Effect of overall microwave treatment nrrtime on recovery rate of copper and nickel and nrrcopper and nickel grades in tailings

從圖12中可見，Cu、Ni的整體回收率隨微波預(yù)處理時間的增加呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，且經(jīng)微波預(yù)處理后，Cu、Ni整體回收率均高于原礦.從浮選實(shí)驗(yàn)結(jié)果計算得到，Cu的回收率平均提高了1.75%，Ni的整體回收率平均提高了3.33%.從圖12中還可見，尾礦中Cu、Ni的品位隨微波預(yù)處理時間的增加呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢，且經(jīng)微波預(yù)處理后尾礦中Cu、Ni的品位均低于原礦.從浮選實(shí)驗(yàn)結(jié)果計算得到，尾礦中Cu品位同比原礦平均下降了12.50%，Ni品位同比原礦平均下降了26.79%.結(jié)果表明，微波處理對浮選過程中銅、鎳的整體回收率的提高有促進(jìn)效果，且能有效地降低了尾礦中銅、鎳的品位，使得有價金屬能夠更好地富集到精礦和中礦中.

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可知，Cu、Ni的整體回收率不隨微波預(yù)處理時間的增加呈現(xiàn)線性變化，在微波預(yù)處理時間為15 s時達(dá)到峰值，這與前文所述微波預(yù)處理促進(jìn)解離的最優(yōu)參數(shù)具有一致性.然而，繼續(xù)增加微波預(yù)處理時間反而導(dǎo)致Cu、Ni的整體回收率下降，其原因可能是硫化鎳銅礦中的銅和鎳大多數(shù)以伴生狀態(tài)存在，受到鐵、硫等易氧化金屬元素的影響，當(dāng)微波預(yù)處理時間過長時，礦物表面和內(nèi)部的氧化程度加劇，同時增強(qiáng)了銅、鎳的氧化程度，導(dǎo)致了銅和鎳的可浮性降低.

3 結(jié) 論

本文以硫化鎳銅礦作為研究對象，采用微波對礦物進(jìn)行預(yù)處理實(shí)驗(yàn)，分別探究了微波預(yù)處理時間對礦物解離、磨礦效果、抗壓強(qiáng)度及浮選效果的影響.得到如下結(jié)論：

1)硫化鎳銅礦對微波具有較強(qiáng)的吸波能力，在礦樣質(zhì)量為340 g，微波功率為2.0 kW,預(yù)處理時間分別為7.5 s、15 s、30 s和45 s的條件下，礦石經(jīng)微波加熱處理后溫度平均升高了59.9 ℃，SEM檢測發(fā)現(xiàn)礦石內(nèi)部沿晶界或礦石內(nèi)部晶間產(chǎn)生了明顯的裂紋.

2)采用微波預(yù)處理礦石7.5 s、15 s、30 s和45 s后，粒度小于0.074 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到80%所需的球磨時間平均減少了15.7%.證明了微波預(yù)處理對硫化鎳銅礦的助磨作用.

3)硫化鎳銅礦的斷裂機(jī)制為脆性斷裂，微波預(yù)處理后礦塊的抗壓強(qiáng)度平均下降49.84%.說明微波預(yù)處理有效地降低了礦物的機(jī)械強(qiáng)度.

4)微波預(yù)處理能夠提高Cu、Ni的整體回收率,并降低在尾礦中的品位，使更多的有價金屬進(jìn)入精礦和中礦中.但微波預(yù)處理時間過長會導(dǎo)致部分親硫的有價金屬會被氧化，反而不利于Cu、Ni的回收.在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，將微波預(yù)處理時間控制為15 s時可達(dá)到最好的浮選效果.

致謝:

感謝金川集團(tuán)有限公司鎳鈷資源綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及開放基金(G2SYS-KY-2020-009)的支持!