林郁森, 賀桂成

(南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001)

0 引 言

天然鈾是我國(guó)重要的戰(zhàn)略資源，是保持我國(guó)核威懾力長(zhǎng)期有效和核軍工可持續(xù)發(fā)展的重要保障。隨著我國(guó)核工業(yè)和國(guó)防事業(yè)的快速發(fā)展，急需大量的鈾資源滿足國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的需求，必須加大對(duì)我國(guó)天然鈾的生產(chǎn)能力。地表堆浸提鈾是我國(guó)天然鈾的主要生產(chǎn)方式之一，適用于南方的硬巖礦山，特別是花崗巖型鈾礦床。但花崗巖型鈾礦床存在抗壓強(qiáng)度大、破磨效果差、耗電性能高等缺點(diǎn)，一直是困擾鈾礦山工程技術(shù)界和學(xué)術(shù)界的重大工程難題。

目前，礦物破碎主要采用振動(dòng)法和沖擊法兩種機(jī)械破碎方法進(jìn)行破碎礦物，但這兩種能耗高且利用率低。振動(dòng)法具有“多碎少磨”的特點(diǎn)，能較好地破碎高硬度礦物，但難以有效地破碎抗疲勞性良好的礦物[1]。沖擊法破碎后的礦物粒度存在很大的波動(dòng)性且對(duì)設(shè)備的損耗較大[2]。因此，眾多學(xué)者開始研究非機(jī)械的方法進(jìn)行破碎礦物，其中，最主要的方法就是電能破碎和微波輔助破碎，電能破碎的安全性低且脈沖傳輸效率低[3]，微波輔助破碎的安全性高且破碎效果更好。微波輔助破碎是利用不同礦物晶體的熱膨脹系數(shù)不同，對(duì)礦物整體進(jìn)行加熱，使得礦物沿晶體邊界或在自身內(nèi)部開裂[4]，降低礦物的解離度。因此，微波輔助破碎是近年來工程界和學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微波輔助破碎進(jìn)行了積極探索，并取得了豐碩的研究成果。Y.L.Zheng通過對(duì)微波照射黑色輝長(zhǎng)巖時(shí)的P波波速，發(fā)現(xiàn)整體縱波速度和試樣中部的縱波速度分別降低了55%和80%，表明試樣強(qiáng)度顯著降低[5]；S.W.Kingman通過微波對(duì)鉛鋅礦進(jìn)行照射，發(fā)現(xiàn)不同的礦物成分對(duì)微波的敏感程度有所不同，S.W.Kingman等人還對(duì)比了多模腔和單模腔的微波腔體對(duì)最終巖石強(qiáng)度變化的影響，發(fā)現(xiàn)前者對(duì)巖石強(qiáng)度的削弱情況比后者要相對(duì)更強(qiáng)[6-8]；A.Y.Ali和S.M.Bradshaw使用PFC2D軟件研究了微波照射巖石造成熱損傷的機(jī)理，結(jié)果表明，顆粒的大小對(duì)于模擬結(jié)果有很大影響，當(dāng)內(nèi)嵌顆粒的熱膨脹系數(shù)大于基質(zhì)顆粒的熱膨脹系數(shù)時(shí)，裂紋垂直于不同顆粒膠結(jié)界面的方向發(fā)育，并且還發(fā)現(xiàn)溫度和微波功率都可以提高不同礦物間溫度梯度，從而產(chǎn)生更大的熱應(yīng)力而造成破壞[9-10]；M.XIA使用顆粒流軟件PFC成果模擬了在考慮溫度對(duì)彈性模量影響下，微波照射花崗巖時(shí)，其內(nèi)部的裂紋發(fā)展情況與不考慮溫度影響的情況做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)前者更加符合實(shí)際情況[11]；G.M.Lu等人通過對(duì)多種巖石的SEM-EDX分析并對(duì)其進(jìn)行微波照射觀測(cè)溫度變化，發(fā)現(xiàn)Fe元素含量對(duì)礦物的微波敏感性影響很大，越是富含F(xiàn)e元素的礦物，對(duì)微波的吸收能量越好[12]；趙沁華通過對(duì)造巖礦物的研究得到了與G.M.Lu相似的結(jié)論，同一族的礦物在同樣晶型結(jié)構(gòu)下對(duì)微波的吸收能力受到Fe元素含量的影響，礦石礦物對(duì)于微波的敏感性遠(yuǎn)超于造巖礦物[13]。

學(xué)者們已經(jīng)對(duì)花崗巖和金屬礦物等礦石展開了大量研究，但對(duì)于微波輻照花崗巖型鈾礦石的研究成果較少，微波輔助花崗巖型鈾礦石破碎是非常具有前景的破碎手段之一。因此，本文以花崗巖型鈾礦石為例，研究了微波輻照時(shí)間、微波功率和冷卻方式對(duì)干燥花崗巖型鈾礦石和水飽和花崗巖型鈾礦石強(qiáng)度的影響和單軸壓縮試樣下的破碎特征。

1 花崗巖型鈾礦石物化特性

擬研究的花崗巖型鈾礦石取自于中國(guó)南方某鈾礦山，運(yùn)送至南華大學(xué)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，從中隨機(jī)選取花崗巖型鈾礦石試樣，使用四分法進(jìn)行篩分，采用球磨機(jī)將其磨成粉末再對(duì)其進(jìn)行XRD衍射試驗(yàn)，分析結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：該試樣主要礦物成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為石英25%、云母20%、螢石18%、鈉長(zhǎng)石17%和磷灰石7%；主要鈾礦物為水硅鈾礦、螢石(UF2)、硅鈣鈾礦、鈦鈾礦，其中水硅鈾礦含量較多，其他含鈾礦物成分含量較少。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料的研究結(jié)果可知，礦物中的石英、白云母、鈉長(zhǎng)石、螢石(CaF2)等均為透波礦物，而水硅鈾礦等含鈾礦物為吸波礦物[14-15]。因此，花崗巖型鈾礦石中大部分的成分均為透波礦物，對(duì)微波敏感性強(qiáng)的礦物占比較少。

圖1 花崗巖型鈾礦石礦物成分XRD衍射試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 XRD diffraction test results of mineral composition of granite type uranium ore

為了表征花崗巖型鈾礦石各礦物成分的分布規(guī)律，將該鈾礦石制成直徑為50 mm、高為10 mm的圓盤狀試樣，放入FEI QUANTA 250掃描電鏡下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：該鈾礦物呈散亂狀分布在脈石礦物內(nèi)部，和脈石呈相互嵌套的關(guān)系，且粒度很小，這種雜散的分布關(guān)系無疑增加了分離鈾礦物的難度[14]。

圖2 花崗巖型鈾礦石礦物成分掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 SEM test results of mineral composition of granite type uranium ore

2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

2.1 花崗巖型鈾礦石試樣

試樣采自中國(guó)南方某礦山花崗巖型鈾礦石，按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》將礦石制成直徑50 mm、高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，如圖3所示。

圖3 花崗巖型鈾礦石標(biāo)準(zhǔn)試樣圖Fig.3 Standard sample diagram of granite type uranium ore

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及裝置

采用RMT-150B巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，如圖4所示。該系統(tǒng)采用力傳感器和量程分別為5 mm、50 mm的位移傳感器，分別測(cè)量試樣的受力和軸向變形。本試驗(yàn)采用位移速率控制的方法對(duì)試樣施加作用力，位移控制速率為0.02 mm/s。

圖4 RMT-150B巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 RMT-150B mechanical test system

采用JYC-3型微波高溫焙燒爐進(jìn)行微波加熱試驗(yàn)，如圖5所示。該設(shè)備輸出功率具有1 kW、2 kW、3 kW三個(gè)可調(diào)節(jié)檔位，理論最高溫度可達(dá)1 500 ℃以上，輸出微波頻率為固定的2 450 MHz。該微波高溫焙燒爐系統(tǒng)內(nèi)部腔體尺寸為200 mm×400 mm×200 mm，腔體周圍裝有隔溫層，焙燒爐內(nèi)部裝有紅外測(cè)溫儀測(cè)量腔體溫度，與外接K型電偶接觸性測(cè)溫棒測(cè)量試樣表面溫度，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化。

圖5 JYC-3型微波高溫焙燒爐Fig.5 Jyc-3 microwave high temperature roaster

2.3 試驗(yàn)方案

為了探討不同微波參數(shù)、不同試樣狀態(tài)(干燥和水飽和)和冷卻方式對(duì)花崗巖型鈾礦石試樣強(qiáng)度和破碎特征的影響，選取微波功率分別為1 kW、2 kW、3 kW；照射時(shí)間分別為30 mim和45 min；試樣狀態(tài)分別為飽和和干燥；冷卻方式分別為干燥-自然冷卻、飽和-自然冷卻、干燥-水冷、飽和-水冷等組成的影響因素，同時(shí)考慮了1個(gè)對(duì)照組試驗(yàn)，共25種試驗(yàn)方案，如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案表Table 1 Test plan table

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 對(duì)照組鈾礦石試樣力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

采用RMT-150B巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)未經(jīng)微波照射的花崗巖型鈾礦石試樣(對(duì)照組)進(jìn)行了力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 花崗巖型鈾礦石照射前力學(xué)參數(shù)Table 2 Basic mechanical parameters of granite-type uranium ore

3.2 微波照射鈾礦石試樣抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

不同功率微波照射花崗巖型鈾礦石試樣單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示。

圖6 微波功率和冷卻方式對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度的影響Fig.6 Effects of microwave power and cooling mode on compressive strength of uranium ore samples

從圖6可知：干燥狀態(tài)的花崗巖型鈾礦石試樣的抗壓強(qiáng)度隨微波功率的增加而降低。鈾礦石試樣在微波照射時(shí)間為30 min，照射功率分別為1 kW、2 kW和3 kW；經(jīng)自然冷卻作用后，其抗壓強(qiáng)度分別比對(duì)照組的抗壓強(qiáng)度降低了2.54%、14.16%、31.30%，經(jīng)水淬冷作用卻后，其抗壓強(qiáng)度分別比對(duì)照組的抗壓強(qiáng)度降低了11.46%、21.12%、32.40%。

鈾礦石試樣在微波照射時(shí)間為45 min，照射功率分別為1 kW、2 kW和3 kW，并經(jīng)自然冷卻作用后，其抗壓強(qiáng)度分別比對(duì)照組的抗壓強(qiáng)度降低了13.12%、26.21%、40.98%；經(jīng)水淬冷卻作用后，其抗壓強(qiáng)度分別比對(duì)照組的抗壓強(qiáng)度降低了24.35%、27.10%、50.43%。

由圖6還可知：微波功率從1 kW上升到2 kW時(shí)，鈾礦石試樣的抗壓強(qiáng)度從108.2 MPa降低到96.7 MPa，抗壓強(qiáng)度降低了10.63%；微波功率從2 kW上升到3 kW時(shí)，鈾礦石試樣的抗壓強(qiáng)度從96.7 MPa降低到76.1 MPa，抗壓強(qiáng)度降低了21.3%。因此，鈾礦石試樣的抗壓強(qiáng)度隨微波功率的增加而急劇降低。微波照射花崗巖型鈾礦石試樣的冷卻方式對(duì)其抗壓強(qiáng)度也有一定影響，水淬冷卻的抗壓強(qiáng)度比其自然冷卻的抗壓強(qiáng)度降低了8.70%。

花崗巖型鈾礦石試樣的抗壓強(qiáng)度隨微波照射時(shí)間的變化規(guī)律，如圖7所示。

圖7 微波功率和照射時(shí)間對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.7 Effects of microwave power and irradiation time on compressive strength

從圖7可知：當(dāng)微波照射的時(shí)間相同時(shí)，花崗巖型鈾礦石試樣的抗壓強(qiáng)度隨微波功率的增大而減小。

3.3 微波照射花崗巖型鈾礦石試樣破碎特征

經(jīng)過微波照射后，鈾礦石試樣內(nèi)部產(chǎn)生了一定的裂紋，如圖8所示。

從圖8可知：微波照射鈾礦石試樣的裂紋通常是在不同礦物晶體的邊界產(chǎn)生，這是因?yàn)椴煌V物晶體對(duì)微波能量的吸收能力不同。其吸收能力與礦物晶體的介電性質(zhì)有關(guān)，介電性質(zhì)可以用自身的復(fù)介電常數(shù)來表示為：

ε*=ε′-jε″

(1)

式中，ε′表示材料耗散微波的能力，ε″表示材料吸收微波的能力。

圖8 微波照射鈾礦石試樣的裂紋演化規(guī)律Fig.8 Crack evolution of uranium ore samples irradiated by microwave

顆粒對(duì)于微波能量的吸收能力可以表示為：

(2)

式中，Pd表示微波功率密度，W/m3；f為微波的頻率Hz；ε0為真空介電常數(shù)，其值為8.854×10-12F/m，ε″f為介質(zhì)的介電損耗因子，E0為微波輻照的電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m[16]。

不同的材料由于其密度、比熱容、介電常數(shù)不同，在微波輻射下上升的溫度也有所差異，當(dāng)微波照射時(shí)間為Δt時(shí)，材料在微波輻射下的升高溫度量ΔT可以表示為：

(3)

式中，ρ為材料的密度，kg/m3，Cp為材料的比熱容，J/(kg·℃)。

當(dāng)材料為各向同性時(shí)，材料由溫度上升產(chǎn)生的體積膨脹為

ξ=αΔT

(4)

式中，α為材料的熱膨脹系數(shù)。

當(dāng)不同晶體的膨脹體積不同時(shí)，就會(huì)在晶體間產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過了晶體間的黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生破裂[17-23]。

微波照射后的花崗巖型鈾礦石試樣在單軸壓縮試驗(yàn)中的破碎形式也能反應(yīng)出微波對(duì)其抗壓強(qiáng)度的降低程度，對(duì)于受微波影響程度較小的鈾礦石試樣，其抗壓強(qiáng)度降低的程度也較小，且通常伴有大量的碎片彈射情況，只有小部分顆粒直接從試樣表面向下脫落，且在單軸壓縮下產(chǎn)生的裂紋較為單一，脫落下的碎片較大，產(chǎn)生的粉末較少，如圖9所示。當(dāng)花崗巖型鈾礦石的抗壓強(qiáng)度在微波照射下降低的程度較大時(shí)，單軸壓縮試驗(yàn)過程中所產(chǎn)生的碎片較為零碎，且發(fā)生的碎片彈射情況較少，大多數(shù)碎片直接從試樣上脫落，且產(chǎn)生的粉末狀碎片較多，試樣的下表面相對(duì)于上表面破碎更加嚴(yán)重，如圖10所示。這就是由于礦物內(nèi)部的原生裂隙在微波作用下開始發(fā)展，礦物晶體在吸收大量微波能量后開始熱膨脹，從而產(chǎn)生了新裂隙[24]。

微裂紋的擴(kuò)展與試樣吸收的微波能量和微裂紋大小有關(guān)。在理想情況下，微裂紋為圓形微裂紋時(shí)，其半徑為r，試樣單位體積的能量U為彈性應(yīng)變能UE和初始裂紋表面自由能US之和，既U=UE+US。其中彈性應(yīng)變能是由試樣吸收了微波能量后轉(zhuǎn)換成熱能再轉(zhuǎn)換成而成，可以表示為

(5)

其中Eeff有效彈性模量MPa；μ為巖石的泊松比，W為單位時(shí)間內(nèi)試樣吸收的微波能量即P0Δt，kW。而初始裂紋的表面自由能可以表示為

US=2πr2·γs·N

(6)

其中γs為裂紋的表面自由能，N為單位體積內(nèi)裂紋數(shù)量。綜上所訴，單位體積的能量可以表示為

(7)

由此可見，當(dāng)試樣吸收了一定程度的微波能量后，原生裂紋開始擴(kuò)展，并且伴隨著新裂紋的產(chǎn)生，導(dǎo)致試樣抗壓強(qiáng)度的降低，在單軸試驗(yàn)中，這些裂紋在壓力的作用下相互貫通最終導(dǎo)致試樣破壞。

微波照射導(dǎo)致巖石內(nèi)部開裂的原因不僅與巖石的成分特性和微波參數(shù)有關(guān)，還與巖石的含水率有一定關(guān)系。水飽和狀態(tài)下的鈾礦石試樣容易在微波加熱前期開裂，如圖11所示。當(dāng)試樣的表面溫度在200 ℃～400 ℃時(shí)發(fā)生整體開裂，這是由于水的介電常數(shù)較高，吸收微波的能量很強(qiáng)，所以在加熱初期，試樣溫度上升的速率更快，更容易發(fā)生整體開裂的現(xiàn)象[25]。水在加熱過程中蒸發(fā)成氣體而體積膨脹，對(duì)原生裂隙施加壓力，但隨著加熱時(shí)間的增加，水分子從鈾礦石試樣中流失，不同晶體熱膨脹導(dǎo)致的熱應(yīng)力逐漸增加，因而高溫時(shí)，水飽和試樣與干燥試樣的抗壓強(qiáng)度并無明顯差異[26]。因此，采用微波照射含水的鈾礦石可提高其破碎性能。

圖9 微波對(duì)花崗巖型鈾礦石抗壓強(qiáng)度降低較少時(shí)的單軸破碎情況Fig.9 Uniaxial crushing when the compressive strength of granite-type uranium ore is less reduced by microwave

圖10 微波對(duì)花崗巖型鈾礦石抗壓強(qiáng)度降低較多時(shí)的單軸破碎情況Fig.10 Uniaxial crushing when the compressive strength of granite-type uranium ore is greatly reduced by microwave

圖11 水飽和試樣在微波照射后整體開裂Fig.11 Water-saturated sample cracked overall after microwave irradiation

4 結(jié) 論

1)鈾礦石試樣的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨微波功率的增加而急劇降低。微波功率從1 kW上升到2 kW時(shí)，鈾礦石的抗壓強(qiáng)度降低了10.63%；微波功率從2 kW上升到3 kW時(shí)，鈾礦石的抗壓強(qiáng)度降低了21.3%。試樣的冷卻方式對(duì)其抗壓強(qiáng)度也有一定影響，水淬冷卻的抗壓強(qiáng)度比其自然冷卻的抗壓強(qiáng)度降低了8.70%。

2)微波照射花崗巖型鈾礦石的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨照射時(shí)間的增加而大幅降低。

3)微波照射水飽和試樣比干燥試樣更容易在前期出現(xiàn)裂紋，但在溫度較高時(shí)，其抗壓強(qiáng)度相對(duì)于干燥試樣并無明顯差異。