矿石粉碎是矿物加工过程中重要过程之一，传统的粉碎方法是大块物料在机械力的作用下粒度变小，使原矿中的有用矿物与脉石矿物单体解离，然后进行分选。其能量消耗约为整个选矿厂总能耗的40%~60%，粉碎能量的有效利用率只有约1%左右，其余输入的能量由于矿石间的摩擦产生热量而损失。所以如何降低选厂粉碎过程中的能量消耗，对于提高选厂经济效益有重要意义。一般来说，决定矿石粉碎能量消耗的因素主要是原矿特性，另一个因素就是粉碎工艺。目前所使用的一些碎磨设备，如高压辊磨机和雷蒙磨等都是从工艺的角度提高生产能力，降低能耗。近年来，随着科学技术的发展，越来越多的新技术的出现，为选矿工作者通过改变原矿性质来降低能耗提供了可能。微波具有选择性加热、热效率高、能耗低等特点，在对矿石进行加热时，矿石中各种矿物吸收辐射波性能不同，形成温差，产生热应力，促进裂纹的形成和扩展，改变矿石硬度和强度，这可能是微波技术应用于矿石粉碎过程中的理论依据。

1 微波加热矿石的机理

微波是指频率为300 MHz~300 GHz、波长在1 m(不含1 m)~1 mm之间的电磁波，通常具有穿透、反射和吸收三个特性。微波加热时表现出即时性、整体性、选择性、高效性和安全卫生无污染的特点^[1-2]。与常规的加热方法相比，微波加热不需要热传导，直接由物料内部产生热源，能量利用率相对较高(如图 1)^[3]。

微波辐射物料时，只有吸收微波的介质才会被加热，物料内部受到微波辐射后，内部可动粒子开始加速运动，粒子之间相互碰撞及摩擦，使其内部产生高热量，使物料内外同时加热升温，加热速度快且均匀。物料因为在微波场中发生介质损耗，引起体积加热^[4]。如图 2所示，当电介质置于微波场中时，介质材料中会发生偶极子或已有的偶极子重新排列，带正电的一端趋向负极，带负电的一端趋向正极。本来杂乱无章排列的偶极子，就变成有一定取向的规则排列的偶极子^[5]。微波频率极高，偶极子排列时又会随着高频交变电磁场以每秒高达数亿次的速度摆动，分子随着不断变化的高频交变电磁场的方向重新排列。但是分子原有的热运动和分子间相互作用的存在，使得偶极子在随外电场变化做摆动时，受到干扰和阻碍，产生类似于摩擦的作用，从而产生大量的热量^[6-7]。

微波具有独特的加热效果，可对放置于微波场中的矿石进行选择性加热，有用矿物与脉石矿物具有不同的升温特性，使不同矿物间形成热应力，促进裂纹的产生和扩展，矿石的整体强度降低，硬度减小，有利于矿石的碎裂。并且产生的热应力发生在不同的矿物间，裂纹也大多产生在不同的矿物界面间，当外加机械力时，容易在界面间发生断裂，促进矿物的选择性单体解离。

2 微波在破碎中的作用

破碎是大块物料在外力作用下粒度减小的过程，常见的施力方式是机械力，它会严重磨损机械设备，而且能耗较高。而微波对于放置在微波场中的矿石具有选择性加热的特点，产生的热应力可促进矿石中裂纹的产生，这对于整个矿石的破碎过程是有利的。矿物的吸波特性和矿石粒度等因素对于微波在矿石破碎过程中的应用有着重要影响，主要影响矿石中温度的分布，进一步可改变矿石的硬度，有效提高破碎效率，减少设备磨损，降低破碎成本。

2.1 微波场中矿石的吸波特性

早在20世纪90年代，Kingman^[8]对4种矿石进行了研究，每种矿石先进行破碎抛光，然后使其暴露于微波辐射下处理不同的时间，发现对微波辐射敏感的矿物温度随暴露时间延长显著升高，对微波透明的矿物温度几乎不变。白立记^[9]等人在对锡石多金属硫化矿微波辅助磨矿机理的研究中，用微波对矿样进行吸波能力测试，结果发现，吸波能力最强的矿物为脆硫锑铅矿，RE(为被测物料吸收的微波能量与中间介质水所吸收的微波能量的比值)值高达33.96，其次为黄铁矿，RE值为28.04，脉石矿物吸波能力最差，碳酸钙RE值为2.12，而石英RE值为0，吸波能力的不同是选择性加热的基础。

刘全军^[10]等人发现，物料的介电常数是决定物料反射和吸收微波的主要物理量。介电常数大时，对微波的反射率小，吸收率大。介电常数小时，反射率大，吸收率小。如此将物料分为四类：良导体、绝缘体、介质和磁性化合物。每种类别对于微波的吸收特性不尽相同。在对纯矿物的升温特性研究中，温度的升高取决于微波功率。研究结果发现，硫化矿物和金属氧化矿物温度升高明显，而非金属矿物(主要成分为脉石)温度几乎没有变化，微波只是透过和反射。

在加热过程中，每种矿物的介电常数不同，介电常数越大，升温越迅速，反之越慢^[11]。有用矿物和脉石矿物具有不同的介电常数，置于微波场中时，有用矿物和脉石矿物表现出不同的升温行为，这就实现了微波对置于微波场中物料加热的选择性，即有用矿物被加热温度升高，脉石矿物温度基本不变。

2.2 粒度对微波加热矿物的影响

介电特性是反映物料在微波场中吸波能力的物理量，物料的吸波能力与物料的升温行为密切相关^[12]。因此，研究矿物介电特性可以更加了解矿物在微波场中的升温行为，进一步了解矿石中裂纹的产生和矿物间的相互作用，而物料粒度也是影响矿物介电特性的重要因素^[13-14]。处理不同粒度的矿石，由于介电特性不同，就会引起微波场中热源强度的变化，影响物料升温速率与最高温度^[15]，这对于微波功率的确定、提高能量的利用率有重要意义。

Somani A^[16]等研究了不同粒度铁矿石在微波中的粉碎速率(指单位时间内被碎料粒径的变化)，结果发现，随着铁矿石粒度增大，粉碎速率增大。在对褐煤处理中，存在相同的情况。Kingman^[17]等人也发现了矿石粒度对微波处理结果的影响，粗粒在微波场中反应良好，含有高度分散的细粒矿石是最差的。

刘亚静^[18]等在研究不同粒度的硼铁矿介电特性的影响中，采用谐振腔微扰法测定了固定频率下该矿物的介电特性，结果表明：矿样粒度减小造成填充层空隙率降低，介电特性增强，温度上升时，矿样的空隙率升高，介电特性下降，通过对介电特性的影响，进而影响矿样的升温行为。

王俊鹏^[19]等对我国攀西地区不同粒度的钒钛磁铁矿在微波场中的升温性能进行测量，综合分析了不同粒度的钒钛磁铁矿介电常数实部、介电常数虚部、损耗角正切随温度的变化关系。结果表明，随着粒度减小，细粒级矿石间的空隙率小于粗粒级，介电特性增强。并且矿石的粒度对微波的穿透能力影响较大，温度升高，穿透深度下降，粒度越大，损耗角正切越低，穿透能力越强，由此确定钒钛磁铁矿微波加热时的适宜厚度。

矿样粒度不同，介电性能存在差异，进一步影响矿样的升温行为。对于某一特定粒度的矿石，存在最佳的微波频率使其温度快速升高，并与周围包围的矿石形成温差。这样根据矿石粒度就可以选择微波的频率，以提高输入微波能量的利用率，有效降低成本，节能降耗。

2.3 微波加热矿物的温度分布

微波场中，分子的极化能力越强，介电常数和介电损耗系数越大，则物料在微波场中的吸波性能越好，升温速度越快^[20]。

蒋永林^[21]等对辉钼矿在微波场中的升温行为进行研究，当微波功率为0.8 kW、辉钼矿质量为100 g时，样品温度随时间呈现阶段性的上升趋势。这是因为随着微波能量的吸收和转化，矿样内部发生了变化，水分蒸发，挥发性物质脱除，这些都会导致温度发生变化。

郑孝英^[22]等人测定钛渣在微波场中的升温特性，研究发现，微波加热后钛渣中的主相发生变化，金红石变为主相，金红石为弱吸波物质，造成后期的温度变化缓慢，升温速度降低。

在对微波照射下岩石颗粒温度分布和影响因素的研究中，李勇^[23]等人利用微波对黄铁矿和方解石组成的岩石进行加热，对矿石颗粒温度场进行计算，以此来研究矿石内部温度变化和温度分布的影响因素。由方解石包裹的黄铁矿岩石近似球形颗粒，放置在微波腔体中心，设置功率为1 kW，照射时间为5 min。岩石颗粒的温度云图及沿Y轴径向上的温度曲线显示，岩石颗粒的温度由内向外依次递减，这是由于内部的黄铁矿介电常数远远大于外部的方解石，并且微波加热属于体加热的特点，导致岩石内部温度最高。

张永利^[24]等人在研究低渗透煤岩温度影响特征时，利用实验室自主研发的加热仪器进行加热，通过温控装置对温度进行控制，煤样温度随微波时间变化。结果表明煤样的升温速度与微波功率直接相关，功率越高内部热源范围越大，升温特性越显著。对辐射时间和微波功率对温度梯度进行分析，功率一定时，加热时间越长，岩石吸波越多，温度越高。当辐射时间一定时，功率越高，颗粒的最高温度越高，造成在两种物质界面处的温差最大，热应力也就越大，裂纹越容易产生。虽然使用长时间低功率与短时间高功率都能使颗粒达到相同的温度，但是相对来说，短时间高功率能量消耗较少，且在界面处形成的温度梯度更大，热应力也越大，可以提高破碎效率。

利用微波对矿石进行加热时，热源处于矿物内部，由内而外进行加热，这与常规加热明显不同，并且加热效果更好。物料的中心温度随功率增加而升高，表面温度与内外温差都与微波功率密切相关。除此之外，微波加热时间越长，温度越高，不同矿物间的温差越小^[25]。随着温度升高，矿物的介电特性也会发生变化，进一步对矿物的升温行为产生影响。了解矿物在微波场中的温度分布，可以有效控制微波的功率和辐射时间，进而对裂纹的产生进行控制，有效降低能量输入，节能降耗，这对矿石在破碎过程中机械力的施加具有指导意义。

2.4 微波加热对矿石硬度的影响

微波具有穿透能力，不同矿物对于微波的吸收和反射能力不同，当对矿石进行加热时，不同的矿物表现出不同的升温特性^[26]。温度升高的越剧烈，不同矿物间温度梯度越大，在不同矿物界面上产生的热应力越大，对于被包裹的有用矿物形成的热冲击越强，从而影响整个矿石的强度^[27]。强度的降低可大大提高破碎效率，有效减轻设备的磨损。喻清^[28]等人在微波辐射对铅锌矿力学强度的影响研究中，所使用的铅锌矿含有一定量的硫，硫属于微波吸收体，升温迅速，而脉石不吸收微波，不会被加热。因此在微波场中，脉石矿物与金属矿物形成温度梯度，内部形成的热应力使铅锌矿整体强度弱化。付润泽^[29]等人对惠民铁矿矿石进行微波处理，发现微波处理后的矿物内部孔隙率提高24.04%，并且SEM图像显示，微波处理后的矿物产生大量的晶界间缝隙，晶界断裂，内部缺陷大量增加，大大提高矿石的可磨性。

在加热过程中，矿石温度不断升高，这也会影响矿石内部的物质结构，发生不同程度的物理化学变化。部分矿物在加热过程中，本质结构会发生变化。例如石英在573 ℃时，会由α-石英转变为β-石英，而这两种物质在体积上存在很大区别，β-石英的体积比α-石英大，这就导致在加热过程中，体积变化诱发裂纹的产生，或者使已有的裂纹不断扩大^[30-31]。对于一些石灰岩类矿石，主要成分是碳酸钙，在高温环境下分解产生二氧化碳，气体的产生不可避免的对周围矿石产生压力，温度越高，气体体积膨胀越快，压力越大。因此在矿石内部，除了由于温度梯度产生的热应力外，还有因为气体而产生的气压，这都会在一定程度上降低矿石的硬度。

Vladimir Rizmanoski^[32]研究了微波处理对铜矿石冲击破碎的影响，结果发现，物料在微波场中暴露很短的时间，就会使物料强度降低。除此之外，矿石内部都会含有一定的水分，在微波场中进行高温加热时，矿石内部的水分会蒸发，或者其他组分分解产生气体，都会对周围矿石产生压力，裂隙容易产生，或使已有的裂隙扩展，从而使矿石的硬度降低^[33]。

在矿石粉碎过程中，硬度可以衡量矿石粉碎的难易程度。易粉碎的矿石能量消耗较少，难粉碎的矿石能量消耗相对较多，因此，硬度是影响能量消耗的重要因素。通过微波作用使矿物间形成温差，产生热应力的方法，或是其他途径使矿石内部受力，促进裂纹的产生，可以有效降低矿石的硬度。硬度降低，对粉碎设备的磨损减小，延长设备的使用寿命，减少零部件的更换频率，有效降低工人的劳动强度。

3 微波在磨矿中的作用

磨矿是选矿中能量消耗最多的作业，能量利用率最低，因此提高矿石的可磨性显得尤为重要。粉碎矿石的难易程度常用可碎性和可磨性系数表示^[10]，微波加热可以促进矿石中裂纹的产生，降低矿石的强度，提高可磨性系数，这对磨矿作业是很有帮助的^[34]。并且热应力多产生在不同矿物界面间，裂纹也多在界面间产生，磨矿时，不同矿物间的裂纹促使矿物发生选择性单体解离，这也为后续的分选作业提供便利。

3.1 微波提高矿石的可磨性

利用微波的选择性加热作用使不同矿物间产生热应力，降低矿石的硬度和强度，可有效提高矿石的可磨性。王帅^[35]等在研究微波处理对方解石磨矿效率影响的实验中，分析了微波温度和微波处理时间对结果的影响。D₉₀粒度分析显示，700 ℃之后，方解石分解，内部产生水蒸气和CO₂，形成内外压差，导致裂纹形成，强度降低，可磨性提高，粒度降低，磨矿效率提高。Kingman^[36]等用微波辐射含铜碳酸盐矿石进行可磨度实验，探究微波对磨矿性能的影响，结果表明，短时间内高强度的微波对于增加矿石裂纹及裂纹扩展很有帮助，矿石在球磨机中的粉碎速率提高40%以上。

在铁矿石的可磨性研究中，陈鹏飞^[37]等对内蒙古某铁矿石进行微波处理，结果发现经过微波处理的铁矿石研磨后，与未经过微波处理的铁矿石相比，平均粒度大幅下降，并且微波处理时间越长，平均粒度下降的越多。戴俊^[38]等在研究不同微波照射参数对花岗岩强度影响的实验中，微波场中的矿物破碎能量效率明显提高，热应力达到矿物的强度极限时，就会产生裂纹，强度降低。大功率短时间的辐射，有效集中高温，减缓矿物间的热传递，热应力越大，裂纹越明显，可磨性越高。

焦鑫^[39]等在对陕西某低品位钼矿石微波处理研究中发现，马弗炉加热处理的矿石，可磨性远远不如微波加热的矿石。与未经处理的矿石相比，相同的磨矿时间内，微波处理过的矿石颗粒-0.74 mm的含量在温度控制合理的范围内，可高达90.00%，并且后期浮选指标明显提高。R.K.Amankwah^[40]等对微波加热金矿研究中发现，微波处理使矿石强度降低31.2%，可磨性提高。在煤矿的微波处理中，B.K.Sahoo^[41]等研究微波处理对高灰印度煤可磨性影响，微波处理过的煤比未处理的煤初始研磨速度快，粉碎速率增加15%，可磨性指数增加，更易于研磨。S. Marland^[42]等发现将煤在微波场中暴露5 min，可磨性提高50%。

与传统磨矿相比，微波加热使矿石裂纹增加或扩展，降低矿石的硬度，提高矿物的可磨性，必然会降低磨机的能耗。在同等能耗下，可提高磨机的生产能力。同时，可磨性提高，降低对磨机的磨损，可以降低成本。

3.2 微波促进矿物单体解离

矿石在加工之前，有用矿物和脉石是紧密的连生在一起的，要获得最后的精矿，必须使连生在一起的有用矿物和脉石解离。所以对于被加工的物料，既要单体解离，连生体占总量的比例要小，粒度符合后续分选的要求，又不能过粉碎^[43]。矿石由两种或更多种矿物组成，而微波具有独特的选择性加热特性，在对矿石加热中，不同矿物的介电常数不同，吸波能力不同，微波辐射后升温特性不同，升温速率也不同，不同矿物在相界面处形成温度梯度，并且温差越大，热应力越大，相界面间产生裂纹越容易，单体解离的可能性越高^[44-47]。

王俊鹏^[48]等在研究微波加热对钒钛磁铁矿磨矿性能影响的实验中，对矿石进行X射线衍射分析，微波加热后，通过SEM分析，结果发现矿石内部产生大量裂纹，这是由于微波的选择性加热造成的。有用矿物与脉石矿物吸波能力不同，进行微波处理时，有用矿物吸收能量，温度短时间迅速升高，在与脉石矿物的界面上产生裂纹，界面破碎作用显著增强。这就使得连生的矿物出现明显的解离，有利于单体的形成。

鲕状赤铁矿的嵌布粒度细，常与其他矿物形成层层环状包裹的鲕粒状，是一类比较难开发利用的矿石。要实现单体解离，细磨粒径必须为1~5 μm，这将消耗大量的能量^[49-51]。钱功明^[52-53]等以鄂西鲕状赤铁矿为研究对象，用微波对矿石进行处理，采用X射线衍射分析和SEM及EDS对处理前后的矿石进行分析，结果表明，原矿经过微波处理前后的微观样貌发生了很大变化，未经微波处理的原矿中鲕粒和基体矿物之间未出现裂缝。用不同功率、不同时间的微波处理的矿石中，鲕粒与基体矿物间出现了不同程度的裂缝，甚至有断裂的情况发生，从而实现鲕状赤铁矿的单体解离，可磨性显著提高。

微波加热促进金属矿解离度的提高，在煤炭领域同样有解离效果^[54]。赵伟^[55]等对煤岩组分解离的研究中，发现用微波处理后的煤样颗粒，丝炭结构较为松散，存在明显的裂纹，这种裂纹数随着微波辐射时间延长而增加，镜煤外观为块状，裂纹不明显。造成这种差异的原因是丝炭与镜煤两者之间对微波的敏感程度不同，并且在煤岩的伴生组分中，微波作用加强了界面处结合力较弱的裂纹的扩展，形成解理面。

微波技术促进连生矿物单体解离，不用额外对连生矿物施加机械力，就能起到很好的解离效果，并且微波的能量输入远低于机械的电能，还避免了机械的磨损和维修，从经济的角度考虑，采用微波加热促进矿物单体解离是经济合理的。并且微波处理的矿石，裂纹都出现在矿物的界面间，暴露出更多的有用矿物面积，这对于药剂的吸附是有利的，从而起到较好的选别效果。

4 微波技术在矿物加工业中应用的展望

传统的靠机械力来粉碎矿石的方法，能量消耗过大，即使现在粉碎设备在性能方面有了很大程度的优化，但是能量消耗依然占整个选厂很大一部分。微波技术具有独特的加热效果，热应力可以在矿石间形成更多的裂纹，从而降低粉碎能耗。但是这项技术在矿业方面的应用还是处于起步阶段，很多研究都只停留在实验室阶段，这主要一方面是由于现有的微波发生器和波导管尺寸小，微波处理物料的能力很小，难以用于大处理量的矿物加工业。另一方面是虽然微波加热物料能量损失小，但是电能转化为微波能效率低，目前应用的微波频率多为2.45 GHz，电能转化为微波能的转化率仅为50%，因此需要综合考虑总的能耗。而且微波技术设备投资和成本较高，影响了微波技术在矿物加工业中的应用。但是，随着微波技术的发展，大功率微波发生器和大规格的波导管问世，微波技术有可能在价值高、处理量小的矿石选择性粉碎中得到应用，如金刚石矿和石墨矿的精选中得到应用。