利用高磁場強度的電磁波預處理多相材料的製作方法

2023-10-04 08:39:09

專利名稱：利用高磁場強度的電磁波預處理多相材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及產生高磁場強度的電磁輻射，優選的是微波輻射，優選採用微波輻射弱化多相材料的相間附著力。
本發明是由如何加工礦石的思考引發的，並在說明書中對此問題加以說明。可以理解，本發明具有廣泛的應用範圍。
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是眾所周知，並且礦石粉碎是很成熟的行業。銑削或磨碎礦石是一個能量密集型的過程。據估測，美國所用總能量的1.5％用於粉碎礦石或礦物。這是一個很大的市場。
有關在用銑削設備或研磨設備處理前如何預處理材料，存在多種方案。一些方案涉及化學處理，一些方案涉及熱處理，還有一些使用微波預處理未經成功實施的建議。還有使用放電處理的建議。現有技術中已經實施的方案與推測的方案在很多觀點上往往相互矛盾。
此領域的一些文獻包括美國專利No.5 824 1533，PCT專利申請WO 92/18249，英國專利申請No.GB 2 120 579，並且刊物有″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。
有關常規多種形式微波生成設備的應用存在很多討論，利用上述設備在相當長的時間周期內(10秒或者更長時間)向一批材料施加微波處理，然後再將材料壓碎或者磨碎。
在上述一些刊物中報導了，微波處理礦物消耗的能量遠遠大於粉碎過程中節省的能量。
上述的一些建議缺乏實驗依據，基本上處於理論階段。還有一些方案並非以真正的礦石進行實驗，而且採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。一些預測認為，溫度升高會融化所需的礦物或使其化學變性，經濟地提取礦物質相當困難或者根本就是不可能的，因此缺乏吸引力。
綜上所述，實際上礦石加工企業的設計人員根本不認為微波預處理是可行的，或者是需要的。當前，微波預處理也不被認為是可以降低總成本的方法。本行業中存在不予使用微波的偏見。即使是一臺生產規模的設備也並未眾所周知，該設備將微波預處理作為粉碎前處理礦石的調節步驟。
英國專利局進行了檢索，找出了下列文獻GB2205559(Wollongong Uniadvice Ltd)公開了一種乾燥和加熱礦石的方法，其中使用碳材料進行加熱。
EP0041841(Cato Research Corporation)公開了一種使用微波能量改變其化學性質、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的方法，該方法具有相當於1小時的處理時間，在此期間每隔10秒-2分鐘，就用1-30秒周期的微波能量脈衝輻射礦石。
US 5003144(Lindroth)公開了利用微波輻射預弱化礦物的裝置。微波輻射的長時間應用充分加熱了礦物，從而引起礦物中的化學變化，所需礦物質的降解。
根據本發明的第一部分，我們提供一種後續處理以前微波預處理多相材料的方法，材料含有第一相材料和第二相材料，該方法包括在連續過程中以至少109Wm-3功率密度電磁加熱材料，在此連續過程中材料進入並穿過電磁處理區域，為了後續處理，材料在處理區域中經受了1/2秒或更短的微波輻射後通過處理區域。
本發明的一個重要應用是在處理礦物過程中弱化多相複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現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，兩相有可能產生熱膨脹差別，從而造成相界面的破裂或弱化。優選的是，依舊在微波處理後對礦石進行後續處理，例如對礦石或脈石機械預處理，從而分離第一相材料與第二相材料。
我們發現了一個非常吸引人並有商業價值的效果。採用微波加熱多相材料(或其它材料)的時間必須遠遠小於以前認定的所需時間。我們首先將材料在1秒或更短的時間內暴露在高強微波下，但是在大多數可能的情況下暴露時間可以是0.5秒或者更短的時間、0.25秒或者更短的時間、0.1秒或者更短的時間、0.01秒或者更短的時間、0.001秒或者更短的時間。基於對第一相材料和第二相材料的選擇，將材料在微波處理區內暴露1ms(或更短的時間)是令人滿意的。在微波處理區域中微波輻射時間為1秒的0.1或0.2的等級範圍內，對於很高功率密度的動力消耗可以取得最佳的弱化效果。我們認為，特有的功率密度應該是大約1012瓦/立方米或者更高，優選的是1015或者1016瓦/立方米或者更高。
令人滿意的是，材料在處理區域內停留或穿過的時間可以長於、或遠遠長於材料實際遭受電磁輻射的時間。
同樣令人滿意的是，在連續處理過程中材料可以連續物流的方式通過微波腔。微波腔具有高能電場，可以產生高功率密度(例如1015、1016Wm-3或者更高)，材料可以穿過高磁場強度的電磁波，僅僅在高強度區域內短暫停留。此方法有兩個優點，一個是增加了材料通過處理設備的處理量，另一個是利用了不需要長時間輻射就可以達到所需效果的觀點。這兩個優點具有複合效果。
在一些實施例中，本發明包括在微波腔內產生持續微波，並確保複合材料在微波腔的某個位置受到輻射，獲得駐波的最大強度。
本發明方法可以使用導向裝置，將複合材料導向駐波最強的方位。
根據本發明的另一部分，我們提供一種弱化多相複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、或高電磁場強度的微波輻射複合材料，輻射時間可以是0.5秒量級、0.25秒量級或者更短的時間。
在上述定義中0.5秒量級、0.25秒量級，我們認定在一些實施方式中排除了1秒，而在其它實施方式中依舊包括1秒。
根據本發明的另一部分，我們提供一種微波處理材料的裝置，其中包括微波處理區域；安裝在處理區域的微波發射器；
適合將材料輸送微波過處理區域的材料傳輸裝置；此裝置應當滿足下列條件發射器適合發射功率密度至少為109Wm-3的微波；所述的材料傳輸裝置應該以足夠快的速度將材料送過微波處理區域，從而使材料在1/2秒或更短的停留時間內經受微波輻射。
根據本發明的另一部分，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秒或更短的輻射時間內將高功率密度的微波、或高電磁場強度的微波施用於材料。
根據本發明的另一部分，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秒或更短的輻射時間內將高功率密度微波施用於材料的微波腔。
優選的是，材料以能夠達到所需暴露時間的速度通過微波腔，從而實現暴露時間。
根據本發明的另一部分，我們提供一種弱化多相複合材料第一相材料與第二相材料之間附著力的裝置，其中包括適合於將高功率密度微波在0.5秒或0.25秒或更短的時間內施用於複合材料的微波腔。
我們可以將礦石暴露在微波或其它射線下，持續1秒鐘或更長時間，畢竟我們已經發現了對此種照射的保護措施。
根據本發明的另一部分，我們提供一種連續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施用於穿過微波腔或微波區域的礦石或脈石，從而使其弱化，然後將連續輸送的礦石或脈石送入機械處理設備中機械粉碎。
微波可以採用脈衝形式，並且脈衝對材料的連續施用並不意味著排除了微波的反覆脈衝。
如果先採用微波預處理弱化礦石或脈石，然後再使用機械粉碎步驟將其粉碎，那麼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，可以使本發明在實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度，我們就可以讓材料採用連續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)，該速度應當足夠的快，從而使材料在短暫時間內暴露於高強微波(例如0.5秒、0.25秒或者更短的時間，也許等級在1ms)；並且一方面的事實是，對材料短暫時間的輻射可以降低單位材料的成本，另一方面的事實是，連續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域的事實也提高了處理量，因此，上述所有事實都說明，本發明降低了單位材料的處理成本。
微波的電場強度與造成弱化或加熱差異所需的輻射時間相關聯；電場強度越高，所需輻射的時間就越短。
根據本發明的另一部分，我們提供了一種連續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施用於礦石或脈石；以及另一種加料裝置，適合將連續輸送的礦石或脈石送入機械處理設備中機械粉碎。
我們也認為，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。
根據本發明的另一部分，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生至少100℃的溫度梯度，或者使用持續的微波差別加熱第一和第二相材料。
根據本發明的另一部分，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生至少100℃的溫度梯度，或者使用持續的微波差別加熱第一和第二相材料。
根據本發明的另一部分，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生至少100℃的溫度梯度，或者產生持續的微波差別加熱第一和第二相材料。
本發明可以提供產生持續微波的單模微波腔。
根據本發明的另一部分，我們可以提供一種迅速加熱材料的方法，其中包括產生持續的微波，並形成電場強度的峰值區域，並且可以在所述電場強度的峰值區域內處理材料。
我們認為，標準的多模微波腔與常規家庭微波爐的腔體相似，具有很多優點並且容易獲得，是廣泛應用領域中的首選設備，但是它不能獲得峰值的電場強度。多模微波腔並不在腔內產生單一的駐波—而在其腔體切向方向任意均勻地發布能量，從而在整個腔體內達到能量均勻分布的效果。這已經成為多模腔體設計者的動力。然而，我們也認為，當加工材料時經常會出現下列情況在合理成本下由於缺少充足能量的多模腔體設備，當需要很高的電場強度時，最好的辦法就是使用能夠持續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域(功率密度與電場強度之間相關聯，電場強度隨著功率密度以大於1的冪次變化—通常是二次冪的關係)。我們認為，為了施用常規微波生成器(或者是任何特定的微波生成器)產生的最大電場強度，需要將待處理材料的位置調整到駐波的峰值位置。通常，通過控制材料相對於腔體的位置，實現上述目的，此外，通過適當扭轉駐波的角度，將其峰值的位置調整到適合腔體內材料的位置，從理論上講也是可行的。優選的是，使用單模微波腔體。單模微波腔體可以提供良好的駐波。
根據本發明的另一部分，我們提供一種弱化多相複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的微波產生具有高電場強度區域的駐波，再將材料定位於高電場強度區域，從而引發第一和第二相之間的高熱梯度。
根據本發明的另一部分，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處理方法，該方法包括將多相材料連續通過作用區域，在此區域內多相材料的輸送速度至少保持在500噸/小時，微波產生的功率密度至少是109、1010、1012、1013、或1014Wm-3，所述材料在微波區域內停留一定的時間，在此停留時間內材料經受了多種微波能量脈衝的輻射，例如在總計幾ms、1ms或者更短的時間內微波輻射材料，其中多相材料的平均溫度增加量小於大約40℃，其中在相間產生了足夠大的熱應力，以致斷裂了不同相間的附著力，其中待提取的相材料化學性質未發生顯著的變化。
使用微波的脈衝周期是幾μs、幾十μs、幾百μs或者更短的時間。
僅採用實例方式對本說明的具體實施方式
加以說明，並參照下列


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圖解說明根據本發明微波處理後圖1a的脈石；圖2A圖解說明根據本發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說明了對應溫度的介電損失；圖7說明對應溫度的微波功率密度的變化；圖8說明了單軸向壓縮強度實驗中模擬負荷的方向；圖9說明了2.45GHz、2.6kW微波腔體內的溫度分布；圖10說明了不同加熱時間的效果；圖11說明微波加熱時間對自由壓縮強度的效果。
圖12說明在自由壓縮實驗中切向裂紋的發展；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說明了不同加熱時間下的應力與應變曲線；圖15說明了在功率密度為1011Wm-3的條件下對應加熱時間的自由壓強；圖16說明了在功率密度為1011Wm-3的條件下在自由壓縮強度實驗的過程中切向裂紋的發展；圖17說明了在功率密度為1011Wm-3的條件下對應加熱時間的負荷指數點；
圖18說明了在不同功率密度的條件下對應加熱時間的負荷指數點；圖19說明了對應ECS的t10；圖20A-20C說明了圖3單元的進一步變化；表1說明了作為溫度函數的比熱；表2說明了作為溫度函數的導熱率；表3說明了作為溫度函數的熱膨脹係數；表4說明了不同礦物的機械特性；表5說明了不同加熱時間對材料溫度與壓縮強度的效果；表6說明了在更高功率密度的條件下相似於表5的因子；表7說明了對應多模腔體功率密度為3×109-9×109Wm-3的斷裂參數；表8說明了對應具有更高功率密度的單模腔體的斷裂參數；表9是參考文獻列表。
圖1a說明，脈石材料10是由鑲嵌在第二相材料基質14的第一相材料晶體12構成。第一和第二相材料的實例可以有，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矽酸鹽、長石或方解石。可以認定，這些實例只用於說明，未經限定。還可以含有第三相材料或第四相材料，從而，脈石材料10中也可以出現材料16。因此，脈石材料10可以由具有晶界的多相材料構成。
圖1b展示了根據本發明微波處理後的脈石材料10。第一相材料12晶體或區域對於材料14具有弱化的附著力，因為由於裂紋、斷層和區域應力與應變的出現，晶界受到了弱化。請參看20。此外，第一相材料中出現了裂紋22，而第二相材料中出現了裂紋24。
現在無法深刻理解兩相材料晶界的確切性質，但是可以認定，兩個規則材料之間存在紊亂區域。如果這是事實，就可以明確地假定，晶界是一個弱化區域。然而，礦物的粉碎說明，晶界是一個受力的區域(在礦物的加工過程中穿晶斷裂很普遍)，因此可以負面影響一種材料從另一種材料的釋放。因此，理論認為，晶界應該是一個弱化區域，常規粉碎實踐說明，晶界特別堅固。然而，假定如果微波能量可以產生晶界周圍的微裂紋，那麼就可以降低粉碎所需的能量，並且促進貴重礦物的釋放。
在晶界出現裂紋的原因是因為兩種相材料的區別升溫。經認定，兩種相材料從微波中吸收了不同的能量，並具有不同的溫度變化速率，從而產生了熱應力。然而，過去在成本經濟的條件下這種情況並未真正出現。
根據本發明可以認定，上述情況未曾發生的原因是不同相材料之間沒有形成充足的溫度梯度。我們認定，為了獲得更高的溫度梯度，應該使用更高的電場強度或者更高的功率密度。(例如)對於一些應用功率密度的量級可以是1016Wm-3、1015Wm-3、1014Wm-3。基於腔體的設計與材料的介電性質，我們應該生成105-107Vm-1的電場，或者是在0.05×106Vm-1範圍內的電場。當然，這些數字僅用於舉例說明，並非做出限定，從而沒有限定作用。
採用地理機械2-D限定差別模型軟體、FLAC V3.3(Itasca1995)，建立數位化模型。模型範圍限定在15毫米寬30毫米高的區域內，此區域可以細分為邊長0.04毫米正方型單個區域。在模型區域內黃鐵礦顆粒的位置隨機產生，形成一個相對分散的礦體，參見圖5。已經證實，此種分散類型容易對微波加熱產生反應。可以認定，用於建模的「礦物學」知識或材料結構可以作為實際情況的簡化方案。然而，本發明目的是確定功率密度對附著力降低程度的影響，而與礦物學知識無關。因此，只要實驗之間礦物學知識相同或材料結構相同，所得的實驗數據就可以進行比較。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個主要階段，下文中將做更具體的說明1.微波加熱兩個不同的材料相2.在加熱過程中在兩種礦物之間進行瞬間熱傳導3.測定熱應力與熱應變的峰值4.模型化由於材料斷裂與應變軟化的熱損傷5.模擬單軸向壓縮實驗，測定由於微波加熱造成的自由壓縮強度減少量。
第一階段微波加熱由於微波加熱儲存在材料中的熱能量值取決於內部的電場強度、微波輻射的頻率、以及材料的介電性質。
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(volts/m)
因為方解石的微波吸收因子遠遠小於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。Chen(1984)和Harrison(1997)的早期作品也證實了，這種假設是符合實際的。
經發現，黃鐵礦的介電損失因子εr」取決於溫度(Salsman1995)。在測定黃鐵礦能量密度的過程中，發現了εr」與溫度之間的關係，如圖6所示。
在2.6kW、2.45GHz多模微波腔體內加熱黃鐵礦，獲得了在不同溫度下一系列的模型初始功率密度。計算出的功率密度差別很大，在300K的3×109watts/m3到溫度大於600K(圖7)(Kingman1998)的9×109watts/m3範圍內。樣品礦體的最初溫度設定在300k。
第二階段模型化在微波加熱過程中的瞬間熱傳導採用可以用算法表達的明確限定差異法，模型化在加熱過程中微波熱能量的瞬間傳導。
熱傳導建模的基本概念是，在一個區域與其緊鄰的四個區域之間發生熱流量。熱流量的方向(例如進入或者穿出區域)和量級取決於區域之間的溫度梯度和區域的導熱率。極限條件是不考慮材料的熱量損失，例如認定材料充分隔熱。
確定區域間熱流量的基本定律是傅立葉定律，可以用公式2表達q＝K.Tdiff(2)其中q是熱流量的向量，單位為joule/sec/mK是導熱率的張量，單位為w/m.℃Tdiff是溫差(℃)
因此，單位時間增量Δt內存儲能量的變化可以由公式3獲得Δβ＝Δt.p (3)Δβ＝Δt.q，其中Δβ是存儲能量的變化量(Joule)。
對於邊長為1的平方區域i、j，採用明確限定差異的形式進行表達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)是區域(i，j)的導熱率Δt是以秒為單位的時間增量l是區域的邊長T(i，j)是區域(i，j)的溫度在特定的時間增量下，以焦耳為單位的熱能量與以K為單位的溫度之間的關係由公式5表達T(i,j)=(i,j)(m(i,j).C(i,j))---(5)]]>其中ΔT(i，j)是區域(i，j)的溫度變化m(i，j)是區域(i，j)的質量(單位為Kg)C(i，j)是區域(i，j)的比熱(單位joule/Kg.K)。
因此，由於熱傳導與微波加熱，在每次時間增量結束時按照公式6確定每個區域的新溫度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)是區域(i，j)在時間增量n時的溫度；Pd(i，j)是區域(i，j)的功率密度。
採用遞歸迭代公式4、5、6模擬指定加熱時間(ht)下的微波加熱和熱傳導，直到公式7的出現才令人滿意。
ht＝n.Δt (7)其中n是時間增量的個數Δt是以秒計的時間增量Ht是以秒計的加熱時間時間增量Δt限定在2.5×10-4秒以確保數值的穩定性，此數值可以對應於熱擴散面穿過區域所需特定時間的度量單位。
方解石和黃鐵礦的導熱率和比熱性質隨著溫度而變化(Harrison 1997)，並已作出了總結，參見表1和2。
熱應力與機械應力的配合第三階段熱應變和熱應力在加熱間隔結束時區域內產生了熱應變，假定周圍區域對其進行了絕對限制，因此均質膨脹由公式8表達ε(i，j)＝-α(i，j)·(Tn(i，j)-T1(i，j))(8)其中ε(i，j)是區域(i，j)的應變α(i，j)是區域(i，j)的熱膨脹係數(1/K)Tn(i，j)是區域(i，j)的最終溫度T1(i，j)是區域(i，j)的初始溫度。
經發現，黃鐵礦與方解石的熱膨脹係數由其溫度決定(Harrison 1997)。表3列出了方解石和黃鐵礦在不同溫度下計算獲得的熱膨脹係數，並在模型中應用。
接著，使用對應均質彈性行為的Hoek定律(公式9)，確定區域內經計算的熱應力
(i,j)=(i,j).E(i,j)(1-2v(i,j))---(9)]]>其中σ(i，j)是區域(i，j)內均質熱應力，假定周圍區域對其進行了絕對限制；E(i，j)是區域(i，j)的楊氏模數；v(i，j)是區域(i，j )的橫向變形係數。
熱應力的再分布為了獲得整個材料區域的靜態機械平均狀態，需要重新分布熱應力和熱應變。為了達到平均分布，採用FLAC默認計算模式將模型分級，進行靜態機械分析。默認模式進行了明確的時間進程限定差異計算，利用牛頓運動定律獲得相關部分的應變率、速度和力(Itasca 1995)。假定，材料作為線性均質彈性介質，其機械性能由楊氏模數、橫向變形係數和密度確定(表4)。
第四階段模型化與材料斷裂和應變軟化有關的熱損失當獲得靜態平衡時，通過採用塑性應變軟化模擬作為彈塑性材料礦體的基本行為，模型化應力大於材料強度的脆性斷裂。材料的強度近似于堅固的脆性晶體石灰石，具有125MPa的自由壓縮強度，其切變強度與線性Mohr-Coulomb強度標準相關(公式10)。
τ＝σn.tanφ+c(10)其中τ是切變強度σn是作用於切變面的正常應力φ是材料的摩擦角度c是材料的內聚強度假定，經過斷裂材料表現為一種脆性線形應變軟化介質，經過塑性變形，產生1％的應變，獲得最終剩餘的強度(表4)。
第五階段針對熱損傷樣品模擬自由壓縮強度實驗通過對熱損傷模型進行單軸向壓縮強度實驗(圖8)，可以預測出加熱對自由壓縮強度和裂紋發展的效果。
採用模擬平面變形分析，認定材料在穿出平面方向具有連續的平面變形。在區域左右邊界未做限定的條件下，將恆定速率施用到模型區域上下邊界的網格點，進行模擬。此實驗類似於控制位移的單軸向壓縮強度實驗。為了測定實驗過程中樣品內部的負荷變形關係，歷史文獻已經記錄了區域邊界頂部與底部的平均應力狀態。模型實驗進行到樣品產生大約0.2％軸向應變，由此模型預測出斷裂強度，並且可以獲得樣品應變軟化的一些詳細資料。
數字模型化的結論微波加熱時間為了確定微波加熱對方解石和黃鐵礦石強度的效果，對未經加熱的樣品和微波加熱1秒、5秒、15秒和30秒的樣品進行模型實驗。在不同功率密度的多模微波腔體內處理樣品，功率密度從300K下的3×109w/m3到溫度大於600K的9×109w/m3。
溫度分布對於4種加熱時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產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每一種溫度增量的溫度分布。由於在2.6kW微波腔體內加熱黃鐵礦顆粒需要一定的時間長度，可以認定黃鐵礦顆粒存儲的熱能量已經傳入周圍的方解石基質中。微波加熱30秒，將方解石基質加熱到大於600K。可以認定，此熱量傳導降低了礦石樣品內產生的溫度梯度，因此也降低了樣品內部的熱應力。
微波加熱對自由壓縮強度的效果在圖10中圖解說明了微波處理對礦石樣品自由壓縮強度的效果，並匯總在表5中。圖11展示了對應微波加熱時間標繪出的礦石材料的自由壓縮強度，表明1秒或5秒的加熱時間對礦石的自由加熱強度幾乎沒有影響。然而，在15秒和30秒的微波加熱條件下，可以認定自由壓縮強度有了顯著的降低。上述觀點可以歸因於如下事實加熱速率不夠充足就會造成一定量級的局部溫度梯度，從而產生超過礦石材料強度的熱應力。因此，由於不同的熱膨脹係數，產生超過樣品強度的盈利，礦體強度的模型化降低可以歸因於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重點是，在自由壓縮強度實驗後模型化樣品內部模擬切變面形狀的變化。對於經過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的裂紋形狀與未經微波加熱樣品中表現的裂紋形狀相似，即主要包括對應負載方向傾斜大約25°的連續切斷面。
增加微波功率密度的效果功率密度與加熱時間為了評價增加微波功率密度對溫度分布的效果，對於黃鐵礦材料採用1×1011w/m3微波功率密度，測定礦石樣品內部的自由壓縮強度和切斷面的發展。此功率密度值比採用2.6kW、2.45GHz微波腔體產生的功率密度大約高出10-15倍，但是在單模腔體內微波加熱黃鐵礦石，依舊很容易達到此範圍的功率密度(Salsman1995)。可以認定，採用15kw、2.45GHz能量水平的單模腔體提供微波能量，可以實現上述的功率密度(在此能量水平下上述功率密度很容易實現)。可以認為，微波能量未對方解石基質材料進行加熱。可以認定，功率密度越高加熱的時間就越短，可以採用0.05、0.25、0.5和1秒的加熱時間。
溫度分布對於4種加熱時間中的每一種情況，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生了明顯增高的溫度。與2.6kW微波腔體相比，縮短的加熱時間降低了熱傳導的程度，因此，減少了方解石基質的加熱量。在礦石樣品中產生了量級明顯提高的溫度梯度。通過模型實驗獲得的樣品內部溫度匯總在表6中。
微波加熱對自由壓縮強度的影響微波加熱對礦石樣品自由壓縮強度的影響參見圖14。與在2.6kW腔體內的強度減少量相比，從圖15可以發現，更高的功率密度產生更大的強度減少量，而且迅速完成大部分的強度減少量(在微波加熱的0.05秒範圍內)。模型實驗結果匯總在表6中。
切變面的形狀在加熱時間為0.05、0.25、0.5和1秒的情況下，模擬進行單軸向壓縮強度實驗後，礦石樣品內部出現的變切面形狀參見圖16。圖16說明，與未經加熱的樣品和2.6kW腔體加熱的樣品不同，產生的切變面呈現出不規則的特點，並在黃鐵礦與方解石之間的晶界聚集。這種情況歸因於沿著兩相界面出現的高熱應力，因為在相對未經加熱的方解石基質中黃鐵礦顆粒被瞬時局部加熱並迅速膨脹。
討論已經證實了微波的功率密度對理論礦石的影響。數字模擬已經清晰地說明，如果可以製備出吸收大部分施用能量的優選介電材料，那麼就可以實現壓縮強度的顯著降低。為了在本說明書中進一步說明此問題，採用由Broch和Franklin(1972)、Bieniawski(1975)研究獲得的眾所周知關係式，從模型化的UCS數據中計算出點負荷指數。所用的公式如下Is(50)＝UCS/k(11)Is(50)是校正於50mm中心的點負荷強度K＝24UCS是單軸向的壓縮強度。
上述分析所得的結果參見圖17和圖18。圖17展示了在低功率密度條件下微波加熱時間對點負載指數的影響。可以明顯地發現，隨著微波輻射時間的增長，點負載指數顯著降低。圖18中也表現出同樣情況，圖18展示了對於高功率密度輻射下的礦石與點負荷指數對應的微波加熱時間。對於圖11和圖15中的單軸向壓縮強度實驗，在高功率強度條件下點負荷指數特別明顯地降低，從未經加熱狀態的5.25下降到只加熱了0.2秒時的1.25。
點負載指數對於礦物處理工程特別重要，因為根據點負載指數可以迅速預測出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)之間的關係(Bearman et al 1997)。t10可以理解為細度指數，t10的值越大說明礦物處理得越出色。然而，實際上t10值可以用於再現破碎礦石的粒徑分布。t10值與單位粉碎能量有關，並按照下列公式表達(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。A是t10的理論限定因子，b是ECS圖形對應t10的斜率。對特定材料的A和b的確定可以計算出對應輸入特定能量的粒徑分布。
經證實，點負載指數與模式1斷裂韌度密切相關(Bearman1999)。Bearman認定Kic＝0.209Is(50)(13)其中Kic是模式1斷裂韌度(MN/m3/2)。
經證實，模式1斷裂韌度具有與破碎參數A和b明顯的相互關係(Bearman et al 1997)。
可以表達為b＝2.2465×KIC-1.6986(14)A.b＝126.96×KIC-1.8463(15)表7展示了對於在2.6kW微波輻射下暴露10秒和30秒的理論礦石、破碎參數的計算。表8展示了對於採用更高功率參數輻射處理的理論礦石、破碎參數的計算。這些數據與公式11結合，用於計算ECS對t10的影響。為了計算使用0、0.25、1和2.5kWh/t的能量輸入。只有在未經處理和採用極限處理時間(即30秒和0.02秒)的情況下，出現了清晰的數據。圖19展示了功率密度對ECS與t10圖形的影響。經發現，隨著功率密度的增加，圖形斜率顯著增加，並且只有在極低的能量輸入條件下達到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物相比，低功率密度處理理論礦石得到了更為粗糙的產物。如果假定，加熱材料的質量是1kg，每種情況下樣品輸入的能量是2.6kW，多模腔體內處理樣品的加熱時間是30秒2.6×0.5/60×1000/1＝125kWh/t而在單模腔體內以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(或電場強度)對礦石粉碎的影響。可以認定，建模階段所用的材料結構並非恰恰等同於「實際」礦石。然而，理論礦石在某種意義上具有與檢測過(Kingman et al 2000)的實際礦石相似的表現。而且，所得的斷裂參數A值與典型堅硬脈礦石的估計值相似(Napier Munn 1996)。
經證實，在極低輸入能量的情況下，功率密度的增長會導致應力的顯著增長。開發輔助粉碎工藝流程的微波，獲得了重大結果。得出的結論是，採用高功率密度的腔體，可以使微波處理礦物得到實際應用，尤其是還結合了熱輔助粉碎的其它優點。
討論中出現的參考文獻參見表9。
我們首次認清的上述理論分析具有重要意義，接著進行實驗，將高電場強度的駐波瞬間照射脈石樣品，並且樣品中確實出現了沿著晶體邊界的斷裂。可以觀察到裂紋沿著晶界延伸，確實令人鼓舞。
我們認為，以前處理礦物使用與常規微波爐結構相似的標準多模微波腔體。儘管多模腔體結構簡單，但是其具有效率差和電場強度相對較低的缺點。我們已經得出了結論，高電場強度對高能量吸收至關重要，並且對在晶界產生裂紋或弱化附著力至關重要。我們的結論是，「逐漸」加熱多相材料是不恰當的，因為時間會導致溫度梯度的下降。我們需要，在瞬間產生巨大的溫度梯度，從而在晶界產生巨大的應力與應變。使用高功率密度的微波輻射，可以更好的實現此目的。
實現此目的的一種方式不是採用標準的多模腔體，而是採用單模腔體。這些腔體特別包括一個金屬套，在此金屬套中引入正確的電磁場極化的微波信號，再經過多重反射。反射波的重疊生成了在空間中清晰界定的駐波型。電磁場配置的準確知識可以將待處理的脈石介電材料或其它材料放置在電場強度的峰值位置，獲得加熱範圍的最大值。雖然與多模腔體相比、單模腔體具有較差的通用性，但是我們認為，不採用傳統優選的多模腔體而使用單模腔體，可以獲得更高的電場強度。況且，在處理加工設備中調整單模腔體，從而使電場強度峰值區域出現在需要的位置，也是可行的。
然而，如果可以提供能夠產生充足功率密度的多模腔體，就沒有必要使用單模腔體並將材料定位在電場強度的峰值區域，現在已經出現了高功率密度的多模腔體。因此，優選使用能夠在其內部產生功率密度足夠高的多模腔體。
其實，採用足夠高的電場強度，我們可以加熱過去認為微波可以穿透的材料。
使用比多模腔體常規所獲得高得多的功率密度(例如1015Wm-3)，我們可以瞬間獲得數值上遠遠高於過去的沿著晶界的熱梯度。
我們發現，在輻射時間小於0.1秒的實驗中材料強度降低了50％，甚至是60％。我們已經證實了如下結論為了達到目的數十秒鐘的微波輻射沒有必要。
圖3A對單模微波腔體30進行了圖解說明。在此實例中腔體30適用於材料的處理。以32示意說明的礦物通過進料通道36進入微波預處理區域34。在圖3顯示的實例中，設備垂直放置，礦物塊或礦物碎片32(通常最大尺寸達到大約15cm)在重力的作用下垂直穿過進料通道36，再通過預處理區域34，最後穿過出料通道38。設備可以垂直放置，也可以傾斜放置(為了減緩礦物的進料速率)，甚至可以水平放置。
微波發射器40放置在微波室42中，可以使通過微波室42的礦物流32恰好穿過預處理區域34。
在微波發射器40的對面位置放置一個反射器或微波短程調諧器44。另一個反射器46放置在微波發射器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。
微波發射器40發射以49a示意表示的微波，通常頻率為2.45GHz或者915MHz(通常可用的微波磁控管頻率)。可以連續發射微波，或者採用脈衝方式發射。微波由反射器44反射回來，以49b示意表示的反射波與發射器40首次發射的微波發生幹涉現象，產生了一個駐波形。此駐波形至少有一個峰值區域52(功率密度的峰值區域)和一個最小值區域(功率密度的最小值區域)。
因為需要電場強度最大值，從而達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，峰值區域52是礦物32通過預處理區域34的位置。此外，換一種說法，我們確保，材料32在電場強度最高或足夠高的位置穿過處理區34。我們既可以控制峰值出現的區域，也可以控制腔體內處理材料的位置，或者對上述兩者都加以控制。在駐波中可以僅有一個峰值區域。
我們具有一個微波生成裝置，並通過波導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，並調整腔體使其內部處理材料區域的電場強度最大化。
圖3B說明腔體內所受的電場強度沿著腔體區域的變化，該腔體區域從進料通道36開始。可以看到，在腔體中間或與通道36中間對齊的區域具有高於邊緣的電場強度。這是由形成駐波的相長幹涉造成的。
圖4a展示了與圖3相似的實施方式，其中進料通道36』將輸入的材料導向處理區域34』，該處理區域對應於微波駐波的峰值區域52』。在圖4a的實例中，將材料流引導通過電場強度峰值區域的原因是出口緊鄰峰值區域52』的煙道型通路。現有微波設備可以產生帶有單一峰值的唯一駐波。在未來這種情況會持續下去，或發生改變。
圖4a概念性地展示了，調整腔體內駐波或處理區域34』以控制峰值位置的能力。對於微波源40』反射板44』可以進行移動，示意性地加以說明。虛線標註的反射器44』的兩個位置和箭頭56圖解說明了反射器移動，從而展示了可移動特性。
當前圖4b還相當富有想像力(因為如何產生如圖所示的駐波不得而知)，該圖示意說明了一個替換裝置，該裝置是具有若干引導結構的進料通路36」，該引導結構將穿過處理區域的可流動材料分成了多股，參看60，其中每一股材料流都會遇到微波腔體內形成駐波的多個峰值區域52」。可以認定，採用出口對應駐波峰值區域的通路，實現此設想是可行的。只要具有多個峰值區域，就可以實施如上所述的方案。在將來上述方案是可以實施的。
微波發射器的功率是1-100kW，在本實例中使用的是15kW。微波發射器的功率密度是109-1015或1016w/m3。採用高於109w/m3的功率密度是可行的，但是更高的功率密度會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)。
優選採用通過處理室不太大的「塊狀」尺寸(例如最大尺寸小於20cm或15cm)。
圖20A示意說明了對於圖3A、4A和4B的替換方案，一種運送礦物200穿過微波處理區域的方法。將礦物200放置在傳送帶206上，該傳送帶連續輸送礦物200，通過喇叭口204下方並穿過虛線212示意的微波區域。設置傳送帶的速度，使每一塊礦物具有1ms的輻射時間(喇叭口204下方微波區域內的停留時間)，此方案具有1000噸/小時的處理量。在頻率為433MHz、915MHz或2.45GHz的條件下，微波發射器每1ms產生4次1μs脈衝輻射，意思是每塊礦物要經受4次1μs脈衝輻射。在虛線212之間產生了達到30kVcm-1的電場強度，此強度下在空氣中電場發生斷裂。我們需要，在一些實施方式中使用在空氣中電場不發生斷裂的電場強度。
在其它實例中，在橫穿微波區域的時間內，礦石經歷了10次、或50次、或100次、或更多次的脈衝輻射。
圖20B示意說明了輸送材料200穿過虛線212示意的微波輻射區域的替換方法。採用空氣泵推動礦物200，使其以達到12ms-1的速度穿過微波輻射202的區域。礦物的流動速度可以受到控制。與使用傳送帶所能獲得的輻射時間相比，本方法產生了對於微波輻射202更短的暴露時間，並且可以獲得更高的處理量。本實例中使用5次頻率為915或896MHz的0.5μs微波脈衝輻射，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℃，但是在晶界兩側產生了十幾度、或者幾十度、或者100-150℃的溫度梯度，從而在後續處理中，可以花費比以前更少的能量提取礦物質。
圖20c示意說明傳輸礦物(在本實例中是煤201)通過虛線212示意微波輻射區域的另一種替換方法。將煤201連續放置在斜面210的頂部，並使其依靠重力運動通過微波輻射區域。通過改變斜面210的斜率與長度，可以改變成不同的輻射時間。本實例中使用單一的433MHz頻率、1ms脈衝微波輻射乾燥煤。本實例中，煤得到了乾燥，微波處理後的操作包括將煤燃燒。
圖2A展示了粉碎設備100，其中包括礦石篩分裝置102，用於確保預處理材料的最大尺寸或尺寸範圍；微波預處理或弱化單元104，其中包括如圖3、圖4A、圖4B、圖20A、圖20B、或圖20C所示的一個單元；棒磨機106；第一球磨機108；第一旋流除砂器110；第二球磨機112；第二旋流除砂器114。
可以認定，裝置106和114屬於現有技術，與現有技術的關鍵差別是微波處理單元104。然而，應當注意的是，微波處理單元104是一個弱化單元，並且依舊在弱化礦石後進行機械粉碎。應當注意的是，在單元104以前對礦石進行機械限定或篩選，也許需要也許並不需要。
在一些實例中，為了弱化晶界或在晶界上產生裂紋，需要在第一相材料與第二相材料的晶界兩側達到100-1500℃的溫度梯度。在其它實例中，只要在瞬間產生溫度梯度，就可以在溫度梯度較低的條件下實現晶界的弱化與裂紋，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情況低很多的溫度梯度。如果使用瞬間(例如，微秒量級)微波脈衝，幾十攝氏度的溫度梯度就足夠了。
我們認為，材料強度變化是功率密度的函數，溫度梯度也是功率密度的函數，剪切應變是溫度曲線圖的函數，剪切應力是剪切應變的函數，當材料中的剪切應變超過材料的切變強度時出現斷裂。因此，材料的斷裂與弱化與功率密度密切相關(很明顯的認定，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。
在一些實施方式中，本發明的一大優點是連續處理，而不是批次處理。採用連續材料流穿過處理區域，可以使本方法在工業應用中更具有可控性。在本發明一些實施方式中(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，經受了高功率強度的瞬間脈衝微波輻射。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，在微波關閉的情況下將材料裝入腔體內，然後開啟微波，再關閉微波，最後將材料送出腔體。
因此，可以先建立微波處理區域，再將材料穿過此區域。通常，如果微波電場強度沿著處理區域而變化，可以安排材料流從腔體的不同區域穿過，從而經受不同電場強度的微波輻射。為了獲得任何特殊微波生成器(例如磁控管)的最佳效果，一部分材料流會穿過電場的峰值區域。在沿著腔體電場強度沒有實質性變化或者腔體內所有區域都具有足夠高電場強度的系統中，此問題處於爭論之中。
本方法可以採用半連續方式進行(例如，一段時間內連續材料流穿過處理區域，一段時間內沒有材料穿過)。
我們認為，本發明的另一個重要因素是，如果採用可以實現足夠高溫度梯度的高電場強度，材料不需要經受長時間的微波輻射。通常，在現有技術中材料經受微波輻射的時間達到數十秒或者更長時間，有時達到若干分鐘。我們認為，在足夠高電場強度的微波下，材料暴露時間可以是1秒鐘或者更短，優選的是小於0.5秒，更優選的是小於0.2秒，或者更短的時間。圖15說明，當實現弱化材料的最強效果時0.2秒時間是適當的。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秒加熱時間之間的應力差別並不大。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時間。
然而，我們發現，使用瞬間脈衝的微波(例如，量級為1μs的脈衝)，甚至更短的輻射時間也同樣有效。例如，使用脈衝微波照射礦石，輻射時間合計1ms，材料明顯弱化。
與現有技術所用時間相比，通過縮短了微波加熱材料的時間(大大縮短了所用時間)，從而改善了使用微波預處理兩相材料的實用問題。
在材料以高速率(例如，使材料以0.25秒或更短的時間內穿過高強峰值區域)穿過處理區域所提供設備的實例中，實現了微波的瞬間輻射。在其它實例中，通過處理區域的時間可以是1秒或更短的時間。上述方法具有兩大優點，其一是在微波能量單位成本下可以實現最佳的加熱效果，其二是增加了通過加熱區域的材料處理量，即每秒種處理比以前更多的材料。這兩大優點都非常重要。可以使微波預處理在實用方面更具有可行性。
本發明適用於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)。
在一實例中，我們使用了15kW微波，輻射時間為0.1秒。由此，給出了「高能電場」或「高功率密度」的含義。
據估測，從礦石提取礦物質的粉碎工藝，由於未使用微波處理而僅採用機械處理礦石，每噸礦石消耗了大約25kwh。據估測，利用本發明能量消耗降低了大約50％，甚至降低了80％或90％。
由於礦物加工設備成本的60-70％與設備能量消耗有關，因此，生產礦物質的成本得到了明顯的降低。此外，由於粉碎設備弱化材料使其粉碎，所以本方法降低了設備的磨損；一旦加速處理，就可以實現通過機械粉碎處理的更高處理量。況且，材料是內部顆粒破碎，提取所需礦物質就更加容易。經確定，與未經微波處理的情況相比，使用微波預處理的礦物質提取率要高出3或4％。
提取率增長几個百分點的實驗結果尚屬首次發現。我們認定，實現此效果是因為高電場強度微波的應用。
我們可以將材料在腔體高電場強度區域中的共振時間設定在0.1-0.01秒，甚至是0.001秒左右。與現有技術相比，本方法可以完成很高的處理量。
儘管圖3、4a和4b涉及重力加料系統，但是肯定地認為，還可以使用其它進料機制，例如壓力進料、傳送帶進料、流化顆粒進料、離心進料、或進料鬥進料等。
礦石的含水量會影響功率密度的選擇。
可以包括一個控制處理器，從而控制微波腔體的調節，(在一些實施方式中)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。還可以包括一個向控制處理器提供反饋信號的傳感器，和/或者一個電場探針，用於輔助監測處理過程，再向控制處理器反饋信號。可以認為，一些實施方式中所用的軟體保證了，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，任選採用處理器控制，可以改變通過微波腔體的材料流量。而且還需要保證，材料經受了恰當的微波輻射。
材料粒度可以影響所需的體積流量和功率密度。可以放置一個粒度傳感器或粒度進入機制(例如鍵盤)，將與微波化處理材料粒度有關的信息提供給控制處理器。控制處理器對上述信息進行處理，從而改變材料的進料線路或流量和/或所用的功率密度。
可以在腔體內保持可控氣體環境，例如氮氣環境或者其它惰性氣體環境。
本發明的其它用途包括從整體上分離兩種材料，例如給堅果剝皮(或者使分離兩種材料更加容易)。
此外，利用高電場強度瞬間加熱的概念可以施用於不曾涉及分離材料的物品。例如，乾燥材料，或者處理材料使其改變材料性質，食品加工。
本發明的概念包括，在微波腔體內產生駐波，並且在微波腔體內產生電場強度的峰值區域，再保證待處理材料在電場強度峰值位置受到輻射處理；此概念可以應用於各種各樣的物理過程。例如，瞬間加熱可以使材料鬆軟，並且瞬間加熱可以應用於化學過程。
高電場強度的瞬間輻射是本發明與現有技術的區別。
可以認定，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峰值區域的更複雜的駐波，該峰值區域內相長幹涉產生了最大的電場強度，並且待處理材料在此處受到輻射處理。
在一些情況下，腔體內材料的存在可能會影響峰值區域的確定，因此，需要調節腔體，以適用於在腔體內的特定區域處理特定體積、形狀或流量的特定材料。因為電場強度隨著功率密度的平方而變化，因此，隨著遠離功率密度的峰值位置，電場強度迅速降低-由此需要認真調整待處理材料與駐波的位置。
權利要求中所用「微波」指的是具有工業允許微波頻率(當前是2.45GHz，915/896MHz和433MHz)的第一級微波，或者是常規微波(如果使用法拉第筒阻止電磁汙染，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)。
可以認定，當材料出現在微波處理區域時，不需要經受持續的電磁輻射。材料經受的微波輻射時間可以是5μs、幾μs、十幾μs、幾十μs、或者幾百μs、幾千μs，輻射時間可以是一次脈衝或多次瞬間脈衝輻射，輻射時間明顯短於微波處理區域的停留時間，停留時間的量級可以是幾秒或者幾十秒。
可以認定，為了實現所需的多相材料處理量，通常是1000噸/小時，可以連續或並排使用多個腔體。然而，最優選實施方式是使用一個可以每小時處理1000噸多相材料的腔體。
還可以認定，在多相材料中的相界兩側產生的溫度梯度可以是10℃、幾十攝氏度、或者幾百攝氏度，但是為了產生足以斷裂不同相之間附著力的熱應力，需要瞬間生成溫度梯度。
大型鑽石礦每年要處理5百萬噸多相材料，而大約只有百萬分之一的多相材料是鑽石。然而，銅礦每年要處理25萬噸礦物，其中含銅量明顯比鑽石含量豐富得多。
所用的微波腔體可以是25cm寬、40cm長。當使用傳送帶輸送礦物通過微波腔體時，常規帶速可以是4m/s(或者5m/s)。這樣可以使腔體內停留時間達到0.1秒，然而，總微波處理時間可以是一毫秒內的多次微秒脈衝，或者是一微秒微波脈衝，該微波脈衝可以產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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權利要求
1.一種處理多相材料以前的微波預處理方法，所述材料含有第一相材料與第二相材料，該方法包括在連續過程中以至少109Wm-3功率密度電磁加熱材料，優選的是使用微波，在此連續過程中材料進入並穿過電磁處理區域，優選的是微波處理區域，在處理區域內材料停留了1/2秒或更短的時間，並經受了微波輻射，最後材料穿出處理區域，以待後續處理。
2.權利要求1的方法，在處理區域內所述材料經受了電磁能量的輻射，優選的是微波輻射，其輻射時間可以是(i)0.1秒或更短的時間；(ii)0.01秒或更短的時間；或(iii)0.001秒或更短的時間。
3.權利要求1或2的方法，其中微波脈衝連續發射，脈衝作用時間可以是(i)1μs或更短的時間；(ii)10μs或更短的時間；(iii)100μs或更短的時間；(iv)1ms或更短的時間；(iv)10ms或更短的時間；100ms或更短的時間。
4.權利要求3的方法，其中當在處理區域內材料經受了連續脈衝能量的輻射，所述連續輻射可以包括(i)100次脈衝或更多；(ii)50次脈衝或更多；(iii)10次脈衝或更多；(iv)5次脈衝或更多；(v)2次脈衝或更多；(vi)1次脈衝。
5.根據前述任一權利要求的方法，其中處理區域內電磁處理、優選是微波產生的功率密度是(i)1015Wm-3或更高；(ii)1016Wm-3或更高。
6.根據前述任一權利要求的方法，其中材料的平均溫度增長量小於200℃，優選小於150℃。
7.權利要求6的方法，其中材料平均溫度的增長量可以是(i)小於等於50℃；(ii)小於等於20℃；(iii)小於等於10℃。
8.根據前述任一權利要求的方法，其中所述材料以至少100噸/小時的速度通過處理區域。
9.權利要求8的方法，其中所述材料以1000噸/小時或更高的速度通過處理區域。
10.根據前述任一權利要求的方法，其中第一相材料是所需的礦物質，第二相材料是包裹礦物質的巖石基質，其中電磁能量、優選是微波能量通過產生局部熱膨脹差異明顯弱化礦物質與包裹基質之間的附著力。
11.權利要求10的方法，其中將能量在足夠短的時間內施用於材料，避免了(i)礦物質和/或(ii)礦物質與基質的顯著化學變化，這些化學變化有害地影響了對礦物質與基質後續處理的效果。
12.權利要求1-10中任一權利要求的方法，其中第一相材料是一種礦物，第二相材料是水，所述預處理包括脫水，利用電磁能量乾燥所述礦物。
13.權利要求12的方法，其中電磁能量、優選是微波也可以直接或間接粉碎或弱化礦物。
14.權利要求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的方法，其中包括按照權利要求1-11中任一權利要求所述的方法預處理礦物質，再粉碎礦石，優選採用磨碎、銑削、或壓碎的方式。
16.根據前述任一權利要求的方法，其中處理區域內由電磁能量、優選是微波產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。
17.一種重複利用由不同材料構成物品的方法，其中包括按照權利要求1-9中任一權利要求所述的方法預處理上述物品，再以機械重壓粉碎物品，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域；安裝在處理區域的微波或其它電磁能量發射器；適合將材料輸送過處理區域的材料傳輸裝置；此裝置應當滿足如下條件發射器適合發射功率密度至少為109Wm-3、優選為1015Wm-3或者更高的電磁能量，優選的是微波；所述的材料傳輸裝置應該以足夠快的速度將材料送過處理區域，從而使材料在1/2秒或更短的停留時間內經受充足的電磁能量輻射，優選的是微波輻射。
19.權利要求18的裝置，其中該裝置可以使上述材料在(i)0.1秒或更短的時間內、(ii)0.01秒或更短的時間內、或(iii)0.001秒或更短的時間內經受微波或其它電磁能量的輻射。
20.權利要求18或19的裝置，其中該裝置適合以1000噸/小時的速度將材料運送過處理區域。
21.權利要求18-20中任一權利要求的裝置，其中所述的發射器可以在處理區域內等級為1微秒、或10微秒、或100微秒、或更短的時間內產生能量脈衝、優選的是微波脈衝，材料優選接受了大部分的脈衝輻射，優選的是多次脈衝輻射。
22.一種連續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度的微波連續施用於穿過微波腔或微波區域的礦石或脈石，從而使其弱化，然後將連續輸送的礦石或脈石送入機械處理設備中機械粉碎。
23.權利要求22的方法，其中礦石或脈石在高場強微波下暴露時間可以是0.5秒或更短的時間、0.25秒或更短的時間、0.1秒或更短的時間、0.01秒或更短的時間。
24.一種連續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度的微波連續施用於穿過微波腔或微波區域的礦石或脈石，從而使其弱化；以及另一種裝置，接著將連續輸送的礦石或脈石送入機械處理設備中機械粉碎。
25.一種處理多相材料從中提取礦物質前的微波、或其它電磁能量預處理方法，該方法包括將多相材料連續通過作用區域，在此區域內施加了電磁能量、優選的是微波，多相材料的輸送速度至少保持在500噸/小時，電磁能量的功率密度至少是1015Wm-3，所述材料在1ms或更短的時間內經受電磁能量、優選的是微波輻射，在上述作用時間內材料經受了一種或多種能量脈衝的輻射，優選的是脈衝輻射具有1毫秒或更短時間的脈衝周期，其中多相材料的平均溫度的增加量小於40℃，其中在相界間產生了足夠大的熱應力以致相間破裂，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性質的顯著變化。
26.一種從多相材料礦石中增加礦物質產量的方法，其中包括通過將礦石在小於0.1或0.01秒的時間內暴露在高場強度的微波下，從而弱化了相界間的附著力，電磁能量、優選的是微波具有足夠高的磁場強度，在極短的作用時間內在材料不同的相界間產生熱膨脹差異，不但弱化了相間的附著力，而且避免了礦石明顯的化學變化，或者至少是避免了待提取材料的顯著化學變化。
全文摘要
本發明提供一種後續處理材料(200)以前微波預處理多相材料(200)的方法。材料(200)含有第一相材料和第二相材料。該方法包括在連續過程中以至少10
文檔編號B02C19/18GK1692168SQ03812755
公開日2005年11月2日 申請日期2003年4月1日 優先權日2002年4月2日
發明者塞繆爾·金曼 申請人:諾丁漢大學