Numerical modelling of microwave pre-treatment of some sulfidic ores

Abstract

Microwave pre-treatment of rock is a promising way to decrease rock strength during rock comminution processes. The microwave radiation transfers heat to the rock which then heats up and expands. This induces stresses within the rock. In this study, numerical modelling is used to assess how different material and irradiation parameters affect the induced stresses.

The study is divided into two numerical models: one for a simulated rock sample and one for a digitized rock sample. In both models, a rock sample was irradiated with microwave radiation within a simulated microwave oven. In the first model, the rock sample was modelled so that its material parameters could be easily varied. The rock sample consisted of two materials with different capabilities to absorb heat from microwave radiation. The varied material parameters included the mineral composition, the ratio between the two minerals, grain size and mineral shapes of the rock sample. Additionally, microwave input power was varied and the effect of the wave pattern inside the microwave oven studied

In the second model a rock sample from Pyhäsalmi mine was digitized into a 3D model which then replaced the simulated rock sample within the modelled microwave oven. The sample consisted of four minerals: pyrite, chalcopyrite, sphalerite and pyrrhotite. The model was used to study where the induced stresses were situated in the rock sample and the magnitude of the induced stresses.

The results showed that increasing the fraction of the mineral with a high capability to absorb microwave radiation increased the temperatures in the sample significantly. However, heterogenous mineral composition was required to concentrate the stresses on mineral boundaries. More heterogenous mineral composition was achieved with larger grains and minerals with different mechanical properties. Highest stresses were observed on mineral boundaries between two minerals with different, but high elastic moduli and coefficient of thermal expansion. Narrower angles within the minerals also resulted in higher stresses.

Kiven mikroaaltokäsittely on lupaava keino vähentää kiven lujuutta jauhatusprosessin aikana. Mikroaallot siirtävät lämpöä kiveen, joka lämpenee ja laajenee. Tämän johdosta kiveen indusoituu jännitteitä. Tässä tutkimuksessa tutkitaan eri materiaali- ja säteilyparametrien vaikutusta indusoituihin jännitteisiin numeerisella mallinnuksella.

Tämä tutkimus on jaettu kahteen numeeriseen malliin: ensimmäisessä mallinnetaan simuloitua,kivinäytettä ja toisessa digitoitua näytettä. Molemmissa malleissa kivinäytettä säteilytettiin simuloidussa mikroaaltouunissa. Ensimmäisen mallin näyte mallinnettiin siten, että sen materiaaliparametrejä voitiin muuttaa helposti. Näyte koostui kahdesta eri mineraalista, joilla oli eri kyvyt absorboida lämpöä mikroaaltosäteilystä. Muunnettaviin materiaaliparametreihin kuuluivat kiven mineraalirakenne, kahden mineraalin määrän välinen suhde, raekoko ja rakeiden muoto. Lisäksi mikroaaltosäteilyn tehoa muutettiin ja sähkömagneettisen kentän muodon vaikutusta tutkittiin.

Toisessa mallissa Pyhäsalmen kaivoksesta oleva kivinäyte digitoitiin 3D-malliksi, joka sijoitettiin mallinnettuun mikroaaltouuniin simuloidun kivinäytteen tilalle. Kivi koostui neljästä mineraalista: pyriitistä, kuparikiisusta, sinkkivälkkeestä sekä magneettikiisusta. Mallilla tutkittiin, mihin jännitteet indusoituvat kivinäytteessä sekä indusoitujen jännitteiden suuruutta.

Tuloksista kävi ilmi, että lisättäessä mineraalia, jolla on hyvä kyky absorboida lämpöä mikroaaltosäteilystä, kivinäytteen lämpötilat nousivat huomattavasti. Jotta mineraalien rajoille syntyi jännitteitä, mineraalien tuli olla heterogeenisiä rajan molemmin puolin. Heterogeeninen materiaalirakenne muodostui esimerkiksi suuremmalla raekoolla ja mineraalien eri mekaanisilla ominaisuuksilla. Korkeimmat jännitteet olivat rajoilla, joiden eri puolilla olevien mineraalien elastiset kertoimet sekä lämpölaajenemiskertoimet olivat korkeat, mutta erosivat toisistansa.