CN104812919A - 用于使用电磁辐射处理采出物质的设备和方法 - Google Patents

用于使用电磁辐射处理采出物质的设备和方法 Download PDF

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CN104812919A CN201380061054.2A CN201380061054A CN104812919A CN 104812919 A CN104812919 A CN 104812919A CN 201380061054 A CN201380061054 A CN 201380061054A CN 104812919 A CN104812919 A CN 104812919A
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塞缪尔·金曼
克里斯托弗·多兹
安德鲁·巴彻勒
阿利德·琼斯
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Abstract

本披露提供一种用于处理采出物质的设备。该设备包括用于产生电磁辐射的一个源，和用于使该采出物质的碎片暴露于该电磁辐射中的一个微波入口区。此外，该设备包括一个反射结构，该反射结构邻近该微波入口区并且提供或包围用于将该采出物质的这些碎片导引到该微波入口区上的一个通道。该反射结构被安排成在该采出物质的这些碎片通过过程中减弱该电磁辐射从该微波入口区向该通道中的穿透。

Description

用于使用电磁辐射处理采出物质的设备和方法
发明领域
本发明涉及用于使用电磁辐射处理采出物质的设备和方法，并且具体地，但非排他地涉及用于使用微波辐射处理采出物质的设备和方法。
术语“采出”物质在此被理解成包括含金属的物质和不含金属的物质。含铁矿石和含铜矿石是含金属的物质的实例。煤是一种不含金属的物质的一个实例。术语“采出”物质在此还被理解成包括(a)原矿物质和(b)在被采出之后且在分选之前已经进行至少初次破碎或类似的大小减小的原矿物质。此外，术语“采出”物质包括处于料堆中的采出物质。
本发明还涉及从采出物质中回收有价值的物质并且具体地，但非排他地涉及在高通量下处理采出物质。
发明背景
最近已经提出，使用高强度微波辐射来处理采出物质以在采出物质的碎片中引起裂缝形成。这些碎片可以包括脉石和有价值的物质(如含铜矿物质或含铁矿物质)并且使这些碎片暴露于与该高强度微波辐射相关的高功率密度电场中引起对这些碎片的一些组分进行优先加热和所产生的热膨胀，这导致微裂缝和大裂缝形成。此类裂缝改善了例如使这些碎片分裂开所需要的能量并且改善了与浸出溶液的接触(access)。这些裂缝的形成是与该高强度微波辐射施加过程中所产生的温差的数值和产生速率直接相关。
发明概述
在一个第一方面中，本发明提供了一种用于处理采出物质的设备，该设备包括：
用于产生电磁辐射的一个源；
一个辐射入口；
一个辐射入口区，该辐射入口区是在该辐射入口处并且被安排用于使该采出物质的碎片暴露于该产生的电磁辐射中；
一个通道部分，该通道部分用于将该采出物质的这些碎片导引到该辐射入口区上；以及
提供或包围该通道的至少一个部分的一个反射结构，该反射结构被安排成在该采出物质的这些碎片通过过程中减弱该电磁辐射从该辐射入口区向该通道中的穿透。
由于减少该电磁辐射从该辐射入口区传播进入该通道，本发明的实施例具有在该通道内对该采出物质进行的加热也减少的优点，这促进了使用该电磁辐射处理该采出物质的这些碎片的有效性。
该反射结构可以包括一个内导管，如一个内衬，该内导管具有由基本上透过该电磁辐射的一种材料形成的至少一个壁部分并且该内导管被定位成提供该通道。
该辐射入口区可以包括一个内导管，该内导管具有由基本上透过该电磁辐射的一种材料形成的至少一个壁部分并且被至少部分地定位在该辐射入口处。
根据本发明的一个第二方面，提供了一种用于处理采出物质的设备，该设备包括：
用于产生电磁辐射的一个源；
一个辐射入口；
一个辐射入口区，该辐射入口区是在该辐射入口处并且被安排用于使该采出物质的碎片暴露于该产生的电磁辐射中；
一个通道，该通道用于将该采出物质的这些碎片导引到该辐射入口区上；以及
一个反射结构，该反射结构被定位在该辐射入口区上方并且提供或包围该通道的至少一个部分，该通道具有沿着该反射结构的至少大部分长度基本上均匀或均匀变化的直径，该反射结构被安排成在该采出物质的这些碎片通过过程中减弱该电磁辐射从该辐射入口区向该通道中的穿透。
该反射结构可以包括一个内导管，如一个内衬，该内导管具有由基本上透过该电磁辐射的一种材料形成的至少一个壁部分并且该内导管被定位成提供该通道。
该辐射入口区可以包括一个内导管，该内导管具有由基本上透过该电磁辐射的一种材料形成的至少一个壁部分并且被至少部分地定位在该辐射入口处。
根据本发明的一个第三方面，提供了一种用于处理采出物质的设备，该设备包括：
用于产生电磁辐射的一个源；
一个辐射入口；
一个辐射入口区，该辐射入口区是在该辐射入口处并且被安排用于使该采出物质的碎片暴露于该产生的电磁辐射中；
用于将该采出物质的这些碎片导引穿过该辐射入口区的一个内导管，该内导管包括由基本上透过该电磁辐射的一种材料形成的至少一个壁部分并且被定位成使得该产生的电磁辐射穿过该壁部分进入该微波入口区中；
一个通道，该通道用于将该采出物质的这些碎片导引到该辐射入口区上；
一个反射结构，该反射结构被定位在该辐射入口区上方并且提供或包围该通道的至少一部分并且被安排成在该采出物质的这些碎片通过过程中减弱该电磁辐射从该辐射入口区向该通道中的穿透。
该反射结构可以包括一个内导管，如一个内衬，该内导管具有由基本上透过该电磁辐射的一种材料形成的至少一个壁部分并且该内导管被定位成提供该通道。
根据本发明的一个第四方面，提供了一种用于处理采出物质的设备，该设备包括：
一个辐射入口；
一个辐射入口区，该辐射入口区是在该辐射入口处并且被安排用于使该采出物质的碎片暴露于该产生的电磁辐射中；
用于将该采出物质的这些碎片导引穿过该辐射入口区的一个内导管，该内导管包括由基本上透过该电磁辐射的一种材料形成的至少一个壁部分并且被定位成使得该产生的电磁辐射穿过该壁部分进入该微波入口区中；
一个通道，该通道用于将该采出物质的这些碎片导引到该辐射入口区上；
一个反射结构，该反射结构被定位在该辐射入口区上方并且提供或包围该通道的至少一部分并且被安排成在该采出物质的这些碎片通过过程中减弱该电磁辐射从该辐射入口区向该通道中的穿透。
该反射结构可以包括一个内导管，如一个内衬，该内导管具有由基本上透过该电磁辐射的一种材料形成的至少一个壁部分并且该内导管被定位成提供该通道。
下列内容涉及根据本发明的该第一、第二、第三或第四方面的该设备 可以具有的特征。
基本上透过该电磁辐射的该材料具有一个相对介电常数ε*＝ε’-jε”(ε’：该相对介电常数的实数部分；ε”：该相对介电常数的虚数部分；)并且其中ε”是小于0.1、0.05、0.01、0.005或甚至0.001。该实数部分ε’可以例如是在1–20或5–10的范围内。
该反射结构可以被定位成压在该微波入口区上面。
在一个实施例中，该反射结构包括一个金属管，该金属管包括相继的第一区和第二区。这些第一区可以具有小于这些第二区的平均内径并且可以被安排成使得该管具有在沿着该管的一个方向上呈波浪形的内径，这样使得该管具有一个波纹状壁部分。
在另一个实施例中，该反射结构也包括相继的第一区和第二区，这些第一区包含具有小于这些第二区的介电常数的一种材料。例如，这些第一区可以是金属的并且这些第二区还可以包含一种绝缘材料。此外，这些第二区可以部分地呈气隙或气穴形式提供。这些第一区和第二区可以具有基本上相同的内径，这样使得相继的这些第一区和第二区具有基本上均匀的内径。
该设备可以被安排用于在重力作用下进给该采出物质的这些碎片。该通道可以是一个基本上竖直的通道并且可以是穿过至少一个部分或整个设备的一个基本上竖直的导管的一部分。该基本上竖直的导管可以包括该反射结构的该内导管和该辐射入口区的该内导管。该设备可以被安排用于在重力作用下使该采出物质的这些碎片的一个填充床通过。
该反射结构的该内导管可以具有沿着该内导管的一个长度部分L均匀的内径并且其中L是大于这些区中至少一个的厚度。
可替代地，该反射结构的该内导管可以具有沿着该内导管的一个长度部分L线性地、均匀地或逐渐地变化的内径。
在一个实施例中，该反射结构具有沿着该反射结构的长度的至少一个部分变化的内径并且其中该内导管被定位在该反射结构的长度的至少该部分内并且被安排成减少该反射结构的内径变化，如另外地由该采出物质的颗粒的该下落床层所经历的使用中的内径变化。
该反射结构可以被安排成使得与该电磁辐射相关联的一个电场强度在从该辐射入口区进入该通道的一个方向上以至少15、20、25、30、35、40、45或50dB/m的速率减小。此外，该反射结构可以被安排成使得这些碎片的受加热的微波吸收剂相内的与该电磁辐射相关联的一个功率密度在从该空腔进入该通道的一个方向上以至少30、40、50、60、70、80、90或100dB/m的速率减小。
该源可以被安排成产生微波辐射。该微波辐射可以具有300MHz–300GHz、500MHz–30GHz或600MHz–3GHz范围内的任何适合的波长，例如2450MHz或915MHz。
在一个实施例中，该设备被安排成使得该微波辐射在该处理区中引起对至少一些该采出物质的这些碎片的部分进行加热并且当该采出物质的这些碎片呈一个填充床形式通过该设备时，该采出物质的这些加热的碎片中的一个相关联功率密度是至少1×109W/cm3、1×1010W/cm3、1×1011W/cm3。
该反射结构的长度可以是在500mm-2000mm、700-1800mm、900-1600mm或1000-1400mm范围内，如大约1200mm。
该反射结构的长度可以被安排成使得沿着该长度的一个部分传播的微波辐射将经历其中介电特性典型地周期性变化的一种环境。相继的第一区和第二区可以被安排成使得当微波辐射穿入该反射结构中时在这些第一区中经历与在这些第二区中不同的一种介电环境。
该反射结构的每个第一区而且典型地每个第二区可以具有一种环形或弧形形状并且可以被定向在垂直于该导管的一个轴线的一个平面上。该反射结构的长度可以包括任何数目的交替的第一区和第二区，如1-50、2-40、3-30、4-20或5-15范围内的第一区和1-50、2-40、3-30、4-20或5–15范围内的第二区。
这些第一区中的一个和这些第二区中的相邻一个在一起的总高度(在沿着该通道到该辐射入口区的一个方向上)可以是在由该微波辐射的该源产生的使用中的这些微波的群波长的50％-90％或60％-80％范围内，如大约75％。每个第一区可以具有在由该微波辐射的该源产生的使用中的这些微波的群波长的20％-80％、30％-70％或40％-60％范围内，如大约25％或50％的高度。这些第一区的高度可以不是全部相同的以便使这些波长带变宽，在这些波长带内该导管的长度被安排成反射该微波辐射。此外，这些第二区的高度典型地也不是全部相同的。
这些第一区和第二区的高度和这些第一区和第二区的材料可以被选择为使得该反射结构的长度被安排成反射一个波长范围内的微波辐射，该波长范围包括由该电磁辐射的该源产生的使用中的该波长或该波长范围的至少一个部分。
在一个实施例中，该设备还包括用于将该采出物质的这些碎片导引远离该辐射入口区的一个另外的通道。在此实施例中，该设备可以具有一个另外的反射结构，该另外的反射结构是在该辐射入口区下方并且典型地在该辐射入口区下面并且可以是具有上述的类型。该另外的反射结构可以被安排成使得减少该电磁辐射从该辐射入口区向该另外的通道中的传播，这具有可以减少功率消耗的优点。该另外的反射结构可以被安排成使得与该电磁辐射相关联的一个电场强度在从该辐射入口区进入该另外的通道的一个方向上以至少15、20、25、30、35、40、45或50dB/m的速率减小。此外，该另外的反射结构可以被安排成使得这些碎片的受加热的微波吸收剂相内的与该电磁辐射相关联的一个功率密度在从该空腔进入该另外的通道的一个方向上以至少30、40、50、60、70、80、90或100dB/m的速率减小。
该设备可以被安排用于每小时至少100、250、500或1000吨的通量。
该设备还可以包括用于在使该采出物质进料到该导管中之前破碎且打碎该采出物质的一个破碎机。该设备可以进一步被安排成在暴露于微波处理中之后加工该采出物质的这些处理的碎片以回收有价值的物质。
根据本发明的一个第五方面，提供了一种处理采出物质的方法，该方法包括以下步骤：
提供一种采出物质的碎片的一个填充床的一个通量穿过用于处理该采出物质的一个设备；以及
产生微波辐射并且将该微波辐射引导到该采出物质的这些碎片的该通量上，从而使该采出物质的这些碎片的该通量暴露于该微波辐射中；
其中该采出物质的这些碎片当下落穿过该设备时被暴露于沿着穿过该设备的一个路径以至少15dB/m的速率增加的电场强度中或以至少30dB/m的速率在这些碎片的受加热的微波吸收剂相内增加的功率密度中。
该电场强度增加的速率可以是至少20、25、30、35、40、45或50dB/m。在这些碎片的受加热的微波吸收剂相内该功率密度增加的速率可以是至少40、50、60、70、80、90或100dB/m。
该微波辐射可以具有任何适合的波长，如在300MHz-300GHz、500MHz-30GHz或600MHz-3GHz范围内的一个波长，例如2450MHz或915MHz。该方法可以被进行以使得该微波辐射引起对该采出物质的这些碎片进行加热并且该填充床的该采出物质的这些碎片中的一个相关联功率密度是至少1×109W/cm3、1×1010W/cm3，典型地至少1×1011W/cm3。
该方法可以包括重力进料该采出物质，这样使得该采出物质的一个填充床穿过该设备。
此外，该方法可以包括在使采出物质进料到该导管中之前破碎该采出物质。
该采出物质的通量可以是每小时至少100、250、500或1000吨。
该方法还可以包括后续加工这些处理的碎片，如碾磨、进一步湿法冶金加工和浸提。
根据本发明的具体实施例的下列说明，将更完全地理解本发明。参考附图提供了该说明。
附图简要说明
图1是根据本发明的一个具体实施例的用于处理采出物质的一种设备的示意性表示；
图2是根据本发明的一个具体实施例的处理采出物质的一种方法的流程图；
图3示出(a)一个导管和(b)一个导管中的一种计算的微波场分布；
图4示出根据本发明的一个具体实施例的(a)一个导管和(b)一个导管中的一种计算的微波场分布；
图5(a)是包括一个微波入口的部件的示意性表示；
图5(b)是根据本发明的一个实施例的用于处理采出物质的一种设备的一个部件的示意性表示；
图6(a)和图6(b)对应地示出针对图5(a)和图5(b)中示出的这些部件的计算的功率密度；
图7对应地示出针对图5a和图5b中示出的这些部件作为微波频率的一个函数的微波散射参数的曲线图；
图8示出(a)根据本发明的一个实施例内的一种设备的一个部件的示意性表示和(b)图示穿过该设备的一种功率分布的曲线图；
图9和图10示出根据本发明的多个实施例内的一种设备的一个部件的示意性表示；
图11和图12示出用于处理采出物质的一种设备的表示；
图13(a)和图13(b)示出根据本发明的多个实施例的用于处理采出物质的一种设备的部件的表示；并且
图14和图15示出根据本发明的另外实施例的用于处理采出物质的一种设备的表示。
具体实施方式的详细说明
首先参考图1，现在对根据本发明的一个具体实施例的用于处理采出物质的一种设备进行描述。设备100包括被安排成接收采出物质的一个破碎机102。该采出物质可以包含一种矿石，如一种含铜、镍或铁的矿石或另一种适合的矿石。破碎机102在此实施例中被安排成破碎该采出物质，这样使得采出物质的碎片具有大约10至75mm的P80大小。
然后该采出物质的这些碎片通过传送带104被引导到一个滑槽中，该滑槽包括滑槽部分106、108和112。该滑槽提供一个竖直通道，穿过该竖直通道，该采出物质的这些碎片在重力作用下呈一个填充床形式下落。滑槽部分106是包围该采出物质的这些下落碎片的一个导管，并且滑槽部分108将该采出物质的这些碎片导引穿过一个微波入口区110。设备100包括被安排成产生高强度微波辐射的一个微波发生器(未示出)。微波入口区110被定位成使得呈一个填充床形式流动的这些碎片被暴露于该微波辐射中。滑槽部分112将该采出物质的这些碎片引导到用于进一步加工的一个区域上。
该微波发生器产生微波辐射，该微波辐射通过与该采出物质(如一种矿石)的这些碎片相互作用而诱导微波吸收相，这样使得该矿石的该微波吸收剂相中所产生的功率密度是在106-1014W/m3的范围内。不同类型的物质对微波辐射具有不同的接受性(取决于它们的介电特性)并且具有不同的热膨胀系数。例如，矿物质、硅酸盐或形成岩石的类似物质具有不同于含铜矿物质或含铁矿物质的热膨胀系数并且当暴露于这些微波中时还吸收不同量的能量。因此，当例如含铜矿物质被脉石包围并且被暴露于此种处理时，由于该热矿物质与该冷脉石之间的不同膨胀而引起微裂缝形成。这些微裂缝在被封装于该脉石中的该热矿物质相的边界周围形成，这促进了物质分离。
该微波处理对诱导微裂缝的有效性取决于在使这些碎片暴露于该微波辐射过程中在该采出物质的这些碎片内所产生的温差的数值和产生速率。因此，在滑槽部分108的该处理区前面的一个位置上对这些碎片进行预加热会导致温差更低并且因此导致该微波处理过程的有效性更低。
本发明的多个实施例提供了一种微波施加器和限制扼流器。这些限制扼流器被安排成通过反射来限制该电磁辐射从微波入口区110传播进入滑槽部分106内的一个通道并且因此使进一步进入滑槽部分106的该传播减弱-15dB、-30dB或更多，这样使得在该处理区内的一个设定距离上较大百分比的辐射功率被限制。这些限定扼流器能有效地在该采出物质(矿石)的碎片移动穿过这些扼流器进入微波入口区110时提供该电磁辐射的电场强度的突然变化。由于该电场强度的突然变化而引起的温度的高度局部化增加导致不均匀的热膨胀，反过来该不均匀的热膨胀提供更高程度的破裂。这些限制扼流器的一个另外益处是减少了穿过滑槽部分106的能量损耗，这增加了可供在该处理区中使用的能量并且因此进一步提高了效率。
因此，滑槽部分106包括一个反射结构(以上提到的扼流器)，该反射结构被安排成反射从微波入口区110内和紧邻微波入口区110的该处理区传播进入滑槽部分106的一部分微波辐射。该微波辐射的背反射减少了该微波辐射传播穿过滑槽部分106。滑槽部分106的该反射结构被安排成使得该电场强度在从微波入口区110进入滑槽部分106的一个方向上以15dB/m(典型地至少20或30dB/m)的速率减小。该采出物质的这些碎片经历以至少15dB/m，典型地至少20或30dB/m的速率相应增加的电场强度(取决于该矿石，功率密度的增加在这些碎片的受加热的微波吸收剂相内可以为至少30dB、40dB或60dB)，以引起该采出物质的这些碎片的结构改变。因此，减小了暴露于高功率微波中的矿石体积，从而导致该暴露的矿石本体内部的功率密度增加。
微波入口区110被具有一个微波入口的一个滑槽部分限定，穿过该微波入口，该产生的微波辐射被引导进入该微波入口区，这样使得该采出物质的这些碎片的该下落填充床被暴露于该产生的微波辐射中。滑槽106在此实施例中包括一个内导管或内衬，该内导管或内衬被该反射结构包围并且被安排成将该采出物质的这些碎片的该填充床导引穿过该反射结构到达微波入口区110。该内导管或内衬包含透过该微波辐射的一种材料，这样使得该微波辐射可以被这些周围的扼流器反射。滑槽部分108将该采出物质的这些碎片的该填充床导引穿过微波入口区110并且具有透过该微波辐射的一个窗，这样使得该微波辐射可以在微波入口区110内被引导到该采出物质的这些碎片的该下落填充床上。可替代地，整个内导管可以由微波透射材料构成。该反射结构和这些滑槽部分将会在下面更详细地进一步讨论。
该微波透过材料具有选择的介电特性。一种介电材料具有一个相对介电常数ε*＝ε’-jε”，该相对介电常数具有一个实数部分ε’和一个虚数部分j(ε”)。一种适合的微波透射材料具有一个相对介电常数，该相对介电常数具有在0.5-50、1-20或5-10范围内的一个实数部分ε’和在0.0001–0.1范围内的一个虚数部分ε”(“介电损耗因子”)。例如，该微波透过材料可以是Al2O3、ALN、ALB、石英或另一种适合的介电材料。
通常，该内导管(或内衬)提供一个内表面，该内表面不具有其中可以积聚该采出物质的下落碎片的任何凹穴、波浪或凹槽(并且因此该采出物质的这些颗粒经历一个“平滑的”表面)。
在设备100中该采出物质被暴露于其中的该微波辐射是连续的(但在所描述的实施例的一个变型中还可以是脉动的)并且设备100被安排成使得该下落填充床的暴露时间是0.05至1秒。在该矿石内的受加热的相中，该功率密度为大约1×107W/m3-1×1013W/m3。
图2示出了使用设备100处理采出物质的一种方法200。步骤202是将该采出物质的这些碎片的该填充床引导到一个处理区以用于使这些碎片暴露于该电磁辐射中。步骤204是产生适合于引起该采出物质的结构改变的电磁辐射。步骤206是使该采出物质的这些碎片暴露于沿着穿过该设备的路径以上述提到的速率增加的电场强度中(并且因此暴露于增加的功率密度中)并且然后暴露于一个基本上高强度电场中，以引起该采出物质的这些碎片的结构变化。
图3(a)图示了包括一个微波辐射源301和一个负载304的一个滑槽部分。图3(b)图示了一种相应的计算的微波场分布。这些产生的微波传播穿过一个管状部段302到达负载304。微波源301和负载304在此实例中具有300mm的内径并且管状部段302具有200mm的内径。出于模拟目的，管状部段302具有一个内衬，该内衬具有近似ε*＝9-j0的一个介电常数。假定这些滑槽部分被具有ε*＝4-j0介电常数的矿石的一个填充床填充(仅出于模拟目的，该氧化铝衬里和矿石均被认为是无损耗的)。假定的微波频率是915MHz。
图3(b)是该微波场分布的模拟并且示出了这些微波传播穿过部分302。因此，如果类似于部分302的一个滑槽部分将用于设备100来替代微波入口区110上方的滑槽部分106，被引导到微波入口区110中的一部分该微波辐射将传播穿过该滑槽部分并且在部分108的该处理区中进行微波处理之前使该采出物质的这些碎片暴露于热处理中，这将减少使用该微波处理可以实现的微裂缝形成。
图4(a)示出根据本发明的一个实施例的一个滑槽部分。确切地说，进一步详细描述了在图1中示出的设备100的微波入口区110上方的滑槽部分106。出于模拟目的，滑槽部分106被定位在一个微波源401与一个负载404之间。
图4(b)示出了相应的计算的微波场分布。如从图4(b)可见，极大地减少了这些微波传播进入导管106，从而产生以上提到的电场强度(并且因此功率密度)增加和以上提到的显著速率，这减少了在该采出物质到达该处理区之前对该采出物质进行的加热，在该处理区中该微波辐射强度是足够高以使得在该采出物质的这些碎片中形成微裂缝。
在此实施例中，滑槽106包括相继的波纹406，这些波纹形成具有在沿着该管的一个方向上呈波浪形的一种壁轮廓的一个金属管。该滑槽部分进一步包括在图4(a)中未示出的一个外金属壳。波纹406是圆形的并且在一起形成一个波纹状扼流器，该扼流器使微波辐射反射回到设备100的该处理区中。在此实施例中，滑槽部分106包括10个此类波纹，但可替代地还可以包括任何其他数目的波纹。
滑槽部分106具有透过该微波辐射并且具有以上定义的介电特性的一个内衬407。在此实施例中，内衬407是由一种适合的陶瓷材料或氧化铝构成。如果对内衬407的加热是不太可能的，该内衬还可以由一种适合的塑料材料构成。内衬407具有200mm的内径。内衬407具有被选择成使得减少微波背反射到该微波发生器中的壁厚。出于模拟目的，假定源401和负载404具有300mm的内径。导管106具有1200mm的总长度。将了解的是，可替代地该波纹状扼流器还可以呈另一种适合的形式提供。例如，这些圆形波纹可以被弧形部分替代。
出于微波场分布的目的，再次假定内衬407具有ε*＝9-j0的介电特性并且这些滑槽部分被具有ε*＝4-j0的介电特性的矿石填充。
在图4(a)中所示的实施例中，波纹406的突出部段具有为被反射的这些微波的群波长的大约四分之一的尺寸，但并非必须等于后者。不是所有波纹406都具有相同的厚度。因此，滑槽部分106的该波纹状结构在广范围的频率上表现出带阻特征。滑槽部分106的该波纹状结构的周期被选择成使得该波纹状结构反射一个波带内的微波辐射，该波带包括被引导到微波入口区110内的该采出物质的这些碎片上的该微波波长，并且还使得微波能量通过一个边缘场机理逃逸的可能性最小。
现在参见图5(a)，示意性示出了一个滑槽部分500和由一个微波入口502限定的一个微波入口区的一个另外的实例。图5(b)示出根据本发明的一个具体实施例的一个滑槽部分550和由一个微波入口部分552限定的入口区。
类似于滑槽部分106，滑槽部分550还包括多个圆形波纹554，这些圆形波纹在一起形成一个波纹状扼流器并且使微波辐射反射回到施加器552中。在此实施例中，滑槽部分550包括六个此类波纹，但可替代地还可以包括任何其他数目的波纹。滑槽部分550的该波纹状扼流器是由一种金属材料形成的并且具有大部分均匀的壁厚和波浪形内径与外径的一种管状安排。由基本上透过该微波辐射的一种材料(如玻璃、塑料或陶瓷)形成的一个圆柱形衬里被定位在该波纹状扼流器内。此外，滑槽部分550具有一个外金属壳，该外金属壳未示出。
与滑槽部分106相比，滑槽部分550的波纹554具有沿着滑槽部分550变化的直径。
图6(a)和图6(b)对应地示出了与如图5(a)和图5(b)中所示出的滑槽部分500和550对应的计算的功率密度分布。为了计算，假定滑槽部分500和550具有100mm的内径并且假定这些微波具有915MHz的频率。假定这些滑槽部分被具有等于3的平均介电常数和等于0.1的介电损耗因子的一种材料填充。如从图6(b)可见，极大地减少了这些微波传播进入导管550，这减少了在该采出物质到达该处理区之前对该采出物质的加热。如从图6(a)可见，对于滑槽部分500，电场到达远处进入滑槽部分500。
图7示出针对以上参见图5a和图5b所示出的滑槽部分500和550，作为微波频率的一个函数的减弱的计算曲线图。曲线图700对应于滑槽部分500的计算的减弱并且曲线图702对应于滑槽部分550的计算的减弱。对于滑槽部分500，这些微波的减弱不随着频率显著变化，而这些微波的减弱在近似2.42GHz和2.48GHz范围内强烈地减少。在2.45GHz频率下，对于滑槽部分500，该减弱是近似-4dB并且对于滑槽部分550，该减弱是近似-23dB。然而，将了解的是，这仅是一个实例并且可设想其他更低的频率，如在300-400MHz范围内的频率，如350MHz，这将允许在具有适合用于更高通量的更大直径的滑槽中产生这些微波的适合的驻波。
图8(a)是根据本发明的一个实施例的用于处理采出物质的一种设备的一个部件(微波施加器)800的示意性横截面表示。部件800包括导管802和804(对应于图1中示出的导管106和112)和一个微波入口区806，该微波入口区被定位在导管802与804之间。微波入口区806被安排成接收由一个适合的源(未示出)产生的微波辐射。导管802和804包括以上提到的反射结构，该反射结构具有波纹808。在此实施例中，导管802和804包括相对于彼此相反定向的相同反射结构并且微波入口区806被夹在具有这些反射结构的导管802与804之间。波纹808是由一种金属材料形成的并且包括实心金属环809，这些实心金属环被具有一种介电材料的类环形区811分开。在此实施例中，类环形区811用透过该微波辐射(并且具有上述介电特性)的一种材料填充，这样使得导管802和804具有均匀的内径。
反射结构802和804的波纹808在远离微波入口区806的一个方向上直径减小。部件800被安排成使得被引导穿过导管802到达该微波入口区的采出物质的这些碎片的微波吸收剂相经历以至少30、40或60dB/m或更多的速率增加的功率密度(取决于该矿石的类型)。在图8(b)中所示的曲线图820中示意性指示了这种在相对短距离上的功率密度显著增加(假定该采出物质的碎片的均匀密度分布)。曲线图820具有基本上平坦的部分822、824和826以及阶梯部分828和830。阶梯部分828和830连同平坦部分826限定了一个处理区T，在该处理区内该采出物质的这些碎片被暴露于该微波辐射中。如通过对图8(a)和图8(b)彼此进行比较可见，该处理区T超出微波入口区806而延伸到导管802和804中。这些反射结构的每个波纹808具有在特定条件(如填充密度和介电常数)下在特定频率下被计算成停止传播模式的直径。
在图8(b)中还示出一种功率分布的示意性图示832，如果导管802和804将不包括所讨论的这些反射结构，部件800将具有该功率分布。曲线图832是相对平坦的并且不包括其中该采出物质的这些碎片将经历功率密度突然增加的区，并且因此该微波处理的有效性将是相对低的。
图9是根据本发明的一个另外实施例的一种设备840的示意性横截面表示。设备840包括滑槽部分842、844和846。这些滑槽部分具有相同的内部直径，这样使得促进该采出物质的这些碎片的一个填充床在重力作用下通过。设备840包括反射结构848和850。反射结构848和850是类似于以上参考图8所示出的导管802和804的这些反射结构。在此实施例中，反射结构848和850包括实心金属环852，这些实心金属环被也包括一种介电材料的环854分开。反射结构848和850被安排成使得相继的部分852和854产生如微波辐射所经历的一种波浪形介电环境，该波浪形介电环境被安排成使得反射结构848和850引起微波辐射以上述方式穿透进入导管842和846。该微波辐射被引导到微波入口区852中的该采出物质的这些碎片的该下落填充床上。滑槽部分844包括金属壁部分，但具有由透过该微波辐射(并且具有上述介电特性)的一种材料构成的一个窗858，这样使得该微波辐射可以被引导到滑槽844中用于在该填充床自由下落过程中处理该采出物质的这些碎片。
可替代地，整个滑槽部分844可以由透过该微波辐射的一种材料构成。此外，在所述实施例的一个变型中，反射结构842和846可以包括一个内衬(如一个管)，该内衬是由透过该微波辐射的一种材料构成。
图10是根据本发明的一个另外实施例的用于处理采出物质的一种设备的横截面示意性表示。设备870包括用于该采出物质的这些碎片的一个填充床通过的一个导管872。设备870进一步包括反射结构874和876，这些反射结构被对应地定位在一个微波入口区878上方和下方。反射结构874和876包括相继的金属环880和也包含介电材料的环882。例如，金属环880可以排他地由钢构成并且介电部分882可以包含钢和透过微波辐射的一种材料并且可替代地还可以包含气隙或气穴。导管872还具有由透过该微波辐射的一种材料形成的壁部分。
导管872被安排成使得该微波辐射可以被引导穿过微波入口区878处的导管872的一个壁部分。此外，当导管872包含透过微波辐射的一种材料时，这些交替的类环形区880和882可以上述定义的方式起作用并且减少该微波辐射从微波入口区878穿透进入导管872。
将了解的是，在图9和图10中示出的这些反射结构可以包括任何适合数目的金属区和介电区。此外，这些金属区和介电区可以具有或可以不具有相同的直径，并且类似于图8中示出的区809和811，可以具有在沿着采出物质的这些碎片的下落填充床通过的一个方向上变化的外部直径。
图11示出用于处理采出物质的一种设备900。设备900包括一个微波发生器902、一个微波波导管904和在一个滑槽部分中限定一个微波入口区的一个微波入口部分906。一个导管908将该采出物质引导穿过微波入口部件906进入一个导管910。示出了微波辐射从微波入口部分906向远处扩散进入导管908和910中，并且接着产生在该采出物质到达微波入口部分906之前对该采出物质的显著预加热的结果。
图12示出根据本发明的一个具体实施例的用于处理采出物质的一种设备。设备950包括一个微波发生器952、一个微波波导管954和以上提到的微波入口部分956连同导管958和960。导管958将该采出物质引导穿过微波入口部分956进入导管960中。导管958以及还有导管960具有上述的波纹状扼流器结构962。波纹状扼流器结构962使微波辐射从导管958和962反射回到微波入口部分956中并且因此可以显著减少微波辐射从微波入口部分956泄漏到导管958和960中。微波辐射进入到导管958中的泄漏减少使对该采出物质的预加热减少并且因此增加了该微波入口部分中的微波处理的有效性。进入到导管958和导管960两者中的泄漏减少还具有在微波入口部分中增强该矿石的功率暴露的优点。
图13示出根据本发明的一个具体实施例的用于处理采出物质的一种设备的一个部件1100的(a)侧面视图和(b)截面视图。部件1100包括导管1102和1104，这些导管被用来将该采出物质的这些颗粒引导到一个微波辐射处理区并且从一个微波辐射处理区引导该采出物质的这些颗粒，该微波辐射处理区主要位于微波入口部分1106内，但略微延伸超过微波入口部分1106进入导管1102和1104。导管1102和1104具有波纹状反射结构1108和1110，这些波纹状反射结构被安排成以使得这些碎片在穿入该处理区时经历以上文提到的高速率增加的电场的一种方式限制与该微波辐射相关联的电场。
该微波辐射是由联接到微波入口区1106上的一个微波辐射源(未示出)产生。导管1102和1104包括另外的波纹状反射结构1114和1116，这些另外的波纹状反射结构被安排成减少微波辐射远离微波入口部分1106向更远处传播。另外，导管1102和1104对应地具有吸收剂微波扼流器1118和1120，这些吸收剂微波扼流器确保不存在微波辐射从部件1100中泄漏出去。
部件1100还包括一个管1122，该管被定位在微波入口部分1106、反射结构1108和反射结构1110内。管1122是由透过微波辐射(并且具有上述介电特性)的一种材料形成。此外，部件1100包括一个钢罩1124，该钢罩封装微波入口部分1106和波纹状反射结构1108和1110的一个部分。
在此实施例中，反射性波纹状结构1108和1110具有相同的特性，但围绕穿过微波入口部分1106的一个中心横向轴线旋转180°。因此，反射结构1108产生如这些碎片所经历的电场(或功率密度)急剧增加并且反射结构1110产生如这些下落颗粒所经历的电场强度(或功率密度)急剧减小。
反射结构1108通过限制该电场(和功率密度)来增加该微波处理的效率。反射结构1108和1110两者均减少电场强度(和功率密度)从该处理区到这些导管的损耗，这增加了该微波处理的效率并且减少了功率消耗。
现在参见图14和图15，现在对根据本发明的另外实施例的一种设备的部件进行描述。部件1400和1450是类似于图8至图13中示出的这些部件。部件1400和1450对应地包括反射结构1404、1406和1454、1456。部件1400和1450还对应地包括微波入口部分1402和1452，这些微波入口部分被定位在导管802和804之间。微波入口部分1402和1452被安排成接收由一个适合的源(未示出)产生的微波辐射。反射结构1404、1406、1454和1456包括多个区，这些区以类似于上文参见图8所描述的导管802、804的这些区的一种方式引起微波辐射从这些微波入口区传播进入导管的减少。然而，与先前描述的部件相比，部件1400和1450不具有均匀的内径。部件1400具有一个内衬，该内衬提供在一个向下方向上直径逐渐增加的一个通道。部件1450也具有一个内衬，该内衬在一个向下方向上直径增加，但在此特定情况下，该内径线性增加。
本领域技术人员将了解部件1400和1450可以可替代地呈不同相关形式提供。例如，这些部件可以包括其中该通道具有基本上均匀的直径的部段和其中直径变化的相邻部段。此外，部件1400和1450可以不具有一个内衬，但这些反射结构的这些区可以被安排成提供具有以上述方式变化的直径的该通道。该通道的直径的变化程度取决于许多因素，包括但不限于该设备的一个目标通量、该采出物质的矿物学和组成、这些碎片的大小(包括碎片大小分布)、该床层中的填充密度、该功率强度以及该微波辐射的其他特征。
应当了解的是所描述的实施例的不同变型是可能的。例如，设备100可以被安排成产生具有任何适合频率的微波辐射。此外，滑槽部分106可以不必被竖直安排并且可以具有任何适合的横截面形状、直径和长度。此外，滑槽部分106可以具有任何数目的环形或弧形区。另外，应当了解的是，所描述的设备可以不必包括反射性微波扼流器结构，而是在所描述的实施例的一个变型中还可以包括吸收性微波扼流器结构，所述吸收性微波扼流器结构被设计成使得该采出物质的这些碎片经历以所描述的高速率增加的电场强度(和相应的功率密度增加)。

Claims (45)

1.一种用于处理采出物质的设备，该设备包括：
用于产生电磁辐射的一个源；
一个辐射入口；
一个辐射入口区，该辐射入口区是在该辐射入口处并且被安排用于使该采出物质的碎片暴露于该产生的电磁辐射；
一个通道部分，该通道部分用于将该采出物质的这些碎片导引到该辐射入口区上；以及
提供或包围该通道的至少一个部分的一个反射结构，该反射结构被安排成在该采出物质的这些碎片通过过程中减弱该电磁辐射从该辐射入口区向该通道中的穿透。
2.如权利要求1所述的设备，其中该反射结构被安排成使得与该电磁辐射相关联的一个电场强度在从该微波入口区进入该通道的一个方向上以至少15dB/m的速率减小。
3.一种用于处理采出物质的设备，该设备包括：
一个辐射入口；
用于产生电磁辐射的一个源；
一个辐射入口区，该辐射入口区是在该辐射入口处并且被安排用于使该采出物质的碎片暴露于该产生的电磁辐射；
一个通道，该通道用于将该采出物质的这些碎片导引到该辐射入口区上；
一个反射结构，该反射结构被定位在该辐射入口区上方并且提供或包围该通道的至少一部分，该通道具有沿着该反射结构的至少大部分长度基本上均匀的或均匀地变化的直径，该反射结构被安排成在该采出物质的这些碎片通过过程中减弱该电磁辐射从该辐射入口区向该通道中的穿透。
4.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中该反射结构包括一个内导管，该内导管具有由基本上透过该电磁辐射的一种材料形成的至少一个壁部分并且该内导管被定位成提供该通道。
5.一种用于处理采出物质的设备，该设备包括：
用于产生电磁辐射的一个源；
一个辐射入口；
一个辐射入口区，该辐射入口区是在该辐射入口处并且被安排用于使该采出物质的碎片暴露于该产生的电磁辐射；
一个通道，该通道用于将该采出物质的这些碎片导引到该辐射入口区上；
一个反射结构，该反射结构被定位在该微波入口区上方；该反射结构包括被定位成提供该通道的至少一部分的一个内导管，该内导管包含基本上透过该电磁辐射的一种材料；
其中该反射结构被安排成在该采出物质的这些碎片通过过程中减弱该电磁辐射从该辐射入口区向该通道中的穿透。
6.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中该辐射入口区包括一个内导管，该内导管包括由基本上透过该电磁辐射的一种材料形成的至少一个壁部分并且被至少部分地定位在该辐射入口区处。
7.一种用于处理采出物质的设备，该设备包括：
一个辐射入口；
一个辐射入口区，该辐射入口区是在该辐射入口处并且被安排用于使该采出物质的碎片暴露于该产生的电磁辐射；
用于将该采出物质的这些碎片导引穿过该辐射入口区的一个内导管，该内导管包括由基本上透过该电磁辐射的一种材料形成的至少一个壁部分并且被定位成使得该产生的电磁辐射穿过该壁部分进入该微波入口区中；
一个通道，该通道用于将该采出物质的这些碎片导引到该辐射入口区上；
一个反射结构，该反射结构被定位在该辐射入口区上并且提供或包围该通道的至少一部分并且被安排成在该采出材料的这些碎片通过过程中减弱该电磁辐射从该辐射入口区向该通道中的穿透。
8.如权利要求7所述的设备，其中该反射结构包括一个内导管，该内导管包含基本上透过该电磁辐射的一种材料并且被定位成提供用于将该采出物质的这些碎片导引到该辐射入口区上的该通道的至少一部分。
9.如权利要求4至8中任一项所述的设备，其中基本上透过该电磁辐射的该材料具有一个相对介电常数ε*＝ε’-jε”(ε’：该相对介电常数的实数部分；ε”：该相对介电常数的虚数部分；)并且其中ε”是小于0.1。
10.如权利要求4至8中任一项所述的设备，其中基本上透过该电磁辐射的该材料具有一个相对介电常数ε*＝ε’-jε”(ε’：该相对介电常数的实数部分；ε”：该相对介电常数的虚数部分；)并且其中ε”是小于0.01。
11.如权利要求4至8中任一项所述的设备，其中基本上透过该电磁辐射的该材料具有一个相对介电常数ε*＝ε’-jε”(ε’：该相对介电常数的实数部分；ε”：该相对介电常数的虚数部分；)并且其中ε”是小于0.01。
12.如权利要求4至8中任一项所述的设备，其中基本上透过该电磁辐射的该材料具有一个相对介电常数ε*＝ε’-jε”(ε’：该相对介电常数的实数部分；ε”：该相对介电常数的虚数部分；)并且其中ε’是在1-20的范围内。
13.如权利要求4至8中任一项所述的设备，其中基本上透过该电磁辐射的该材料具有一个相对介电常数ε*＝ε’-jε”(ε’：该相对介电常数的实数部分；ε”：该相对介电常数的虚数部分；)并且其中ε’是在5-10的范围内。
14.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中该反射结构被定位成压在该辐射入口区上面。
15.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中该反射结构包括一个金属管，该金属管包括相继的第一区和第二区。
16.如权利要求15所述的设备，其中这些第一区具有小于这些第二区的平均内径并且被安排成使得该金属管具有在沿着该管的一个方向上呈波浪形的内径以使得该管具有一个波纹状的壁部分。
17.如权利要求1至14中任一项所述的设备，其中该反射结构包括相继的第一区和第二区，这些第一区还包含具有低于这些第二区的介电常数的一种材料。
18.如权利要求17所述的设备，其中这些第一区是金属的并且这些第二区还包含一种电绝缘材料。
19.如权利要求17所述的设备，其中这些第二区被部分地呈气穴的形式提供
20.如权利要求17至19中任一项所述的设备，其中这些第一区和第二区具有基本上相同的内径，这样使得相继的这些第一区和第二区具有基本上均匀的内径。
21.如权利要求15至20中任一项所述的设备，其中该反射结构包括一个内导管，该内导管具有沿着该内导管的一个长度部分L均匀的内径并且其中L是大于这些区中至少一个的厚度。
22.如权利要求15至20中任一项所述的设备，其中该反射结构包括一个内导管，该内导管具有沿着该内导管的一个长度部分L线性变化的内径并且其中L是大于这些区中至少一个的厚度。
23.如权利要求15至20中任一项所述的设备，其中该反射结构包括一个内导管，该内导管具有沿着该内导管的一个长度部分L均匀变化或逐渐变化的内径并且其中L是大于这些区中至少一个的厚度。
24.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中该设备被安排用于在重力作用下使该采出物质的这些碎片的一个填充床通过。
25.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中该反射结构被安排成使得与该电磁辐射相关联的一个电场强度在从该微波入口区进入该通道的一个方向上以至少15dB/m的速率减小。
26.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中该反射结构被安排成使得与该电磁辐射相关联的一个电场强度在从该微波入口区进入该通道的一个方向上以至少30dB/m的速率减小。
27.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中该源被安排成产生微波辐射。
28.如权利要求27所述的设备，其中该设备被安排成使得该微波辐射在该处理区中引起对该采出物质的这些碎片进行加热，并且当该采出物质的这些碎片呈一个填充床形式穿过该设备时在该采出物质的碎片的至少一些加热的部分中的一个相关联功率密度是至少1×109W/cm3。
29.如权利要求27所述的设备，其中该设备被安排成使得该微波辐射在该处理区中引起对该采出物质的这些碎片进行加热，并且在该采出物质的碎片的至少一些加热的部分中的一个相关联功率密度呈一个填充床形式穿过该设备。
30.如权利要求27所述的设备，其中该设备被安排成使得该微波辐射在该处理区中引起对该采出物质的这些碎片进行加热，并且当该采出物质的这些碎片呈一个填充床形式穿过该设备时在该采出物质的碎片的至少一些加热的部分中的一个相关联功率密度是至少1×1011W/cm3。
31.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中该反射结构的长度被安排成使得沿着该长度的一个部分传播的微波辐射将经历其中介电特性周期性变化的一种环境。
32.如权利要求15至23或权利要求23至31中任一项所述的设备，其中在沿着该通道到该辐射入口区的一个方向上这些第一区之一与这些第二区中的一个相邻的第二区在一起的总高度是在由该源产生的使用中的微波辐射的群波长的20％-80％范围内。
33.如权利要求32所述的设备，其中这些第一区的高度不是全部相同的以便使这些波长带变宽，在这些波长带内该反射结构的长度被安排成反射该微波辐射。
34.如权利要求32或33所述的设备，其中这些第二区的高度不是全部相同的以便使这些波长带变宽，在这些波长带内该反射结构的长度被安排成反射该微波辐射。
35.如权利要求32至34中任一项所述的设备，其中这些第一区和第二区的高度以及这些第一区和第二区的材料被选择成使得该反射结构的长度被安排成反射一个波长范围内的微波辐射，该波长范围包括由该源产生的使用中的该波长或该波长范围的至少一个部分。
35.如前述权利要求中任一项所述的设备，包括用于将该采出物质的这些碎片导引远离该辐射入口区的一个另外的通道和在该辐射入口区下方的一个另外的反射结构，该另外的反射结构被安排成使得减少该电磁辐射从该辐射入口区向该另外的通道中的传播。
36.如权利要求36所述的设备，其中该另外的反射结构被安排成使得与该电磁辐射相关联的一个电场强度在从该辐射入口区进入该另外的通道的一个方向上以至少15dB/m的速率减小。
37.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中该设备被安排用于至少每小时100吨的通量。
38.一种处理采出物质的方法，该方法包括以下步骤：
提供一种采出物质的碎片的一个填充床穿过用于处理该采出物质的一个设备的通量；以及
产生微波辐射并且将该微波辐射引导到该采出物质的这些碎片的该通量上，从而使该采出物质的这些碎片的该通量暴露于该微波辐射中；
其中该采出物质的这些碎片当下落穿过该设备时被暴露于沿着穿过该设备的一个路径以至少15dB/m的速率增加的电场强度中。
39.如权利要求38所述的方法，其中该电场强度增加的该速率是至少30dB/m。
40.如权利要求38或39所述的方法，其中该方法被进行为使得该微波辐射引起加热并且在该填充床的该采出物质的碎片的至少一些加热的部分中的一个相关联功率密度是至少1×109W/cm3。
41.如权利要求38至40中任一项所述的方法，其中该方法被进行为使得该微波辐射引起加热并且在该填充床的该采出物质的碎片的至少一些加热的部分中的一个相关联功率密度是至少1×1010W/cm3。
42.如权利要求38至41中任一项所述的方法，其中该方法被进行为使得该微波辐射引起加热并且在该填充床的该采出物质的碎片的至少一些加热的部分中的一个相关联功率密度是至少1×1011W/cm3。
43.如权利要求38至42中任一项所述的方法，包括重力进料该采出物质。
44.如权利要求38至43中任一项所述的方法，其中该采出物质的该通量是至少每小时100吨。
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