CN105944810A - 一种915MHz脉冲微波辐照辅助破磨铀矿石的装置及调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种915 MHz脉冲微波辐照辅助破磨铀矿石的装置及调控方法。装置包括以下五个主要部分：915 MHz微波源发生器、微波环行器、水负载、波导管以及微波谐振加热腔体。经过本装置发出的大功率脉冲微波辐照铀矿石后，铀矿石的力学强度会降低、铀矿物的解离度会提高，有利于铀矿石的破磨及铀矿物的浸出。与传统连续微波辐照相比，脉冲微波辐照降耗更低，辅助破磨效果更好，而且可以有效防止高温烧结。

Description

一种 915 MHz 脉冲微波辐照辅助破磨铀矿石的装置及调控方法

技术领域

本发明涉及一种915MHz脉冲微波源辐照辅助破磨铀矿石的装置及方法。

背景技术

我国南方硬岩铀矿石中的铀主要采用搅拌和堆浸工艺提取，但铀矿物主要赋存在铀矿石颗粒的内部，呈包裹状。对铀矿石进行破碎和磨矿处理，是提高铀矿物解离度最有效简便的手段之一。但由于铀矿石硬度大，采用常规的破磨处理，能耗高，设备磨损大，且铀矿物的解离度低，铀资源无法高效、快速浸出。同时，残留在尾矿中的铀一旦释放出来，对周边环境又将造成放射性污染。堆浸和搅拌浸出过程中，铀矿石中的铀矿物只有借助其中的孔隙或者被充分解离出来，才能与溶浸剂接触，发生化学反应，从而被浸出。因此，如何使铀矿石更加容易破磨，如何增加矿石颗粒中孔隙的数量及长度，如何提高铀矿物的解离度，以增加铀矿物与溶浸剂的接触，是缩短浸出周期、提高浸出率的关键技术。

近年来，利用微波加热处理铀矿石，来降低铀矿石的力学强度、提高铀矿物的解离度、增加铀矿石的裂度、改善铀矿石的渗透性、提高铀矿物的浸出率已成为研究的热点。由于在铀矿石中微小范围内赋存的铀矿物与相邻脉石矿物的“损耗角正切”等参数不一样，加上微波加热具有选择性的特点，铀矿物吸收微波的能力强，温度升高快，产生的膨胀大，而包裹铀矿物的脉石矿物吸收微波能力弱，升温较慢，产生的膨胀较小，铀矿物与周边的脉石矿物产生了明显的温度差。而且微波功率越大，加热空间的电场强度越大，温差越大。如果采用足够大功率的微波进行辐照，铀矿石就会在短时间内产生巨大的应力差，从而使铀矿物与包裹在外面的脉石矿物之间产生晶界断裂，促进铀矿物的解离，使得铀矿石更加容易破磨，铀矿物更易被浸出。当使用较小功率的微波处理铀矿石时，微波辐照产生的热能传导到相邻的介质，仅起到缓慢加热的作用，铀矿石整体升温慢、膨胀小，无法使铀矿物有效解离或者产生裂隙。若辐照加热时间较长，过高的温度会使铀矿石内部的组分发生相变，不同组分会重新粘连、聚结、烧结在一起，致使铀矿物的解离更加困难。

因此，要达到微波辐照辅助破磨硬岩铀矿石的最佳效果，必须研制大功率、短时间脉冲微波辐照装置。本发明采用915 MHz磁控管，研制了一种大功率脉冲微波源装置，实现磁控管按一定微波峰值功率、脉冲重复频率、脉宽、占空比可调制输出的脉冲微波，从而满足脉冲微波辐照辅助破磨硬岩铀矿石的需求。

发明内容

为达到上述目及要求，研制了如下装置对硬岩铀矿石进行辐照。框图如图1所示。主要包括以下五个主要部分：915 MHz微波源发生器1、微波环行器2、水负载3、波导管4以及微波谐振加热腔体5，其中915 MHz微波源发生器1通过波导管4与微波环行器2连接，微波环行器2通过波导管4分别与水负载3及微波谐振加热腔体5连接；

所述微波谐振加热腔体5外形是常规915 MHz谐振加热腔体，使用金属板材料制造，上面有波导管以及物料开关门，门上安装有位置传感器，用于检测门是否关闭，并将门开关信号1.7送到控制系统中，此信号是开启微波辐照的前提条件之一；

所述波导管4用于915MHz微波的传输；

所述微波环行器2将进入其任一端口的入射波，按照由静偏磁场确定的方向传入下一个端口的多端口器件，它控制电磁波沿某一环行方向传输，负载阻抗在变化甚至开路或短路的情况下都不影响微波源的工作状态，从而保护了磁控管；

所述水负载3是用于吸收从微波谐振加热腔体5反射回来的微波。

所述915 MHz微波源发生器1功能是为磁控管1.1的工作提供所需的供电，其组成结构如图2所示，1.1为磁控管、1.2为磁场电源、1.3为灯丝驱动电源、1.4为磁控管阳极高压电源、1.5为磁场线圈、1.6为控制器。

所述磁控管1.1用于发出微波，1.1.1为灯丝，1.1.2为天线耦合器。磁控管1.1工作需要灯丝驱动电源1.3、磁场电源1.2和磁控管阳极高压电源1.4三个电源同时正常工作；

所述灯丝驱动电源1.3包含灯丝隔离变压器1.3.1和隔离降压变压器1.3.2两个部分。交流调压装置1.3.1使用可控硅相位控制交流电压的有效值，也可以由步进电机驱动交流调压器完成。灯丝电压及电流依据磁控管的型号有点差别，电压6.3～12.5 V，电流约几十到一百多安培，使用恒流闭环控制模式以延长磁控管的寿命；

所述磁场电源1.2的功能是让磁场线圈1.5产生一个强磁场，电子在电场加速下回旋并经天线耦合器1.1.2辐射微波。磁场电源1.2使用恒流控制，在一定范围内，磁场小，微波输出功率大，反之亦然，所以通过在一定范围内控制磁场的弱强，可以达到控制微波功率的大小的目的；

所述磁控管阳极高压电源1.4的功能是产生加速电子的电场，并转化为辐射微波能，其负极（U-）与灯丝1.1.1的一端连接在一起，正极端（U+）与磁控管1.1的阳极接在一起，并接地处理，故阳极高压电源为负极性输出。阳极电压的大小因磁控管类型而不同，一般在约10多至20多千伏，使用恒压控制方式；

所述控制器1.6功能是完成磁场电源1.2、灯丝驱动电源1.3以及磁控管阳极高压电源1.4三个电源的输出参数及功率控制方法设置，同时监测门开关信号1.7以及冷却水开关信号1.8。控制器1.6由嵌入式系统ARM或可编程逻辑控制器PLC或数字处理器DSP实现，包含触摸屏等人机界面；

所述装置中灯丝驱动电源1.3及磁场电源1.2由市电供给，阳极高压电源1.4由三相五线制供电。灯丝供电置于负高压之上，需要由隔离降压变压器1.3.2与灯丝隔离变压器1.3.1隔离；

所述装置区别于其它常规915 MHz微波源的第一特点是：磁控管阳极高压电源1.4是脉冲方式施加，也可以连续直流施加。915MHz磁控管阳极高压供电电源是本发明的关键技术之一。

作为进一步细化设计，所述磁控管阳极高压电源1.4使用Y/Y(或Y/△或其组合)连接磁控管隔离变压器1.4.1，磁控管隔离变压器1.4.1后连接n个单元模块（图中n=24个单元模块为例）。方框图如图3所示。

以第一单元模块M1为例，每个单元模块包括断路器1.4.2、整流滤波电路（AC/DC）1.4.3、DC/DC电路1.4.4、固态快速开关1.4.5、续流二极管1.4.6和驱动电路1.4.7部分。单元模块的功能是变压器次级绕组后接断路器1.4.2，然后经整流滤波电路（AC/DC）1.4.3将交流变换成脉动的直流，再经DC/DC电路1.4.4变换成稳定的直流电压。1.4.5为固态快速开关，其功能是将DC/DC电路1.4.4输出的直流电压调制输出。固态快速开关1.4.5由绝缘栅三极管IGBT或者功率场效应管MOSFET执行。当驱动电路1.4.7接收到控制器1.6经光纤发来的光信号时，驱动电路1.4.7输出一个正电压驱动固态快速开关1.4.5，固态快速开关1.4.5此时呈现低导通电阻，则DC/DC电路1.4.4的电压输出到续流二极管1.4.6的两端，此时续流二极管1.4.6处于反向截止状态。若驱动电路1.4.7没有收到控制器1.6发出的控制信号，则驱动电路1.4.7输出负电压或零电压，固态快速开关1.4.5此时无法开通，呈现出高阻态，DC/DC电路1.4.4的电压不能输出到续流二极管1.4.6两端，续流二极管1.4.6此时与其它相邻的单元模块是串联连接关系。

作为进一步优化，所述阳极高压电源1.4可以在全量程范围内连续可调。方法是将单元模块分为两类：第一类为1至n-1个单元模块中的任意个，是在工作时间内，控制器1.6经光纤发出光控制信号，单元模块则输出固定不变的电压，大小为-600 V，最大电流为4 A，也就是说前n-1个单元模块的电压以-600V的整数N倍输出，整数N是0到n-1之间的任意整数。第二类是最后一个单元模块。在工作时间内，控制器1.6经光纤发出10千赫兹高频调制信号到该最后一个单元模块（图3中最后一个单元模块M24），调制信号的占空比为d（0≤d≤100%），经过输出线路上的平波作用后，最后一个单元模块输出的电压为-600d V，也就是说它可以在-600 V以内任意调节。所以阳极高压电源中这两类单元模块串联输出的总电压就是-600（N+d）V。当N=0，d=0时，总电压为0V；当N=23，d=1时，输出总电压为-14400V；其余情况，根据控制器1.6的参数设置，可以在全量程范围内根据需要来精确改变。

作为调控方法的进一步细化，实现磁控管微波脉冲输出方式有两种控制形式，施加阳极高压的方式和施加脉冲阳极高压的方式，典型阳极电压图4和图5所示。

第一种施加阳极高压的方式如图4所示。其特点是阳极电压从零开始，阳极电压为矩形波。控制器1.6所设定允许输出电压的N个单元模块同步工作，同时开通或者关断，周期T以及工作占空比D（D=Ton/T）由控制器1.6决定。阳极电压数值上不要超过阳极最高工作电压就可安全运行。

第二种施加脉冲阳极高压的方式如图5所示。让一些单元模块一直输出，形成一个低于激发微波所需的最小工作电压V_a1。另外一些单元模块工作在调制状态，形成调制电压V_a2。当无调制时，阳极电压Va =V_a1，磁控管工作在预激励状态，无微波输出。当调制时，阳极电压为Va =V_a1+V_a2，电压足够大，磁控管输出微波，微波功率呈现调制状态，频率及占空比D决定控制器1.6的调制控制信号。

作为进一步具体调控方法的实施，所述的控制器1.6还可以完成如下的控制方式来进一步让磁控管1.1输出更大的脉冲微波功率。这是本装置区别于其它常规915MHz微波源的第二个特点：一是通过控制阳极电压调制部分小幅度的增加，短时间可以获得几倍于额定功率的脉冲峰值功率；二是通过在小范围内调控磁场供电的大小，获得一定范围内的磁场感应强度，可以获得高于额定功率的峰值微波功率。

图6为通过控制阳极高压获得峰值脉冲微波功率的波形示意图。当灯丝1.1.1的发射能力足够大时，而V_a1电压不足以激发微波，大量电子不能进入阳极上，当再施加一个调制电压V_a2时，这些电子瞬间被加速并同时发出微波，形成脉冲尖峰微波功率图中为调制电压。这个调制电压根据磁控管和磁场大小有所区别，一般在200～1000 V间。同时灯丝过度激发会影响磁控管的使用寿命，所以灯丝的加热电流I_f也使用脉动给定方式，大小比常规驱动电流增加10%就足以，施加时间比调制电压的施加时间t提前10～100微秒就行。所获得微波峰值功率P_w-peak介于额定功率2～4倍间。所有控制过程由控制器1.6完成。

图7为通过控制磁场线圈供电电流的大小获得高于额定微波功率的控制波形示意图。当灯丝驱动电流一定时，阳极电压V_a1施加脉冲供电方式，且刚好处于预激励状态，磁场强度足够大，大量电子不能进入阳极上，此时可以将磁场的驱动电流在一定范围内由I_B1变小到I_B2，此时电子瞬间被加速并同时发出微波，形成脉冲调制微波P_w-peak，峰值功率介于额定功率2～3倍间。脉冲微波的周期及占空比由阳极电压决定，脉冲微波的作用时间由磁场改变的时间决定。所有控制过程由控制器1.6完成。

工作过程：整个装置使用380 V电网供电。将铀矿石置于微波谐振加热腔体里面的平台转架上，开启冷却水，关闭腔体门。经控制器1.6设置磁控管的供电方式、功率控制方式后，并监测微波谐振加热腔体工作的静态条件（门开关信号1.7、冷却水开启信号1.8）。启动磁控管灯丝驱动电源1.3供电，预热五分钟以上，施加磁场电源1.2到额定电流，然后按预定的过程，控制器1.6输出控制信号启动阳极高压电源1.4工作。

本发明的有益效果是：所述装置使用915 MHz磁控管，施加阳极高压和施加脉冲阳极高压的两种供电方式，发出的脉冲微波，同时也使用本发明所述的功率调控方法，输出更大的峰值微波功率，工作时间可以精确控制，重复频率与占空比都可以调节适合不同类型的铀矿石的破磨预处理要求。经过本装置发出的大功率脉冲微波辐照铀矿石后，铀矿石的力学强度会降低、铀矿物的解离度会提高，有利于铀矿石的破磨及铀矿物的浸出。与传统连续微波辐照相比，辅助破磨效果更好，脉冲微波辐照降耗更低，可以有效防止高温烧结，节能效果显著。重复频率范围为0Hz～2 kHz，占空比最高达80%。本方法可以辐照铀矿石，也可以辐照类似的其它矿石，进行辅助破磨，也可以应用于其它微波“非热效应”应用的场合。

附图说明

图1为 915 MHz大功率脉冲微波辐照辅助破磨铀矿石装置；

图2为磁控管电源系统原理示意图；

图3磁控管阳极高压电源原理示意图；

图4阳极高压供电方式一波形示意图；

图5阳极高压供电方式二波形示意图；

图6通过控制阳极高压获得峰值脉冲微波功率的示意图；

图7通过控制磁场线圈电流获得峰值脉冲微波的示意图。

具体实施方式

实施例 1：使用CK-611磁控管，额定功率为20 kW，阳极电压为12.5 kV，阳极电流为2.8 A，灯丝电压为12.5 V，电流为115 A。冷却方式为水冷，磁场强度为127 mT~131 mT。阳极高压电源使用24级叠加输出方式，每级输出电压-600 V，共使用21级，使用本发明提出的同步调制方式产生脉冲微波，辐照火山岩型铀矿石，重复频率为500 Hz，脉宽为500 μS，占空比为50%，磁场线圈电流2.2A，输出的阳极电流，有效值为4 A，微波功率为额定功率的2.52 倍。

实施例 2：使用CK-611磁控管，额定功率为20 kW，阳极电压为12.5 kV，阳极电流为2.8 A，灯丝电压为12.5V，电流为115A。冷却方式为水冷，磁场强度为127mT~131mT。阳极高压电源使用24级叠加输出方式，每级输出电压600 V，使用本发明提出的预激励+调制电压方式产生脉冲微波辐照火山岩型铀矿石。预激励电压为10.8 kV，调制电压为1200 V，重复频率为1000 Hz，脉宽为100 μS，占空比为10%，输出的阳极电流，有效值为5.9 A，微波功率为额定功率的3.54 倍。

Claims (5)

1.一种915 MHz脉冲微波辐照辅助破磨铀矿石的装置，包括915 MHz微波源发生器（1）、微波环行器（2）、水负载（3）、波导管（4）以及微波谐振加热腔体（5），其中915 MHz微波源发生器(1)通过波导管(4)与微波环行器（2）连接，微波环行器（2）通过波导管（4）分别与水负载（3）及微波谐振加热腔体（5）连接；其特征在于，

所述波导管（4）用于915MHz微波的传输；

所述微波环行器（2）将进入其任一端口的入射波，按照由静偏磁场确定的方向传入下一个端口的多端口器件，控制电磁波沿某一环行方向传输；

所述水负载（3）是用于吸收从微波谐振加热腔体（5）反射回来的微波；

所述915 MHz微波源发生器（1）包括：磁控管（1.1）、磁场线圈（1.5）、灯丝（1.3.4）、灯丝驱动电源（1.3）、磁控管阳极高压电源（1.4）、磁场电源（1.2）及控制器（1.6），

所述磁控管（1.1）用于发出微波，包括灯丝（1.1.1）、天线耦合器（1.1.2），磁控管（1.1）工作需要灯丝驱动电源（1.3）、磁场电源（1.2）和磁控管阳极高压电源（1.4）三个电源同时正常工作；

所述灯丝驱动电源（1.3）包含隔离降压变压器（1.3.2）、灯丝隔离变压器（1.3.1），磁控管阳极高压电源（1.4）的负极U-与灯丝（1.3.4）连接在一起，阳极高压电源正极端U+与微波谐振加热腔体外壳接在一起，并接地；

所述灯丝电源（1.3）及磁场电源（1.2）由市电供给，阳极高压电源（1.4）由三相五线制供电，灯丝供电置于负高压之上，需要由隔离降压变压器（1.3.2）与灯丝隔离变压器（1.3.1）隔离；

所述磁场电源（1.2）的功能是让磁场线圈（1.5）产生一个强磁场，电子在电场加速下回旋并经天线耦合器（1.1.2）辐射微波；

所述磁控管阳极高压电源（1.4）的功能是产生加速电子的电场，并转化为辐射微波能，其负极U-与灯丝（1.1.1）的一端连接在一起，正极端U+与磁控管（1.1）的阳极接在一起，并接地处理，故磁控管阳极高压电源为负极性输出；

所述磁控管阳极高压电源（1.4）是脉冲方式施加，也可连续直流施加。

2.根据权利要求1所述的一种915 MHz脉冲微波辐照辅助破磨铀矿石的装置，其特征在于，所述磁控管阳极高压电源（1.4）连接磁控管隔离变压器（1.4.1），磁控管隔离变压器（1.4.1）后连接n个单元，

以第一单元模块M1为例，每个单元模块包括断路器（1.4.2）、整流滤波电路AC/DC（1.4.3）、DC/DC电路（1.4.4）、固态快速开关（1.4.5）、续流二极管（1.4.6）和驱动电路（1.4.7），单元模块的功能是变压器次级绕组后接断路器（1.4.2），然后经整流滤波电路AC/DC（1.4.3）将交流变换成脉动的直流，再经DC/DC电路（1.4.4）变换成稳定的直流电压,固态快速开关（1.4.5）将DC/DC电路(1.4.4)输出的直流电压调制输出，固态快速开关（1.4.5）由绝缘栅三极管IGBT或者功率场效应管MOSFET执行，当驱动电路（1.4.7）接收到控制器（1.6）经光纤发来的光信号时，驱动电路（1.4.7）输出一个正电压驱动固态快速开关（1.4.5），固态快速开关（1.4.5）此时呈现低导通电阻，则DC/DC电路（1.4.4）的电压输出到续流二极管（1.4.6）的两端，此时续流二极管（1.4.6）处于反向截止状态，若驱动电路（1.4.7）没有收到控制器（1.6）发出的控制信号，则驱动电路（1.4.7）输出负电压或零电压，固态快速开关（1.4.5）此时无法开通，呈现出高阻态，DC/DC电路（1.4.4）的电压不能输出到续流二极管（1.4.6）两端，续流二极管（1.4.6）此时与其它相邻的单元模块是串联连接关系。

3.根据权利要求1所述的一种915 MHz脉冲微波辐照辅助破磨铀矿石装置的调控方法，其特征在于，

阳极高压电源（1.4）在全量程范围内连续可调，方法是将单元模块分为两类：

第一类为1至n-1个单元模块中的任意N个，具体调控过程为：在工作时间内，控制器（1.6）经光纤发出光控制信号，单元模块则输出固定不变的电压，大小为-600 V，最大电流为4 A，也就是说前n-1个单元模块的电压以-600V的整数N倍输出，整数N是0到n-1之间的任意整数，

第二类是最后一个单元模块，具体调控过程为：在工作时间内，控制器（1.6）经光纤发出10千赫兹高频调制信号到该单元模块，调制信号的占空比为d，0≤d≤100%，经过输出线路上的平波作用后，该单元模块输出的电压为-600d V，也就是说它在0～-600 V以内任意调节，所以阳极高压电源中这两类单元模块串联输出的总电压就是-600（N+d）V，当N=0，d=0时，总电压为0V；当N=23，d=1时，输出总电压为-14400V；其余情况，根据控制器1.6的参数设置，可在全量程范围内根据需要求精确改变。

4.根据权利要求1所述的一种915 MHz脉冲微波辐照辅助破磨铀矿石装置的调控方法，其特征在于，

磁控管微波脉冲输出方式有两种控制形式，施加阳极高压的方式和施加脉冲阳极高压的方式，

第一种施加阳极高压的方式具体为：阳极电压从零开始，阳极电压为矩形波，控制器（1.6）所设定允许输出电压的N个单元模块同步工作，同时开通或者关断，周期T以及工作占空比D，D=Ton/T，由控制器（1.6）决定，

第二种施加脉冲阳极高压的方式具体为：让一些单元模块一直输出，形成一个低于激发微波所需的最小工作电压V_a1，另外一些单元模块工作在调制状态，形成调制电压V_a2，当无调制时，阳极电压Va =V_a1，磁控管工作在预激励状态，无微波输出，当调制时，阳极电压为Va =V_a1+V_a2，电压足够大，磁控管输出微波，微波功率呈现调制状态，频率及占空比D决定控制器（1.6）的调制控制信号。

5.根据权利要求1所述的一种915 MHz脉冲微波辐照辅助破磨铀矿石装置的调控方法，其特征在于，

控制器（1.6）还可完成如下的控制方式来进一步让磁控管（1.1）输出更大的脉冲微波功率，具体为：一是通过控制阳极电压调制部分小幅度的增加，短时间获得几倍于额定功率的脉冲峰值功率；二是通过在小范围内调控磁场供电的大小，获得一定范围内的磁场感应强度，获得高于额定功率的峰值微波功率。