CN1692168A - 利用高磁场强度的电磁波预处理多相材料 - Google Patents

利用高磁场强度的电磁波预处理多相材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种后续处理材料(200)以前微波预处理多相材料(200)的方法。材料(200)含有第一相材料和第二相材料。该方法包括在连续过程中以至少109Wm－3功率密度电磁加热材料，优选的是使用微波(202)，在此连续过程中材料(200)进入并穿过电磁处理区域(212)，优选的是微波处理区域。为了后续处理，在穿过处理区域(212)以前，材料(200)在处理区域(212)中经受了1/2秒或更短的微波辐射。

Description

利用高磁场强度的电磁波预处理多相材料
本发明涉及产生高磁场强度的电磁辐射，优选的是微波辐射，优选采用微波辐射弱化多相材料的相间附着力。
本发明是由如何加工矿石的思考引发的，并在说明书中对此问题加以说明。可以理解，本发明具有广泛的应用范围。
加工过程、例如从不需要的包裹岩石或矿物中提取需要的矿物质是众所周知，并且矿石粉碎是很成熟的行业。铣削或磨碎矿石是一个能量密集型的过程。据估测，美国所用总能量的1.5％用于粉碎矿石或矿物。这是一个很大的市场。
有关在用铣削设备或研磨设备处理前如何预处理材料，存在多种方案。一些方案涉及化学处理，一些方案涉及热处理，还有一些使用微波预处理未经成功实施的建议。还有使用放电处理的建议。现有技术中已经实施的方案与推测的方案在很多观点上往往相互矛盾。
此领域的一些文献包括：美国专利No.5 824 1533，PCT专利申请WO 92/18249，英国专利申请No.GB 2 120 579，并且刊物有″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。
有关常规多种形式微波生成设备的应用存在很多讨论，利用上述设备在相当长的时间周期内(10秒或者更长时间)向一批材料施加微波处理，然后再将材料压碎或者磨碎。
在上述一些刊物中报道了，微波处理矿物消耗的能量远远大于粉碎过程中节省的能量。
上述的一些建议缺乏实验依据，基本上处于理论阶段。还有一些方案并非以真正的矿石进行实验，而且采用两种材料的简单混合物测定其热性能，而未在两种矿物之间施压。一些预测认为，温度升高会融化所需的矿物或使其化学变性，经济地提取矿物质相当困难或者根本就是不可能的，因此缺乏吸引力。
综上所述，实际上矿石加工企业的设计人员根本不认为微波预处理是可行的，或者是需要的。当前，微波预处理也不被认为是可以降低总成本的方法。本行业中存在不予使用微波的偏见。即使是一台生产规模的设备也并未众所周知，该设备将微波预处理作为粉碎前处理矿石的调节步骤。
英国专利局进行了检索，找出了下列文献：
GB2205559(Wollongong Uniadvice Ltd)公开了一种干燥和加热矿石的方法，其中使用碳材料进行加热。
EP0041841(Cato Research Corporation)公开了一种使用微波能量改变其化学性质、从矿石中辅助提取化合物的方法。
WO 97/34019(EMR Microwave Technology Corporation)公开了一种在含有金属矿石中产生冶金效果的方法。
WO 92/18249(The Broken Hill Proprietory Company Ltd)公开了一种分离矿石中贵重矿物质的方法，该方法具有相当于1小时的处理时间，在此期间每隔10秒-2分钟，就用1-30秒周期的微波能量脉冲辐射矿石。
US 5003144(Lindroth)公开了利用微波辐射预弱化矿物的装置。微波辐射的长时间应用充分加热了矿物，从而引起矿物中的化学变化，所需矿物质的降解。
根据本发明的第一部分，我们提供一种后续处理以前微波预处理多相材料的方法，材料含有第一相材料和第二相材料，该方法包括在连续过程中以至少109Wm-3功率密度电磁加热材料，在此连续过程中材料进入并穿过电磁处理区域，为了后续处理，材料在处理区域中经受了1/2秒或更短的微波辐射后通过处理区域。
本发明的一个重要应用是在处理矿物过程中弱化多相复合材料第一相材料和第二相材料之间的附着力。例如，在岩石的不同相中发现了需要提取的矿石或脉石。
通过微波有差别地加热一种材料(例如岩石)的两相，两相有可能产生热膨胀差别，从而造成相界面的破裂或弱化。优选的是，依旧在微波处理后对矿石进行后续处理，例如对矿石或脉石机械预处理，从而分离第一相材料与第二相材料。
我们发现了一个非常吸引人并有商业价值的效果。采用微波加热多相材料(或其它材料)的时间必须远远小于以前认定的所需时间。我们首先将材料在1秒或更短的时间内暴露在高强微波下，但是在大多数可能的情况下暴露时间可以是0.5秒或者更短的时间、0.25秒或者更短的时间、0.1秒或者更短的时间、0.01秒或者更短的时间、0.001秒或者更短的时间。基于对第一相材料和第二相材料的选择，将材料在微波处理区内暴露1ms(或更短的时间)是令人满意的。在微波处理区域中微波辐射时间为1秒的0.1或0.2的等级范围内，对于很高功率密度的动力消耗可以取得最佳的弱化效果。我们认为，特有的功率密度应该是大约1012瓦/立方米或者更高，优选的是1015或者1016瓦/立方米或者更高。
令人满意的是，材料在处理区域内停留或穿过的时间可以长于、或远远长于材料实际遭受电磁辐射的时间。
同样令人满意的是，在连续处理过程中材料可以连续物流的方式通过微波腔。微波腔具有高能电场，可以产生高功率密度(例如1015、1016Wm-3或者更高)，材料可以穿过高磁场强度的电磁波，仅仅在高强度区域内短暂停留。此方法有两个优点，一个是增加了材料通过处理设备的处理量，另一个是利用了不需要长时间辐射就可以达到所需效果的观点。这两个优点具有复合效果。
在一些实施例中，本发明包括在微波腔内产生持续微波，并确保复合材料在微波腔的某个位置受到辐射，获得驻波的最大强度。
本发明方法可以使用导向装置，将复合材料导向驻波最强的方位。
根据本发明的另一部分，我们提供一种弱化多相复合材料第一相材料与第二相材料之间附着力的方法，其中包括用高功率密度的微波、或高电磁场强度的微波辐射复合材料，辐射时间可以是0.5秒量级、0.25秒量级或者更短的时间。
在上述定义中0.5秒量级、0.25秒量级，我们认定在一些实施方式中排除了1秒，而在其它实施方式中依旧包括1秒。
根据本发明的另一部分，我们提供一种微波处理材料的装置，其中包括：
微波处理区域；
安装在处理区域的微波发射器；
适合将材料输送微波过处理区域的材料传输装置；此装置应当满足下列条件：
发射器适合发射功率密度至少为109Wm-3的微波；
所述的材料传输装置应该以足够快的速度将材料送过微波处理区域，从而使材料在1/2秒或更短的停留时间内经受微波辐射。
根据本发明的另一部分，我们提供一种微波处理材料的方法，其中包括在1/2或1/4秒或更短的辐射时间内将高功率密度的微波、或高电磁场强度的微波施用于材料。
根据本发明的另一部分，我们提供一种处理材料的装置，其中包括适合在1/2或1/4秒或更短的辐射时间内将高功率密度微波施用于材料的微波腔。
优选的是，材料以能够达到所需暴露时间的速度通过微波腔，从而实现暴露时间。
根据本发明的另一部分，我们提供一种弱化多相复合材料第一相材料与第二相材料之间附着力的装置，其中包括适合于将高功率密度微波在0.5秒或0.25秒或更短的时间内施用于复合材料的微波腔。
我们可以将矿石暴露在微波或其它射线下，持续1秒钟或更长时间，毕竟我们已经发现了对此种照射的保护措施。
根据本发明的另一部分，我们提供一种连续处理矿石或脉石的方法，其中包括先将高功率密度的微波连续施用于穿过微波腔或微波区域的矿石或脉石，从而使其弱化，然后将连续输送的矿石或脉石送入机械处理设备中机械粉碎。
微波可以采用脉冲形式，并且脉冲对材料的连续施用并不意味着排除了微波的反复脉冲。
如果先采用微波预处理弱化矿石或脉石，然后再使用机械粉碎步骤将其粉碎，那么就可以减少总能量消耗，而且是显著减少总能量的消耗。
此外，连续处理具有很高的处理能力，与批次处理方式相比可以处理更多的材料。由此，可以使本发明在实用方面更具有吸引力。
特别重要的是，一旦具有足够高的电场强度，我们就可以让材料采用连续的方式以一定速度穿过微波场(不管是否可以弱化不同相间的附着力，还是其它目的)，该速度应当足够的快，从而使材料在短暂时间内暴露于高强微波(例如0.5秒、0.25秒或者更短的时间，也许等级在1ms)；并且一方面的事实是，对材料短暂时间的辐射可以降低单位材料的成本，另一方面的事实是，连续处理方式可以提高处理量，而材料不得不快速通过微波腔或微波区域的事实也提高了处理量，因此，上述所有事实都说明，本发明降低了单位材料的处理成本。
微波的电场强度与造成弱化或加热差异所需的辐射时间相关联；电场强度越高，所需辐射的时间就越短。
根据本发明的另一部分，我们提供了一种连续加工矿石或脉石的装置，其中包括一种装置，可以将高功率密度的微波连续施用于矿石或脉石；以及另一种加料装置，适合将连续输送的矿石或脉石送入机械处理设备中机械粉碎。
我们也认为，需要在更高温度梯度下从包裹的无用材料中分离矿石或矿物。
根据本发明的另一部分，我们提供了一种弱化材料的第一相材料与第二相材料分界面的方法，其中包括在第一与第二相界面产生至少100℃的温度梯度，或者使用持续的微波差别加热第一和第二相材料。
根据本发明的另一部分，我们提供一种弱化第一与第二相材料界面、或者从第二相材料分离第一相材料的方法，该方法在第一与第二相界面产生至少100℃的温度梯度，或者使用持续的微波差别加热第一和第二相材料。
根据本发明的另一部分，我们提供一种弱化第一与第二相材料界面、或者从第二相材料分离第一相材料的装置，该装置能够在第一与第二相界面产生至少100℃的温度梯度，或者产生持续的微波差别加热第一和第二相材料。
本发明可以提供产生持续微波的单模微波腔。
根据本发明的另一部分，我们可以提供一种迅速加热材料的方法，其中包括产生持续的微波，并形成电场强度的峰值区域，并且可以在所述电场强度的峰值区域内处理材料。
我们认为，标准的多模微波腔与常规家庭微波炉的腔体相似，具有很多优点并且容易获得，是广泛应用领域中的首选设备，但是它不能获得峰值的电场强度。多模微波腔并不在腔内产生单一的驻波—而在其腔体切向方向任意均匀地发布能量，从而在整个腔体内达到能量均匀分布的效果。这已经成为多模腔体设计者的动力。然而，我们也认为，当加工材料时经常会出现下列情况：在合理成本下由于缺少充足能量的多模腔体设备，当需要很高的电场强度时，最好的办法就是使用能够持续释放单一驻波的微波腔。这种单一驻波具有与最大与最小功率密度重合的最大与最小的电场区域(功率密度与电场强度之间相关联，电场强度随着功率密度以大于1的幂次变化—通常是二次幂的关系)。我们认为，为了施用常规微波生成器(或者是任何特定的微波生成器)产生的最大电场强度，需要将待处理材料的位置调整到驻波的峰值位置。通常，通过控制材料相对于腔体的位置，实现上述目的，此外，通过适当扭转驻波的角度，将其峰值的位置调整到适合腔体内材料的位置，从理论上讲也是可行的。优选的是，使用单模微波腔体。单模微波腔体可以提供良好的驻波。
根据本发明的另一部分，我们提供一种弱化多相复合材料中第一相材料与第二相材料之间附着力的方法，其中包括，利用功率密度至少为109Wm-3的微波产生具有高电场强度区域的驻波，再将材料定位于高电场强度区域，从而引发第一和第二相之间的高热梯度。
根据本发明的另一部分，我们提供了一种处理多相材料从中提取一种材料的微波预处理方法，该方法包括将多相材料连续通过作用区域，在此区域内多相材料的输送速度至少保持在500吨/小时，微波产生的功率密度至少是109、1010、1012、1013、或1014Wm-3，所述材料在微波区域内停留一定的时间，在此停留时间内材料经受了多种微波能量脉冲的辐射，例如在总计几ms、1ms或者更短的时间内微波辐射材料，其中多相材料的平均温度增加量小于大约40℃，其中在相间产生了足够大的热应力，以致断裂了不同相间的附着力，其中待提取的相材料化学性质未发生显著的变化。
使用微波的脉冲周期是几μs、几十μs、几百μs或者更短的时间。
仅采用实例方式对本说明的具体实施方式加以说明，并参照下列附图说明：
图1a图解说明，在含有两相材料的脉石中，第一相材料的晶体镶嵌在第二相材料中；
图1b图解说明根据本发明微波处理后图1a的脉石；
图2A图解说明根据本发明的矿物提取装置与方法；
图3A图解说明图2装置中微波预处理单元；
图3B说明沿着图3A单元材料入口切线方向电场的变化；
图4A和图4B说明了图3A单元的变化；
图5图解说明了方解石与黄铁矿石样品的模型；
图6说明了对应温度的介电损失；
图7说明对应温度的微波功率密度的变化；
图8说明了单轴向压缩强度实验中模拟负荷的方向；
图9说明了2.45GHz、2.6kW微波腔体内的温度分布；
图10说明了不同加热时间的效果；
图11说明微波加热时间对自由压缩强度的效果。
图12说明在自由压缩实验中切向裂纹的发展；
图13说明了在功率密度为1011Wm-3的微波腔体中的温度分布；
图14说明了不同加热时间下的应力与应变曲线；
图15说明了在功率密度为1011Wm-3的条件下对应加热时间的自由压强；
图16说明了在功率密度为1011Wm-3的条件下在自由压缩强度实验的过程中切向裂纹的发展；
图17说明了在功率密度为1011Wm-3的条件下对应加热时间的负荷指数点；
图18说明了在不同功率密度的条件下对应加热时间的负荷指数点；
图19说明了对应ECS的t10；
图20A-20C说明了图3单元的进一步变化；
表1说明了作为温度函数的比热；
表2说明了作为温度函数的导热率；
表3说明了作为温度函数的热膨胀系数；
表4说明了不同矿物的机械特性；
表5说明了不同加热时间对材料温度与压缩强度的效果；
表6说明了在更高功率密度的条件下相似于表5的因子；
表7说明了对应多模腔体功率密度为3×109-9×109Wm-3的断裂参数；
表8说明了对应具有更高功率密度的单模腔体的断裂参数；
表9是参考文献列表。
图1a说明，脉石材料10是由镶嵌在第二相材料基质14的第一相材料晶体12构成。第一和第二相材料的实例可以有，作为第一相材料的金属氧化物(例如磁铁矿、钛铁矿或赤铁矿)、金属硫化物(例如铜、铁、镍、锌或铅)，或许作为第二相材料的硅酸盐、长石或方解石。可以认定，这些实例只用于说明，未经限定。还可以含有第三相材料或第四相材料，从而，脉石材料10中也可以出现材料16。因此，脉石材料10可以由具有晶界的多相材料构成。
图1b展示了根据本发明微波处理后的脉石材料10。第一相材料12晶体或区域对于材料14具有弱化的附着力，因为由于裂纹、断层和区域应力与应变的出现，晶界受到了弱化。请参看20。此外，第一相材料中出现了裂纹22，而第二相材料中出现了裂纹24。
现在无法深刻理解两相材料晶界的确切性质，但是可以认定，两个规则材料之间存在紊乱区域。如果这是事实，就可以明确地假定，晶界是一个弱化区域。然而，矿物的粉碎说明，晶界是一个受力的区域(在矿物的加工过程中穿晶断裂很普遍)，因此可以负面影响一种材料从另一种材料的释放。因此，理论认为，晶界应该是一个弱化区域，常规粉碎实践说明，晶界特别坚固。然而，假定如果微波能量可以产生晶界周围的微裂纹，那么就可以降低粉碎所需的能量，并且促进贵重矿物的释放。
在晶界出现裂纹的原因是因为两种相材料的区别升温。经认定，两种相材料从微波中吸收了不同的能量，并具有不同的温度变化速率，从而产生了热应力。然而，过去在成本经济的条件下这种情况并未真正出现。
根据本发明可以认定，上述情况未曾发生的原因是不同相材料之间没有形成充足的温度梯度。我们认定，为了获得更高的温度梯度，应该使用更高的电场强度或者更高的功率密度。(例如)对于一些应用功率密度的量级可以是1016Wm-3、1015Wm-3、1014Wm-3。基于腔体的设计与材料的介电性质，我们应该生成105-107Vm-1的电场，或者是在0.05×106Vm-1范围内的电场。当然，这些数字仅用于举例说明，并非做出限定，从而没有限定作用。
采用地理机械2-D限定差别模型软件、FLAC V3.3(Itasca1995)，建立数字化模型。模型范围限定在15毫米宽30毫米高的区域内，此区域可以细分为边长0.04毫米正方型单个区域。在模型区域内黄铁矿颗粒的位置随机产生，形成一个相对分散的矿体，参见图5。已经证实，此种分散类型容易对微波加热产生反应。可以认定，用于建模的“矿物学”知识或材料结构可以作为实际情况的简化方案。然而，本发明目的是确定功率密度对附着力降低程度的影响，而与矿物学知识无关。因此，只要实验之间矿物学知识相同或材料结构相同，所得的实验数据就可以进行比较。然而，重要的是模拟矿石既含有对微波加热敏感的材料，也含有对微波加热不敏感的材料。
限定差别模型法包括下列5个主要阶段，下文中将做更具体的说明：
1.微波加热两个不同的材料相
2.在加热过程中在两种矿物之间进行瞬间热传导
3.测定热应力与热应变的峰值
4.模型化由于材料断裂与应变软化的热损伤
5.模拟单轴向压缩实验，测定由于微波加热造成的自由压缩强度减少量。
第一阶段：微波加热
由于微波加热储存在材料中的热能量值取决于内部的电场强度、微波辐射的频率、以及材料的介电性质。
可以由公式I估算出矿物单位体积的功率吸收密度。
Pd＝2π.f.εo.εr”.Eo 2    (1)
其中Pd是功率密度(watts/m3)
f是微波辐射的频率(Hertz)
εo是自由空间的电容量(8.854×10-12F/m)
εr”是矿物的介电损失因子
Eo是微波辐射电场部分的量级(volts/m)
因为方解石的微波吸收因子远远小于黄铁矿的微波吸收因子，因此在建模过程中假定，仅仅选择性地加热了黄铁矿颗粒，而未微波加热方解石基质。Chen(1984)和Harrison(1997)的早期作品也证实了，这种假设是符合实际的。
经发现，黄铁矿的介电损失因子εr”取决于温度(Salsman1995)。在测定黄铁矿能量密度的过程中，发现了εr”与温度之间的关系，如图6所示。
在2.6kW、2.45GHz多模微波腔体内加热黄铁矿，获得了在不同温度下一系列的模型初始功率密度。计算出的功率密度差别很大，在300K的3×109watts/m3到温度大于600K(图7)(Kingman1998)的9×109watts/m3范围内。样品矿体的最初温度设定在300k。
第二阶段：模型化在微波加热过程中的瞬间热传导
采用可以用算法表达的明确限定差异法，模型化在加热过程中微波热能量的瞬间传导。
热传导建模的基本概念是，在一个区域与其紧邻的四个区域之间发生热流量。热流量的方向(例如进入或者穿出区域)和量级取决于区域之间的温度梯度和区域的导热率。极限条件是不考虑材料的热量损失，例如认定材料充分隔热。
确定区域间热流量的基本定律是傅立叶定律，可以用公式2表达：
q＝K.Tdiff    (2)
其中q是热流量的向量，单位为joule/sec/m
    K是导热率的张量，单位为w/m.℃
    Tdiff是温差(℃)
因此，单位时间增量Δt内存储能量的变化可以由公式3获得：
Δβ＝Δt.p          (3)
Δβ＝Δt.q，其中Δβ是存储能量的变化量(Joule)。
对于边长为1的平方区域i、j，采用明确限定差异的形式进行表达：
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)是区域(i，j)的导热率
Δt是以秒为单位的时间增量
l是区域的边长
T(i，j)是区域(i，j)的温度
在特定的时间增量下，以焦耳为单位的热能量与以K为单位的温度之间的关系由公式5表达：
Δ T ( i , j ) = Δ β ( i , j ) ( m ( i , j ) . C ( i , j ) ) - - - ( 5 )
其中ΔT(i，j)是区域(i，j)的温度变化
m(i，j)是区域(i，j)的质量(单位为Kg)
C(i，j)是区域(i，j)的比热(单位joule/Kg.K)。
因此，由于热传导与微波加热，在每次时间增量结束时按照公式6确定每个区域的新温度：
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)是区域(i，j)在时间增量n时的温度；
Pd(i，j)是区域(i，j)的功率密度。
采用递归迭代公式4、5、6模拟指定加热时间(ht)下的微波加热和热传导，直到公式7的出现才令人满意。
ht＝n.Δt                     (7)
其中n是时间增量的个数
Δt是以秒计的时间增量
Ht是以秒计的加热时间
时间增量Δt限定在2.5×10-4秒以确保数值的稳定性，此数值可以对应于热扩散面穿过区域所需特定时间的度量单位。
方解石和黄铁矿的导热率和比热性质随着温度而变化(Harrison 1997)，并已作出了总结，参见表1和2。
热应力与机械应力的配合
第三阶段：热应变和热应力
在加热间隔结束时区域内产生了热应变，假定周围区域对其进行了绝对限制，因此均质膨胀由公式8表达：
ε(i，j)＝-α(i，j)·(Tn(i，j)-T1(i，j))    (8)
其中ε(i，j)是区域(i，j)的应变
α(i，j)是区域(i，j)的热膨胀系数(1/K)
Tn(i，j)是区域(i，j)的最终温度
T1(i，j)是区域(i，j)的初始温度。
经发现，黄铁矿与方解石的热膨胀系数由其温度决定(Harrison 1997)。表3列出了方解石和黄铁矿在不同温度下计算获得的热膨胀系数，并在模型中应用。
接着，使用对应均质弹性行为的Hoek定律(公式9)，确定区域内经计算的热应力：
σ ( i , j ) = ϵ ( i , j ) . E ( i , j ) ( 1 - 2 v ( i , j ) ) - - - ( 9 )
其中σ(i，j)是区域(i，j)内均质热应力，假定周围区域对其进行了绝对限制；
E(i，j)是区域(i，j)的杨氏模数；
v(i，j)是区域(i，j )的横向变形系数。
热应力的再分布
为了获得整个材料区域的静态机械平均状态，需要重新分布热应力和热应变。为了达到平均分布，采用FLAC默认计算模式将模型分级，进行静态机械分析。默认模式进行了明确的时间进程限定差异计算，利用牛顿运动定律获得相关部分的应变率、速度和力(Itasca 1995)。假定，材料作为线性均质弹性介质，其机械性能由杨氏模数、横向变形系数和密度确定(表4)。
第四阶段：模型化与材料断裂和应变软化有关的热损失
当获得静态平衡时，通过采用塑性应变软化模拟作为弹塑性材料矿体的基本行为，模型化应力大于材料强度的脆性断裂。材料的强度近似于坚固的脆性晶体石灰石，具有125MPa的自由压缩强度，其切变强度与线性Mohr-Coulomb强度标准相关(公式10)。
τ＝σn.tanφ+c    (10)
其中τ是切变强度
σn是作用于切变面的正常应力
φ是材料的摩擦角度
c是材料的内聚强度
假定，经过断裂材料表现为一种脆性线形应变软化介质，经过塑性变形，产生1％的应变，获得最终剩余的强度(表4)。
第五阶段：针对热损伤样品模拟自由压缩强度实验
通过对热损伤模型进行单轴向压缩强度实验(图8)，可以预测出加热对自由压缩强度和裂纹发展的效果。
采用模拟平面变形分析，认定材料在穿出平面方向具有连续的平面变形。在区域左右边界未做限定的条件下，将恒定速率施用到模型区域上下边界的网格点，进行模拟。此实验类似于控制位移的单轴向压缩强度实验。为了测定实验过程中样品内部的负荷变形关系，历史文献已经记录了区域边界顶部与底部的平均应力状态。模型实验进行到样品产生大约0.2％轴向应变，由此模型预测出断裂强度，并且可以获得样品应变软化的一些详细资料。
数字模型化的结论
微波加热时间
为了确定微波加热对方解石和黄铁矿石强度的效果，对未经加热的样品和微波加热1秒、5秒、15秒和30秒的样品进行模型实验。在不同功率密度的多模微波腔体内处理样品，功率密度从300K下的3×109w/m3到温度大于600K的9×109w/m3。
温度分布
对于4种加热时间中每一种情况的模型化温度分布参见图9。从图9可以看出，在黄铁矿颗粒的聚集区产生了最高温度与最大的温度梯度。表5概括了模型样品中对应每一种温度增量的温度分布。由于在2.6kW微波腔体内加热黄铁矿颗粒需要一定的时间长度，可以认定黄铁矿颗粒存储的热能量已经传入周围的方解石基质中。微波加热30秒，将方解石基质加热到大于600K。可以认定，此热量传导降低了矿石样品内产生的温度梯度，因此也降低了样品内部的热应力。
微波加热对自由压缩强度的效果
在图10中图解说明了微波处理对矿石样品自由压缩强度的效果，并汇总在表5中。图11展示了对应微波加热时间标绘出的矿石材料的自由压缩强度，表明1秒或5秒的加热时间对矿石的自由加热强度几乎没有影响。然而，在15秒和30秒的微波加热条件下，可以认定自由压缩强度有了显著的降低。上述观点可以归因于如下事实：加热速率不够充足就会造成一定量级的局部温度梯度，从而产生超过矿石材料强度的热应力。因此，由于不同的热膨胀系数，产生超过样品强度的盈利，矿体强度的模型化降低可以归因于方解石和黄铁矿材料的膨胀差异。
切变面的形状
另外的一个重点是，在自由压缩强度实验后模型化样品内部模拟切变面形状的变化。对于经过1、5、15和30秒微波加热的样品，切断面形状参见图12。微波加热样品中出现的裂纹形状与未经微波加热样品中表现的裂纹形状相似，即主要包括对应负载方向倾斜大约25°的连续切断面。
增加微波功率密度的效果
功率密度与加热时间
为了评价增加微波功率密度对温度分布的效果，对于黄铁矿材料采用1×1011w/m3微波功率密度，测定矿石样品内部的自由压缩强度和切断面的发展。此功率密度值比采用2.6kW、2.45GHz微波腔体产生的功率密度大约高出10-15倍，但是在单模腔体内微波加热黄铁矿石，依旧很容易达到此范围的功率密度(Salsman1995)。可以认定，采用15kw、2.45GHz能量水平的单模腔体提供微波能量，可以实现上述的功率密度(在此能量水平下上述功率密度很容易实现)。可以认为，微波能量未对方解石基质材料进行加热。可以认定，功率密度越高加热的时间就越短，可以采用0.05、0.25、0.5和1秒的加热时间。
温度分布
对于4种加热时间中的每一种情况，矿石样品中模型化的温度分布参见图13。图13说明了黄铁矿颗粒中产生了明显增高的温度。与2.6kW微波腔体相比，缩短的加热时间降低了热传导的程度，因此，减少了方解石基质的加热量。在矿石样品中产生了量级明显提高的温度梯度。通过模型实验获得的样品内部温度汇总在表6中。
微波加热对自由压缩强度的影响
微波加热对矿石样品自由压缩强度的影响参见图14。与在2.6kW腔体内的强度减少量相比，从图15可以发现，更高的功率密度产生更大的强度减少量，而且迅速完成大部分的强度减少量(在微波加热的0.05秒范围内)。模型实验结果汇总在表6中。
切变面的形状
在加热时间为0.05、0.25、0.5和1秒的情况下，模拟进行单轴向压缩强度实验后，矿石样品内部出现的变切面形状参见图16。图16说明，与未经加热的样品和2.6kW腔体加热的样品不同，产生的切变面呈现出不规则的特点，并在黄铁矿与方解石之间的晶界聚集。这种情况归因于沿着两相界面出现的高热应力，因为在相对未经加热的方解石基质中黄铁矿颗粒被瞬时局部加热并迅速膨胀。
讨论
已经证实了微波的功率密度对理论矿石的影响。数字模拟已经清晰地说明，如果可以制备出吸收大部分施用能量的优选介电材料，那么就可以实现压缩强度的显著降低。为了在本说明书中进一步说明此问题，采用由Broch和Franklin(1972)、Bieniawski(1975)研究获得的众所周知关系式，从模型化的UCS数据中计算出点负荷指数。所用的公式如下：
Is(50)＝UCS/k            (11)
Is(50)是校正于50mm中心的点负荷强度
K＝24
UCS是单轴向的压缩强度。
上述分析所得的结果参见图17和图18。图17展示了在低功率密度条件下微波加热时间对点负载指数的影响。可以明显地发现，随着微波辐射时间的增长，点负载指数显著降低。图18中也表现出同样情况，图18展示了对于高功率密度辐射下的矿石与点负荷指数对应的微波加热时间。对于图11和图15中的单轴向压缩强度实验，在高功率强度条件下点负荷指数特别明显地降低，从未经加热状态的5.25下降到只加热了0.2秒时的1.25。
点负载指数对于矿物处理工程特别重要，因为根据点负载指数可以迅速预测出Ecs(单位粉碎能量kWh/t)和t10(t10是通过初始平均粒径1/10的百分比)之间的关系(Bearman et al 1997)。t10可以理解为细度指数，t10的值越大说明矿物处理得越出色。然而，实际上t10值可以用于再现破碎矿石的粒径分布。t10值与单位粉碎能量有关，并按照下列公式表达(Napier-Munn et al 1996)：
t10＝A[1-e(-b.ecs)]    (12)
其中A和b是材料单位破碎参数。A是t10的理论限定因子，b是ECS图形对应t10的斜率。对特定材料的A和b的确定可以计算出对应输入特定能量的粒径分布。
经证实，点负载指数与模式1断裂韧度密切相关(Bearman1999)。Bearman认定：
Kic＝0.209Is(50)    (13)
其中Kic是模式1断裂韧度(MN/m3/2)。
经证实，模式1断裂韧度具有与破碎参数A和b明显的相互关系(Bearman et al 1997)。
可以表达为：
b＝2.2465×KIC -1.6986    (14)
A.b＝126.96×KIC -1.8463    (15)
表7展示了对于在2.6kW微波辐射下暴露10秒和30秒的理论矿石、破碎参数的计算。表8展示了对于采用更高功率参数辐射处理的理论矿石、破碎参数的计算。这些数据与公式11结合，用于计算ECS对t10的影响。为了计算使用0、0.25、1和2.5kWh/t的能量输入。只有在未经处理和采用极限处理时间(即30秒和0.02秒)的情况下，出现了清晰的数据。图19展示了功率密度对ECS与t10图形的影响。经发现，随着功率密度的增加，图形斜率显著增加，并且只有在极低的能量输入条件下达到t10的理论极限值。简单的讲，在特定单位粉碎能量输入的条件下，与高功率密度处理获得的产物相比，低功率密度处理理论矿石得到了更为粗糙的产物。如果假定，加热材料的质量是1kg，每种情况下样品输入的能量是2.6kW，多模腔体内处理样品的加热时间是30秒：
2.6×0.5/60×1000/1＝125kWh/t
而在单模腔体内以15kW处理，加热样品0.2秒：
15×3.33×10-3×1000/1＝0.8325kWh/t
由此可以明显的说明功率密度对矿石粉碎的影响。
上述讨论的目的是为了说明功率密度(或电场强度)对矿石粉碎的影响。可以认定，建模阶段所用的材料结构并非恰恰等同于“实际”矿石。然而，理论矿石在某种意义上具有与检测过(Kingman et al 2000)的实际矿石相似的表现。而且，所得的断裂参数A值与典型坚硬脉矿石的估计值相似(Napier Munn 1996)。
经证实，在极低输入能量的情况下，功率密度的增长会导致应力的显著增长。开发辅助粉碎工艺流程的微波，获得了重大结果。得出的结论是，采用高功率密度的腔体，可以使微波处理矿物得到实际应用，尤其是还结合了热辅助粉碎的其它优点。
讨论中出现的参考文献参见表9。
我们首次认清的上述理论分析具有重要意义，接着进行实验，将高电场强度的驻波瞬间照射脉石样品，并且样品中确实出现了沿着晶体边界的断裂。可以观察到裂纹沿着晶界延伸，确实令人鼓舞。
我们认为，以前处理矿物使用与常规微波炉结构相似的标准多模微波腔体。尽管多模腔体结构简单，但是其具有效率差和电场强度相对较低的缺点。我们已经得出了结论，高电场强度对高能量吸收至关重要，并且对在晶界产生裂纹或弱化附着力至关重要。我们的结论是，“逐渐”加热多相材料是不恰当的，因为时间会导致温度梯度的下降。我们需要，在瞬间产生巨大的温度梯度，从而在晶界产生巨大的应力与应变。使用高功率密度的微波辐射，可以更好的实现此目的。
实现此目的的一种方式不是采用标准的多模腔体，而是采用单模腔体。这些腔体特别包括一个金属套，在此金属套中引入正确的电磁场极化的微波信号，再经过多重反射。反射波的重叠生成了在空间中清晰界定的驻波型。电磁场配置的准确知识可以将待处理的脉石介电材料或其它材料放置在电场强度的峰值位置，获得加热范围的最大值。虽然与多模腔体相比、单模腔体具有较差的通用性，但是我们认为，不采用传统优选的多模腔体而使用单模腔体，可以获得更高的电场强度。况且，在处理加工设备中调整单模腔体，从而使电场强度峰值区域出现在需要的位置，也是可行的。
然而，如果可以提供能够产生充足功率密度的多模腔体，就没有必要使用单模腔体并将材料定位在电场强度的峰值区域，现在已经出现了高功率密度的多模腔体。因此，优选使用能够在其内部产生功率密度足够高的多模腔体。
其实，采用足够高的电场强度，我们可以加热过去认为微波可以穿透的材料。
使用比多模腔体常规所获得高得多的功率密度(例如1015Wm-3)，我们可以瞬间获得数值上远远高于过去的沿着晶界的热梯度。
我们发现，在辐射时间小于0.1秒的实验中材料强度降低了50％，甚至是60％。我们已经证实了如下结论：为了达到目的数十秒钟的微波辐射没有必要。
图3A对单模微波腔体30进行了图解说明。在此实例中腔体30适用于材料的处理。以32示意说明的矿物通过进料通道36进入微波预处理区域34。在图3显示的实例中，设备垂直放置，矿物块或矿物碎片32(通常最大尺寸达到大约15cm)在重力的作用下垂直穿过进料通道36，再通过预处理区域34，最后穿过出料通道38。设备可以垂直放置，也可以倾斜放置(为了减缓矿物的进料速率)，甚至可以水平放置。
微波发射器40放置在微波室42中，可以使通过微波室42的矿物流32恰好穿过预处理区域34。
在微波发射器40的对面位置放置一个反射器或微波短程调谐器44。另一个反射器46放置在微波发射器40的位置(此反射器46可以任选使用)。在微波室42周围铺满微波反射表面48。
微波发射器40发射以49a示意表示的微波，通常频率为2.45GHz或者915MHz(通常可用的微波磁控管频率)。可以连续发射微波，或者采用脉冲方式发射。微波由反射器44反射回来，以49b示意表示的反射波与发射器40首次发射的微波发生干涉现象，产生了一个驻波形。此驻波形至少有一个峰值区域52(功率密度的峰值区域)和一个最小值区域(功率密度的最小值区域)。
因为需要电场强度最大值，从而达到加热多相材料的最快速率，以致获得最快的加热差异，所以我们确保，峰值区域52是矿物32通过预处理区域34的位置。此外，换一种说法，我们确保，材料32在电场强度最高或足够高的位置穿过处理区34。我们既可以控制峰值出现的区域，也可以控制腔体内处理材料的位置，或者对上述两者都加以控制。在驻波中可以仅有一个峰值区域。
我们具有一个微波生成装置，并通过波导管将微波能量传送到腔体，再将腔体与微波生成装置(磁控管)连接起来，并调整腔体使其内部处理材料区域的电场强度最大化。
图3B说明腔体内所受的电场强度沿着腔体区域的变化，该腔体区域从进料通道36开始。可以看到，在腔体中间或与通道36中间对齐的区域具有高于边缘的电场强度。这是由形成驻波的相长干涉造成的。
图4a展示了与图3相似的实施方式，其中进料通道36’将输入的材料导向处理区域34’，该处理区域对应于微波驻波的峰值区域52’。在图4a的实例中，将材料流引导通过电场强度峰值区域的原因是出口紧邻峰值区域52’的烟道型通路。现有微波设备可以产生带有单一峰值的唯一驻波。在未来这种情况会持续下去，或发生改变。
图4a概念性地展示了，调整腔体内驻波或处理区域34’以控制峰值位置的能力。对于微波源40’反射板44’可以进行移动，示意性地加以说明。虚线标注的反射器44’的两个位置和箭头56图解说明了反射器移动，从而展示了可移动特性。
当前图4b还相当富有想象力(因为如何产生如图所示的驻波不得而知)，该图示意说明了一个替换装置，该装置是具有若干引导结构的进料通路36”，该引导结构将穿过处理区域的可流动材料分成了多股，参看60，其中每一股材料流都会遇到微波腔体内形成驻波的多个峰值区域52”。可以认定，采用出口对应驻波峰值区域的通路，实现此设想是可行的。只要具有多个峰值区域，就可以实施如上所述的方案。在将来上述方案是可以实施的。
微波发射器的功率是1-100kW，在本实例中使用的是15kW。微波发射器的功率密度是109-1015或1016w/m3。采用高于109w/m3的功率密度是可行的，但是更高的功率密度会潜在造成材料之间空气中电场的断裂，这种情况有可能是有害的(或者是无害的)。
优选采用通过处理室不太大的“块状”尺寸(例如最大尺寸小于20cm或15cm)。
图20A示意说明了对于图3A、4A和4B的替换方案，一种运送矿物200穿过微波处理区域的方法。将矿物200放置在传送带206上，该传送带连续输送矿物200，通过喇叭口204下方并穿过虚线212示意的微波区域。设置传送带的速度，使每一块矿物具有1ms的辐射时间(喇叭口204下方微波区域内的停留时间)，此方案具有1000吨/小时的处理量。在频率为433MHz、915MHz或2.45GHz的条件下，微波发射器每1ms产生4次1μs脉冲辐射，意思是每块矿物要经受4次1μs脉冲辐射。在虚线212之间产生了达到30kVcm-1的电场强度，此强度下在空气中电场发生断裂。我们需要，在一些实施方式中使用在空气中电场不发生断裂的电场强度。
在其它实例中，在横穿微波区域的时间内，矿石经历了10次、或50次、或100次、或更多次的脉冲辐射。
图20B示意说明了输送材料200穿过虚线212示意的微波辐射区域的替换方法。采用空气泵推动矿物200，使其以达到12ms-1的速度穿过微波辐射202的区域。矿物的流动速度可以受到控制。与使用传送带所能获得的辐射时间相比，本方法产生了对于微波辐射202更短的暴露时间，并且可以获得更高的处理量。本实例中使用5次频率为915或896MHz的0.5μs微波脉冲辐射，生成了所需的1015Wm-3功率密度。本方法将矿物整体温度升高了大约15℃，但是在晶界两侧产生了十几度、或者几十度、或者100-150℃的温度梯度，从而在后续处理中，可以花费比以前更少的能量提取矿物质。
图20c示意说明传输矿物(在本实例中是煤201)通过虚线212示意微波辐射区域的另一种替换方法。将煤201连续放置在斜面210的顶部，并使其依靠重力运动通过微波辐射区域。通过改变斜面210的斜率与长度，可以改变成不同的辐射时间。本实例中使用单一的433MHz频率、1ms脉冲微波辐射干燥煤。本实例中，煤得到了干燥，微波处理后的操作包括将煤燃烧。
图2A展示了粉碎设备100，其中包括矿石筛分装置102，用于确保预处理材料的最大尺寸或尺寸范围；微波预处理或弱化单元104，其中包括如图3、图4A、图4B、图20A、图20B、或图20C所示的一个单元；棒磨机106；第一球磨机108；第一旋流除砂器110；第二球磨机112；第二旋流除砂器114。
可以认定，装置106和114属于现有技术，与现有技术的关键差别是微波处理单元104。然而，应当注意的是，微波处理单元104是一个弱化单元，并且依旧在弱化矿石后进行机械粉碎。应当注意的是，在单元104以前对矿石进行机械限定或筛选，也许需要也许并不需要。
在一些实例中，为了弱化晶界或在晶界上产生裂纹，需要在第一相材料与第二相材料的晶界两侧达到100-1500℃的温度梯度。在其它实例中，只要在瞬间产生温度梯度，就可以在温度梯度较低的条件下实现晶界的弱化与裂纹，例如15-20℃。温度梯度形成的速度可以使我们使用比以前可能出现情况低很多的温度梯度。如果使用瞬间(例如，微秒量级)微波脉冲，几十摄氏度的温度梯度就足够了。
我们认为，材料强度变化是功率密度的函数，温度梯度也是功率密度的函数，剪切应变是温度曲线图的函数，剪切应力是剪切应变的函数，当材料中的剪切应变超过材料的切变强度时出现断裂。因此，材料的断裂与弱化与功率密度密切相关(很明显的认定，材料含有不同介电特性多相材料的混合物)。其中的一种材料必须对微波敏感。
在一些实施方式中，本发明的一大优点是连续处理，而不是批次处理。采用连续材料流穿过处理区域，可以使本方法在工业应用中更具有可控性。在本发明一些实施方式中(不管是弱化两相材料之间的附着力还是其它处理目的)，待处理材料穿过腔体，经受了高功率强度的瞬间脉冲微波辐射。上述处理方法与批次处理形成了鲜明的对比，在批次处理中，在微波关闭的情况下将材料装入腔体内，然后开启微波，再关闭微波，最后将材料送出腔体。
因此，可以先建立微波处理区域，再将材料穿过此区域。通常，如果微波电场强度沿着处理区域而变化，可以安排材料流从腔体的不同区域穿过，从而经受不同电场强度的微波辐射。为了获得任何特殊微波生成器(例如磁控管)的最佳效果，一部分材料流会穿过电场的峰值区域。在沿着腔体电场强度没有实质性变化或者腔体内所有区域都具有足够高电场强度的系统中，此问题处于争论之中。
本方法可以采用半连续方式进行(例如，一段时间内连续材料流穿过处理区域，一段时间内没有材料穿过)。
我们认为，本发明的另一个重要因素是，如果采用可以实现足够高温度梯度的高电场强度，材料不需要经受长时间的微波辐射。通常，在现有技术中材料经受微波辐射的时间达到数十秒或者更长时间，有时达到若干分钟。我们认为，在足够高电场强度的微波下，材料暴露时间可以是1秒钟或者更短，优选的是小于0.5秒，更优选的是小于0.2秒，或者更短的时间。图15说明，当实现弱化材料的最强效果时0.2秒时间是适当的。相似的是，图1 4展示了，尤其与0.05秒与0.25秒的差别相比，0.5秒和0.25秒加热时间之间的应力差别并不大。由此，再一次指出，大约0.25秒是施用高能微波得到单位成本最佳效果的恰当时间。
然而，我们发现，使用瞬间脉冲的微波(例如，量级为1μs的脉冲)，甚至更短的辐射时间也同样有效。例如，使用脉冲微波照射矿石，辐射时间合计1ms，材料明显弱化。
与现有技术所用时间相比，通过缩短了微波加热材料的时间(大大缩短了所用时间)，从而改善了使用微波预处理两相材料的实用问题。
在材料以高速率(例如，使材料以0.25秒或更短的时间内穿过高强峰值区域)穿过处理区域所提供设备的实例中，实现了微波的瞬间辐射。在其它实例中，通过处理区域的时间可以是1秒或更短的时间。上述方法具有两大优点，其一是在微波能量单位成本下可以实现最佳的加热效果，其二是增加了通过加热区域的材料处理量，即每秒种处理比以前更多的材料。这两大优点都非常重要。可以使微波预处理在实用方面更具有可行性。
本发明适用于从另一相材料中抽提一种相材料。例如将液体从固体相中提取出来(例如，从矿物中提取水份，例如从煤或滑石中提取)。
在一实例中，我们使用了15kW微波，辐射时间为0.1秒。由此，给出了“高能电场”或“高功率密度”的含义。
据估测，从矿石提取矿物质的粉碎工艺，由于未使用微波处理而仅采用机械处理矿石，每吨矿石消耗了大约25kwh。据估测，利用本发明能量消耗降低了大约50％，甚至降低了80％或90％。
由于矿物加工设备成本的60-70％与设备能量消耗有关，因此，生产矿物质的成本得到了明显的降低。此外，由于粉碎设备弱化材料使其粉碎，所以本方法降低了设备的磨损；一旦加速处理，就可以实现通过机械粉碎处理的更高处理量。况且，材料是内部颗粒破碎，提取所需矿物质就更加容易。经确定，与未经微波处理的情况相比，使用微波预处理的矿物质提取率要高出3或4％。
提取率增长几个百分点的实验结果尚属首次发现。我们认定，实现此效果是因为高电场强度微波的应用。
我们可以将材料在腔体高电场强度区域中的共振时间设定在0.1-0.01秒，甚至是0.001秒左右。与现有技术相比，本方法可以完成很高的处理量。
尽管图3、4a和4b涉及重力加料系统，但是肯定地认为，还可以使用其它进料机制，例如压力进料、传送带进料、流化颗粒进料、离心进料、或进料斗进料等。
矿石的含水量会影响功率密度的选择。
可以包括一个控制处理器，从而控制微波腔体的调节，(在一些实施方式中)还可以控制峰值位置或者腔体中材料的位置，任选控制材料流通过腔体的相对位置与峰值位置。还可以包括一个向控制处理器提供反馈信号的传感器，和/或者一个电场探针，用于辅助监测处理过程，再向控制处理器反馈信号。可以认为，一些实施方式中所用的软件保证了，材料物理位置与微波峰值密度物理位置的重合。
还可以包括流量控制装置，任选采用处理器控制，可以改变通过微波腔体的材料流量。而且还需要保证，材料经受了恰当的微波辐射。
材料粒度可以影响所需的体积流量和功率密度。可以放置一个粒度传感器或粒度进入机制(例如键盘)，将与微波化处理材料粒度有关的信息提供给控制处理器。控制处理器对上述信息进行处理，从而改变材料的进料线路或流量和/或所用的功率密度。
可以在腔体内保持可控气体环境，例如氮气环境或者其它惰性气体环境。
本发明的其它用途包括从整体上分离两种材料，例如给坚果剥皮(或者使分离两种材料更加容易)。
此外，利用高电场强度瞬间加热的概念可以施用于不曾涉及分离材料的物品。例如，干燥材料，或者处理材料使其改变材料性质，食品加工。
本发明的概念包括，在微波腔体内产生驻波，并且在微波腔体内产生电场强度的峰值区域，再保证待处理材料在电场强度峰值位置受到辐射处理；此概念可以应用于各种各样的物理过程。例如，瞬间加热可以使材料松软，并且瞬间加热可以应用于化学过程。
高电场强度的瞬间辐射是本发明与现有技术的区别。
可以认定，各附图中所示概念性的、示意性的、说明性的驻波振幅与波形没有约束力，不具有限定性。三维腔体可以具有通常只有一个峰值区域的更复杂的驻波，该峰值区域内相长干涉产生了最大的电场强度，并且待处理材料在此处受到辐射处理。
在一些情况下，腔体内材料的存在可能会影响峰值区域的确定，因此，需要调节腔体，以适用于在腔体内的特定区域处理特定体积、形状或流量的特定材料。因为电场强度随着功率密度的平方而变化，因此，随着远离功率密度的峰值位置，电场强度迅速降低-由此需要认真调整待处理材料与驻波的位置。
权利要求中所用“微波”指的是具有工业允许微波频率(当前是2.45GHz，915/896MHz和433MHz)的第一级微波，或者是常规微波(如果使用法拉第筒阻止电磁污染，可以使用任何频率的微波)，也可以是RF加热频率的微波，通常其频率是27.12MHz。还可以包括差异加热两相材料的电磁辐射，例如红外线或紫外线。权利要求中所用的“微波”可以理解为“电磁辐射”(适合加热所述材料)。
可以认定，当材料出现在微波处理区域时，不需要经受持续的电磁辐射。材料经受的微波辐射时间可以是5μs、几μs、十几μs、几十μs、或者几百μs、几千μs，辐射时间可以是一次脉冲或多次瞬间脉冲辐射，辐射时间明显短于微波处理区域的停留时间，停留时间的量级可以是几秒或者几十秒。
可以认定，为了实现所需的多相材料处理量，通常是1000吨/小时，可以连续或并排使用多个腔体。然而，最优选实施方式是使用一个可以每小时处理1000吨多相材料的腔体。
还可以认定，在多相材料中的相界两侧产生的温度梯度可以是10℃、几十摄氏度、或者几百摄氏度，但是为了产生足以断裂不同相之间附着力的热应力，需要瞬间生成温度梯度。
大型钻石矿每年要处理5百万吨多相材料，而大约只有百万分之一的多相材料是钻石。然而，铜矿每年要处理25万吨矿物，其中含铜量明显比钻石含量丰富得多。
所用的微波腔体可以是25cm宽、40cm长。当使用传送带输送矿物通过微波腔体时，常规带速可以是4m/s(或者5m/s)。这样可以使腔体内停留时间达到0.1秒，然而，总微波处理时间可以是一毫秒内的多次微秒脉冲，或者是一微秒微波脉冲，该微波脉冲可以产生适合的足够高的功率密度。
我们使用10-100MW微波能量，但是在瞬间产生(例如，1微秒左右，或1毫秒左右)。
整体材料的总升温量不超过大约50℃。
表9
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Claims (26)

1、一种处理多相材料以前的微波预处理方法，所述材料含有第一相材料与第二相材料，该方法包括在连续过程中以至少109Wm-3功率密度电磁加热材料，优选的是使用微波，在此连续过程中材料进入并穿过电磁处理区域，优选的是微波处理区域，在处理区域内材料停留了1/2秒或更短的时间，并经受了微波辐射，最后材料穿出处理区域，以待后续处理。
2、权利要求1的方法，在处理区域内所述材料经受了电磁能量的辐射，优选的是微波辐射，其辐射时间可以是(i)0.1秒或更短的时间；(ii)0.01秒或更短的时间；或(iii)0.001秒或更短的时间。
3、权利要求1或2的方法，其中微波脉冲连续发射，脉冲作用时间可以是(i)1μs或更短的时间；(ii)10μs或更短的时间；(iii)100μs或更短的时间；(iv)1ms或更短的时间；(iv)10ms或更短的时间；100ms或更短的时间。
4、权利要求3的方法，其中当在处理区域内材料经受了连续脉冲能量的辐射，所述连续辐射可以包括(i)100次脉冲或更多；(ii)50次脉冲或更多；(iii)10次脉冲或更多；(iv)5次脉冲或更多；(v)2次脉冲或更多；(vi)1次脉冲。
5、根据前述任一权利要求的方法，其中处理区域内电磁处理、优选是微波产生的功率密度是(i)1015Wm-3或更高；(ii)1016Wm-3或更高。
6、根据前述任一权利要求的方法，其中材料的平均温度增长量小于200℃，优选小于150℃。
7、权利要求6的方法，其中材料平均温度的增长量可以是(i)小于等于50℃；(ii)小于等于20℃；(iii)小于等于10℃。
8、根据前述任一权利要求的方法，其中所述材料以至少100吨/小时的速度通过处理区域。
9、权利要求8的方法，其中所述材料以1000吨/小时或更高的速度通过处理区域。
10、根据前述任一权利要求的方法，其中第一相材料是所需的矿物质，第二相材料是包裹矿物质的岩石基质，其中电磁能量、优选是微波能量通过产生局部热膨胀差异明显弱化矿物质与包裹基质之间的附着力。
11、权利要求10的方法，其中将能量在足够短的时间内施用于材料，避免了(i)矿物质和/或(ii)矿物质与基质的显著化学变化，这些化学变化有害地影响了对矿物质与基质后续处理的效果。
12、权利要求1-10中任一权利要求的方法，其中第一相材料是一种矿物，第二相材料是水，所述预处理包括脱水，利用电磁能量干燥所述矿物。
13、权利要求12的方法，其中电磁能量、优选是微波也可以直接或间接粉碎或弱化矿物。
14、权利要求12或13的方法，其中所述第一相材料是(i)煤，或者是(ii)其它含水矿物。
15、一种从矿石中分离矿物质的方法，其中包括按照权利要求1-11中任一权利要求所述的方法预处理矿物质，再粉碎矿石，优选采用磨碎、铣削、或压碎的方式。
16、根据前述任一权利要求的方法，其中处理区域内由电磁能量、优选是微波产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、一种重复利用由不同材料构成物品的方法，其中包括按照权利要求1-9中任一权利要求所述的方法预处理上述物品，再以机械重压粉碎物品，从而提取出物品的所需部分。
18、一种微波处理或以其它电磁处理材料的装置，其中包括：
微波或其它电磁能量处理区域；
安装在处理区域的微波或其它电磁能量发射器；
适合将材料输送过处理区域的材料传输装置；此装置应当满足如下条件：
发射器适合发射功率密度至少为109Wm-3、优选为1015Wm-3或者更高的电磁能量，优选的是微波；
所述的材料传输装置应该以足够快的速度将材料送过处理区域，从而使材料在1/2秒或更短的停留时间内经受充足的电磁能量辐射，优选的是微波辐射。
19、权利要求18的装置，其中该装置可以使上述材料在(i)0.1秒或更短的时间内、(ii)0.01秒或更短的时间内、或(iii)0.001秒或更短的时间内经受微波或其它电磁能量的辐射。
20、权利要求18或19的装置，其中该装置适合以1000吨/小时的速度将材料运送过处理区域。
21、权利要求18-20中任一权利要求的装置，其中所述的发射器可以在处理区域内等级为1微秒、或10微秒、或100微秒、或更短的时间内产生能量脉冲、优选的是微波脉冲，材料优选接受了大部分的脉冲辐射，优选的是多次脉冲辐射。
22、一种连续处理矿石或脉石的方法，其中包括先将高功率密度的微波或高电磁场强度的微波连续施用于穿过微波腔或微波区域的矿石或脉石，从而使其弱化，然后将连续输送的矿石或脉石送入机械处理设备中机械粉碎。
23、权利要求22的方法，其中矿石或脉石在高场强微波下暴露时间可以是0.5秒或更短的时间、0.25秒或更短的时间、0.1秒或更短的时间、0.01秒或更短的时间。
24、一种连续加工矿石或脉石的装置，其中包括一种装置，可以将高功率密度的微波或高电磁场强度的微波连续施用于穿过微波腔或微波区域的矿石或脉石，从而使其弱化；以及另一种装置，接着将连续输送的矿石或脉石送入机械处理设备中机械粉碎。
25、一种处理多相材料从中提取矿物质前的微波、或其它电磁能量预处理方法，该方法包括将多相材料连续通过作用区域，在此区域内施加了电磁能量、优选的是微波，多相材料的输送速度至少保持在500吨/小时，电磁能量的功率密度至少是1015Wm-3，所述材料在1ms或更短的时间内经受电磁能量、优选的是微波辐射，在上述作用时间内材料经受了一种或多种能量脉冲的辐射，优选的是脉冲辐射具有1毫秒或更短时间的脉冲周期，其中多相材料的平均温度的增加量小于40℃，其中在相界间产生了足够大的热应力以致相间破裂，其中多相材料的相温度相对保持较低水平，避免了不同相材料化学性质的显著变化。
26、一种从多相材料矿石中增加矿物质产量的方法，其中包括通过将矿石在小于0.1或0.01秒的时间内暴露在高场强度的微波下，从而弱化了相界间的附着力，电磁能量、优选的是微波具有足够高的磁场强度，在极短的作用时间内在材料不同的相界间产生热膨胀差异，不但弱化了相间的附着力，而且避免了矿石明显的化学变化，或者至少是避免了待提取材料的显著化学变化。
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