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The impact of water on heat distribution and mechanical properties of basalt after microwave treatment

by Lei Jin




Institution: McGill University
Department: Department of Mining and Materials
Degree: M. Eng.
Year: 2015
Keywords: Engineering - Mining
Record ID: 2060250
Full text PDF: http://digitool.library.mcgill.ca/thesisfile130450.pdf


Abstract

Every underground excavation technique has shortcomings (e.g., low productivity, high cost). Heating rocks with microwave energy before excavation can change their mechanical properties and reduce rock strength. Microwave-assisted rock fragmentation not only reduces equipment maintenance costs, but increases drilling penetration rates and productivity. Mineral processing can also benefit from the micro-fractures created by this promising novel technique. The effect of the presence of water during rock microwave heating of rocks is poorly understood and serves as the objective of this thesis. Temperature distributions and mechanical properties (abrasiveness and tensile strength) were measured in stacked basalt disks in saturated and dry conditions after microwave treatment at 2.45 GHz and 3 kW power for three exposure times (40, 60, and 80 s). Water did not affect heat distributions and mechanical properties of basalt after microwave heating. To test if this effect was due to the low porosity of basalt, a more porous sandstone was tested. Saturated specimens burst into fragments during microwave treatment. In addition, a sinusoidal temperature distribution pattern was observed if the basalt specimen size was similar to or larger than the microwave wavelength. Longer exposure times resulted in higher temperatures and larger basalt volumes exhibited a slower heating rate.Measured and simulated—using the finite element modelling package COMSOL Multiphysics®—heat distribution patterns were similar, though simulated temperatures were lower. Similar to experimental results, simulated dry and wet basalt temperatures did not differ after microwave heating. The reliability of this pilot numerical modeling study will facilitate future simulations of processes that are too complex to empirically measure. Chaque méthode d'excavation a ses lacunes, tel qu'un manque de productivité ou un manque de compétitivité d'un point de vue économique. Chauffer la roche avec de l'énergie micro-onde est une technique prometteuse qui peut changer les propriétés mécaniques de la roche et réduire sa force. La fragmentation de roche assistée par micro-ondes réduit non seulement l'usure de l'équipement, mais augmente aussi la productivité et le taux de forage. Le traitement de minerais peut aussi bénéficier des micro-fractures créées par les micro-ondes. Par contre, le rôle de l'eau dans le réchauffement de la roche par micro-ondes n'est pas établi et est le sujet de cette thèse. La répartition de température et les propriétés mécaniques (index d'abrasivité CERCHAR, résistance à la traction) de piles de disques de basalte secs et saturés sont étudiées. Les piles de disques sont exposées aux micro-ondes ayant une fréquence de 2.45 GHz et une puissance de 3 kW pendant 40, 60, ou 80 seconds. Il est démontré que l'eau n'a pas d'impact sur les propriétés mécaniques et la répartition de température dans les disques de basalte après chauffage par micro-ondes. Par contre, l'effet de l'eau sur le chauffage par micro-ondes d'une roche plus poreuse (le…