X射线CT技术在工艺矿物学中的应用_王臻.pdf

有色金属（选矿部分）年第期 ：收稿日期：作者简介：王臻（），女，陕西咸阳人，博士，工程师，主要从事工艺矿物学研究。通信作者：肖仪武（），男，江西上饶人，研究员，主要从事工艺矿物学研究及矿产资源可利用性评价。射线 技术在工艺矿物学中的应用王臻，肖仪武，（矿冶科技集团有限公司，北京 ；矿物加工科学与技术国家重点实验室，北京 ）摘要：工艺矿物学主要通过研究各类矿石性质为制定合理的选冶工艺流程提供理论依据，在矿床综合评价以及矿产资源合理高效利用过程中均发挥着重要作用。在工艺矿物学的研究过程中，利用传统分析手段往往只能获取矿石的二维平面信息，而缺乏对矿石三维矿物学和结构的了解。近年来，射线 技术因其独特的对样品三维结构特征的无损提取能力，在国际上已逐步应用于工艺矿物学研究领域。介绍了 射线 的结构、成像原理，以及利用 射线 对矿物粒度、解离特征、矿物量等重要工艺矿物学参数进行量化表征的典型应用实例。随着射线 硬件设备的性能提升和数字图像处理技术的不断发展，射线 技术将可能成为工艺矿物学研究中的重要分析测试手段。关键词：射线 技术；工艺矿物学；矿物量；矿物粒度；解离特征中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（.，；.，）：，：；射线 （），即 射线计算机断层成像，是指在不破坏物体结构的前提下，根据物体周边所获取的某种物理量（如波速、射线光强、电子束强等）的投影数据，通过一定的数学方法，利用计算机处理得到物体特定层面上的二维图像，以及根据一系列上述二维图像进行三维图 像 重 建 的 技 术。自 年 英 国 工 程 师 成功设计了电子计算机体层成像装置以来，经历了半个世纪的发展，射线 技术已由仅应用于人体检查的医学成像技术发展成为多领域应用的纳米级精度无损检测手段，目前主要分为医学、工业 和实验室 三大类。其中，医 年第期王臻等：射线 技术在工艺矿物学中的应用学 具有相对更低的辐射和更快的扫描速度；工业 更加注重对于大功率高能量大型负载扫描配件的优化，分辨率最高可达；而实验室 往往具有较强的空间分辨性能（如 采用几何投影光学二级放大系统，最高可达纳米级分辨率），并广泛 应 用 于 材 料 科 学、岩 石 学 、古 生 物学 等方面物质微观结构表征。近年来，利用 射线 技术对矿石进行在线预分选 已相对成熟，而在工艺矿物学方面也开始了初步应用。在工艺矿物学研究中，研究人员往往需要获取矿石的矿物组成、结构和构造等关键特征参数，以进行选矿工艺指导和矿石可利用性评价。然而，通过传统二维分析方法（如光学显微镜、扫描电镜下的观察、测量与自动分析以及各类微束分析方法）所得数据难免产生一定的体视学误差 。射线 技术因具有对矿石结构特征的无损提取能力，必将成为工艺矿物学研究的一种重要技术手段。本文介绍了近几年国际上运用射线 技术提取矿石粒度、解离特征、矿物量等工艺矿物学重要参数的典型应用实例，旨在为 射线 技术在工艺矿物学的进一步推广提供启示。射线 原理 仪器结构射线 系统主要有射线源、样品台和探测器构成。在工艺矿物学研究中主要使用高分辨率的射线 系统。以 公司的 型号高分辨率显微 仪器为例（图），它具有几何投影图 （现 公司）高分辨率显微 结构图 （）放大与光学放大二级放大系统，实现了空间分辨率的提升（最高）；并可通过不同放大倍率的选择（，），在不移动任何组件的情况下进行分辨率的转换。成像原理在 射线计算机断层扫描系统中，当 射线穿过被测物体时，将对一定厚度的层面进行扫描，并把被测物体划分为若干立方体小块（体素）。被测物体不同组分对 射线的吸收性存在差异，使得穿过该物质的 射线发生衰减。当 射线穿过某层面时，沿该方向排列的各体素均在一定程度上吸收一部分射线，通过比较入射前后射线的强度变化即获得截面上的所有体素沿该方向衰减值的总和。上述衰减值可由射线衰减系数来表示，而射线衰减系数也决定着射线 扫描结果的灰度差异，从而构成了 图像中不同矿物相的区分依据。射线衰减系数（）由射线与矿物的相互作用所决定，其大小与入射的波长和物质有关，并与物质密度成正比。不同物质的射线衰减系数（）需要通过美国国家标准与技术研究院（）提供的 数据库中的质量衰减系数（）乘以质量密度（）计算得到，公式如下：（）当吸收体由两种或两种以上的元素组成时，是各组分的加权平均值，所以修正射线衰减系数计算公式为：（）（）式中：为第个元素的原子质量。根据上述公式，对目的矿物在不同 射线能量下的衰减系数进行曲线绘制，可作为 射线 图像中不同矿物的区分依据，以评估目的矿物之间的对比度。图（）、（）分别了表示斑岩矽卡岩矿床和多金属碳酸盐矿床中常见矿物的 射线衰减系数与 射线能量的函数关系曲线，在 射线能量为 时，相似矿物间的差异更大，更容易区分。图则给出了 能量下，图中所涉及矿物的 射线衰减系数的分布情况，显然，自然金、自然银、辉银矿、方铅矿、辉钼矿与其他相的区分显著（表）。有色金属（选矿部分）年第期图两种常见矿石中矿物组合的线性衰减系数与 射线能量的函数关系曲线：（）斑岩矽卡岩矿床中的常见矿物组合；（）多金属碳酸盐矿床中的常见矿物组合 ：（）；（）图射线能量为 时部分矿物的射线衰减系数柱状图 表部分矿物的化学式、密度范围和射线衰减系数 ，矿物名称化学式密度（）射线衰减系数自然金 自然银 辉银矿 方铅矿 辉钼矿 黄铜矿 斑铜矿 黄铁矿 磁铁矿 闪锌矿 铁白云石 （）白钨矿 萤石 方解石 石英 年第期王臻等：射线 技术在工艺矿物学中的应用在工艺矿物学中的应用实例 矿物含量分析南非 大学的 等 利用 公司 型号 扫描仪（分辨率）对 钨钼矿床中四个直径 的岩芯（）进行了研究。岩芯中金属矿物主要为白钨矿、黄铁矿和磁黄铁矿，非金属矿物主要为石英，这些矿物的密度差和 射线衰减系数差异均较大，在 射线 图像中易于鉴别。由图可见，在 的能量范围内，白钨矿具有最大的衰减幅度。通过射线 扫描测定岩芯中白钨矿的体积，将其乘以白钨矿密度（）即可得白钨矿质量；根据岩芯质量（称重）进一步计算可得该岩芯中白钨矿的含量（表）。为了检验通过射线 扫描结果所得岩芯中白钨矿含量的准确性，将岩芯中白钨矿含量乘以白钨矿理论含钨量，可计算出该岩芯中钨品位，之后将此结果与该样品的传统化学分析（）进行比较验证。结果显示，在岩芯中钨品位较高的情况下（钨品位 ），射线 的定量分析结果与 分析结果基本一致；而钨品位较低时（如，钨品位为 ）则误差较大（表）。因此，在特定矿物含量相对较高时，射线 能够快速、准确地测定该矿物的含量。图岩芯样品中矿物的理论射线衰减系数范围 表白钨矿的 数据与射线 数据分析结果及对比 样品岩芯重量岩芯体积（）白钨矿体积（）白钨矿含量（）钨品位（）钨品位（）相对误差 矿物粒度分布的测定 矿物研究中心（）的 等 利用 显微射线 系统（最佳分辨率，实测分辨率）对某矿山含金黄铁矿矿石进行研究。该矿石的矿物组成简单，主要为黄铁矿、石英和铁白云石，在选矿中通过浮选回收黄铁矿。矿石中各矿物的密度差和射线衰减系数差异均较大，在 图像中易于鉴别（图）。图图含金黄铁矿矿石中各矿物的射线理论衰减值 图黄铁矿颗粒射线 三维图像 有色金属（选矿部分）年第期为矿石中含金黄铁矿的三维重建图像，对扫描图像中所获取的黄铁矿颗粒的粒度大小、颗粒形状和颗粒的空间位置等信息进行提取，可进一步分析得到黄铁矿粒度分布情况，测量统计结果表明，黄铁矿粒度分布较为均匀，主要集中在 范围内（图）。图利用射线 测量的黄铁矿粒度分布柱状图 矿物解离特征研究矿物解离特征是某矿物单体体积占其总体积的百分比，对于浮选过程来说，由于矿物颗粒的暴露面积直接决定了附着气泡的稳定性，因此暴露颗粒表面积更能反映矿物与药剂之间的相互作用，从而更能反映矿物解离特征。等 利用 高精度射线显微 （最佳分辨率，本实验空间分辨率），对 美 国 西 部 某 含 金 黄 铁 矿 矿 石 粒级的浮选产品进行颗粒暴露表面积分析，并通过图像处理得到精矿和尾矿中的颗粒暴露面积百分比（图）。结果表明，精矿和尾矿颗粒中，含金黄铁矿暴露表面积百分比可大致分为三个区间：，和 ；其中，精矿中含金黄铁矿颗粒的暴露面积占颗粒总表面积的 以上，而尾矿中含金黄铁矿颗粒的暴露面积通常小于 ，二者在 区间内存在重叠。为了研究造成这一现象的原因，对 图精矿和尾矿颗粒暴露颗粒表面积百分比累积分布曲线 粒级中暴露表面积占 的浮选精矿和暴露表面积占 的浮选尾矿的矿物颗粒特性进行了比较。一般来说，如果暴露表面积为 的颗粒能通过浮选回收，那么暴露表面积为 的颗粒也应能够通过浮选回收。然而在此例中，暴露表面积为 的颗粒被浮选进入金精矿，暴露表面积为 的颗粒则在尾矿中出现。图中展示了金精矿和尾矿颗粒的三维视图及相应的暴露表面，表则比较了该金精矿和尾矿中颗粒的三维视图和相应的暴露表面。可以看出，该金精矿颗粒暴露表面积百分比为 ，呈裸露连生体的含金黄铁矿仅有颗，总暴露表面积为 ，而其中最大单颗粒暴露表面积为 ；该尾矿颗粒暴露表面积百分比为 ，约为金精矿中含金黄铁矿的暴露面积比（）的两倍，而裸露连生的含金黄铁矿有 颗，呈浸染状分布在载体颗粒中，其中单个含金黄铁矿的暴露面积最大也仅为 。以上数据表明，在研究暴露表面积对浮选的影响时，不仅需要考虑有用矿物暴露表面积百分比，还需考虑单个有价矿物颗粒的暴露面积及其空间分布特征。因此，暴露面积百分比在 区间内的贫连生体进入精矿或是尾矿，取决于两个因素：一个是该颗粒中具有最大暴露表面积的有价矿物单颗粒的暴露面积大小，另一个是所有颗粒暴露面的聚集分散程度，即空间分布特征。年第期王臻等：射线 技术在工艺矿物学中的应用图精矿颗粒和尾矿颗粒的颗粒表面三维视图和暴露表面图像 表精矿颗粒和尾矿颗粒的暴露表面积测量结果 精矿颗粒（）序号暴露面积尾矿颗粒（）序号暴露面积 合计 合计 结论）工艺矿物学研究的特点已经从定性、半定量转为精准、快速，其测试技术手段也已从二维分析逐渐向三维分析发展，射线 技术将成为工艺矿物学研究中不可或缺的测试手段，并对矿产资源的高效开发利用起到重要作用。）目前，射线 技术在矿物识别方面仍存在局限性。对于工艺矿物学研究而言，不同矿物相的准确识别十分重要，具有相似衰减系数的矿物在射线 扫描中将由于具有相似灰度而难以识别。）矿物 射线衰减系数与矿物密度、颗粒体积、有色金属（选矿部分）年第期样品厚度、射线能量等多种因素相关，因此，提高射线源、单色器和检测器性能，图像处理技术的精细化以及加快双能 射线 发展，都将有效提高射线 的矿物识别能力；此外，测试条件和测试方法的优化和研究，也将有助于射线 技术在工艺矿物学研究中的推广应用。参考文献李珍照 国外大坝监测几项新技术 大坝观测与土工测试，（）：，（）：高丽娜，陈文革 技术的应用发展及前景 理论与应用研究，（）：，（）：卢亚敏 射线 扫描与三维重建技术在南海北部岩心 中的应用及沉积环境初探海洋地质与第四纪地质，（）：，（）：（）：，：董立文超声法桩基完整性检测技术应用分析甘肃科学学报，（）：，（）：孙灵霞，叶云长工业 技术特点及应用实例核电子学与探测技术，（）：，（）：孙明太，梁跃旋，胡柱喜，等 在航空深弹结构分析和拆卸中的应用研究 理论与应用研究，（）：，（）：邵思杰，曹勇，王磊无损检测技术在弹药质量检测中的应用 火力与指挥控制，（增刊）：，（）：秦怡 基于工业 技术的钻杆断裂机理分析系统煤矿机械，（）：，（）：胡高伟，李承峰，业渝光，等 沉积物孔隙空间天然气水合物微观分 布 观 测地球物理学报，（）：，（）：王刚，沈俊男，褚翔宇，等基于 三维重建的高阶煤孔裂 隙 结 构 综 合 表 征 和 分 析 煤 炭 学 报，（）：，（）：李伯平，郭冬发，李黎三维 成像技术在岩石矿物中的应用世界核地质科学，（）：，（）：，（）：牛永斌，钟建华，胡斌小尺度地质体三维建模研究：以遗迹化石 和岩心三维建模为例古地理学报，（）：，：，（）：星耀武，刘裕生，苏涛，等 射线 扫描技术在中新世松属球果化石研究中的应用古生物学报，（）：，（）：（下转第 页）有色金属（选矿部分）年第期 ：，：，（）（