X射线分选技术在磷矿选矿中的应用研究_李艳.pdf

X 射线分选技术在磷矿选矿中的应用研究李艳 1，余媛元 2，童晓蕾 3，刘浩然 1，魏祥松 1（1.中化地质矿山总局地质研究院，北京100101；2.西南化工研究设计院有限公司，四川成都610200；3.北京霍里斯特科技有限公司，北京102600）摘要：本文介绍了磷矿选矿现状和问题，介绍了 X 射线分选技术的原理及应用现状，对其在磷矿中的应用进行了详细的介绍和数据分析。X 射线分选技术是无水分选，工艺流程简单，可解决因磷矿石品位低选矿比高，重介质选矿介质消耗大，造成传统选矿方法成本高，同时对环境产生不良影响等问题。提出了提高磷矿X 射线分选技术精准化的方法，并对该技术在磷矿领域的应用前景进行了展望。关键词：磷块岩；X 射线分选；磷矿选矿；精准化分选doi:10.3969/j.issn.1000-6532.2023.02.018中图分类号:TD913;TD97 文献标志码:A 文章编号:1000-6532（2023）02010006 中国磷矿资源丰富，主要分布在云南、湖北、贵州、四川、湖南五省,分布集中、富矿少，贫矿多、易选矿少、难选矿多1。按照地质成因分类，磷矿石主要分为磷灰石矿、磷块岩矿和磷灰岩矿，以沉积磷块岩为主，在我国占 97%以上。磷块岩矿特点矿层厚、品位较高、矿床规模较大，但能直接利用的磷块岩不多，大部分需要通过选矿后才能利用。1磷块岩矿石性质及选矿工艺特点 1.1磷块岩矿石性质磷块岩是海底形成的化学沉积岩，我国磷块岩矿床主要是早寒武纪下统梅树村阶磷块岩矿床和晚震旦纪陡山沱组磷块岩矿床，矿物与岩石组成较复杂。矿石性质主要有以下特点：矿石工业类型主要有硅质型磷块岩、钙质型磷块岩和硅（钙）-钙（硅）质型磷块岩，后者占比 80%左右，磷块岩矿 P2O5含量一般为 15%25%，含量大于 28%的富矿只占 8%；矿石结构主要有泥晶结构、颗粒结构、生物结构、陆屑-胶结结构、结核状结构和交代结构，矿石构造主要有条带状构造、条纹状构造、致密块状构造、互层状构造和叠层构造；磷块岩镜下呈凝胶状，主要矿物为碳氟磷灰石,俗称“胶磷矿”。脉石矿物一般为白云石、方解石、石英、玉髓、粘土矿物以及有机质等；磷块岩具有多变性，不同矿床，不同矿区，不同矿层，甚至不同矿段的矿石中含磷矿物的化学组成，可选性多不一致2。1.2磷块岩传统选矿工艺磷块岩中磷矿物嵌布较为分散，磷矿物的多变性和共生碳酸盐脉石矿物（白云石和方解石）性质与其相近，使该类矿石选矿难度较大，工艺复杂。根据磷矿深加工对磷精矿和精矿中杂质含量的要求，通常需要选矿方法富集含磷矿物，降低有害杂质含量。磷块岩结晶颗粒极细，杂质嵌布复杂，获得高品位磷精矿对选矿工艺要求高。常规的选矿方法主要有正浮选，正-反浮选，反浮选，双反浮选，重介质选矿，重介质-浮选联合选矿等。浮选目前仍然是占主导地位的选别方法，磷块岩浮选特点主要有：高能耗。磷块岩矿石矿物分散性和嵌布粒度细的特性，要求入选粒度细才能达到矿物间的解离，一般磨矿细度要求达到-0.076 mm 含量大于 80%甚至更细；高药耗。磷块岩浮选需要严格的药剂制度才能达到较理想的选矿指标，包括药剂种类，药剂用量，添加地点，添加顺序，与矿浆搅拌时间等；针对硅（钙）-钙（硅）质型磷块岩3，需要将磷矿物与 收稿日期:2022-05-10作者简介:李艳（1982-），女，高级工程师，主要从事选矿，资源综合利用研究。通信作者:余媛元（1981-），女，工程师，主要从事矿山技术及环境安全研究。矿产综合利用 100 Multipurpose Utilization of Mineral Resources2023 年硅酸盐矿物和碳酸盐矿物分离才能获得合格精矿，浮选流程比较复杂。通常需要正-反浮选，双反浮选，中矿单独处理等方法。在有些矿区如湖北宜昌，磷矿石结构构造主要呈条带状构造，磷矿条带宽，磷质条带与脉石条带容易分开，在较粗的破碎粒度条件下可实现磷块岩的单体解离，磷块岩集合体和脉石矿物集合体存在比重差，满足磷酸盐矿物和脉石矿物通过重介质选矿选别分离的条件。同时伴随重介质三产品旋流器的大型化、旋流器耐磨材料的改进，重介质分选设备分选精度的提高、重介质比重监测和控制技术的进步等工艺条件下，为磷矿重介质选矿实现工业化应用奠定了基础4。通过直接采用重介质选矿或者重介质-反浮选联合流程处理，可获得较好的经济技术指标。目前宜昌矿区已经形成 400 多万吨重介质选矿处理能力，年处理量 100 万吨选厂有湖北宜化矿业花果树磷矿选矿厂和宜昌三宁矿业挑水河选矿厂，年处理量60 万吨选厂有宜昌宝石山选矿厂、宜昌新磷选矿厂、宜昌中孚选矿厂和远安祥云选矿厂。磷块岩类矿石选矿技术成熟，但是磷矿浮选高能耗、高药耗使得磷精矿成本过高，环境污染问题日趋凸显，选矿厂废水处理是矿山生产建设的重要课题5，也是一大难题。随着各行业科技进步，新型选矿方法应用越来越多，X 射线分选技术在许多矿种已成功实现工业化应用。2X 射线分选技术工作原理X 射线分选技术模仿手选的动作，用机械和电的组合进行矿物分离的选矿方法。即在一般X 光的照射下，利用不同矿物对 X 光的反射和透过程度的差异，通过光敏元件将 X 光的变化转变为电信号的变化，推动继电器执行机构动作，将矿物分离。以 XNDT-104X 射线智能机为例，其分选系统由传感系统、智能识别系统和分离系统构成6。采用 X 光透射（传感系统）及电脑图像处理技术（智能识别系统）对矿物进行识别后，再采用高压喷吹装置（分离系统）进行分离。2.1工作原理矿石经给料系统给入高速皮带，运行 12 m调整至平稳状态，当矿石通过射线源正下方时，由高压激发的 X 射线照射，皮带上的矿石块会减弱射线强度，使穿透矿石的 X 射线因石块中所测元素含量的高低而产生不同程度的衰减。皮带下方的探测器采集衰减强度数据信息，将其转化为光电数字信号传送给工控机。工控机中运行智能分选软件，对数据进行成像处理并进行分析识别，根据预先设定的分选参数，判别并标记矿石块为废石或高品位矿石，同时把已标记的矿石位置信息发送给喷吹控制单元。当矿石块飞离皮带经过气排枪时，气排枪的喷嘴精准地喷吹已标记的高品位矿石或废石，从而将废石块和高品位矿石进行分离。2.2X 射线分选技术应用条件X 射线智能分选的矿石需要满足三个条件：脉石矿物与有用矿物在 X 射线透视后具有光谱特异性，易于系统进行矿物识别；所选矿石为块状、颗粒状，破碎筛分后能够得到适宜的矿石粒度，便于系统对矿物进行有效机械分离；所选矿石矿化不均匀，入选的块状矿石间品位有较明显的差异。2.3X 射线分选技术优点X 射线分选机处理矿石能力一般在 6080 t/h，技术优点主要有：X 射线透视，可精准探知矿石内部不同矿物对 X 光反射和透过程度的差异，达到精确分离；矿石粒级要求宽，可根据矿石性质进行调整；无水作业，可以满足缺水地区工业化生产，无需水处理装置；可实现无人化机械作业，工作效率高。3X 射线分选技术应用现状X 射线分选技术是在拣选、高能射线和电子计算机技术的应用结合下形成的研究方向7，上世纪六十年代就成为苏联金刚石选矿厂的主要设备。射线选矿分选机能分选各种类型的块状矿石和原料，能够将废石、夹石与矿石分离，或低品位矿石与高品位矿石分离8。已成功应用于锡矿、钨矿、钼矿、金矿、煤矸石等矿石的预先抛尾处理，分选效果较好。3.1X 射线智能分选技术在金属矿的应用X 射线智能分选技术目前主要应用于锑矿、铅锌矿、锡矿、铜矿、黑钨矿、金矿的预先抛废抛尾作业。从表 1 实例可以看出，这些矿石经过X 射线分选后，可以抛除大量废石。锑矿、钨矿、锡矿、金矿石经分选后可以预先剔除 70%80%超低品位废石，同时极大提高入选品位。铜矿和铅锌矿也能预先抛除 38%和 52%的废石，入选品位提高约一倍。通过预先抛废，可以降低后第 2 期2023 年 4 月李 艳等：X 射线分选技术在磷矿选矿中的应用研究 101 续的破碎、磨矿功耗，提高入选品位，降低药耗，提高磨浮车间处理能力。表 1 X 射线智能分选机分选金属矿石实例Table 1 X-ray intelligent separator separation of metal ore examples矿石类型粒级/mm产品名称产率/%品位/%回收率/%湖南锡矿山锑矿（Sb）15100粗精矿30.104.7095.29尾矿69.900.104.71原矿100.001.49100.00江西章源钨矿（WO3）1550粗精矿20.345.1097.02尾矿79.660.042.98原矿100.001.06100.00云南某锡矿（Sn）1590粗精矿29.840.6096.23尾矿70.160.013.77原矿100.000.19100.00湖南某金矿（Au，g/t）1560粗精矿33.127.5488.40尾矿66.880.4911.60原矿100.002.80100.00青海某铜矿（Cu）875粗精矿61.781.9398.27尾矿38.220.051.73原矿100.001.19100.00辽宁某铅锌矿+8-75mmPbZnPbZn粗精矿47.813.085.3396.4496.82尾矿52.190.100.163.563.18原矿100.001.532.63100.00100.00 3.2X 射线智能分选技术在萤石矿的应用江西某萤石矿属硅质萤石型，有用矿物为萤石，脉石矿物主要为石英和方解石，当原矿品位CaF2 51.24%，经分选后粗精矿品位 CaF2 71.92%，可以预先抛除 33%的尾矿。综合回收河北承德某萤石矿剥采废石，当原矿品位 CaF2含量 17.40%，通过一次 X 射线分选，可获得萤石品位 CaF230.07%的粗精矿，回收率 80.21%。实验结果详见表 2。对于高质量的萤石矿，萤石块中杂质较少，通过 X 射线分选可以直接获得冶金用萤石块矿；对于目前不能直接利用的低品位萤石，通过 X 射线分选抛除大量脉石，提高萤石品位，达到浮选用萤石标准，可以将目前无法利用的萤石剥采废石和尾矿等固废综合利用。表 2 X 射线智能分选技术分选萤石实例Table 2 X-ray intelligent sorting technology of fluorite examples矿石类型分选粒级/mm原矿精矿指标/%尾矿指标/%品位/%产率品位回收率产率品位回收率江西某萤石矿+10-7551.24670071.9293.7733.009.626.23承德萤石废石+10-5017.4046.0030.0780.2154.006.7019.79 4X 射线分选技术在磷矿中的应用每一种不同的物质对每一个谱段的 X 光的衰减特性都为特异的，这种特异性既包括物质特异性，也包括光谱特异性。针对磷矿石，当 X 射线经过矿石时，矿石中不同矿物（主要为磷灰石、石英、玉髓、白云石）对 X 射线产生特异性衰减，从而使得 X 光探测器接收到的信号产生特异差。X 射线分选智能识别系统可为磷矿针对性设计 X 光机的能谱区间及 X 光探测器的敏感能谱采集区间，为智能识别系统深度学习提供对磷、硅、镁相对敏感的 X 光透视数据9。识别模型建立实验矿样为宜昌杉树垭磷矿石，实验设备为 XNDT-104 智能分选机。对不同粒度下的矿石样本，综合优化模型，在保证磷矿石较好回收率的情况下最大化提高矿石分类准确率。磷矿石聚类训练效果见图 1，其中红色为磷矿石样本类训练后的识别结果，蓝色为脉石矿物样本类训练后的识别结果。可以看到基于经过设计后的 X 光系统，两类矿石在识别系统中具有较好的类间差异，可以实现有效区分。4.1选矿实例（1）案例一：四川某镁硅质磷块岩10，有用矿物主要为胶态磷灰石，少量细晶磷灰石，脉石矿物主要为白云石、石英、玉髓、方解石、黄铁矿和炭质等。原矿中 P2O5 19.52%，SiO2 21.43%，CaO 34.56%，MgO 4.87%。选矿粒级为-30+10 mm，102 矿产综合利用2023 年通过一次 X 射线分选，抛除尾矿产率为 28.64%，品位 P2O5