[科普中国]-矿物工程

简介

矿物工程（Mineral Engineering）是根据自然界矿物物理、化学或物理化学性质的差异，利用物理、化学或生物化学的方法将矿产资源中有用矿物（或有用成分）和脉石矿物（或有害成分）分离的综合加工过程，亦称为“矿物加工工程”或“选矿工程”。

矿物加工工程的发展与人类对自然界矿产资源日益扩大的质与量的需要密切相关。选矿过程本身已有很长的历史发展过程。很早就有手工拣选，后来发展成为简单工具洗淘从砂石中间回收金、银、锡等密度大的矿物，天工开物早有记载，这属于选矿的原始阶段。19世纪以后国外相继出现了机械选矿设备如活塞式跳汰机、摇床、静电选矿机、磁选机等，使重力选矿、磁选和电选等物理选矿技术有较大发展，从而促进了冶金工业大规模发展。20世纪20年代泡沫浮选的应用和各种浮选药剂和设备的出现，大大促进选矿技术的发展，同时也促进了难选、复合矿及细粒嵌布矿产的开发利用。生产的发展和需要促使人们对选矿理论深入研究，从1867年P．R雷廷格尔(Rittiner)著《选矿学》开始，相继有列宾捷尔的《浮选过程的物理化学》、A．M．高登(Gaudin)的《选矿原理》、利亚申科的《重选原理》，至1944年F．F塔加尔特(Tag．gart)编著的《选矿手册》，选矿工程发展成为独立的学科。

任务选矿工程的发展就有可能对自然界“含量贫、结晶细、成分杂”的矿产资源进行开发、利用，并为下一步的深加工提供经济上合理、技术上可行的初级原料或产品。由此可以看出选矿学科在国民经济发展中的重要战略地位，确定它的具体任务是：

1)提高有用矿物的品位，扩大矿产资源的利用处理范围：据勘查我国贫矿多，富矿少，许多贫矿资源均需经选矿处理后才能作为下一步的工业原料。如黑色金属中的铁矿石，品位大于50%者仅占全国铁矿总量的23%，其余均需选矿后制造成人工富矿才能作为炼铁原料；有色金属中的铜矿石，铜品位大于2%者仅占我国铜矿石总储量的6%，含铜小于1%占75%，都需经过选矿；非金属矿石中磷矿石，品位大于或等于30%者仅占7%，其余都必须经过选矿处理才能利用。

2)提高产品质量：非金属矿高岭土、膨润土、沸石、萤石、硅灰石、硅藻土、绢云母等都需要去掉铁、钛等杂质和提高白度；煤炭也需要洗选，降低灰分和硫、磷含量，才能生产合格的冶金焦炭。

3)共生、伴生成分的综合利用：有色金属矿石常是共生产出，由于它们互为杂质无法利用，需经选矿处理将所含矿物分离后分别富集才能作为冶炼原料。我国共生、伴生矿石特别多，例如白云鄂博、攀枝花、大冶、长阳等铁矿石都属复杂共生矿石，它们占我国整个铁矿资源的40%以上。有色金属共生、伴生矿产占75%以上，如铜铅锌共生矿，铜精矿中的铅、锌是杂质；铅精矿中的铜、锌是杂质；锌精矿中的铜、铅是杂质；只有把他们分离后富集，方才能成为铜精矿、铅精矿、锌精矿。贵金属的40%和银的75%为伴生矿。

4)二次资源的开发利用：二次资源包括废旧金属及其它固体废料，废水和废气的治理和利用，在很大程度上依靠选矿技术。自然矿产的最大特点是数量有限和开发的一次性，因此“资源的循环使用”是最大的节约。据专家们统计，回收利用废旧金属消耗的能源与新开发矿产资源对比非常经济，其能耗比，铜为1/6，镍为1/10，铝为1/20，镁为1/21。美国每年再生金属占西方国家40%，其价值达100多亿美元。我国废钢利用率尚低，废旧有色金属利用率仅占总产量的11.2%左右。“三废治理、环境保护”是目前世界共同关注的问题。例如我国全国固体废料已堆有80多亿t，占地90多万亩，目前固体废料的利用率约24%，每年有76%左右的固体废料堆存。水是人类宝贵的资源，一般来说，工业产值每增加1%，工业废水增加0.65%。我国水资源不丰富，人均占有水量只相当于世界人均占有水量的25%，随工业的发展，用量加大，排放的污水量会增加，反过来又加大了对原有水源的污染。因此，水资源的合理利用与污水治理已成为当务之急。选矿工业用水量很大，排放的尾矿又是很大的污水源，节约选矿用水及循环水的使用有非常重要的意义。

5)海洋资源的利用。海洋资源包括海水中溶解的盐类物质和洋底锰结核。海水中含有36种元素，除可提取NaCl、KCl、、、、B、I外，还可以提取氚等能源物质，开发利用前景广阔。地球总面积的2/3为海洋，其中15%洋底覆盖有锰结核，而且锰结核中富含Mn、Ni、Cu、Co、Fe等元素，例如我国沿海深2 000 m处就有大量含CO(0.5%)较高的锰结核。其中Mn、Ni、CO为陆地较缺少的资源，因此目前已有一些国家（包括我国在内）积极进行洋底锰结核的开发、利用研究。从长远看，我国陆地短缺的一些矿产资源有可能由开发洋底资源弥补。

战略地位矿产资源是人类赖以生存和社会发展的基础。当今世界有80%的工业原料和95%的能源取自矿产资源。随着各国经济的不断发展，社会对矿产品的需求越来越多，它一方面促进了矿物加工工程技术的进步，另一方面污染了人类生存的环境。如何使矿产资源开发与环境保护协调发展，是目前世界各国面临的共同问题。而自然资源开发利用的深度和广度，依赖于科学技术的发展，其中选矿技术的发展起着很关键的作用。例如每立方公里的岩石中含Fe 1300万t，Cu 26万t、Sn 10万t、Au 1万t，如果用高新技术将其分离，则地球上提供我们可利用的资源是非常宽广的，这将极大地促进社会经济的发展。

发展趋势从80年代以来的发展动态看今后发展的趋势：

1)打破传统选矿工程的界限向深度和广度方面发展。原选矿工程主要是指自然矿产资源的加工处理，而现将选矿技术扩大应用于“三废”的处理、环境保护、海水溶物及海洋锰结核的开发利用。16届、17届国际选矿会议内容充分反映这一趋势。16届国际选矿会议主席法国J．E阿斯塔尔(Astier)所述“选矿工程是无界限的，它并无尽头。因为随着工业的发展对原料的需求量日益扩大，所以扩大选矿应用领域是客观必然的发展趋势。因此它不局限用于矿产采出后的加工，还应发展为矿床的就地应用，包括废物的再生；选矿将以有力之势向下一步工序延伸，与火法冶金、湿法冶金结合，在扩大选矿应用领域的同时，提高选矿本身水平、效益，同时要最大限度地减少对环境的污染。”这是选矿发展的总趋势。

2)矿产资源的充分利用，进行“无尾工艺”或“无废工艺”的研究。国外在尽量提高有用成分回收率的同时，非常重视资源的综合利用，一般有色金属综合利用率达80%～90%以上。目前的趋势是开展“无尾工艺”或“无废工艺”的研究。前苏联一些选矿厂已实现上述目标，例如索科洛夫_萨尔拜采选公司将干式磁选尾矿作水泥原料；列别金斯克铁矿、克斯托姆克什铁矿、奇涅依钛磁铁矿和科夫多尔铁矿已进行“无废工艺”的实践。

3)新技术、新工艺的开发与应用。“多种力场”联合作用的设备、多种药剂“协同作用”的工艺。多种原理“联合效应”的“综合选矿技术”的研究和发展。例如离心式磁流体重选机；磁力一重力分选机；磁力旋流器；药剂处理与磁选结合(例如用表面活性剂处理铜矿后用强磁选机从铜矿中分选黄铁矿)。磁力摇床；絮鼯背负浮选；絮凝-磁种分选；电场浮选；加剂处理电选、电位控制浮选，以及药剂对粉磨过程、分级过程、脱水过程的效应的综合选矿技术研究等。

4)节能研究。矿物工程中40%~80%的能耗消耗于矿石的碎磨作业。根据统计全世界每年消耗于矿石碎磨作业的能耗约占全世界总发电量的3%~4%；美国和前苏联的磨矿能耗分别占其本国发电量的2%~4%。因此降低碎磨作业的能耗为国外非常重视的研究领域。据统计，传统方法用于矿石碎磨的能耗大致分布如下：开采爆破3%～5%，破碎5%～7%，磨碎85%~90%。因此节能的主要指导思想是“能耗分布前移”，主要措施：①强化开采时爆破作业，这样对岩石起一种“预松解”作用，可大大降低破碎、磨矿费用。这种方法在前苏联的格里申一普拉费宁及英吉列茨含铁石英岩的工业试验表明可降低磨矿费用10%以上。②70年代以后出现的超细碎破碎机及高压辊碎机，以图缩小人磨粒度。实践证明，美国、德国、日本、前苏联生产的几种类型的超细破碎机，除苏联惯性超细破碎机外，均达不到预期效果。③源于德国的高压辊破碎技术在处理水泥料、炉渣等作业上应用，有很好的经济效益，但能否用于选矿工业有待研究。总之到目前为止所采用的粉碎方法基本上属于机械破碎。这就导致物料的“穿晶破裂”而不是“沿界面破裂”。因此不仅能耗高，易产生物料过粉碎，且设备笨重、部件磨损严重。理想的情况是“沿矿物界面的选择性破裂”。这方面国外也作过一些研究，如加电压破碎、超声波电能破碎、激光幅射、高频率振荡（电脉冲）一微波破碎、微波幅射等离子处理等。第十六届国际选矿会议上，前苏联的雷尼夫茨也夫（Revnivtsev）在其“粉碎工艺技术需要革命”的总结性论文中指出“现有的破碎理论，诸如面积说、体积说及邦德的裂缝说建立于当时的有关物质强度、结构、破裂理论。现在依据新的断裂力学、物质结构理论研究新的破碎理论，以发展新的、高效的破碎工艺技术。”

5)腐蚀机理及耐磨材料的研究。由于机械磨损及化学腐蚀使选矿过程消耗大量的金属材料，为此国外进行了两方面的研究，一为磨蚀机理的研究，一为耐磨材料的研究。加拿大对不同矿石湿式磨矿中介质磨损机理进行研究后指出某些物质有防腐蚀作用，有些物质有促腐蚀作用。指出加入亚硝酸钠、铬酸钠或偏硅酸钠作为防腐剂，可分别降低化学腐蚀量的49.4%、45.7%、45.9%。高锰钢的“爆破硬化工艺”可使其深层硬化，减少磨耗。瑞典的斯克嘉及诺伯格公司生产的橡胶衬板，已在许多国家推广使用，其寿命比一般锰钢衬板提高3。5倍以上。80年代在美国、瑞典、挪威相继试验一种“磁性衬板”。这种衬板由于吸引磁性物料，表面自动形成保护层，大大延长了使用寿命。国外正在研究聚氨脂弹性体、陶瓷等新型耐磨材料在选矿上的应用。

6)专功能、高效率药剂的研制。例如美国道尔公司生产的对Zn、Co、Cu、Ni硫化物及Pt、Pd等有很强捕收性能而对方铅矿捕收性能很弱的药剂；对硫化铜捕收性能很强而对其他矿物捕收能力很弱的药剂。意大利研制的氧化锌的专用药剂；增加过滤效果的助滤剂，增加磨矿效果的助磨剂等。

7)高科技在选矿中的应用。超导磁选机已达应用阶段，美国艾利兹磁力公司已生产直径3．05m的超导磁选机。自然界的矿物都具有程度大小不同的磁性，利用超导磁选机的超导电性可很方便地实现大范围内调节磁场强度，由此可实现各种矿物的磁分离。超导磁选是选矿技术的重大突破，目前要研究解决的是改进超导系统、提高产量、降低成本、扩大应用。

我国战略目标从20世纪80年代以来，世界各国在矿物工程技术领域不断进行技术创新，以促进本国的矿产资源开发与综合利用沿着可持续发展的方向前进。矿石粉碎方面：为了降低矿石的破磨能耗，国外开发了超细粉碎机和高压辊式破碎机，并不断研究外加电场、激光、微波、超声、高频振荡、等离子处理矿石对粉碎和分选的影响；在矿物分选领域方面：已经或正在研究“多种力场”联合作用的分选设备，以及多种原理“联合效应”的“综合分选技术”，并不断将高技术引入矿物加工工程领域，例如将超导技术引入磁选，将电化学及控制技术引入浮选等等；为最大限度的利用矿产资源，世界各国竞相研究开发无废清洁生产工艺；在设备方面：为使企业获得最大规模的经济效益，研究开发的破磨、分选及固液分离设备趋向大型化；生产过程的检测与控制方面：过程控制趋向自动化，并将“专家控制”与“最优适时控制”相结合，以达到根据矿石性质调整控制参数，使全厂的生产过程保持在最优的状态下进行。技术方面：经过50年来的发展，我国的矿物工程技术已经取得许多引人注目的成就，拥有一批实力雄厚的科研机构和高素质科技开发人才，它为我国的矿产资源开发利用的可持续发展奠定了良好的基础，为使我国矿物工程技术在较短的时间内全面赶上世界先进水平，必须注意在以下几方面进行技术创新，这将是跨世纪快速发展的关键。

(1)研究开发高效预选设备，高效节能新型破磨与分级设备，以及固液分离新技术与设备，大幅度降低矿石破碎与固液分离过程的能耗，提高入选品位。

(2)研究各种能场的预处理对矿物粉碎和分选的影响，开发利用各种能场的预处理新技术，以提高粉碎效率及分选精度。

(3)在开发高效分选设备、高效无毒新药剂中，重点研究复合力场分选新设备，多种成分协同作用的新药剂以及处理贫、细、杂难选矿石的综合分选技术。

(4)在矿石综合利用研究中，重点开发无废清洁工艺，加强尾矿中矿物分离、提纯、超细改性的研究，使其成为市场需要的产品，为矿物原料工业向矿物材料工业转化提供新技术。

(5)大力将高新技术引入矿物工程领域，重点开展矿业生物工程技术、电化学调控和电化学控制浮选技术、过程自动化寻优技术、以及用高技术改造传统产业的新技术研究。

(6)加强基础理论与矿物工程分选技术相结合的新型边缘学科研究，促进新一代矿物分选理论体系的形成，并派生出新兴的矿物分选和提纯技术体系1。