矿物加工技术现状及发展趋势

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矿物加工技术现状及发展趋势

摘要简要概述了矿物加工技术的起源、历史发展。对矿物加工技术的发展、现状、面临的新问题及未来发展趋势进行了讨论。由于矿物资源愈来愈复杂, 二次资源、工业废料、海洋资源的加工处理也将成为矿物加工的重要对象, 传统的矿物加工技术面临着严重挑战, 直接从各种资源中, 分离、提取、加工成矿物材料、化学品等直接可用的物料, 实现矿物加工过程高效益、低能耗、无污染, 将是矿物加工学科发展的必然趋势。

关键词矿物加工技术现状发展

CURRENT SITUATION AND TREND OF DEVELOPMENT ON MINERAL PROCESSION TECHNOLOGY

ABSTRACT A brief review of the origing and hightory of mineral processing technology is made in this paper. The recent development, present status, current problem-both scient fic and technologicals as well as the future trends are discussed.Mineral Processing ,which usuallg produces only concentrate may develop toward the mineral extractive metallurgy, mineral chemical engineering and mineral materials to achieve the purpose of high efficiency, low cost and no pollution of the processes.

KEYWORDS Mineral processing technology, Discipline, Development

1 什么是矿物加工、发展历史和它战略地位

1.1什么是矿物加工工程

矿物加工工程是根据自然界矿物物理，化学或物理化学的差异，利用物理、化学或生物化学的方法将矿物资源中有矿物（或有用成分）和脉石矿物（或有害成分）分离的综合加工过程

[1]

。

1.2矿物加工技术的发展史

矿物加工技术的发展与人类对自然界矿产资源日益扩大的质和量的需要密切相关。矿物加工技术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沙石中间回收金、银、锡等密度大的矿物，天工开物早有记载，这属于选矿的原始技术阶段。本世纪20 年代, 各种近代矿物加工技术已基本成型, 虽然, Richards R H 曾总结了当时美国90家选厂的工艺流程, 但还无系统的选矿理论和科学体系。随着选矿技术的大规模

工业应用, 对各种选矿工艺过程机制及基础理论的研究也随之展开。首先, 随着流体力学的发展, 重选的基础研究起步较早

[2]

。19 世纪下半

叶, 奥地利人Rittinger 提出了“等降现象”； Monroe 等人进一步提出“干

涉沉降”。本世纪40 年代, 苏联学者提出了跳汰是在上升水流中“ 按悬浮体的相对密度分层”的学说; 德国学者Mayer 从床层位能降的角度解释了分层过程。英国学者Bagnold 在50 年代观察到了剪切运动下层流斜面流中多层粒群的松散分层现象。这些学说成了重选的理论基础。在电磁选矿方面, 由于物理学的发展,人们早就认识到可用永久磁铁选别磁铁矿石。当电磁铁被用作磁选机的磁场并有了各种工业生产的电磁选矿机后, 电磁选矿理论也初步确立。

在浮选方面

[3～5]

,从本世纪30 年代开始,美国的Taggart 及苏联的

Plaksins 等先后提出了捕收剂的“化学反应假说”或“溶度积假说”,以解释重金属硫化矿的可浮性顺序。美国的Gaudin A M、苏联的Bogdanov及澳洲的Wark 等人较多的研究了矿物的润湿性与可浮性的关系, 浮选剂的吸附作用机理, 浮选的活化等。美国的Fuerstenau D W 等人系统地研究了矿物表面电性与可浮性的关系。到60 年代前后, 浮选的三大基本理论( 润湿理论、吸附理论及双电层理论)已初步形成。

重选以流体力学为学科基础, 根据不同矿物的密度差异在一定的介质中进行不同矿物的分选。

电磁选以电磁学为学科基础, 根据不同矿物磁性的差异分选不同矿物。

浮选以化学为学科基础, 根据不同矿物表面物理化学性质的差异, 实现不同矿物的分选。

这个时期的选矿主要是从天然矿石( 金属矿、非金属矿、煤炭等) 中, 分离、富集其中的有用矿物, 为冶金、化工、建材提供原料。国外所用“选矿”词汇多为 “OreDressing”或“Mineral Dressing”。

1.3矿物加工工程在国民经济发展中的战略地位

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%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技术的进步，另一方面污染了人类的生产环境。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，其中矿物加工技术的发展起着很关键的作用。

2 矿物加工技术的形成发展和现状

2.1矿物加工技术的形成发展

60 年代以来, 随着世界经济的快速发展, 一方面人类对矿物资源的需求不断增加, 另一方面, 矿物资源中, 富矿减少、贫细矿物资源增加, 而且矿山、冶炼厂排出的废水、固体废弃物等对环境的污染与治理问题也开始受到重视, 传统的选矿技术与理论已不能完全适应解决这些问题。

为了从贫细矿物资源中有效地分离、富集有用矿物, 充分合理地利用资源, 并能解决环境问题, 选矿科技工作者开始认识到, 不仅仅是传统的选矿技术不能有效的解决贫细矿物资源的分离问题, 而且资源的综合利用是更重要的问题。这就需要综合利用多学科的知识与新成就, 寻找新的学科起点, 开发新的科学技术, 以实现矿物资源的综合利用, 包括分离、富集贫细矿物资源的新技术、工艺和设备; 对矿物的提纯与精加工；环境的综合治理; 矿物新用途的开发等。即矿物资源的利用不单纯是通过“ 选矿”得到矿产品的问题, 而综合“加工”利用的问题。为此, 近几十年来, 选矿及相邻学科的科技工作者在选矿学科及交叉学科领域,进行了大量的基础理论与工艺技术的研究。而且, 由于相邻学科的发展, 如电化学、量子化学、表面及胶体化学、紊流力学、生物工程、冶金学、材料科学与工程及计算机科学与技术在选矿学科领域中的应用, 形成许多新的学科方向和各种加工利用矿物资源的新技术。“选矿”已不能涵盖多数新的加工利用矿物资源的科学领域,“矿物加工“ 呼之欲出。矿物加工技术无论从其学科基础, 技术领域及其研究对象方面远比传统选矿技术更广、更深。事实上, 国外从60 年代开始, 就逐步采用“Mineral Processing”代替“Ore Dressing”, 在我国,也经过近10 年的酝酿, 于90 年代国家就将“选矿技术”更名为“矿物加工技术”。

2.2矿物加工技术的现状

在近30 年矿物加工技术的形成与发展过程中, 世界矿物加工领域的科

技工作者进行了广泛、深入的研究, 有许多颇具影响的学科群体。如美国加州大学的材料和工程科学系、哥仑比亚大学的Henry Krumb 矿业学院、宾州大学的材料科学系, 尤他大学冶金工程系; 加拿大大不列颠哥仑比亚大学的矿物工程系、麦吉尔大学矿冶系; 澳大利亚CSIRO 矿物化学研究室、昆士兰大学矿物研究中心; 瑞典勒律欧工业大学选矿室;意大利CNR 选矿研究所; 德国克劳斯塔尔大学、弗来堡研究院、阿亨大学; 苏联米哈诺布尔矿冶研究院; 我国的中南工业大学、中国矿业大学、东北大学、北京科技大学、长沙矿冶研究院、北京矿冶研究总院、北京有色金属研究总院、广州有色金属研究院等。这些矿物加工学术与研究中心的研究涉及矿物加工学科的各个领域, 促成了矿物加工技术的形成与发展。

目前, 矿物加工的主要技术方向有:

(1) 浮选化学: ① 浮选电化学: 根据电化学原理,研究浮选过程的机制, 主要针对硫化矿, 电化学反应主导硫化矿与浮选剂作用机理, 通过电化学调控, 实现多金属硫化矿分离。② 浮选溶液化学: 根据溶液化学原理, 研究浮选行为, 主要针对非硫化矿。根据矿物/浮选剂溶液化学反应行为, 预测非硫化矿浮选分离条件与浮选机理。③ 浮选表面及胶体化学: 根据表面及胶体化学原理, 研究颗粒间相互作用, 讨论细粒矿物选择性凝聚、分散与浮选分离行为。讨论超细颗粒加工制备过程机制。如疏水凝聚、选择性絮凝、载体作用等。主要针对超细粒矿物、煤炭的加工利用与废水治理等。

(2) 复合物理场矿物加工：根据流变学、紊流力学、电磁学等研究重力场、电磁力场或复合物理场( 重力+ 磁力) 中, 颗粒运动行为, 确定细粒矿物的分级、分选条件。如磁流体水力旋流器分选, 振动脉动高梯度磁选, 流化床层干法选煤等。

(3) 高效低毒药剂分子设计: 根据量子化学、有机化学、表面化学研究

药剂的结构与性能关系, 针对特定的用途, 设计新型高效矿物加工用药剂。

(4) 矿物资源的生化提取: 用生物浸出、化学浸出、溶剂萃取、离子交换等处理复杂贫细矿物资源, 如低品位铜矿、铀矿、金矿的提取。由于细菌兼有氧化、吸附、降解等作用, 不仅强化浸出过程, 而且在环境与工艺控制上具有优势。生化提取的基础理论与技术的研究近几年已成为矿物加工学科的重要方向之一。

( 5) 直接还原与矿物原料造块: 主要从事矿物原料造块与精加工方面的科学研究。研究铁精矿煤基回转窑直接还原、粉体物料成型等过程的机理。

(6) 复杂贫细矿物资源综合利用: 研究选-冶联合、选矿-化工联合、多种选矿工艺( 重、磁、浮) 联合等处理一些大型复杂贫细多金属矿的工艺技术和基础理论, 研究资源综合利用效益。

(7) 矿物精加工与矿物材料: 通过提纯、超细粉碎、表面改性等方法, 不经冶炼, 将矿物直接加工成可用的材料。如性能优良的润滑剂, 超纯辉钼矿的加工,功能陶瓷所需超细锆英砂、高岭土的加工; 电子浆料所需超细金红石的加工; 民用、工业用型煤、水煤浆的加工等。

(8) 矿物加工过程计算机技术: 用计算机科学技术对矿物加工过程进行模拟、仿真及优化、预测、设计,建立矿物加工过程专家系统, 实现矿物加工过程的计算机管理与控制。

3 矿物加工技术面临的问题及发展趋势

“人口、发展与环境”是21 世纪国际社会共同关心的重要议题, 一方面人口增加、社会发展对资源的需求与日俱增, 而天然资源愈来愈复杂、贫细、短缺; 另一方面, 人类生活对环境问题愈来愈重视。虽然经过几十年的发展, 矿物加工学科已形成了较为完整的学科体系, 发展了许多新的矿物加工技术, 但随着未来人类可利用资源的变化及现有技术的局限性, 矿物加工科技的发展仍将面临许多挑战。人类社会生活的发展要求矿物加工科技发展的目标是实现矿物加工过程的“高效益、低能耗、无污染”。这就要求对矿物加工学科发展面临的问题及科技发展趋势进行深入探讨。

3.1矿物加工技术面临的挑战

矿物加工技术的发展首先面临的是资源变化的挑战, 矿物加工处理的资源从传统的天然矿石向如下几种资源变化。

(1) 复杂、贫细、大型多金属矿床: 这些矿床的特点是金属品种及伴生稀有、贵金属品种多, 品位低, 嵌布细, 难处理。如柿竹园多金属矿、大厂多金属矿、攀枝花铁矿、德兴铜矿、广西三水铝铁矿等。

(2) 各种非金属矿床: 包括以非金属矿物、煤炭为主的矿床及金属矿山中伴生的非金属矿。特别是后者, 在金属矿选矿过程中, 经过了碎磨过程, 消耗了大量原材料和能耗, 一般只回收了占总矿量约10%的有色金属矿或约30%的黑色金属矿, 大量的伴生非金属矿( 尾矿) 未能利用, 矿山综合利用率低。

(3) 二次资源: 矿山、冶炼厂、化工厂等排出的废水、废渣、废气中的稀有、稀散和贵金属, 废旧汽车、电缆、机器及废旧金属制品等二次资源。 (4) 海洋资源: 海洋锰结核是一种赋存于深海底的巨大矿产资源, 除含锰外, 铜、钴、镍等金属的储量十分丰富。在未来陆地资源贫化、枯竭时, 也

将成为人类的宝贵资源。

由于待处理的资源发生较大变化, 而且长期以来矿物加工学科研究的局限性, 现有的矿物加工技术发展将在如下技术问题上面临挑战:

(1) 复杂贫细矿物资源综合回收利用技术: 目前,大多数矿山的选矿能耗高, 产品单一, 矿产品含杂较高, 矿山综合利用率低, 亏损严重。急需开发各种贫细矿物资源的综合利用技术, 并进行基础研究。

(2) 二次资源再生利用技术: 由于一次资源逐步减少, 二次资源的再生利用技术的开发无疑成了矿物加工领域的重要课题。目前, 这方面的技术也不成熟,特别是从三废中回收有用物质及对环境的治理方面还无有效手段, 造成资源浪费与环境污染。

(3) 洁净煤技术: 煤炭是重要的能源, 在中国尤是如此。但燃煤给环境带来的污染已经成为全球严重关注的问题。煤炭的脱硫及深加工技术一直是而且仍将是矿物加工面临的重要问题。

(4) 矿物精加工技术: 传统的矿物加工以提供精矿及粗级矿产品为主, 产品的附加值低, 而且也不能满足现代科技发展对矿物材料性能要求愈高的需要。

(5) 节能、节水、降耗新工艺与新设备的研究: 能耗高、水耗高、原材料消耗高一直是困扰矿山生产的难题, 各种矿物加工技术的发展, 在提高矿山资源综合利用率的同时, 必须解决节能耗的问题。

3.2矿物加工技术的发展趋势

面对待处理资源的变化及技术上存在的问题, 矿物加工科技工作者及相

关学科的科技工作者, 在矿物加工领域及相关学科领域不断进行新的探索和研究,矿物加工工程技术与相邻学科的技术相互交叉、渗透、融合,如物理学、化学与化学工程学、生物工程学、数学、计算机科学、采矿工程学、矿物学、材料科学与工程已大大促进了矿物加工学科的发展, 一些新的矿物加工学科领域已初露端倪。矿物加工科技发展将围绕高效益、低能耗、无污染矿物加工新技术的开发来展开, 将逐步形成如下技术领域。

3.2.1 矿物富集、分离与综合利用以传统矿物加工工程技术为基础,

主要针对复杂贫细矿物资源的处理、矿冶三废治理及二次资源的再生利用, 开发新的技术、工艺及设备, 研究其过程基础理论, 属传统的矿物加工技术领域, 涵盖传统的浮选化学、浮选剂分子设计、复合物理场矿物加工、复杂贫细矿物资源综合利用等技术方向。在这些传统技术方向上, 已开发出的新技术成果的推广应用, 将促进传统矿物加工技术与经济效益的提高。如“电位调控浮选技术, 已开始在硫化矿浮选厂推广。“冷固球团直接还原技术”已开始工业化, 将解决冶炼优质钢原料短缺的难题。“煤炭干法选别”技术的推广应用, 为我国大部分缺水地区洗煤、选煤提供了全新的途径。

3.2.2 矿物提取以矿物加工学、冶金学、采矿工程学、生物工程学、电

化学等为学科基础, 形成新的技术领域，主要针对复杂贫细矿物资源、海洋资源的开发利用。矿物提取是不经选别过程直接从矿石中浸出、提取有用成分。如坑内就地浸出( in-site leaching) , 生物浸出( bio-leaching ) 、堆浸、矿浆电解( slurry elect rolyte)等。其中较成熟的技术有铜的浸出-萃取-电积技术,

采用硫酸溶液将矿石中铜元素溶解, 并可采用生物菌催化溶解, 含铜溶液经萃取后进行电积, 得到高品级铜, 取消了传统的选矿和火法熔炼两个高投资、高生产成本的生产环节

[6]

。

3.2.3 矿物材料以矿物加工工程学、材料科学与工程, 化学与化学工程

学为学科基础, 针对各种资源的处理, 研究不经冶炼, 直接从各种资源中加工制备各种材料的新技术与基础理论。如超细矿物粉体材料。超细矿物粉体材料在石油化工行业中, 用作填料、催化剂; 在电子工业中, 用作电子浆料、磁记录材料、光电波吸收材料; 此外, 在造纸、农业、航空航天、冶金、医药、食品等行业都有广泛应用

[7]

。

3.2.4 矿物化学品加工以矿物加工工程学、化学与工程为学科基础, 针

对复杂贫细矿物资源及海洋资品的新技术与基础理论。如煤炭的气化、液化; 从锰矿石中生产电子级碳酸锰料等。

[8]

, 从煤炭中生产活性炭、炭黑、腐植酸及腐植酸肥

3.2.5矿物加工计算机技术与矿物经济矿物加工过程的计算机管理

与控制仍是矿物加工工程重要的技术方向, 需要研究矿物加工全过程的计算机仿真、模拟与优化设计, 建立矿山、选厂的专家系统, 进行生产、经营管理。包括各个生产环节的优化、控制, 整体生产水平的控制, 矿山投资效益、规模效益、产品结构等的经济评估等。

3.2.5非矿物资源的富集与分离矿物加工技术是根据待处理物料的物

理、化学性质的不同, 采用不同的方法进行物料分离与富集, 其原理可推广应用于其他领域, 从而可大大拓宽矿物加工学科领域。如高梯度磁选用于医学上红细胞的分离, 生物学中离子的分离,核工业中核原料放射性固体的分离, 超导磁选机分离液态氧、氧等

[9]

。浮选法从纸浆废液中回收纤维素,从废纸上脱油墨、脱,医药微生物方面, 分选结核杆菌与大肠杆菌等。