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从“选矿”到“矿物加工”的演变历程
发表时间:2018-11-07 来源:中国矿业114网

1、学科概述

矿物加工学是在选矿学的基础上发展演变形成的学科体系。

选矿学是用物理、化学的方法,对天然矿物资源(通常包括金属矿物、非金属矿物、煤炭等)进行选别、分离、富集其中的有用矿物的科学技术,其目的是为冶金、化工等行业提供合格原料。

矿物加工学是在选矿学的基础上发展起来的,是用物理、化学、生物的方法,对天然矿物资源进行加工(包括分离、富集、提纯、提取、深加工等),以获取有用物质的科学技术。其目的已不单纯是为其他行业提供合格原料 , 也可利用其直接得到金属、矿物材料等。

2 选矿学科的形成

人类利用矿物资源已有数千年的历史。无论是公元前几千年的古埃及,还是中世纪的罗马帝国时代,或者是中国古代,由于科学技术水平整体落后,社会生产力低,人类利用的矿物资源主要是通过手工作业从天然矿石中得到的,如淘金、人工溜槽、手动跳汰筛、洗矿槽等原始重选方法及鹅毛蘸油刮取浮在水面上的金粉等原始浮选方法。我国古代将原始的重选、浮选总结为“澄、淘、飞、跌”。我国明代宋应星所著《天工开物》(1637 年 ) 一书中,对铁砂和锡砂的开采选别已有描述。这些手工作业虽然有近代“表层浮选” 、 “重选”的影子 , 但还算不上是一门工业技术 , 这种现象一直延伸到19世纪中期 。

在19 世纪末至20世纪20年代,世界工业生产快速发展,对矿物原料的需求增大,促使技术发展,特别是20世纪20 年代初,浮选药剂在浮选中的工业应用, 使选矿技术(包括破碎、筛分、磨矿、重选、电选、磁选、浮选等)能处理大部分天然矿物原料。从那时起,选矿技术已成为一门人类从天然矿石中选别、富集有用矿物原料的成熟的工业技术 , 并得到广泛的应用。

2.1选矿学科理论基础重选的理论基础:

随着流体力学的发展,重力选矿的基础研究起步较早。19 世纪下半叶,奥地利人Rittinger提出了“等降现象”,Monroe 等进一步提出“干涉沉降”,20世纪40年代,原苏联学者施马茨柯夫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 Bagnoid 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。

这些学说构成了重选的理论基础

电磁理论基础

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,电磁选矿理论也已初步确立。

浮选理论基础

在浮选方面,从20世纪30年代开始,美国的Taggart 及原苏联的 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 、原苏联的 Bogdmov 及澳大利亚的 Wark 等较多地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 D.W.Fuerstenau等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。重要的著作有 :

美国 Taggart 的Handbook of Ore Dressing(1927年第1版,1944年第2版);Gaudin的Flotation(1932年第1版,1957年第2版);澳大利亚的Sutherland和Wark的Principles of Flotation (1955年第1版);原苏联Bogdmov的Theory and Technology of Flotation(1959).

2.2学科体系

(1) 碎磨。以岩石力学为学科基础,通过机械力作用使矿石块度减小至适于工艺选别的粒度范围,并使有用矿物与脉石之间彼此解离。

(2) 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。

(3) 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。

(4) 浮选。以表面化学为学科基础,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 “ore dremng”或“mineral dressing”。

2.3选矿学面临的问题

20世纪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日益受到重视, 传统的选矿技术与理论已不能完全适应并解决这些问题。

3 矿物加工学科的形成

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。矿物资源的利用已不单纯是通过“选矿”得到矿产品的问题,而是综合“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。同时,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。

随着利用矿物资源的新技术的发展,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。矿物加工学科无论学科基础、学科领域及其研究对象等方面都远比传统选矿学科更广、更深。

事实上,国外从20世纪60年代开始,就逐步采用“mineral processing” 代替 “ore dressing” 。

在我国,经过近10年酝酿,已于20世纪90代在国家教委招生目录上将“选矿“更名为“矿物加工” 。学者出版了大量的著作。

这一时期 , 中国国内一些重要的著作有 : 胡为柏的《浮选》 (1986); 王淀佐、胡岳华的《浮选溶液化学》 (1988); 卢寿慈的《矿物颗粒分选工程》 (1990); 胡熙庚等的 《浮选理论与工艺》 (1991); 朱玉霜、朱建光的《浮选药剂的化学原理》 (1991); 冯其 明、陈王军的《硫化矿物浮选电化学》 (1992); 姚书典的《重选原理》 (1992); 刘树贻的 《磁电选矿学》 (1994); 许时的《矿石可选性研究》 (1995); 王淀佐、林强、蒋玉仁的 《选矿冶金药剂分子设计》 (1996); 傅菊英、姜涛、朱德庆的《烧结球团学》 (1996); 邱 冠周、姜涛等的《冷固结球团直接还原》 (2001); 邱冠周、袁明亮等的《矿物加工材料 学》 (2003); 王淀佐等的《矿物加工学》 (2003)等 。

3.1 矿物加工的任务与工艺

随着学科发展,矿物加工学科已经发生并还在发生巨大的调整及变化。一些适合于处理贫矿、复杂矿的技术和直接提取有用成分的技术正在发展应用。

矿物加工的对象已从天然矿产资源扩展到二次资源的回收及利用。各种固体废弃物,例如尾矿、炉渣、粉煤灰、金属废料、电器废料、塑料垃圾、生活垃圾乃至土壤都成了加工对象,经过加工又转化为有用的资源。

由于现代科技的发展及人类社会的进步,需要开发超纯、超细及具有特殊功能的矿物原料及矿物材料。 化学提取以及生物工程与机械加工的结合在金属矿及非金属矿的加工中早已屡见不鲜。非金属矿的深加工进一步扩展并丰富了这种结合,例如高岭土的超声剥片,石墨及各种层状矿物的有机及无机嵌层等。

矿物加工的任务也发生了变化。矿物加工已不仅是为各种工业提供合格的矿物原料,例如精矿粉或中间产品,而是扩展成了可以生产超纯、超细及具有特殊功能的矿物材料以及矿物制品的工业。矿物材料工程主要是以非金属矿石或矿物为原料(或基料), 通过一定的深加工工艺制取具有确定物化性能的无机非金属材料及器件的技术。矿物材料有着巨大的应用前景 , 例如 , 沸石太阳能板 , 蒙脱石干燥剂 , 叶腊石高温绝缘体及导弹密封材料 , 钠云母密封材料 , 羟基磷灰石骨骼材料 , 硅藻土牙模材料 , 火山岩防火材料等。

现代矿物加工工程所包括的单元作业,它们大体包括:粉碎、分级、超细颗粒制备、物理分选 (重选、磁电选、光电选、 放射选等)、浮选及其他界面分选、化学处理及生物提取、固液分离 (沉降、过滤、干燥)、成型及造粒、气固分离一收尘、物料贮运等等

3.2 矿物加工学科方向

(1) 浮选化学。包括浮选电化学、浮选溶液化学和浮选表面及胶体化学。

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,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 , 煤脱硫等。由于细菌兼有氧化、吸附、降解等作用 , 因此生化提取不仅强化浸出过程 , 而且在环境与工艺控制上具有独特的优势。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 , 研究铁精矿煤基因回转窑直接还原、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、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 , 煤炭地下气化等。

(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。

3.3矿物加工学科的挑战

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已面临许多挑战。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”。

矿物加工学科的进一步发展,面临着来自资源变化与所需技术难度方面的挑战。

(1) 复杂贫细矿物资源的综合回收。

人类对矿物资源的消耗逐年增加 , 而易选矿物资源的不断开采利用,越来越多的是复杂、贫细、大型多金属矿床需要被开采利用 , 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、难处理。 现有矿物加工技术在处理这些矿物资源时 , 面临能耗高、综合利用率低、环境污染等问题。

(2) 废石及尾矿的加工利用。

在金属矿选矿过程中,经过碎磨过程消耗了大量原材料和能耗 , 一般只回收了占总矿石质量约10%的有色金属矿物或约30%的黑色金属矿物,大量的伴生非金属矿(尾矿) 未能利用。综合加工利用矿山在开采过程中剥离的废石、表外矿及尾矿中的有价金属等 , 需要新的加工利用技术。

(3) 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提高的需要。对金属矿物, 特别是非金属矿物进行高纯化、超细化、表面改性等精加工 , 生产适合电子、宇航、兵器、高技术陶瓷、冶金、化工等不同行业所需的矿物材料,已成为现代矿 物加工技术的重点发展趋势之一。

(4) 洁净煤技术。

煤炭是重要的能源 , 在中国尤其如此。但燃煤给环境带来的污染已经成为全球密切关注的问题煤炭的洗选脱矸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。

(5) 二次资源开发。

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。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 , 这方面的技术还不成熟 , 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。

(6) 海洋资源开发。

海洋锰结核、钴结壳是一种赋存于深海底的巨大矿产资源 , 除含锰外 , 铜、钴、镍等金属的储量也十分丰富,在未来陆地资源贫化、枯竭时 , 这些将成为人类的宝贵资源。

(7) 非矿物资源。

城市垃圾、废纸、废塑料、油污土壤、石油开采产生的油污水、内陆湖泊中的金属盐、重金属污泥,甚至红细胞与白细胞的分离等,都需要新的加工利用技术。

3.4矿物加工学科的发展方向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。矿物加工工程学与相邻学科的相互交叉、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拓展 , 形成各种高效益、低能耗、无污染的资源加工新技术及新的研究领域。

3.4.1研究对象的变化

(1) 矿物资源:包括金属矿物、非金属矿物、煤炭等。

(2) 非传统矿物资源。

①海洋矿产:锰结核、钴结壳、海水中金属、海底热液硫化矿床。

②盐湖与湖泊中的金属盐、重金属污泥。

(3) 二次资源。

①工业固体废弃物:冶炼化工废渣、尾矿、废石。

②废旧电器。电视机、冰箱、音响等。

③废旧金属制品。电缆、电线、易拉罐、电池、废旧汽车等。

④城市垃圾、废纸、废塑料、油污水、油污土壤等。

3.4.2学科领域的发展

由单一矿物加工领域发展为包括

矿物加工(mineral processing)

矿物材料加工(mineral material processing)

二次资源加工(secondary materialprocessing) 、

金属 提取加工(metal metallurgical processing),

可简称为 4-MP的学科领域。

3.4.3学科方向的发展

(1) 工艺矿物学。与矿物学、岩石学的交叉 , 研究资源物料组成的分析、鉴别、表征 , 物料的基本物理、化学特性 , 为 " 加工 " 提供基本信息。

(2) 粉体工程。以岩石力学、断裂力学、晶体化学为基础 , 对所处理资源进行选择性碎解、解离或进行超细加工。

(3) 重力场、流体力场中的分离。以流体力学、流体动力学为基础 , 根据所处理的物料的密度、粒度及形状差异 , 分离、富集不同物料。如黑钨矿与石英的分离、 聚氯乙烯和聚乙烯的分离、城市垃圾中重质物料与轻质物料的分离、铜线与橡胶的分离等。

(4) 电磁场中的分离。以电磁学、静电学为基础的磁力分选和静电分选 , 根据所处理物料的磁性或导电性的差异 , 分离不同物料。如磁性矿物与非磁性矿物的分离、导电矿物与非导电矿物的分离、磁性炭粉与废纸的分离、红细胞与白细胞的分离、带电塑料与不带电塑料的分离、铜线与铝线的分离等。

(5) 浮选。

矿物加工中最重要的技术,可加工处理各种矿物资源、二次资源及非矿物资源 , 涉及无机化学、有机化学、表面化学、电化学、物理化学等几乎整个化学学科领域 , 形成了浮选电化学、浮选溶液化学、浮选剂分子设计、浮选表面化学等 交叉研究领域。如硫化矿及非硫化矿的浮选、废纸及废塑料的浮选、废水中的离子浮选、油污水及油污土壤处理等。

(6) 生物提取。主要处理各种低品 位矿物资源之难选难冶矿物资源、海洋矿物资源及非传统矿物资源 , 直接从这些资源中提取有价金属。如铜、金矿的生 物堆浸、地下溶浸 , 重金属污泥、海洋锰结核的处理等), 涉及生物工程、 冶金反应工程、矿物工程及采矿工程等多个交叉学科。

(7) 化学分离。包括溶剂萃取、离子交换、膜分离、化学浸出等 , 处理复杂矿和表外贫矿生物堆浸场 物资源、海洋矿物资源、工业废水等 , 涉及化学与化学工程、冶金反应工程等领域。

(8) 化学合成 , 包括矿物材料、矿物复合材料、矿物一聚合物复合材料等的化学合成 , 涉及化学与化学工程、材料科学与工程领域。

(9) 表面改性。通过表面化学反应、选择性溶解、溶蚀、刻蚀、涂层等对矿物表面进行化学处理 , 制备功能矿物材料等 , 涉及化学工程与材料科学与工程领域。

(10) 聚集与分散。细颗粒的聚集与分散 , 矿物胶体体系的稳定与分散 , 溶剂萃取 , 球团、型煤、水煤浆制备等 , 涉及表面化学、颗粒学等领域。

(11)矿物加工过程计算机技术。研究资源、加工过程的数学模型、专家系统、人工智能、神经网络、仿真、优化与自动控制 , 涉及计算机科学与技术、自动控制等领域。


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