X射線輻射分選原理及應(yīng)用

印萬(wàn)忠，吳 堯，韓躍新，劉明寶，牟紅歌，孫中強(qiáng)

(1.東北大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110004；2.沈陽(yáng)東北大學(xué)冶金技術(shù)研究所有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

1 礦石揀選技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

揀選是一種原始的選礦方法，從幾千年前就已經(jīng)開始在選冶領(lǐng)域得到應(yīng)用。最初的揀選方式，主要是通過(guò)人工對(duì)單個(gè)礦塊進(jìn)行鑒別以拋棄沒有進(jìn)一步處理價(jià)值的礦塊。其適合的處理粒度，一般為-150+20mm。上世紀(jì)以前，在國(guó)內(nèi)外的一些礦山，為了揀出大塊的精礦或去除大塊廢石，都曾應(yīng)用過(guò)手選這種最原始的分選方法。但是，隨著社會(huì)發(fā)展，采出礦石的品位逐漸降低，用人工方法已經(jīng)很難分辨出低品位礦石和脈石的區(qū)別，因此，揀選的劣勢(shì)也逐漸的顯露出來(lái)，手選的重要性不斷下降。在現(xiàn)階段，人工揀選法只在礦石與廢石的表面顏色有顯著差別的個(gè)別礦山中才有實(shí)際應(yīng)用的可能。目前，選礦工作者經(jīng)過(guò)了多年的研究，不斷將最新的科學(xué)技術(shù)與選礦工藝相結(jié)合，發(fā)明了一系列應(yīng)用于揀選工藝的新設(shè)備來(lái)代替人工手選。例如，人們通過(guò)利用X射線照射金剛石礦石，用其所發(fā)射的強(qiáng)熒光進(jìn)行金剛石礦的勘探和分選；利用鈾礦石本身的γ放射性，將其與廢礦分離開等[1]。

隨著自動(dòng)揀選新理論和新設(shè)備的出現(xiàn)，揀選法逐漸應(yīng)用在有色金屬、黑色金屬、稀有金屬、放射性金屬、貴金屬和放射性元素的礦石，以及非金屬礦石和建筑材料的預(yù)先分選工作中。上世紀(jì)末葉，歐洲一些國(guó)家在理論方面取得了一系列的突破，新的揀選設(shè)備也層出不窮，僅英國(guó)的崗森·索特克斯公司(Gunson Sortex)、芬蘭的奧托昆普公司(Outo-kumpu)和RTZ Ore Sorters公司等，就研制生產(chǎn)了十余種型號(hào)工業(yè)型光電分選機(jī)、放射性分選機(jī)等，其中僅RTZ公司研制的M17型放射性分選機(jī)就有數(shù)十臺(tái)在世界各地的鈾礦山使用。我國(guó)也發(fā)表了一些專著，如金剛石選礦、特殊選礦、鈾礦石放射性分選等。并研制出一些分選機(jī)，如江西冶金學(xué)院研制的CGX-1型光電分選機(jī)、江西有色冶金研究所研制的GS-2型、GS-3型光電分選機(jī)、GFJ-3型無(wú)線電波分選機(jī)、武漢建材學(xué)院研制的GXJ-2型X射線分選機(jī)和核工業(yè)總公司研制的201型放射性分選機(jī)等[2]。

原蘇聯(lián)及俄羅斯在礦石揀選的理論研究工作開始的較早，如在1979年就出版了輻射選礦方面的專著。書中介紹了應(yīng)用電磁波譜范圍內(nèi)的各種電磁波的分選法，從波長(zhǎng)10-10m的γ射線到波長(zhǎng)為104m的無(wú)線電波以及不同電磁波的產(chǎn)生根源。如γ射線是元素的原子核受激發(fā)后產(chǎn)生的；X射線是由原子內(nèi)層電子受激發(fā)后產(chǎn)生的；可見光、紅外線、紫外線是原子的外層電子受激發(fā)后產(chǎn)生的；無(wú)線電波是由振蕩電路中自由電子的周期運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。但是，它們都服從電磁波的共同規(guī)律。選礦工作者就是利用礦塊中有用元素受不同射線照射后所產(chǎn)生的反應(yīng)與廢石產(chǎn)生的反應(yīng)不同，而研究出不同的分選方法，如γ吸收法、γ熒光法、X射線熒光法等。

上述的幾種電磁波選礦方法，均屬電磁信號(hào)揀選范疇，其原理主要是根據(jù)不同條件下巖石性質(zhì)的差異來(lái)對(duì)礦物進(jìn)行分選的。包括在可見光下的反射比和顏色的不同，如菱鎂礦、石灰?guī)r、普通金屬和金礦、磷酸鹽、滑石、煤礦；在紫外光下的性質(zhì)差別，如白鎢礦；在自然伽瑪輻射下的性質(zhì)差別，如鈾礦；磁性差異，如鐵礦；導(dǎo)電性的不同，如硫化礦；X射線冷光下的性質(zhì)差異，如金剛石；在紅外線、拉曼效應(yīng)、微波衰減以及其他條件檢測(cè)下性質(zhì)的不同等。

近年來(lái)，世界各國(guó)在礦石和廢料的分選工作方面都取得很大成績(jī)，研制和生產(chǎn)出了很多型號(hào)的電磁信號(hào)分選機(jī)，其中最具代表性的就是X-射線輻射分選機(jī)。X-射線輻射分選工藝以其技術(shù)的先進(jìn)性和分選的高精度，已受到選礦工作者的高度重視。

2 X-射線輻射分選技術(shù)原理

X射線輻射分選是指利用礦石受到X射線照射后所激發(fā)的二次X射線(也稱特征X射線)來(lái)分選礦石的分選方法。根據(jù)分選原理可知，X射線輻射分選法具有高效、清潔、環(huán)保的特點(diǎn)。俄羅斯在1994年成立了相關(guān)的公司，對(duì)X射線輻射分選技術(shù)的原理和應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究，在國(guó)際上具有領(lǐng)先地位。

X射線是波長(zhǎng)為0.05～10nm的電磁波， 是由于原子內(nèi)層電子受激發(fā)后產(chǎn)生的無(wú)線電波。波長(zhǎng)比可見光短的多，范圍在0.005～10nm之間，和物質(zhì)的基本單元原子的直徑處在相當(dāng)?shù)臄?shù)量級(jí)，作為電磁波的一部分它也具有波粒二象性?？醋髁Ｗ訒r(shí)的能量和看作電磁波時(shí)的波長(zhǎng)有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，其能量E與波長(zhǎng)(之間的關(guān)系為：

E=hc/λ

式中，h為普朗克常數(shù)；c為光速。

就其本質(zhì)而言，X射線與可見光、紅外線、紫外線、γ射線以及宇宙射線是相同的，均屬電磁輻射。X射線具有諸多良好的物理性質(zhì)：良好的感光作用、良好的電離作用(能電離氣體)、熒光作用(照射在多種礦物表面會(huì)產(chǎn)生接近可見的熒光)、衍射現(xiàn)象(通過(guò)礦物晶體時(shí)發(fā)生衍射。利用分光晶體作為單色器對(duì)X射線進(jìn)行衍射分光，可以將不同波長(zhǎng)的譜線分開)等。此外，X射線通過(guò)不同介質(zhì)時(shí)幾乎不折射，穿透能力很強(qiáng)，不受電磁場(chǎng)的影響，在電磁場(chǎng)中也不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

X射線可通過(guò)用高速電子流轟擊金屬靶的方式獲得，從X射線管中發(fā)射出來(lái)的X射線，可以分為兩種類型。一種是具有連續(xù)波長(zhǎng)的X射線，構(gòu)成連續(xù)X射線譜，它與可見光的白光相似，故也稱為多色X射線；另一種是在連續(xù)圖譜的基礎(chǔ)上疊加若干具有一定波長(zhǎng)的譜線，構(gòu)成特征X射線圖譜，它與可見光中的單色光相似，所以也稱為單色X射線。

用加速后的電子撞擊金屬靶能產(chǎn)生X射線，在撞擊過(guò)程中，由于電子突然減速，其損失的動(dòng)能會(huì)以光子形式放出，形成X光光譜的連續(xù)部分，稱之為制動(dòng)輻射。通過(guò)加大加速電壓，電子攜帶的能量增大，則有可能將金屬原子的內(nèi)層電子撞出。于是內(nèi)層形成空穴，外層電子躍遷回內(nèi)層填補(bǔ)空穴，同時(shí)放出波長(zhǎng)在0.1nm左右的光子。由于外層電子躍遷時(shí)放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波長(zhǎng)也集中在某些部分，形成了X光譜中的特征線，稱為特性輻射。在這個(gè)過(guò)程中，當(dāng)某個(gè)具有足夠能量的電子將陽(yáng)極靶原子的內(nèi)層電子擊出時(shí)，會(huì)在低能級(jí)上出現(xiàn)空位，原子的系統(tǒng)能量因此而升高并處于激發(fā)狀態(tài)。但由于這種激發(fā)狀態(tài)是不穩(wěn)定的，隨后便有較高能級(jí)上的電子向低能級(jí)上的空位躍遷，使原子的系統(tǒng)能量重新降低而趨于穩(wěn)定。在原子系統(tǒng)中，電子從高能級(jí)向低能級(jí)的這種躍遷，將以光子的形式輻射出標(biāo)識(shí)X射線。其輻射頻率由下式?jīng)Q定：

hvn2-n1=En2-En1=Wn1-Wn2

式中：En1、En2分別為低能級(jí)和高能級(jí)中電子的能量；Wn1、Wn2分別為激發(fā)低能級(jí)和高能級(jí)中的電子所做的功。

標(biāo)識(shí)X射線圖譜的激發(fā)和輻射過(guò)程，可以用圖1所示的原子能級(jí)圖來(lái)描述。

對(duì)于每一種化學(xué)元素的原子來(lái)說(shuō)，都有其特定的能級(jí)結(jié)構(gòu)，其核外電子都以各自特有的能量在各自的固定軌道上運(yùn)行，內(nèi)層電子獲得足夠能量之后脫離原子的束縛，成為自由電子，并在內(nèi)層電子軌道上形成空位，此時(shí)原子就被激發(fā)了，處于激發(fā)態(tài)。這時(shí)其他的外層電子便會(huì)補(bǔ)充這一空位，也就是所謂躍遷，同時(shí)以發(fā)出X射線的形式放出能量。

圖1 原子能級(jí)圖

由于每一種元素的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)都是特定的，它被激發(fā)后躍遷時(shí)放出的X射線的能量也是特定的，故稱之為特征X射線。通過(guò)測(cè)定特征X射線的能量，便可以確定相應(yīng)元素的存在，而特征X射線的強(qiáng)弱(或者說(shuō)X射線光子的多少)則代表該元素的含量。這正是X射線輻射分選的理論基礎(chǔ)。

3 X射線輻射分選技術(shù)的應(yīng)用

3.1 X射線輻射分選技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

X射線分選機(jī)是基于以上原理由俄羅斯國(guó)家有色金屬研究院研制的新型選礦設(shè)備?？蓮V泛應(yīng)用于多種金屬和非金屬礦的預(yù)選中，特別對(duì)一些處理量較小的稀有礦石有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。X射線選礦分選機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PPC)能分選各種類型的塊狀礦石和原料，能夠?qū)U石、夾石與礦石分離，或低品位礦石與高品位礦石分離。分選粒度范圍為5～300mm，每小時(shí)可分選礦石達(dá)到50t，為干法分選，適合各種類型成因礦床。目前，俄羅斯方面已經(jīng)對(duì)150多個(gè)礦床的礦石進(jìn)行了分選實(shí)驗(yàn)，其中包括金、銀、鐵、鎳、銅、鋅、鎢、鉬、重晶石、螢石、硅灰石、霞石、金剛石、石灰?guī)r、煤等多種礦物。X射線輻射分選機(jī)的型號(hào)及性能參數(shù)見表1[3]。

表1 X射線分選機(jī)特性

3.2 X射線輻射分選機(jī)結(jié)構(gòu)

X射線輻射分選機(jī)(PPC)的機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

其中各部件的具體作用，如表2所述。

3.3 X射線輻射分選機(jī)的工作原理

PPC的基本工作原理為:礦石給入接收料槽，借助振動(dòng)輸送裝置進(jìn)入到振動(dòng)溜槽，在振動(dòng)力的作用下，礦石沿著溜槽分散形成礦石流。礦石流在溜槽中形成單塊流，以保證礦石逐個(gè)從槽邊緣下落到X射線組件測(cè)量區(qū)。在測(cè)量區(qū)每塊礦石都要受到X射線的第一次輻射(X-1)，受X射線第一次輻射激發(fā)后，礦石表面會(huì)產(chǎn)生第二次輻射射線的激發(fā)(X-2)，然后在檢測(cè)組件上記錄射線(X-2)形成光譜，該光譜由元素X射線輻射曲線和第一次輻射的散射曲線組成。分選機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)對(duì)光譜進(jìn)行分析，按照設(shè)定的參數(shù)得出分析結(jié)果，確定每塊礦石中是否存在測(cè)定元素的分析值。當(dāng)超過(guò)這個(gè)參數(shù)值時(shí)，操控系統(tǒng)形成控制信號(hào)啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動(dòng)時(shí)，依靠擋板的擊打作用，使分選礦石偏離軌道，落入接收槽，最后進(jìn)入礦石輸送帶(精礦)；小于這個(gè)參數(shù)值的貧礦石，自然下落到另一個(gè)接收槽，進(jìn)入另一條輸送帶(尾礦)。同時(shí)在工作時(shí)，電腦控制中心可以調(diào)節(jié)給礦速度，可調(diào)節(jié)設(shè)定所需礦石品位，并可通過(guò)監(jiān)測(cè)各種數(shù)據(jù)，對(duì)礦石槽進(jìn)行攝像檢測(cè)[4]。圖3為PPC的工作原理圖。

表2 X射線輻射分選機(jī)各部位用途和組成

圖2 X射線分選機(jī)(PPC)

圖3 PPC的工作原理圖

3.4 分選機(jī)的測(cè)量控制系統(tǒng)

分選機(jī)的測(cè)量操控系統(tǒng)是整個(gè)分選機(jī)的核心部件，其主要用于完成以下任務(wù)：

1) 用X射線分選方法自動(dòng)確定礦石的質(zhì)量，計(jì)算分析參數(shù)，確定分析元素的含量(根據(jù)這種元素的X射線曲線特征)。

2) 將測(cè)定的數(shù)值與設(shè)定的臨界值分析比較，形成操控信號(hào)，啟動(dòng)執(zhí)行裝置，從礦石流中選出符合分選條件的礦石。

3) 為使分選機(jī)可以對(duì)不同種類的礦石和工藝原料進(jìn)行分選，可對(duì)分選機(jī)進(jìn)行分析校準(zhǔn)。

4)調(diào)節(jié)分選及動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)行，振動(dòng)篩、給礦器和執(zhí)行裝置。

5)在操控室的控制臺(tái)上顯示分選的過(guò)程和結(jié)果，所有系統(tǒng)的操控都是由中央控制室的操控計(jì)算機(jī)來(lái)完成的。

3.5 X射線輻射分選機(jī)的應(yīng)用實(shí)例

目前，該機(jī)器已經(jīng)在俄羅斯許多礦山得以應(yīng)用和推廣，效果顯著。表3中列舉了俄羅斯部分采用PPC礦山的生產(chǎn)指標(biāo)，對(duì)含金、銅、鋅、鉛、鉬、錫、鎢的礦石進(jìn)行了全方位考察。

從大量的生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)可以看出，這些礦山的礦石經(jīng)X射線輻射分選后，可以拋去60%～70%的尾礦，同時(shí)極大地提高入選礦石的品位。表2中金礦的入選品位提高了近一倍；而當(dāng)PPC應(yīng)用于鉛鋅礦、銅鋅礦的分選時(shí)，也能將入選品位提高一倍以上。這樣就可以大大減少選廠的破碎、磨礦及后續(xù)處理的費(fèi)用。由表2數(shù)據(jù)還可以看出，PPC對(duì)礦石的處理能力并未因給礦粒度的改變產(chǎn)生偏差，該選礦設(shè)備工作穩(wěn)定，應(yīng)用廣泛。

表3 X射線分選機(jī)分選不同礦石的實(shí)例

由現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，PPC帶來(lái)巨大效益體現(xiàn)在：按冶金或入選要求獲得所需的原料，降低運(yùn)輸或浮選成本，提高了選礦能力；減少了勞動(dòng)力的需求，并彌補(bǔ)人工選礦的不足；延長(zhǎng)了礦山的相對(duì)壽命，提高礦山開采率，在資源有限的情況下獲得最大的資源量；提高企業(yè)整體的技術(shù)水平，降低企業(yè)的生態(tài)負(fù)擔(dān)；提高入選品位，增大浮選、重選、磁選回收率，且此設(shè)備簡(jiǎn)單易于安裝操作，價(jià)格適宜，回收周期較短。

4 結(jié)論

1)X射線輻射分選的理論基礎(chǔ)：每一種元素的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)都是特定的，它被激發(fā)后躍遷時(shí)放出的X射線的能量也是特定的，故稱之為特征X射線。通過(guò)測(cè)定特征X射線的能量，便可以確定相應(yīng)元素的存在，而特征X射線的強(qiáng)弱(或者說(shuō)X射線光子的多少)則代表該元素的含量。由不同元素具有不同的特征X射線可知，X射線輻射分選機(jī)可廣泛應(yīng)用于金屬、非金屬礦和其他稀有礦石的預(yù)選中。

2) 由于輻射選礦可以在礦石粒度很大時(shí)就丟棄部分脈石，使采出礦石的品位提高，進(jìn)入下一工序的礦量減少?gòu)亩档统杀?。?duì)新建礦山，由于破碎磨礦的礦石量減小，可以減少選礦廠的基建投資；對(duì)已建選廠，則可擴(kuò)大其現(xiàn)有生產(chǎn)能力。

3)分選的礦石品位波動(dòng)減少，有利于下游工序的控制。且分選廢棄的大塊脈石易于處理，可減輕選礦過(guò)程對(duì)環(huán)境的污染。

4)輻射選礦可以降低對(duì)采出礦石品位的要求，使得部分表外礦可以入選，這樣就擴(kuò)大了礦石資源，延長(zhǎng)了礦山壽命。同時(shí)，還可以利用過(guò)去礦山開采中所浪費(fèi)(堆存)的低品位礦產(chǎn)資源。

5)隨著高品位礦石的日漸減少，如何經(jīng)濟(jì)地開發(fā)利用低品位、小型的、邊遠(yuǎn)地區(qū)的礦產(chǎn)資源，已經(jīng)提到了日程上來(lái)。礦石的X射線輻射分選技術(shù)的合理利用，可以減輕破碎磨礦等后續(xù)作業(yè)的負(fù)擔(dān)，對(duì)提高礦山的經(jīng)濟(jì)效益和服務(wù)年限具有現(xiàn)實(shí)意義。

[1] Barry A.wills, Tim Nipier-Muan. Mineral Processing Techonlogy[M]. Elsevier Science&technology Books，October 2006.373-377.

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