X射線(xiàn)透射技術(shù)分選鈾礦石試驗(yàn)研究

劉志超 李春風(fēng) 張 新 馬 嘉 田宇暉 李 廣 強(qiáng)錄徳 武翠蓮

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院,北京 101149;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819)

從我國(guó)現(xiàn)已探明的硬巖型鈾礦資源來(lái)看,鈾礦床以中小型居多,礦體多而散,形態(tài)復(fù)雜,連續(xù)性差,因而開(kāi)采貧化率較高;中低品位礦石多,礦化不均勻,品位變化系數(shù)大,可達(dá)100%～180%,品位之間呈跳躍式的分布,廢石量大。我國(guó)鈾礦歷經(jīng)60余年開(kāi)采,天然鈾礦資源質(zhì)量不斷下降,探明的鈾礦資源品位低并且難處理,開(kāi)發(fā)難度大,生產(chǎn)成本高,是制約未來(lái)鈾經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)利用的重要瓶頸[1-2]。

我國(guó)硬巖型鈾礦山企業(yè)由于自身資源特點(diǎn)和開(kāi)采、水冶特性的限制,決定了生產(chǎn)成本較高。尤其是近年來(lái)國(guó)際鈾價(jià)持續(xù)低迷,給我國(guó)硬巖鈾礦山企業(yè)的生存帶來(lái)很大壓力。在鈾礦石浸出之前,利用選礦技術(shù)手段對(duì)礦石進(jìn)行預(yù)選,拋棄部分不含鈾或含微量鈾的廢石,提高鈾礦石中鈾品位,減少后續(xù)水冶的礦石處理量,可以有效降低生產(chǎn)成本[3-5]。

在眾多選礦方法中,礦石揀選技術(shù)對(duì)于鈾礦石來(lái)說(shuō)具有較好的應(yīng)用前景。揀選技術(shù)是利用各種物料(礦石)表面光學(xué)、磁性、電性、放射性、射線(xiàn)吸收特性等的差異,使被分選物料呈單層(行)排列,逐一接受檢測(cè)器件的檢測(cè),檢測(cè)信號(hào)經(jīng)電子技術(shù)放大處理,然后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),使目的顆?；蚍悄康念w粒從主流中偏離出來(lái),從而實(shí)現(xiàn)物料分選的一種方法[6-7]。

利用鈾礦石自身具有放射性的特點(diǎn),鈾礦石的放射性分選得到較深入的研究,放射性分選機(jī)在鈾礦山得到實(shí)際應(yīng)用。但是放射性分選主要存在以下問(wèn)題:一是礦石表面黏附的細(xì)泥會(huì)影響測(cè)量結(jié)果,在入選前需要洗礦;二是在分選時(shí)鈾礦石需要排隊(duì)依次入選,導(dǎo)致分選機(jī)處理能力低;三是礦石質(zhì)量是利用攝像機(jī)、激光光電探測(cè)器等測(cè)量礦塊體積從而估算每一礦塊質(zhì)量,由于礦石間存在密度差異,會(huì)使計(jì)算的礦塊質(zhì)量存在較大誤差,此外相鄰礦塊之間γ射線(xiàn)會(huì)相互影響,降低分選準(zhǔn)確率。

X射線(xiàn)透射技術(shù)是利用X射線(xiàn)照射不同物料后X射線(xiàn)的穿透能力差異來(lái)分選物料的。X射線(xiàn)透射技術(shù)因?qū)ΦV石具有穿透性檢測(cè)能力,不受含水率、灰塵、形狀、表面污漬等因素制約,能夠提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性;在分選時(shí)礦石可以在皮帶上以面平鋪的形式進(jìn)行檢測(cè),不需要單行排隊(duì),可以大大提高設(shè)備的處理能力;而且X射線(xiàn)透射法探測(cè)不需要清洗礦石,工藝流程短[8-9]。

目前,X射線(xiàn)透射分選機(jī)已成功應(yīng)用于煤礦、重金屬及貴金屬等領(lǐng)域,但在鈾礦石分選中應(yīng)用的研究還未見(jiàn)報(bào)道[10-13]。如果能將X射線(xiàn)透射分選技術(shù)成功應(yīng)用于鈾礦石分選,對(duì)推進(jìn)鈾礦冶行業(yè)節(jié)能減排,提質(zhì)增效,實(shí)現(xiàn)低碳綠色發(fā)展具有重要意義。本研究選取鄒家山鈾礦石開(kāi)展X射線(xiàn)透射分選試驗(yàn)研究,考察X射線(xiàn)透射技術(shù)分選鈾礦石的適用性,得到具體的選礦指標(biāo),初步評(píng)價(jià)X射線(xiàn)透射技術(shù)分選鈾礦石的可行性。

1 X射線(xiàn)透射分選原理及分選機(jī)組成簡(jiǎn)介

1.1 X射線(xiàn)透射技術(shù)分選原理

X射線(xiàn)透射分選技術(shù)分選鈾礦石的原理是利用X射線(xiàn)透射鈾礦石后強(qiáng)度的衰減特性來(lái)進(jìn)行鈾礦石品位高低判斷的方法。當(dāng)X射線(xiàn)照在鈾礦石上時(shí),部分射線(xiàn)被鈾礦石所吸收,另一部分射線(xiàn)則會(huì)穿透礦石本身,而X射線(xiàn)對(duì)不同品位的鈾礦石的穿透力是不同的,利用不同品位鈾礦石對(duì)X射線(xiàn)差異化吸收這種性質(zhì)可以將不同品位的鈾礦石區(qū)分開(kāi)來(lái)[14-15]。

目前,X射線(xiàn)透射分選技術(shù)通常采用偽雙能X射線(xiàn)系統(tǒng),偽雙能X射線(xiàn)系統(tǒng)只要一個(gè)X射線(xiàn)源,具備經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能等顯著特點(diǎn)。偽雙能X射線(xiàn)透射系統(tǒng)主要由X射線(xiàn)源、準(zhǔn)直器、低能探測(cè)器、銅濾片、高能探測(cè)器等組成,如圖1所示。

圖1 偽雙能X射線(xiàn)透射系統(tǒng)[16]Fig.1 Pseudo dual-energy X-ray transmission system

偽雙能X射線(xiàn)透射系統(tǒng)采用單一X射線(xiàn)源產(chǎn)生X射線(xiàn)能譜,使用中間夾有銅濾片的上下兩組高低能探測(cè)器對(duì)透射的X射線(xiàn)強(qiáng)度進(jìn)行探測(cè)。礦石在皮帶上傳輸?shù)倪^(guò)程中經(jīng)過(guò)X射線(xiàn)透射系統(tǒng)時(shí)會(huì)受到X射線(xiàn)源的照射,根據(jù)密度差異化吸收原理,利用高低能探測(cè)器獲取礦石的X射線(xiàn)透射強(qiáng)度,直觀(guān)反映為灰度值,通過(guò)相應(yīng)算法得到有效原子序數(shù)等信息,從而區(qū)分礦石組分或品位間的差異[17-20]。

1.2 X射線(xiàn)透射分選機(jī)的組成

本試驗(yàn)采用的分選機(jī)是北京霍里思特有限公司生產(chǎn)的XNDT-104型X射線(xiàn)透射分選機(jī),主要由振動(dòng)給料系統(tǒng)、X射線(xiàn)源、X射線(xiàn)探測(cè)器、識(shí)別系統(tǒng)和噴吹系統(tǒng)組成,XNDT-104型X射線(xiàn)透射分選機(jī)工作過(guò)程如圖2所示。

圖2 XNDT-104型X射線(xiàn)透射分選機(jī)工作過(guò)程Fig.2 Working process of XNDT-104 X-ray transmission separator

XNDT-104型分選機(jī)分選鈾礦石過(guò)程:待分選的鈾礦石由皮帶送至振動(dòng)給料系統(tǒng),將鈾礦石以平鋪不重疊的形式送入探測(cè)系統(tǒng),探測(cè)器將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)傳給處理器,處理器識(shí)別判斷礦石屬于高品位礦石還是低品位礦石,再由執(zhí)行系統(tǒng)根據(jù)信息處理系統(tǒng)判別給出的結(jié)果,采用氣噴裝置將礦石分成高品位礦石和低品位礦石。

2 鈾礦石分選試驗(yàn)研究

2.1 鄒家山鈾礦床特點(diǎn)

鈾礦石能否進(jìn)行X射線(xiàn)透射分選以及分選指標(biāo)的好壞,主要取決于鈾在礦石中分布的均勻程度,而鈾分布的均勻程度與礦床的類(lèi)型有關(guān)。鄒家山鈾礦床屬于火山巖型中低溫?zé)嵋衡櫟V床,其熱液及鈾源均為混合成因。鄒家山鈾礦體在走向和空間形態(tài)上變化較大,主要表現(xiàn)為礦體變薄,礦體平均厚度在0.5～1.0 m,平均品位在0.30%左右,約占所探明的礦體數(shù)的80%,平均厚度大于2 m的礦體很少見(jiàn);礦體傾角變緩,傾角30°～60°,大部分礦體傾角在30°～45°,屬于難采傾斜薄礦體;產(chǎn)狀變化大,分枝復(fù)合現(xiàn)象較為普遍[21-23]。由于礦體產(chǎn)狀變化較大,礦體薄小,生產(chǎn)中采礦貧化率較高,在35%以上,所以有利于X射線(xiàn)透射分選。

2.2 礦石主要礦物嵌布特性

鄒家山鈾礦石中鈾的存在形式有獨(dú)立鈾礦物、類(lèi)質(zhì)同象和離子吸附形式3種,其中以獨(dú)立鈾礦物為主,90.5%的鈾賦存于瀝青鈾礦與鈦鈾礦中。脈石礦物主要有白云母、石英、方解石、綠簾石、金紅石、螢石、磷灰石、鋯石等。主要鈾礦物與其他礦物的嵌布關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 主要鈾礦物與其他礦物嵌布關(guān)系Fig.3 Distribution relationship between main uranium minerals and other minerals

由圖3可以看出,瀝青鈾礦及鈦鈾礦在礦石中分布不均勻,與脈石之間容易解離。礦石內(nèi)部微隙裂縫清晰可見(jiàn),經(jīng)破碎后,容易解離成含鈾的礦石、不含鈾的礦石和含微量鈾的礦石,有利于采用X射線(xiàn)透射法進(jìn)行分選。鄒家山鈾礦石化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 礦石化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Chemical analysis results of Zoujiashan uranium ore %

在礦石性質(zhì)確定的前提下,礦石可入選粒級(jí)的產(chǎn)率愈大,可拋棄的尾礦產(chǎn)率也越大,X射線(xiàn)透射分選的經(jīng)濟(jì)效益愈明顯。如果可入選的粗粒級(jí)礦石產(chǎn)率太小,即使X射線(xiàn)透射分選工藝指標(biāo)很好,也可能沒(méi)有經(jīng)濟(jì)效益。適合X射線(xiàn)透射分選的礦石粒度一般在90～15 mm之間,這一部分粒級(jí)礦石產(chǎn)率越高,就意味著可以入選的礦石量越大,可能取得的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)越好,所以可入選粗粒鈾礦石的產(chǎn)率是一個(gè)重要參數(shù)。

將鄒家山鈾礦石破碎至-90 mm后分成4個(gè)粒級(jí),分別考察了不同粒級(jí)礦石的產(chǎn)率及鈾分布規(guī)律。鄒家山鈾礦石粒度組成及鈾分布率見(jiàn)表2。

表2 礦石粒度組成及鈾分布率Table 2 Size fraction and uranium distribution of the ore

表2表明,隨著礦石粒度減少,鈾品位逐漸增加,-15 mm粒級(jí)礦石中鈾品位最高,鈾品位0.351%,鈾分布率31.69%;適合入選的90～15 mm粒級(jí)礦石產(chǎn)率為80.59%,鈾品位0.182%,鈾分布率68.31%。

2.3 鈾礦石X射線(xiàn)透射分選試驗(yàn)研究

利用X射線(xiàn)透射法分選鈾礦石,X射線(xiàn)的衰減程度主要與礦石厚度和鈾品位有關(guān),利用算法將礦石厚度因素消除后,根據(jù)X射線(xiàn)的衰減程度就可以判別礦石中鈾品位的高低。為了提高分選精度,鈾礦石以單層不重疊的平鋪方式進(jìn)入X射線(xiàn)探測(cè)系統(tǒng)。

在我國(guó)常規(guī)鈾礦山無(wú)論是采取攪拌浸出還是堆浸方式提取鈾,一般要求浸出渣中鈾品位要低于0.02%,因此利用X射線(xiàn)透射法分選鈾礦石要控制分選出來(lái)的尾礦中鈾品位低于0.02%,保證分選出來(lái)的尾礦可以直接拋棄。

2.3.1 礦石分粒級(jí)X射線(xiàn)分選試驗(yàn)研究

將15～90 mm的鄒家山鈾礦石按粒度分成3個(gè)粒級(jí)30～15 mm、60～30 mm、90～60 mm,在相同的分選參數(shù)條件下分別對(duì)3組不同粒級(jí)的鈾礦石進(jìn)行分選,考察不同粒級(jí)鈾礦石的分選效果。礦石分粒級(jí)X射線(xiàn)分選試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 礦石分粒級(jí)X射線(xiàn)分選試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 X-ray separation test results of the grading ore

由圖4可知,X射線(xiàn)透射分選技術(shù)對(duì)3個(gè)不同粒級(jí)的礦石均可實(shí)現(xiàn)有效分選,30～15 mm、60～30 mm、90～60 mm這3個(gè)粒級(jí)礦石的尾礦產(chǎn)率分別為28.76%、32.11%、36.18%,尾礦中鈾品位均能降至0.02%以下,分別為0.018%、0.016%、0.015%。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著礦石粒度變大,鈾品位隨之降低,鈾在粗粒級(jí)礦石中分布更不均勻,尾礦產(chǎn)率大,分選效果好。

2.3.2 90～15 mm全粒級(jí)礦石X射線(xiàn)分選試驗(yàn)研究

開(kāi)展了90～15 mm全粒級(jí)礦石直接分選試驗(yàn),設(shè)定分選參數(shù)與分級(jí)入選試驗(yàn)一致,對(duì)比全粒級(jí)入選與分級(jí)入選的X射線(xiàn)透射分選效果。全粒級(jí)入選和分級(jí)入選試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 全粒級(jí)入選和分粒級(jí)入選試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of full particle size separation and graded separation

由表3可知,90～15 mm全粒級(jí)礦石直接分選尾礦產(chǎn)率34.25%,鈾品位0.017%,鈾分布率3.18%,與分級(jí)分選試驗(yàn)結(jié)果相比差距不大,表明90～15 mm粒級(jí)礦石可以不用分級(jí),用X射線(xiàn)透射分選機(jī)直接分選,保證分選流程簡(jiǎn)潔高效。

2.3.3 不同尾礦產(chǎn)率X射線(xiàn)分選試驗(yàn)研究

X射線(xiàn)透射分選時(shí),尾礦產(chǎn)率可以提前設(shè)定。設(shè)定不同的尾礦產(chǎn)率會(huì)影響具體的分選指標(biāo)。開(kāi)展了不同尾礦產(chǎn)率的X射線(xiàn)透射分選試驗(yàn),設(shè)定分選機(jī)的尾礦理論產(chǎn)率分別為20%、30%、35%、40%,考察X射線(xiàn)透射分選鈾礦石的效果。分選試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同尾礦產(chǎn)率分選試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Separation results by different tailing yields

由圖5可知,尾礦實(shí)際產(chǎn)率和理論尾礦產(chǎn)率基本吻合,說(shuō)明了X射線(xiàn)透射分選機(jī)的可靠性較好,可以根據(jù)需要準(zhǔn)確控制尾礦產(chǎn)率。隨著尾礦產(chǎn)率逐漸增大,尾礦中鈾的品位隨之升高,損失在尾礦中的鈾金屬量也隨之增加,精礦中鈾的回收率隨之降低。當(dāng)尾礦產(chǎn)率為35.67%時(shí),尾礦中鈾品位0.018%,滿(mǎn)足常規(guī)鈾礦山浸出渣中的鈾品位要求,因此這部分礦石可以直接拋棄,此時(shí)損失在尾礦中鈾的金屬量?jī)H3.51%。

2.4 鄒家山鈾礦石X射線(xiàn)分選推薦工藝流程及選礦指標(biāo)

根據(jù)鄒家山X射線(xiàn)透射分選條件試驗(yàn)結(jié)果,推薦了鄒家山鈾礦石分選工藝流程。將鄒家山鈾礦石破碎至-90 mm,將-15 mm細(xì)粒級(jí)礦石篩分出來(lái),90～15 mm粗粒級(jí)礦石利用X-104分選機(jī)進(jìn)行分選,設(shè)定尾礦理論產(chǎn)率35%,分選得到精礦和尾礦,精礦和-15 mm細(xì)粒級(jí)礦石合并作為高品位礦石,分選尾礦作為低品位礦石直接拋棄。鄒家山鈾礦石X射線(xiàn)分選推薦工藝流程見(jiàn)圖6。鄒家山鈾礦石X射線(xiàn)分選試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖6 礦石X射線(xiàn)分選推薦工藝流程Fig.6 Recommended process of X-ray separation of the ore

表4 礦石X射線(xiàn)分選試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of X-ray separation of the ore

由表4可知,利用X射線(xiàn)透射技術(shù)分選鄒家山鈾礦石,可以得到產(chǎn)率29.68%的尾礦,其中鈾品位0.018%,鈾分布率為2.48%。這部分產(chǎn)品中鈾的品位低于鈾礦山浸出渣中鈾的品位,可以直接拋棄。

鄒家山鈾礦石X射線(xiàn)透射分選結(jié)果表明,利用X射線(xiàn)透射技術(shù)分選鈾礦石是可行的,能夠拋棄30%左右的尾礦,尾礦中鈾品位能夠降低到0.02%以下。在鈾礦浸出之前,將礦石破碎后利用X射線(xiàn)透射分選機(jī)預(yù)先分選,將部分不含鈾或含微量鈾的脈石分選出來(lái),可以節(jié)省后續(xù)磨礦費(fèi)用,減少水冶礦石處理量,節(jié)省藥劑用量,降低生產(chǎn)成本。此外,分選出來(lái)的低品位礦石可以直接干式堆存或者回填井下,不會(huì)產(chǎn)生廢水廢氣,能夠減少放射性環(huán)境污染。

3 結(jié)論及展望

(1)鄒家山鈾礦體在走向和空間形態(tài)上變化較大,礦體薄小,采礦貧化率在35%以上,瀝青鈾礦及鈦鈾礦在礦石中分布不均勻,礦石破碎后,容易分成脈石及含鈾礦石兩類(lèi),適合入選的90～15 mm粒級(jí)礦石產(chǎn)率為80.59%,有利于采用X射線(xiàn)透射技術(shù)進(jìn)行分選。

(2)提前設(shè)定尾礦產(chǎn)率利用XNDT-104分選機(jī)進(jìn)行分選時(shí),尾礦實(shí)際產(chǎn)率和理論尾礦產(chǎn)率基本吻合,說(shuō)明了X射線(xiàn)透射分選機(jī)的可靠性較好,在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要準(zhǔn)確控制尾礦產(chǎn)率。當(dāng)控制粗粒級(jí)礦石尾礦產(chǎn)率為35.67%時(shí),尾礦中鈾品位0.018%,損失在尾礦中鈾的金屬量?jī)H3.51%,分選效果較好。

(3)鄒家山鈾礦石利用X射線(xiàn)透射分選機(jī)分選可以獲得產(chǎn)率29.68%、鈾品位0.018%的尾礦,這部分產(chǎn)品中的鈾品位低于浸出渣中鈾的品位,可以直接拋棄,能夠節(jié)省后續(xù)水冶提鈾成本,減少放射性污染。因此,鈾礦石在浸出之前采用X射線(xiàn)透射技術(shù)分選進(jìn)行拋尾,可以有效降低生產(chǎn)成本,是中國(guó)硬巖鈾礦石降本增效的有效手段之一,有望在中國(guó)硬巖鈾礦山企業(yè)推廣應(yīng)用。