光電分選技術(shù)進(jìn)展及其在磷礦選別中的應(yīng)用與展望*

楊 丘，唐 遠(yuǎn)，郭 勁，鄧 杰，童曉蕾，李 進(jìn)，李智力，何東升

(1.武漢工程大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.北京霍里思特科技有限公司,北京 102600；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所，四川 成都 610041；4.湖北省黃麥嶺磷化工有限責(zé)任公司，湖北 大悟 432818)

0 引言

光電分選技術(shù)是礦石預(yù)選拋尾的重要方法之一[1]，既不像重選、磁選等技術(shù)需消耗大量水資源，也不像浮選技術(shù)需使用大量化學(xué)藥劑，可在礦石細(xì)碎或磨礦之前提高入料品位。第二次工業(yè)革命之后，特別是在核能物理研究高速發(fā)展期間，物料揀選實(shí)現(xiàn)了與自然光、高能射線(如激光、X射線)等的結(jié)合[2]，這也在一定程度上促進(jìn)了人工智能算法等技術(shù)在智能光電分選領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。基于礦物表面分析、X射線透射技術(shù)的激光分選、單雙面圖像色選等智能光電分選技術(shù)得到了快速發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用，其中X射線透射技術(shù)(XRT)和圖像色選技術(shù)已成功應(yīng)用于有色金屬礦、非金屬礦和煤炭等礦石的預(yù)選拋尾，智能光電分選代替人工揀選是大勢(shì)所趨[3]。

磷礦資源為不可再生資源，也是不可替代的重要戰(zhàn)略資源。我國(guó)磷礦資源儲(chǔ)量位列世界第二，約占世界總儲(chǔ)量的4.8%[4]，但我國(guó)磷礦石平均P2O5品位不到17%，P2O5品位高于30%的優(yōu)質(zhì)磷礦資源僅占我國(guó)總磷礦資源的12%[5]。當(dāng)前開采的磷礦石品位較低，無法滿足直接利用的品位要求，若將其直接破碎、磨礦后送入選礦工藝，不僅導(dǎo)致選礦設(shè)備負(fù)荷過高且會(huì)造成礦石選別過程的低效率、高能耗、高成本。為了降低選礦成本和設(shè)備負(fù)荷，對(duì)低品位磷礦石在選別前進(jìn)行預(yù)選拋尾顯得尤為重要[6]。

1 光電分選技術(shù)及裝備簡(jiǎn)述

根據(jù)礦石表面的顏色、紋理結(jié)構(gòu)及對(duì)光反射率的差異進(jìn)行有用礦物與脈石礦物分離的方法稱為光電分選技術(shù)[7-8]。根據(jù)掃描和檢測(cè)方式的不同，可將光電分選技術(shù)分為色選法和光選法，其中：色選法主要通過高清相機(jī)或探測(cè)器的單雙面圖像分析礦石表面，精確區(qū)分礦石表面顏色、光澤和紋理等的細(xì)微差別，實(shí)現(xiàn)礦石的預(yù)選拋尾；而光選法則主要通過光的反射和透射來比較礦石顆粒密度、粒度和相關(guān)化學(xué)組分的不同來實(shí)現(xiàn)預(yù)選拋尾[9]。兩種方法相輔相成。

采用光電分選技術(shù)對(duì)礦石進(jìn)行預(yù)選拋尾的一系列流程稱為智能光電分選系統(tǒng)，該系統(tǒng)通常由給料系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、掃描檢測(cè)系統(tǒng)和分選執(zhí)行系統(tǒng)四部分組成[10-13]。入料礦石顆粒通過特殊給礦槽整齊平鋪在皮帶上，經(jīng)過光掃描或者高清攝像機(jī)拍照和探測(cè)器掃描后確定是否需要剔除；脈石礦物通過分選執(zhí)行機(jī)構(gòu)被打入尾礦槽，有用礦物則由皮帶運(yùn)輸至精礦槽[14]，其結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1所示。

圖1 光電分選設(shè)備的結(jié)構(gòu)與工作原理

智能光電分選系統(tǒng)中的光源類型較多(如白熾燈、LED燈、石英鹵素?zé)?、X射線、紫外線、紅外線等)，分別適用于不同類型物料的分選。LED燈一般用于顏色差異大的農(nóng)作物分選[15]，X射線可以使金剛石產(chǎn)生熒光而與脈石分開，白鎢礦在紫外線照射下會(huì)產(chǎn)生熒光而與脈石分開，石棉礦經(jīng)紅外線加熱后因波長(zhǎng)與脈石不同而實(shí)現(xiàn)二者的分離[16]。礦石顆粒的掃描檢測(cè)方式主要有兩種：一種是其在皮帶上運(yùn)行時(shí)進(jìn)行，另一種是其在下落過程中進(jìn)行。礦石顆粒下落過程中的掃描圖像清晰，分選效率高，是目前常用的掃描檢測(cè)方式。分選執(zhí)行機(jī)構(gòu)有空氣噴射器[17]、機(jī)械偏轉(zhuǎn)器[18]、連續(xù)水流噴射器[19]、打板等多種類型。空氣噴射器使用范圍廣，噴射頻率及分選效率高，是主要的脈石剔除裝置[20]。打板需不斷與礦石碰撞，易磨損，且頻率受限制，效率不高，僅在粗粒級(jí)的礦物分選中使用[16]。掃描檢測(cè)機(jī)構(gòu)和分選執(zhí)行機(jī)構(gòu)是智能光電分選系統(tǒng)的核心，根據(jù)礦物的物理特性來確定其應(yīng)用參數(shù)可使光電分選機(jī)的分選效率和使用壽命最大化，從而降低成本，提高選礦效率。

2 光電分選技術(shù)發(fā)展歷程

光電分選技術(shù)的發(fā)展歷程可歸納為圖2中所示的3個(gè)階段，即初期階段、發(fā)展階段和現(xiàn)階段。

圖2 光電分選技術(shù)發(fā)展歷程

2.1 初期階段

20世紀(jì)初，奧地利科學(xué)家根據(jù)物料表面顏色差異開始嘗試研制光電分選機(jī)，但因分選速度和分選質(zhì)量達(dá)不到要求而以失敗告終。直到20世紀(jì)30-40年代英國(guó)索特克斯公司才制成了第1臺(tái)用于種子分選的光電分選機(jī)[21]。隨著高速氣閥的成功研制，學(xué)者們制造出了用于分選不同粒級(jí)物料的光電分選設(shè)備，自此光電分選技術(shù)的發(fā)展開始發(fā)生質(zhì)的飛躍。20世紀(jì)60年代英國(guó)和加拿大等國(guó)對(duì)光電分選設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，此后光電分選技術(shù)開始進(jìn)入礦石分選領(lǐng)域。美國(guó)在1964年研制了格羅邁克斯型石灰石光電分選機(jī)[22]，該設(shè)備處理量大但分選效果不佳。英國(guó)索特克斯公司隨后研制了雙通道給礦的621M型光電分選機(jī)用于處理石膏、白云石、食鹽等，1966年、1967年又分別研制了811M和711M型光電分選機(jī)用于分選石灰石和菱鎂礦等。該公司研發(fā)的光電分選機(jī)分選粒度范圍廣、處理量較小，但能較好地提高礦石品位。蘇聯(lián)也在1969研制了第1臺(tái)克瓦爾茲型光電分選機(jī)用于分選含金石英礦，分選后可去除大量石英等脈石。

初期光電分選設(shè)備及其參數(shù)見表1。

表1 初期光電分選設(shè)備及其參數(shù)

由表1可知：在處理粗粒級(jí)礦石時(shí)，設(shè)備的處理能力較大；但在處理細(xì)粒級(jí)礦物時(shí)，由于掃描設(shè)備精度有限，設(shè)備處理能力較低。目前這些初期光電分選機(jī)已被淘汰。

2.2 發(fā)展階段

在1939年提出的X射線-熒光(XRF)分選概念的基礎(chǔ)上，1967年出現(xiàn)了第1臺(tái)X射線選煤機(jī)。1968年英國(guó)索托克斯公司和戴·比爾公司聯(lián)合研制了第1臺(tái)采用X射線分選金剛石(粒度為1～10 mm)的XR-21型光電分選機(jī)[23]。南非金場(chǎng)公司和里奧·廷托鋅礦石分選公司共同研制了M13型激光選礦機(jī)，隨后又研制了M16型激光選礦機(jī)[24]，當(dāng)時(shí)的學(xué)者普遍認(rèn)為該設(shè)備為第1臺(tái)現(xiàn)代化高噸位礦石光電分選機(jī)。X射線、激光等技術(shù)的應(yīng)用使光電分選技術(shù)上升到了一個(gè)新的高度。1971年英國(guó)在此技術(shù)的基礎(chǔ)上研制了1011M和962M型激光光電分選機(jī)，用于分選石膏、滑石、菱鎂礦等。我國(guó)從20世紀(jì)60年代末開始研究和應(yīng)用光電分選技術(shù)[25]，1979年自主研制了第1臺(tái)GXJ型X射線分選機(jī)用于分選金剛石，1982年研發(fā)生產(chǎn)了第1臺(tái)GS-Ⅲ型激光選礦機(jī)，先后分選了金礦、汞礦、石膏礦和鎢礦等低品位礦石[26]。20世紀(jì)80年代蘇聯(lián)也開始研究和試生產(chǎn)各種X射線分選機(jī)[27]，1984-1995年研制了JIC系列8種型號(hào)的X射線分選機(jī)，可用于分選有色金屬礦、貴金屬礦和稀有金屬礦；1995年以后研制了Yac型和CP型放射性分選機(jī)，適用于大部分礦石的分選；隨后又研制了新型X射線分選機(jī)，并在2000年大量投產(chǎn)。光電分選核心技術(shù)的革新，打破了特定礦石分選的界限，從此光電分選技術(shù)全面應(yīng)用于礦石分選領(lǐng)域。

發(fā)展階段光電分選設(shè)備及其參數(shù)見表2。

表2 發(fā)展階段光電分選設(shè)備及其參數(shù)

2.3 現(xiàn)階段

表3列出了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外智能光電分選設(shè)備主要研發(fā)公司及其產(chǎn)品參數(shù)。奧地利Redwave公司研發(fā)的XRF系列光選機(jī)是利用X射線-熒光技術(shù)測(cè)定礦石中的元素成分來達(dá)到分選的目的，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)因?yàn)榈V石的濕度和少量污染而影響分選精度。而德國(guó)Mogensen公司研制的Msort系列色選機(jī)采用雙攝像頭拍攝，分選精度更高，在建筑廢料回收和礦石分選方面效果尤佳。國(guó)內(nèi)公司研發(fā)的光電分選設(shè)備在設(shè)備性能和參數(shù)方面也取得了較大突破，如：北京霍里思特智能科技有限公司研發(fā)的XNDT系列光選機(jī)在XRT技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用了高速探測(cè)器、高精度AI算法和高速精準(zhǔn)吹噴等核心技術(shù)，其設(shè)備廣泛應(yīng)用于礦石預(yù)拋尾、廢石再選、塊煤排矸等方面；天津美騰科技股份有限公司自主研發(fā)的TDS系列智能干選機(jī)主要結(jié)合X射線技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)算法等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)煤和煤矸石進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了對(duì)塊煤的快速分選，為較大程度實(shí)現(xiàn)全粒級(jí)干選，該公司研發(fā)的TGS系列智能梯流干選機(jī)也已于2021年成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用；合肥名德光電科技股份有限公司同韓國(guó)泰明株式會(huì)社一樣，其所研發(fā)的色選機(jī)均采用高分辨CCD(電荷耦合元件)圖像采集系統(tǒng)，有分選精度高、壽命長(zhǎng)、能耗低，適用于惡劣環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外光電分選理論與技術(shù)的快速發(fā)展，有效促進(jìn)了傳統(tǒng)礦石分選工藝的革新，推動(dòng)了全球礦業(yè)智能分選技術(shù)的進(jìn)步。

表3 現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外主要研發(fā)公司及其產(chǎn)品參數(shù)

3 光電分選在磷礦選別中的應(yīng)用

目前磷礦石貧化嚴(yán)重，開采的磷礦石中夾雜了大量的廢石和難分離的脈石礦物。在磷礦選礦前進(jìn)行光電預(yù)選拋尾，不僅工藝流程簡(jiǎn)單、場(chǎng)地要求不高，而且能去除大量的脈石礦物。與其他選礦方法相比，光電分選全程可無水作業(yè)，無需增加污水處理系統(tǒng)，為后續(xù)磷礦石選礦工藝降低能耗、提高礦石處理量、減少環(huán)境污染等提供了保障。已有大量國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同光電分選設(shè)備對(duì)不同地區(qū)磷礦石進(jìn)行了分選研究，結(jié)果表明，光電分選技術(shù)在磷礦預(yù)選拋尾中具有較好的分選效果。

3.1 光電分選試驗(yàn)研究

1)卡拉套磷塊巖光電分選試驗(yàn)

哈薩克斯坦卡拉套磷礦中的P2O5品位與磷塊巖的顏色有很大關(guān)系：其中一種是深色磷塊巖，磷礦的貧化率在11%左右；另一種是灰色磷塊巖，磷礦的貧化率在20%～22%；還有一種則呈白色，貧化率高達(dá)40%[22,29]。針對(duì)P2O5品位為20%～25%的磷礦石，采用兩種光電分選機(jī)處理后，精礦P2O5品位提升至30%以上，P2O5回收率達(dá)到93%[22]。

2)沙特某磷礦光電分選試驗(yàn)[30]

針對(duì)P2O5品位為10.44%、SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25.20%的沙特某磷礦，采用光電分選機(jī)處理后，精礦P2O5品位提升至13.41%、SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至2.28%，脫除了大部分含硅脈石礦物，大大減少了后續(xù)磨礦、脫泥、浮選等過程的能耗。

3)湖北某磷礦光電分選試驗(yàn)

湖北某磷礦平均P2O5品位在19%左右，脈石礦物主要有白云石、石英和方解石等[31]，該磷礦的光電分選試驗(yàn)結(jié)果表明，精礦P2O5品位為22%、P2O5回收率為93%，尾礦中P2O5品位和回收率均低于7%，分選效果較好。

4)貴州某磷礦光電分選試驗(yàn)

針對(duì)P2O5品位為31%、MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%～3.0%的貴州某磷礦[32]，采用光電分選機(jī)處理后，獲得的磷精礦P2O5品位高于35%、P2O5回收率高于90%、MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.2%，可直接用作制備高效磷肥的原料[33]；此外，含磷尾礦中MgO和CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，可用于生產(chǎn)高鎂肥料。

5)四川某磷礦光電分選試驗(yàn)

對(duì)P2O5品位為19.52%、SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.43%的四川某鎂硅質(zhì)磷礦石進(jìn)行了X射線分選試驗(yàn)[34]，精礦P2O5品位提高至34.58%，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至8.59%，SiO2脫除率達(dá)68.69%，脫硅效果明顯，有利于提高后續(xù)設(shè)備的處理能力。

3.2 工業(yè)應(yīng)用實(shí)例

1)美國(guó)某磷礦光電分選

美國(guó)某磷礦礦區(qū)含有5個(gè)礦層，主要開采上部?jī)蓪?，一層磷礦P2O5品位為30%～31%，二層磷礦P2O5品位為24%。選礦廠每年處理150萬t磷礦石，原礦經(jīng)錘式破碎機(jī)破碎至50 mm以下后給入激光選礦機(jī)，分選精礦經(jīng)過棒磨、球磨脫泥后可獲得P2O5品位為33%的最終精礦[26]。

2)沙特某磷礦光電分選

沙特某磷礦選礦廠原礦P2O5品位低于16%，屬低品位磷礦石[35]。在引入光電分選工藝后，選礦廠原礦P2O5品位僅為12.26%、SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.47%。通過光電分選試生產(chǎn)后，獲得的精礦P2O5品位為12.94%、P2O5回收率達(dá)95.89%、SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至2.62%。試生產(chǎn)結(jié)果顯示，光電分選能有效脫除磷礦中一定比例的脈石礦物，同時(shí)能獲得高P2O5回收率的磷精礦。該工藝自試生產(chǎn)以來，共處理了逾120萬t磷礦石，預(yù)選脫出的尾礦在10萬t以上。

3)湖北宜昌磷礦光電分選

湖北宜昌某磷礦主要為粒屑結(jié)構(gòu)，磷組分集中在磷塊巖層中[36]。選礦廠采用X射線全自動(dòng)智能在線分選機(jī)對(duì)該磷礦石進(jìn)行分選，獲得的精礦P2O5回收率平均在88%以上，遠(yuǎn)高于先前P2O5回收率為72%的指標(biāo)[37]。磷精礦中P2O5品位大于27%，處理能力超過40 t/h，大大提高了磷資源利用效率。

4)四川雷波磷礦光電分選

四川雷波縣磷礦資源豐富，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量達(dá)到44億t[38]。雷波縣某磷礦選礦廠采用2臺(tái)X射線全自動(dòng)智能在線分選機(jī)對(duì)磷礦石進(jìn)行預(yù)選拋尾，其中：入選礦石粒度為20～40 mm時(shí)，設(shè)備處理能力達(dá)50 t/h；入選礦石粒度為7～20 mm時(shí)，設(shè)備處理能力為25 t/h，均高于預(yù)期。處理P2O5品位為20%左右的礦石后，獲得的磷精礦P2O5品位提升至22.5%以上，廢石拋出率達(dá)30%，為后續(xù)的黃磷生產(chǎn)提供了優(yōu)質(zhì)塊礦原料。

5)湖北?？盗椎V光電分選

湖北?？悼h某磷礦選礦廠擬采用光電分選技術(shù)對(duì)P2O5品位為20%的低品位磷礦進(jìn)行回收利用?，F(xiàn)場(chǎng)采用兩段一閉路破碎—光電選礦工藝，在處理粒度范圍為10～50 mm的磷礦石時(shí)，設(shè)備處理能力達(dá)50 t/h。經(jīng)光電分選后，磷精礦P2O5品位高于26%，取得了較明顯的分選效果，但由于投產(chǎn)時(shí)間不長(zhǎng)，生產(chǎn)效率還需進(jìn)一步檢驗(yàn)。

4 結(jié)語與展望

光電分選技術(shù)可以有效提升選礦過程中各環(huán)節(jié)的效率，在大幅降低選礦成本的同時(shí)還能減輕環(huán)保壓力。光電分選技術(shù)從20世紀(jì)初至今已經(jīng)發(fā)展了100多年，從發(fā)展歷程來看，光電分選技術(shù)實(shí)現(xiàn)了由自然光傳統(tǒng)掃描技術(shù)到X射線、激光等高能射線掃描和單雙面高清圖像處理技術(shù)的突破，以及由特定礦石光電分選到多種礦石光電分選的應(yīng)用。目前高能射線掃描技術(shù)和高清圖像處理技術(shù)已經(jīng)取代了其他的光電分選技術(shù)。

由磷礦石光電分選試驗(yàn)和礦山工業(yè)應(yīng)用結(jié)果可知，光電分選技術(shù)在磷礦石預(yù)選拋尾中的應(yīng)用十分成功，磷精礦P2O5品位和回收率均滿足后續(xù)工藝要求。同時(shí)，光電分選裝置簡(jiǎn)單可靠，經(jīng)濟(jì)性良好，用于磷礦石選礦，可以預(yù)先脫除一定比例的廢石，減少下游各級(jí)工序的處理量，節(jié)約能源、藥劑和水資源，降低生產(chǎn)成本，值得在我國(guó)磷礦特別是低品位磷礦預(yù)選工藝中推廣應(yīng)用。但光電分選技術(shù)仍有許多需要改進(jìn)和完善的地方：針對(duì)礦山環(huán)境惡劣，光源發(fā)射器容易受光照、溫度、濕度等因素影響的特點(diǎn)，需要進(jìn)一步提高光電分選系統(tǒng)的穩(wěn)定性；對(duì)于礦石成分復(fù)雜，特別是可能存在相近光學(xué)特性的礦物，需要進(jìn)一步提高光電分選系統(tǒng)的計(jì)算精度和分選能力。光電分選技術(shù)作為一種高效低耗、環(huán)境友好的分選方法，必將在礦業(yè)領(lǐng)域得到蓬勃發(fā)展。