矿物加工工程的发展与人类对自然界矿产资源日益扩大的质与量的需要密切相关。选矿过程本身已有很长的历史发展过程。很早就有手工拣选, 19世纪以后国外相继出现了机械选矿设备, 20世纪二十年代泡沫浮选的应用和各种浮选药剂和设备的出现,大大促进了选矿技术的发展,同时也促进了难选、复合矿及细粒嵌布矿产的开发利用。生产的发展和需要促进了人类对选矿理论的深入研究。
一、选矿工程的任务
选矿工程的发展就有可能对自然界“含量贫、结晶细、成分杂”的矿产资源进行开发、利用,并为下一步的深加工提供经济上合理、技术上可行的初级原料或产品。由此可以看出选矿学科在国民经济发展中的重要战略地位,确定它的具体任务是:
(一)提高有用矿物的品位,扩大矿产资源的利用范围,据勘查,我国贫矿多,富矿少,很多贫矿资源均需选矿处理后才能作为下一步的工业原料。如黑色金属中的铁矿石,品位大于50%者仅占全国铁矿总量的23%,其余均需选矿处理后制造****工富矿才能作为炼铁原料。
(二)提高产品质量:非金属矿高岭土、膨润土、沸石、萤石、硅灰土、硅藻石、绢云母等都需要去掉铁、钛等杂质和提高白度;煤炭也需要洗选,降低灰分和硫、磷含量,才能生产合格的冶金焦炭。
(三)共生、伴生成分的综合利用:有色金属矿石常是共生产出,由于他们互为杂质无法利用,需经选矿处理将所含矿物分离后分别富集才能作为冶炼原料。 (四)二次资源的开发利用:二次资源包括旧金属及其它固体废料,废水和“废气”的治理和利用,在很大程度上依靠选矿技术,自然矿产的最大特点是数量有限和开发的一次**,因此“资源的循环利用”是最大的节约。
(五)海洋资源的利用。海洋资源包括海水中溶解的盐类物质和洋底锰结核。海水中含有36种元素,除可提取NaCl、KCl、MgCl2、Na2SO4、MgCO3、B、I、Li外,还可以提取U、Th及氚等能源物质,开发利用前景广阔。
二、选矿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%的工业原料和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工程技术的进步,另一方面污染了人类生存的环境。如何使矿产资源开发与环境保护协调发展,是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,其中选矿技术的发展起着很关键的作用。例如每立方公里的岩石中含Al2 300万t、Fe 1 300万t、Cu26万t、Sn10万t、Au1万t、U7 000万t,如果高科技将其分离,则地球上提供我们可利用的资源是非常宽广的,这将极大地促进社会经济的发展。
三、国外现状与发展趋势
(一)国外现状
上世纪50～70年代末选矿工业在国外有较大的发展,主要表现在: 1、选厂的大型化。 2、设备大型化。 3、选矿新工艺与科学技术的研究及应用。其中最具有代表性的重大发展有用于简化矿石碎磨流程的“干、湿自磨技术”;用于难处理难分离矿产的“联合流程”,其中包括“选—冶、选矿—生物冶金”联合方法处理细粒矿产的新技术。 4、新型高效设备的研制。 5、学术机构的发展。许多国家的著名大学开设选矿工程学科课程,工业先进的国家成立选矿或颗粒学协会并有专门杂志。
选矿工业的发展同时也提出了一些亟待解决的问题: 1、选矿厂规模的扩大和设备的大型化,给设备的制造、生产操作管理带来了新问题,要求更高的机械化及自动化水平，否则单纯的设备大型化未必带来更好的经济效益。 2、新工艺及新设备在实践中出现许多新问题需要进行解决,例如絮凝浮选不仅需要新药剂,而且矿石需要细磨,工业上的应用尚存在一定的困难。 3、原有的模拟放大算法已不适用大型化及新设备。 4、复杂共生、低品位、微细嵌布的矿产资源日益增多,及很多非金属矿产资源的大量开发利用,也带来了很多新问题需要解决。
(二)今后发展的趋势
从二十世纪80年代以来的发展动态看今后的发展趋势:
1、打破传统选矿工程的界限向深度和广度方面发展。原选矿工程主要是指自然矿产资源的深加工处理,而现将选矿技术扩大应用于“三废”的处理、环境保护、海水溶解物及海洋锰结核的开发利用。随着工业的发展对原料的需求量日益扩大,所以扩大选矿应用领域是客观必然的发展趋势。因此,今后的选矿不再局限于矿产采出后的加工,还应发展为矿床的就地应用,包括废物的再生;选矿将以有力之势向下一步工序延伸,与火法冶金、湿法冶金结合,在扩大选矿应用领域的同时,提高选矿本身水平、效益,同时要最大限度地减少对环境的污染,这就是选矿发展的总趋势。
2、矿产资源的充分利用,进行“无尾工艺”或“无废工艺”的研究。国外在尽量提高有用成分回收率的同时,非常重视资源的综合利用,一般有色金属综合利用率达80%~90%以上。目前趋势是开展“无尾工艺”或“无废工艺”的研究。
3、新技术、新工艺的开发与利用。“多种力场”联合作用的设备、多种药剂“协同作用”的工艺。多种原理“联合效应”的“综合选矿技术”的研究和发展。
4、节能研究。矿物加工工程中40%~80%的能耗消耗于矿石的碎磨作业。根据统计全世界每年消耗于矿石碎磨作业的能耗约占全世界总发电量的3%~4%;因此碎磨作业的能耗为国外非常重视的研究领域。现在根据新的破碎理论,以发展新的、高效的破碎工艺技术。
5、腐蚀机理及耐磨材料的研究。由于机械磨损及化学腐蚀使选矿过程消耗大量的金属材料,为此国外进行了两方面的研究,一为腐蚀机理的研究。加入亚硝酸钠、铬酸钠或偏硅酸钠作为防腐剂,可分别降低化学腐蚀量的49.7%、45.7%、45.9%。80年代在美国、瑞典、挪威相继试验一种“磁性衬板”,这就大大延长了使用寿命。
6、专功能、高效率药剂的研制。例如美国道尔公司生产的对Zn、Co、Cu、Ni硫化物及Pt、Pd等有很强捕收性能而对方铅矿捕收能力很弱的药剂;对硫化铜捕收性能很强而对其他矿物捕收能力很弱的药剂;意大利研。
7、高科技在选矿中的应用。超导磁选机已达应用阶段,美国艾利兹磁力公司已生产直径3.05m的超导磁选机。超导磁体是选矿技术的重大突破,目前要研究解决的是改进超导系统、提高产量、降低成本、扩大应用。利用微波辐射可有助于矿物的选择性破裂和选择性分离。微波辐射有两种作用,第一能使矿物温度升高,温度升高的幅度取决于每种矿石的性质,这样有助于沿矿物界面选择性破裂;第二,由于每种矿物吸收微波辐射的能量不同,从而加大了矿物性质的差异,如黄铁矿经微波辐射后其表面形成一层磁性相,从而可用磁选分离。
8、生物冶金。生物冶金应用广泛,成本低且不污染环境,故有很广阔的发展前景,目前在矿物加工工程领域内已提到与常规选矿方法同样的高度。
9、矿物工程的模拟、优化由于矿产资源的性质的多样性,生产过程的复杂性、工艺条件的随机性,因此到目前为止,选矿方法及流程的拟订,设备的选择计算,选矿厂的设计等不得不主要依靠试验来解决。为此,国外近几年来特别着重于矿物工程数学模型和模拟的研究。 而目前尚不能进行选矿厂的优化设计和优化操作,仅能进行辅助设计。
10、自动化。选矿厂靠人工操作很难使生产维持最优状态,为此国外很重视选矿厂的自动化控制问题。从总体上来看它落后于冶金、化工等其它部门。选矿厂的自动化受选矿数学模型,控制仪表及计算机三个条件的约束。80年代至今,由于数学模型的进一步发展,特别是新型、先进控制仪表的出现,把选矿厂的自动控制水平推进一步。未来的发展趋势是将“专家控制系统”与最优适时控制结合,达到以根据矿石性质变化适时调整生产参数,使选矿生产保持最优状态。
四、我国矿产资源概况与市场需求
(一)我国矿产资源概况
我国是世界矿产资源种类齐全、储量丰富的少数几个国家之一。新中国成立之前,我国矿产资源加工工业十分薄弱,用机械化设备加工矿产品的工厂仅有几十家。1949年我国年产钢15万t,煤3 200万t、有色金属1.3万t、硫铁矿1万t、磷不足10万t,全国矿业总产值不到18亿元。当时,我国矿业几乎处在白手起家的境地,是个微不足道的矿业小国。新中国成立以后,特别是党的十一届三中全会和改革开放以来,国家十分重视矿产资源的开发利用。到1998年我国已建成10 879座国有大中型矿山和27 854个乡镇、集体企业;已有矿山为依托的城市300余座;已开发利用的矿种150多种,矿产资源开发与利用的从业人员1 400多万人,1998年钢铁、煤炭、水泥三大主力矿产资源居世界第一位;有色金属和黄金产量分别居第二位和第五位;时至至今,我国有色金属总产量跃居世界第一位。全国矿业总产值超过4 000亿元,与矿业相关的能源和原材料产业的产值超过2万亿元,中国已成为仅次于美国的世界第二矿业大国。 制的氧化锌的专用药剂;增加过滤效果的助滤剂,增加磨矿效果的助磨剂等。 矿业原料加工的快速发展,为我国国民经济建设提供了强大的物质基础,但矿物原料加工技术与经济发达国家相比,仍有差距,造成矿产资源消耗过快。建国以来我国国民生产总值增长了10多倍,而矿产资源的消耗增长了40多倍,在人口、资源、环境之间的矛盾日益突出的世纪之交,认真分析我国矿产资源状况,回顾矿物加工工程技术领域所取得的成就及其与国外的差距,在新世纪发展战略中强调技术创新,努力开发拥有自己知识产权的矿物加工技术,将有助于我国矿产资源开发与利用业朝着可持续发展方向前进。我国矿产资源总量丰富,但人均占有量少,是世界第53位。据专家们估算平均每平方公里国土面积所拥有的资源潜在价值,我国的金属、非金属、燃料矿产为110万美元,大体和美国相当,如单就燃料而言,比美国高27%,我国的矿产资源有以下特点: 1、矿产资源总量丰富,品种齐全,但人均占有量少。 2、支柱性大宗矿产的某些矿种短缺或后备储量不足,而储量较多的则是部分用量不大的矿产。 3、大型和特大型矿床少,中小型矿床多。 4、单一易选的富矿少,贫细杂难选共生矿多,开发利用难度大,生产成本高,难以参与国际市场竞争。
(二)市场需求状况
从目前来看,我国国民经济的增长在很大程度上仍依赖于自然资源,尤其是矿产资源的大量消耗。从21世纪开始，我国一直处于资源需要量加大的时期,在21世纪开始的10年内，我国的矿产品绝对需求量大幅度增加，一些主要矿产品需求量是以前的2倍，而支柱性大宗矿产将难以保证需求,如富铁矿、富锰矿、部分有色金属和化工矿产品不得不进口，而铬、钾、金刚石等矿产品也因过度消耗，现有储量难以保证需求，将渐渐变成短缺矿产。2010年我国的矿产品已经面临经济建设对矿产品需求增长的严峻挑战。
(三)与国外先进水平的差距
解放以来我国矿产资源开发利用取得了许多重要的成就,甚至在某些方面居国际先进水平。但从总体上来看低于国外先进水平。目前我国年开采矿石量在53亿t,仅次于美国居世界第二位;但人均拥有矿石量很低,仅为世界。
1、资源储量利用率(产量与储量比)不高。仅为主要矿产资源大国的1/2～1/5。原因主要是在于有些矿产开采品位过高,例如铁矿，美国、加拿大的开采边界品位为15%～23%，原苏联为15%，我国一般为26%～30%，致使我国张家口、于家沟储量达20亿t的贫磁铁矿没有开采利用。
2、矿产资源中有用矿物的回收率低。根据全国3498个矿山统计,我国铁矿和有色金属矿采矿回收率为50%～60%;非金属矿产资源均为20%～60%;煤矿仅34%～50%。由于采选、冶水平与国外有差距,我国矿产资源的总回收率只有30%～40%，比国外水平低10%～20%。
3、矿产资源的综合利用率低。根据全国845个矿山调查,综合利用率只有15%, 75%的矿山企业综合利用率不到2.5%。就有色金属而论,国外先进矿山综合利用率可达到80%～90%，而国内的平均水平为50%，比国外约低30%~40%。
4、非金属矿产资源开发利用落后。非金属矿产资源种类繁多,性质各异,用途广泛,国外非常重视非金属矿产资源的开发利用。目前发达国家非金属矿产值为金属矿的1·5~2倍，我国有丰富的非金属矿产资源,然而选矿回收率低，精矿品位低，超级产品少，我国应把非金属矿产资源的开发摆在极为重要的地位，特别是金属矿产中伴生的非金属矿产资源的综合回收应引起足够的重视。
5、二次资源的回收利用率低。目前我国的工业固体废弃物综合利用率为25.54%，与经济发达的工业大国相比，存在相当大的差距，也是由于综合利用率低，历年矿业部门的工业固体废弃物,累积堆存已达440 823万t，占地面积17 971万m2，造成较为严重的环境污染。
五、发展方向
从20世纪80年代以来，世界各国在矿物加工技术领域不断技术创新,以促进本国的矿产资源开发与综合利用沿着可持续发展的方向前进。矿石粉碎方面:为了降低矿石的破磨能耗,国外开发了超细粉碎机和高压辊式破碎机,并不断研究外加电场、激光、微波、高频振荡、等离子处理矿石对粉碎和分选的影响;在矿物分选领域方面:已经或正在研究“多种力场”联合作用的分选设备,以及多种原理“联合效应”和“综合分选技术”,并不断将高技术引入矿物加工工程领域,例如将超导技术引入磁选,将电化学及控制技术引入浮选等等;为最大限度的利用矿产资源,世界各国竞相研究开发无废清洁生产工艺;在设备方面:为使企业获得最大规模的经济效益,研究开发的破磨、分选及固液分离设备趋向大型化;生产过程的检测与控制方面:过程控制趋向自动化;技术方面:经过50年来的发展,我国的矿物加工工程技术已经取得许多引人注目的成就。
为使我国矿物加工工程技术在较短的时间内全面赶上世界先进水平,必须注意以下几个方面进行技术创新,这将是跨世纪快速发展的关键。人均拥有矿石量的43%左右,居世界第80位。因此应继续大力开发矿产资源,同时应重视研究解决目前我国矿产资源开发上落后的主要问题。
(一)研究开发高效预选设备,高效节能新型破磨与分级设备,以及固液分离新技术与设备,大幅度降低矿石破碎与固液分离过程的能耗,提高入选品位。
(二)研究开发各种能场的预处理对矿石和分选的影响,开发利用各种能场的预处理新技术,以提高粉碎及分选精度。
(三)在开发高效分选设备、高效无毒新药剂中,重点研究复合力场分选设备,多种成分协同作用的新药剂以及处理贫、细、杂难选矿石的综合分选技术。
(四)在矿石综合利用研究中,重点开发无废清洁工艺,加强尾矿中矿物分离、提纯、超细改性的研究,使其成为市场需要的产品,为矿物原料工业向矿物材料工业转化提供新技术。
(五)大力将高新技术引入矿物加工工程领域,重点开展矿业生物工程技术、电化学调控和电化学控制浮选技术、过程自动化寻优技术、以及用高技术改造传统产业的新技术研究。
(六)加强基础理论与矿物工程分选技术相结合的新型边缘学科研究,促进新一代矿物分选理论体系的形成,并派生出新兴的矿物分选和提纯技术体系。 发展战略目标的指导思想是“立足国内现状、瞄准国际先进水平”。
根据我国经济发展规划,立足我国矿产资源的特点,考查国内外选矿现状及发展趋势,拟定我国选矿发展的近、中期发展目标如下： 1、针对我国矿产资源利用有“三率低”(储量、综合回收率、有用成分)的问题,进行有针对性的理论研究及新工艺的开发,特别是针对我国复杂、难选、大宗矿产资源及优势矿产资源开发利用存在的关键问题,以形成具有中国特色的选矿学派。 2、建立“综合选矿理论体系” (1)将有关物理、化学、地质矿物、流体、磁电等基础理论与选矿工艺结合; (2)将高科技如生物工程、高能技术、微电子、超导等与选矿工艺结合; (3)多种力场结合,从而派生出高效的新的选矿技术体系。 3、进行选矿工程的“数字化、最优化、自动化”机制的研究,把目前选矿工程基本处于“实验科学”的阶段发展为“理论科学”。大力推广计算机在“选矿数学模型、模拟、最优化、自动化”领域的普及应用。
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