礦物工程

礦物工程（Mineral Engineering）是根據自然界礦物物理、化學或物理化學性質的差異，利用物理、化學或生物化學的方法將礦產資源中有用礦物（或有用成分）和脈石礦物（或有害成分）分離的綜合加工過程，亦稱為“礦物加工工程”或“選礦工程”。

基本介紹

• 中文名：礦物工程
• 外文名：mineral Engineeri
• 簡介：套用技術學科
• 又名：選礦工程
• 詞性：名詞

簡介

礦物工程（Mineral Engineering）是根據自然界礦物物理、化學或物理化學性質的差異，利用物理、化學或生物化學的方法將礦產資源中有用礦物（或有用成分）和脈石礦物（或有害成分）分離的綜合加工過程，亦稱為“礦物加工工程”或“選礦工程”。

礦物加工工程的發展與人類對自然界礦產資源日益擴大的質與量的需要密切相關。選礦過程本身已有很長的歷史發展過程。很早就有手工揀選，後來發展成為簡單工具洗淘從砂石中間回收金、銀、錫等密度大的礦物，天工開物早有記載，這屬於選礦的原始階段。19世紀以後國外相繼出現了機械選礦設備如活塞式跳汰機、搖床、靜電選礦機、磁選機等，使重力選礦、磁選和電選等物理選礦技術有較大發展，從而促進了冶金工業大規模發展。20世紀20年代泡沫浮選的套用和各種浮選藥劑和設備的出現，大大促進選礦技術的發展，同時也促進了難選、複合礦及細粒嵌布礦產的開發利用。生產的發展和需要促使人們對選礦理論深入研究，從1867年P．R雷廷格爾(Rittiner)著《選礦學》開始，相繼有列賓捷爾的《浮選過程的物理化學》、A．M．高登(Gaudin)的《選礦原理》、利亞申科的《重選原理》，至1944年F．F塔加爾特(Tag．gart)編著的《選礦手冊》，選礦工程發展成為獨立的學科。

任務

選礦工程的發展就有可能對自然界“含量貧、結晶細、成分雜”的礦產資源進行開發、利用，並為下一步的深加工提供經濟上合理、技術上可行的初級原料或產品。由此可以看出選礦學科在國民經濟發展中的重要戰略地位，確定它的具體任務是：

1)提高有用礦物的品位，擴大礦產資源的利用處理範圍：據勘查我國貧礦多，富礦少，許多貧礦資源均需經選礦處理後才能作為下一步的工業原料。如黑色金屬中的鐵礦石，品位大於50%者僅占全國鐵礦總量的23%，其餘均需選礦後製造成人工富礦才能作為煉鐵原料；有色金屬中的銅礦石，銅品位大於2%者僅占我國銅礦石總儲量的6%，含銅小於1%占75%，都需經過選礦；非金屬礦石中磷礦石，品位大於或等於30%者僅占7%，其餘都必須經過選礦處理才能利用。

2)提高產品質量：非金屬礦高嶺土、膨潤土、沸石、螢石、矽灰石、硅藻土、絹雲母等都需要去掉鐵、鈦等雜質和提高白度；煤炭也需要洗選，降低灰分和硫、磷含量，才能生產合格的冶金焦炭。

3)共生、伴生成分的綜合利用：有色金屬礦石常是共生產出，由於它們互為雜質無法利用，需經選礦處理將所含礦物分離後分別富集才能作為冶煉原料。我國共生、伴生礦石特別多，例如白雲鄂博、攀枝花、大冶、長陽等鐵礦石都屬複雜共生礦石，它們占我國整個鐵礦資源的40%以上。有色金屬共生、伴生礦產占75%以上，如銅鉛鋅共生礦，銅精礦中的鉛、鋅是雜質；鉛精礦中的銅、鋅是雜質；鋅精礦中的銅、鉛是雜質；只有把他們分離後富集，方才能成為銅精礦、鉛精礦、鋅精礦。貴金屬的40%和銀的75%為伴生礦。

4)二次資源的開發利用：二次資源包括廢舊金屬及其它固體廢料，廢水和廢氣的治理和利用，在很大程度上依靠選礦技術。自然礦產的最大特點是數量有限和開發的一次性，因此“資源的循環使用”是最大的節約。據專家們統計，回收利用廢舊金屬消耗的能源與新開發礦產資源對比非常經濟，其能耗比，銅為1/6，鎳為1/10，鋁為1/20，鎂為1/21。美國每年再生金屬占西方國家40%，其價值達100多億美元。我國廢鋼利用率尚低，廢舊有色金屬利用率僅占總產量的11.2%左右。“三廢治理、環境保護”是目前世界共同關注的問題。例如我國全國固體廢料已堆有80多億t，占地90多萬畝，目前固體廢料的利用率約24%，每年有76%左右的固體廢料堆存。水是人類寶貴的資源，一般來說，工業產值每增加1%，工業廢水增加0.65%。我國水資源不豐富，人均占有水量只相當於世界人均占有水量的25%，隨工業的發展，用量加大，排放的污水量會增加，反過來又加大了對原有水源的污染。因此，水資源的合理利用與污水治理已成為當務之急。選礦工業用水量很大，排放的尾礦又是很大的污水源，節約選礦用水及循環水的使用有非常重要的意義。

5)海洋資源的利用。海洋資源包括海水中溶解的鹽類物質和洋底錳結核。海水中含有36種元素，除可提取NaCl、KCl、、、、B、I外，還可以提取氚等能源物質，開發利用前景廣闊。地球總面積的2/3為海洋，其中15%洋底覆蓋有錳結核，而且錳結核中富含Mn、Ni、Cu、Co、Fe等元素，例如我國沿海深2 000 m處就有大量含CO(0.5%)較高的錳結核。其中Mn、Ni、CO為陸地較缺少的資源，因此目前已有一些國家（包括我國在內）積極進行洋底錳結核的開發、利用研究。從長遠看，我國陸地短缺的一些礦產資源有可能由開發洋底資源彌補。

戰略地位

礦產資源是人類賴以生存和社會發展的基礎。當今世界有80%的工業原料和95%的能源取自礦產資源。隨著各國經濟的不斷發展，社會對礦產品的需求越來越多，它一方面促進了礦物加工工程技術的進步，另一方面污染了人類生存的環境。如何使礦產資源開發與環境保護協調發展，是目前世界各國面臨的共同問題。而自然資源開發利用的深度和廣度，依賴於科學技術的發展，其中選礦技術的發展起著很關鍵的作用。例如每立方公里的岩石中含Fe 1300萬t，Cu 26萬t、Sn 10萬t、Au 1萬t，如果用高新技術將其分離，則地球上提供我們可利用的資源是非常寬廣的，這將極大地促進社會經濟的發展。

發展趨勢

從80年代以來的發展動態看今後發展的趨勢：

1)打破傳統選礦工程的界限向深度和廣度方面發展。原選礦工程主要是指自然礦產資源的加工處理，而現將選礦技術擴大套用於“三廢”的處理、環境保護、海水溶物及海洋錳結核的開發利用。16屆、17屆國際選礦會議內容充分反映這一趨勢。16屆國際選礦會議主席法國J．E阿斯塔爾(Astier)所述“選礦工程是無界限的，它並無盡頭。因為隨著工業的發展對原料的需求量日益擴大，所以擴大選礦套用領域是客觀必然的發展趨勢。因此它不局限用於礦產采出後的加工，還應發展為礦床的就地套用，包括廢物的再生；選礦將以有力之勢向下一步工序延伸，與火法冶金、濕法冶金結合，在擴大選礦套用領域的同時，提高選礦本身水平、效益，同時要最大限度地減少對環境的污染。”這是選礦發展的總趨勢。

2)礦產資源的充分利用，進行“無尾工藝”或“無廢工藝”的研究。國外在儘量提高有用成分回收率的同時，非常重視資源的綜合利用，一般有色金屬綜合利用率達80%～90%以上。目前的趨勢是開展“無尾工藝”或“無廢工藝”的研究。前蘇聯一些選礦廠已實現上述目標，例如索科洛夫_薩爾拜採選公司將乾式磁選尾礦作水泥原料；列別金斯克鐵礦、克斯托姆克什鐵礦、奇涅依鈦磁鐵礦和科夫多爾鐵礦已進行“無廢工藝”的實踐。

3)新技術、新工藝的開發與套用。“多種力場”聯合作用的設備、多種藥劑“協同作用”的工藝。多種原理“聯合效應”的“綜合選礦技術”的研究和發展。例如離心式磁流體重選機；磁力一重力分選機；磁力旋流器；藥劑處理與磁選結合(例如用表面活性劑處理銅礦後用強磁選機從銅礦中分選黃鐵礦)。磁力搖床；絮鼯背負浮選；絮凝-磁種分選；電場浮選；加劑處理電選、電位控制浮選，以及藥劑對粉磨過程、分級過程、脫水過程的效應的綜合選礦技術研究等。

4)節能研究。礦物工程中40%~80%的能耗消耗於礦石的碎磨作業。根據統計全世界每年消耗於礦石碎磨作業的能耗約占全世界總發電量的3%~4%；美國和前蘇聯的磨礦能耗分別占其本國發電量的2%~4%。因此降低碎磨作業的能耗為國外非常重視的研究領域。據統計，傳統方法用於礦石碎磨的能耗大致分布如下：開採爆破3%～5%，破碎5%～7%，磨碎85%~90%。因此節能的主要指導思想是“能耗分布前移”，主要措施：①強化開採時爆破作業，這樣對岩石起一種“預松解”作用，可大大降低破碎、磨礦費用。這種方法在前蘇聯的格里申一普拉費寧及英吉列茨含鐵石英岩的工業試驗表明可降低磨礦費用10%以上。②70年代以後出現的超細碎破碎機及高壓輥碎機，以圖縮小人磨粒度。實踐證明，美國、德國、日本、前蘇聯生產的幾種類型的超細破碎機，除蘇聯慣性超細破碎機外，均達不到預期效果。③源於德國的高壓輥破碎技術在處理水泥料、爐渣等作業上套用，有很好的經濟效益，但能否用於選礦工業有待研究。總之到目前為止所採用的粉碎方法基本上屬於機械破碎。這就導致物料的“穿晶破裂”而不是“沿界面破裂”。因此不僅能耗高，易產生物料過粉碎，且設備笨重、部件磨損嚴重。理想的情況是“沿礦物界面的選擇性破裂”。這方面國外也作過一些研究，如加電壓破碎、超音波電能破碎、雷射幅射、高頻率振盪（電脈衝）一微波破碎、微波幅射等離子處理等。第十六屆國際選礦會議上，前蘇聯的雷尼夫茨也夫（Revnivtsev）在其“粉碎工藝技術需要革命”的總結性論文中指出“現有的破碎理論，諸如面積說、體積說及邦德的裂縫說建立於當時的有關物質強度、結構、破裂理論。現在依據新的斷裂力學、物質結構理論研究新的破碎理論，以發展新的、高效的破碎工藝技術。”

5)腐蝕機理及耐磨材料的研究。由於機械磨損及化學腐蝕使選礦過程消耗大量的金屬材料，為此國外進行了兩方面的研究，一為磨蝕機理的研究，一為耐磨材料的研究。加拿大對不同礦石濕式磨礦中介質磨損機理進行研究後指出某些物質有防腐蝕作用，有些物質有促腐蝕作用。指出加入亞硝酸鈉、鉻酸鈉或偏矽酸鈉作為防腐劑，可分別降低化學腐蝕量的49.4%、45.7%、45.9%。高錳鋼的“爆破硬化工藝”可使其深層硬化，減少磨耗。瑞典的斯克嘉及諾伯格公司生產的橡膠襯板，已在許多國家推廣使用，其壽命比一般錳鋼襯板提高3。5倍以上。80年代在美國、瑞典、挪威相繼試驗一種“磁性襯板”。這種襯板由於吸引磁性物料，表面自動形成保護層，大大延長了使用壽命。國外正在研究聚氨脂彈性體、陶瓷等新型耐磨材料在選礦上的套用。

6)專功能、高效率藥劑的研製。例如美國道爾公司生產的對Zn、Co、Cu、Ni硫化物及Pt、Pd等有很強捕收性能而對方鉛礦捕收性能很弱的藥劑；對硫化銅捕收性能很強而對其他礦物捕收能力很弱的藥劑。義大利研製的氧化鋅的專用藥劑；增加過濾效果的助濾劑，增加磨礦效果的助磨劑等。

7)高科技在選礦中的套用。超導磁選機已達套用階段，美國艾利茲磁力公司已生產直徑3．05m的超導磁選機。自然界的礦物都具有程度大小不同的磁性，利用超導磁選機的超導電性可很方便地實現大範圍內調節磁場強度，由此可實現各種礦物的磁分離。超導磁選是選礦技術的重大突破，目前要研究解決的是改進超導系統、提高產量、降低成本、擴大套用。

我國戰略目標

從20世紀80年代以來，世界各國在礦物工程技術領域不斷進行技術創新，以促進本國的礦產資源開發與綜合利用沿著可持續發展的方向前進。礦石粉碎方面：為了降低礦石的破磨能耗，國外開發了超細粉碎機和高壓輥式破碎機，並不斷研究外加電場、雷射、微波、超聲、高頻振盪、等離子處理礦石對粉碎和分選的影響；在礦物分選領域方面：已經或正在研究“多種力場”聯合作用的分選設備，以及多種原理“聯合效應”的“綜合分選技術”，並不斷將高技術引入礦物加工工程領域，例如將超導技術引入磁選，將電化學及控制技術引入浮選等等；為最大限度的利用礦產資源，世界各國競相研究開發無廢清潔生產工藝；在設備方面：為使企業獲得最大規模的經濟效益，研究開發的破磨、分選及固液分離設備趨向大型化；生產過程的檢測與控制方面：過程控制趨向自動化，並將“專家控制”與“最優適時控制”相結合，以達到根據礦石性質調整控制參數，使全廠的生產過程保持在最優的狀態下進行。技術方面：經過50年來的發展，我國的礦物工程技術已經取得許多引人注目的成就，擁有一批實力雄厚的科研機構和高素質科技開發人才，它為我國的礦產資源開發利用的可持續發展奠定了良好的基礎，為使我國礦物工程技術在較短的時間內全面趕上世界先進水平，必須注意在以下幾方面進行技術創新，這將是跨世紀快速發展的關鍵。

(1)研究開發高效預選設備，高效節能新型破磨與分級設備，以及固液分離新技術與設備，大幅度降低礦石破碎與固液分離過程的能耗，提高入選品位。

(2)研究各種能場的預處理對礦物粉碎和分選的影響，開發利用各種能場的預處理新技術，以提高粉碎效率及分選精度。

(3)在開發高效分選設備、高效無毒新藥劑中，重點研究複合力場分選新設備，多種成分協同作用的新藥劑以及處理貧、細、雜難選礦石的綜合分選技術。

(4)在礦石綜合利用研究中，重點開發無廢清潔工藝，加強尾礦中礦物分離、提純、超細改性的研究，使其成為市場需要的產品，為礦物原料工業向礦物材料工業轉化提供新技術。

(5)大力將高新技術引入礦物工程領域，重點開展礦業生物工程技術、電化學調控和電化學控制浮選技術、過程自動化尋優技術、以及用高技術改造傳統產業的新技術研究。

(6)加強基礎理論與礦物工程分選技術相結合的新型邊緣學科研究，促進新一代礦物分選理論體系的形成，並派生出新興的礦物分選和提純技術體系。