选矿 (mineral processing)

利用各种矿物的物理性质、化学性质或物理化学性质的差异，富集一种或多种有价矿物成为精矿的一门应用学科。它广泛应用于矿石原料加工工业，在冶金工业中，选矿是介于采矿与冶炼之间的一个矿物加工过程，加工对象主要是金属矿物。自然界的矿产资源经过长期的开发利用之后，矿石中矿物组成较简单、有价矿物含量较高、经过简单的人工处理就可以直接利用的富矿，储量越来越少。大量的、必须经过选矿才能有效利用的贫矿、或者矿物粒度嵌布微细的难选矿和矿物组成复杂的多种有价矿物共生矿，已成为20世纪以来的主要矿物资源。选矿技术的发展，扩大了矿产资源的利用范围，且在开发利用二次资源方面也大有作为。原矿经过选矿富集成为精矿，减少了冶炼的原料运输费用及辅助原料的消耗，简化了提取金属的工艺过程，有利于节约能源和降低冶炼成本；而共生矿中各种有价矿物的彼此分离并富集成各自的精矿，实现了矿产资源的综合利用。各种选矿方法的形成及选矿工艺的发展，涉及到的学科很多，主要有矿物结晶学、工艺矿物学、力学、流体力学、磁学、电学、电化学、表面化学、物理化学、胶体化学、溶液化学、有机化学和结构化学等。此外还涉及到环保科学以及为实现选矿过程最佳化的数学模拟和自动控制等。

发展简史选矿是一种应用很早的古老工艺，但它在原料工业中成为矿物工程学不过百余年的历史，故又是一门较为年轻的应用学科。早期人们将用简单的加工方法处理金属矿石称为选矿(oredressm‘g)，以后经过长期实践，不仅处理对象扩展到非金属矿物原料的选别，同时，加工工艺不断改进和复杂，所以欧美各国改称为矿物加工(mineI。alprocessl’ng)，但在中国仍沿用选矿的名词。早年人们按照矿石的不同色泽和矿块的大小，以手工拣取或筛分其中的有价矿物，丢弃废石，是为选矿的萌芽。此后借助水力，利用简陋工具淘洗黄金或其他密度较大的矿物；以手锤击碎大块矿石；用畜力或人力捣碎，凭匠人的技巧富集有价矿物。对这种人工操作的选矿方法，中国唐代的《蛮书》和明代宋应星的名著《天工开物》(1637年初刻)等均有记载；在欧洲，德国人阿格里科拉(G．Agricola)的传世之作《论冶金》(Deremetallicalibrixll，1556年出版)也用文字和图画作了生动地描述。(参见彩图插页第1、2页)1848年德国哈兹(IJarz)铅矿制成第一台机械传393×uan选动的活塞跳汰机后，许多学者应用物体在流体中的运动定律，研究了跳汰机内矿粒群的松散、沉降、分层等规律，解释了重选原理，并以此改进跳汰设备。1893年美国威尔弗雷(A．R．w|Ifley)根据前人研究的矿粒群在床面上流膜层中的运动规律，在床面上增设了隔条，设计了适合床面不规则往复运动的机头，发明了威尔弗雷摇床，提高了细粒重选设备的处理能力，使重选成为当时的主要选矿方法。19世纪末，干式电磁选机在工业上得到应用；20世纪初，又出现了湿式电磁选机，提高了磁铁矿的分选效果；1880年以后，各种电选机问世，扩大了机械选矿的领域。在粉碎矿石方面，引用了破碎机、磨矿机、分级机和筛分机等机械设备，进入了机械选矿的世纪。1909年美国理查兹(R．H．Rk：hards)根据他自己多年来的实验室研究，并在调查和收集许多选矿厂生产实践资料的基础上，撰写了第一部较为完整的选矿教科书《选矿》1～4卷，反映了当时选矿发展的进程。

20世纪20年代以前的数十年中，浮选方法开始发展。1860年英国海恩斯(w．Haynes)发现硫化矿物能被油润湿，形成的聚集体可以在水中与脉石矿物分开，从而发明了用大量油来分选硫化矿与脉石的方法，成为浮选的先驱。1877年德国贝塞尔(Bessel)兄弟发现石墨矿与烃油混合，加水煮沸，石墨随同烃油浮至水面而脉石遗留水中，获得了浮选法专利。在这个分选过程中，他们认识到气泡的作用，1886年又提出了在矿浆中用酸作用于碳酸盐或金属来产生气泡进行浮选的第二个专利。在浮选方法发展的进程中，为了在矿浆中产生气泡使用了下列一些方法：(1)将矿浆煮沸以析出溶解的空气；(2)加酸在矿浆中产生气泡；(3)根据矿石的组成，加酸加热；(4)使矿浆具有一定的位差，落入浮选槽内混入空气；(5)在浮选槽的底部通过织物压入空气，对矿浆进行强烈搅拌。但硫化矿与脉石的分选，仍需用大量的油类作为矿物颗粒捕收剂，故称之为全油浮选。1885年布雷德福(H．Brad。ford)提出了不用油类聚集硫化矿的表层浮选方法，其特点是利用硫化矿的疏水性能，使它漂浮在水面上与脉石分开，取得了专利。1904年拜凡(A．J．F．DeBavey)取得表层浮选法专利，并于次年在工业上应用。1905～1906年，英国矿物分离公司(Ml’neralSeparatIonLtd．)的苏尔曼(H．LSulman)、皮卡德(H．F．：Picard)和查普曼(G．A．chap—man)分别在英国的实验室和澳大利亚布罗肯希尔(BrokenH．11)矿用少量的油加入矿浆中搅拌，使载有硫化矿颗粒的气泡上升至液面，脉石矿粒则沉在底部，从而建立了今天的泡沫浮选法。1910～1912年布罗肯希尔矿又发明了在碱性矿浆中用桉树油浮选方铅矿和用重铬酸钠抑制方铅矿的铅锌矿优先浮选新方法，丰394富了浮选工艺。1921年珀金斯(c．IJ．Perkins)发现了含有二价硫及三价氮的水溶性有机化合物可以替代油类作为捕收剂，特别是1925年用黄药作硫化矿的捕收剂后，捕收剂用量大幅度减少，浮选成本降低，泡沫浮选遂成为分选细粒矿物的主要方法之一，使选矿工业发生了革命性的进展。

自从以黄药作为捕收剂后，许多学者对浮选理论进行了广泛的研究。1928年美国高登(A．M．Galadin1900～1974年)和他的学生依据物理的、化学的和物理化学的规律，探讨了纯矿物颗粒在矿浆中的浮选行为。1932年他在《浮选》一书中，应用表面化学的观点，论述了泡沫浮选的基本原理。1943年萨瑟兰(K．LSutherland)和沃克(I．w．Wark)在他们撰写的《浮选原理》一书中，阐述了他们的实验结果及观点，提供了大量的多种矿物的可浮性曲线。1933年苏联出版了列宾捷尔(Ⅱ．A．Pe6nHⅡep)撰写的《浮选过程的物理化学》。通过学者们的研究，人们对浮选过程的机理有了较为清晰的了解。20世纪的前50年中，拣选机的问世，重介质选矿用于预先富集，矿石堆浸技术的应用以及传统选矿设备的改进，不仅提高了选矿技术水平，而且发展了理论，使选矿逐渐成为一门独立的应用学科。．20世纪60年代以来，粉碎设备和浮选机的大型化，细粒重选和微细颗粒浮选的发展，湿式强磁选及选冶联合流程的应用，使选矿技术又迈进了一大步。1976年美国矿冶石油工程师学会为纪念高登而出版的文集《浮选》中，一些现代知名浮选学者分别撰写了浮选基本原理、非金属矿和硫化矿的浮选基础以及浮选回路和操作控制等论文。1982年中国王淀佐应用近代应用化学和物理学，在原子一电子层次深入探讨了浮选理论，阐述了浮选药剂作用机理及其分子设计，使浮选理论和浮选药剂又有了重要的发展。利用电子、激光等新技术的成就，选矿检测技术大为提高，实现了选矿过程关键工艺参数的检测与控制，促进了选矿自动化的发展，选矿生产指标和劳动生产率大幅度提高。计算机的应用，更使选矿过程从稳定化控制向最佳化控制发展。

工艺过程主要包括矿石粉碎、矿物分选及选矿产品处理三个部分。它们由物料贮存和输送等作业连接起来组成生产流程。有些选矿厂为了保持原矿性质的相对稳定，设置矿石匀化作业，也有少数选矿厂，对矿石进行焙烧或干燥，以适应分选工艺的要求。

矿石粉碎矿山采出来的大块矿石是多种矿物的集合体，经过粉碎，缩小块度，解离成单体矿物，以便实现分选。矿石粉碎由破碎、筛分和磨矿、分级两个作业系统完成。矿石含泥量大时，则增设洗矿和脱泥作业。

(1)破碎。通常分粗碎、中碎和细碎三段，最终破碎粒度一般为8～25mm。各段破碎机之间配置有筛分作业；细碎段常与筛子组成闭路运行，以保证产品粒度。根据原矿块度和矿石的岩矿性质，破碎也可以分为两段；采用自磨机的选矿厂常用一段粗碎。破碎车间的生产原则流程如图1所示。粗碎设备有旋回式破碎机、颚式破碎机、锤式破碎机等。中碎和细碎常用标准型和短头型圆锥破碎机。图1破碎车问生产原则流程图+筛上物料；一筛下物料(2)筛分。用格条或筛网进行，矿石物料按格条孔隙或网孔大小分成筛上和筛下产品，通常用于筛分块状和粗粒的物料。各种类型的振动筛是广泛采用的筛分设备。

，(3)磨矿。破碎产品在滚筒体内被磨矿介质进一步击碎和研磨，使矿物从矿石中解离。矿石磨得愈细，矿物的解离(单体分离)愈完善，但过细磨会使磨矿功耗猛增，且导致已单体分离的矿物颗粒过粉碎，不利于分选回收。合理的磨矿细度，也就是矿物的单体解离度，取决于矿物在矿石中的嵌布特性(或称浸染特性)和分选工艺的技术要求，反映最佳经济效益。选矿工作者习惯用磨矿产品中粒度小于200目(一o．074mm)的百分数来表示磨矿细度，如65％小于200目。当磨矿细度要求很细时，则以小于325目(一O．044mm)的百分数表示。磨矿机按磨矿介质的材料和形状分为棒磨机、球磨机、砾磨机和自磨机等。磨矿机与分级设备或筛分设备闭路运行。根据工艺要求和磨矿细度的合理分配，磨选xuan矿作业也经常分段进行。其原则流程如图2所示。滤饼回水图2磨矿、与分选车间及脱水车间生产原则流程图(4)分级。矿粒在水介质或空气介质中按沉降末速的不同，分成不同的等降粒级。它不但应用于磨矿作业，也是重选过程中的一个准备作业。工业上常用的分级设备有水力分级机，螺旋分级机和水力旋流器等。

(5)洗矿。用水力将含泥量大的原矿在筛子上冲洗，或在洗矿机中擦洗、松散，以脱去矿泥。洗矿除可以防止矿泥堵塞有关设施和设备外，并可回收有价可溶物或排除有碍分选作业的泥质物。

矿物分选选矿过程的主体作业。有拣选、重选、浮选、磁选、电选和化学选矿等。分选作业往往由粗选、精选和扫选组成。

(1)拣选。主要用作矿石的预选。以人工按矿石色泽或形态进行的手选是最古老的拣选方法，至今仍有应用。20世纪40年代以后发展起来的机械拣选机，是检测矿物特有的物理性质。如吸光率、放射性射线或x射线的吸收率、导电性和磁性等，将检得的信号，传递给机械拣取机构，从矿石流中拣选出目的矿物。

(2)重选。利用矿石或矿粒群的密度差异，在介质(水或空气)中经过松散和分层进行分选。由于矿粒的分层还与粒度的大小有关，所以矿石入选前尚需预先分级。重选是金属氧化矿的主要选矿方法，在浮选问世前，应用十分广泛。重选处理粒度一般从几百毫米至O．03ram；中国创造的离心选矿机和英国的巴特莱斯一莫兹利翻床等，处理粒度下限可达10肛m。重选成本低，环境污染小，适用于密度差较大的矿物。按入选矿石粒395xuan选度大小，重选分为跳汰选矿，摇床选矿和溜槽选矿等。处理粗粒级物料的跳汰选既可进行分选作业，也常用作预选作业。摇床选的适宜粒度为1～O．05mm，小于O．05mm的细粒物料则用溜槽或离心选矿机处理。有些矿石(如铅锌矿)，在磨矿前常用重介质选矿方法预先富集，弃去一定数量的尾矿，借以提高入选原矿品位，增加选矿厂处理能力，降低能耗及材料消耗，增加经济效益。

(3)浮选。利用矿物颗粒表面对水的不同润湿性进行分选。天然疏水性矿物极少，为了有选择地增强某一矿物颗粒表面的疏水性，使其附着于气泡上浮，必须在矿浆中添加各种浮选药剂，以调整矿物颗粒表面的润湿性，其中主要是捕收剂、调整剂和为保持气泡一定稳定性的起泡剂。浮选的应用范围很广，已成为分选矿物原料的一个重要选矿方法。主要处理硫化矿及细粒嵌布的矿石；也可用来分选冶炼的中间产品，溶液中的离子(离子浮选)及处理工业废水和从海水中回收金属离子。20世纪70年代以来，改进了浮选设备，采用大型浮选机和浮选柱，发展了微细矿粒(小于5～10“m)的浮选工艺，如选择性絮凝浮选和疏水性团聚浮选。20世纪80年代，中国学者在深入探讨浮选机理的基础上，开发了无捕收剂的电化学控制硫化矿浮选的新方法。

(4)磁选。利用矿物颗粒磁性的差异进行分选。强磁性矿物，如磁铁矿，用弱磁场磁选机分选；弱磁性矿物，如赤铁矿和黑钨矿等，用强磁场磁选机分选。赤铁矿经过磁化焙烧变成强磁性矿物，这样，可用弱磁场磁选机分选。磁铁矿石入选前用磁滑轮进行预选，弃去部分废石。20世纪60年代以后发展了以齿形不锈导磁钢板为聚磁介质的湿式强磁场磁选机；70年代又发展了以钢毛和钢板网为聚磁介质的湿式高梯度强磁场磁选机；80年代中国制造并应用了湿式脉动或振动高梯度强磁场磁选机，处理细粒弱磁性矿物。利用超导技术研制的超导磁选机也在南非和土耳其等国应用。

(5)电选。利用矿物颗粒的不同导电性，在高压电场下分选出导体矿物、半导体和非导体矿物。电选多为干式作业，分选时物料须先经干燥和分级；只是在处理难选矿和极细粒(小于20,v．m)物料时才在介电液中进行。电选机处理能力小，粒度适应范围窄，但分选效果好，通常电选与重选、磁选等作业联合应用，作为重选或浮选粗精矿的精选作业；普遍应用于海滨砂矿中金红石、锆英石、钛铁矿、独居石、钽铌矿、锡石等矿物的分选。电选机按电场不同，分为静电选矿机、电晕选矿机和复合电场选矿机，一般由两个以上的装置串联成机组，以保证产品质量。

(6)化学选矿。根据矿物化学性质的不同，利用焙396烧、浸出、萃取、离子交换等技术处理原矿或中间产品，取得化学精矿；常与物理选矿方法联合应用。混汞法和氰化法提金是最早应用的化学选矿方法。20世纪40年代以后，发展了酸浸一沉淀一浮选、堆浸和离析一浮选等技术用以处理氧化铜矿和金矿。化学选矿的成本虽然较高，但适应性强，分选效果好，而且随着复杂共生矿和细粒难选矿资源的开发，其应用将日益受到重视。化学选矿与提取冶金工艺十分相似，只是化学选矿所处理的原料是矿山采出的原矿或难选矿的中间产品；而提取冶金所处理的原料则为选矿取得的精矿。

产品处理选矿厂产出的精矿或尾矿以及尚需另行加工的中间产品(中矿)，需要进一步处理，如脱水、尾矿处理和回水等。

(1)脱水。包括浓缩、过滤和干燥等作业。选矿过程除了拣选和电选外，其他选矿方法绝大多数以水为介质，因此选出的精矿或中矿必须经过脱水。浓缩用浓缩机或水力旋流器，将矿浆水分降至50％左右，习惯上再用真空过滤机过滤，进一步降低水分。为了提高浓缩和过滤效率，在浓缩机内可添加絮凝剂，在过滤过程中添加助滤剂。根据精矿过滤的难易，滤饼水分一般在10％～14％之间。20世纪70年代发展了自动压滤机和连续压滤机，滤饼水分可降至8％左右。干燥用干燥窑或采用喷雾干燥、流态化干燥等技术。可用脱水筛、脱水仓或螺旋分级机等进行粗粒精矿的脱水；尾矿在尾矿库内沉淀脱水，也有先经浓缩再送尾矿库的。(见选矿产品脱水)(2)尾矿处理。尾矿数量很大，尤其是有色金属矿，常占选矿处理量的90％以上，就是原矿品位较高的铁矿选矿厂，也常在50％以上，需要筑坝堆存，以防止污染环境和水系，也便于日后选矿技术发展时，进一步利用其中的有价矿物。物理性质适宜的尾矿，可作为地下矿采空区的充填料或建筑材料。矿山的复垦、植被技术也可用来处理尾矿。

(3)回水。浓缩机的溢流水及尾矿库内的澄清水可直接返回，或经过净化处理后返回选矿厂重复使用(见尾矿回水)。但水质应满足分选作业的要求。选矿厂的排放水必须符合国家废水排放标准。

物料贮存保证选矿厂车间之间或破碎设备之间正常运行的重要作业。贮存原矿的有矿仓或贮矿场，贮存破碎产品的有粉矿仓和破碎设备之间的中间矿仓。精矿的贮存，除有精矿仓外，精矿脱水用的浓缩机兼有贮存精矿的作用。(见原矿及产品贮存)物料输送块状干物料主要用带式输送机输送；矿浆用管道或溜槽输送，常利用设备间的位差自流输送，必须扬高时采用砂泵或隔膜泵(见原矿及产品运输)。选矿指标衡量选矿效果的最重要指标是精矿质量和金属回收率。精矿质量包括主金属的品位以及冶炼过程中有害杂质的含量和可以回收的有价金属含量、精矿粒度及水分。金属回收率是指原矿中某一金属被富集到精矿中的量占原矿中该金属量的百分数。也可以用原矿、精矿和尾矿的品位计算而得。

问题与展望当前选矿生产中的突出问题是能耗高，在环境保护方面不能符合日益严格的要求；对微细矿物和复杂多种有价矿物共生矿的分选技术尚需进一步提高。传统的矿石破碎与磨矿设备能耗较大，往往占选矿厂总能耗的50％以上。开发新型的破碎和磨矿设备是今后的重要课题。选矿厂破碎、干法分选及干燥车间粉尘量大；选厂排放的废水中微细固体物和一些金属可溶性盐类的浓度高；尤其浮选厂的排放水中又含有残余药剂，严重污染环境；尾矿的堆存，不但占用大量土地，且破坏生态平衡，因而，尚需不断开发经济而有效的粉尘处理技术和废气、废水净化技术，积极开展尾矿利用的研究。

矿产是一次性资源，随着人们大量地开采利用，蕴藏量不断减少，必须尽量回收有价矿物，综合利用资源。对工业生产过程中废弃的金属屑、熔渣，以及城市垃圾中的金属物件应研究其有效的回收工艺技术，充分开发利用这类二次资源。此外，海水中溶解有丰富的金属离子，研究其回收利用方法是值得注意的问题。同时20世纪50年代发现的大量海底矿产资源，特别是锰结核，由于成分非常复杂，而且共生矿物的性质又十分相似，所以从这种海底锰结核中分选和提取有价组分已成为世界发达国家瞩目的问题。

深入研究选矿理论，开发新工艺、新设备和新药剂，人为地扩大矿物性质上的差异，使其更有效地分选微细矿粒和复杂难选矿石，将是推动选矿科学的发展和提高选矿技术水平的一个重要方向。利用预先富集作业和实现选矿自动化，进行选矿过程控制，则是提高选矿效率和生产水平的方向。