李宇新 童曉蕾 李艷 熊劍平

1 湖北宜化礦業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443100 2 北京霍里思特科技有限公司，北京 102600 3 中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，北京 100101 4 清華大學(xué)精密儀器系，北京 100084

宜昌礦區(qū)是中國較大的磷礦資源聚集地，總磷礦儲量達(dá)9.5億t左右，其中大部分為中低品位磷礦，主要采用重介質(zhì)--反浮選聯(lián)合工藝流程得到高品質(zhì)磷精礦，但受到環(huán)境保護(hù)和成本限制，需要找到更高效、節(jié)能、環(huán)保的選礦工藝。X射線智能分選技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)七70年代[1]，首先研究的是錫礦石的分選，之后拓展到鎢、鉬、金等稀貴金屬的應(yīng)用，拓展到多金屬礦的分選并取得成功；X射線智能分選技術(shù)具有高效、節(jié)能、環(huán)保的技術(shù)優(yōu)勢，宜昌磷礦中低品位磷礦石能否適用該分選技術(shù)，使用該技術(shù)是否比重介質(zhì)--反浮選聯(lián)合工藝綜合效益明顯，本文將從宜昌磷礦的礦石性質(zhì)和選礦現(xiàn)狀談起，逐步探討上述問題的可能性。

1 宜昌礦區(qū)磷礦概述

宜昌磷礦含磷巖系產(chǎn)生于震旦系上統(tǒng)陡山沱組[2]，屬海相化學(xué)沉積磷塊巖礦床。共有Ph1、Ph2、Ph3三個(gè)含磷礦層[3]，開采的主要工業(yè)礦層為下磷層（Ph1）和中磷層（Ph2）。

礦石工業(yè)類型主要為硅鈣質(zhì)磷礦[4]，主要有用礦物為泥晶、微晶氟磷灰石和碳氟磷灰石（俗稱“膠磷礦”，以下磷酸鹽礦物統(tǒng)稱“膠磷礦”），脈石礦物主要有白云石，石英、方解石、長石和粘土礦物等。礦石結(jié)構(gòu)主要為致密磷塊巖結(jié)構(gòu)、假鮞狀結(jié)構(gòu)、砂屑結(jié)構(gòu)和砂礫屑結(jié)構(gòu)。礦石的構(gòu)造分為條帶狀構(gòu)造，角礫狀構(gòu)造，致密塊狀構(gòu)造、層狀構(gòu)造和細(xì)脈狀構(gòu)造。磷酸鹽礦物與脈石礦物各自相對集中呈條帶狀分布[5]，條帶分布不均勻，條帶間有泥質(zhì)薄膜，條帶結(jié)合不緊密，條帶之間硬度差別大，易于單體解離。

2 宜昌各磷層磷礦選礦技術(shù)現(xiàn)狀

為了有效利用宜昌磷礦資源，針對宜昌磷礦的特性，從2005年開始采用重介質(zhì)—反浮選聯(lián)合工流程，目前宜昌礦區(qū)已經(jīng)形成400多萬t重介質(zhì)選礦處理能力。主要工業(yè)礦層至上而下為頂板、上貧礦、中富礦、下貧礦和底板，各個(gè)礦層密度不同（表 1）。以目前宜化礦業(yè)花果樹選廠為例，分別介紹各礦層磷礦選礦現(xiàn)狀。

表1 殷家坪磷礦各礦層密度Table 1 Density of ore beds in Yinjiaping phosphate mine

2.1 下磷層磷礦重介質(zhì)選礦

宜昌礦區(qū)東部下磷層為主，如殷家坪礦、蘇家坡礦等，下磷層圍巖分界明顯，頂板為穩(wěn)固的白云巖，底板為泥質(zhì)頁巖。礦石破碎到15mm時(shí)，礦物解離可達(dá)到90%以上，礦石與脈石比重差較大，多采用分層開采和重介質(zhì)選礦。

下磷層以殷家坪原礦為例，平均品位 P2O5為 23.20%（表 2）[6]。下磷層磷塊巖密度（2.93g/cm3）與頁巖脈石密度（2.75g/cm3）相差較大，目前花果樹選礦廠采用粗、中和細(xì)三段一閉路破碎系統(tǒng)，一級篩分和一段重介質(zhì)選礦流程。P2O5為20%的原礦經(jīng)重介質(zhì)選礦可得到 P2O5為 26%精礦和P2O5為8%尾礦，精礦產(chǎn)率66.7%，綜合回收率在85%以上。

表2 殷家坪原礦多元素分析Table 2 Multielement Analysis of Yinjiaping Mine

2.2 中磷層磷礦重介質(zhì)選礦

宜昌礦區(qū)西北部中磷層為主，如杉樹埡礦、江家墩礦等。礦層平均厚度較大，層狀構(gòu)造分布明顯，礦石以白云巖條帶狀磷塊巖、致密條帶狀磷塊巖為主[7]。礦層與圍巖分界不明顯，頂板和底板均為白云巖，磷塊巖條帶寬度為1～35cm，磷塊巖條帶占比為40%～70%，白云巖條帶寬度為1～40cm，磷塊巖條帶與白云巖條帶之間均大部呈不緊密結(jié)合，在較粗粒度下可大部分解離。目前多采用分區(qū)開采，重介質(zhì)-反浮選聯(lián)合選礦工藝流程。

中磷層磷塊巖密度大于 2.93g/cm3的占88.28%，脈石密度小于2.85g/cm3的占99.31%，兩者密度僅相差0.08g/cm3，重介質(zhì)選礦接近密度分選帶部分礦石夾雜現(xiàn)象嚴(yán)重，重介質(zhì)選礦效果不理想。重選磷精礦含鎂較高，若往上提高磷精礦品位，則造成磷精礦跑尾，產(chǎn)率降低,回收率降低。

中磷層以杉樹埡磷礦為例（表3），對杉樹埡中磷層磷礦采用重介質(zhì)-反浮選聯(lián)合工藝流程。P2O5為22.20%原礦通過粗、中和細(xì)三段一閉路破碎，將礦石破碎到 20mm以下。經(jīng)篩分分級，-10mm粒級產(chǎn)率 32%，P2O5含量 26%；+10mm粒級產(chǎn)率68%，P2O5含量20%。+10-20 mm粒級原礦經(jīng)過重介質(zhì)選礦，獲得粗精礦產(chǎn)率60%，P2O5含量26%左右，綜合回收率78%。重選粗精礦與-10mm粒級產(chǎn)品合并進(jìn)入反浮選，最終可獲得P2O5含量30%左右的磷精礦。

表3 杉樹埡原礦多元素分析Table 3 Multielement analysis of Shashuya mine

3 X射線智能分選技術(shù)在宜昌磷礦選礦的研究應(yīng)用

X射線智能分選技術(shù)要求脈石礦物與有用礦物在X射線透視后具有光譜特異性，易于系統(tǒng)進(jìn)行礦物識別；X射線智能分選要求所選礦石為塊狀、顆粒狀，破碎篩分后能夠得到適宜的礦石粒度，便于系統(tǒng)對礦物進(jìn)行有效機(jī)械分離；X射線智能分選要求所選礦石礦化不均勻，入選的塊狀礦石間品位有明顯的差異。

3.1 XNDT-104X射線分選技術(shù)原理

XNDT-104X射線智能分選系統(tǒng)由傳感系統(tǒng)、智能識別系統(tǒng)和分離系統(tǒng)構(gòu)成[8]。采用X光透射（傳感系統(tǒng)）及電腦圖像處理技術(shù)（智能識別系統(tǒng)）對礦物進(jìn)行識別后，再采用高壓噴吹裝置（分離系統(tǒng)）進(jìn)行分離（圖1）。

圖1 XNDT-104X智能分選系統(tǒng)圖Fig.1 XNDT-104X Intelligent Separation System

X光機(jī)可發(fā)射連續(xù)能譜的X射線，由X光探測器采集對該信號進(jìn)行采集，X光機(jī)和探測器共同構(gòu)成分選系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)（圖2）。

圖2 X射線透視傳感系統(tǒng)圖Fig.2 X ray perspective sensing system

XNDT-104在傳感系統(tǒng)完成信號收集后，將有效信號傳遞給智能識別系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)識別。

當(dāng)X射線經(jīng)過礦石時(shí)，礦石中不同成分的物質(zhì)對X射線產(chǎn)生特異性衰減，從而使得X光探測器接收到的信號產(chǎn)生特異差。此差異滿足：

式中，I0基礎(chǔ)X光信號；I為被礦石衰減后的X光信號；μ為射線穿透路徑上礦石內(nèi)部物質(zhì)對X光的綜合衰減特性；L為此路徑上礦石的厚度。

傳感系統(tǒng)中采用的X光機(jī)，發(fā)射的為混合X光能量譜。其中，截止能量值稱之為 KVP或者KV，每一個(gè)能量譜點(diǎn)稱之為kev。通過光譜校正，可以調(diào)整不同能量段的光譜強(qiáng)度和比例，從而獲得對物質(zhì)識別最為有利的能譜構(gòu)成。圖3展示了XNDT-104調(diào)制后的一組160KVP擬合譜線。

圖3 XNDT-104系統(tǒng)的X光機(jī)擬合能量譜圖Fig.3 Energy spectrum graph of the X photometer of the XNDT-104 system

XNDT-104在智能識別系統(tǒng)完成對每一塊礦石的物質(zhì)識別鑒定后，將每一塊礦石的運(yùn)動(dòng)信息以及鑒定信息傳輸給分離系統(tǒng)。

分離系統(tǒng)由智能控制系統(tǒng)和高壓氣噴執(zhí)行系統(tǒng)兩個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)建而成。其中智能控制系統(tǒng)接收由識別系統(tǒng)傳輸?shù)拿恳粔K礦石相關(guān)信息，轉(zhuǎn)換成對高壓氣噴執(zhí)行系統(tǒng)的控制指令；高壓氣噴執(zhí)行系統(tǒng)通過壓縮高壓空氣，完成對控制指令的執(zhí)行，以塊為單位對特定礦石通過噴吹系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)打擊，實(shí)現(xiàn)有用礦物和脈石礦物的分離。

3.2 磷礦石分選可以采用光電選礦技術(shù)

3.2.1 X光可以對磷礦進(jìn)行識別

每一種不同的物質(zhì)對每一個(gè)譜段的X光的衰減特性都為特異的[9]，這種特異性既包括物質(zhì)特異性，也包括光譜特異性。即在相同的光譜能量下，每一種物質(zhì)的μ都具有特異性，同時(shí)針對每一種物質(zhì)，不同的X光光譜段下，μ也具有特異性，礦物中磷、硅、鎂等礦物元素對X光透視具有特異性（圖4）；可以看到，對單物質(zhì)而言，以磷為例（紅色曲線），隨著 X光能量在一定范圍內(nèi)改變，μ也隨之單調(diào)變化；對于不同物質(zhì)而言，同一X光能量下，硅、鎂、磷對應(yīng)的μ也各不相同。正是由于硅、鎂、磷的μ對X光有能量特異性以及物質(zhì)特異性，才從原理上使得采用X光對磷礦進(jìn)行識別具有可行性。

3.2.2 宜昌磷礦石特征適合應(yīng)用光電技術(shù)

宜昌磷礦石主要為粒屑結(jié)構(gòu)、條帶狀構(gòu)造，磷集中在磷塊巖條帶中，有害雜質(zhì)主要分布在脈石條帶中。條帶間結(jié)合不緊密，易于單體解離，在較粗的破碎粒度下可實(shí)現(xiàn)磷塊巖和脈石礦物的解離；塊狀脈石礦物中P2O5含量和磷塊巖中P2O5含量差別大，礦化不均勻；脈石礦物白云石和石英等與礦石礦物膠磷礦在X射線透視后具有光譜特異性；以上三方面情況，反映宜昌磷礦適宜于光電分選。

圖4 磷、硅、鎂對X光譜的特異吸收圖Fig.4 Special absorption chart of phosphorus,silicon and magnesium by X spectra

3.2.3 XNDT-104智能識別系統(tǒng)針對宜昌地區(qū)磷礦的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

XNDT-104智能識別系統(tǒng)為宜昌磷礦針對性設(shè)計(jì)了X光機(jī)的能譜區(qū)間及X光探測器的敏感能譜采集區(qū)間，為智能識別系統(tǒng)深度學(xué)習(xí)提供對磷、硅、鎂相對敏感的X光透視數(shù)據(jù)。

針對宜昌磷礦礦物特性，采集具有代表性的磷礦石樣品，用于 XNDT-104識別模型初步建立。并對不同粒度下的礦石樣本，綜合優(yōu)化模型，在保證磷礦石較好回收率的情況下最大化提高分類的準(zhǔn)確率。圖5為湖北宜昌杉樹椏磷礦石聚類訓(xùn)練效果圖，其中紅色為膠磷礦樣本類訓(xùn)練后的識別結(jié)果，藍(lán)色為脈石礦物樣本類訓(xùn)練后的識別結(jié)果，可以看到基于經(jīng)過設(shè)計(jì)后的X光系統(tǒng)，兩類礦石在識別系統(tǒng)中具有較好的類間差異，可以實(shí)現(xiàn)有效區(qū)分。

圖5 湖北宜昌杉樹椏磷礦石聚類訓(xùn)練效果圖Fig.5 Effect drawing of cluster training on phosphorus ore of Shashuya in Yichang city, Hubei Province

3.3 X射線智能分選試驗(yàn)

3.3.1 下磷層礦石X射線智能分選試驗(yàn)

下磷層礦石以殷家坪磷礦為例，分選方案為原礦破碎—篩分—X射線分選。

從破碎篩分分析結(jié)果來看（表 4），+10mm粒級范圍內(nèi)， MgO含量大于 2%，高于原礦中MgO含量，分布率接近60%；P2O5含量 21%以內(nèi)，低于原礦中P2O5含量。脈石礦物（白云石）在粗粒級相對較多，解離較好；膠磷礦在細(xì)粒級時(shí)相對解離較好；-10mm粒級范圍內(nèi)的礦石可作為浮選原礦。

表4 殷家坪磷礦篩分分析結(jié)果Table 4 Results of screening analysis of Yinjiaping phosphate mine

從殷家坪磷礦X射線分選試驗(yàn)結(jié)果來看（表5），當(dāng)分選粒級在10～20mm范圍，拋尾30%效果較好。原礦品位在21%左右時(shí)，分選技術(shù)指標(biāo)為：精礦品位 27%左右，尾礦品位 8%左右，精礦回收率87%左右（表5）。X射線分選技術(shù)適用于下磷層礦選礦。

表5 殷家坪磷礦X射線分選試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Experimental results of X ray separation in Yinjiaping phosphate mine

3.3.2 中磷層礦石X射線智能分選試驗(yàn)

中磷層礦石以杉樹埡磷礦為例，分選方案為原礦破碎—篩分—X射線分選。

從破碎篩分分析結(jié)果來看（表 6），+20mm粒級范圍內(nèi)，MgO含量大于5.82%，高于原礦中MgO含量，分布率72.78%；P2O5含量22.30%以內(nèi)，低于原礦中P2O5含量。脈石礦物（白云石）含量在粗粒級相對較多，解離較好；-10mm膠磷礦 P2O5含量 26.56%，通過篩分分級，該粒級產(chǎn)品可直接作為精礦。

表6 杉樹埡磷礦篩分分析結(jié)果Table 6 Results of screening analysis of Shashuya phosphate mine

原礦通過破碎、篩分后，篩上產(chǎn)品（10～40 mm）進(jìn)入X射線智能分選機(jī)。通過不同批次原礦試驗(yàn)，得到以下分選試驗(yàn)結(jié)果（表7）。經(jīng)破碎篩分處理后的磷礦石，經(jīng)過X射線一次分選，得到磷精礦和尾礦。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，原礦品位P2O5含量大于 17%時(shí)，精礦品位 P2O5含量 26%以上，尾礦品位P2O5含量10%以下，精礦回收率在75%-86%之間。當(dāng)原礦品位P2O5含量大于19%時(shí)，精礦回收率在80%以上。

表7 杉樹埡磷礦X射線分選試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Experimental results of X ray separation in Shashuya phosphate mine

3.4 X-射線分選數(shù)據(jù)分析：

通過破碎篩分?jǐn)?shù)據(jù)來看，破碎分離時(shí)，脈石礦物顆粒相對較大，大多數(shù)存在于粗粒級產(chǎn)品中。

受地質(zhì)條件、開采環(huán)境影響，不同批次原礦品位波動(dòng)范圍較大（P2O5含量16%～22%）,對分選結(jié)果有一定影響。

宜昌磷礦采用破碎-篩分-X射線智能分選初級拋尾，大顆粒拋尾效果明顯，精礦品位 P2O5含量26%左右較為合適，原礦適宜的拋尾粒度需要根據(jù)礦石特性確定。

4 X射線分選與重介質(zhì)選礦對比

4.1 選礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對比：

重介質(zhì)選礦：下磷層（殷家坪）礦，原礦品位P2O5含量20%，礦石破碎粒度15mm，經(jīng)一段重介質(zhì)選礦，獲得的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為，精礦產(chǎn)率66%左右，精礦品位P2O5為26%以上，尾礦品位P2O5為 8%，綜合回收率在 85%以上。中磷層（杉樹埡）礦，礦石破碎到20mm以下，-10mm粒級產(chǎn)率32%，品位P2O5為26%；+10mm粒級產(chǎn)率68%，品位P2O5為20%。+10-20 mm粒級產(chǎn)品經(jīng)過一段重介質(zhì)選礦，獲得的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為，精礦產(chǎn)率60%，品位P2O5為26%左右，綜合回收率78%以上。

X射線選礦：下磷層（殷家坪）礦，礦石破碎粒度上限20mm，經(jīng)篩分分級，+10mm粒級產(chǎn)品品位P2O5為20%左右時(shí)，經(jīng)過一段X射線選礦，獲得的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為，精礦產(chǎn)率68%以上，精礦品位P2O5為26%，綜合回收率87%以上。中磷層（杉樹埡）礦，礦石破碎粒度上限50mm，經(jīng)篩分分級，+10mm粒級產(chǎn)品品位P2O5為19%以上時(shí)，經(jīng)過一段X射線選礦，獲得的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為，精礦產(chǎn)率 55%左右，精礦品位P2O5為27%以上，綜合回收率80%以上。

4.2 環(huán)境保護(hù)方面

X射線智能分選流程簡單，整個(gè)選礦流程為無水作業(yè)，不會產(chǎn)生廢水；相對重介質(zhì)選礦，X射線智能分選沒有后續(xù)介質(zhì)回收處理環(huán)節(jié)，有利于環(huán)境保護(hù)。

4.3 成本對比

從表8可以看出，X射線智能分選技術(shù)的成本低于重介質(zhì)選礦技術(shù)成本。

表8 X射線分選生產(chǎn)裝置與重介質(zhì)選礦生產(chǎn)裝置成本對比Table 8 Comparison of cost of X ray separation plant and heavy medium dressing plant

5 結(jié)論

X射線智能分選技術(shù)對宜昌中低品位磷礦分選有較好的適應(yīng)性，粗顆粒拋尾效果較好，綜合技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于重介質(zhì)選礦指標(biāo)。它克服了重介質(zhì)選礦過程中磷塊巖密度與白云巖密度差小，接近密度分選帶部分礦石夾雜的技術(shù)問題。

X射線智能分選在礦物充分解離情況下，可以適當(dāng)放寬入選粒級上限，減少破碎成本。對大顆粒拋尾效果明顯，可以代替人工手選，適合預(yù)先拋尾作業(yè)。

X射線智能分選生產(chǎn)工藝流程簡單，高效、節(jié)能、環(huán)保，生產(chǎn)成本明顯低于重介質(zhì)選礦工藝。

建議宜昌礦區(qū)可在礦區(qū)坑口附近或井下建立X射線智能分選裝置，對中低品位磷礦采用破碎-篩分-X射線智能分選工藝，預(yù)先粗粒度拋除廢石，提高礦石品位，節(jié)約成本和后續(xù)作業(yè)費(fèi)用。