1、礦物加工學(xué)的現(xiàn)狀與發(fā)展 1、學(xué)科概述礦物加工學(xué)是在選礦學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展演變形成的學(xué)科體系。選礦學(xué)是用物理、化學(xué)的方法，對天然礦物資源(通常包括金屬礦物、非金屬礦物、煤炭等)進(jìn)行選別、分離、富集其中的有用礦物的科學(xué)技術(shù)，其目的是為冶金、化工等行業(yè)提供合格原料。礦物加工學(xué)是在選礦學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是用物理、化學(xué)、生物的方法，對天然礦物資源進(jìn)行加工(包括分離、富集、提純、提取、深加工等),以獲取有用物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)。其目的已不單純是為其他行業(yè)提供合格原料 , 也可利用其直接得到金屬、礦物材料等。2 選礦學(xué)科的形成人類利用礦物資源已有數(shù)千年的歷史。無論是公元前幾千年的古埃及，還是中世紀(jì)的羅馬帝國時代，

2、或者是中國古代，由于科學(xué)技術(shù)水平整體落后，社會生產(chǎn)力低，人類利用的礦物資源主要是通過手工作業(yè)從天然礦石中得到的，如淘金、人工溜槽、手動跳汰篩、洗礦槽等原始重選方法及鵝毛蘸油刮取浮在水面上的金粉等原始浮選方法。我國古代將原始的重選、浮選總結(jié)為“澄、淘、飛、跌”。我國明代宋應(yīng)星所著天工開物(1637 年 ) 一書中，對鐵砂和錫砂的開采選別已有描述，見圖 1-1 。這些手工作業(yè)雖然有近代“表層浮選” 、 “重選”的影子 , 但還算不上是一門工業(yè)技術(shù) , 這種現(xiàn)象一直延伸到19世紀(jì)中期 。在19 世紀(jì)末至20世紀(jì)20年代，世界工業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展，對礦物原料的需求增大，促使技術(shù)發(fā)展，特別是20世紀(jì)20 年

3、代初，浮選藥劑在浮選中的工業(yè)應(yīng)用, 使選礦技術(shù)(包括破碎、篩分、磨礦、重選、電選、磁選、浮選等)能處理大部分天然礦物原料。從那時起,選礦技術(shù)已成為一門人類從天然礦石中選別、富集有用礦物原料的成熟的工業(yè)技術(shù) , 并得到廣泛的應(yīng)用。2.1選礦學(xué)科理論基礎(chǔ)重選的理論基礎(chǔ)： 隨著流體力學(xué)的發(fā)展，重力選礦的基礎(chǔ)研究起步較早。19 世紀(jì)下半葉，奧地利人Rittinger提出了“等降現(xiàn)象”，Monroe 等進(jìn)一步提出“干涉沉降”，20世紀(jì)40年代，原蘇聯(lián)學(xué)者施馬茨柯夫提出了跳汰是在上升水流中“按懸浮體的相對密度分層”的學(xué)說；德國學(xué)者M(jìn)ayer 從床層位能降的角度解釋了分層過程；英國學(xué)者 Bagnoid 在

4、50 年代觀察到了剪切運動下層流、斜面流中多層粒群的松散分層現(xiàn)象。 這些學(xué)說構(gòu)成了重選的理論基礎(chǔ) 電磁理論基礎(chǔ) 在電磁選礦方面 , 由于物理學(xué)的發(fā)展 , 人們早就認(rèn) 識到可用永久磁鐵選別磁鐵礦石。當(dāng)電磁鐵被用作磁選機(jī)的磁場并有了各種工業(yè)生產(chǎn)的電磁選礦機(jī)后，電磁選礦理論也已初步確立。浮選理論基礎(chǔ) 在浮選方面，從20世紀(jì)30年代開始，美國的Taggart 及原蘇聯(lián)的 Plaksins 等先后提出了捕收劑的“化學(xué)反應(yīng)假說”或“溶度積假說”, 以解釋重金屬硫化礦的可浮性順序。美國的 Gaudin 、原蘇聯(lián)的 Bogdmov 及澳大利亞的 Wark 等較多地研究了礦物的潤濕性與可浮性的關(guān)系、浮選劑的吸附

5、作用機(jī)理、浮選的活化等。美國的 D.W.Fuerstenau等系統(tǒng)地研究了礦物表面電性與可浮性的關(guān)系。到60年代前后，浮選的三大基本理論(潤濕理論、吸附理論及雙電層理論)已初步形成。重要的著作有 : 美國 Taggart 的Handbook of Ore Dressing(1927年第1版，1944年第2版);Gaudin的Flotation(1932年第1版，1957年第2版)；澳大利亞的Sutherland和Wark的Principles of Flotation (1955年第1版);原蘇聯(lián)Bogdmov的Theory and Technology of Flotation(1959).

6、2.2學(xué)科體系(1) 碎磨。以巖石力學(xué)為學(xué)科基礎(chǔ)，通過機(jī)械力作用使礦石塊度減小至適于工藝選別的粒度范圍，并使有用礦物與脈石之間彼此解離。(2) 重選。以流體力學(xué)為學(xué)科基礎(chǔ)，根據(jù)不同礦物的密度差異在一定的介質(zhì)中進(jìn)行不同礦物的分選。(3) 電磁選。以電磁學(xué)為學(xué)科基礎(chǔ)，根據(jù)不同礦物磁性的差異分選不同礦物。(4) 浮選。以表面化學(xué)為學(xué)科基礎(chǔ)，根據(jù)不同礦物表面物理化學(xué)性質(zhì)的差異，實現(xiàn)不同礦物的分選。這個時期的選礦主要是從天然礦石(金屬礦、非金屬礦、煤炭等)中,分離、富集其中的有用礦物, 為冶金、化工、建材提供原料。國外所用 “選礦” 詞匯 多為 “ore dremng”或“mineral dressin

7、g”。2.3選礦學(xué)面臨的問題20世紀(jì)60年代以來， 隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，一方面人類對礦物資源的需求不斷增加； 另一方面，礦物資源中富礦減少、貧細(xì)礦物資源增加，而且礦山、冶煉 廠排出的廢水、固體廢棄物等對環(huán)境的污染與治理問題日益受到重視， 傳統(tǒng)的選礦技術(shù)與理論已不能完全適應(yīng)并解決這些問題。 這就需要綜合利用多學(xué)科的知識與新成就 , 尋找新的學(xué)科起點，開發(fā)新的科學(xué)技術(shù) , 以實現(xiàn)礦物資源的綜合利用，包括分離、富集貧細(xì)礦物資源的新技術(shù)工藝和設(shè)備，對礦物的提純與精加工，環(huán)境的綜合治理，礦物新用途的開發(fā)等。礦物資源的利用已不單純是通過“選礦”得到礦產(chǎn)品的問題，而是綜合“加工”利用的問題。為此，近幾十

8、年來選礦及相鄰學(xué)科的科技工作者在選礦學(xué)科及交叉學(xué)科領(lǐng)域 , 進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)理論與工藝技術(shù)的研究。同時，由于相鄰學(xué)科的發(fā)展 , 如電化學(xué)、量子化學(xué)、表面及膠體化學(xué)、紊流力學(xué)、生物工程、冶金學(xué)、材料科學(xué)與工程及計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)在選礦學(xué)科領(lǐng)域中的應(yīng)用 , 形成許多新的學(xué)科方向和各種加工利用礦物資源的新技術(shù)。 隨著利用礦物資源的新技術(shù)的發(fā)展，選礦已不能涵蓋多數(shù)新的加工利用礦物資源的科學(xué)領(lǐng)域 ,“礦物加工”呼之欲出。礦物加工學(xué)科無論學(xué)科基礎(chǔ)、學(xué)科領(lǐng)域及其研究對象等方面都遠(yuǎn)比傳統(tǒng)選礦學(xué)科更廣、更深。3 礦物加工學(xué)科的形成事實上，國外從20世紀(jì)60年代開始，就逐步采用“mineral processing

9、” 代替 “ore dressing” 。在我國,經(jīng)過近10年醞釀，已于20世紀(jì)90代在國家教委招生目錄上將“選礦“更名為“礦物加工” 。學(xué)者出版了大量的著作。這一時期 , 中國國內(nèi)一些重要的著作有 : 胡為柏的浮選 (1986); 王淀佐、胡岳華的浮選溶液化學(xué) (1988); 盧壽慈的礦物顆粒分選工程 (1990); 胡熙庚等的 浮選理論與工藝 (1991); 朱玉霜、朱建光的浮選藥劑的化學(xué)原理 (1991); 馮其 明、陳王軍的硫化礦物浮選電化學(xué) (1992); 姚書典的重選原理 (1992); 劉樹貽的 磁電選礦學(xué) (1994); 許時的礦石可選性研究 (2019); 王淀佐、林強(qiáng)、蔣玉

10、仁的 選礦冶金藥劑分子設(shè)計 (2019); 傅菊英、姜濤、朱德慶的燒結(jié)球團(tuán)學(xué) (2019); 邱 冠周、姜濤等的冷固結(jié)球團(tuán)直接還原 (2019); 邱冠周、袁明亮等的礦物加工材料 學(xué) (2019); 王淀佐等的礦物加工學(xué) (2019)等 。31 礦物加工的任務(wù)與工藝隨著學(xué)科發(fā)展，礦物加工學(xué)科已經(jīng)發(fā)生并還在發(fā)生巨大的調(diào)整及變化。一些適合于處理貧礦、復(fù)雜礦的技術(shù)和直接提取有用成分的技術(shù)正在發(fā)展應(yīng)用。礦物加工的對象已從天然礦產(chǎn)資源擴(kuò)展到二次資源的回收及利用。各種固體廢棄物，例如尾礦、爐渣、粉煤灰、金屬廢料、電器廢料、塑料垃圾、生活垃圾乃至土壤都成了加工對象，經(jīng)過加工又轉(zhuǎn)化為有用的資源。由于現(xiàn)代科技的

11、發(fā)展及人類社會的進(jìn)步，需要開發(fā)超純、超細(xì)及具有特殊功能的礦物原料及礦物材料。 化學(xué)提取以及生物工程與機(jī)械加工的結(jié)合在金屬礦及非金屬礦的加工中早已屢見不鮮。非金屬礦的深加工進(jìn)一步擴(kuò)展并豐富了這種結(jié)合，例如高嶺土的超聲剝片，石墨及各種層狀礦物的有機(jī)及無機(jī)嵌層等。礦物加工的任務(wù)也發(fā)生了變化。礦物加工已不僅是為各種工業(yè)提供合格的礦物原料，例如精礦粉或中間產(chǎn)品，而是擴(kuò)展成了可以生產(chǎn)超純、超細(xì)及具有特殊功能的礦物材料以及礦物制品的工業(yè)。礦物材料工程主要是以非金屬礦石或礦物為原料(或基料), 通過一定的深加工工藝制取具有確定物化性能的無機(jī)非金屬材料及器件的技術(shù)。礦物材料有著巨大的應(yīng)用前景 , 例如 , 沸石

12、太陽能板 , 蒙脫石干燥劑 , 葉臘石高溫絕緣體及導(dǎo)彈密封材料 , 鈉云母密封材料 , 羥基磷灰石骨骼材料 , 硅藻土牙模材料 , 火山巖防火材料等?，F(xiàn)代礦物加工工程所包括的單元作業(yè)，它們大體包括：粉碎、分級、超細(xì)顆粒制備、物理分選 (重選、磁電選、光電選、 放射選等)、浮選及其他界面分選、化學(xué)處理及生物提取、固液分離 (沉降、過濾、干燥)、成型及造粒、氣固分離一收塵、物料貯運等等 32 礦物加工學(xué)科方向(1) 浮選化學(xué)。包括浮選電化學(xué)、浮選溶液化學(xué)和浮選表面及膠體化學(xué)。浮選電化學(xué)。根據(jù)電化學(xué)原理，研究浮選過程的機(jī)制，主要針對硫化礦。電化學(xué)反應(yīng)主導(dǎo)硫化礦與浮選劑作用機(jī)理，通過電化學(xué)調(diào)控，實現(xiàn)多

13、金屬硫化礦分離。浮選溶液化學(xué)。根據(jù)溶液化學(xué)原理，研究浮選行為，主要針對非硫化礦。 根據(jù)礦物-浮選劑溶液化學(xué)反應(yīng)行為 ，預(yù)測非硫化礦浮選分離條件與浮選機(jī)理。浮選表面及膠體化學(xué)。根據(jù)表面及膠體化學(xué)原理，研究顆粒間相互作用，討論細(xì)粒礦物選擇性凝聚、分散與浮選分離行為。討論超細(xì)顆粒加工制備過程機(jī)制 , 如疏水凝聚、選擇性絮凝、載體，主要針對超細(xì)粒礦物、煤炭的加工利用與廢水治理等。(2) 復(fù)合物理場礦物加工。 根據(jù)流變學(xué)、紊流力學(xué)、電磁學(xué)等研究重力場、電磁力場或復(fù)合物理場(重力+磁力)中顆粒運動行為，確定細(xì)粒礦物的分級、分選條件 , 如磁流體水力旋流器分選、振動脈動高梯度磁選、流化床層干法選煤等。(3)

14、 高效低毒藥劑分子設(shè)計。 根據(jù)量子化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、表面化學(xué)研究藥劑的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系 , 針對特定的用途 , 設(shè)計新型高效礦物加工用藥劑。(4) 礦物資源的生化提取。 用生物浸出、化學(xué)浸出、溶劑萃取、離子交換等處理復(fù)雜貧細(xì)礦物資源，如低品位銅礦、鈾礦、金礦的提取 , 煤脫硫等。由于細(xì)菌兼有氧化、吸附、降解等作用 , 因此生化提取不僅強(qiáng)化浸出過程 , 而且在環(huán)境與工藝控制上具有獨特的優(yōu)勢。生化提取的基礎(chǔ)理論與技術(shù)的研究近幾年已成為礦物加工學(xué)科的重要方向之一。(5) 直接還原與礦物原料造塊。 主要從事礦物原料造塊與精加工方面的科學(xué)研究 , 研究鐵精礦煤基因回轉(zhuǎn)窯直接還原、粉體物料成型等過程的機(jī)理。

15、(6) 復(fù)雜貧細(xì)礦物資源綜合利用。 研究選-冶聯(lián)合、選礦、多種選礦工藝 ( 重、 磁、浮 ) 聯(lián)合等處理一些大型復(fù)雜貧細(xì)多金屬礦的工藝技術(shù)和基礎(chǔ)理論，研究資源綜合利用效益。(7) 礦物精加工與礦物材料。 通過提純、超細(xì)粉碎、表面改性等方法 , 不經(jīng)冶煉 , 將礦物直接加工成可用的材料 , 如性能優(yōu)良的潤滑劑超純輝鉬礦的加工 , 功能陶瓷所需超細(xì)鋯英砂、高嶺土的加工 , 電子漿料所需超細(xì)金紅石的加工 , 民用、 工業(yè)用型煤、水煤漿的加工 , 煤炭地下氣化等。(8) 礦物加工過程計算機(jī)技術(shù)。 用計算機(jī)科學(xué)技術(shù)對礦物加工過程進(jìn)行模擬、仿真及優(yōu)化、預(yù)測、設(shè)計 , 建立礦物加工過程專家系統(tǒng) , 實現(xiàn)礦物

16、加工過程的計算機(jī)管理與控制。3.3礦物加工學(xué)科的挑戰(zhàn) 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，礦物加工學(xué)科已形成了較為完整的學(xué)科體系，發(fā)展了許多新的礦物加工技術(shù)，但隨著未來人類可利用資源的變化及現(xiàn)有技術(shù)的局限性，礦物加工科技的發(fā)展已面臨許多挑戰(zhàn)。人類社會生活的發(fā)展要求礦物加工科技發(fā)展的目標(biāo)是實現(xiàn)礦物加工過程的 “高效益、低能耗、無污染”。 礦物加工學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展，面臨著來自資源變化與所需技術(shù)難度方面的挑戰(zhàn)。 (1) 復(fù)雜貧細(xì)礦物資源的綜合回收。人類對礦物資源的消耗逐年增加 , 而易選礦物資源的不斷開采利用，越來越多的是復(fù)雜、貧細(xì)、大型多金屬礦床需要被開采利用 , 這些礦床的特點是金屬品種及伴生稀有、貴金屬品種多、

17、品位低、難處理。 現(xiàn)有礦物加工技術(shù)在處理這些礦物資源時 , 面臨能耗高、綜合利用率低、環(huán)境污染等問題。(2) 廢石及尾礦的加工利用。在金屬礦選礦過程中，經(jīng)過碎磨過程消耗了大量原材料和能耗 , 一般只回收了占總礦石質(zhì)量約10%的有色金屬礦物或約30%的黑色金屬礦物，大量的伴生非金屬礦(尾礦) 未能利用。綜合加工利用礦山在開采過程中剝離的廢石、表外礦及尾礦中的有價金屬等 , 需要新的加工利用技術(shù)。(3) 礦物精加工技術(shù)。傳統(tǒng)的礦物加工以提供精礦及粗級礦產(chǎn)品為主 , 產(chǎn)品的附加值低 , 而且也不能滿足現(xiàn)代科技發(fā)展對礦物材料性能要求提高的需要。對金屬礦物， 特別是非金屬礦物進(jìn)行高純化、超細(xì)化、表面改性

18、等精加工 , 生產(chǎn)適合電子、宇航、兵器、高技術(shù)陶瓷、冶金、化工等不同行業(yè)所需的礦物材料，已成為現(xiàn)代礦 物加工技術(shù)的重點發(fā)展趨勢之一。(4) 潔凈煤技術(shù)。煤炭是重要的能源 , 在中國尤其如此。但燃煤給環(huán)境帶來的污染已經(jīng)成為全球密切關(guān)注的問題煤炭的洗選脫矸脫硫及深加工技術(shù)一直是而且仍將是礦物加工面臨的重要問題。(5) 二次資源開發(fā)。礦山、冶煉廠、化工廠等排出的廢水、廢渣、廢氣中的稀有、稀散和貴金屬 , 廢舊汽車、電纜、機(jī)器及廢舊金屬制品等二次資源。由于一次資源、逐步減少 , 二次資源的再生利用技術(shù)的開發(fā)無疑成了礦物加工領(lǐng)域的重要課題。目前 , 這方面的技術(shù)還不成熟 , 特別是從三廢中回收有用物質(zhì)及

19、對環(huán)境的治理方面還無有效手段 , 造成資源浪費與環(huán)境污染。(6) 海洋資源開發(fā)。海洋錳結(jié)核、鈷結(jié)殼是一種賦存于深海底的巨大礦產(chǎn)資源 , 除含錳外 , 銅、鈷、鎳等金屬的儲量也十分豐富，在未來陸地資源貧化、枯竭時 , 這些將成為人類的寶貴資源。(7) 非礦物資源。城市垃圾、廢紙、廢塑料、油污土壤、石油開采產(chǎn)生的油污水、內(nèi)陸湖泊中的金屬鹽、重金屬污泥，甚至紅細(xì)胞與白細(xì)胞的分離等，都需要新的加工利用技術(shù)。3.4礦物加工學(xué)科的發(fā)展方向面對待處理資源的變化及技術(shù)上存在的問題，礦物加工科技工作者及相關(guān)學(xué)科的科技工作者，在礦物加工領(lǐng)域及相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域不斷進(jìn)行新的探索和研究。礦物加工工程學(xué)與相鄰學(xué)科的相互交叉、

20、滲透、融合 , 如物理學(xué)、化學(xué)與化學(xué)工程 學(xué)、生物工程學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、采礦工程學(xué)、礦物學(xué)、材料科學(xué)與工程已大大促進(jìn)了礦物加工學(xué)科的拓展 , 形成各種高效益、低能耗、無污染的資源加工新技術(shù)及新的研究領(lǐng)域。 3.4.1研究對象的變化(1) 礦物資源：包括金屬礦物、非金屬礦物、煤炭等。(2) 非傳統(tǒng)礦物資源。海洋礦產(chǎn)：錳結(jié)核、鈷結(jié)殼、海水中金屬、海底熱液硫化礦床。鹽湖與湖泊中的金屬鹽、重金屬污泥。(3) 二次資源。工業(yè)固體廢棄物：冶煉化工廢渣、尾礦、廢石。廢舊電器。電視機(jī)、冰箱、音響等。廢舊金屬制品。電纜、電線、易拉罐、電池、廢舊汽車等。城市垃圾、廢紙、廢塑料、油污水、油污土壤等。3.4.2學(xué)

21、科領(lǐng)域的發(fā)展由單一礦物加工領(lǐng)域發(fā)展為包括礦物加工 (mineral processing)礦物材料加工 (mineral material processing)二次資源加工 (secondary materialprocessing) 、金屬 提取加工 (metal metallurgical processing), 可簡稱為 4-MP的學(xué)科領(lǐng)域。 3.4.3學(xué)科方向的發(fā)展(1) 工藝礦物學(xué)。與礦物學(xué)、巖石學(xué)的交叉 , 研究資源物料組成的分析、鑒別、表征 , 物料的基本物理、化學(xué)特性 , 為 加工 提供基本信息。(2) 粉體工程。以巖石力學(xué)、斷裂力學(xué)、晶體化學(xué)為基礎(chǔ) , 對所處理資源進(jìn)行選擇性碎解、解離或進(jìn)行超細(xì)加工。(3) 重力場、流體力場中的分離。以流體力學(xué)、流體動力學(xué)為基礎(chǔ) , 根據(jù)所處理的物料的密度、粒度及形狀差異 , 分離、富集不同物料。如黑鎢礦與石英的分離、 聚氯乙烯和聚乙烯的分離、城市垃圾中重質(zhì)物料與輕質(zhì)物料的分離、銅線與橡膠的分離等。 (4) 電磁場中的分離。以電磁學(xué)、靜電學(xué)為基礎(chǔ)的磁力分選和靜電分選 , 根據(jù)所處理物料的磁性或?qū)щ娦缘牟町?, 分離不同物料。如磁性礦物與非磁性礦物的分離、導(dǎo)電礦物與非導(dǎo)電礦物的分離、磁性