重介质选矿、X射线分选在宜昌磷矿各矿层选矿的工业应用对比

2020-05-16李宇新童晓蕾李艳熊剑平

化工矿产地质 2020年1期

李宇新童晓蕾李艳熊剑平

1 湖北宜化矿业有限责任公司，湖北宜昌 443100 2 北京霍里思特科技有限公司，北京 102600 3 中化地质矿山总局地质研究院，北京 100101 4 清华大学精密仪器系，北京 100084

宜昌矿区是中国较大的磷矿资源聚集地，总磷矿储量达9.5亿t左右，其中大部分为中低品位磷矿，主要采用重介质--反浮选联合工艺流程得到高品质磷精矿，但受到环境保护和成本限制，需要找到更高效、节能、环保的选矿工艺。X射线智能分选技术产生于20世纪七70年代[1]，首先研究的是锡矿石的分选，之后拓展到钨、钼、金等稀贵金属的应用，拓展到多金属矿的分选并取得成功；X射线智能分选技术具有高效、节能、环保的技术优势，宜昌磷矿中低品位磷矿石能否适用该分选技术，使用该技术是否比重介质--反浮选联合工艺综合效益明显，本文将从宜昌磷矿的矿石性质和选矿现状谈起，逐步探讨上述问题的可能性。

1 宜昌矿区磷矿概述

宜昌磷矿含磷岩系产生于震旦系上统陡山沱组[2]，属海相化学沉积磷块岩矿床。共有Ph1、Ph2、Ph3三个含磷矿层[3]，开采的主要工业矿层为下磷层（Ph1）和中磷层（Ph2）。

矿石工业类型主要为硅钙质磷矿[4]，主要有用矿物为泥晶、微晶氟磷灰石和碳氟磷灰石（俗称“胶磷矿”，以下磷酸盐矿物统称“胶磷矿”），脉石矿物主要有白云石，石英、方解石、长石和粘土矿物等。矿石结构主要为致密磷块岩结构、假鲕状结构、砂屑结构和砂砾屑结构。矿石的构造分为条带状构造，角砾状构造，致密块状构造、层状构造和细脉状构造。磷酸盐矿物与脉石矿物各自相对集中呈条带状分布[5]，条带分布不均匀，条带间有泥质薄膜，条带结合不紧密，条带之间硬度差别大，易于单体解离。

2 宜昌各磷层磷矿选矿技术现状

为了有效利用宜昌磷矿资源，针对宜昌磷矿的特性，从2005年开始采用重介质—反浮选联合工流程，目前宜昌矿区已经形成400多万t重介质选矿处理能力。主要工业矿层至上而下为顶板、上贫矿、中富矿、下贫矿和底板，各个矿层密度不同（表 1）。以目前宜化矿业花果树选厂为例，分别介绍各矿层磷矿选矿现状。

表1 殷家坪磷矿各矿层密度Table 1 Density of ore beds in Yinjiaping phosphate mine

2.1 下磷层磷矿重介质选矿

宜昌矿区东部下磷层为主，如殷家坪矿、苏家坡矿等，下磷层围岩分界明显，顶板为稳固的白云岩，底板为泥质页岩。矿石破碎到15mm时，矿物解离可达到90%以上，矿石与脉石比重差较大，多采用分层开采和重介质选矿。

下磷层以殷家坪原矿为例，平均品位 P2O5为 23.20%（表 2）[6]。下磷层磷块岩密度（2.93g/cm3）与页岩脉石密度（2.75g/cm3）相差较大，目前花果树选矿厂采用粗、中和细三段一闭路破碎系统，一级筛分和一段重介质选矿流程。P2O5为20%的原矿经重介质选矿可得到 P2O5为 26%精矿和P2O5为8%尾矿，精矿产率66.7%，综合回收率在85%以上。

表2 殷家坪原矿多元素分析Table 2 Multielement Analysis of Yinjiaping Mine

2.2 中磷层磷矿重介质选矿

宜昌矿区西北部中磷层为主，如杉树垭矿、江家墩矿等。矿层平均厚度较大，层状构造分布明显，矿石以白云岩条带状磷块岩、致密条带状磷块岩为主[7]。矿层与围岩分界不明显，顶板和底板均为白云岩，磷块岩条带宽度为1～35cm，磷块岩条带占比为40%～70%，白云岩条带宽度为1～40cm，磷块岩条带与白云岩条带之间均大部呈不紧密结合，在较粗粒度下可大部分解离。目前多采用分区开采，重介质-反浮选联合选矿工艺流程。

中磷层磷块岩密度大于 2.93g/cm3的占88.28%，脉石密度小于2.85g/cm3的占99.31%，两者密度仅相差0.08g/cm3，重介质选矿接近密度分选带部分矿石夹杂现象严重，重介质选矿效果不理想。重选磷精矿含镁较高，若往上提高磷精矿品位，则造成磷精矿跑尾，产率降低,回收率降低。

中磷层以杉树垭磷矿为例（表3），对杉树垭中磷层磷矿采用重介质-反浮选联合工艺流程。P2O5为22.20%原矿通过粗、中和细三段一闭路破碎，将矿石破碎到 20mm以下。经筛分分级，-10mm粒级产率 32%，P2O5含量 26%；+10mm粒级产率68%，P2O5含量20%。+10-20 mm粒级原矿经过重介质选矿，获得粗精矿产率60%，P2O5含量26%左右，综合回收率78%。重选粗精矿与-10mm粒级产品合并进入反浮选，最终可获得P2O5含量30%左右的磷精矿。

表3 杉树垭原矿多元素分析Table 3 Multielement analysis of Shashuya mine

3 X射线智能分选技术在宜昌磷矿选矿的研究应用

X射线智能分选技术要求脉石矿物与有用矿物在X射线透视后具有光谱特异性，易于系统进行矿物识别；X射线智能分选要求所选矿石为块状、颗粒状，破碎筛分后能够得到适宜的矿石粒度，便于系统对矿物进行有效机械分离；X射线智能分选要求所选矿石矿化不均匀，入选的块状矿石间品位有明显的差异。

3.1 XNDT-104X射线分选技术原理

XNDT-104X射线智能分选系统由传感系统、智能识别系统和分离系统构成[8]。采用X光透射（传感系统）及电脑图像处理技术（智能识别系统）对矿物进行识别后，再采用高压喷吹装置（分离系统）进行分离（图1）。

图1 XNDT-104X智能分选系统图Fig.1 XNDT-104X Intelligent Separation System

X光机可发射连续能谱的X射线，由X光探测器采集对该信号进行采集，X光机和探测器共同构成分选系统的传感系统（图2）。

图2 X射线透视传感系统图Fig.2 X ray perspective sensing system

XNDT-104在传感系统完成信号收集后，将有效信号传递给智能识别系统进行物质识别。

当X射线经过矿石时，矿石中不同成分的物质对X射线产生特异性衰减，从而使得X光探测器接收到的信号产生特异差。此差异满足：

式中，I0基础X光信号；I为被矿石衰减后的X光信号；μ为射线穿透路径上矿石内部物质对X光的综合衰减特性；L为此路径上矿石的厚度。

传感系统中采用的X光机，发射的为混合X光能量谱。其中，截止能量值称之为 KVP或者KV，每一个能量谱点称之为kev。通过光谱校正，可以调整不同能量段的光谱强度和比例，从而获得对物质识别最为有利的能谱构成。图3展示了XNDT-104调制后的一组160KVP拟合谱线。

图3 XNDT-104系统的X光机拟合能量谱图Fig.3 Energy spectrum graph of the X photometer of the XNDT-104 system

XNDT-104在智能识别系统完成对每一块矿石的物质识别鉴定后，将每一块矿石的运动信息以及鉴定信息传输给分离系统。

分离系统由智能控制系统和高压气喷执行系统两个分系统构建而成。其中智能控制系统接收由识别系统传输的每一块矿石相关信息，转换成对高压气喷执行系统的控制指令；高压气喷执行系统通过压缩高压空气，完成对控制指令的执行，以块为单位对特定矿石通过喷吹系统进行精准打击，实现有用矿物和脉石矿物的分离。

3.2 磷矿石分选可以采用光电选矿技术

3.2.1 X光可以对磷矿进行识别

每一种不同的物质对每一个谱段的X光的衰减特性都为特异的[9]，这种特异性既包括物质特异性，也包括光谱特异性。即在相同的光谱能量下，每一种物质的μ都具有特异性，同时针对每一种物质，不同的X光光谱段下，μ也具有特异性，矿物中磷、硅、镁等矿物元素对X光透视具有特异性（图4）；可以看到，对单物质而言，以磷为例（红色曲线），随着 X光能量在一定范围内改变，μ也随之单调变化；对于不同物质而言，同一X光能量下，硅、镁、磷对应的μ也各不相同。正是由于硅、镁、磷的μ对X光有能量特异性以及物质特异性，才从原理上使得采用X光对磷矿进行识别具有可行性。

3.2.2 宜昌磷矿石特征适合应用光电技术

宜昌磷矿石主要为粒屑结构、条带状构造，磷集中在磷块岩条带中，有害杂质主要分布在脉石条带中。条带间结合不紧密，易于单体解离，在较粗的破碎粒度下可实现磷块岩和脉石矿物的解离；块状脉石矿物中P2O5含量和磷块岩中P2O5含量差别大，矿化不均匀；脉石矿物白云石和石英等与矿石矿物胶磷矿在X射线透视后具有光谱特异性；以上三方面情况，反映宜昌磷矿适宜于光电分选。

图4 磷、硅、镁对X光谱的特异吸收图Fig.4 Special absorption chart of phosphorus,silicon and magnesium by X spectra

3.2.3 XNDT-104智能识别系统针对宜昌地区磷矿的设计和优化

XNDT-104智能识别系统为宜昌磷矿针对性设计了X光机的能谱区间及X光探测器的敏感能谱采集区间，为智能识别系统深度学习提供对磷、硅、镁相对敏感的X光透视数据。

针对宜昌磷矿矿物特性，采集具有代表性的磷矿石样品，用于 XNDT-104识别模型初步建立。并对不同粒度下的矿石样本，综合优化模型，在保证磷矿石较好回收率的情况下最大化提高分类的准确率。图5为湖北宜昌杉树桠磷矿石聚类训练效果图，其中红色为胶磷矿样本类训练后的识别结果，蓝色为脉石矿物样本类训练后的识别结果，可以看到基于经过设计后的X光系统，两类矿石在识别系统中具有较好的类间差异，可以实现有效区分。

图5 湖北宜昌杉树桠磷矿石聚类训练效果图Fig.5 Effect drawing of cluster training on phosphorus ore of Shashuya in Yichang city, Hubei Province

3.3 X射线智能分选试验

3.3.1 下磷层矿石X射线智能分选试验

下磷层矿石以殷家坪磷矿为例，分选方案为原矿破碎—筛分—X射线分选。

从破碎筛分分析结果来看（表 4），+10mm粒级范围内， MgO含量大于 2%，高于原矿中MgO含量，分布率接近60%；P2O5含量 21%以内，低于原矿中P2O5含量。脉石矿物（白云石）在粗粒级相对较多，解离较好；胶磷矿在细粒级时相对解离较好；-10mm粒级范围内的矿石可作为浮选原矿。

表4 殷家坪磷矿筛分分析结果Table 4 Results of screening analysis of Yinjiaping phosphate mine

从殷家坪磷矿X射线分选试验结果来看（表5），当分选粒级在10～20mm范围，抛尾30%效果较好。原矿品位在21%左右时，分选技术指标为：精矿品位 27%左右，尾矿品位 8%左右，精矿回收率87%左右（表5）。X射线分选技术适用于下磷层矿选矿。

表5 殷家坪磷矿X射线分选试验结果Table 5 Experimental results of X ray separation in Yinjiaping phosphate mine

3.3.2 中磷层矿石X射线智能分选试验

中磷层矿石以杉树垭磷矿为例，分选方案为原矿破碎—筛分—X射线分选。

从破碎筛分分析结果来看（表 6），+20mm粒级范围内，MgO含量大于5.82%，高于原矿中MgO含量，分布率72.78%；P2O5含量22.30%以内，低于原矿中P2O5含量。脉石矿物（白云石）含量在粗粒级相对较多，解离较好；-10mm胶磷矿 P2O5含量 26.56%，通过筛分分级，该粒级产品可直接作为精矿。

表6 杉树垭磷矿筛分分析结果Table 6 Results of screening analysis of Shashuya phosphate mine

原矿通过破碎、筛分后，筛上产品（10～40 mm）进入X射线智能分选机。通过不同批次原矿试验，得到以下分选试验结果（表7）。经破碎筛分处理后的磷矿石，经过X射线一次分选，得到磷精矿和尾矿。从试验数据来看，原矿品位P2O5含量大于 17%时，精矿品位 P2O5含量 26%以上，尾矿品位P2O5含量10%以下，精矿回收率在75%-86%之间。当原矿品位P2O5含量大于19%时，精矿回收率在80%以上。

表7 杉树垭磷矿X射线分选试验结果Table 7 Experimental results of X ray separation in Shashuya phosphate mine

3.4 X-射线分选数据分析：

通过破碎筛分数据来看，破碎分离时，脉石矿物颗粒相对较大，大多数存在于粗粒级产品中。

受地质条件、开采环境影响，不同批次原矿品位波动范围较大（P2O5含量16%～22%）,对分选结果有一定影响。

宜昌磷矿采用破碎-筛分-X射线智能分选初级抛尾，大颗粒抛尾效果明显，精矿品位 P2O5含量26%左右较为合适，原矿适宜的抛尾粒度需要根据矿石特性确定。

4 X射线分选与重介质选矿对比

4.1 选矿生产数据统计对比：

重介质选矿：下磷层（殷家坪）矿，原矿品位P2O5含量20%，矿石破碎粒度15mm，经一段重介质选矿，获得的经济指标为，精矿产率66%左右，精矿品位P2O5为26%以上，尾矿品位P2O5为 8%，综合回收率在 85%以上。中磷层（杉树垭）矿，矿石破碎到20mm以下，-10mm粒级产率32%，品位P2O5为26%；+10mm粒级产率68%，品位P2O5为20%。+10-20 mm粒级产品经过一段重介质选矿，获得的经济指标为，精矿产率60%，品位P2O5为26%左右，综合回收率78%以上。

X射线选矿：下磷层（殷家坪）矿，矿石破碎粒度上限20mm，经筛分分级，+10mm粒级产品品位P2O5为20%左右时，经过一段X射线选矿，获得的经济指标为，精矿产率68%以上，精矿品位P2O5为26%，综合回收率87%以上。中磷层（杉树垭）矿，矿石破碎粒度上限50mm，经筛分分级，+10mm粒级产品品位P2O5为19%以上时，经过一段X射线选矿，获得的经济指标为，精矿产率 55%左右，精矿品位P2O5为27%以上，综合回收率80%以上。