基因矿物加工工程

基因矿物加工工程

TheStudyonGeneticMineralProcessingEngineering(GMPE)AbstractInconventionalconcentrator’sprocessdevelopmentandengineering,thereareobviousdisadvantagessuchaslongterm,highcost,lowefficiencyaswellasrepetitivetestwork.Themajorcauseofthoseproblemsare:A.:Lackofsystematicresearchandtestonthegeneticcharacteristicsoftheminerals,theoresandthedeposits,whichactuallyarefundamentalfactorsaffectingthemineralprocessingtechnologytobeapplied;B.Lackofwell-establisheddatabaseincludingthoseexistingmineralprocessingtechniqueresearch,processmineralogystudy,practicaloperatingandengineeringdata.C.LackofprofoundintegrationsystemcombiningmodernITtogetherwithmineralprocessingtechnologyR&Dandengineeringdesign.Inthispaper,theconceptofGMPE(GeneticMineralProcessingEngineering)ispresented，thatisbasedonthestudyandtestofthosegeneticfactorssuchasdepositgenesis,theoreproperty,andthemineralcharacteristics,withtheaimtoestablishandapplytheBigDatabaseintegratingdeeplyITandmineralprocessingtechnologytodeterminetheprocessandequipmentselectionbymeansofIntelligentRecommendation,ProcessSimulationaswellaslimitedverifyingtestwokinafast,efficientandprecisemanner,andwouldprovidetechnicalsupportforbothnewconcentratorengineeringandexistingplantupgradation.Thesystematicstudyonthethree-in-oneGMPEmaymakeaninnovativebreakthroughinconventionalmineralprocesstestworkandengineeringmodel.TheresearchmethodologyandtechnicalroutetoimplementGMPEareintroducedinthispaper.KeyWords:Gene,Mineralprocessing,Database,Processminerology,Processsimulation,Intelligentselection.1、实施基因矿物加工工程的必要性1.1中国矿产资源概况及对矿物加工的要求

中国处于环太平洋成矿域、古亚洲成矿域和特提斯-喜马拉雅成矿域三大构造成矿域的交汇带。组成中国大陆的各小板块之间相互碰撞、岩矿物质混合，导致成矿物质复杂；各成矿带之间有相互交接与物质混合；早、晚形成的矿床间有叠加作用。上述因素决定了中国地质构造环境的复杂性和矿床成因的多样性，由此形成了中国矿产资源诸多的特点，其中最突出的特点是资源禀赋差、难加工。随着工业化的进程，中国矿产资源需求量持续增加，资源禀赋差的特点对矿物加工技术提出更高要求。

生态环境保护的要求日趋严格，需采用创新的整体技术来突破生态环境保护对矿产资源开发的制约。

加强对矿物资源个性化的基因研究，充分利用其天然的物性差异，扩大其分选的差异，可达到矿物高效分离的目的。1.2传统的矿物加工研究方法存在弊端

传统的矿物加工（选矿）传统的技术研究开发模式的一般流程为：工艺矿物学研究——系统的选矿试验研究——推荐工艺流程方案——根据推荐流程及经验进行选矿厂设计、建设——试车投产。该模式存在较大弊端，如开发周期长、成本高；工作效率低；重复的试验工作量大，造成巨大的浪费；先进技术经验难以得到有效传承等。其主要问题在于：1、对制约矿物加工工艺技术的根本因素——矿物、矿石和矿床的基因特性没有深入系统的研究、测试和总结。2、包含有历史上海量的选矿试验数据、工艺矿物学研究数据、选矿厂设计数据、选矿厂运营数据的数据库没有建立和应用。3、现代信息化技术—流程工业选矿过程智能化制造没有与矿物加工工艺技术研发和工程设计合理深度融合。1.3基因矿物加工工程的提出及其研究意义

基因矿物加工工程，简称GMPE(GeneticMineralProcessingEngineering)，是以矿床成因、矿石性质、矿物物性等矿物加工的“基因”特性研究与测试为基础，建立和应用数据库，并将现代信息技术与矿物加工技术深度融合，经过智能决策与推荐、模拟仿真和有限的选矿试验验证，快捷、高效、精准地选择选矿工艺技术，为新建选矿厂的设计或老选矿厂的技术改造提供支撑。

基因矿物加工工程，是借鉴美国材料基因组和中国版的材料基因组的研究而提出的。基因矿物加工工程研究的意义：1、研究模式创新。将由经验积累、试验探索为主的传统模式转变为矿床、矿石和矿物性质数字化、技术方案智能决策的现代信息模式。2、研究周期大幅缩短。成熟的基因矿物加工工程一般可在几周内完成以往一年以上的研究工作。3、客观决策减少人为干扰。基因矿物加工工程研究通过基因测试与提取、数据输入与智能决策的形式进行，成果以数字化形式体现，减少人为因素对技术路线和指标的干扰。1、现代测试方法及研究手段的出现和应用，为矿床、矿石、矿物基因测试与表征提供了充分与必要条件。2、数据库技术及大数据分析技术为知识提取提供支撑，为基因矿物加工工程智能决策系统奠定了基础。3、

基于虚拟选矿厂的过程模拟仿真，为合理矿物加工工艺流程的决策和推荐起了关键作用。总之，矿物加工固有的基因特性、现有科学技术的快速发展使基因矿物加工工程的发展成为可能。2.1技术可行性分析2、基物加工工程可行性分析2.2在矿物加工科学研究中已经显现了基因要素

实际上，在选矿科学研究中某些研究者已自觉或不自觉地关注和运用基因特性，取得了一定的成果。（1）影响矿物分离特性的矿石、矿床基因

矿石和矿床成因的差异，导致不同矿床中含有的矿物种类不同，进而导致矿物分选方法和工艺的差异。在硫化矿物浮选实践中，常常发现不同矿床或同一矿床不同区段的同一种矿物，其浮选行为存在很大的差异。由于不同产地硫化矿物成矿温度、压力及环境的不同，导致同一种硫化矿物的晶胞参数、杂质和性质有很大的区别，从而导致矿物浮选行为的差异。

图1是来自不同产地黄铁矿的可浮性与黄药浓度之间的关系。可见，不同产地的黄铁矿在酸性和碱性介质中的可浮性均存在差异（根据陈述文、胡熙更）。图1国内八种不同产地黄铁矿的浮选回收率与黄药浓度的关系

1-湖南上堡；2-湖南东坡；

3-江西东乡；4-湖南水口山；

5-安徽铜官山；6-广东英德；

7-湖南七宝山；

8-江西德兴铜矿

图2不同成因黄铁矿可浮性变化

于宏东、孙传尧等，研究了不同成因黄铁矿的可浮性变化情况，如图2所示。由图2可见，中低温热液型的黄铁矿可浮性最好，浮选回收率超过90%，而煤系沉积型黄铁矿的可浮性最差，浮选回收最高也不到60%。

MCFuerstenau研究了不同产地矿物的天然可浮性。发现当矿物的天然可浮性很好时，不同产地之间矿物的可浮性差别就越小，如方铅矿和黄铜矿具有很好的天然可浮性，回收率均在90%以上，基本没有差别。而对于天然可浮性较差的黄铁矿和闪锌矿，不同产地的矿物可浮性差异就比较大，如闪锌矿的浮选回收率最低仅为41%，最高达到100%。辉铜矿的天然可浮性也较好，但不同产地的可浮性差别较大。通过分析认为，不同产地矿物可浮性的差异大小与硫化矿物的禁带宽度有关，禁带宽度代表了矿物的半导体性质，矿物禁带宽度越小，说明矿物电化学性质可变的程度越小，不同产地矿物可浮性变化也越小，反之亦然。方铅矿和黄铜矿的禁带宽度为0.41eV和0.50eV，而黄铁矿、辉铜矿和闪锌矿的禁带宽度分别达到了0.90eV、2.10eV和3.60eV，故不同产地的黄铁矿、辉铜矿和闪锌矿的可浮性差异较大。

贾木欣等通过对不同铁矿床与矿石选矿分离特性的关系研究发现：1）对于变质成因铁矿床，如辽宁鞍本、河北迁安滦县滦南、北京密云、山西五台等地区铁矿床，引起该类型铁矿床矿石可选性差异的成因因素是变质程度或氧化程度：一般时代越老变质程度高的矿石中磁铁矿含量高，铁矿物结晶粒度粗，该类矿石易选；如果时代相对较新、变质程度低或经受后期氧化的矿石中赤铁矿含量高，需要强磁选和反浮选或正浮选分离；如变质程度不够，火山作用未受变质作用影响，常可形成镜铁矿，该类矿石需强磁或焙烧后磁选；如果沉积岩中出现碳酸盐成分，常可形成含菱铁矿矿床，导致矿石分选难度极大。2）对于岩浆结晶分异矿床及岩浆分异晚期灌入矿床，如四川攀枝花地区和河北承德大庙地区钒钛磁铁矿床，岩浆分异导致铁钛共生，铁钛分离难度较大。

3）对矽卡岩型铁矿床，如河北邯邢地区、湖北大冶地区铁矿床，在回收磁铁矿的同时还要回收伴生铜、铅和锌，且成矿时形成高温磁黄铁矿，铁精矿还需考虑浮选脱硫。

4）对于与碱性侵入岩、次火山岩、火山岩相关含有大量铁氧化物（磁铁矿、赤铁矿）同时伴生其它贱金属、稀有金属矿物的一类矿床，如白云鄂博铁矿床和梅山铁矿床，此类矿床成因因素为碱性岩浆含大量挥发组分和稀有、稀土元素矿物，矿石成分复杂，需多元素综合回收，故选矿流程很长，同时选矿难度较大。5）对于沉积型铁矿床，如宁乡式铁矿及宣龙式铁矿床，为海相沉积成因，矿石特点为鲕状赤铁矿并含胶磷矿，由于赤铁矿嵌布粒度细而难以通过选矿得到高品位铁精矿，一般需深度还原焙烧得到金属铁再磁选回收铁。

此外，同样对于铜镍硫化物、斑岩型、矽卡岩型和火山岩型等铜矿床，花岗岩型、矽卡岩型、斑岩型、海相火山岩型、陆相火山岩型、海相碳酸盐系型、海相泥岩-细碎屑岩型、砂岩型等铅锌矿床，壳源改造花岗岩成因石英脉型和矽卡岩型钨矿床，以及造山带型、斑岩型及高硫低硫浅成热液型、卡林型等金矿床，其矿床成因与选矿也具有密切的关系，不同成因矿床中由于成矿成因的差异，导致矿石中伴生的矿物种类不同，有价金属的赋存状态多样化，目标矿物的结晶和嵌布粒度存在差异，以及矿物的泥化程度高低不同，进而影响了矿石的分选效果。（2）矿石的结构构造基因与可选性的关系

矿石的结构、构造特点能反映出有用矿物颗粒形状、大小以及相互结合的关系。因此，它们直接决定着矿石碎磨过程中有用矿物单体解离的难易程度以及连生体的特性。矿石的各种结构、构造类型对选矿工艺会产生不同的影响。

一般来说，浸染状构造、斑点状构造、条带状构造的矿石碎磨时是易于解离的；

具有复杂的鲕状构造、胶状构造、星点状构造的矿石则对选矿较为不利。

呈交代结构以及固溶体分离结构的矿石，选矿要彻底分离它们是比较困难的。

而压碎结构、自形晶结构以及半自形晶结构的矿石一般有利于有用矿物的单体解离。（3）矿物的晶体结构及其它物性的基因

文书明等研究发现，矿物的流体包裹体杂质制约着矿物晶体的表面性质及疏水特性，是重要的矿物基因信息，影响矿物的可浮性和浮选分离。

他们的研究认为，矿物在成岩、成矿及晶体生长过程中，成矿流体及元素会不可避免地造成宏观和微观两个方面的矿物缺陷出现并保留至今。宏观方面是包括液体、气体和固体在内的矿物流体包裹体，这些大量的流体包裹体有的分布在晶体内、有的分布于晶界，也有的赋存于愈合的微观裂隙内，至今在主矿物中完好封存且与主矿物呈现明显的相界。同时，伴随着成矿流体的运动，在矿物晶体生长过程中，流体包裹体组分内外的原子会在矿物晶体内部存在，造成异质原子的取代、掺杂，形成微观方面的晶格杂质信息，由此，造成了矿物晶体本体几何和电子结构性质的变化。

由于流体包裹体的破坏、离子的释放和在矿物表面的吸附，引起矿物表面化学性质的变化和可浮性的变化。

矿物流体包裹体是矿物基因信息的组成之一，基于流体包裹体基因导向的表面重构、自活化、自抑制、交叉活化与抑制浮选效应，是基因矿物加工学的重要组成部分。

流体包裹体杂质及其形成的晶格缺陷对晶体表面结构和浮选分离的影响及其影响机理具有重要的研究价值，可作为基因矿物加工工程的组成部分，很值得进行深入研究。

胡岳华等针对一水硬铝石型铝土矿铝硅浮选分离，研究发现了一水硬铝石与铝硅酸盐脉石矿物晶体结构的差异、表面断裂的Al—O和Si—O键及表面离子活性区的差别，可影响矿物表面的润湿性与可浮性，类质同象及各种晶格杂质离子也将影响浮选剂与矿物表面的相互作用和矿物可磨性。据此提出了正浮选、反浮选铝硅分离的技术原型，用溶液化学计算研究了其基本原理。结果表明：阴离子捕收剂正浮选脱硅时捕收剂、分散剂和pH值三者之间存在匹配关系；矿物的PZC与捕收剂的pKa值是阳离子捕收剂反浮选的主要控制参数；阴离子捕收剂反浮选时，铅盐和钙盐是浮选铝硅酸盐较理想的活化剂。在此基础上，他提出了作用于矿物表面不同位点的铝-硅矿物浮选剂分子组装设计原理及铝-硅矿物浮选溶液化学原理，建立了铝-硅矿物浮选分离界面物理化学理论，以及基于矿物表面性质调控矿物/溶液/药剂界面相互作用的原理和方法。

陈建华等人通过大量研究认为，对于具有半导体性质的硫化矿物，晶格缺陷能够显著改变其晶体结构（如晶胞膨胀、缩小及晶胞畸变等）和半导体性质（半导体类型、能带结构、电子态密度等），从而影响了硫化矿物的电化学浮选行为。采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了空位缺陷和杂质缺陷对硫化矿物结构、性质和药剂分子吸附的影响。结果表明，晶格缺陷对硫化矿物表面捕收剂产物具有较大影响。他还采用热力学方法获得了含杂质缺陷方铅矿的吸附热和吸附动力学参数，采用循环伏安法研究了杂质方铅矿的氧化、捕收和抑制电化学行为。图3方铅矿(PbS)缺陷与黄药离子反应示意图

有人在研究重晶石、萤石和方解石的可浮性时，发现矿物表面上捕收剂的吸附与费米能级的位置有关系，提出了药剂在矿物表面上的吸附取决于表面电子平均能级的费米能级等性质，认为矿物随着功函数的增加及费米能级的降低，捕收剂在矿物表面上的吸附量增加，浮选回收率得到改善。通过在矿浆中引入氧化剂，降低矿物的费米能级，使阴离子捕收剂对重晶石、萤石和方解石的浮选回收率得到提高，当使用还原剂时则能降低他们的回收率。

罗德汀格斯研究了晶体化学特性对磷灰石可浮性的影响，针对不同的成因的磷灰石，进行了详细的x衍射研究，准确地测定了样品的晶胞参数和结晶度，以结晶指数表示，采用标准进制时其数值范围为10.0至4.5。结果表明，结晶指数与可浮性之间具有显著的相关性。当结晶指数小于8时，磷灰石的可浮性均显著下降。另外，矿物的结晶程度越好，溶解度越低，调浆时间对矿物可浮性的影响不大；结晶程度差、表面溶解度较大的矿物，调浆时间越长，可浮性越差。认为结晶度较低的磷灰石表面的可溶性较大，从而使吸附的捕收剂膜越易于脱落。时间间隙越长，在一定程度的搅拌条件下这种作用越显著，捕收剂的稳定性就越差，使矿物上浮量越低。

孙传尧、印万忠对硅酸盐矿物浮选的晶体化学原理进行了研究。研究表明，岛状、环状、链状、层状和架状五大类结构的硅酸盐矿物的晶体化学特征及表面特性和浮游性具有密切的关系。不同结构类型硅酸盐矿物解离时Si-O键和Al-O键的断裂程度、Al3+对Si4+的替代程度及Al的配位方式、矿物的化学组成及矿物的解离程度等晶体化学特征的差异，导致矿物表面电性(包括零电点)、暴露于矿物表面的阴阳离子的种类、性质和相对含量、表面多价金属阳离子对于阴离子的相对密度(Mn+/O2-)、表面不均匀性、表面金属阳离子的溶解度及表面键合羟基的能力等诸多表面特性的不同。

这导致矿物在阴、阳离子捕收剂浮选体系中在不加活化剂和抑制剂时的自然可浮性及多价金属阳离子、无机阴离子调整剂、有机高分子调整剂及有机络合调整剂对矿物可浮性影响的差异，得出了不同浮选条件下矿物可浮性与矿物主要晶体化学特征和表面特性之间的某些相关规律。

借助于以下两图说明包头白云鄂博矿霓石的可浮性以及石煤含钒云母提钒问题。

在霓石（钠辉石）的晶体结构中，硅原子与氧原子形成[SiO4]四面体链，铁原子与氧原子结合成[FeO6]八面体链，每两个[SiO4]四面体链与一个[FeO6]八面体链形成2∶1型的“I”形杆。图4中的M1位置被Fe3+占据，M2位置被Na+占据。结构中Si-O键主要为共价键，键强较大，而Na-O和Fe-O键离子键性特征明显。

矿物解离时主要沿Na-O键断裂的方向进行(如图中A-B-C-D-E-F方向)，故矿物解离后破裂表面有较多的Na及少量的Si和Fe。霓石的含铁量约占25%，应当具有某些铁矿物的性质。由于Fe3+占据M1位置，解离时难以暴露，故破碎后在霓石表面暴露了大量的氧和钠，但极少有铁。由于霓石的晶体结构和表面特征，当用强磁选时它会进入磁性产品，当用浮选时表面不显铁矿物的特征，因此，选用适当的调整剂和捕收剂可实现包头霓石和铁矿物的浮选分离。作者和同事用“络合浸蚀浮选法”曾成功地实现包钢选矿厂弱磁精矿反浮选（没有上工业）。体相和表相不同。图4

霓石晶体结构(垂直C轴的投影）

关于石煤提钒问题。石煤中钒的主要价态有+3、+4和+5价，绝大部分以V3+形态存在于含钒云母等硅酸盐矿物中。云母的晶体结构如图5和6所示，为2:1型TOT的层状结构硅酸盐矿物，即两层硅氧四面体夹着一层铝氧八面体。V3+主要以类质同象形式部分取代Al3+形成钒氧八面体或钒氧四面体而存在于云母中。以下几个问题需要进一步查清：1）钒对铝的取代程度。钒在八面体和四面体中含量有多少？2）提钒过程中，八面体和四面体中的钒，浸出率有多少？3）在焙烧过程中，云母的结构发生怎样的变化？4）进一步提高钒回收率的技术关键如何？必须说明，上述关于矿床、矿石和矿物基因的零散研究仅仅是初步的，完全构不成体系；而且至今尚未见到用三位一体的基因矿物加工工程的研究方法所选择的工艺流程，用于选矿工业实践的报道。图5沿云母（010)的晶体结构3.1基因特性的测试与提取矿床、矿石和矿物基因是决定可选性的重要因素，它包括矿床成因和类型，矿石的结构构造，矿物组成，嵌布特性，结晶粒度，解离特性，矿物的晶体化学特征，包括元素组成、化学键特征、晶体构造类型、表面和内部缺陷和矿物表面特性等。利用现代工艺矿物学的多种研究手段，对矿物、矿石的基因特性进行系统研究测试，提出原则的磨矿分级流程和选别流程，推测理论选矿指标。这是制定选矿工艺流程的基础。3、基因矿物加工工程主要研究内容3.2基因矿物加工工程数据库与数据仓库的建设

基因矿物加工工程数据库包括：矿床、矿石、矿物基因数据库，矿物加工工艺流程及矿物材料研究数据库，工程设计数据库，选矿厂生产数据库，设备数据库，能耗材料数据库，安全环保数据库等。

建立基因矿物加工工程数据库之后，对数据进行分类、整理，建立面向分析决策的数据仓库；基于数据仓库，进行数据分析、挖掘，形成知识库，为决策系统提供数据支撑。数据库和数据仓库的基本架构3.3选矿工艺流程智能决策系统

功能：

选矿工艺流程智能决策系统，根据待处理矿床、矿石、矿物的基因，利用数据库和由此形成的矿物加工工艺流程知识库，开发决策模型，进而通过推理，匹配知识库中可行的选矿工艺流程，并搭建虚拟选矿厂（后文详述），实现初选选矿工艺流程与技术指标的决策。

虚拟选矿厂对初选流程进行仿真，预测技术指标，再对流程、指标进行综合评估，推荐流程和指标。

选矿工艺流程智能决策系统总体架构示意图如图所示：3.4有限的选矿验证试验功能：针对智能决策系统推荐的工艺流程方案开展有限的试验验证，包括：实验室开路和闭路试验，必要时进行扩大连选试验，验证工艺流程的稳定性和工艺指标的可靠性，选择最优的工艺流程。在验证试验过程中，有可能对推荐的工艺流程进一步优化。经验证试验确定的选矿工艺流程和技术指标作为选矿厂建厂或技术改造设计的依据。对于不适用的工艺流程，反馈到数据库和智能决策系统进一步优化。3.5虚拟选矿厂定义：

虚拟选矿厂是在计算机内的虚拟空间，通过建模技术，模拟实体选矿厂的生产状况，进行动画处理，实现选矿厂运行的仿真功能。实现这些技术的手段，涉及到建模仿真技术、计算机图形学、网络技术、多媒体技术。功能：1、在初选工艺流程阶段，借助于虚拟选矿厂对初选流程进行仿真，预测技术指标，再对流程、指标进行综合评估，推荐工艺流程和指标。2、在选矿厂设计优化阶段，基于基因信息，再利用试验验证数据，通过模拟进行工艺流程、设备选型和操作参数优化。3、在选矿生产智能优化阶段，虚拟选矿厂要实现实体选矿厂生产流程的全信息模拟，即生产流程的完全再现，为流程调试、设计指标的实现与流程优化运行提供保障。4、基因矿物加工工程技术路线图5、基因矿物加工工程发展战略5.1发展战略

在智能制造、国家大数据、创新驱动发展等国家战略引导下，凝聚地质工程、工艺矿物学、采矿、矿物加工、装备与自动化、计算机等多专业人才，统筹行业研究院、设计院、高校、企业，依托国家重点实验室、国家工程中心等平台，实现行业数据整合与共享，通过基因矿物加工工程研究对接国家绿色制造、互联网+、大数据、智能制造专项，开创互联网+环境下矿业科技创新与服务新模式。5.2发展目标1、总体目标：以矿床、矿石、矿物的基因与可选性的关系研究，基因矿物加工工程大数据分析应用为重点，在矿床、矿石、矿物的基因检测，智能决策系统，虚拟选矿厂建设等方面，集中突破基因提取、基因与选矿工艺流程的匹配、决策模型、矿物加工过程建模仿真等基础性理论与核心关键技术，重点构建基因矿物加工工程数据库和数据仓库，开发选矿流程智能决策平台和矿物加工工程全生命周期服务平台，建设基因矿物加工工程工业应用示范基地。培养一支高水平的科技人才和创新团队，逐步形成基因矿物加工工程研究体系，为产业转型升级与提质增效、矿业可持续发展提供强有力的科技支撑。如研究成功，可对国际矿物加工的技术进步起引领作用。2、预计5~8年内，开展矿床、矿石、矿物基因提取与测试研究，初步完成典型矿种矿床、矿石、矿物基因数据库建设；开展选矿试验研究、选矿厂设计和选矿厂生产历史数据的收集与数字化研究工作，初步完成典型矿种基因矿物加工工程数据库建设；完成大数据分析和数据仓库建设，初步构建典型矿种矿物加工工艺流程知识库；开展基因矿物加工工程决策模型和选矿过程模拟仿真技术研究，初步建立选矿工艺流程智能决策系统，实现通过智能决策系统初选选矿工艺流程及技术指标的功能；建立选矿验证试验方法和评判标准体系。3、预计10~15年内，完善智能决策系统决策模型，开发智能决策支持系统；开展选矿厂工艺流程设计优化、生产过程智能优化关键技术研究，形成具自主知识产权的基因矿物加工全生命周期智能服务系统；