基因矿物加工工程研究.pdf

2 0 1 8 年第1 期有色金属 选矿部分 1 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 8 ．0 1 ．0 0 1 基因矿物加工工程研究 孙传尧1 ”，周俊武1 2 ⋯，贾木欣1 2 ⋯，李成必1 ，一，印万忠4 ，宋振国1 , 2 1 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 2 6 2 8 ；2 ．矿物加工科学与技术国家重点实验室，北京1 0 2 6 2 8 ； 3 ．矿冶过程自动控制技术国家重点实验室，北京1 0 2 6 2 8 ；4 ．东北大学资源与土木工程学院，沈阳1 1 0 8 1 9 摘 要矿床成因、矿石性质、矿物特性等与可选性密切相关，是选矿工艺的决定性因素，具有“基因属性”，“基 因表达”同样适用于矿物加工学科领域。传统的矿物加工技术研究开发模式对上述重要的基因特性缺乏深入系统的 研究、测试和总结，大量历史选矿试验数据、工艺矿物学研究数据、设计数据、生产数据等数据库没有建立起来，矿物加 工工艺研发和工程设计与现代信息化技术没有深度融合，这使得目前选矿工艺研究存在开发周期长、成本高、效率低、 重复试验、先进技术经验难以有效传承等弊端。为了充分利用矿物的基因特性，有效克服矿物加工技术研发过程中的 弊端，提出了“基因矿物加工工程”的理念和思路，并开展了战略咨询研究。主要研究内容包括1 基因特性的测试与 提取；2 基因矿物加工工程数据库与数据仓库的建设；3 选矿工艺流程智能决策系统；4 选矿验证试验；5 虚拟选矿 厂。其技术路线是以矿床成因、矿石性质、矿物特性等矿物加工的“基因”特性研究与测试为基础，建立和应用数据 库，经过智能推荐、模拟仿真和有限的选矿验证试验，快捷、高效、精准地选择选矿技术和工艺流程。此三位一体的基 因矿物加工工程的系统研究，将对矿物加工试验研究和工程转化的传统模式带来突破性的创新，为新建选矿厂的设计 或老选矿厂的技术改造提供支撑。 关键词基因矿物加工工程；矿床学；大数据；数据库；虚拟选矿厂；智能决策 中图分类号T D 一0文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 8 0 1 - 0 0 0 1 - 0 7 R e s e a r c ho nG e n e t i cM i n e r a lP r o c e s s i n gE n g i n e e r i n g S U NC h u a n y a 0 7 一，Z H O UJ u n w u 7 ’2 ⋯，J I AM u x i n 7 2 ⋯，L IC h e n g b i7 ”，Y I NW a n z h o n 9 4 ，S O N GZ h e n g u 0 7 ，2 J ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 2 6 2 8 ，C h i n a ； 2 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM i n e r a lP r o c e s s i n gS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 2 6 2 8 ，C h i n a ； 王S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fP r o c e s sA u t o m a t i o ni nM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 2 6 2 8 ，C h i n a ； 4 ．S c h o o lo f R e s o u r c e sa n dC i v i lE n g i n e e r i n g ，N o r t h e a s t e r nU n i v e 瑙i t y ，S h e n y a n g1 1 0 8 1 9 ，C h i n a A b s t r a c t T h ed e p o s i tg e n e s i s ，t h eo r e p r o p e r t y ，a n dt h em i n e r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c h h a sac l o s e r e l a t i o n s h i pw i t ht h e i rb e n e f i c i a b l i t y ，c o u l db er e g a r d e da st h e ‘‘G e n e t i cP r o p e r t i e s ”，a c t u a l l ya r et h ed e t e r m i n i n g f a c t o r sf o rb e n e f i c i a t i o np r o c e s sd e v e l o p m e n t ．H o w e v e r ，i nc o n v e n t i o n a lc o n c e n t r a t o r ’Sp r o c e s sd e v e l o p m e n ta n d e n g i n e e r i n g ，t h e r eh a v eb e e nl a c ko fs y s t e m a t i cr e s e a r c ha n dt e s t o nt h o s eg e n e t i cp r o p e r t i e s ，a l s ol a c ko fw e l l - e s t a b l i s h e dc o l l e c t i n g ，s t a t i s t i c sa n da n a l y s i ss y s t e mf o rt h o s eh u g ea m o u n to fd a t as u c ha st h eh i s t o r i c a lm i n e r a l p r o c e s s i n gt e c h n i q u er e s e a r c h ，p r o c e s sm i n e r a l o g ys t u d y ，p r a c t i c a lo p e r a t i n ga n de n g i n e e r i n gd a t a ．O b v i o u s l yi t i s f a rl e s st h a ne n o u g hf o rp r o f o u n di n t e g r a t i o nc o m b i n i n gm o d e r nI Tt o g e t h e rw i t ht r a d i t i o n a lm i n e r a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ，a sar e s u ht h e r ea r e an u m b e ro fd i s a d v a n t a g e si nm i n e r a lp r o c e s s i n gR Da n de n g i n e e r i n g ，s u c ha s l o n gt e r m ，h i g hc o s t ，l o we f f i c i e n c y a sw e l la s r e p e t i t i v e t e s t w o r kn o tm a k i n gf u l l a d v a n t a g eo fp r e v i o u s e x p e r i e n c e s ．A i m i n gt o m a k eu t m o s to ft h o s eG e n e t i cP r o p e r t i e sa n do v e r c o m ea b o v ed i s a d v a n t a g e si nm i n e r a l p r o c e s s i n gR Da n de n g i n e e r i n g ，t h ec o n c e p to f “G e n e t i cM i n e r a lP r o c e s s i n gE n g i n e e r i n g G M P E ”i sp u t f o r w a r d e d ，a n dt h es t r a t e g i c a ls t u d yh a sb e e nc o n d u c t e do nt h i sr e g a r d ，w i t ht h em a i nf o c u so nf o l l o w i n ga s p e c t s a T e s t i n ga n de x t r a c t i o n o ft h e “G e n e t i cP r o p e r t i e s ”；b E s t a b l i s h m e n to fd a t ab a s ea n dd a t aw a r e h o u s eo f G M P E ；C I n t e l l i g e n td e c i s i o nm a k i n gs y s t e mf o rb e n e f i c i a t i o np r o c e s s ；d V e r i f i c a t i o nt e s t w o r k ；e V i r t u a l c o n c e n t r a t o r ．1 1 1 et e c h n i c a lr o u t ep r o p o s e di st o f i r s t l y c o n d u c tr e s e a r c ha n dt e s to nt h o s eG e n e t i cP r o p e r t i e s 收稿日期2 0 1 7 1 1 - 2 l修回日期2 0 1 7 一l l - 2 5 作者简介孙传尧 1 9 4 4 一 ，男，山东东平人，中国工程院院士，主要从事复杂多金属矿石选矿工艺和浮选理论研究。 万方数据 2 有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第1 期 m e n t i o n e da b o v e ，b a s e do nt h a tt h e s p e f i c i c d a t ab a s ew i l lb es e t u pa n da p p l i e df o ri n t e l l i g e n tp r o c e s s r e c o m m e n d a t i o na n ds i m u l a t i o nw i t haf e wv a r i c a t i o nt e s t w o r kc o n d u c t e di nt h em e a n t i m e ，f i n a l l ya c h i e v eaf a s t ， h i g he f f i c i e n c ya n dp r e c i s ed e t e r m i n a t i o no ft e c h n o l o g ya n dp r o c e s sf o ro r eb e n e f i c i a t i o n ．T h es y s t e m a t i cs t u d yo n t h et h r e e - i n - o n eG M P Ew o u l dm a k ea ni n n o v a t i v eb r e a k t h r o u g hi nc o n v e n t i o n a lm i n e r a lp r o c e s s t e s t w o r kr e s e a r c h a n de n g i n e e r i n gm e t h o d o l o g y ，a n dp r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ec o n c e n t r a t o r ’Sd e s i g na n du p g r a d i n g ． K e yw o r d s g e n e t i cm i n e r a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g ；m i n e r a ld e p o s i tg e o l o g y ；b i gd a t a ；d a t a b a s e ；v i r t u a l c o n c e n t r a t o r ；i n t e l l i g e n td e c i s i o nm a k i n g 1基因矿物加工工程提出的背景 基因是D N A 分子上的一个功能片断，是决定一 切生物物种最基本的因子；基因支持着生命的基本 构造和性能，储存着生命过程的全部信息。 1 ．1 近年来国内外已把“基因”这一概念引入无机 材料领域 美国政府于2 0 1 1 年6 月宣布了“材料基因组计 划 M G I ，主要内容是高通量材料计算、高通量材料 合成和表征实验以及数据库的技术融合与协同，将 材料从发现、制造到应用速度至少提高一倍。几年 的实践表明，这是一项可使研究经费减半，工作量减 半的事半功倍的系统工程。欧盟、日本也提出了相 类似的计划。受这一思路的启发，中国材料界近几 年间已开展了中国版材料基因组计划研究。“材料 基因工程关键技术与支撑平台”重点专项目前已列 入国家重点研发计划。 当今社会上“基因”这一术语引用拓展得很多， 在自然科学、工程技术领域用，甚至人文和社会科学 也用。因此，将“基因”引入矿物加工领域并研究应 用是很贴切的。 1 ．2 矿床、矿石和矿物的基因特性决定了矿石的可 选性 选矿厂处理的矿石尽管千差万别，但它与矿床 成因、矿床类型和矿石、矿物等固有的基因有内在的 联系。换言之，从矿床形成时，它就带有某种基因的 特征，并且有共性。矿床、矿石和矿物的基因特征应 是决定矿物分选的最本质因素，包括矿石的矿物组 成、嵌布特性、结晶粒度、矿物的晶体结构、元素信 息、化学键信息、晶格信息、缺陷信息等，是由矿床成 因及工业类型，矿石的结构构造、物质组成，矿物的 共伴生和镶嵌特性等决定的，并将影响碎磨、重选、 磁选、浮选等加工特性。 1 ．3 传统的矿物加工技术开发模式存在弊端 传统的矿物加工 选矿 技术研究开发模式的 一般流程为工艺矿物学研究一系统的选矿试验研 究 包括小型试验、扩大连续试验、半工业或工业试 验 一推荐工艺流程方案一根据推荐流程及经验进 行选矿厂设计、建设一试车投产。该开发模式存在 的主要弊端有1 开发周期长、成本高；2 试验过程 需耗费大量的人力、物力和财力，工作效率低；3 如 遇相同或不同矿石类型的研究项目，均需做许多重 复的试验工作，造成大的浪费；4 先进技术经验难 以得到有效传承。 造成这些弊端的主要原因在于 1 对制约矿物加工工艺的根本因素矿物、 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 大量历史的选矿试验数据、工艺矿物学研究 数据、选矿厂设计数据、生产数据等数据库没有建立 和利用； 3 现代信息化技术没有与矿物加工技术研发 和工程设计合理深度融合。 2 开展基因矿物加工工程研究的必 要性 基因矿物加工工程，简称G M P E G e n e t i cM i n e r a l P r o c e s s i n gE n g i n e e r i n g ，是以矿床成因、矿石性质、 矿物特性等矿物加工的“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、模拟仿真和有限 的选矿验证试验，快捷、高效、精准地选择选矿技术 和工艺流程，为新建选矿厂的设计或老选矿厂的技 术改造提供支撑。 基因矿物加工工程通过对矿床、矿石和矿物基 因测试与研究，为选矿技术和工艺流程的制定提供 重要的信息基础，并借助于数据库的建立及现代信 息技术的深度融合，形成三位一体的基因矿物加工 工程研究体系，对传统的研究方法有可能实现根本 性的创新。 万方数据 2 0 1 8 年第1 期 孙传尧等基因矿物加工工程研究 3 3 矿物加工研究中的基因要素 在矿物加工 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着基因特性，并取得了 一定的成果。 3 ．1 影响矿石分离特性的矿床基因 矿床成因的差异，导致不同矿床中含有的矿物 种类不同，进而导致矿石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。这主要是由于 矿物在形成过程的复杂性，以及成矿环境的差异，造 成矿物的性质也随着环境的变化而变化。黄铁矿可 在岩浆分离结晶作用、热水溶液或升华作用中生成， 也可以在火成岩、沉积岩中生成，成矿后经常有完好 的晶形，呈立方体、八面体、五角十二面体及其聚形， 因此不同矿床成因的黄铁矿在晶型、颜色和性质上 有较大的差别。于宏东旧1 研究了不同成因黄铁矿 的可浮性变化情况，发现不同成因黄铁矿的可浮性 有很大变化，如图2 所示。从图2 可见中低温热液 型的黄铁矿可浮性最好，而煤系沉积型黄铁矿的可 浮性最差。 MCF u e r s t e n a u ∞1 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9 0 ％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4 1 ％，最高接近1 0 0 ％。 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 差异与硫化矿物的禁带宽度有关，禁带宽度反映矿 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 ．4 1 和0 ．5 0e V ，而黄铁矿、辉铜矿和闪锌矿的禁带 宽度分别达到了0 ．9 0 、2 ．1 0 和3 ．6 0e V ，故不同产地 的黄铁矿、辉铜矿和闪锌矿的可浮性差异较大。 l 一湖南上堡；2 一湖南东坡；3 一江西东乡；4 一湖南水口山； 5 一安徽铜官山；6 一广东英德；7 一湖南七宝山；8 一江西德兴铜矿 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 F i g ．1R e l a t i o n s h i p sb e t w e e nf l o t a t i o nr e c o v e r y a n dx a n t h a t ec o n c e n t r a t i o nf o r e i g h tp y r i t eo r e sf r o md i f f e r e n td e p o s i t s 图2 不同成因黄铁矿的浮选回收率 与黄药浓度的关系 F i g ．2R e l a t i o n s h i p sb e t w e e nf l o t a t i o nr e c o v e r y a n dx a n t h a t ec o n c e n t r a t i o nf r o m d i f f e r e n td e p o s i t s 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 对于变质沉积成因铁矿床，引起矿石可选性 差异的成因因素是变质程度、氧化程度和成矿时代。 变质程度高、氧化程度低、成矿时代老，则矿石磁铁 矿含量高，赤铁矿含量低，矿石易选；反之赤铁矿含 量高，需强磁选及反浮选。 2 对于岩浆结晶分异矿床及岩浆分异晚期灌 q 8 7 6 5 4 3 2 枣＼碍娶丑 万方数据 4 有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第1 期 人矿床，岩浆分异导致铁钛共生，铁钛回收相互 制约。 3 对矽卡岩型铁矿床，常伴生硫化矿物，回收 磁铁矿的同时还要回收伴生铜、有时需要回收铅锌； 矽卡岩成矿常可形成高温的磁黄铁矿，铁精矿需考 虑浮选除硫。 4 对于与碱性侵人岩、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，矿石成分复杂， 需多元素综合回收，选矿流程长，分选难度大。 5 对于沉积型铁矿床，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，一般需还原焙烧使赤铁矿转 变为磁铁矿或磁赤铁矿再磁选，或深度还原焙烧得 到金属铁再磁选回收铁。 此外，对于铜镍硫化物型、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 泥岩一细碎屑岩型、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，目的矿物 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，进而影响矿石的分选效果。 3 ．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，矿石结构构 造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，影响矿石的可选性。 一般来说，浸染状构造、斑点状构造、条带状构 造的矿石碎磨时易于解离；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，选矿彻底分 离比较困难；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 ．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，影响矿物的 可浮性和浮选分离，是重要的矿物基因特征。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、离子的释放并吸附 在矿物表面，引起矿物表面化学性质和可浮性的变 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。 胡岳华等。4 1 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A l o 和s i o 键断裂以 及表面离子活性区的差异，可影响矿物表面的润湿 性与可浮性，类质同象及晶格离子取代也将对浮选 药剂与矿物表面的相互作用和矿物可磨性产生影 响。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。在此基础 上，他提出了作用于矿物表面不同位点的铝一硅矿物 浮选剂分子组装设计原理及铝一硅矿物浮选溶液化 学原理，建立了铝一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”o 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 为方铅矿 P b S 缺陷 阳离子空位 与黄药 离子反应示意图，阳离子空位造成电荷及化合价失 去平衡，形成电负性缺陷，在空位附近的硫离子对电 子有较强的吸引力，而阳离子则形成较高的荷电状 态及较多的自由外层轨道，此时晶体半导性为P 万方数据 2 0 1 8 年第1 期孙传尧等基因矿物加工工程研究 5 型，形成对黄原酸离子较强的吸附中心。相反，若缺 陷使晶体半导性成为N 型 阴离子空位或带间隙阳 离子 ，则不利于黄原酸离子吸附。 图3 方铅矿 P b S 缺陷与黄药离子反应示意图 F i g ．3 I l l u s t r a t i o no fr e a c t i o nb e t w e e ng a l e n a P b S d e f e c t sa n dx a n t h a t ei o n 有人在研究重晶石、萤石和方解石的阴离子捕 收剂浮选时，发现捕收剂在矿物表面上的吸附与费 米能级的位置有关，随着功函数的增加及费米能级 的降低，捕收剂在矿物表面的吸附量增加，浮选回收 率提高。通过在矿浆中引入氧化剂，降低矿物的费 米能级，使重晶石、萤石和方解石的浮选回收率提 高，当使用还原剂时则会降低其回收率。 A ．J ．罗德汀格斯∞1 研究了晶体化学特性对磷 灰石可浮性的影响，针对不同成因的磷灰石，进行了 详细的x 射线衍射研究，准确地测定了样品的晶胞 参数和结晶度。结晶度以结晶指数表示，结晶指数 与可浮性之间具有显著的相关性。 孙传尧，印万忠“ 1 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性 和浮游性具有密切的关系。不同结构类型的硅酸盐 矿物晶体化学特征的差异，导致矿物表面电性、暴露 于矿物表面的阴阳离子的种类和相对含量、表面多 价金属阳离子对于阴离子的相对密度 Z M ”／Z 0 2 ’ 、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添加调 整剂时的自然可浮性及不同调整剂对矿物可浮性影 响的差异。 孙传尧旧1 研究了霓石的晶体化学特征与其可 浮性的关系。霓石 钠辉石 的晶体结构如图4 所 示。硅原子与氧原子形成[ S i O 。] 四面体链，铁原子 与氧原子结合成[ F e O 。] 八面体链，每两个[ S i O 。] 四 面体链与一个[ F e O 。] 八面体链形成2 1 型的“I ”形 杆。图4 中的M 。位置被F e 3 占据，M 位置被N a 占据。结构中s i O 键主要为共价键，键强较大，而 N a O 和F e O 键离子键性特征明显。矿物解离 时主要沿N a 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N a 及少量的S i 和F e 。霓石的含铁量约占2 5 ％，应当 具有某些铁矿物的性质。由于F e 3 占据M 。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。用 “络合浸蚀浮选法”在实验室曾成功地实现了包钢 选矿厂弱磁精矿的反浮选。 l l 一玉▲W 黻了 丫姒木W 从。 QQ ●●．L 耻 十对称中心 S ioO⑧M h 图4 霓石的晶体结构图 在 0 0 1 面上的投影 F i g ．4C r y s t a ls t r u c t u r eo fA e g i r i n e P r o j e c t i o no nt h e 0 0 1 p l a n e 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V 3 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T O T 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。V 3 主要以类质 同象形式部分取代A J 3 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 这些问题都与矿物的晶体结构基因密切 相关。 万方数据 6 有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第1 期 图5 沿云母 0 1 0 的晶体结构 F i g ．5C r y s t a ls t r u c t u r eo fm i c aa l o n g 0 10 H 图6 云母的T o T 结构 F i g ．6 T O Ts t r u c t u r eo fm i c a 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，还未构成体系；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。 4 基因矿物加工工程的主要研究内容 和技术路线 4 ．1 矿物、矿石和矿床基因特性的研究与测试 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。 4 ．2 基因矿物加工工程数据库与数据仓库的建设 将庞大的矿石工艺矿物学研究，矿床、矿石和矿 物的基因测试，选矿工艺试验研究，选矿厂生产实践 数据以及选矿厂工程设计资料等历史的、现今的、国 内的、国外的大量资料进行收集、研究、建立数据库。 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。 4 ．3 选矿工艺流程智能决策系统 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，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。 4 ．4 有限的选矿试验验证 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。对于验证不成功 的工艺流程，反馈到数据库和智能决策系统进一步 优化。 4 ．5 虚拟选矿厂 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。在基因矿物加工工程研究体系中， 虚拟选矿厂的主要功能有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、 匕似蒜心 万方数据 2 0 1 8 年第1 期 孙传尧等基因矿物加工工程研究 7 设计指标的实现与流程优化运行提供保障。 4 ．6 基因矿物加工工程技术路线 5结论 基因矿物加工工工程研究的技术路线图如图7 所示。 图7 基因矿物加工工程研究技术路线 F i g ．7T e c h n o l o g yR o a d m a po fG e n e t i cM i n e r a lP r o c e s s i n gE n g i n e e r i n g 1 矿床成因、矿石性质、矿物特性等与可选性 密切相关，对分选指标具有重要影响，这些性质具有 “基因性”，通过对矿床、矿石和矿物基因测试与研 究，能够为选矿工艺流程的制定提供重要的信息基 础，再借助于数据库的建立及现代信息技术的深度 融合，可形成三位一体的基因矿物加工工程研究 体系。 2 基因矿物加工工程研究所提出的方法、技术 路线以及所建立的信息平台，有可能突破传统的矿 物加工研发和工程转化的模式，大幅度缩短选矿工 艺的开发周期，实现高效低耗。 3 有关数据库的建立和应用研究工作量大、难 度大，是技术关键；工艺流程的智能决策和虚拟选矿 厂的模拟仿真是另一技术关键，创新性强，难度大。 4 基因矿物加工工程研究需要地质、采矿、工 艺矿物学、矿物加工、信息科学与技术、选矿工程设 计以及生产人员的通力合作，经长期努力才能取得 成效。也可以先做局部的研究缩短研究周期，例如， 金、铜、铅锌、钨、铁等。如果基因矿物加工工程研究 得以成功，相应的设计规范和设计思想也需要做出 相应改变。 参考文献 [ 1 ] 陈述文，胡熙庚．黄铁矿的温差电动势率与可浮性的关 系[ J ] ．矿冶工程，1 9 9 0 ，1 0 8 1 7 - 2 1 ． [ 2 ] 于宏东，孙传尧．不同成因黄铁矿的物性差异及浮游性 研究[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 1 0 ，3 9 5 7 5 8 - 7 6 3 ． [ 3 ] MC F U E R S T E N A U ，BJS A B A C K Y ．O nt h en