高壓電脈沖破碎改善紫金山銅礦石浸出性質的試驗研究

黃烈鳳 賀澤銘 劉偉超 左蔚然

（1.福州大學紫金礦業學院，福建福州350108；2.低品位難處理黃金資源綜合利用國家重點實驗室，福建龍巖364200；3.福州大學-紫金礦業集團礦產資源綜合利用聯合研發中心，福建福州350108；4.南京玻璃纖維研究設計院，江蘇南京210012）

隨著我國高品位金屬礦產資源幾近枯竭，蘊藏豐富的低品位金屬礦產資源的重要性越發凸顯［1-2］。對于低品位金屬礦石，堆浸技術是目前應用最廣泛的提取方法之一，可適用于金、銀、銅、鈾等多種礦產。堆浸作為一種液—固反應過程，在礦石類型和浸出液性質不變時，其實際生產效率主要取決于溶浸液接觸礦石顆粒內金屬礦物的難易程度和溶浸液在礦堆中的滲透性［3-4］。

高壓電脈沖破碎是一種能夠顯著改變金屬礦石工藝性質的礦石預處理技術［5］。該技術利用脈沖發生裝置于浸泡在水中的礦石內部引發電擊穿，從而將數十到數百焦耳的能量在極短的時間內釋放到礦石顆粒內部，在等離子體形成的放電通道周圍的材料內部產生強大的壓力波，導致礦石顆粒的解體［6］。

在礦石的高壓電脈沖破碎過程中，脈沖放電引發的電擊穿會優先在礦石顆粒內金屬和非金屬礦物晶粒的邊界上發生，從而使礦石顆粒沿晶粒間邊界破碎［7］。針對金礦、銀金礦、鉑族金屬礦、銅礦、鐵礦等多種礦石的研究表明，高壓電脈沖破碎的這一特性可用于改善礦物的解離效果［8-14］。

與以壓應力為主的機械破碎不同，高壓電脈沖破碎通過放電通道膨脹產生的拉應力對礦石顆粒進行破碎。在拉應力作用下，高壓電脈沖破碎的產物上會產生大量的裂縫。對多種銅礦、鉛鋅礦、磷酸鹽礦、赤鐵礦、銀礦和花崗巖的對比試驗表明，高壓電脈沖破碎在礦石顆粒中產生的裂縫可以明顯改善礦石的可磨性［15-18］。礦石顆粒在高壓電脈沖作用下發生晶粒間破碎的現象不僅有利于促進礦物解離，還可以提高金屬礦物在破碎產物表面上的暴露程度，從而使溶浸液更容易與金屬礦物發生接觸。同時，高壓電脈沖破碎產物上產生的大量裂縫也有利于溶浸液通過滲透接觸礦石顆粒內部的金屬礦物。鑒于此，與傳統上利用高壓電脈沖破碎促進金屬礦物解離、改善金屬礦石可磨性的做法不同，本研究探索了采用高壓電脈沖破碎改善金屬礦石浸出性質的可行性。

本研究采用高壓電脈沖破碎和機械破碎分別對紫金山銅礦石進行破碎處理。除了對破碎產物的金屬礦物暴露程度和裂縫產生情況進行了檢測外，還分析了破碎方式對礦石顆粒形狀及礦堆飽和含水率的影響，并通過對比研究考察了高壓電脈沖破碎預處理對紫金山銅礦石浸出效率的促進作用。

1 試樣、藥劑、設備及方法

1.1 試 樣

試驗樣品取自福建省上杭縣紫金山銅礦。原礦經烘干、篩分、混勻和縮分后取6.7～9.5 mm粒級顆粒作為試樣。試樣主要化學成分分析結果如表1所示。由表1可以看出，紫金山銅礦石中Cu品位為0.13%，Fe品位為3.76%，Au品位＜0.01 g/t，屬于低品位銅礦石。

注：帶“*”單位為g/t。

表2給出了試樣的主要礦物組成與含量。試樣中的銅主要分布在藍輝銅礦和銅藍中，其含銅量約占總量的80%，還有少量的銅分布在硫砷銅礦和硫錫銅鐵礦等礦物中。試樣中其他金屬礦物主要是黃鐵礦，其含量為8.37%。脈石礦物以石英為主，其含量達75.28%，同時含有少量地開石和明礬石，以及微量的絹云母。

1.2 試驗設備及藥劑

試驗使用的主要設備儀器及藥劑的基本信息和用途如表3所示。

左蔚然等［19］給出了本研究使用的自制高壓電脈沖處理系統的組成結構和主要參數調節范圍。本研究在進行高壓電脈沖破碎處理時，顆粒的床層高度和電極的間距均固定為30 mm，脈沖釋放頻率為1 Hz。高壓脈沖發生器的充電電壓采用110 kV和135 kV兩種設置，分別代表較低和較高兩種充電電壓。

1.3 試驗方法

1.3.1 采用不同破碎方式制備樣品顆粒

對6.7～9.5 mm試樣分別采用高壓電脈沖破碎和機械破碎進行處理，為柱浸試驗提供入料樣品。

在進行高壓電脈沖破碎處理時，分別在135 kV和110 kV的充電電壓下進行如下操作：在高壓電脈沖處理系統的破碎腔內放入質量為337 g的6.7～9.5 mm試樣（其體積恰好形成高度為30 mm的顆粒床層）。在對試樣進行40次脈沖放電后，用篩孔孔徑為6.7 mm的篩子對破碎產物進行篩分。在+6.7 mm破碎產品中繼續添加6.7～9.5 mm試樣，使其總質量仍為337 g，然后將其放回高壓電脈沖處理系統的破碎腔重復以上操作，直到-6.7 mm產品的總量滿足柱浸試樣需求為止。

在對6.7～9.5 mm試樣進行機械破碎處理時，同樣在6.7 mm的分級粒度下進行閉路循環破碎，并使用-6.7 mm的破碎產物制備柱浸試驗入料。

1.3.2 破碎產品顆粒性質表征

分別對充電電壓為135 kV的高壓電脈沖破碎產品、充電電壓為110 kV的高壓電脈沖破碎產品和機械破碎產品進行篩分，篩孔孔徑依次為4.75 mm、3.35 mm、2.36 mm、1.70 mm、1.18 mm、0.85 mm和0.60 mm。采用圖像處理軟件ImageJ對各粒級顆粒的圖像進行處理，提取其形狀參數。采用體視顯微鏡觀察特定粒級顆粒的表面金屬礦物暴露程度和裂縫產生情況等形貌特性。

1.3.3 柱浸試驗方法

選擇4.75～6.7 mm、2.36～4.75 mm、1.18～2.36 mm、0.6～1.18 mm等4個窄粒級的顆粒作為柱浸試驗入料。每份窄粒級柱浸試驗入料樣品的質量為600 g，分別放入內徑為50 mm、高度為350 mm的微型浸出柱內進行浸出。溶浸液選擇酸性硫酸鐵溶液，初始溶液Fe3+濃度約為10 g/L。在浸出過程中采用硫酸使溶浸液的pH值保持在約1.5左右，此時溶浸液的氧化還原電位約為600 mV。每個微型浸出柱的噴淋強度均控制為20 L/（m2·h）。浸出過程中，用集液桶收集流經微型浸出柱的浸出液，并定期采用電感耦合等離子體光譜儀（ICP-OES）檢測浸出液中銅離子濃度。將第21 d作為浸出終點，在浸出結束后取出浸渣，經烘干、研磨、溶解后采用ICP-OES檢測其銅品位。

2 試驗結果與分析

2.1 破碎方式對礦石顆粒表面金屬礦物暴露程度和裂縫產生情況的影響

采用旋轉縮分機從不同破碎方式的4.75～6.7 mm產品中分別縮分得到約520～550顆礦石顆粒。通過體視顯微鏡檢測這些顆粒中表面存在金屬礦物或裂縫的顆粒數量，其結果分別見表4、表5。

由表4可知，在機械破碎產品中，只有1.6%的顆粒表面有金屬礦物暴露。與之相比，高壓電脈沖破碎在兩種不同的充電電壓下都能夠顯著提高金屬礦物在礦石顆粒表面的暴露程度，但充電電壓大小的影響不顯著。在135 kV和110 kV的充電電壓下，兩種高壓電脈沖破碎產品中分別有3.7%和3.4%的顆粒表面有金屬礦物暴露，分別相當于機械破碎產品的2.3倍和2.1倍。

由表5可知，相比機械破碎，高壓電脈沖破碎能夠顯著提高破碎產品中表面存在裂縫的顆粒所占比例，且充電電壓的大小對破碎產品的裂縫產生情況影響顯著。在機械破碎產品中，只有2.5%的顆粒表面上有裂縫存在。在充電電壓為110 kV的高壓電脈沖破碎產品中，這一比例大幅上升到7.3%。當充電電壓進一步提高到135 kV時，高達17.2%的顆粒表面上均可發現裂縫的存在。

表4和表5表明，兩種充電電壓的高壓電脈沖破碎產品的金屬礦物暴露程度和裂縫產生情況均在不同程度上高于機械破碎產品。這將使浸出液在高壓電脈沖破碎產品中更易于與目的礦物快速充分地接觸并發生反應，促進浸出過程的進行。

2.2 破碎方式對礦石顆粒形狀的影響

對不同破碎方式得到的7個粒級（4.75～6.70 mm、3.35～4.75 mm、2.36～3.35 mm、1.70～2.36 mm、1.18～1.70 mm、0.85～1.18 mm和0.60～0.85 mm），采用圖像處理軟件ImageJ檢測投影的長徑比和圓形度。其中，長徑比是指能夠將顆粒投影外緣包起來的最小橢圓的長徑和短徑之比；而圓形度是指顆粒投影形狀與圓的接近程度，在數值上等于顆粒投影面積與和顆粒投影形狀具有相同周長的圓的面積之比。

圖1給出了不同破碎方式各粒級產物顆粒的長徑比。從整體上看，兩種不同充電電壓的高壓電脈沖破碎產品的長徑比在各粒級上都相互接近，其平均值分別為1.42和1.41。機械破碎產品的長徑比在各粒級上均明顯大于高壓電脈沖破碎產品，其平均值為1.51。

假定在相同粒級上，不同破碎產品顆粒的短徑相等，則長徑比較大的顆粒會擁有較長的長徑。圖2給出了浸出液向具有不同長徑比的顆粒內部滲透的示意圖。在該圖中，假設金屬礦物晶粒（由實心圖形表示）存在于每個顆粒形狀的中心，且每個顆粒內均存在從顆粒表面沿顆粒短徑和長徑向金屬礦物晶粒延伸的孔隙。對長徑比不同的顆粒而言，浸出液沿顆粒短徑向金屬礦物晶粒滲透時需要經過的孔隙長度相同，但沿顆粒長徑向金屬礦物晶粒滲透時需要經過的孔隙長度不同。

假設浸出液通過沿顆粒長徑分布的孔隙滲透到金屬礦物晶粒，則滲透路徑長度近似為孔隙所在的長徑長度。根據流體力學的蔡西公式，單位時間內通過該孔隙的流體量Q可以按公式（1）計算：

式中，Q為單位時間內流體通過孔隙的流量，cm3/s；K為流量模數；ΔP為液體通過孔隙前后的壓差，Pa；μ為液體黏度，Pa·s；L為孔隙的長度，cm。

由公式（1）可知，礦石顆粒的滲流能力（Q值）與孔隙長度存在反比關系。將數值帶入公式（1），可分別計算得到3種破碎產品的Q值，當浸出液從沿顆粒長徑延伸的孔隙向金屬礦物晶粒滲透時，兩種充電電壓下的高壓電脈沖破碎產品各粒級顆粒的Q值分別平均比機械破碎產品的Q值高出3.3%（135 kV）和3.5%（110 kV），說明高壓電脈沖破碎產品擁有較低的長徑比有利于提高浸出液在礦石顆粒內的滲流能力。

圖3給出了不同破碎方式各粒級產物顆粒的圓形度。通常情況下，較高的圓形度具有較大的滲透系數［20］，從而有利于提高浸出液在顆粒表面和礦堆內部的流動性。從圖3可以看出，兩種不同充電電壓下的高壓電脈沖破碎產品在各粒級上均擁有基本一致的圓形度，且圓形度隨顆粒粒度減小呈小幅上升趨勢。隨著顆粒粒度的減小，機械破碎產品的圓形度呈先下降再上升的趨勢。高壓電脈沖破碎產品在各粒級的圓形度平均值為0.89，與機械破碎產品的圓形度平均值（0.87）差異較小，但前者在所有粒級上均大于后者。

2.3 破碎方式對礦堆飽和含水率的影響

在對4.75～6.7 mm、2.36～4.75 mm、1.18～2.36 mm、0.6～1.18 mm等4個窄粒級的顆粒進行柱浸試驗的同時，檢測了微型浸出柱內入料樣品的飽和含水率。在堆浸作業中，礦堆的飽和含水率越高，溶浸液與礦石顆粒的接觸性越好，越有利于溶液與目標礦物的充分反應。

在檢測過程中，每個微型浸出柱中的顆粒質量記為q（600 g），噴淋液質量記為q0，集液桶中的浸出液質量記為q1，則每個微型浸出柱礦堆的飽和含水率η的計算公式如下：

對每個微型浸出柱分別檢測3次飽和含水率并取其平均值。不同破碎方式下各粒級產物顆粒的飽和含水率如圖4所示。結果表明，當充電電壓為110 kV時高壓電脈沖破碎產品各粒級顆粒的飽和含水率與機械破碎產品相比沒有顯著差異；當充電電壓提高到135 kV時，高壓電脈沖破碎產品的飽和含水率在不同粒級上均明顯高于機械破碎產品，二者之差平均為2.71個百分點。

2.4 破碎方式對礦石顆粒銅浸出率的影響

圖5給出了不同粒級上各破碎方式產品銅浸出率與浸出時間的關系。

由圖5可知，在達到浸出終點（第21 d）時，不同破碎方式的產物的銅浸出率均隨粒度減小而上升。其中，兩種高壓電脈沖破碎產品和機械破碎產品在最大粒級的銅浸出率分別為32.58%（135 kV）、29.74%（110 kV）和28.74%；在最小粒級的銅浸出率分別為54.04%（135 kV）、51.62%（110 kV）和40.15%。銅浸出率在不同破碎方式下均隨粒度減小而上升的原因是：顆粒越細，其比表面積就越大，浸出液滲透接觸金屬礦物晶粒的能力就越強。

從圖5還可以看出，在接近或達到浸出終點時，高壓電脈沖破碎產品的銅浸出率在各粒級上均高于機械破碎產品。另外，充電電壓為135 kV的高壓電脈沖破碎產品的銅浸出率在各粒級上高于充電電壓為110 kV的高壓電脈沖破碎產品。這一規律與不同破碎方式產品在金屬礦物暴露程度、裂縫產生情況、顆粒形狀及飽和含水率等影響浸出效率的性質的規律一致。在不同粒級上，兩種充電電壓的高壓電脈沖破碎產品在浸出終點的銅浸出率平均值分別為45.40%（135 kV）和40.40%（110 kV），均顯著高于機械破碎產品34.30%的平均銅浸出率。

3 結論

（1）在機械破碎產品中，只有1.6%的顆粒表面有金屬礦物暴露，有2.5%的顆粒表面上存在裂縫。相比之下，高壓電脈沖破碎產品中有3.4%～3.7%的顆粒表面有金屬礦物暴露。在較低（110 kV）和較高（135 kV）的充電電壓下，高壓電脈沖破碎產品中分別有7.3%和17.2%的顆粒表面上存在裂縫。

（2）在各粒級上，高壓電脈沖破碎產品的長徑比和圓形度分別小于和大于機械破碎產品，但充電電壓對長徑比和圓形度的影響不顯著。高壓電脈沖破碎產品和機械破碎產品的長徑比平均值分別為1.42（135 kV）、1.41（110 kV）和1.51，這使得溶浸液在前者的產品顆粒內沿顆粒長徑的滲流能力比后者高3.3%～3.5%。相比機械破碎產品的圓形度（0.87），高壓電脈沖破碎僅能小幅度將產品的圓形度提高到0.89，這有利于輕微改善溶浸液在顆粒表面和礦堆內部的流動性。

（3）當充電電壓為110 kV時，高壓電脈沖破碎產品的礦堆飽和含水率與機械破碎產品相比沒有顯著差異；當充電電壓提高到135 kV時，高壓電脈沖破碎產品的礦堆飽和含水率在各粒級上均明顯高于機械破碎產品，二者之差平均為2.71個百分點。

（4）在接近或達到浸出終點時，高壓電脈沖破碎產品的銅浸出率在各粒級上均高于機械破碎產品，其中，充電電壓較高的高壓電脈沖破碎產品（135 kV）的改善最為明顯。高壓電脈沖破碎產品的銅浸出率相比機械破碎產品平均提高了11.1個百分點（135 kV）和6.6個百分點（110 kV）。高壓電脈沖破碎處理改善紫金山銅礦石浸出性質的現象與其對破碎產品金屬礦物暴露程度、裂縫產生情況、顆粒形狀和礦堆飽和含水率等性質的影響規律一致。