XRT智能預選技術在有色金屬礦山中的應用進展

耿志強， 吳啟明， 江國華， 謝文波， 鐘文慧， 程雙龍

（江西銅業股份有限公司德興銅礦， 江西 德興 334224）

智能分選技術脫胎于人工手選， 該技術是根據對礦石特有的物理特性， 如顏色、 粒度、 密度、放射性、 透明度、 光學性能等的鑒定結果， 或者根據各類射線對礦石的光譜分析結果， 實現價值礦石的分選。

智能分選技術經歷了從光選技術到射線、 圖像、 智能算法等多種技術融合的發展過程， 如圖1所示。1905年， 奧地利人率先研制出光選機； 1947年， Sortex 公司成功制作出第一臺光電分選機；1950 年， 蘇聯研發了APJI 型X 射線熒光分選機［1-2］； 20 世紀60~70 年代， 由于電子工程的發展，光電分選技術在選礦領域得到快速發展； Sortex 公司在20 世紀60 年代又與De Beer 公司聯合研制了用于金剛石分選的XR系列光電分選設備以及用于處理石膏、 白云石、 食鹽等的621M型光電分選機。

中國從20 世紀60 年代開始研制礦石分選設備， 1969 年建成中國第一座光電選礦車間。1979年， 江西冶金學院與下壟鎢礦共同研制中國第一臺平皮帶光選機［3］。

進入21 世紀， 隨著計算機視覺技術的發展，圖像處理算法和模式識別技術得到了廣泛應用。從X射線分選技術萌芽開始， 國內外不同公司均發展出獨有的核心技術， 特別是國內相關公司所研制出的各類設備， 在性能和成效方面已經取得極大突破， 廣泛應用于各大礦山企業。其中， X 射線透射技術（XRT）成為主流［4］， 其工作原理如圖2 所示。表1 中列出了當前國內外XRT 技術分選機的主要研發公司及其設備。

圖2 XRT預選設備示意簡圖Fig.2 XRT equipment diagram

1 XRT技術的分選原理與特點

1.1 工作原理

X 射線智能選礦設備是一種新型的分選設備，其原理是利用不同原子對X 射線能量衰減能力不同的特性， 進行元素的識別［5-7］。這種智能設備能結合人工智能（AI）的計算和大數據處理， 模擬人眼視覺和大腦， 通過不同的光譜成像， 辨析分選礦石的形狀、 顏色、 熒光反應等， 對礦石進行快速精確的定性、 半定量分析， 之后通過噴吹執行機構進行有效分選， 從而對精礦和廢石進行選別， 達到對原礦中有用礦物富集的目的［8-9］。

使用該技術選礦時不需要清洗礦石， 可直接進行干式分選， 不會出現洗水回收等問題。有別于傳統的機械打靶式分離， 噴吹執行機構采用智能控制系統分離礦石與廢石， 具有精度高、 產量大、 能耗低等優勢。

XRT 智能分選機包括給料、 射線源、 信息處理、 分選四大子系統。給料系統可實現均勻布料，并傳輸礦石勻速通過X射線識別區； 射線源通常安裝在傳輸皮帶的上下部， 包含射線源、 探測器； 信息處理系統就是與檢測系統相配套的數據傳輸和智能分選軟件； 分選部分則根據分選軟件分析的數據結果， 智能控制氣排槍噴出高壓空氣對礦石進行精確噴吹， 實現分選［10］。經過一個多世紀的發展， 智能分選機在機械結構上已經較為成熟， 在給料、 傳送、 檢測、 選別等方面均有理論研究支撐［11-12］。

1.1.1 給料系統

給料系統的作用是傳輸礦石， 使礦石呈單層且均勻通過射線照射區與分選區域， 大致可分為斜槽式和平帶式兩種結構。斜槽式給料系統屬于振動溜槽類設備， 通過振動作用實現傳輸功能； 平帶式給料系統通過振動給料機與傳送帶聯合作業實現傳輸功能。兩種結構的給料系統其傳輸方式各有優缺點， 斜槽式在傳輸時可以利用整個斜槽面引導礦石， 給礦面大， 適合粒度較大且形狀規則不易翻轉的大塊礦； 平帶式在傳輸時利用傳送帶傳送礦石， 給礦量大、 運行平穩， 適應粒級范圍大， 給礦速度可以調節， 處理量大， 適應性強。

1.1.2 射線源及檢測系統

射線源與檢測系統是四個系統中的核心部分， 其作用是對礦石的特征信息進行收集， 并傳輸至信息處理系統， 包括X 射線源與探測器［13］。X 射線透射分選機的運行原理是采用探測器對通過X射線照射區的礦石進行單獨掃描， 得到基于粒子流的X射線衰減的平面投影， 進而得到礦石表面特征、 密度特征、 相關組分特征等信息［14］。

1.1.3 信息處理系統與分選系統

信息處理系統由工業控制計算機、 操作顯示屏、 傳輸數據線等組成， 對探測器傳回的數據進行處理， 將得出的數據結果轉變成電信號傳至分選系統， 分選系統作出反應， 實現礦廢分離。

分選系統即分離精礦與尾礦的裝置， 其分離方式一般有電磁彈板法、 高壓氣閥噴吹法等。電磁彈板法成本低， 后期維護簡單； 氣閥噴吹法具有非接觸特點， 但需要空壓機與空氣干燥機等設備，成本高［15-16］。因高壓氣閥噴吹法具有響應時間更短， 且精度更高等優勢， 逐漸成為分選系統中的主流分離方法［17］。根據分選礦物中精礦與尾礦所占比例可以分為正選和反選。精礦量少， 氣吹精礦即為正選； 尾礦量少， 氣吹尾礦即為反選。針對不同礦料情況可以靈活運用。

1.2 XRT分選的局限性

X 射線分選機的適用性及其精確度方面有以下不足：

1）對入選礦石的要求較高， 需要礦石含泥量較少。

2）對礦石粒級限制較大， 目前市面上大部分設備要求礦石粒徑在10~300 mm。針對不同粒徑的礦石需要配置不同型號的設備才能起到較好的分選效果。對于過大的礦石需要先破碎再分選，對于較小的礦石分選精度較低。

3）在選礦過程中存在漏選、 誤選現象， 選出的廢石中夾帶有價礦石。

4）由于礦石組分復雜， 存在一些難以分辨的情況， 導致鑒別時有誤差。

5）對復雜共伴生礦物處理能力較差， 工藝較為復雜， 針對礦石中不同元素的分選需要設置不同的聯合工藝。現在已投入工業應用的設備還存在許多缺陷， 與分選設備的最高選礦目標， 即無誤選漏選、 礦石鑒別明確、 對礦石無太多表面和粒徑要求等， 還存在一定差距。

6）儀器成本高。X 射線透射儀器通常比傳統的選礦設備更昂貴， 因此引入這種技術可能需要較大的投資。

7）有輻射風險。雖然XRT 屬于非破壞性技術， 但對于操作人員而言， 長期接觸X 射線可能會給自身帶來一定的輻射風險。因此， 需要嚴格遵守輻射安全規定。

8）存在成分重疊。在一些復雜的礦石樣本中， 不同礦物的X 射線透射圖樣可能會重疊， 導致難以準確地識別和分析各個組分。

針對設備的不足之處， 應當從以下四個方面進行改進： 一是核心算法的優化， 對于不同礦種做到數據庫完備， 識別精確， 進而解決鑒別誤差問題； 二是機械結構的優化， 解決對礦石粒徑限制大的問題和對礦石表面要求苛刻的問題； 三是執行機構的優化， 通過提高氣閥的精度解決誤選漏選問題； 四是多檢測手段合用， 在用于復雜共伴生礦物的設備中集成可見光能譜技術、 XRT 等多種檢測手段， 進而解決需要設置聯合工藝的問題。總的來說， 雖然X 射線分選設備對分選礦物要求偏高， 但分選范圍廣， 選礦效率高， 且在極大減少人工成本的同時兼顧了對環境的保護， 具有較高應用價值。未來可以朝著精準分選、 多手段集成分選、 全智能分選等方向發展［18］。

1.3 XRT的特點

XRT 應用于有色金屬礦物選別時， 具有以下特點：

1）檢測速度快。XRT 可以實現快速、 高效的檢測， 可對大批量有色金屬材料進行快速分選和排除， 提高生產效率。

2）可定量分析。通過XRT， 可以進行有色金屬材料的定量分析， 包括密度、 厚度、 成分等參數的準確測量， 為質量控制和生產過程提供重要數據支持， 根據參數可以更加靈活地選擇分選方案。

3）樣品無需特殊處理。與使用相機成像技術時， 需要對礦物進行水洗預先處理不同， XRT應用時不需要對有色金屬樣品進行特殊處理， 可以直接對樣品進行檢測， 節省了樣品制備的時間和成本。

4）可遠程監測。XRT 可以與計算機網絡結合， 實現設備的遠程監測和控制。讓操作和管理更加便捷， 可以在遠程實時了解設備的運行狀態，使操作過程更加可控， 更重要的是遠程監控可以使操作員遠離射線源， 免受輻射危害。

5）可適用于復雜形狀。XRT 對有色金屬材料的形狀沒有嚴格限制， 適用于復雜形狀、 異型材料的檢測， 可以滿足各種特殊應用需求。

6）穿透力強。X 射線具有較強的穿透力， 可不受厚度限制透過有色金屬材料表面， 深入其內部對厚壁有色金屬材料進行深層檢測。

7）可實現非破壞性檢測。XRT 是一種非破壞性檢測方法， 檢測時無需對有色金屬材料進行任何物理接觸或破壞， 從而避免了對樣品的損傷， 保持了樣品的完整性。

除了以上特點外， XRT 還可以獲取多種參數，這些參數可用于其他智能化模塊， 滿足多樣化的應用需求。

2 XRT在有色金屬礦山的應用現狀

隨著新型傳感器技術和AI 的快速發展， 基于光學、 X 射線、 激光誘導、 微波等技術研發的成像技術引起了礦山企業， 尤其是礦山企業分選領域的關注。其中， XRT 是當前應用最廣泛的傳感器信息采集技術， 并且在鎢礦、 錫礦、 鉬礦、 銻礦、鉛鋅礦、 銅礦、 錳礦、 鉑礦、 金礦等有色金屬礦山企業實現了工業應用。

在實際生產中， 由于每種檢測傳感器都有其局限性， 故在面對復雜難選物料的選別時， 多數企業都會嘗試“傳感器融合”。例如， 針對澳大利亞的Karratha 金礦， Novo Resources 公司利用XRT 和電磁感應傳感器對該金礦進行分選， 其中XRT 可識別含有高原子質量的礦物顆粒（比如金）， 而電磁感應可識別因存在金屬顆粒而帶電荷的礦石；針對澳大利亞的Mt Todd金礦， Vista Gold公司結合XRT和激光傳感器技術進行礦石分選， 其中， 激光傳感器用于檢測經XRT 選后礦石中的石英。縱觀國際礦石智能分選市場， 美國、 日本等國家在礦石分選領域并沒有優勢， 而歐洲和澳洲的技術研發以及應用均較為活躍， 一直處于領先地位。

就目前的發展趨勢而言， 礦石入選前的預富集環節對于整個礦業的發展轉型、 節能降耗和綠色可持續發展具有關鍵意義。中國企業雖然起步較晚但發展較快， 如贛州好朋友科技、 天津美騰科技、 北京霍里思特科技等企業， 甚至已經開始“走出去”開拓海外市場［19-20］。

2.1 國內應用情況

2.1.1 鎢礦使用情況

贛州金環磁選科技裝備股份有限公司生產的SIXS-1400 型智能礦石分選機在大吉山鎢礦、 漂塘鎢礦成功應用［21］。在大吉山鎢礦用于分選黑鎢礦， 處理粒度為10~80 mm。利用4 臺分選設備分選不同的粒級預先拋廢， 當粒度為60~80 mm， 給礦WO3品位為0.075%時， 通過分選機后得到精礦品位0.57%， 廢石品位降至0.005%， 回收率達94.19%。在漂塘鎢礦用于分選黑白鎢錫礦， 處理粒度為12~70 mm。當給礦WO3品位為0.08%， Sn品位為0.04%時， 通過分選機后尾礦WO3品位低于0.02%， 尾礦Sn 品位低于0.017%， 平均拋廢率在83%以上。

中鎢高新遠景鎢業的礦石為單一鎢礦石， 工藝礦物學表明， 該礦的鎢主要以白鎢礦形式存在，占91.80%， 其中WO3品位為0.24%［22］。通過贛州好朋友科技公司的P60分選設備選別后， 預選WO3品位可以提高至0.495%， 富集比達到2.32， 廢石中WO3品位為0.064%， 低于生產上的尾礦品位， 拋廢率達到65.37%， 見表2。

表2 X射線智能選礦設備應用于鎢礦的結果Table 2 Results of X-ray intelligent mineral processing equipment applied to tungsten ore （%）

2.1.2 鉬礦使用情況

廣東白石嶂鉬礦礦床屬氣化高溫熱液礦床，主要鉬礦物為輝鉬礦， 以含鉬石英細脈型、 鎢鉬石英薄脈型兩種形式產出， 鉬平均地質品位為0.104%［23］。

為實現礦山用水無污染、 零排放的目標， 礦山引入贛州好朋友科技公司HPY-P60 設備后， 提高了礦石入選前的品位， 大大減少了尾礦的排放量。分選結果如表3 所示， 鉬礦品位提高了4 倍， 尾礦品位為0.015%， 回收率達93.37%。

表3 X射線智能選礦設備應用鉬礦的結果Table 3 Results of X-ray intelligent mineral processing equipment applied to molybdenum ore （%）

2.1.3 銻礦使用情況

湖南渣滓溪銻礦選礦廠引入了贛州好朋友科技公司HPY-XRT-1200型X射線智能分選機對雙層篩中間產品進行了預拋廢研究。在給礦粒度為15~70 mm 的情況下， 拋廢產率為49.41%， 廢石中Sb品位為0.08%， 生產指標理想， 見表4。在將雙層篩中間產品全部進行拋廢后， 企業經濟效益顯著［24］。

表4 XRT-1200型X射線智能分選應用于銻礦的結果Table 4 Results of XRT-1200 intelligent X-ray separation applied to antimony ore

2.1.4 鉛鋅礦使用情況

內蒙古某鉛鋅礦將試驗礦樣破碎至-60 mm 后篩分， 分為10~60 mm 和-10 mm 兩個粒級， 并針對10~60 mm 粒級采用贛州好朋友科技公司HPYXRT-1400分選機進行擴大試驗［25］。

由表5看出， 將細粒級產品與精礦進行合并計算， 當拋廢產率為23.91%時， 尾礦中Pb 品位為0.14%、 損失率為2.91%， Zn 品位為0.28%、 損失率為3.85%， 拋廢后進入磨選主流程的Pb+Zn 品位由2.89%提高到3.67%， 拋廢富集比達1.2 倍， 且回收率均在96%以上， 指標較理想。

表5 XRT-1400型X射線智能選礦機應用于鉛鋅礦的結果Table 5 Results of XRT-1400 intelligent X-ray separation applied to lead zinc ore （%）

2.1.5 低品位銅礦使用情況

新疆某低品位銅礦， 礦石中有價元素較為單一， 且原礦Cu 品位較低。原礦不經預富集直接進入選礦廠， 選礦成本高。該礦山從隆基光電科技有限公司引進了X射線智能分選機［26］， 分別對粗粒級以及中細粒級礦石進行預選。

經過預選后， 廢石作業產率達到56.85%， 精礦Cu 品位提高至0.54%， 作業富集比1.92， 作業回收率82.82%， 廢石中Cu 品位0.085%。使用智能分選機后， 提高了入選原礦品位， 創造了顯著的經濟效益。

2.1.6 鈾礦使用情況

鄒家山鈾礦引進霍利斯特XNDT-104 型分選機， 對15~90 mm 粒級礦石進行分選， 設定尾礦產率為35%后， 分選結果如表6 所示。結果表明， 利用XRT 分選鈾礦石是可行的， 拋廢產率能夠達到30%左右， 尾礦中U 品位能夠降至0.02%以下， 大大降低了生產成本， 減少了處理量［27］。

表6 XNDT-104型分選機應用于鈾礦的結果Table 6 Results of XRDT-104 intelligent X-ray separation applied to uranium ore （%）

2.1.7 金礦使用情況

內蒙古的金礦受早期生產技術水平和粗放型生產方式的影響， 大部分尾礦品位在0.5 g/t 以上。大量高價值金尾礦沒有得到有效處理利用， 造成資源浪費。因此， 實現該類金尾礦中Au 的綜合有效回收， 對資源合理化利用具有現實意義［28］。

為此， 內蒙古中金金陶礦引進贛州好朋友科技公司HPY-C1500 分選機對礦石進行分選， 結果表明， 在拋廢率34%的情況下， 精礦品位可達2.3 g/t， 富集比達到2.8， 見表7。

表7 天元系列C1500應用于金礦中的分選結果Table 7 Results of CM1500 intelligent X-ray separation applied to gold ore

2.1.8 錳礦使用情況

在碳酸錳礦地下開采過程中， 開采的礦石中不可避免會混入廢石， 若廢石混入太多， 會影響碳酸錳選別效果， 增加選礦成本。通過實驗研究發現， 利用X射線智能選礦設備可在粒度較粗和粒級范圍較寬的情況下將原礦石中的廢石有效去除，提高碳酸錳礦品位， 可實現“早收多收、 能丟早丟”和降低后續加工成本的目的。

為保證尾礦品位， 南方錳業開展了X射線智能預選試驗， 采用一粗一掃流程。原礦先進行一次粗選拋廢， 得到粗選尾礦和粗選精礦， 精礦尾礦稱重取樣； 取樣后的粗選尾礦進行掃選拋廢， 得到掃選精礦和廢石。表8為拋廢試驗結果， 可以發現粗選作業拋廢率為40.32%， 廢石Mn 品位為1.43%，富集精礦Mn 品位為13.77%； 掃選作業拋廢率為68.37%， 總拋廢率為27.59%， 廢石尾礦Mn 品位為0.96%， 掃選精礦Mn品位為2.44%［29］。

表8 X射線智能分選應用于錳礦的結果Table 8 Results of X-ray intelligent mineral processing equipment applied to manganese ore （%）

2.2 國外應用情況

Vimy Resources 公司的澳大利亞Angulari 鈾金礦采用COM XRT Tertiary 設備對41.5 kg 巖芯樣品進行了分選試驗。試驗結果表明， 鈾精礦品位可以從1.2%U3O8提高到2.0%U3O8， 金精礦品位從0.7 g/t 提高到1.1 g/t。

Vendetta Mining 公司的世界最大地下錫礦秘魯San Rafael 礦的生產結果表明， Sn 品位可以從0.6%提高至2.8%， 回收率達到90%。

在廢石拋除率方面， Rafaella Resources 公司在西班牙的鎢錫項目試驗結果表明， 廢石去除率超過50%， Maritime 公司在加拿大的Hammerdown 金礦拋出的廢石占到給礦的34%［30-32］。

Osisko 公司位于加拿大的Cariboo 金礦， 在選別時， 初次破碎后廢石去除率就可達到50%左右，用水量和能耗下降50%。

Vast Resources 公司在羅馬尼亞的Baita Plai 多金屬礦， 利用智能分選設備使廢石去除率達到40%左右， 節能增效減排的效果十分顯著［15，33-34］。

英美資源集團也在非洲的Mogalakwena 鉑礦、智利的LosBronces 銅礦以及巴西的Barro Alto 礦應用了礦石揀選技術， 其中在Mogalakwena 鉑礦的使用中， 廢石量能減少5%~20%， 從而降低了能源和水資源的用量［35］。

3 總結與展望

隨著中國礦產資源的不斷消耗， 低品位礦產資源運用日益增加。XRT 智能預選新技術可通過有效識別有用金屬礦物、 高通量精準分離， 在礦石入選前有效地分離部分廢石。有色金屬行業以XRT 為基礎開發的智能化分選設備， 能夠有效提高入選品位， 降低生產成本， 滿足國家綠色可持續發展的要求。

從目前的發展趨勢來看， 業內對智能分選設備的研發， 更傾向于對檢測技術多元化以及各類技術聯合應用的研究， 如雙能XRT 技術、 X 射線+激光三角測量技術、 X 射線+可見光技術等。如此， 不但能有效避免檢測時出現錯誤， 而且能適應多種復雜的工作環境。

要繼續提升分選設備性能， 未來智能分選機研究的重要方向就是建立適用于復雜礦物的精細化分選方案。如何提高氣閥的精度來規避誤選漏選， 如何在電磁彈板法與高壓氣閥噴吹法之間擇優選擇， 如何優化機械結構以提高分選粒級的范圍， 也是未來要著力研究解決的問題。