光电分选技术进展及其在磷矿选别中的应用与展望

　　摘要：介绍了光电分选设备的结构及工作原理，概述了光电分选技术的发展历程，并结合光电分选技术在不同磷矿石选矿中的研究与应用，综述了光电分选技术在低品位磷矿石选矿和预先抛废过程中的优势和潜力。光电分选技术在磷矿选矿领域的应用和发展，不仅有助于获得更稳定优异的磷矿石选别指标，还能明显降低选矿能耗，为磷矿石的高效开发利用提供了一条新途径，对实现我国低品位磷矿石的高效智能分选具有重要意义。

　　关键词：磷矿石;光电分选技术;预选抛废;节能降耗;选矿工艺;色选机;激光

　　引言

　　光电选矿技术常被认为是矿石预选抛废中重要的方法之一[1]，既不像重选、磁选等技术需消耗大量水资源，也不像浮选技术需使用大量化学药剂，其可在矿石细碎或磨矿之前提高入料品位。第二次工业革命以后，特别是在核能物理研究发展至高水平的一段时期内，物料拣选实现了与自然光、高能射线(如激光、X射线)技术等的结合[2]，这也在一定程度上促进了人工智能算法等技术在智能光电选矿领域的应用和发展。基于矿物表面分析、光线透射技术，激光分选、单双面图像色选等智能光电分选技术均得到了快速发展和工业应用。其中X射线透射技术(XRT)和图像色选技术已成功应用于有色金属、非金属和煤炭等矿种预选抛废，智能光电分选机技术已成为代替人工拣选的主流解决方案[3]。

　　磷矿资源为不可再生资源，也是不可替代的重要战略资源。我国磷矿资源储量排名世界第二，约占世界总储量的4.8%[4]。但我国磷矿石平均P2O5品位不到17%，P2O5品位高于30%的优质磷矿资源仅占我国总磷矿资源的12%[5]。当前磷矿石品位已无法满足直接利用的品位要求，若开采磷矿石直接经破碎、磨矿后进入选矿工艺，选矿设备不仅负载过高且还会造成矿石选别过程的低效率、高能耗、高成本。为了寻求降低选矿成本、减少设备负荷的适宜方法，磷矿石在选别前进行预选抛废显得尤为重要[6]。

　　1光电分选技术及装备

　　根据矿石表面的颜色、纹理结构及对光反射率的差异进行有用矿物与脉石矿物分离的方法称为光电选矿技术[7,8]。根据对矿石扫描和检测方式的不同，可将光电分选技术分为色选法和光选法。其中，色选法主要是通过高清相机或探测器的单双面图像分析和矿物表面分析，精确探测矿石表面颜色、光泽和纹理等差异，实现矿石的预选抛废。而光选法主要是通过光的反射和透射来勘测矿石颗粒中密度、厚度和相关化学组分的差异进行预选抛废[9]，两种方法相辅相成。

　　对矿物进行预选抛废的一系列流程称为光电选矿智能分选系统。该系统通常由给料系统、运输系统、扫描检测系统和分选执行系统四个部分组成[1013]。入料矿石颗粒通过特殊给矿槽，将矿石颗粒整齐平铺在皮带上，颗粒表面经过光照扫描后或者高清摄像机拍照和探测器扫描后判断是否需要剔除。脉石矿物通过分选执行机构时被打入尾矿槽，有用矿物则由皮带运输自由下落至精矿槽[14]。

　　光电选矿智能分选系统中的光源类型较多(如白炽灯、LED灯、石英卤素灯、X射线、紫外线、红外线等)，分别适用于不同类型矿石的分选。LED灯一般用于颜色差异大的农作物分选[15]，X射线可以使金刚石产生荧光与脉石分开，白钨矿在紫外线照射下产生荧光可与脉石分开，红外线可使石棉矿物加热后波长与脉石不同[16]。矿石颗粒的扫描检测形式主要有两种，一种是矿石颗粒在皮带上运动时进行，另一种是在矿石下落过程中进行。下落过程中扫描更精确，且分选效率高，是目前常用的扫描检测形式。

　　分选执行机构有空气喷射器[17]、机械偏转器[18]、连续水流喷射器[19]、打板等多种类型。空气喷射器使用范围广，喷射频率快且分选效率高，是主要的脉石剔除装置。而打板需不断与矿石碰撞，易磨损，且频率受限制，效率不高，仅在粗粒级的矿物分选中使用[16]。扫描检测系统和分选执行系统是光电智能选矿系统的核心，根据矿物的物理特性来确定其应用参数可使光电分选机的分选效率和分选寿命最大化，从而降低成本，提高选矿水平。

　　2光电分选技术发展历程

　　光电分选技术的主要发展历程可归纳为相应的三个阶段，即初期阶段、发展阶段和现阶段。世界范围内早在20世纪初就诞生了光电分选技术的理念，学者们尝试并研制出了较为简易的光电分选设备[16]。经过不断地发展和改造后被成功应用于谷物、大豆等农作物及石灰石、白云石等建筑材料的分离挑选。20世纪60年代以后，才开始陆续在一些矿石的分选中加以应用[20]。自70年代研制出的X射线分选设备和激光分选设备开始，光电分选技术的应用已全面进入矿石分选领域。至今全球对光电分选设备的研发和升级从未停止，不仅研制出了基于高能射线的光选机，而且还有随拍照技术和图像处理技术发展而开发的色选机。

　　2.1初期阶段

　　20世纪初，奥地利科学家根据物料表面颜色差异开始尝试研制光电分选机，但因对其分选速度和分选质量的要求，直到20世纪30~40年代冈森·索特克斯公司才制成了第一台光电分选机用于种子的分选，随后应用于种子、农作物、食品加工行业[21]。随着高速气阀的成功研制，学者们制造出了用于分选不同粒级物料的光电分选设备，至此光电选矿分选技术的发展开始发生质的飞跃。

　　1952年英国研发出了一种单色光度分选机用于选煤[22]，1959年Kelly和Hutter开发了一种彩色光度分选机用于分选铀矿，除了颜色区分外还能测量每块岩石投影面积[23]。20世纪60年代英国和加拿大等国家对光电分选设备进行了研究和改进，光电分选技术进入了矿石分选领域。美国在1964年研制了格罗迈克斯型石灰石光电分选机[24]，该设备处理量大但分选效果不佳。

　　英国索特克斯公司随后研制了双通道给矿的621M型光电分选机用于处理石膏、白云石、食盐等，1966年、1967年又分别研制了811M和711M型号用于分选石灰石和菱镁矿等，该公司研发的型号分选粒度范围广、处理量较小，但能较好地提升矿石品位。苏联也在1969研制了第一台克瓦尔兹型光电分选机用于分选含金石英矿，分选后可去除大量石英等脉石。以上是光电分选技术研究初期全球范围内所研发的光电分选设备的主要类型及其特性，处理粗粒级矿石时，设备的处理能力较大;但处理细粒级矿物时，由于扫描设备精确度有限，设备处理能力低。随着矿石贫化，成分复杂，这些光电分选机已经被淘汰，不予使用。

　　2.2发展阶段

　　在1939年X射线荧光(XRF)理念提出基础上，1967年研制了第一台X射线选煤机。1968年英国冈森·索托克斯公司和戴·比尔公司联合研制出了第一台采用X射线来分选1~10mm金刚石的XR21型光电分选机[25]。南非金场公司和里奥·廷托锌矿石分选公司共同研制了M13型激光选矿机，随后又研制了M16型[26]，当时的学者普遍认为是第一个现代化高吨位矿石光电分选机[27]。X射线、激光等技术在光电分选中的应用使光电分选技术迈上了一个新的高度。

　　1971年英国在此技术的基础上研制了1011M和962M型激光光电分选机用于分选石膏、滑石、菱镁矿等。我国从20世纪60年代末开始研究和应用光选技术[28]，1979年自主研制出了第一台GXJI型X射线分选机用于分选金刚石，1982年研发生产了第一台GSⅢ型激光选矿机，先后处理了金矿、汞矿、石膏矿和钨矿等低品位矿石[29]。20世纪80年代苏联也开始研究和试生产各种X射线分选机[30]。

　　从1984年到1995年研制了JIC系列8种型号，可用于分选有色金属、贵金属和稀有金属。1995年以后研制出了Yac型和CP型放射性分选机，适用于大部分矿石的分选。随后还在不断研制新型X射线分选机，并在2000年大量投产[31]。光电分选核心技术的突破，打破了特定矿石分选的界限，光电分选技术全面迈入矿石分选领域。

　　2.3现阶段

　　国内外目前采用的大多是高能射线透射技术的光选机和高质量图像处理技术的色选机。列出了目前国内外智能光电分选设备主要研发公司及其主要设备产品。奥地利REDWAVE公司研发的XRF光学分选机是利用X射线—荧光技术测定矿石中的元素成分不同来达到分选的目的，该技术的优点是不会因为矿石的湿度和少量污染而影响分选精度。而德国Mogensen公司研制的Msort系列色选机采用双摄像头探测，分选精度更高，尤其是在建筑废料回收和矿山开采方面应用效果更好。现阶段，国内外不同公司所研发的光电分选设备均有其独立的特点和核心技术，特别是国内公司所研发的光电分选设备在设备性能和参数方面均取得了较大的突破。

　　例如，北京霍里思特智能科技有限公司研发的XNDT系列光电分选机是在XRT技术的基础上，采用高速探测器、高精度AI算法和高速精准吹喷等核心技术，其设备广泛应用于矿石预抛废、废石提精、块煤排矸等方面。天津美腾科技股份有限公司自主研发的TDS系列智能干选机主要结合X射线技术和图像识别技术，运用深度学习算法等先进技术，精准地对煤和矸进行识别，实现了对块煤的快速分选。

　　为较大程度实现全粒级干选，该公司所研发的TGS系列智能梯流干选机也已于2021年成功实现了工业应用。合肥名德光电科技股份有限公司与韩国泰明株式会社一样，其所研发的色选机均采用高分辨CCD图像采集系统，有分选精度高、寿命长、能耗低，适用于恶劣环境的特点。国内外光电分选理论与技术的快速发展，有效促进了传统矿石分选工艺的革新，推动着全球矿业智能分选技术的进步。

　　3磷矿石光电分选应用实例

　　目前磷矿石贫化严重，磷矿石开采伴随着大量废石和难分离的脉石矿物。在磷矿选矿前进行光电预选抛废，不仅工艺流程简单、场地要求不高，而且能去除大量的脉石矿物。与其它选矿方法相比，全程无水作业，可大量节省水资源，无需增加污水处理系统。光电分选技术为后续磷矿石选矿工艺降低能耗、提高矿石处理量、减少环境污染等提供了保障。至今，已有大量国内外研究学者采用不同光电分选设备对不同地区磷矿石选矿效果进行了研究，结果表明，光电分选技术在磷矿预选抛废处置中均获得了较好的试验效果，为进一步的工业应用提供了数据支撑。

　　4结语与展望

　　光电分选技术可有效提升选矿过程中各环节效率，在大幅降低选矿成本的同时还能减轻环保压力。光电分选技术从20世纪初至今已经发展了100多年，从发展历程来看，光电分选技术实现了由自然光传统扫描技术到X射线、激光等高能射线扫描和单双面高清图像处理技术的突破，实现了由特定矿石光电分选到多个矿石领域的应用。目前高能射线扫描技术和高清图像处理技术已经取代了其他的光源和处理技术。

　　由磷矿石光电分选试验研究和矿山工业应用结果可知，光电分选技术在磷矿石预选抛废处理中应用十分成功，磷精矿产品品位和回收率均满足后续工艺要求。同时，光电分选装置简单可靠，经济性良好，用于磷矿石选矿，可以预先脱除一定比例的废石，减少下游各级工序的处理量，节约能源、药剂和水资源，降低生产成本，值得在我国磷矿特别是低品位磷矿预选工艺中推广应用。

　　但另一方面，光电分选技术仍有许多需要改进和完善的地方。针对矿山环境恶劣，光源发射器容易受光照、温度、湿度等因素的影响的特点，这就需要进一步提高光电分选系统的稳定性。对于矿石成分复杂，其中可能存在光学特性相近的矿物，这就需要进一步提高光电分选系统的计算精度和分选能力。相信通过研究者的不断努力，光电分选技术会实现进一步的突破。光电分选技术作为一种高效低耗、环境友好的分选方法，必将在矿业领域取得良好的发展。

　　5参考文献

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　　[6]贾妮湖南某钨矿XRT射线智能选矿机预选抛废研究与应用[J].中国钨业,2019,34(6):2024.

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　　[8]徐昌彦光电色选机在某矿分选中应用实践及优化[J].世界有色金属,2016(17):3132.

　　作者：杨丘1，唐远1，郭劲2，邓杰3，童晓蕾2，李进4，李智力1，何东升1