產(chǎn)業(yè)名家 | 選礦工業(yè)科技進步為銅業(yè)高質(zhì)量發(fā)展賦能——以銅礦石篩分技術(shù)為例

（攝影：趙志霄）

銅具備優(yōu)良的延展性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和耐腐蝕能力，被廣泛應(yīng)用于電氣、機械制造、建筑工業(yè)、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域，在金屬材料消費中僅次于鋼鐵和鋁。近年來，隨著戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，銅應(yīng)用領(lǐng)域進一步拓展。在新能源領(lǐng)域，每兆瓦風(fēng)電裝機需要約3.6噸銅，每輛電動汽車用銅量是傳統(tǒng)汽車的3-4倍；在高端裝備制造領(lǐng)域，航空航天、高速鐵路等產(chǎn)業(yè)對高性能銅合金的需求持續(xù)增長。銅在新興領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用使其成為多個國家高度關(guān)注和爭奪的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源之一。

針對銅礦資源開發(fā)利用，近年來我國開展了一系列具有重大意義的科技創(chuàng)新工作。當前，我國礦業(yè)領(lǐng)域科技創(chuàng)新力量主要來自礦山企業(yè)、高?？蒲性核约把b備制造企業(yè)。以中國五礦為代表的礦山企業(yè)，在礦山數(shù)字化、智能化方面多次取得重大突破，建成了多個智能礦山示范項目；以江蘇億億和華篩分設(shè)備有限公司為代表的裝備制造企業(yè)，打破國外技術(shù)壟斷，開發(fā)了多種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高效選礦設(shè)備；以中國礦業(yè)大學(xué)為代表的高?？蒲性核?，在礦產(chǎn)資源綠色開發(fā)、清潔高效利用等領(lǐng)域持續(xù)攻堅，取得了多項重要理論成果。面向未來，可進一步構(gòu)建“大型礦山企業(yè)-裝備制造企業(yè)-礦業(yè)類高?！笨萍紕?chuàng)新聯(lián)合體模式，有效整合各方優(yōu)勢資源，聚焦國家戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的重大戰(zhàn)略需求，開展創(chuàng)新體聯(lián)合攻關(guān)，打通科技創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化最后一公里。

選礦工藝是實現(xiàn)銅礦高效清潔利用的源頭技術(shù)

目前，全球銅礦資源非常豐富且分布廣泛，但儲量主要集中在智利、秘魯、澳大利亞等少數(shù)國家。我國作為全球最大的銅冶煉國和消費國，銅礦資源分布廣泛、貧礦多、富礦少，資源稟賦不佳，面臨著較為嚴峻的銅礦資源供應(yīng)問題，特別是在高品位銅礦資源的獲取上存在較大困難。從銅資源儲量來看，目前世界范圍內(nèi)已經(jīng)探明的銅資源儲量高達10億噸，然而，我國銅資源儲量僅為0.41億噸，無法匹配我國精煉銅生產(chǎn)與銅消費規(guī)模。同時，我國近年新增的銅礦資源大多位于西藏等高寒、高海拔地區(qū)，自然條件惡劣，勘探和開采難度大，極大地增加了銅礦開采成本和技術(shù)挑戰(zhàn)，導(dǎo)致國內(nèi)銅礦產(chǎn)能和產(chǎn)量增長有限，產(chǎn)業(yè)鏈以冶煉加工為主，銅加工費易受礦端供應(yīng)影響。隨著國內(nèi)環(huán)保政策收緊，部分大型礦山限產(chǎn)、中小型礦山關(guān)閉的現(xiàn)狀導(dǎo)致我國對進口銅礦資源依賴度進一步加劇，我國在全球銅礦市場中的話語權(quán)和供應(yīng)保障能力將面臨挑戰(zhàn)。通過積極實施“走出去”戰(zhàn)略，我國在海外銅資源開發(fā)上取得顯著成效，有效彌補了國內(nèi)銅資源短缺問題，但如何在銅礦資源開發(fā)過程中，更高效、環(huán)保地利用已有資源，減少資源浪費，提高我國銅礦資源開發(fā)利用率仍是目前亟待解決的問題。

選礦能夠?qū)崿F(xiàn)有用礦物的富集分離，是礦產(chǎn)資源高效清潔利用的源頭技術(shù)。近年來，由于我國銅礦成礦帶分布廣泛且不均勻特征明顯，隨著銅礦探礦以及開采力度的持續(xù)加強，目前我國銅資源礦床多分布于青藏高原等地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域，呈現(xiàn)品位低、共伴生礦物復(fù)雜以及開采難度大的特點。在這一背景下，銅礦選礦工藝作為提高資源利用率、降低生產(chǎn)成本以及減少環(huán)境影響的關(guān)鍵技術(shù)，顯得尤為重要。硫化銅礦是我國最主要的銅礦類型，出自不同產(chǎn)地的硫化銅礦共伴生礦物組合以及礦石品位存在不同，其貴金屬含量也會存在明顯差別。因此，在銅礦選礦技術(shù)工藝的過程中，需要綜合考慮上述影響因素進行合理選擇與應(yīng)用實踐。

圖1：選礦是實現(xiàn)銅礦高效清潔利用的關(guān)鍵

篩分技術(shù)科技進步助力銅礦選礦工業(yè)發(fā)展

篩分是礦產(chǎn)資源高效清潔利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，原理是按物料粒度大小將其分成兩種或多種不同粒級產(chǎn)品，在選礦過程中主要承擔著準備篩分、檢查篩分、脫泥篩分、脫水篩分、脫介篩分、尾礦干排等功能。篩分貫穿于銅礦選礦流程的多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對提高選礦效率、提升精礦品位、降低能耗和成本具有關(guān)鍵作用。在破碎磨礦階段，對原礦進行篩分可用于去除原礦中大塊廢石，避免對破碎設(shè)備造成過載或損害，并且通過篩分能夠高效分離出符合要求的礦石顆粒，使其直接進入下一階段的工藝流程，從而避免不必要的能量浪費和過度破碎；在銅礦浮選階段，如果進入浮選系統(tǒng)的礦物過粗，浮選反應(yīng)的速率會顯著下降，礦物顆粒與氣泡的結(jié)合效率降低，導(dǎo)致浮選的分選效果惡化，礦物回收率降低。相反，如果礦物顆粒過細，將導(dǎo)致礦漿中的礦物表面積增大，使浮選泡沫中含有過多的細粒礦物，由于這些細粒礦物難以被有效分離，從而造成資源的浪費，同時當?shù)V物粒度過細時，常導(dǎo)致顆粒吸附過多浮選藥劑，造成藥劑不均勻分配。因此，對于磨礦后的礦漿，需要通過篩分進行粒度控制，使符合浮選工藝粒度要求的礦物進入浮選工藝，確保進入浮選槽的礦物粒度均勻，更有利于礦物單體解離，使浮選過程中的泡沫更加穩(wěn)定，礦物顆粒與氣泡的結(jié)合更為緊密，從而降低浮選難度，提高浮選效率；在浮選尾礦處理階段，篩分可以幫助分離殘余藥劑顆粒并實現(xiàn)循環(huán)利用，降低藥劑消耗成本；同時，通過高精度篩分技術(shù)，可從尾礦中分離殘余的有用礦物，從而提高資源的利用率。

圖2：篩分是銅礦高效清潔利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

近年來，隨著銅礦石品位的降低，尤其是對于硫化礦等伴生礦復(fù)雜的礦石，原礦需要通過更精細的研磨才能被充分破碎解離，破碎與磨礦粒度越細，有用礦物越易被解離，從而提高后續(xù)分選作業(yè)的效率和有用礦物的綜合回收率，降低礦石損失。對于篩分作業(yè)而言，這意味著需要進一步降低篩分粒度下限，而隨著篩分粒度下限的降低，常導(dǎo)致篩分環(huán)境進一步惡化、篩機處理能力降低，篩分效果變差。因此，研究清潔高效的干法深度篩分技術(shù)，進一步突破傳統(tǒng)干法深度篩分粒度下限，為銅礦選礦過程中有用礦物的高效分離回收提供技術(shù)支撐，對實現(xiàn)我國銅礦資源的高效清潔利用具有重要意義。

在銅礦選礦工藝的傳統(tǒng)干法篩分過程中，篩分效率的降低受到多種因素的共同作用。首先，傳統(tǒng)干法篩分過程中，當?shù)V石中的粒度級物料顆粒接近篩孔尺寸時，受摩擦與阻力的影響，易發(fā)生篩孔卡堵現(xiàn)象，嚴重影響篩分作業(yè)的流暢運行，導(dǎo)致篩分環(huán)境惡化，篩分效率降低。同時，在細粒級物料的篩分過程中，由于細小顆粒的比表面積較大，且?guī)в幸欢姾苫虮砻婊钚?，常?dǎo)致顆粒間相互吸附，形成顆粒團聚現(xiàn)象，增大礦物粒度，使顆粒難以通過篩孔從而堵塞篩面。隨著篩面堵塞程度加深，篩分設(shè)備透篩能力大幅下降，處理能力隨之減小，設(shè)備的篩分精度和處理能力下降，導(dǎo)致礦物顆粒的分布不均和篩分不徹底，增加后續(xù)分選作業(yè)的難度，最終影響銅礦資源的綜合回收率和最終的經(jīng)濟效益。

以國內(nèi)篩分行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)江蘇億億和華篩分設(shè)備有限公司為例，作為專業(yè)從事篩分裝備研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的國家級高新技術(shù)企業(yè)，憑借前沿的技術(shù)理念、領(lǐng)先的生產(chǎn)工藝體系和先進的研發(fā)中心，產(chǎn)品技術(shù)水平居國際領(lǐng)先，是國內(nèi)最大的聚氨酯篩板生產(chǎn)企業(yè)。已取得36項相關(guān)專利技術(shù)，通過知識產(chǎn)權(quán)管理體系認證、ISO9001質(zhì)量體系認證、ISO14001環(huán)境體系認證、ISO45001職業(yè)健康體系認證。公司產(chǎn)品廣泛適用于銅礦選礦和礦粉制備等領(lǐng)域。近年來，針對銅礦石篩分過程中篩面易損、篩分效率低等難題，江蘇億億和華篩分設(shè)備有限公司與中國礦業(yè)大學(xué)科研團隊開展產(chǎn)學(xué)研合作攻關(guān)，突破傳統(tǒng)單一剛性/柔性篩面結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，提出了高性能剛?cè)狁詈蠌椥院Y分方法，研發(fā)了高性能剛?cè)狁詈蠌椥院Y面，揭示了粘濕煤炭彈性篩分機理；明晰了料群非線性透篩特性，開發(fā)了彈性篩面特性的空間適配技術(shù)；研發(fā)了高性能剛?cè)狁詈蠌椥哉駝雍Y，提出了多級深度篩分-分選聯(lián)合工藝，實現(xiàn)了礦物大規(guī)模提質(zhì)加工，在多家大型礦山企業(yè)得到了推廣應(yīng)用。技術(shù)成果推廣應(yīng)用到有色金屬、黑色金屬、煤礦、非金屬礦等礦山領(lǐng)域，并拓展至城市建筑固廢、化工、冶金等領(lǐng)域，用于粘濕細粒物料的分級、脫泥、脫介、脫水等作業(yè)。

圖3：代表性銅礦石篩分裝備

篩分技術(shù)的科技進步通常由理論創(chuàng)新，演化為技術(shù)創(chuàng)新，最終推動選礦工藝革新。以代表性科技成果“剛?cè)狁詈蠌椥院Y分技術(shù)”為例：理論創(chuàng)新方面，將線性透篩分布模型發(fā)展為非線性透篩分布模型，闡明了料群運動行為與堆積演變機理，明晰了寬尺度料群非線性透篩分布規(guī)律，建立了料群透篩分布概率方程；基于料群的非線性透篩分布特性，優(yōu)化了沿料流方向彈性篩面特性的空間適配布置，“硬度-孔徑-開孔率”呈梯級遞增，實現(xiàn)了粘濕細粒物料高效篩分，3mm篩分效率達81.67%。技術(shù)創(chuàng)新方面，將單一剛性/柔性篩分發(fā)展為剛?cè)狁詈蠌椥院Y分，提出了剛?cè)狁詈蠌椥院Y面設(shè)計方法，由金屬、玻璃纖維等剛性骨架與聚氨酯柔性篩面整體澆筑制成，面具有高強度、高彈性、耐腐蝕、耐沖擊等特點；建立了剛?cè)狁詈蠌椥院Y面動力學(xué)模型，闡明了篩面多自由度運動特性，揭示了剛?cè)狁詈蠌椥院Y分過程堵孔消除機理，解決了篩面堵孔難題，面振動強度提高60%以上，篩分效率提高 5%，篩面使用壽命提高50%。研究成果“高性能剛?cè)狁詈蠌椥院Y面”，被鑒定為技術(shù)水平居國際領(lǐng)先。

銅礦石篩分技術(shù)發(fā)展方向是裝備大型化智能化

未來，隨著銅礦選礦技術(shù)的不斷發(fā)展，選礦裝備的大型化和智能化對推動銅礦選礦工業(yè)的科技進步具有重要作用。當前銅礦石選礦過程中，振動篩作為重要的篩分設(shè)備，仍存在許多亟待解決的問題。傳統(tǒng)的振動篩激振系統(tǒng)布置方式單一，且參振質(zhì)量較大，在增加設(shè)備能耗的同時，常導(dǎo)致篩機在運行過程中產(chǎn)生劇烈噪音。在應(yīng)對多樣性的礦石顆粒和差異化的物料流動特性時，傳統(tǒng)振動篩常面臨篩分效果不均的問題。隨著銅礦石品位的降低，在處理復(fù)雜和難以篩分的物料時，例如硫化礦和伴生礦的處理過程中，傳統(tǒng)振動篩的篩分精度較低，篩分效果較差，難以滿足高效、精細篩分的需求。同時，傳統(tǒng)振動篩在篩分過程中，由于入料時的撞擊、物料對篩面的持續(xù)沖擊、以及物料透篩的時變重載激勵作用，篩體的動力學(xué)特性極為復(fù)雜，使得設(shè)備的運行狀態(tài)難以準確監(jiān)測和評估。由于振動篩工作時所受的外界力和工作狀態(tài)在不斷變化，人工巡檢無法對設(shè)備的實時運行狀態(tài)進行數(shù)值化和智能化的判識。因此，難以實現(xiàn)篩分過程的精準調(diào)控，無法有效預(yù)測設(shè)備故障、優(yōu)化篩分參數(shù)，嚴重影響了生產(chǎn)效率和設(shè)備的維護保養(yǎng)周期。大型振動篩的高效可靠運行對保障工業(yè)領(lǐng)域的連續(xù)生產(chǎn)至關(guān)重要。

為應(yīng)對復(fù)雜礦石的篩分需求，提升篩分效率和精度，未來振動篩將向著更大規(guī)模、更高效、更智能的方向發(fā)展。通過引入智能化技術(shù)，實現(xiàn)對篩分過程的精準監(jiān)控和調(diào)控。運用先進的傳感器和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實時采集設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，并基于智能算法進行實時分析與預(yù)測。從而對篩分設(shè)備的故障隱患提前診斷預(yù)警，并對篩分過程進行精確智能調(diào)整，優(yōu)化篩分效果，提高生產(chǎn)效率。在應(yīng)對復(fù)雜礦石的篩分難題時，通過智能化系統(tǒng)按照物料特性和篩分條件變化自動調(diào)整激振系統(tǒng)參數(shù)，確保篩分效果保持在最佳狀態(tài)。同時，通過篩分設(shè)備的大型化，顯著提升振動篩的處理能力和穩(wěn)定性。隨著設(shè)備規(guī)模的擴大，振動篩能夠處理更大噸位的礦石，滿足大規(guī)模銅礦生產(chǎn)的需求。而將篩分設(shè)備大型化與智能化技術(shù)結(jié)合，可為大型振動篩提供更強的適應(yīng)性和靈活性，確保在復(fù)雜的礦石篩分任務(wù)中依舊能夠高效、穩(wěn)定地運行。進一步結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，可在未來實現(xiàn)選礦設(shè)備的自我優(yōu)化，根據(jù)生產(chǎn)需求動態(tài)調(diào)整作業(yè)模式，從而降低選礦流程的能源消耗，提升設(shè)備的運作效率。

當前，傳統(tǒng)振動篩由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動力學(xué)特性難以精確控制等特點，導(dǎo)致智能化發(fā)展較慢，調(diào)控水平較低，無法充分發(fā)揮其在復(fù)雜礦石篩分中的潛力。因此，需要針對國內(nèi)外大型振動篩的智能調(diào)控困難的關(guān)鍵瓶頸，從技術(shù)創(chuàng)新和裝備研發(fā)等多個層面著手，開發(fā)安全高效可靠的大型智能篩分裝備。通過跨行業(yè)、跨領(lǐng)域的合作，聯(lián)合科研機構(gòu)、高校與企業(yè)，共同開展篩機及其他選礦裝備的創(chuàng)新研發(fā)工作，推動傳統(tǒng)銅礦石選礦裝備制造行業(yè)的產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級，進一步提升我國選礦裝備智能化技術(shù)集成與自主研發(fā)水平，為我國銅礦選礦行業(yè)現(xiàn)代化、智能化進程提供強有力的支持。

作者 | 中國礦業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師 石巍

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