劉志超 李春風 張 新 馬 嘉 田宇暉 李 廣 強錄徳 武翠蓮

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院,北京 101149;2.東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819)

從我國現(xiàn)已探明的硬巖型鈾礦資源來看,鈾礦床以中小型居多,礦體多而散,形態(tài)復(fù)雜,連續(xù)性差,因而開采貧化率較高;中低品位礦石多,礦化不均勻,品位變化系數(shù)大,可達100%～180%,品位之間呈跳躍式的分布,廢石量大。我國鈾礦歷經(jīng)60余年開采,天然鈾礦資源質(zhì)量不斷下降,探明的鈾礦資源品位低并且難處理,開發(fā)難度大,生產(chǎn)成本高,是制約未來鈾經(jīng)濟開發(fā)利用的重要瓶頸[1-2]。

我國硬巖型鈾礦山企業(yè)由于自身資源特點和開采、水冶特性的限制,決定了生產(chǎn)成本較高。尤其是近年來國際鈾價持續(xù)低迷,給我國硬巖鈾礦山企業(yè)的生存帶來很大壓力。在鈾礦石浸出之前,利用選礦技術(shù)手段對礦石進行預(yù)選,拋棄部分不含鈾或含微量鈾的廢石,提高鈾礦石中鈾品位,減少后續(xù)水冶的礦石處理量,可以有效降低生產(chǎn)成本[3-5]。

在眾多選礦方法中,礦石揀選技術(shù)對于鈾礦石來說具有較好的應(yīng)用前景。揀選技術(shù)是利用各種物料(礦石)表面光學、磁性、電性、放射性、射線吸收特性等的差異,使被分選物料呈單層(行)排列,逐一接受檢測器件的檢測,檢測信號經(jīng)電子技術(shù)放大處理,然后驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu),使目的顆粒或非目的顆粒從主流中偏離出來,從而實現(xiàn)物料分選的一種方法[6-7]。

利用鈾礦石自身具有放射性的特點,鈾礦石的放射性分選得到較深入的研究,放射性分選機在鈾礦山得到實際應(yīng)用。但是放射性分選主要存在以下問題:一是礦石表面黏附的細泥會影響測量結(jié)果,在入選前需要洗礦;二是在分選時鈾礦石需要排隊依次入選,導(dǎo)致分選機處理能力低;三是礦石質(zhì)量是利用攝像機、激光光電探測器等測量礦塊體積從而估算每一礦塊質(zhì)量,由于礦石間存在密度差異,會使計算的礦塊質(zhì)量存在較大誤差,此外相鄰礦塊之間γ射線會相互影響,降低分選準確率。

X射線透射技術(shù)是利用X射線照射不同物料后X射線的穿透能力差異來分選物料的。X射線透射技術(shù)因?qū)ΦV石具有穿透性檢測能力,不受含水率、灰塵、形狀、表面污漬等因素制約,能夠提高檢測的準確性;在分選時礦石可以在皮帶上以面平鋪的形式進行檢測,不需要單行排隊,可以大大提高設(shè)備的處理能力;而且X射線透射法探測不需要清洗礦石,工藝流程短[8-9]。

目前,X射線透射分選機已成功應(yīng)用于煤礦、重金屬及貴金屬等領(lǐng)域,但在鈾礦石分選中應(yīng)用的研究還未見報道[10-13]。如果能將X射線透射分選技術(shù)成功應(yīng)用于鈾礦石分選,對推進鈾礦冶行業(yè)節(jié)能減排,提質(zhì)增效,實現(xiàn)低碳綠色發(fā)展具有重要意義。本研究選取鄒家山鈾礦石開展X射線透射分選試驗研究,考察X射線透射技術(shù)分選鈾礦石的適用性,得到具體的選礦指標,初步評價X射線透射技術(shù)分選鈾礦石的可行性。

1 X射線透射分選原理及分選機組成簡介

1.1 X射線透射技術(shù)分選原理

X射線透射分選技術(shù)分選鈾礦石的原理是利用X射線透射鈾礦石后強度的衰減特性來進行鈾礦石品位高低判斷的方法。當X射線照在鈾礦石上時,部分射線被鈾礦石所吸收,另一部分射線則會穿透礦石本身,而X射線對不同品位的鈾礦石的穿透力是不同的,利用不同品位鈾礦石對X射線差異化吸收這種性質(zhì)可以將不同品位的鈾礦石區(qū)分開來[14-15]。

目前,X射線透射分選技術(shù)通常采用偽雙能X射線系統(tǒng),偽雙能X射線系統(tǒng)只要一個X射線源,具備經(jīng)濟、高效、節(jié)能等顯著特點。偽雙能X射線透射系統(tǒng)主要由X射線源、準直器、低能探測器、銅濾片、高能探測器等組成,如圖1所示。

圖1 偽雙能X射線透射系統(tǒng)[16]Fig.1 Pseudo dual-energy X-ray transmission system

偽雙能X射線透射系統(tǒng)采用單一X射線源產(chǎn)生X射線能譜,使用中間夾有銅濾片的上下兩組高低能探測器對透射的X射線強度進行探測。礦石在皮帶上傳輸?shù)倪^程中經(jīng)過X射線透射系統(tǒng)時會受到X射線源的照射,根據(jù)密度差異化吸收原理,利用高低能探測器獲取礦石的X射線透射強度,直觀反映為灰度值,通過相應(yīng)算法得到有效原子序數(shù)等信息,從而區(qū)分礦石組分或品位間的差異[17-20]。

1.2 X射線透射分選機的組成

本試驗采用的分選機是北京霍里思特有限公司生產(chǎn)的XNDT-104型X射線透射分選機,主要由振動給料系統(tǒng)、X射線源、X射線探測器、識別系統(tǒng)和噴吹系統(tǒng)組成,XNDT-104型X射線透射分選機工作過程如圖2所示。

圖2 XNDT-104型X射線透射分選機工作過程Fig.2 Working process of XNDT-104 X-ray transmission separator

XNDT-104型分選機分選鈾礦石過程:待分選的鈾礦石由皮帶送至振動給料系統(tǒng),將鈾礦石以平鋪不重疊的形式送入探測系統(tǒng),探測器將實時采集的數(shù)據(jù)傳給處理器,處理器識別判斷礦石屬于高品位礦石還是低品位礦石,再由執(zhí)行系統(tǒng)根據(jù)信息處理系統(tǒng)判別給出的結(jié)果,采用氣噴裝置將礦石分成高品位礦石和低品位礦石。

2 鈾礦石分選試驗研究

2.1 鄒家山鈾礦床特點

鈾礦石能否進行X射線透射分選以及分選指標的好壞,主要取決于鈾在礦石中分布的均勻程度,而鈾分布的均勻程度與礦床的類型有關(guān)。鄒家山鈾礦床屬于火山巖型中低溫熱液鈾礦床,其熱液及鈾源均為混合成因。鄒家山鈾礦體在走向和空間形態(tài)上變化較大,主要表現(xiàn)為礦體變薄,礦體平均厚度在0.5～1.0 m,平均品位在0.30%左右,約占所探明的礦體數(shù)的80%,平均厚度大于2 m的礦體很少見;礦體傾角變緩,傾角30°～60°,大部分礦體傾角在30°～45°,屬于難采傾斜薄礦體;產(chǎn)狀變化大,分枝復(fù)合現(xiàn)象較為普遍[21-23]。由于礦體產(chǎn)狀變化較大,礦體薄小,生產(chǎn)中采礦貧化率較高,在35%以上,所以有利于X射線透射分選。

2.2 礦石主要礦物嵌布特性

鄒家山鈾礦石中鈾的存在形式有獨立鈾礦物、類質(zhì)同象和離子吸附形式3種,其中以獨立鈾礦物為主,90.5%的鈾賦存于瀝青鈾礦與鈦鈾礦中。脈石礦物主要有白云母、石英、方解石、綠簾石、金紅石、螢石、磷灰石、鋯石等。主要鈾礦物與其他礦物的嵌布關(guān)系見圖3。

圖3 主要鈾礦物與其他礦物嵌布關(guān)系Fig.3 Distribution relationship between main uranium minerals and other minerals

由圖3可以看出,瀝青鈾礦及鈦鈾礦在礦石中分布不均勻,與脈石之間容易解離。礦石內(nèi)部微隙裂縫清晰可見,經(jīng)破碎后,容易解離成含鈾的礦石、不含鈾的礦石和含微量鈾的礦石,有利于采用X射線透射法進行分選。鄒家山鈾礦石化學成分分析結(jié)果見表1。

表1 礦石化學成分分析結(jié)果Table 1 Chemical analysis results of Zoujiashan uranium ore %

在礦石性質(zhì)確定的前提下,礦石可入選粒級的產(chǎn)率愈大,可拋棄的尾礦產(chǎn)率也越大,X射線透射分選的經(jīng)濟效益愈明顯。如果可入選的粗粒級礦石產(chǎn)率太小,即使X射線透射分選工藝指標很好,也可能沒有經(jīng)濟效益。適合X射線透射分選的礦石粒度一般在90～15 mm之間,這一部分粒級礦石產(chǎn)率越高,就意味著可以入選的礦石量越大,可能取得的技術(shù)經(jīng)濟指標越好,所以可入選粗粒鈾礦石的產(chǎn)率是一個重要參數(shù)。

將鄒家山鈾礦石破碎至-90 mm后分成4個粒級,分別考察了不同粒級礦石的產(chǎn)率及鈾分布規(guī)律。鄒家山鈾礦石粒度組成及鈾分布率見表2。

表2 礦石粒度組成及鈾分布率Table 2 Size fraction and uranium distribution of the ore

表2表明,隨著礦石粒度減少,鈾品位逐漸增加,-15 mm粒級礦石中鈾品位最高,鈾品位0.351%,鈾分布率31.69%;適合入選的90～15 mm粒級礦石產(chǎn)率為80.59%,鈾品位0.182%,鈾分布率68.31%。

2.3 鈾礦石X射線透射分選試驗研究

利用X射線透射法分選鈾礦石,X射線的衰減程度主要與礦石厚度和鈾品位有關(guān),利用算法將礦石厚度因素消除后,根據(jù)X射線的衰減程度就可以判別礦石中鈾品位的高低。為了提高分選精度,鈾礦石以單層不重疊的平鋪方式進入X射線探測系統(tǒng)。

在我國常規(guī)鈾礦山無論是采取攪拌浸出還是堆浸方式提取鈾,一般要求浸出渣中鈾品位要低于0.02%,因此利用X射線透射法分選鈾礦石要控制分選出來的尾礦中鈾品位低于0.02%,保證分選出來的尾礦可以直接拋棄。

2.3.1 礦石分粒級X射線分選試驗研究

將15～90 mm的鄒家山鈾礦石按粒度分成3個粒級30～15 mm、60～30 mm、90～60 mm,在相同的分選參數(shù)條件下分別對3組不同粒級的鈾礦石進行分選,考察不同粒級鈾礦石的分選效果。礦石分粒級X射線分選試驗結(jié)果見圖4。

圖4 礦石分粒級X射線分選試驗結(jié)果Fig.4 X-ray separation test results of the grading ore

由圖4可知,X射線透射分選技術(shù)對3個不同粒級的礦石均可實現(xiàn)有效分選,30～15 mm、60～30 mm、90～60 mm這3個粒級礦石的尾礦產(chǎn)率分別為28.76%、32.11%、36.18%,尾礦中鈾品位均能降至0.02%以下,分別為0.018%、0.016%、0.015%。試驗結(jié)果表明,隨著礦石粒度變大,鈾品位隨之降低,鈾在粗粒級礦石中分布更不均勻,尾礦產(chǎn)率大,分選效果好。

2.3.2 90～15 mm全粒級礦石X射線分選試驗研究

開展了90～15 mm全粒級礦石直接分選試驗,設(shè)定分選參數(shù)與分級入選試驗一致,對比全粒級入選與分級入選的X射線透射分選效果。全粒級入選和分級入選試驗結(jié)果見表3。

表3 全粒級入選和分粒級入選試驗結(jié)果Table 3 Test results of full particle size separation and graded separation

由表3可知,90～15 mm全粒級礦石直接分選尾礦產(chǎn)率34.25%,鈾品位0.017%,鈾分布率3.18%,與分級分選試驗結(jié)果相比差距不大,表明90～15 mm粒級礦石可以不用分級,用X射線透射分選機直接分選,保證分選流程簡潔高效。

2.3.3 不同尾礦產(chǎn)率X射線分選試驗研究

X射線透射分選時,尾礦產(chǎn)率可以提前設(shè)定。設(shè)定不同的尾礦產(chǎn)率會影響具體的分選指標。開展了不同尾礦產(chǎn)率的X射線透射分選試驗,設(shè)定分選機的尾礦理論產(chǎn)率分別為20%、30%、35%、40%,考察X射線透射分選鈾礦石的效果。分選試驗結(jié)果見圖5。

圖5 不同尾礦產(chǎn)率分選試驗結(jié)果Fig.5 Separation results by different tailing yields

由圖5可知,尾礦實際產(chǎn)率和理論尾礦產(chǎn)率基本吻合,說明了X射線透射分選機的可靠性較好,可以根據(jù)需要準確控制尾礦產(chǎn)率。隨著尾礦產(chǎn)率逐漸增大,尾礦中鈾的品位隨之升高,損失在尾礦中的鈾金屬量也隨之增加,精礦中鈾的回收率隨之降低。當尾礦產(chǎn)率為35.67%時,尾礦中鈾品位0.018%,滿足常規(guī)鈾礦山浸出渣中的鈾品位要求,因此這部分礦石可以直接拋棄,此時損失在尾礦中鈾的金屬量僅3.51%。

2.4 鄒家山鈾礦石X射線分選推薦工藝流程及選礦指標

根據(jù)鄒家山X射線透射分選條件試驗結(jié)果,推薦了鄒家山鈾礦石分選工藝流程。將鄒家山鈾礦石破碎至-90 mm,將-15 mm細粒級礦石篩分出來,90～15 mm粗粒級礦石利用X-104分選機進行分選,設(shè)定尾礦理論產(chǎn)率35%,分選得到精礦和尾礦,精礦和-15 mm細粒級礦石合并作為高品位礦石,分選尾礦作為低品位礦石直接拋棄。鄒家山鈾礦石X射線分選推薦工藝流程見圖6。鄒家山鈾礦石X射線分選試驗結(jié)果見表4。

圖6 礦石X射線分選推薦工藝流程Fig.6 Recommended process of X-ray separation of the ore

表4 礦石X射線分選試驗結(jié)果Table 4 Test results of X-ray separation of the ore

由表4可知,利用X射線透射技術(shù)分選鄒家山鈾礦石,可以得到產(chǎn)率29.68%的尾礦,其中鈾品位0.018%,鈾分布率為2.48%。這部分產(chǎn)品中鈾的品位低于鈾礦山浸出渣中鈾的品位,可以直接拋棄。

鄒家山鈾礦石X射線透射分選結(jié)果表明,利用X射線透射技術(shù)分選鈾礦石是可行的,能夠拋棄30%左右的尾礦,尾礦中鈾品位能夠降低到0.02%以下。在鈾礦浸出之前,將礦石破碎后利用X射線透射分選機預(yù)先分選,將部分不含鈾或含微量鈾的脈石分選出來,可以節(jié)省后續(xù)磨礦費用,減少水冶礦石處理量,節(jié)省藥劑用量,降低生產(chǎn)成本。此外,分選出來的低品位礦石可以直接干式堆存或者回填井下,不會產(chǎn)生廢水廢氣,能夠減少放射性環(huán)境污染。

3 結(jié)論及展望

(1)鄒家山鈾礦體在走向和空間形態(tài)上變化較大,礦體薄小,采礦貧化率在35%以上,瀝青鈾礦及鈦鈾礦在礦石中分布不均勻,礦石破碎后,容易分成脈石及含鈾礦石兩類,適合入選的90～15 mm粒級礦石產(chǎn)率為80.59%,有利于采用X射線透射技術(shù)進行分選。

(2)提前設(shè)定尾礦產(chǎn)率利用XNDT-104分選機進行分選時,尾礦實際產(chǎn)率和理論尾礦產(chǎn)率基本吻合,說明了X射線透射分選機的可靠性較好,在實際應(yīng)用中可以根據(jù)需要準確控制尾礦產(chǎn)率。當控制粗粒級礦石尾礦產(chǎn)率為35.67%時,尾礦中鈾品位0.018%,損失在尾礦中鈾的金屬量僅3.51%,分選效果較好。

(3)鄒家山鈾礦石利用X射線透射分選機分選可以獲得產(chǎn)率29.68%、鈾品位0.018%的尾礦,這部分產(chǎn)品中的鈾品位低于浸出渣中鈾的品位,可以直接拋棄,能夠節(jié)省后續(xù)水冶提鈾成本,減少放射性污染。因此,鈾礦石在浸出之前采用X射線透射技術(shù)分選進行拋尾,可以有效降低生產(chǎn)成本,是中國硬巖鈾礦石降本增效的有效手段之一,有望在中國硬巖鈾礦山企業(yè)推廣應(yīng)用。