X射線輻射分選原理及應用

印萬忠，吳 堯，韓躍新，劉明寶，牟紅歌，孫中強

(1.東北大學，遼寧 沈陽 110004；2.沈陽東北大學冶金技術研究所有限公司，遼寧 沈陽 110004)

1 礦石揀選技術發展現狀

揀選是一種原始的選礦方法，從幾千年前就已經開始在選冶領域得到應用。最初的揀選方式，主要是通過人工對單個礦塊進行鑒別以拋棄沒有進一步處理價值的礦塊。其適合的處理粒度，一般為-150+20mm。上世紀以前，在國內外的一些礦山，為了揀出大塊的精礦或去除大塊廢石，都曾應用過手選這種最原始的分選方法。但是，隨著社會發展，采出礦石的品位逐漸降低，用人工方法已經很難分辨出低品位礦石和脈石的區別，因此，揀選的劣勢也逐漸的顯露出來，手選的重要性不斷下降。在現階段，人工揀選法只在礦石與廢石的表面顏色有顯著差別的個別礦山中才有實際應用的可能。目前，選礦工作者經過了多年的研究，不斷將最新的科學技術與選礦工藝相結合，發明了一系列應用于揀選工藝的新設備來代替人工手選。例如，人們通過利用X射線照射金剛石礦石，用其所發射的強熒光進行金剛石礦的勘探和分選；利用鈾礦石本身的γ放射性，將其與廢礦分離開等[1]。

隨著自動揀選新理論和新設備的出現，揀選法逐漸應用在有色金屬、黑色金屬、稀有金屬、放射性金屬、貴金屬和放射性元素的礦石，以及非金屬礦石和建筑材料的預先分選工作中。上世紀末葉，歐洲一些國家在理論方面取得了一系列的突破，新的揀選設備也層出不窮，僅英國的崗森·索特克斯公司(Gunson Sortex)、芬蘭的奧托昆普公司(Outo-kumpu)和RTZ Ore Sorters公司等，就研制生產了十余種型號工業型光電分選機、放射性分選機等，其中僅RTZ公司研制的M17型放射性分選機就有數十臺在世界各地的鈾礦山使用。我國也發表了一些專著，如金剛石選礦、特殊選礦、鈾礦石放射性分選等。并研制出一些分選機，如江西冶金學院研制的CGX-1型光電分選機、江西有色冶金研究所研制的GS-2型、GS-3型光電分選機、GFJ-3型無線電波分選機、武漢建材學院研制的GXJ-2型X射線分選機和核工業總公司研制的201型放射性分選機等[2]。

原蘇聯及俄羅斯在礦石揀選的理論研究工作開始的較早，如在1979年就出版了輻射選礦方面的專著。書中介紹了應用電磁波譜范圍內的各種電磁波的分選法，從波長10-10m的γ射線到波長為104m的無線電波以及不同電磁波的產生根源。如γ射線是元素的原子核受激發后產生的；X射線是由原子內層電子受激發后產生的；可見光、紅外線、紫外線是原子的外層電子受激發后產生的；無線電波是由振蕩電路中自由電子的周期運動產生的。但是，它們都服從電磁波的共同規律。選礦工作者就是利用礦塊中有用元素受不同射線照射后所產生的反應與廢石產生的反應不同，而研究出不同的分選方法，如γ吸收法、γ熒光法、X射線熒光法等。

上述的幾種電磁波選礦方法，均屬電磁信號揀選范疇，其原理主要是根據不同條件下巖石性質的差異來對礦物進行分選的。包括在可見光下的反射比和顏色的不同，如菱鎂礦、石灰巖、普通金屬和金礦、磷酸鹽、滑石、煤礦；在紫外光下的性質差別，如白鎢礦；在自然伽瑪輻射下的性質差別，如鈾礦；磁性差異，如鐵礦；導電性的不同，如硫化礦；X射線冷光下的性質差異，如金剛石；在紅外線、拉曼效應、微波衰減以及其他條件檢測下性質的不同等。

近年來，世界各國在礦石和廢料的分選工作方面都取得很大成績，研制和生產出了很多型號的電磁信號分選機，其中最具代表性的就是X-射線輻射分選機。X-射線輻射分選工藝以其技術的先進性和分選的高精度，已受到選礦工作者的高度重視。

2 X-射線輻射分選技術原理

X射線輻射分選是指利用礦石受到X射線照射后所激發的二次X射線(也稱特征X射線)來分選礦石的分選方法。根據分選原理可知，X射線輻射分選法具有高效、清潔、環保的特點。俄羅斯在1994年成立了相關的公司，對X射線輻射分選技術的原理和應用進行了相關研究，在國際上具有領先地位。

X射線是波長為0.05～10nm的電磁波， 是由于原子內層電子受激發后產生的無線電波。波長比可見光短的多，范圍在0.005～10nm之間，和物質的基本單元原子的直徑處在相當的數量級，作為電磁波的一部分它也具有波粒二象性。看作粒子時的能量和看作電磁波時的波長有著一一對應的關系，其能量E與波長(之間的關系為：

E=hc/λ

式中，h為普朗克常數；c為光速。

就其本質而言，X射線與可見光、紅外線、紫外線、γ射線以及宇宙射線是相同的，均屬電磁輻射。X射線具有諸多良好的物理性質：良好的感光作用、良好的電離作用(能電離氣體)、熒光作用(照射在多種礦物表面會產生接近可見的熒光)、衍射現象(通過礦物晶體時發生衍射。利用分光晶體作為單色器對X射線進行衍射分光，可以將不同波長的譜線分開)等。此外，X射線通過不同介質時幾乎不折射，穿透能力很強，不受電磁場的影響，在電磁場中也不會發生偏轉。

X射線可通過用高速電子流轟擊金屬靶的方式獲得，從X射線管中發射出來的X射線，可以分為兩種類型。一種是具有連續波長的X射線，構成連續X射線譜，它與可見光的白光相似，故也稱為多色X射線；另一種是在連續圖譜的基礎上疊加若干具有一定波長的譜線，構成特征X射線圖譜，它與可見光中的單色光相似，所以也稱為單色X射線。

用加速后的電子撞擊金屬靶能產生X射線，在撞擊過程中，由于電子突然減速，其損失的動能會以光子形式放出，形成X光光譜的連續部分，稱之為制動輻射。通過加大加速電壓，電子攜帶的能量增大，則有可能將金屬原子的內層電子撞出。于是內層形成空穴，外層電子躍遷回內層填補空穴，同時放出波長在0.1nm左右的光子。由于外層電子躍遷時放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波長也集中在某些部分，形成了X光譜中的特征線，稱為特性輻射。在這個過程中，當某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內層電子擊出時，會在低能級上出現空位，原子的系統能量因此而升高并處于激發狀態。但由于這種激發狀態是不穩定的，隨后便有較高能級上的電子向低能級上的空位躍遷，使原子的系統能量重新降低而趨于穩定。在原子系統中，電子從高能級向低能級的這種躍遷，將以光子的形式輻射出標識X射線。其輻射頻率由下式決定：

hvn2-n1=En2-En1=Wn1-Wn2

式中：En1、En2分別為低能級和高能級中電子的能量；Wn1、Wn2分別為激發低能級和高能級中的電子所做的功。

標識X射線圖譜的激發和輻射過程，可以用圖1所示的原子能級圖來描述。

對于每一種化學元素的原子來說，都有其特定的能級結構，其核外電子都以各自特有的能量在各自的固定軌道上運行，內層電子獲得足夠能量之后脫離原子的束縛，成為自由電子，并在內層電子軌道上形成空位，此時原子就被激發了，處于激發態。這時其他的外層電子便會補充這一空位，也就是所謂躍遷，同時以發出X射線的形式放出能量。

圖1 原子能級圖

由于每一種元素的原子能級結構都是特定的，它被激發后躍遷時放出的X射線的能量也是特定的，故稱之為特征X射線。通過測定特征X射線的能量，便可以確定相應元素的存在，而特征X射線的強弱(或者說X射線光子的多少)則代表該元素的含量。這正是X射線輻射分選的理論基礎。

3 X射線輻射分選技術的應用

3.1 X射線輻射分選技術的應用現狀

X射線分選機是基于以上原理由俄羅斯國家有色金屬研究院研制的新型選礦設備。可廣泛應用于多種金屬和非金屬礦的預選中，特別對一些處理量較小的稀有礦石有很強的實用價值。X射線選礦分選機(以下簡稱PPC)能分選各種類型的塊狀礦石和原料，能夠將廢石、夾石與礦石分離，或低品位礦石與高品位礦石分離。分選粒度范圍為5～300mm，每小時可分選礦石達到50t，為干法分選，適合各種類型成因礦床。目前，俄羅斯方面已經對150多個礦床的礦石進行了分選實驗，其中包括金、銀、鐵、鎳、銅、鋅、鎢、鉬、重晶石、螢石、硅灰石、霞石、金剛石、石灰巖、煤等多種礦物。X射線輻射分選機的型號及性能參數見表1[3]。

表1 X射線分選機特性

3.2 X射線輻射分選機結構

X射線輻射分選機(PPC)的機構，如圖2所示。

其中各部件的具體作用，如表2所述。

3.3 X射線輻射分選機的工作原理

PPC的基本工作原理為:礦石給入接收料槽，借助振動輸送裝置進入到振動溜槽，在振動力的作用下，礦石沿著溜槽分散形成礦石流。礦石流在溜槽中形成單塊流，以保證礦石逐個從槽邊緣下落到X射線組件測量區。在測量區每塊礦石都要受到X射線的第一次輻射(X-1)，受X射線第一次輻射激發后，礦石表面會產生第二次輻射射線的激發(X-2)，然后在檢測組件上記錄射線(X-2)形成光譜，該光譜由元素X射線輻射曲線和第一次輻射的散射曲線組成。分選機的測控系統對光譜進行分析，按照設定的參數得出分析結果，確定每塊礦石中是否存在測定元素的分析值。當超過這個參數值時，操控系統形成控制信號啟動執行機構。執行機構啟動時，依靠擋板的擊打作用，使分選礦石偏離軌道，落入接收槽，最后進入礦石輸送帶(精礦)；小于這個參數值的貧礦石，自然下落到另一個接收槽，進入另一條輸送帶(尾礦)。同時在工作時，電腦控制中心可以調節給礦速度，可調節設定所需礦石品位，并可通過監測各種數據，對礦石槽進行攝像檢測[4]。圖3為PPC的工作原理圖。

表2 X射線輻射分選機各部位用途和組成

圖2 X射線分選機(PPC)

圖3 PPC的工作原理圖

3.4 分選機的測量控制系統

分選機的測量操控系統是整個分選機的核心部件，其主要用于完成以下任務：

1) 用X射線分選方法自動確定礦石的質量，計算分析參數，確定分析元素的含量(根據這種元素的X射線曲線特征)。

2) 將測定的數值與設定的臨界值分析比較，形成操控信號，啟動執行裝置，從礦石流中選出符合分選條件的礦石。

3) 為使分選機可以對不同種類的礦石和工藝原料進行分選，可對分選機進行分析校準。

4)調節分選及動力設備的運行，振動篩、給礦器和執行裝置。

5)在操控室的控制臺上顯示分選的過程和結果，所有系統的操控都是由中央控制室的操控計算機來完成的。

3.5 X射線輻射分選機的應用實例

目前，該機器已經在俄羅斯許多礦山得以應用和推廣，效果顯著。表3中列舉了俄羅斯部分采用PPC礦山的生產指標，對含金、銅、鋅、鉛、鉬、錫、鎢的礦石進行了全方位考察。

從大量的生產實際數據可以看出，這些礦山的礦石經X射線輻射分選后，可以拋去60%～70%的尾礦，同時極大地提高入選礦石的品位。表2中金礦的入選品位提高了近一倍；而當PPC應用于鉛鋅礦、銅鋅礦的分選時，也能將入選品位提高一倍以上。這樣就可以大大減少選廠的破碎、磨礦及后續處理的費用。由表2數據還可以看出，PPC對礦石的處理能力并未因給礦粒度的改變產生偏差，該選礦設備工作穩定，應用廣泛。

表3 X射線分選機分選不同礦石的實例

由現場的實驗和生產經驗總結，PPC帶來巨大效益體現在：按冶金或入選要求獲得所需的原料，降低運輸或浮選成本，提高了選礦能力；減少了勞動力的需求，并彌補人工選礦的不足；延長了礦山的相對壽命，提高礦山開采率，在資源有限的情況下獲得最大的資源量；提高企業整體的技術水平，降低企業的生態負擔；提高入選品位，增大浮選、重選、磁選回收率，且此設備簡單易于安裝操作，價格適宜，回收周期較短。

4 結論

1)X射線輻射分選的理論基礎：每一種元素的原子能級結構都是特定的，它被激發后躍遷時放出的X射線的能量也是特定的，故稱之為特征X射線。通過測定特征X射線的能量，便可以確定相應元素的存在，而特征X射線的強弱(或者說X射線光子的多少)則代表該元素的含量。由不同元素具有不同的特征X射線可知，X射線輻射分選機可廣泛應用于金屬、非金屬礦和其他稀有礦石的預選中。

2) 由于輻射選礦可以在礦石粒度很大時就丟棄部分脈石，使采出礦石的品位提高，進入下一工序的礦量減少從而降低成本。對新建礦山，由于破碎磨礦的礦石量減小，可以減少選礦廠的基建投資；對已建選廠，則可擴大其現有生產能力。

3)分選的礦石品位波動減少，有利于下游工序的控制。且分選廢棄的大塊脈石易于處理，可減輕選礦過程對環境的污染。

4)輻射選礦可以降低對采出礦石品位的要求，使得部分表外礦可以入選，這樣就擴大了礦石資源，延長了礦山壽命。同時，還可以利用過去礦山開采中所浪費(堆存)的低品位礦產資源。

5)隨著高品位礦石的日漸減少，如何經濟地開發利用低品位、小型的、邊遠地區的礦產資源，已經提到了日程上來。礦石的X射線輻射分選技術的合理利用，可以減輕破碎磨礦等后續作業的負擔，對提高礦山的經濟效益和服務年限具有現實意義。

[1] Barry A.wills, Tim Nipier-Muan. Mineral Processing Techonlogy[M]. Elsevier Science&technology Books，October 2006.373-377.

[2] 汪淑慧. 分選礦石的X射線輻射分選法[J]. 國外金屬礦選礦，2007(8)：4-8.

[3] 費德洛夫,張巖.X-射線分選技術及分選機[J]. 礦山機械，2008(23):110-113.

[4] 劉廣宇. X-射線分選機在鉬礦預選中的試驗與研究[J]. 現代礦業，2009(10)：75-77.