超聲技術在礦物加工中的應用進展

黃萬撫,胡運禎,黃李金鴻,曾祥榮,張天錫

(1.江西理工大學 資源與環境工程學院，江西 贛州 341000；2.江西理工大學 建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000)

超聲波是指頻率超過2×104Hz的聲波，具有聚束、定向、反射、投射等一系列特性，其振動可以引起礦漿內礦粒產生極大的速度與加速度，給礦粒傳遞極大能量，對礦粒產生包括空化效應、機械效應等一系列特有效應。隨著礦產資源的日益枯竭，礦石細貧雜的問題愈發明顯，在選礦過程中，尋找新工藝，減少礦產資源浪費，提高資源利用率便迫在眉睫。超聲波作為一種具有自身獨特性質的工藝，對礦漿進行預處理后，能使選礦指標有著較為顯著的提升。超聲工程學在礦物加工領域的研究應用主要包括檢測超聲和功率超聲兩大類，本文對這兩方面在礦物加工中的作用機理、研究進展、應用情況進行了探討。

1 檢測超聲在礦物加工過程中的應用

檢測超聲利用了超聲傳播的特征和信息載體的特性，檢查材料缺陷，測量物體的幾何尺寸、物理化學性能及其他非聲學性質和參量的方法和技術。由于超聲波頻率高，波長短，衍射現象不明顯等特點，在測量過程中有著靈敏度高，速度快，成本低，對人體無害，不需要直接接觸待檢測物進行直接接觸等優勢。

1.1 粒度檢測

粒度檢測是選礦中的重要指標，浮選不但要求礦物單體解離，而且要求適宜的入選粒度，如果礦物粒度不當，會引發一系列問題。例如浮選指標下降，礦物資源、選廠用水、用電的浪費。因此粒度檢測在礦物加工過程中有著重要的作用。現在常用的粒度分析設備有激光粒度分析儀，嵌入式在線粒度分析儀和超聲粒度分析儀等。

超聲粒度分析儀相比于嵌入式分析儀，無須與礦漿直接接觸，分析速度快，精度高。相比于激光粒度分析儀，超聲波的強穿透性可以保證探頭和礦漿存在緩沖區，探頭不會被飛濺的礦漿污染和阻塞。

超聲波粒度分析儀根據反映的聲波性質和衰減系數α的性質設計的。造成超聲波衰減的主要原因是流體介質對超聲波的吸收和流體介質中懸浮粒子對超聲波的散射。在確定的傳播距離內，在介質的其他物理性質近似的情況下，相同頻率的超聲波在不同的介質濃度和不同的介質粒度組成條件下，其強度的衰減是不同的。也就是說它們的衰減系數a是介質濃度和粒度的函數。而在介質濃度和介質粒度相同的條件下，在不同頻率的超聲波作用下，超聲波強度的衰減與介質粒度之間有著不同的非線性關系。

(1)

上式中I為接收探頭接收到超聲波的聲強，I0發射探頭發出超聲波的聲強，α為衰減系數，x為超聲波移動的距離。

圖1為超聲粒度分析儀原理圖，通過發射探頭發射超聲波，緩沖區1反射的聲波由接收探頭3接收，樣品區反射的聲波由接收探頭2接收，緩沖區2反射的聲波由接收探頭1接收，投射的音波由接收探頭4接收。通過對比各個探頭接收到聲波的強度，就可以計算出樣品的粒度。

圖1 超聲粒度分析儀原理圖Fig.1 The schematic of ultrasonic grain size analyzer

美國Autometrics生產出第1代PSM-100粒度分析儀，適用于測量-0.053 mm占20%～80%的目的礦漿；緊接著推出PSM-200粒度分析儀，適用于-0.025 mm占90%的細粒物料[1]；芬蘭奧特昆普公司的PSI系列粒度分析儀；我國最早研制出的馬鞍山設計院研制出CLY型粒度分析儀，其結構與美國PSM分析儀類似；北京礦冶研究總院開發、研制BSDM-1型礦漿濃度計；丹東東方測控技術股份有限公司的DF-PSM粒度分析儀，可以測量顆粒 ≤1 mm，P80為25～295 μm的分布[2-5]。

目前超聲波粒度儀已經在國內多處公司投入使用[6]。DF-PSM在線超聲粒度分析儀在金堆城百花嶺、卅畝地選廠投產，用于磨礦系統中，溢流-200目含量和礦漿濃度誤差都在2%以內，便于調整磨礦操作，使旋流器分流的濃度、細度更加穩定，為浮選作業提供更好的環境，提高鉬精礦產品質量，跑粗現象減少，尾礦品位降低[7]。

1.2 濃度檢測

濃度對泡沫浮選有著重大影響，適宜的濃度有益于礦粒與氣泡碰撞吸附，保證了氣泡對礦物具備足夠的負載能力。礦漿濃度過低時，回收率較低；濃度過高時，又會導致浮選機工作環境變差，使浮選指標變差。

目前市場上有靜壓力法、重力法、浮子法、γ射線法、振動法、光電法等多種濃度檢測方法。在測量礦漿中礦粒的粒徑時，粒徑本身相差較大，探頭工作環境差，工作時間長等一系列因素，對探頭耐磨耐腐蝕性要求較高，導致其他方法無法長期穩定的進行測量。而超聲波法自身由于穿透力強，無需與礦漿直接接觸。

超聲濃度檢測的方法主要是利用超聲衰減作用進行測量，超聲波在礦漿中傳播時，振幅會隨著礦漿中固體含量多少和固體顆粒大小而變化。選取合適的超聲頻率，便可以得出衰減量與礦漿濃度的關系。按照聲學原理，振幅衰減和礦漿濃度呈指數相關：

A1=A0·e-K1lr3f4q

(2)

經推導計算得出：

(3)

礦粒對高頻超聲波的衰減主要是散射衰減，它與礦粒的濃度、粒度、比重和表面形貌(平整或是凹凸不平)等等有關。其中r為礦漿中礦粒的半徑，q為礦漿濃度，l為超聲波在礦漿中的傳播距離，f為超聲波頻率，K1為衰減系數，A0為超聲波在純水中傳播l距離后的振幅，A1為在礦漿中傳播l距離后的振幅。見圖2，礦漿濃度檢測儀主要是利用礦漿中礦粒對超聲波的衰減作用，通過探頭A和B發射、接收并測量超聲波強度，通過懸濁液中懸浮粒子對超聲的衰減，計算出懸濁液濃度。

我國從上世紀60年代就開始對超聲工業測量技術開始研究，受限于當時材料和電子科學的限制，在上世紀90年代，南化集團生產出USC型超聲波硫酸濃度計[8]。丹東東方測控技術股份有限公司的DF-6420，測量精度：2.0%(1σ)，濃度范圍：-70%[9]。截止2014年，已成功用于50多個工業現場，為礦山選廠有很好的指導意義。贊比亞穆利亞西銅礦于2016年采用DF-6420型超聲波礦漿濃度計，礦漿測量結果標準偏差<1.7%，克服了氣泡、粒度、溫度、磨損等因素的影響[10]。安慶銅礦充填自動化控制系統中采用超聲波濃度計對膠結填充礦漿進行測量，測量、維護方便，使得填充工藝流程基本實現了自動化[11]。

圖2 超聲濃度分析儀原理圖Fig.2 The schematic of ultrasonic concentration analyzer

1.3 流量檢測

在選礦流程中，礦漿流量的測量是保證選廠過程控制與金屬平衡計算的重要參數，在礦山中，旋流器進漿流量、溢流流量、尾礦濃密機底流流量、中間產品流量，結合相應礦漿濃度，進行礦量計算，方便礦山對流程工藝進行控制管理。

現有礦漿流量測量工藝有兩種，一種為電磁流量計，另一種是超聲流量計。由于礦漿成分較為復雜，具有磨蝕、易粘著、易沉積等特性，電磁流量計在接觸測量的過程中，電極和探頭磨損嚴重，傳感器上存在礦物沉積，導致測量結果準確性和穩定性較差。超聲波測量礦漿流量，無需接觸，對礦漿流動不產生影響，不受流體導電性和磁性的影響，穿透力強可用于測量大管道的流量測量，并且可以通過測量礦漿氣泡來對測量結果進行修正，準確率和穩定性較高。

超聲流量計常用的有兩種，其一是通過超聲在不同介質中傳播速度不同而產生的聲速流量計，成為時差法超聲流量計。另一種是基于多普勒效應的多普勒超聲流量計。超聲波流量計通常由測量變換器、超聲波產生和接收電路及信號處理系統三部分組成。測量變換器，簡稱變換器，它包括超聲波發射換能器、接收換能器，實現換能器與流體媒質之間聲耦合的聲導(或稱聲楔)及其相應的機械聯結組件等。

超聲波在靜止的媒質中的傳播速度與在流動的媒質中傳播速度不同。具體變化值與媒質流速有關。因此通過測量超聲傳播速度的變化，就可以測定媒質的流速，得出媒質的流量。

現在常用的是多普勒流量計，其原理為多普勒效應：物體輻射的波長因為波源和接收點的相對運動而產生變化。通過測量流體中運動粒子散射聲波的多普勒頻移，以此完成流量檢測。

見圖3，由發射探頭發射與礦漿流向夾角為θ，頻率為的超聲波，部分超聲波由礦粒反射，由接收探頭接收，接收到的頻率為f2，c為超聲波在礦漿中的傳播速度，通過多普勒效應計算便可以得出礦漿流速v。

圖3 多普勒超聲流量計原理圖Fig.3 The schematic of Doppler ultrasonic flowmeter

(4)

由于聲速遠遠大于礦漿流速，所以有，

(5)

(6)

19世紀20年代，Rutten O發明了世界上第一臺時差法超聲波流量計[12]；20世紀80年代，多普勒式超聲波流量計開始成為主流。我國超聲流量計起步較晚，20世紀90年代，同濟大學聲學工作室等開始獨立研發[13]。至今，浙江大學，天津大學、華中科技大學、哈爾濱工業大學等學校已經在超聲流量測量技術方面取得了一定的成果，也有多家公司開始投入生產超聲波流量設備[14]。2013年中鐵資源伊春某鉬礦采用了DN900聲吶流量計，用于測量旋流器溢流中礦漿流量[15]。2017年江銅德興某銅礦，對旋流器進漿管道流量進行測量。測量誤差都<1.0%[16]。

1.4 料位檢測

采用料位儀對礦山選廠的礦倉進行料位測量，可以杜絕空倉，溢倉等事故，還能改善工人的勞動環境，提高設備運轉率。

現有料位檢測設備主要有重錘式料位儀、阻尼葉片式料位儀和超聲波料位儀。重錘式料位儀在測量中誤差較大，重錘會沒入物料而發生故障。阻尼葉片式料位儀只能測量固定礦倉內固體物料高度，無法進行動態測量。超聲料位儀不僅能夠動態、精確測量物料高度，還能對液位高度進行測量。

現有物料測量中，在連續測料位的超聲技術中，應用最廣的是超聲波脈沖回波法，它的基本原理是:發射超聲換能器發出的超聲脈沖，通過傳聲媒質傳到被測液面，經反射后再通過傳聲媒質返回到接收換能器，測出超聲脈沖從發射到接收在傳聲媒質中傳播的聲時，再根據傳聲媒質中的聲速，就可以算得從換能器到物料的距離，從而確定料位。

在礦倉頂端垂直向下安置超聲波探頭，探頭間斷性向下發射脈沖，通過測量接收探頭接收到反射回的聲波的時間，來計算發射探頭到物料位面的距離。

(7)

h=L-α

(8)

其中，ν為聲波在空氣中的傳播速度，t是接收到反射超聲波所用的時間。通過計算，可以得出料位高度h。

上世紀60～70年代，美國THERMO RAMSEY公司的超聲料位儀，德國Endres&Hauser公司的NIvotester FTU181，日本的UMK等一系列超聲料位儀已經有了成熟應用。我國超聲料位儀的起步較晚，但在1979年，我國研制的USK型超聲波位置控制器開始投產，相比于輻射式物位計、機械式物位計、電磁式物位計、光學式物位計等其他類型物位計，有著安全無污染，精確度高，不會損害物料等一系列優點[17]。現在超聲料位儀已經廣泛應用于各類礦山倉庫，杜絕了礦倉空砸等設備事故，減少了操作人員在惡劣環境下工作，提高了設備的運轉效率[18]。

2 功率超聲在礦物加工過程中的應用

功率超聲是通過超聲能量對物質的作用來改變或加速改變物質的一些物理、化學和生物特性或狀態。在工業上常用某些逆壓電效或材料的磁致伸縮效應來制作超聲換能器。在應用上，分為大功率和高聲強兩類。在超聲傳遞過程中，伴隨著空化效應、力學效應、熱效應、化學效應和生物效應等一系列效應。因此功率超聲能夠大幅度加快反應速度且提高處理質量。

2.1 超聲波粉碎

超聲空化使在礦漿中礦石等破碎的工藝過程稱超聲碎，超聲粉碎裝置一般由換能器、變幅桿和超聲頻電源組成。超聲波粉碎利用超聲波的高能量密度(每cm2接觸面有數千千瓦的能量)與高頻應力(20 kHz)兩個特點。兩個特點相補充，可以在短時間內有較好的破碎效果。

上世紀80年代，美國猶他粉碎中心就研制了第1臺超聲波粉碎設備。我國超聲粉碎方面起步較晚，在礦物加工方面多用于非金屬礦的超細粉碎[19]。相較于其他超細碎設備，超聲粉碎效率更高，粉碎用時更短，產品粒級更窄，很少會出現過磨等情況。但是超聲波粉碎由于自身特性，相較于礦物加工過程中的破碎，超聲波粉碎在食品加工、粉末冶金和材料科學的應用更廣。

2.2 超聲波強化浮選

浮選是通過捕收劑選擇性的吸附在礦粒表面，改變礦物疏水性的過程。捕收劑選擇性的吸附在礦粒表面晶格缺陷，另一端吸附氣泡。

在浮選過程中，影響回收率的主要因素很多，礦石粒度、礦石性質、礦漿溫度礦漿pH等等。超聲波在溶液中通過空化效應、力學效應、熱效應等一系列作用，對礦漿和浮選藥劑有如下作用：

(1)改善礦石結構與表面性質。超聲產生的空化作用對礦粒表面產生清洗作用。在空化作用下，去除礦石表面與罩面雜質。促進礦粒裂隙發育，使目的礦物更好的暴露出來。增加礦粒與藥劑接觸幾率，增加藥劑在礦粒表面的吸附量，提升浮選效果。

(2)提高固體顆粒的分散性。超聲波的空化作用使顆粒分散，同時顆粒懸浮體在超聲振動周期性壓縮拉伸的作用下，破壞礦漿中團聚結構，使體系達到分散。不同于化學分散，超聲分散不需要額外添加分散劑，在不影響礦漿性質的同時，提高礦粒的分散性。

(3)提高藥劑乳化。部分選礦藥劑的溶解度并不高，通過超聲處理后，乳化藥劑穩定性較高，相較于直接給藥，可以減少藥劑用量的同時提高產率。

(4)增強氣泡穩定性。超聲駐波聲場會對氣泡產生聚集作用。在駐波聲場作用下，礦漿中產生氣絮團。礦漿中氣泡的穩定性要比沒有超聲作用的直接浮選好。

(5)改變礦漿溫度。超聲熱效應使礦漿溫度上升，Q=2Iαt，其中Q為產生的熱量，I為超聲強度，α為礦漿吸收系數，t為超聲在礦漿中的傳播時間。在超聲作用下，礦漿溫度上升，加速反應進行，有利于浮選。

因此，在選礦過程中，通過超聲預處理礦石、藥劑或超聲強化浮選過程，可以減少藥劑用量的同時提高選礦各項指標。

Yuran Chena等研究表明，超聲波的作用在藥劑液滴周圍產生了空化氣泡，當氣泡破裂時，導致大量的細小油滴與較大的油滴分離，以此可以通過適當的超聲時間和強度來處理藥劑，使之分散乳化，便于與礦粒更好的接觸反應[20]。馬永義等研究了超聲波預處理對方鉛礦浮選行為的影響，發現超聲處理能暴露出礦物新鮮表明，是礦物可浮性明顯提高[21]。Shu Kaiqian研究了超聲波處理對鈦鐵礦浮選及捕收劑吸附的影響，發現在pH 4～5的范圍內，未經超聲處理和經超聲處理后的鈦鐵礦浮選回收率分別為43.17%和89.54%[22]。Mao Yuqiang等為了提高粉煤浮選效率，采用超聲波對浮選過程進行強化，發現短時間超聲會提高選擇性，改善脫硫性能；但長時間超聲會氧化煤粒表面，導致浮選效率降低[23]。江西理工大學黃萬撫、胡運禎等進行了超聲波脫去鉬精礦中選礦藥劑的實驗研究，發現超聲波去除鉬精礦中的浮選藥劑效果比現有工藝中的微波加熱法更穩定，藥劑脫除率也更高[24]。

2.3 超聲波強化浸出

浸出過程是礦粒和浸出劑的反應過程。浸出劑擴散并吸附在礦粒表面，同時隨著礦粒內部孔隙經毛細作用進行內擴散。在此過程中浸出劑與目的礦物發生反應，將目的礦物轉化為可溶性金屬鹽，再通過外擴散作用進入溶液中。

在浸出過程中，最重要的指標為浸出率，影響浸出率的主要因素有礦石特征、工藝技術等。其主要影響有以下幾方面：

(1)礦石本身孔隙發育不足。在浸出過程中，內擴散和外擴散都是通過礦粒孔隙進行的。當孔隙發育不足時，浸出劑很難進入礦粒內部與包覆的目的礦物反應，同時反應后的可溶性金屬鹽也很難向外進入溶液中。

(2)化學反應生成沉淀物。在礦粒中，除了目的礦物，經常還有其他元素。在浸出過程中，有些元素會生成沉淀在礦粒表面聚集，使目的礦物難與浸出劑發生反應。例如在硫化銅礦物的浸出中，銅礦中常伴有Ca和Fe等元素，在浸出過程中會生成CaSO4、Fe(OH)3等沉淀，會阻止礦石與浸出劑的反應。

(3)化學反應生成鈍化膜。在細菌浸出過程中，難溶物會慢慢沉積在礦物表面，形成一層致密薄膜，阻礙礦粒與生物進一步的反應。例如在黃銅礦鹽浸的過程中，酸性條件下，黃銅礦中的Fe3+和礦漿中的H+會將硫元素氧化成S0，在黃銅礦表面形成致密薄膜。具體反應如下：

CuFeS2+4Fe3+=Cu2++5Fe2++2S

(9)

CuFeS2+4H++O2=Cu2++Fe2++2H2O+2S

(10)

反應中生成的硫單質形成硫鈍化膜，在礦粒表面覆蓋，阻止浸出劑和礦粒內部接觸。

超聲處理礦石主要有如下幾個作用：

(1)改善礦石性質，強化傳質作用。超聲空化導致礦石表面的鈍化膜和沉淀物被破壞，暴露出新的活性表面；與此同時，超聲產生的微射流對礦粒表面產生強烈沖擊，不僅可以產生新的裂隙，還能促使礦粒原有裂隙發育。加強了浸出劑的內外擴散傳質作用。

(2)促進化學反應。在超聲產生的空化氣泡在潰滅時，會產生7 000 K的瞬時高溫與200 MPa的瞬時高壓，在高溫與高壓的催化下，浸出劑與礦石反應速度加快，加速了浸出過程，減少了鈍化膜的形成，提高了浸出效率。

Ping Guo等利用超聲波選擇去除難處理金礦中的銻，結果表明超聲波明顯降低了除銻所需的溫度和時間，在最佳條件下，超聲波處理后銻去除率達到94.50%，金浸出率達到40.56%，而不采用超聲波處理的礦石銻去除率僅為58.37%，金浸出率僅為13.35%[25]。超聲也已經用于各類礦石的的浸出。ZHANG Jie等研究了超聲處理加強含銅尾渣浸出，最優條件下，超聲處理后的銅礦浸出率達89.5%，比常規浸出的浸出率高14.8%[26]。昆明理工大學郭文倩研究了超聲波對含鍺渣中鍺的浸出強化，結果表明功率700 W的超聲，最佳浸出條件，鍺的浸出率高達92.7%，比常規浸出最佳條件下浸出率高4.35%[27]，李健飛等研究了超聲波對高品位混合稀土的浸出，發現在最優條件下，超聲強化比無超聲強化的浸出時間縮短了72.22%；在最優浸出時間下，稀土浸出率和Ce浸出率分別提高了24.4%和26.91%[28]。

2.4 超聲波強化重選

重選指利用被分選礦物顆粒間相對密度、粒度、形狀的差異及其在介質中運動速率和方向的不同，使之彼此分離的選礦方法。

在煤礦選礦中，常用重選工藝對煤炭進行提純。但此工藝僅能用于處理高品位煤礦，對于低品位煤礦，這類方法往往效果不佳。影響作用效果的因素主要有：

(1)粒度較細，微細粒含量較高。

(2)粘土礦物含量較高。煤泥中有較多的黏土礦物，加之水分含量較高。

(3)硫含量高，灰分含量高。

采用超聲對煤泥進行處理，由于超聲波的特性，破壞了煤中灰分和硫的附著，通過旋流器、離心機、搖床等重選設備，便可以降低灰分和硫的含量。

Vujnovic在1993年開發了一種新裝置，通過超聲波來處理煤泥，然后通過重力分選將煤和灰分、硫進行分離[29]。Morton等發明一種超聲波振動塔盤裝置，通過超聲振動導致灰分雜質和煤之間的物理斷裂，再進行重選工藝，使得煤與灰分脫離[30]。Slomka 和Buttermore對含27.8%灰分的煤超聲波處理后，進行重力脫硫，使去除顆粒灰分含量從不經超聲的55%提升到86.9%，提升了22%[31]。

3 結語與展望

超聲技術有高效、安全、綠色等一系列優勢，在環境、食品、醫藥等領域都有著廣泛的應用。檢測超聲在粒度、濃度、流量和料位的測量中，具有精確性、實時性和直觀性，已經成熟的應用于各個礦山選廠。功率超聲在重選、浮選、浸出過程中，通過對藥劑和礦粒的處理，都能大大提高選礦指標。除了上述的應用以外，在篩分、磁電選等方面也有應用。

作為一種很有發展前景的技術，超聲波技術目前還存在一些問題。具體表現有：

(1)功率超聲的部分應用當前還停留在實驗室的小型實驗階段，超聲波自身在傳播過程中能量遞減問題嚴重，因此，工業化和設備大型化還需要進一步的設備設計和實驗驗證。

(2)超聲波反應器成本較高且無法適應長時間工作，在實際生產過程中，無法連續作業，并且對于不同性質的礦漿，要求反應器具有耐磨、耐腐蝕性。在一定程度上限制了超聲波技術的應用。

(3)目前超聲波作用礦種較少，且針對單一礦物。對不同組分不同性質的礦石還未作詳細的研究。