X射线辐射分选原理及应用

印万忠，吴 尧，韩跃新，刘明宝，牟红歌，孙中强

(1.东北大学，辽宁 沈阳 110004；2.沈阳东北大学冶金技术研究所有限公司，辽宁 沈阳 110004)

1 矿石拣选技术发展现状

拣选是一种原始的选矿方法，从几千年前就已经开始在选冶领域得到应用。最初的拣选方式，主要是通过人工对单个矿块进行鉴别以抛弃没有进一步处理价值的矿块。其适合的处理粒度，一般为-150+20mm。上世纪以前，在国内外的一些矿山，为了拣出大块的精矿或去除大块废石，都曾应用过手选这种最原始的分选方法。但是，随着社会发展，采出矿石的品位逐渐降低，用人工方法已经很难分辨出低品位矿石和脉石的区别，因此，拣选的劣势也逐渐的显露出来，手选的重要性不断下降。在现阶段，人工拣选法只在矿石与废石的表面颜色有显著差别的个别矿山中才有实际应用的可能。目前，选矿工作者经过了多年的研究，不断将最新的科学技术与选矿工艺相结合，发明了一系列应用于拣选工艺的新设备来代替人工手选。例如，人们通过利用X射线照射金刚石矿石，用其所发射的强荧光进行金刚石矿的勘探和分选；利用铀矿石本身的γ放射性，将其与废矿分离开等[1]。

随着自动拣选新理论和新设备的出现，拣选法逐渐应用在有色金属、黑色金属、稀有金属、放射性金属、贵金属和放射性元素的矿石，以及非金属矿石和建筑材料的预先分选工作中。上世纪末叶，欧洲一些国家在理论方面取得了一系列的突破，新的拣选设备也层出不穷，仅英国的岗森·索特克斯公司(Gunson Sortex)、芬兰的奥托昆普公司(Outo-kumpu)和RTZ Ore Sorters公司等，就研制生产了十余种型号工业型光电分选机、放射性分选机等，其中仅RTZ公司研制的M17型放射性分选机就有数十台在世界各地的铀矿山使用。我国也发表了一些专著，如金刚石选矿、特殊选矿、铀矿石放射性分选等。并研制出一些分选机，如江西冶金学院研制的CGX-1型光电分选机、江西有色冶金研究所研制的GS-2型、GS-3型光电分选机、GFJ-3型无线电波分选机、武汉建材学院研制的GXJ-2型X射线分选机和核工业总公司研制的201型放射性分选机等[2]。

原苏联及俄罗斯在矿石拣选的理论研究工作开始的较早，如在1979年就出版了辐射选矿方面的专著。书中介绍了应用电磁波谱范围内的各种电磁波的分选法，从波长10-10m的γ射线到波长为104m的无线电波以及不同电磁波的产生根源。如γ射线是元素的原子核受激发后产生的；X射线是由原子内层电子受激发后产生的；可见光、红外线、紫外线是原子的外层电子受激发后产生的；无线电波是由振荡电路中自由电子的周期运动产生的。但是，它们都服从电磁波的共同规律。选矿工作者就是利用矿块中有用元素受不同射线照射后所产生的反应与废石产生的反应不同，而研究出不同的分选方法，如γ吸收法、γ荧光法、X射线荧光法等。

上述的几种电磁波选矿方法，均属电磁信号拣选范畴，其原理主要是根据不同条件下岩石性质的差异来对矿物进行分选的。包括在可见光下的反射比和颜色的不同，如菱镁矿、石灰岩、普通金属和金矿、磷酸盐、滑石、煤矿；在紫外光下的性质差别，如白钨矿；在自然伽玛辐射下的性质差别，如铀矿；磁性差异，如铁矿；导电性的不同，如硫化矿；X射线冷光下的性质差异，如金刚石；在红外线、拉曼效应、微波衰减以及其他条件检测下性质的不同等。

近年来，世界各国在矿石和废料的分选工作方面都取得很大成绩，研制和生产出了很多型号的电磁信号分选机，其中最具代表性的就是X-射线辐射分选机。X-射线辐射分选工艺以其技术的先进性和分选的高精度，已受到选矿工作者的高度重视。

2 X-射线辐射分选技术原理

X射线辐射分选是指利用矿石受到X射线照射后所激发的二次X射线(也称特征X射线)来分选矿石的分选方法。根据分选原理可知，X射线辐射分选法具有高效、清洁、环保的特点。俄罗斯在1994年成立了相关的公司，对X射线辐射分选技术的原理和应用进行了相关研究，在国际上具有领先地位。

X射线是波长为0.05～10nm的电磁波， 是由于原子内层电子受激发后产生的无线电波。波长比可见光短的多，范围在0.005～10nm之间，和物质的基本单元原子的直径处在相当的数量级，作为电磁波的一部分它也具有波粒二象性。看作粒子时的能量和看作电磁波时的波长有着一一对应的关系，其能量E与波长(之间的关系为：

E=hc/λ

式中，h为普朗克常数；c为光速。

就其本质而言，X射线与可见光、红外线、紫外线、γ射线以及宇宙射线是相同的，均属电磁辐射。X射线具有诸多良好的物理性质：良好的感光作用、良好的电离作用(能电离气体)、荧光作用(照射在多种矿物表面会产生接近可见的荧光)、衍射现象(通过矿物晶体时发生衍射。利用分光晶体作为单色器对X射线进行衍射分光，可以将不同波长的谱线分开)等。此外，X射线通过不同介质时几乎不折射，穿透能力很强，不受电磁场的影响，在电磁场中也不会发生偏转。

X射线可通过用高速电子流轰击金属靶的方式获得，从X射线管中发射出来的X射线，可以分为两种类型。一种是具有连续波长的X射线，构成连续X射线谱，它与可见光的白光相似，故也称为多色X射线；另一种是在连续图谱的基础上叠加若干具有一定波长的谱线，构成特征X射线图谱，它与可见光中的单色光相似，所以也称为单色X射线。

用加速后的电子撞击金属靶能产生X射线，在撞击过程中，由于电子突然减速，其损失的动能会以光子形式放出，形成X光光谱的连续部分，称之为制动辐射。通过加大加速电压，电子携带的能量增大，则有可能将金属原子的内层电子撞出。于是内层形成空穴，外层电子跃迁回内层填补空穴，同时放出波长在0.1nm左右的光子。由于外层电子跃迁时放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波长也集中在某些部分，形成了X光谱中的特征线，称为特性辐射。在这个过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，会在低能级上出现空位，原子的系统能量因此而升高并处于激发状态。但由于这种激发状态是不稳定的，随后便有较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，使原子的系统能量重新降低而趋于稳定。在原子系统中，电子从高能级向低能级的这种跃迁，将以光子的形式辐射出标识X射线。其辐射频率由下式决定：

hvn2-n1=En2-En1=Wn1-Wn2

式中：En1、En2分别为低能级和高能级中电子的能量；Wn1、Wn2分别为激发低能级和高能级中的电子所做的功。

标识X射线图谱的激发和辐射过程，可以用图1所示的原子能级图来描述。

对于每一种化学元素的原子来说，都有其特定的能级结构，其核外电子都以各自特有的能量在各自的固定轨道上运行，内层电子获得足够能量之后脱离原子的束缚，成为自由电子，并在内层电子轨道上形成空位，此时原子就被激发了，处于激发态。这时其他的外层电子便会补充这一空位，也就是所谓跃迁，同时以发出X射线的形式放出能量。

图1 原子能级图

由于每一种元素的原子能级结构都是特定的，它被激发后跃迁时放出的X射线的能量也是特定的，故称之为特征X射线。通过测定特征X射线的能量，便可以确定相应元素的存在，而特征X射线的强弱(或者说X射线光子的多少)则代表该元素的含量。这正是X射线辐射分选的理论基础。

3 X射线辐射分选技术的应用

3.1 X射线辐射分选技术的应用现状

X射线分选机是基于以上原理由俄罗斯国家有色金属研究院研制的新型选矿设备。可广泛应用于多种金属和非金属矿的预选中，特别对一些处理量较小的稀有矿石有很强的实用价值。X射线选矿分选机(以下简称PPC)能分选各种类型的块状矿石和原料，能够将废石、夹石与矿石分离，或低品位矿石与高品位矿石分离。分选粒度范围为5～300mm，每小时可分选矿石达到50t，为干法分选，适合各种类型成因矿床。目前，俄罗斯方面已经对150多个矿床的矿石进行了分选实验，其中包括金、银、铁、镍、铜、锌、钨、钼、重晶石、萤石、硅灰石、霞石、金刚石、石灰岩、煤等多种矿物。X射线辐射分选机的型号及性能参数见表1[3]。

表1 X射线分选机特性

3.2 X射线辐射分选机结构

X射线辐射分选机(PPC)的机构，如图2所示。

其中各部件的具体作用，如表2所述。

3.3 X射线辐射分选机的工作原理

PPC的基本工作原理为:矿石给入接收料槽，借助振动输送装置进入到振动溜槽，在振动力的作用下，矿石沿着溜槽分散形成矿石流。矿石流在溜槽中形成单块流，以保证矿石逐个从槽边缘下落到X射线组件测量区。在测量区每块矿石都要受到X射线的第一次辐射(X-1)，受X射线第一次辐射激发后，矿石表面会产生第二次辐射射线的激发(X-2)，然后在检测组件上记录射线(X-2)形成光谱，该光谱由元素X射线辐射曲线和第一次辐射的散射曲线组成。分选机的测控系统对光谱进行分析，按照设定的参数得出分析结果，确定每块矿石中是否存在测定元素的分析值。当超过这个参数值时，操控系统形成控制信号启动执行机构。执行机构启动时，依靠挡板的击打作用，使分选矿石偏离轨道，落入接收槽，最后进入矿石输送带(精矿)；小于这个参数值的贫矿石，自然下落到另一个接收槽，进入另一条输送带(尾矿)。同时在工作时，电脑控制中心可以调节给矿速度，可调节设定所需矿石品位，并可通过监测各种数据，对矿石槽进行摄像检测[4]。图3为PPC的工作原理图。

表2 X射线辐射分选机各部位用途和组成

图2 X射线分选机(PPC)

图3 PPC的工作原理图

3.4 分选机的测量控制系统

分选机的测量操控系统是整个分选机的核心部件，其主要用于完成以下任务：

1) 用X射线分选方法自动确定矿石的质量，计算分析参数，确定分析元素的含量(根据这种元素的X射线曲线特征)。

2) 将测定的数值与设定的临界值分析比较，形成操控信号，启动执行装置，从矿石流中选出符合分选条件的矿石。

3) 为使分选机可以对不同种类的矿石和工艺原料进行分选，可对分选机进行分析校准。

4)调节分选及动力设备的运行，振动筛、给矿器和执行装置。

5)在操控室的控制台上显示分选的过程和结果，所有系统的操控都是由中央控制室的操控计算机来完成的。

3.5 X射线辐射分选机的应用实例

目前，该机器已经在俄罗斯许多矿山得以应用和推广，效果显著。表3中列举了俄罗斯部分采用PPC矿山的生产指标，对含金、铜、锌、铅、钼、锡、钨的矿石进行了全方位考察。

从大量的生产实际数据可以看出，这些矿山的矿石经X射线辐射分选后，可以抛去60%～70%的尾矿，同时极大地提高入选矿石的品位。表2中金矿的入选品位提高了近一倍；而当PPC应用于铅锌矿、铜锌矿的分选时，也能将入选品位提高一倍以上。这样就可以大大减少选厂的破碎、磨矿及后续处理的费用。由表2数据还可以看出，PPC对矿石的处理能力并未因给矿粒度的改变产生偏差，该选矿设备工作稳定，应用广泛。

表3 X射线分选机分选不同矿石的实例

由现场的实验和生产经验总结，PPC带来巨大效益体现在：按冶金或入选要求获得所需的原料，降低运输或浮选成本，提高了选矿能力；减少了劳动力的需求，并弥补人工选矿的不足；延长了矿山的相对寿命，提高矿山开采率，在资源有限的情况下获得最大的资源量；提高企业整体的技术水平，降低企业的生态负担；提高入选品位，增大浮选、重选、磁选回收率，且此设备简单易于安装操作，价格适宜，回收周期较短。

4 结论

1)X射线辐射分选的理论基础：每一种元素的原子能级结构都是特定的，它被激发后跃迁时放出的X射线的能量也是特定的，故称之为特征X射线。通过测定特征X射线的能量，便可以确定相应元素的存在，而特征X射线的强弱(或者说X射线光子的多少)则代表该元素的含量。由不同元素具有不同的特征X射线可知，X射线辐射分选机可广泛应用于金属、非金属矿和其他稀有矿石的预选中。

2) 由于辐射选矿可以在矿石粒度很大时就丢弃部分脉石，使采出矿石的品位提高，进入下一工序的矿量减少从而降低成本。对新建矿山，由于破碎磨矿的矿石量减小，可以减少选矿厂的基建投资；对已建选厂，则可扩大其现有生产能力。

3)分选的矿石品位波动减少，有利于下游工序的控制。且分选废弃的大块脉石易于处理，可减轻选矿过程对环境的污染。

4)辐射选矿可以降低对采出矿石品位的要求，使得部分表外矿可以入选，这样就扩大了矿石资源，延长了矿山寿命。同时，还可以利用过去矿山开采中所浪费(堆存)的低品位矿产资源。

5)随着高品位矿石的日渐减少，如何经济地开发利用低品位、小型的、边远地区的矿产资源，已经提到了日程上来。矿石的X射线辐射分选技术的合理利用，可以减轻破碎磨矿等后续作业的负担，对提高矿山的经济效益和服务年限具有现实意义。

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

[2] 汪淑慧. 分选矿石的X射线辐射分选法[J]. 国外金属矿选矿，2007(8)：4-8.

[3] 费德洛夫,张岩.X-射线分选技术及分选机[J]. 矿山机械，2008(23):110-113.

[4] 刘广宇. X-射线分选机在钼矿预选中的试验与研究[J]. 现代矿业，2009(10)：75-77.