X射线透射技术分选铀矿石试验研究

刘志超 李春风 张 新 马 嘉 田宇晖 李 广 强录徳 武翠莲

(1.核工业北京化工冶金研究院,北京 101149;2.东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819)

从我国现已探明的硬岩型铀矿资源来看,铀矿床以中小型居多,矿体多而散,形态复杂,连续性差,因而开采贫化率较高;中低品位矿石多,矿化不均匀,品位变化系数大,可达100%～180%,品位之间呈跳跃式的分布,废石量大。我国铀矿历经60余年开采,天然铀矿资源质量不断下降,探明的铀矿资源品位低并且难处理,开发难度大,生产成本高,是制约未来铀经济开发利用的重要瓶颈[1-2]。

我国硬岩型铀矿山企业由于自身资源特点和开采、水冶特性的限制,决定了生产成本较高。尤其是近年来国际铀价持续低迷,给我国硬岩铀矿山企业的生存带来很大压力。在铀矿石浸出之前,利用选矿技术手段对矿石进行预选,抛弃部分不含铀或含微量铀的废石,提高铀矿石中铀品位,减少后续水冶的矿石处理量,可以有效降低生产成本[3-5]。

在众多选矿方法中,矿石拣选技术对于铀矿石来说具有较好的应用前景。拣选技术是利用各种物料(矿石)表面光学、磁性、电性、放射性、射线吸收特性等的差异,使被分选物料呈单层(行)排列,逐一接受检测器件的检测,检测信号经电子技术放大处理,然后驱动执行机构,使目的颗粒或非目的颗粒从主流中偏离出来,从而实现物料分选的一种方法[6-7]。

利用铀矿石自身具有放射性的特点,铀矿石的放射性分选得到较深入的研究,放射性分选机在铀矿山得到实际应用。但是放射性分选主要存在以下问题:一是矿石表面黏附的细泥会影响测量结果,在入选前需要洗矿;二是在分选时铀矿石需要排队依次入选,导致分选机处理能力低;三是矿石质量是利用摄像机、激光光电探测器等测量矿块体积从而估算每一矿块质量,由于矿石间存在密度差异,会使计算的矿块质量存在较大误差,此外相邻矿块之间γ射线会相互影响,降低分选准确率。

X射线透射技术是利用X射线照射不同物料后X射线的穿透能力差异来分选物料的。X射线透射技术因对矿石具有穿透性检测能力,不受含水率、灰尘、形状、表面污渍等因素制约,能够提高检测的准确性;在分选时矿石可以在皮带上以面平铺的形式进行检测,不需要单行排队,可以大大提高设备的处理能力;而且X射线透射法探测不需要清洗矿石,工艺流程短[8-9]。

目前,X射线透射分选机已成功应用于煤矿、重金属及贵金属等领域,但在铀矿石分选中应用的研究还未见报道[10-13]。如果能将X射线透射分选技术成功应用于铀矿石分选,对推进铀矿冶行业节能减排,提质增效,实现低碳绿色发展具有重要意义。本研究选取邹家山铀矿石开展X射线透射分选试验研究,考察X射线透射技术分选铀矿石的适用性,得到具体的选矿指标,初步评价X射线透射技术分选铀矿石的可行性。

1 X射线透射分选原理及分选机组成简介

1.1 X射线透射技术分选原理

X射线透射分选技术分选铀矿石的原理是利用X射线透射铀矿石后强度的衰减特性来进行铀矿石品位高低判断的方法。当X射线照在铀矿石上时,部分射线被铀矿石所吸收,另一部分射线则会穿透矿石本身,而X射线对不同品位的铀矿石的穿透力是不同的,利用不同品位铀矿石对X射线差异化吸收这种性质可以将不同品位的铀矿石区分开来[14-15]。

目前,X射线透射分选技术通常采用伪双能X射线系统,伪双能X射线系统只要一个X射线源,具备经济、高效、节能等显著特点。伪双能X射线透射系统主要由X射线源、准直器、低能探测器、铜滤片、高能探测器等组成,如图1所示。

图1 伪双能X射线透射系统[16]Fig.1 Pseudo dual-energy X-ray transmission system

伪双能X射线透射系统采用单一X射线源产生X射线能谱,使用中间夹有铜滤片的上下两组高低能探测器对透射的X射线强度进行探测。矿石在皮带上传输的过程中经过X射线透射系统时会受到X射线源的照射,根据密度差异化吸收原理,利用高低能探测器获取矿石的X射线透射强度,直观反映为灰度值,通过相应算法得到有效原子序数等信息,从而区分矿石组分或品位间的差异[17-20]。

1.2 X射线透射分选机的组成

本试验采用的分选机是北京霍里思特有限公司生产的XNDT-104型X射线透射分选机,主要由振动给料系统、X射线源、X射线探测器、识别系统和喷吹系统组成,XNDT-104型X射线透射分选机工作过程如图2所示。

图2 XNDT-104型X射线透射分选机工作过程Fig.2 Working process of XNDT-104 X-ray transmission separator

XNDT-104型分选机分选铀矿石过程:待分选的铀矿石由皮带送至振动给料系统,将铀矿石以平铺不重叠的形式送入探测系统,探测器将实时采集的数据传给处理器,处理器识别判断矿石属于高品位矿石还是低品位矿石,再由执行系统根据信息处理系统判别给出的结果,采用气喷装置将矿石分成高品位矿石和低品位矿石。

2 铀矿石分选试验研究

2.1 邹家山铀矿床特点

铀矿石能否进行X射线透射分选以及分选指标的好坏,主要取决于铀在矿石中分布的均匀程度,而铀分布的均匀程度与矿床的类型有关。邹家山铀矿床属于火山岩型中低温热液铀矿床,其热液及铀源均为混合成因。邹家山铀矿体在走向和空间形态上变化较大,主要表现为矿体变薄,矿体平均厚度在0.5～1.0 m,平均品位在0.30%左右,约占所探明的矿体数的80%,平均厚度大于2 m的矿体很少见;矿体倾角变缓,倾角30°～60°,大部分矿体倾角在30°～45°,属于难采倾斜薄矿体;产状变化大,分枝复合现象较为普遍[21-23]。由于矿体产状变化较大,矿体薄小,生产中采矿贫化率较高,在35%以上,所以有利于X射线透射分选。

2.2 矿石主要矿物嵌布特性

邹家山铀矿石中铀的存在形式有独立铀矿物、类质同象和离子吸附形式3种,其中以独立铀矿物为主,90.5%的铀赋存于沥青铀矿与钛铀矿中。脉石矿物主要有白云母、石英、方解石、绿帘石、金红石、萤石、磷灰石、锆石等。主要铀矿物与其他矿物的嵌布关系见图3。

图3 主要铀矿物与其他矿物嵌布关系Fig.3 Distribution relationship between main uranium minerals and other minerals

由图3可以看出,沥青铀矿及钛铀矿在矿石中分布不均匀,与脉石之间容易解离。矿石内部微隙裂缝清晰可见,经破碎后,容易解离成含铀的矿石、不含铀的矿石和含微量铀的矿石,有利于采用X射线透射法进行分选。邹家山铀矿石化学成分分析结果见表1。

表1 矿石化学成分分析结果Table 1 Chemical analysis results of Zoujiashan uranium ore %

在矿石性质确定的前提下,矿石可入选粒级的产率愈大,可抛弃的尾矿产率也越大,X射线透射分选的经济效益愈明显。如果可入选的粗粒级矿石产率太小,即使X射线透射分选工艺指标很好,也可能没有经济效益。适合X射线透射分选的矿石粒度一般在90～15 mm之间,这一部分粒级矿石产率越高,就意味着可以入选的矿石量越大,可能取得的技术经济指标越好,所以可入选粗粒铀矿石的产率是一个重要参数。

将邹家山铀矿石破碎至-90 mm后分成4个粒级,分别考察了不同粒级矿石的产率及铀分布规律。邹家山铀矿石粒度组成及铀分布率见表2。

表2 矿石粒度组成及铀分布率Table 2 Size fraction and uranium distribution of the ore

表2表明,随着矿石粒度减少,铀品位逐渐增加,-15 mm粒级矿石中铀品位最高,铀品位0.351%,铀分布率31.69%;适合入选的90～15 mm粒级矿石产率为80.59%,铀品位0.182%,铀分布率68.31%。

2.3 铀矿石X射线透射分选试验研究

利用X射线透射法分选铀矿石,X射线的衰减程度主要与矿石厚度和铀品位有关,利用算法将矿石厚度因素消除后,根据X射线的衰减程度就可以判别矿石中铀品位的高低。为了提高分选精度,铀矿石以单层不重叠的平铺方式进入X射线探测系统。

在我国常规铀矿山无论是采取搅拌浸出还是堆浸方式提取铀,一般要求浸出渣中铀品位要低于0.02%,因此利用X射线透射法分选铀矿石要控制分选出来的尾矿中铀品位低于0.02%,保证分选出来的尾矿可以直接抛弃。

2.3.1 矿石分粒级X射线分选试验研究

将15～90 mm的邹家山铀矿石按粒度分成3个粒级30～15 mm、60～30 mm、90～60 mm,在相同的分选参数条件下分别对3组不同粒级的铀矿石进行分选,考察不同粒级铀矿石的分选效果。矿石分粒级X射线分选试验结果见图4。

图4 矿石分粒级X射线分选试验结果Fig.4 X-ray separation test results of the grading ore

由图4可知,X射线透射分选技术对3个不同粒级的矿石均可实现有效分选,30～15 mm、60～30 mm、90～60 mm这3个粒级矿石的尾矿产率分别为28.76%、32.11%、36.18%,尾矿中铀品位均能降至0.02%以下,分别为0.018%、0.016%、0.015%。试验结果表明,随着矿石粒度变大,铀品位随之降低,铀在粗粒级矿石中分布更不均匀,尾矿产率大,分选效果好。

2.3.2 90～15 mm全粒级矿石X射线分选试验研究

开展了90～15 mm全粒级矿石直接分选试验,设定分选参数与分级入选试验一致,对比全粒级入选与分级入选的X射线透射分选效果。全粒级入选和分级入选试验结果见表3。

表3 全粒级入选和分粒级入选试验结果Table 3 Test results of full particle size separation and graded separation

由表3可知,90～15 mm全粒级矿石直接分选尾矿产率34.25%,铀品位0.017%,铀分布率3.18%,与分级分选试验结果相比差距不大,表明90～15 mm粒级矿石可以不用分级,用X射线透射分选机直接分选,保证分选流程简洁高效。

2.3.3 不同尾矿产率X射线分选试验研究

X射线透射分选时,尾矿产率可以提前设定。设定不同的尾矿产率会影响具体的分选指标。开展了不同尾矿产率的X射线透射分选试验,设定分选机的尾矿理论产率分别为20%、30%、35%、40%,考察X射线透射分选铀矿石的效果。分选试验结果见图5。

图5 不同尾矿产率分选试验结果Fig.5 Separation results by different tailing yields

由图5可知,尾矿实际产率和理论尾矿产率基本吻合,说明了X射线透射分选机的可靠性较好,可以根据需要准确控制尾矿产率。随着尾矿产率逐渐增大,尾矿中铀的品位随之升高,损失在尾矿中的铀金属量也随之增加,精矿中铀的回收率随之降低。当尾矿产率为35.67%时,尾矿中铀品位0.018%,满足常规铀矿山浸出渣中的铀品位要求,因此这部分矿石可以直接抛弃,此时损失在尾矿中铀的金属量仅3.51%。

2.4 邹家山铀矿石X射线分选推荐工艺流程及选矿指标

根据邹家山X射线透射分选条件试验结果,推荐了邹家山铀矿石分选工艺流程。将邹家山铀矿石破碎至-90 mm,将-15 mm细粒级矿石筛分出来,90～15 mm粗粒级矿石利用X-104分选机进行分选,设定尾矿理论产率35%,分选得到精矿和尾矿,精矿和-15 mm细粒级矿石合并作为高品位矿石,分选尾矿作为低品位矿石直接抛弃。邹家山铀矿石X射线分选推荐工艺流程见图6。邹家山铀矿石X射线分选试验结果见表4。

图6 矿石X射线分选推荐工艺流程Fig.6 Recommended process of X-ray separation of the ore

表4 矿石X射线分选试验结果Table 4 Test results of X-ray separation of the ore

由表4可知,利用X射线透射技术分选邹家山铀矿石,可以得到产率29.68%的尾矿,其中铀品位0.018%,铀分布率为2.48%。这部分产品中铀的品位低于铀矿山浸出渣中铀的品位,可以直接抛弃。

邹家山铀矿石X射线透射分选结果表明,利用X射线透射技术分选铀矿石是可行的,能够抛弃30%左右的尾矿,尾矿中铀品位能够降低到0.02%以下。在铀矿浸出之前,将矿石破碎后利用X射线透射分选机预先分选,将部分不含铀或含微量铀的脉石分选出来,可以节省后续磨矿费用,减少水冶矿石处理量,节省药剂用量,降低生产成本。此外,分选出来的低品位矿石可以直接干式堆存或者回填井下,不会产生废水废气,能够减少放射性环境污染。

3 结论及展望

(1)邹家山铀矿体在走向和空间形态上变化较大,矿体薄小,采矿贫化率在35%以上,沥青铀矿及钛铀矿在矿石中分布不均匀,矿石破碎后,容易分成脉石及含铀矿石两类,适合入选的90～15 mm粒级矿石产率为80.59%,有利于采用X射线透射技术进行分选。

(2)提前设定尾矿产率利用XNDT-104分选机进行分选时,尾矿实际产率和理论尾矿产率基本吻合,说明了X射线透射分选机的可靠性较好,在实际应用中可以根据需要准确控制尾矿产率。当控制粗粒级矿石尾矿产率为35.67%时,尾矿中铀品位0.018%,损失在尾矿中铀的金属量仅3.51%,分选效果较好。

(3)邹家山铀矿石利用X射线透射分选机分选可以获得产率29.68%、铀品位0.018%的尾矿,这部分产品中的铀品位低于浸出渣中铀的品位,可以直接抛弃,能够节省后续水冶提铀成本,减少放射性污染。因此,铀矿石在浸出之前采用X射线透射技术分选进行抛尾,可以有效降低生产成本,是中国硬岩铀矿石降本增效的有效手段之一,有望在中国硬岩铀矿山企业推广应用。