矿物加工学的现状与发展.ppt
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1、矿物加工学的现状与发展,1、学科概述,矿物加工学是在选矿学的基础上发展演变形成的学科体系。选矿学是用物理、化学的方法,对天然矿物资源(通常包括金属矿物、非金属矿物、煤炭等)进行选别、分离、富集其中的有用矿物的科学技术,其目的是为冶金、化工等行业提供合格原料。,矿物加工学是在选矿学的基础上发展起来的,是用物理、化学、生物的方法,对天然矿物资源进行加工(包括分离、富集、提纯、提取、深加工等),以获取有用物质的科学技术。其目的已不单纯是为其他行业提供合格原料,也可利用其直接得到金属、矿物材料等。,2 选矿学科的形成,人类利用矿物资源已有数千年的历史。无论是公元前几千年的古埃及,还是中世纪的罗马帝国时
2、代,或者是中国古代,由于科学技术水平整体落后,社会生产力低,人类利用的矿物资源主要是通过手工作业从天然矿石中得到的,如淘金、人工溜槽、手动跳汰筛、洗矿槽等原始重选方法及鹅毛蘸油刮取浮在水面上的金粉等原始浮选方法。我国古代将原始的重选、浮选总结为“澄、淘、飞、跌”。我国明代宋应星所著天工开物(1637 年)一书中,对铁砂和锡砂的开采选别已有描述,见图 1-1。这些手工作业虽然有近代“表层浮选”、“重选”的影子,但还算不上是一门工业技术,这种现象一直延伸到19世纪中期。,在19 世纪末至20世纪20年代,世界工业生产快速发展,对矿物原料的需求增大,促使技术发展,特别是20世纪20 年代初,浮选药剂
3、在浮选中的工业应用,使选矿技术(包括破碎、筛分、磨矿、重选、电选、磁选、浮选等)能处理大部分天然矿物原料。从那时起,选矿技术已成为一门人类从天然矿石中选别、富集有用矿物原料的成熟的工业技术,并得到广泛的应用。,2.1选矿学科理论基础,重选的理论基础:随着流体力学的发展,重力选矿的基础研究起步较早。19 世纪下半叶,奥地利人Rittinger提出了“等降现象”,Monroe 等进一步提出“干涉沉降”,20世纪40年代,原苏联学者施马茨柯夫提出了跳汰是在上升水流中“按悬浮体的相对密度分层”的学说;德国学者Mayer 从床层位能降的角度解释了分层过程;英国学者 Bagnoid 在 50 年代观察到了
4、剪切运动下层流、斜面流中多层粒群的松散分层现象。这些学说构成了重选的理论基础,电磁理论基础 在电磁选矿方面,由于物理学的发展,人们早就认 识到可用永久磁铁选别磁铁矿石。当电磁铁被用作磁选机的磁场并有了各种工业生产的电磁选矿机后,电磁选矿理论也已初步确立。,浮选理论基础 在浮选方面,从20世纪30年代开始,美国的Taggart 及原苏联的 Plaksins 等先后提出了捕收剂的“化学反应假说”或“溶度积假说”,以解释重金属硫化矿的可浮性顺序。美国的 Gaudin、原苏联的 Bogdmov 及澳大利亚的 Wark 等较多地研究了矿物的润湿性与可浮性的关系、浮选剂的吸附作用机理、浮选的活化等。美国的
5、 u等系统地研究了矿物表面电性与可浮性的关系。到60年代前后,浮选的三大基本理论(润湿理论、吸附理论及双电层理论)已初步形成。,重要的著作有:美国 Taggart 的Handbook of Ore Dressing(1927年第1版,1944年第2版);Gaudin的Flotation(1932年第1版,1957年第2版);澳大利亚的Sutherland和Wark的Principles of Flotation(1955年第1版);原苏联Bogdmov的Theory and Technology of Flotation(1959).,2.2学科体系,(1)碎磨。以岩石力学为学科基础,通过机械
6、力作用使矿石块度减小至适于工艺选别的粒度范围,并使有用矿物与脉石之间彼此解离。(2)重选。以流体力学为学科基础,根据不同矿物的密度差异在一定的介质中进行不同矿物的分选。(3)电磁选。以电磁学为学科基础,根据不同矿物磁性的差异分选不同矿物。(4)浮选。以表面化学为学科基础,根据不同矿物表面物理化学性质的差异,实现不同矿物的分选。这个时期的选矿主要是从天然矿石(金属矿、非金属矿、煤炭等)中,分离、富集其中的有用矿物,为冶金、化工、建材提供原料。国外所用“选矿”词汇 多为“ore dremng”或“mineral dressing”。,2.3选矿学面临的问题,20世纪60年代以来,随着世界经济的快速
7、发展,一方面人类对矿物资源的需求不断增加;另一方面,矿物资源中富矿减少、贫细矿物资源增加,而且矿山、冶炼 厂排出的废水、固体废弃物等对环境的污染与治理问题日益受到重视,传统的选矿技术与理论已不能完全适应并解决这些问题。,这就需要综合利用多学科的知识与新成就,寻找新的学科起点,开发新的科学技术,以实现矿物资源的综合利用,包括分离、富集贫细矿物资源的新技术工艺和设备,对矿物的提纯与精加工,环境的综合治理,矿物新用途的开发等。矿物资源的利用已不单纯是通过“选矿”得到矿产品的问题,而是综合“加工”利用的问题。为此,近几十年来选矿及相邻学科的科技工作者在选矿学科及交叉学科领域,进行了大量的基础理论与工艺
8、技术的研究。同时,由于相邻学科的发展,如电化学、量子化学、表面及胶体化学、紊流力学、生物工程、冶金学、材料科学与工程及计算机科学与技术在选矿学科领域中的应用,形成许多新的学科方向和各种加工利用矿物资源的新技术。随着利用矿物资源的新技术的发展,选矿已不能涵盖多数新的加工利用矿物资源的科学领域,“矿物加工”呼之欲出。矿物加工学科无论学科基础、学科领域及其研究对象等方面都远比传统选矿学科更广、更深。,3 矿物加工学科的形成,事实上,国外从20世纪60年代开始,就逐步采用“mineral processing”代替“ore dressing”。在我国,经过近10年酝酿,已于20世纪90代在国家教委招生
9、目录上将“选矿“更名为“矿物加工”。学者出版了大量的著作。这一时期,中国国内一些重要的著作有:胡为柏的浮选(1986);王淀佐、胡岳华的浮选溶液化学(1988);卢寿慈的矿物颗粒分选工程(1990);胡熙庚等的 浮选理论与工艺(1991);朱玉霜、朱建光的浮选药剂的化学原理(1991);冯其 明、陈王军的硫化矿物浮选电化学(1992);姚书典的重选原理(1992);刘树贻的 磁电选矿学(1994);许时的矿石可选性研究(1995);王淀佐、林强、蒋玉仁的 选矿冶金药剂分子设计(1996);傅菊英、姜涛、朱德庆的烧结球团学(1996);邱 冠周、姜涛等的冷固结球团直接还原(2001);邱冠周、袁
10、明亮等的矿物加工材料 学(2003);王淀佐等的矿物加工学(2003)等。,31 矿物加工的任务与工艺,随着学科发展,矿物加工学科已经发生并还在发生巨大的调整及变化。一些适合于处理贫矿、复杂矿的技术和直接提取有用成分的技术正在发展应用。矿物加工的对象已从天然矿产资源扩展到二次资源的回收及利用。各种固体废弃物,例如尾矿、炉渣、粉煤灰、金属废料、电器废料、塑料垃圾、生活垃圾乃至土壤都成了加工对象,经过加工又转化为有用的资源。由于现代科技的发展及人类社会的进步,需要开发超纯、超细及具有特殊功能的矿物原料及矿物材料。,化学提取以及生物工程与机械加工的结合在金属矿及非金属矿的加工中早已屡见不鲜。非金属矿
11、的深加工进一步扩展并丰富了这种结合,例如高岭土的超声剥片,石墨及各种层状矿物的有机及无机嵌层等。矿物加工的任务也发生了变化。矿物加工已不仅是为各种工业提供合格的矿物原料,例如精矿粉或中间产品,而是扩展成了可以生产超纯、超细及具有特殊功能的矿物材料以及矿物制品的工业。矿物材料工程主要是以非金属矿石或矿物为原料(或基料),通过一定的深加工工艺制取具有确定物化性能的无机非金属材料及器件的技术。矿物材料有着巨大的应用前景,例如,沸石太阳能板,蒙脱石干燥剂,叶腊石高温绝缘体及导弹密封材料,钠云母密封材料,羟基磷灰石骨骼材料,硅藻土牙模材料,火山岩防火材料等。现代矿物加工工程所包括的单元作业,它们大体包括
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