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31辐射分选年评
第31章辐射分选
李广刘志超马嘉唐宝彬强录徳
核工业北京化工冶金研究院
辐射分选又称矿石自动拣选，是利用矿物发射的射线或对（外来）射线的吸收率方面的差异为基础的选矿方法。
世界各国先后研制出了数十种型号的分选机，如无线电波分选机、红外线分选机、光电分选机、X射线辐射法分选机、X射线吸收法分选机、X射线荧光法分选机、γ散射法分选机、γ吸收法分选机和天然γ射线分选机等，并发表了百余篇理论及实践方面的文章、专利和专著。
目前在工业上应用最广泛的是自辐射测量分选法、光中子法、X射线辐射测量分选法、荧光测量分选法、光学法、吸收测量分选法和中子吸收测量分选法[1]。
辐射分选法可分为两大类（表1）。
表1辐射分选法分类
类型
方法
作用方法的基础
适用的矿石
发
射
型
自辐
射法
以穿透辐射的发生为条件的天然放射性
铀矿石、钍矿石和有用组份含有放射性矿物的其他矿石
光中
子法
在γ-射线的作用下，矿物发生核反应，并发出中子流
铍矿石
荧光法
用紫外线、x-射线、γ-射线对矿物作发光激发
金刚石、白钨矿、萤石及其它矿石
光度法
利用矿物对可见光的反射
非金属矿、金矿、硫化矿和其它矿石
中子火
化法
矿物在中子流的作用下发生核反应，从而产生新的放射性矿物。
这些放射性矿物裂变而反射β射线和γ射线
铝矿、铜矿、铁矿、锰矿和其它矿石
吸
收
型
γ-射线
吸收法
x-射线或γ-射线的γ质子的光电效应和康普顿散射效应
含重化学元素的矿石
中子吸收法
矿物化学元素核对入射中子的俘获、散射和减速
硼矿、稀土矿、锂矿和其它矿石
辐射分选是在矿石粒度比较大时，利用矿块和废石块受辐射后所表现的不同反应而将矿石和废石分开的分选方法。
总的说来，辐射分选的流程较简单，流程中的各作业可以在露天进行，设备可安置在露天采场或安装在矿井旁，或在选厂附近（以便共同利用部分设备），不同矿石的分选流程有很多相似之处。
但不同的矿石利用的辐射源不同，同一种矿石由于矿化的均匀程度不一样（采出矿石的贫化率不同），进入分选的矿石粒度和分选作业的次数等也将有所不同，所以各矿山的分选流程并不完全相同。
辐射分选最早应用于铀矿，它是利用铀本身的放射性射线进行矿石和废石的分选。
在我国及世界很多国家的铀矿山都有应用，已约有半个世纪的历史。
各种辐射分选机的发展借鉴了铀矿分选机的特点，但八十年代末以来，由于世界铀工业的不景气，不仅使放射分选机的研制和生产受到了很大影响，也使辐射分选受到波及。
近年来，矿石资源逐渐贫乏，富矿愈来愈少，采出矿石的品位愈来愈低，使得产品成本提高。
在寻找新途径以摆脱困境过程中，辐射分选又被提到日程上来。
由于辐射分选可以在矿石粒度很大时就丢弃部分废石，使采出矿石的品位提高，进入下一工序的矿量减少，从而使生产成本降低；分选所废弃的大块废石易于处理，可减轻环境污染，有些大块废石还可用于建筑材料；辐射分选可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；辐射分选还可利用过去矿山开采中所浪费（堆存）的低品位矿产资源。
所以近几年辐射分选日益受到重视。
31.1辐射分选机理与设备研究
八十年代前后，国内外市场上已有很多型号的辐射分选机，如我国江西冶金学院等研制的CGX-1型光电选矿机；江西有色冶金研究所等研制的GS-Ⅱ和GS-Ⅲ型光电选机及GFJ-3型无线电波分选机；我国核工业总公司研制的201型及5421型等放射性分选机；武汉建材学院非金属研究所研制的GXJ-Ⅱ型X射线分选机及英国Sortex公司研制的1011型光电选矿机、XR-121CA、XR-1415M、XR-181BA型X射线分选机；RTZ矿石分选机公司研制的M16型光电选矿机、M17型放射性分选机及M19型、M27型无线电波（电导-磁性）分选机；芬兰Outokumpu公司研制的Precon型γ散射法分选机；前苏联及俄罗斯研制的Минерал-50Г型γ吸收法分选机，C-50型放射性分选机等，这些分选机中有一部分至今仍在现场应用。
近几年在国际市场上多次介绍的有俄罗斯ООО“РАДОС”公司生产的СРРЛ-4-150/40型X辐射分选机，它的应用范围较广，适合于多种有色、稀有、贵重金属矿石及非金属矿石的分选。
它为4槽道分选机，对150~40mm粒级的矿石，日处理量可达800t。
俄产ЛС型系列的X-荧光分选机已多年成功的用于金刚石的分选，共生产了约300台，处理矿石的粒级为50~20mm、20~10mm、10~5mm和5~2mm。
处理量为100~0.2t/h。
美国OSNA设备公司生产配有新型彩色摄像系统的光电分选机，可处理粒度为150~6mm的矿石，处理能力为10~100t/h。
该公司还生产几种型号的X射线分选机，用于金刚石类矿物的选别。
瑞士Minmet公司与美国Inprosys公司于90年代研制成功的Spectra-Sort型光电分选机是国际上首次在工业上应用彩色固体摄像器，对矿块的两个面进行快速扫描，用微机进行数据处理的光电选机。
它适用于处理粒度为150~15mm的矿石，处理量为20~160t/h，在分选石灰石矿、菱镁矿和含金矿石等都已取得很好的结果。
德国设计和生产矿石分选机的公司主要有两个，它们是AISGmbHRostock公司和Mogensen公司。
前者生产Optosort型，后者生产MikroSort型光电分选机。
两种型号的分选机在结构及性能上有一些差别，其共同点是，光电系统为高清晰度快速线扫描彩色摄像器，有红、绿、兰三种颜色的探测器。
可以对矿块进行单面扫描或双面扫描。
当工作区宽度为1200mm时，对粒度为4~60mm的矿石，处理量为5~20t/h，粒度为10~200mm，处理量为15~100t/h，粒度为100~350mm，处理量为150~300t/h[2]。
2006年，德国还介绍了用X射线吸收法成功的回收含铝废料的方法和设备[3]。
辐射分选分为以测定矿物发射强度为基础的发射型辐射选矿法和以测定有用矿物对入射射线的吸收程度为基础的吸收型辐射选矿法。
实现辐射分选的工艺过程分为：
矿石在辐射分选机上辐射选矿和运矿装置（矿车、自动运输机车、箕斗等）上对矿石进行辐射拣选，使矿石在辐射检验站分类。
影响辐射分选指标的主要矿石特征是：
矿石对比率；分选特征和有用组份含量之间对应度；矿石的粒度组成；矿石中有用组份的含量；各种伴生元素的存在及它们和主要组份相互结合方式。
（1）矿石对比率：
根据矿石的对比率，可以看出各类矿石有用组份含量的差别。
足够的对比率的存在是有效地应用辐射选矿的必要条件。
矿石的对比率取决于许多因素，其中主要是矿石的天然性质、开采条件和矿石入选前的准备情况。
为了确定块状物料的对比率，要从各粒级物料中取出有代表性的矿样，然后测定每块矿样的有用组份的含量。
再按有用组份的含量将矿块分组，并测定每组的重量产率。
最后计算各级别物料的对比率和全部试样的对比率。
采用平均相对偏差作为对比率的指标：
n
式中：
M—矿石的对比率；
α—矿石中某种有用组份的平均含量，%；
y—试样中某被考查矿块同种有用组份的含量，%；
q—该矿块重量占被考查试样重量的份数。
矿石的对比率仅仅给出了这些矿石采用辐射分选可能达到的最高选别指标。
如果矿石是直接按照矿石中有用组份的含量这一特性来选别的话，这些指标才有可能获得。
而辐射选矿时，矿块的分选却是按与有用组份含量间接有关的辐射强度来实现的。
（2）分选特性与有用组份含量之间的对应度：
除了对比率指标外，辐射选矿入料的最重要的特性是其有用组份的含量。
分选特性和有用组份含量之间的对应度，用两条可选性曲线的对比而被揭示，一条是根据有用组份的含量建立的，另一条是根据辐射强度（分选特性）建立的。
在要求的分选特性和有用组份含量之间的对应度被违背时，这些曲线的相对位置即发生变化，因而按曲线的形状就可以判断出违背的程度及其对分选效果所产生的影响。
（3）粒度组成：
入选物料的粒度范围决定于所用的辐射分选方法和矿石的性质（表2）。
表2各种辐射分选的选别粒度范围
分选方法
粒度范围（mm）
上限
下限
自辐射和被辐射分选法
300
25
辐射吸收分选法
200
25
光度分选法
150
5
荧光分选法
25
2
物料入选前通常被分成较窄的粒度级别，例如，+150mm；-150mm+75mm；-75mm+50mm；-50mm+25mm；-25mm。
每个粒级单独入选。
选别粒级以下的细物料送去用其他方法选别或和辐射分选相应的产品合并。
（4）有用元素和伴生元素的含量：
随着矿石中有用元素平均含量的增加，最终尾矿的产率将要降低。
这时，由于放射性底光的有害影响的增加，有时可能使选别效果有某些下降。
辐射选矿入选矿石有用成分的品位下限，通过及时经济核算来确定。
伴生元素的存在和对原料实行综合利用时，矿石中有用成分的品位下限可以大大降低。
这时，主要元素和伴生元素的相互结合方式具有很大的意义。
（5）辐射分选工作制度：
辐射分选制度可分为逐块分选，分批分选和连续分选三种。
在逐块分选和分批分选制度下，矿块或批料从分选机通过时，它们在空间上是彼此分开的。
在连续分选制度下，物料则以连续流的方式从分选机通过。
分批分选和连续分选工作制度下的生产率最大。
逐块分选时可获得较高的分选技术指标。
当入选矿石中应排入尾矿的矿块小于70%时，采用逐块分选这一方式是合理的。
当入选矿石中应排入尾矿的矿块达90%~95%时，实践表明，在分批分选或连续分选工作制度下进行粗选和在逐块分选工作制度下进行精选是合适的。
31.1.1光电分选
对于颜色、形状、透明度等方面有差别的矿石和废石，用人工进行分选，在我国及国外已有数百年的历史。
在上世纪初，奥地利研制出了第一台光电分选机。
但初期的光电分选机所选出的产品质量不如熟练工人手选的结果，因为颜色、色度差异较小时，当时的光电分选机的灵敏度不够高，难以分辨。
随着科技的发展，上世纪60年代以后，出现了很多型号的光电分选机。
当时国际上应用较广的分选机主要集中在两大拣选机制造公司：
英国的冈森·索特克斯（Gunson’sSortexLtd.）研制出6个系列的光电及X射线分选机；跨国的RTZ矿石分选机公司（RTZOreSorters）研制成功M16型光电分选机和M17型放射分选机。
随后又有一些新的光电分选机走上市场。
新的分选机在技术条件上都有很多改进和提高，且成本都比以前降低。
上世纪90年代中期开始有关于德国莫根森公司生产的MikroSortR型光电分选机的报道。
根据生产的需求，经过几年经验的积累和技术的提高，生产的光电分选机型号逐年增多，设备性能不断提高[4-5]。
该分选机的工作原理如下：
筛分后的矿石从矿仓经振动给料机，将物料分散成单层后，在给料机下端排出。
矿石在自由下落过程中，首先由高分辨率的彩色摄像机，对在宽度1200mm上的各矿块进行扫描，根据对其颜色、亮度和粒度扫描的结果，由事先调节好的高速信息处理机进行数据处理，在几ms后，根据矿块位置及大小给位于下面的一排高压空气喷射阀中的相关阀门下达指令，使其启动或不启动，这样，将待选的矿块吹离正常下落轨迹后，得到2个分选产品。
分选机的处理量根据入选矿石的粒度、给料情况及吹出量的大小决定。
为了使分选特征明显，以便使颜色差别很小的矿石都能有效分选，矿石入选前要预先清洗。
另外，为了提高分选效率，节约能耗，进入每台分选机的矿石粒度范围不应很大。
该系列选机可适用于粒度3~250mm，及颜色、亮度上有差别的矿物，如石灰石、滑石、玄武岩、黏土、重晶石、硅灰石、长石、红柱石、方晶石、菱镁矿、石英等。
另外，也可用于焙烧后的氧化镁等耐火材料及工业垃圾的分选等。
根据处理矿石的粒度及特征的不同，Mikro-SortR型光电分选机有不同系列的产品，现将其型号、技术参数和几个生产应用实例列于表3。
表3MikroSortR型光电分选机的型号及技术参数
型号
矿石粒度/mm
处理量/（t·h-1）
分选区宽度/mm
喷气阀
数量/个
应用实例
AF
1~10
10~80
900
220
分选高纯石英，粒级为3~10mm，处理量10t/h，废弃率约40%
AX，AL，AP
5~40
70~200
1200
256
分选菱镁矿，粒级为8~12mm，处理量20t/h，废弃率约40%
AS，AT
30~80
10~80
1200
220
分选焙烧的氧化镁，粒级为10~30mm，处理量25t/h，废弃率约30%
AG，AH
80~250
70~200
1200
256
分选碳酸钙，粒级为80~250mm，处理量180t/h，废弃率约40%
31.1.2放射分选
利用铀矿石中的天然放射性（λ射线）进行矿石的拣选始于20世纪40年代，到20世纪七八十年代，铀矿石的放射性分选得到较大的发展，许多国家研制出了很多型号的放射性分选机。
在美国、加拿大、法国、澳大利亚、南非、前苏联等国的铀矿山都有放射性分选的应用。
我国从20世纪50年代末期开始研制放射性分选机，先后研制出几种型号的放射性分选机，并应用于生产。
放射性分选是粗粒级矿石选矿的一种方法。
一般处理矿石的粒度上限为250～300mm，下限为20～30mm。
随着技术的发展，仪器灵敏度的提高，处理矿石的粒度下限可以降至10mm，甚至更小。
在矿石可选性确定的前提下，入选的粗粒产率愈大，能拣选出来的废石量愈多，经济效益就愈明显。
放射性分选一般用于处理中、低品位矿石的铀矿山中。
铀矿山是否需要进行放射性分选及分选指标的好坏，主要取决于铀在矿石中的分布的均匀程度，而分布的均匀程度又与铀矿床类型有关。
热液类型脉状铀矿床的矿石一般铀矿化不均匀，易进行放射性分选，而海相沉积类型矿床的铀矿化很均匀，属难选或不能进行放射性分选的矿石[6]。
我国自行研制的5421-Ⅱ型放射性分选机为系列成套产品。
该系列机处理矿石粒度范围为150~25mm，其中150~60mm粒级选机为两槽道，60~25mm粒级选机为四槽道，2台选机结构相近，工作原理相同。
选矿机主要由机械、仪表及微机三大部分组成。
主要结构见图1。
图15421-Ⅱ型放射性分选机示意图
1-料仓，2-振动给料机，3-给料皮带机，4-摄像机，5-分选主机，6-屏蔽罩，7-反光镜，
8-压缩空气电磁阀，9-光源，10-铅室γ探测器，11-红外料位计，12-皮带速度传感器
经过破碎、筛分、洗矿和分级后的矿石，进入各自级别的选矿机矿仓，矿石通过料仓、斜料斗、闸门及两级给料机，给出线性首尾相接的物料流，进入给料皮带机，从给料皮带机机头抛出，通过自由落体加速，刚好与主机皮带速度同步。
由于主机皮带速度是给料皮带速度的3.2倍，因而在给料皮带上首尾相接的矿石流再落到主机皮带上后便拉开了相互间的距离。
拉开了间距的矿石，被逐块运进放射性探测区时，皮带下面由碘化钠（NaI）晶体和光电倍增管等组成的γ射线探测器便对矿块的放射性活度进行测量，并由对应的计数器以脉冲计数方式分别记录。
微型计算机每0.5ms采集一次脉冲数，并有序地存放在存储器中，这种数据采集方式使γ探测器能以接力探测方式工作。
矿石继续行进到离开主机皮带终端位置时，通过自由落体经过由CCD线阵固体摄像机组成的光电探测器，即可测量出矿块的投影面积、在皮带上的横向位置及其到达与离开光电探测区的时间等信息，并同样以0.5ms的周期由微机采集。
当矿块离开光电探测区，微机便立即依据存储于内存中的数理统计回归方程，有序地将采集的信息进行计算，在计算矿块的质量和铀质量分数时考虑了矿块的形状和自吸收的影响，修正了由于矿块偏离探测中心而降低的γ计数，因而使测得的矿块铀质量分数值有较高的精度。
微机将测出的矿块铀质量分数与预先设置的分界质量分数相比较，低于设定值的判为尾矿，高于或等于设定值的判为精矿。
每当判定一块精矿时微机就发出一个开阀信号，通过驱动器使对应该矿块所在横向位置上的电磁阀定时定位地打开，高压气流将该矿块吹离其自然下落的轨迹，落入精矿槽中，达到精矿与尾矿分离的目的[7-8]。
5421-Ⅱ型放射性选矿机的主要技术参数见表4。
表45421-Ⅱ型放射型选矿机主要技术参数
粒级范围/mm
60~25
150~60
主机皮带速度/m·s-1
3.7
3.7
矿块平均质量/g
95
1000
每槽道矿块数/（块·s-1）
21
7
矿块间中心距/mm
≥130
≥300
探测区宽度/mm
130
160
每克铀静态探测效率/（脉冲·s-1）
4600~7700
2700~4600
本底范围/（脉冲·s-1）
60~120
120~200
槽道数/个
4
2
探头个数（每槽道）/个
8
2
电磁阀个数（每槽道）/个
8
16
通道宽度/mm
150
360
澳大利亚UltraSort公司生产的放射性分选机的工作原理如下：
筛分后的原矿石，首先进入筛分给料机，在给料机上有一排喷水阀，以便洗去矿泥。
给料机的速度为1m/s，然后加速送至皮带型分选机，这里带速为5m/s，所以矿块已被拉开距离。
在皮带下，根据皮带宽度安装有几组探测器，探测矿块的强度。
当矿块从皮带落下时，首先经激光光电探测器，测量每个矿块的粒度，这里应用的是第三代激光扫描技术，使探测矿块粒度的精度提高。
电子信息处理机根据探测资料及预先设定值，决定矿石块是精矿还是尾矿，然后给高压空气阀指令，使矿石分成精、尾2个产品，精矿送往下一步处理厂，尾矿送往废料堆。
UltraSort公司生产2个系列的放射性分选机，UFS型及ULS型，其主要技术指标见表5[9]。
表5UltraSort公司生产的放射性分选机的技术参数
系列
粒级/mm
最大给矿率
（t·h-1）
最大回收率/%
外形尺寸/mm
质量/t
功率/KW
每t矿石耗压缩空气/m3
阀组数量/个
UFS
5~80
80
99
7899×1685×3215
8
≈10
30
80（8~10mm），120（5mm）
ULS
40~300
300
99
13487×2156×4332
30
≈12
30
60（14，16，18mm）
31.1.3X射线分选
X射线分选技术是各种拣选方法中应用较多的一种。
此技术是以X射线照射矿石表面，由于矿石组成的不同，可产生不同的反应，如发射特征X射线、荧光、可见光、红外线或紫外线等。
根据反应特征不同可将X射线分选方法细分为五类，即X射线荧光法、X射线激光法、X射线反射法、X射线吸收法和X射线辐射法[10]。
X射线辐射分选是利用矿石在受到x射线（一次x射线）照射后，受到激发而产生的特征x射线（二次x射线）来分选矿石的方法。
X射线是一种波长很短的电磁波，其波长约为0.01～10nm。
X射线是由电子在能量相差悬殊的2个能级之间的跃迁而产生的，X射线光谱是原子最内层电子受激发跃迁到较高能级之后返回基态而发出的。
从本质来讲，X射线与可见光、紫外线、红外线、射线是一致的，均属于电磁辐射，同样具有波粒二象性。
视其为微观粒子时，其能量E和作为电磁波的波长之间存在着一一对应的E=hc/λ关系，式中h为普朗克常量，c为光速。
X射线可以用高速电子轰击金属靶的方法获得。
在撞击过程中，电子遇靶材而减速，其损失的动能会以光子的形式放出，从而形成X光光谱的连续部分，称之为制动辐射。
通过增大加速电压，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，于是内层形成空位，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。
由于外层电子跃迁放出的能量是量子化的，所以放出的光子其波长也集中在某些部分，形成了X光光谱中的特征线，称为特征辐射。
试验室中X射线由X射线管产生，X射线管是具有阴极和阳极的真空管，阴极一般用钨丝制成，通电后可发射热电子，阳极（靶极）用高熔点金属制成。
在阴极和阳极之间加几万伏至几十万伏的高压加速电子，电子束轰击靶材，X射线从靶材发出。
电子轰击靶材时会产
生高温，故靶材必须用水冷却，有时还将靶材设计为转动式。
高速电子流在轰击靶极时，若电子具有足够大的动能，则有可能将金属原子的内层电子撞出。
即金属原子的内层电子在获得高速电子流传递的能量后有可能从稳定的基态能级跃迁到能量较高的激发态能级。
内层电子在从较低的能级跃迁到较高能级上之后，必然在原有的位置留下空位。
处于激发态的原子系统由于能量较高而不稳定，因此位于较高能级上的电子有着向空位跃迁的趋势，以便降低系统的能量，达到稳定状态。
电子在从较高能级向空位跃迁时，能量降低，多余的能量将以光子的形式发出，即为特征X射线，其频率ν由hν=En2-En1=Wn2-Wn1决定，式中En1、En2为低能级和高能级中电子的能量，Wn1、Wn2为激发低能级和高能级中电子所需要的能量。
标识X射线图谱的激发和辐射过程，可以用图2所示的原子能级图来描述[11-12]。
图2X射线的激发与辐射
对于特定化学元素的原子而言，其核外电子都有特定的能级结构。
因此，当原子受到激发而发射X射线时，其X射线也是特定的，并与元素一一对应，即为特征X射线。
通过测定特征X射线是否存在便可以确定相应元素是否存在，待测元素的含量可以通过测定特征X光光谱强度来实现，某种元素的含量越高，其谱线强度也越高，由此构成了X射线辐射分选的理论基础。
矿石表面原子受到X射线光子轰击后会辐射出被激发原子的特征X射线，每种元素的特征X射线均是唯一的，因此可以利用元素特征X射线分选矿石，该方法称为X辐射分选法。
X射线辐射分选技术是近年来发展起来的一种新型、高效、清洁、环保的可分选各种矿石和原料的工艺。
俄罗斯РАДОС公司在20世纪90年代成立的用X射线辐射分选法进行试验和分选矿石的公司，这也是到目前为止国际上唯一的一个研究和试验用X射线辐射方法分选矿石的公司。
世界上第一台工业用X射线辐射分选机是在20世纪90年代由俄国的РАДОС公司生产的，后经研究人员数年的不断升级换代，目前该公司已经生产出几种不同型号的分选机，其型号及性能见表6[13]。
表6X射线分选机特征
技术指标
分选机型号
CPΦ-4-3Π-150
CPΦ-2-300
CPΦ-4-150
CPΦ-4-50
分选粒度/mm
30~150
30~80
30~100
60~300
60~200
80~250
30~150
30~80
30~100
10~60
10~40
20~40
粒度范围/mm
40~120
40~150
100~250
150~300
40~120
40~150
20~50
20~60
处理量/（t·h-1）
10~20
20~50
10~15
3~8
X射线光源
特制便携式X射线仪ПРАМ—50
X射线辐射传感器
气动比例探测仪
高速电磁分离板装置
操作装置型号（频率/Hz）
МИ2（3~4）
МИ400
МИ30（15~20）
МИ80（10~12）
МИ400（6~8）
分选机的槽道数目/个
2
4
4
4
适用电压/V
220/380
220/380
220/380
220/380
功率/kW
≤5.0
≤7.0
≤3.0
≤5.0
设备尺寸/mm
5070×1500×3150
5070×1500×3390
3520×1200×3150
5070×1500×3150
设备重量/kg
≤4100
≤4100
≤1600
≤3900
分选机操作系统
工业用电脑
质量不超过
分选机/kg
1600
3900
4100
4400
操纵台/kg
10
10
10
10
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