超声技术在矿物加工中的应用进展

超声技术在矿物加工中的应用进展

李旭峰

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摘要：介绍了检测超声原理，及其在矿物加工过程中的应用，总结了传统技术的不足，进一步深化对超声检测技术在矿物加工过程应用的了解。论述了功率超声在矿物加工工程中的作用机理，着重讨论了功率超声技术在浮选、浸出和重选中的应用。在总结超声波技术近年来在矿物加工中的应用的基础上，提出了未来超声技术在选矿领域中发展存在的问题，进而对日后研究方向进行了展望。

关键词：:超声波;矿物加工;应用发展

引言

近年来，人们对超声技术在矿物加工中的应用进行了更进一步的研究，其在矿物加工中属于极为有效的辅助强化技术，可有效促进矿物加工的效率和质量，具有较好的应用前景。本文将对超声技术在矿物加工中的应用进展进行分析。

1超声技术简述

超声波由一系列疏密结合的纵波组成，是频率高于2×104Hz的一种声波，其具有投射、放射、定向等多种特性。超声波在液体中传播时，液体将产生声空化现象，这时每一个空化气泡为“热点”。液体内的声空化过程是将声场能量集中并快速释放的过程，当强度足够的超声波进入液体时，若声波负压半周期，声压幅值比液体中静压高，液体内存在的微小气泡就会快速增大，在持续不断的声波正压周期中，气泡会因为绝热压缩变得崩溃，在此期间将生成强压力脉冲。在该过程中，气泡中间位置的温度可达4900K，压力达55MPa以上，气泡和水界面处的温度也能达到2100K，持续数秒后，热点会冷却下来，同时还会产生较强的冲击波和速度极高的微射流。微射流和冲击波会因自身作用在界面中产生明显的机械搅拌效应，该效应能打破层流边界自身的限制，增加界面间的理化效应。矿工加工是借助矿物中物理、化学性质之间的差异，通过多种加工、分离方式和手段把矿石中可用的矿物质与脉石分离，完成可用矿物质较为富集且对其进行加工与利用的方式。

2超声在矿物加工过程中的应用

检测超声利用了超声传播的特征和信息载体的特性，检查材料缺陷，测量物体的几何尺寸、物理化学性能及其他非声学性质和参量的方法和技术。由于超声波频率高，波长短，衍射现象不明显等特点，在测量过程中有着灵敏度高，速度快，成本低，对人体无害，不需要直接接触待检测物进行直接接触等优势。

2.1粒度检测

粒度检测是选矿中的重要指标，浮选不但要求矿物单体解离，而且要求适宜的入选粒度，如果矿物粒度不当，会引发一系列问题。例如浮选指标下降，矿物资源、选厂用水、用电的浪费。因此粒度检测在矿物加工过程中有着重要的作用。现在常用的粒度分析设备有激光粒度分析仪，嵌入式在线粒度分析仪和超声粒度分析仪等。超声粒度分析仪相比于嵌入式分析仪，无须与矿浆直接接触，分析速度快，精度高。相比于激光粒度分析仪，超声波的强穿透性可以保证探头和矿浆存在缓冲区，探头不会被飞溅的矿浆污染和阻塞。

2.2浓度检测

浓度对泡沫浮选有着重大影响，适宜的浓度有益于矿粒与气泡碰撞吸附，保证了气泡对矿物具备足够的负载能力。矿浆浓度过低时，回收率较低;浓度过高时，又会导致浮选机工作环境变差，使浮选指标变差。目前市场上有静压力法、重力法、浮子法、γ射线法、振动法、光电法等多种浓度检测方法。在测量矿浆中矿粒的粒径时，粒径本身相差较大，探头工作环境差，工作时间长等一系列因素，对探头耐磨耐腐蚀性要求较高，导致其他方法无法长期稳定的进行测量。而超声波法自身由于穿透力强，无需与矿浆直接接触。

2.3流量检测

在选矿流程中，矿浆流量的测量是保证选厂过程控制与金属平衡计算的重要参数，在矿山中，旋流器进浆流量、溢流流量、尾矿浓密机底流流量、中间产品流量，结合相应矿浆浓度，进行矿量计算，方便矿山对流程工艺进行控制管理。现有矿浆流量测量工艺有两种，一种为电磁流量计，另一种是超声流量计。由于矿浆成分较为复杂，具有磨蚀、易粘着、易沉积等特性，电磁流量计在接触测量的过程中，电极和探头磨损严重，传感器上存在矿物沉积，导致测量结果准确性和稳定性较差。超声波测量矿浆流量，无需接触，对矿浆流动不产生影响，不受流体导电性和磁性的影响，穿透力强可用于测量大管道的流量测量，并且可以通过测量矿浆气泡来对测量结果进行修正，准确率和稳定性较高。

3.超声技术在矿物加工中的应用进展

3.1超声波技术促进泡沫浮选

浮选是一种利用捕收剂选择是否吸附于矿粒表面，以优化矿物疏水性的方式。捕收剂可以选择吸附于矿粒表面的晶格缺陷中，另一端吸附在气泡上。在进行浮选时，影响其回收率的原因很多，如矿石性质、矿石粒度等。超声波可在溶液中产生一系列的效应，如热效应、力学效应、空化效应等。其会对浮选药剂和矿浆产生众多作用，如提升固体颗粒自身的分散性、增加气泡的稳定性、优化矿石结构等，这些作用能有效促进泡沫浮选。

3.2超声波技术可加强过滤与脱水

在固液分离中凝聚和浓缩为初级阶段，若想保证产品的水分刚好合适，则需要对其进行过滤与脱水处理。普通的过滤方式容易因为使用过程中过滤器被阻塞，导致过滤速度被降低。众所周知，超声技术可以用在悬浮液的浓缩和凝聚中，不过其原理还存在一些争议。基于声场的作用下，分散可以增加颗粒之间的流动速度，而随着速度的不断提升，分散质间原始的挤压力也会随之升高，进而提高固体颗粒自身的密度，发生凝聚和浓缩。

3.3超声波技术能加快矿物浸取

在加工金属矿时，重要的加工技术为矿物质的浸取，特别是在获取一些贵重金属时，常用的方式之一为浸矿。在进行浸矿时，可选择超声波技术予以强化，从某一角度来讲，其能减少或直接代替剧毒、高压、高温、强碱、强酸等十分危险的浸矿条件，并提升浸矿后的回收率。

3.4加快非金属矿的浸取

根据大量实验数据可得知，超声波技术能有效加快非金属矿的浸取。C.G.Blanco等人把油页岩内的沥青质当作实验对象，使用苯等其他8种溶剂和普通的Soxhlet浸取法、超声波浸取法进行对比，发现使用2h超声浸取法和48hSoxhlet浸取法获得的浸取得率基本一致。同时M.D.Guillen等人把煤焦油内的沥青质作为提取对象，使用27种有机溶剂和Soxhlet浸取法、超声波浸取法进行对比，同样得到使用超声波技术能加快非金属矿浸取的结论。

3.5超声波技术有助于检测矿浆流量

在选矿的过程中，测量矿浆流量可保障金属平衡计算和选厂过程控制中的重要参数，根据相对应的矿浆浓度计算矿量，有助于矿山控制管理流程工艺。如今的矿浆流量测量技术为：电磁流量计和超声流量计。由于矿浆成分比较复杂，带有容易沉积、粘着、磨蚀等特征，电磁流量计在进行接触测量时，探头和电极会产生较为严重的磨损，并在传感器中产生矿物沉积，造成测量结果缺乏准确性及稳定性。使用超声波技术对矿浆流量进行测量，并不需要直接接触，所以并不会给矿浆流动带来影响，也不会受流体磁性和导电性的影响，较强的穿透力可以进行大管道中的流量测量工作，同时还能借助测量矿浆气泡修正测量结果，具有较高的准确率和稳定性。

结语

总而言之，超声技术具有绿色、安全、无污染、高效等优势，适用于医药、食品、环境等诸多领域。在测量流量、料位时使用检测超声，可提升直观性、实时性和准确性，因此，我国多个矿山选厂都在使用该技术。功率超声在浸出、浮选等作业时，利用处理矿粒和药剂，能有效提升选矿指标。该技术还能应用在磁电选、筛分等方面，效果都极为显著。不过，该技术虽然为一种发展前景极好的技术，但还存在一些问题需要改善，希望更多学者能对其稳定性进行研究，使其得到更大的发展空间。

参考文献

［1］何桂春．超声波矿浆粒度检测的非线性建模研究［D］．北京:北京科技大学，2006．

［2］杨成，姚宇．矿浆浓度测量仪的设计与应用［J］．湖南有色金属，2019，35(4):22-24．

［3］张一凡．能源颗粒细度超声法在线测量研究［D］．南京:南京理工大学，2017．