施逢年：矿石的高压电脉冲预处理技术研究进展—昆士兰大学JK矿物中心10 余年成果回顾

2018年赵福刚副主任获悉《金属矿山》杂志编委施逢年教授荣获2017年度CEEC科研奖章后，特别邀请施逢年教授撰写一篇介绍高压电脉冲技术用于矿石预处理的最新科研成果，同时也包括2017年度CEEC奖章获奖论文的内容。施逢年教授的科研成果虽然已经被国际媒体广泛报道，但在国内学术界一直没有相关的介绍。在马钢工程技术集团孙业长教授的协助下，特邀到本论文。论文详细介绍了昆士兰大学JK矿物中心10余年来采用高压电脉冲对矿石进行预处理的技术成果，希望能够对国内矿业科技工作者有所参考。

“全文参见《金属矿山》2019年第5期P1-8.欢迎订阅本期刊物（0555-2309849）”

介绍了澳大利亚昆士兰大学JK 矿物研究中心10 余年来在高压电脉冲技术预处理矿石方面的研究进展。该团队没有采用传统的研究思路，将高压电脉冲作为碎磨矿石的工具，耗费大量电能将矿石破碎到微米级的粒度，而是用较小的高压电脉冲能耗来预处理矿石，改变矿石的可选性，以此提高整个选矿处理流程的生产效率和经济效益。目前研发出了3项高压电脉冲在选矿应用的新技术：高压电脉冲用于矿石的预富集，高压电脉冲用于降低矿石硬度、节省碎磨能耗和高压电脉冲用于改善矿物的单体解离。其中，高压电脉冲技术在含金含铜矿石的预富集中的应用属世界上首次发现，介绍此成果的论文获得了有国际影响力的2017 年度CEEC 科研奖章。

在第二次世界大战期间，俄罗斯科学家首先用高压电脉冲技术提纯核材料；1950 年代，在用高压电脉冲技术分解水的过程中发现由此产生的冲击波足以破碎矿石。从此以后，矿业工程研究者开始探讨高压电脉冲技术用于采矿和选矿的可行性。尤其从1970 年代起，英国、俄罗斯、美国、日本等国的矿业工程研究者发表了不少文章，证实在高压电脉冲破碎矿石的过程中，等离子体破碎通道可以沿着不同矿物的界面扩展，改善有用矿物的单体解离度，从而提高金属回收率和精矿品位。当时采用的技术是用高压电脉冲把几十毫米的矿石破碎到适合分选的粒度（100 μm 左右），整个破碎过程的比能耗大约100kWh/t，是机械破碎到相同粒度所需能量的2～3 倍。由于这种应用高压电脉冲的方法需要数倍于机械破碎的能耗，矿业界怯而止步，几十年来工业应用进展缓慢。

目前矿业界正面临着一系列挑战：矿石品位逐年下降，有用矿物嵌布粒度变细，矿石硬度提高，处理规模大幅度提高，破碎磨矿能耗显著升高，水资源贫乏，环保对节能减排的要求不断提高等。因此，保证矿业生产的可持续性成为一个亟待解决的问题。开发新技术以改进传统的选矿生产技术是保证矿业生产可持续发展的业内共识。澳大利亚昆士兰大学的JK 矿物研究中心（JKMRC）于2007 年开始进行高压电脉冲技术在矿业的应用研究。10 余年来，该团队采用不同于传统的高压电脉冲技术用于矿业的研究思路，没有把高压电脉冲作为破碎磨粉机使用，而是用较小的高压电脉冲能耗来预处理矿石，旨在改变矿石的可选性，从而提高整个选矿处理流程的生产率和经济效益。

该团队研发了3 项高压电脉冲在选矿应用的新技术，其中用高压电脉冲选择性破碎含金含铜矿石，然后用筛分的方法丢弃筛上粗颗粒废石的研究成果发表后，引起了全球矿业界的瞩目。由笔者带领的团队发表在矿物工程国际杂志上的论文——高压电脉冲预富集铜矿石之二：机会和挑战获得了有国际影响力的2017 年度CEEC 科研奖章。CEEC 是一家不以盈利为目的、促进破碎磨矿能量效率提高的国际联合机构，由包括中信重工在内的全球主要矿业公司赞助。该机构每年从发表在矿业杂志和国际学术会议的选矿和破碎磨矿领域的论文中，评选1篇最优秀的授予年度科研奖章。奖章评审委员会主席Zeljka Pokrajcic 博士认为，该研究成果取得了革命性进展，主要针对了粒度、解离度、节能和生产率等当前选矿技术的前沿问题，有潜力改变目前矿业公司解离有用矿物的方法，给矿物处理和节能带来革命性的进步，国际矿业、英国和加拿大矿业杂志对此进行了深度报道。

为了让国内矿业界同仁及时、系统、全面地了解高压电脉冲技术在矿物加工方面的进展，本文将首次在国内的杂志详细介绍引领该技术发展的优秀团队——澳大利亚昆士兰大学JK 矿物研究中心10 余年的主要研究成果。

本文介绍的高压电脉冲试验是在1 台由瑞士SELFRAG AG 公司生产的selFrag Lab 设备上进行的。图1 为JK 矿物研究中心的selFrag Lab 设备及笔者，图2 表述了设备的结构原理。

高压电脉冲设备由3 个主要部件构成：高压脉冲电源、高压脉冲发生器和一套高压脉冲放电电极及样品处理系统。样品的处理在一个顶端直径200 mm的可移动圆桶内进行，桶底部直径为85 mm 的圆形不锈钢筛片作为高压电极的负极，筛片的筛孔可根据需要选择，也可选择无孔圆板。矿石样品直接置于桶底（设计的矿石批样质量约1 kg），浸没在水中由高压电脉冲破碎。样品处理桶放在selFrag Lab 的一个升降平台上，平台高度由所设置的高压电极的距离精确控制。

在高压电脉冲的作用下，材料的击穿强度与高压电脉冲的属性有很大关系。图3 揭示了油类、固体类、水和空气等4 类材料的击穿强度与高压电脉冲电压上升前沿时间的关系。当脉冲电压较小但上升前沿大于500 ns 时，水的击穿强度小于固体颗粒的击穿强度。电脉冲对水中的固体颗粒作用时，水优先被击穿。但是当脉冲电压的上升前沿短于500 ns 且脉冲电压较高时，水的击穿强度大于固体颗粒的击穿强度。高压脉冲在水介质中破碎矿石的时候，水介质起类似绝缘体的作用，使脉冲能量有效地作用在矿石颗粒上。

高压电脉冲破碎矿石的机理可大致分为2 类。当高压脉冲电极直接接触水中的矿石颗粒或很靠近矿石颗粒（间距在10-3 m 数量级），而且放电时脉冲电压的上升前沿短于500 ns 情况下，高压脉冲通过电极接触点对矿石颗粒表面原有微细裂隙里的气体电离，或者对电极与矿石颗粒间的水中气体电离。电离过程产生的离子化气体形成等离子体（plasma streamers）进入矿石颗粒，并迅速将等离子体通道加热到104 K 的数量级。由于等离子体通道的急剧膨胀爆炸形成强大的冲击波（108～109 Pa），对通道的压力远远大于矿石颗粒的拉伸强度，使矿石在瞬间被破碎。等离子体在到达固-液界面后被反射，将正负电极桥接，形成电弧。这样的破碎过程称为高压脉冲电动力学（electrodynamic）破碎过程。另一类破碎过程叫高压脉冲电动水压力（electrohydraulic）破碎过程。当电极离矿石颗粒表面较远（间距大于10-3m 数量级），而且放电时脉冲电压的上升前沿大于500 ns，由于这时水的击穿强度小于固体颗粒的击穿强度，脉冲首先击穿水介质。该过程形成的压力波在几微秒时间内对水中的矿石样品挤压破碎。从矿石破碎理论来讲，矿石拉伸破碎所需的能量大约是挤压破碎的1/10［20］，因此高压脉冲电动力学破碎比高压脉冲电动水压力破碎的效率高得多。尤其是在高压电脉冲预富集高品位矿石的应用中（见第2 章），高压脉冲电动力学破碎有助于加强对高品位矿石颗粒的选择性破碎。

高压电脉冲用于矿石预富集是基于电脉冲对含金属矿物的颗粒有优先破碎倾向这一发现的。文献报道有2 种高压电脉冲选择性破碎现象。早在40 多年前，人们已经发现当高压电脉冲穿过介电常数不连续的矿石颗粒时，如一块含有多种不同介电常数矿物的矿石，由于极化的影响，破碎通道将沿着不同介电常数矿物的界面扩展。这种沿着矿物界面选择性破碎的趋势为矿物的单体解离提供了条件。文献检索可以发现诸多论文证实了这种矿石内部的选择性破碎现象，和由此带来的在分选过程中提高了精矿品位和回收率的报道。只是由于电耗过高，没有被矿业界采用。另一种选择性破碎现象是指矿石颗粒之间的选择性。JK 矿物研究中心高压电脉冲研究团队在用单颗粒单脉冲的方式处理矿石时发现，有的矿石颗粒用单脉冲就可以打破，有的经过多次脉冲处理也打不破。例如，来自澳大利亚Cadia 的铜金矿石和来自Mt Marrow 采石场的玄武岩有相似的机械强度，用单颗粒单脉冲的方式分别处理这2 种粒度为45～53 mm 的样品，发现81%的铜金矿石在1次脉冲作用下发生了破碎，而在相同条件下仅有27%的玄武岩颗粒发生了破碎。

为了揭示为什么在相同的比能耗作用下，这2 种颗粒的破碎率相差54 个百分点，JK 矿物研究中心高压电脉冲研究团队加工了圆柱形的人造矿石。这些人造矿石有完全相同的粒度、形状、密度和机械强度，唯一不同的是有些人造矿石纯粹是水泥块，有些内部添加了1 颗黄铁矿颗粒（粒度为0.3 mm，质量含量为0.1%）。人造矿石的高压电脉冲试验表明，脉冲破碎通道明显不一样：含黄铁矿的人造矿石经单脉冲处理后，在圆柱体的径向产生了大量裂缝，有些裂缝甚至沿着圆柱体的轴向贯穿；而不含黄铁矿颗粒的人造矿石在相同的脉冲条件下，脉冲破碎通道一般沿着圆柱体的表面划下浅浅的刻痕。经高压电脉冲处理后，含黄铁矿的人造矿石产品块度明显更小。

这一发现被开发成为高压电脉冲用于矿石预富集的新技术（图4）。这项专利技术利用高压电脉冲选择性地破碎那些含有高电导率、高介电常数的金属矿物，然后用筛分的方法把高压电脉冲处理的产品分成低品位的筛上产物和高品位的筛下产物。

为了进一步提高电脉冲破碎的选择性，矿石在接受脉冲处理的过程中，从原来试验中的单颗粒单脉冲发展成多颗粒多脉冲，这样可以用更高的脉冲能量集中破碎高品位的矿石，避免浪费能量去处理贫瘠的围岩废石，有效地改善了高压电脉冲的选择性和能量的使用效率。图5 是2 块人造矿石接受单脉冲处理后的产品，含1 颗黄铜矿颗粒（质量含量为0.1%）的人造矿石被打碎了，而纯水泥块完整无损（图中有“X”标记的圆柱）。对含黄铁矿、方铅矿、磁铁矿及其组合的人造矿石进行的大量重复试验也证实了这一结论。用X 射线断层扫描技术和JKRBT 矿石破碎特征测试技术对高压电脉冲处理后的人造矿石进行的测试结果表明，纯水泥块的内部结构没有受到高压电脉冲的破坏。由此推理，当纯水泥块和含有较高电导率矿物的人造矿石一起接受高压电脉冲处理时，高电导率矿物吸引高压电脉冲优先穿过矿化的人造矿石。由于大部分脉冲能量已经被高电导率矿物接受，从而“保护”了相邻的纯水泥块免受脉冲能量的破坏。这样，用筛孔接近给料粒度的筛子就可以把品位较高的人造矿石和纯水泥块分开。

JK 矿物研究中心用高压电脉冲预富集矿石技术对世界各地的多个铜矿和金矿样品进行过可选性试验。对来自澳大利亚的1 个粒度为26.5～37.5 mm 的金铜矿样，使用2.96 kWh/t 的高压电脉冲比能量处理，产品筛析结果见表1，试验结果显示，铜、金在细粒级有明显的富集现象，这为用筛分方法抛尾提供了条件。

图6 为澳大利亚某金矿样（粒度为19.0～26.5mm）经不同高压电脉冲数处理后的产品的金累计回收率与负累计质量回收率（产率）的关系。比能量的变化通过改变粗颗粒物料循环破碎的次数和每循环使用的脉冲数来实现。图中的对角线表示金属回收率等于负累计质量回收率，即在粗细粒级没有富集现象；试验点若落在对角线的上方，且离开对角线的纵向距离越远，则说明预富集效果越好。

从图6 可以看出，矿石经平均比能量为3.3 kWh/t的高压电脉冲处理，在满足金回收率为90%的情况下，可抛弃31%的尾矿。在选矿生产中，减少31%的物料进入磨矿机，其节能、减排、降本、增效作用显著。

不同高压电脉冲比能量与产品筛下产率、精矿回收率、精矿品位、尾矿品位的四维关系图可作为评价高压电脉冲效率的依据。矿业公司可据此对该预富集技术进行独立的经济效益评估。

在高压电脉冲处理矿石的过程中，脉冲能量在沿矿石传递时，由于矿物界面的存在造成声波或等离子体传递的不连续性，引起声波或等离子体的反射、折射或透射，从而造成一系列复杂的拉伸力和压力。在这些拉伸力和压力的作用下，矿石在完全被破碎解体以前，内部结构上可能先形成裂隙和微裂隙。JK 矿物研究中心高压电脉冲研究团队在用X射线断层扫描仪和水银孔隙率测量仪确认了矿石在高压电脉冲作用下产生的裂隙和微裂隙后，开展了用高压电脉冲预处理矿石来降低矿石硬度的应用研究。该技术不再用100 kWh/t 左右的高压脉冲比能量将矿石破碎成微米级别适合选别的粉末，而是仅用几kWh/t 的比能量（取决于矿石颗粒大小）破坏矿石颗粒内部结构。由于裂隙和微裂隙的产生，矿石破碎或磨矿的阻力降低了，因此后续碎磨作业的处理量得以提高，能耗得以降低。该技术也有望应用于无采矿作业的现场浸出、油气钻孔、坑道挖掘等工程中。

在研发过程中，很重要的一环是快速准确测定脉冲处理前后的矿石对于破碎磨矿的阻力。JK 抛射试验设备（JKRBT［33］）发挥了它的优越性。产品的细度参数t10与比能量的关系可以用式（1）表示。

式中Ecs是比能量，kWh/t；A 和b 是模型参数，可以用抛射试验的数据来拟合。在参数拟合过程中，A 和b 的数值会相互影响，通常用参数的乘积（A×b）来表示矿石破碎的难易程度。A×b 的物理意义是据式（1）绘制的指数曲线在比能量等于零的切线的斜率。根据涵盖世界各地几千套矿石破碎信息的数据库来看，A×b 的典型数值在20～300。A×b 数值靠近20表示非常难破碎，靠近300 表示非常易碎。30 多年来，A×b 数值的概念已被矿业界和学术界广泛接受和采用。

2007 年，Shi 和Kojovic 发表了与粒度相关的破碎模型（式（2）），用来修正原粒度平均模型的缺陷。

式中，M 为模型参数，表示可达到的最大t10数值，%；fmat是颗粒破碎特性参数，是粒度的函数，kg/（Jm）；x是破碎前矿石的粒度，m；k是连续破碎的次数；E 是比能量，J/kg；Emin是要产生破碎所需要的最低比能量，J/kg。由于Emin比抛射试验中最小的输入能量小很多，Emin设为零不会显著影响拟合结果，因此，从式（2）可计算出A ×b =3 600·M·fmat·x . （3）考虑到高压电脉冲对矿石颗粒造成的裂隙和微裂隙有可能在磨矿过程被消耗殆尽，使得矿石硬度又回到未经脉冲处理前的状态，JK 矿物研究中心高压电脉冲研究团队对脉冲处理和机械破碎的矿石进行了详细的磨矿对比试验，以确认颗粒裂隙和微裂隙在磨矿过程中的变化。磨矿过程中，每隔4 min 测定1次产品粒度，然后返回磨机继续磨，磨矿过程中的产品粒度变化情况见图7。图中线条代表经高压脉冲处理的矿石，符号代表经机械破碎的矿石，颜色代表磨矿时间。

图7 显示，尽管高压脉冲给料较机械破碎给料粒度粗，但在相同磨矿时间下的产品粒度更细。若磨矿作业需要粗磨产品（P80=600 μm），经高压脉冲处理的矿石只需磨9.3 min，而机械破碎的矿石需要磨14.5 min，矿石经高压电脉冲处理后可节省36%的磨矿能耗；若需要P80=150 μm 的产品，高压电脉冲处理的矿石可节省28%的磨矿能耗。随着磨矿产品细度的提高，磨矿能耗节省越来越少，证实高压电脉冲造成的颗粒裂隙和微裂隙在磨矿过程中会逐渐消耗掉。但是，即使磨矿20 min，磨矿产品细度的差距依然明显存在。

在一个由矿业公司、高压脉冲设备厂商和JK 矿物研究中心高压电脉冲研究团队共同承担的研究课题中，10 t 自磨机给矿经高压电脉冲预处理后，用JKSimMet软件对目前2 000 t/h 处理量的破碎磨矿流程进行仿真计算。根据高压电脉冲处理后产品的粒度分布和矿石硬度调整了现生产流程和设备配置，仿真计算预测在扣除高压脉冲处理能耗后，新破碎磨矿系统有望比现有生产流程节省5 kWh/t 的电耗，节电效益显著。

用高压电脉冲方式处理矿石，改善有用矿物的单体解离度，从而提高精矿品位的研究早有报道。传统的用高压电脉冲将矿石破碎到100 μm 左右再进行有用矿物回收，虽然普遍能看到精矿品位的提高，但这个破碎过程耗费了数倍于机械破碎的能量，且有时会出现回收率下降的局面。

JK 矿物研究中心高压电脉冲研究团队在建立高压电脉冲破碎矿石的数学模型时发现，随着矿石粒度的减小，脉冲破碎的能量效率降低。为达到相同的产品细度参数（t10），比能量随矿石粒度的减小呈指数上升。另外，在对脉冲处理过的黄铜矿表面进行X 射线光电子能谱分析（XPS）中发现了高压电脉冲引起黄铜矿表面氧化的证据。这就是为什么经高压电脉冲处理的硫化矿在浮选试验中能提高精矿品位，但不一定能提高回收率的原因。根据这些发现，该团队不再用高压电脉冲的方式将几十毫米的矿石破碎到100 μm 左右，而是采用复合破碎的方法，先用高压电脉冲将矿石破碎到数毫米，再用机械磨矿破碎到浮选或其他回收方式所需的粒度。该方法的好处在于有效地降低了总破碎能耗，且利用机械磨矿清洗了脉冲处理过程在硫化矿表面产生的氧化层。与传统的纯机械破碎磨矿对比，脉冲—机械复合破碎对某铜矿石中铜矿物的单体解离和浮选指标的积极影响见图8、图9。

图8 有别于直接比较＞95%解离度矿物的粒度分布，加权分布指的是＞95%解离度的黄铜矿物在某一粒级的含量与黄铜矿物在该粒级分布率的乘积。图中106～212、212～300、300～425 μm 等较粗粒级，脉冲—机械复合碎磨产生的单体解离的黄铜矿物比传统的机械碎磨高1 倍以上。这使得粗粒分选技术（如目前国际上正在开发研究的工业型粗粒浮选机）可以及早回收已经单体解离的粗颗粒铜矿物，降低磨矿电耗、减少过磨带来的金属损失；而0～53 μm 粒级，传统机械碎磨产生的单体解离矿物要比脉冲—机械复合碎磨高得多，这与黄铜矿物的赋存属性和矿石的机械磨矿特性有关。MLA（矿物解离分析仪）数据表明，该矿样的黄铜矿物平均粒度为120 μm，这就是目前该矿山生产要求磨矿细度P80=106 μm 的依据。另一方面，在相同的比能耗条件下，机械碎磨产生的细粒级产率比脉冲破碎要高1 倍以上，产生了大量过磨的0～53 μm 的细颗粒。这些颗粒粒度明显小于黄铜矿物的平均粒度，所以单体解离的黄铜矿物在这个粒级的含量更高，但物料过磨不利于浮选回收有用矿物。

从图9 可以看出，在相同富集比（此处用富集比旨在消除试验子样品铜品位波动对浮选精矿铜品位的影响）下，脉冲—机械复合碎磨方式下选出的精矿铜回收率较高，且随着富集比的增大，铜回收率差距增大，富集比为8 时，脉冲—机械复合碎磨方式下的精矿铜回收率达97%，较传统机械碎磨方式下的精矿铜回收率高10 个百分点。

JK 矿物研究中心高压电脉冲研究团队10 余年来的主要研究成果为高压电脉冲技术在矿业的应用提供了新思路，有望在降低生产能耗，提高生产效率和经济效益，保证矿业生产可持续发展发挥作用。这些实验室研究成果在工业化进程中还有一些障碍需要克服，主要挑战可概括如下：

（1）研制可连续生产并满足处理量要求的高压电脉冲半工业生产样机。

（2）开发适用于连续生产的脉冲发生器和控制系统。

（3）矿石的可选性研究：矿石的矿物特性如矿物组成、机械特性、导电特性等影响矿石在高压电脉冲作用下的反应，从而决定上述3 种高压电脉冲技术的适用性。

（4）针对高压电脉冲对具体矿石的适用性不同，研究如何在选矿流程设计中结合高压脉冲预先处理技术。

为了应对这些挑战，JK 矿物研究中心高压电脉冲研究团队需要联合有关单位开展进一步的研究。目前，已有一些国际矿业公司认识到高压电脉冲技术的潜在效益和应对上述挑战的紧迫性，加入到这一课题的联合研究中。

10 余年来，昆士兰大学JK 矿物研究中心高压电脉冲研究团队的主要研究成果包括高压电脉冲技术在矿石预处理中的3 项潜在应用：高压电脉冲用于矿石预富集、高压电脉冲用于降低矿石硬度和高压电脉冲用于粗颗粒矿物的单体解离。这些新技术有望为矿业企业降低生产能耗，提高生产效率和经济效益，保证矿业生产可持续发展发挥作用。为了将这些实验室的研究成果应用于工业实践，受数家国际矿业公司支持的高压电脉冲技术工业应用联合课题组正在开展工作。

感谢澳大利亚ARC Linkage （AMSRILP0667828）课题，ARC LIEF 课题，澳大利亚研究生工业奖学金（APAI），昆士兰大学奖学金，中国国家留学基金管理委员会CSC 奖学金，Newcrest Mining，Anglo American 和Vale Exploration 为JK 矿物研究中心的高压电脉冲研究提供赞助和奖学金。感谢瑞士SELFRAG AG 的友好合作。感谢JK 矿物研究中心的Dr Eric Wang，Prof. Weiran Zuo，Ms Tamsyn Parker，Dr Wei Huang，Mr Daniel Lay，Prof.Emmy Manlapig，Dr Kym Runge，Dr Christian Antonio，Prof. Malcolm Powell及Dr Cathy Evans 为高压电脉冲研究作出的贡献；同时还要感谢Dr Elaine Wightman 在矿物解离分析和Prof. Tim Napier-Munn 在数理统计分析方面的帮助。

施逢年（1950—），澳大利亚昆士兰大学可持续矿物学院JK矿物研究中心首席研究员，教授，博士生导师，《金属矿山》杂志编委，施逢年教授的研究领域包括传统的机械破碎磨矿和新兴的高压电脉冲破碎，涉及的工作包括物料破碎特性的测定，破碎磨矿回路数学模型的建立，矿业生产的优化，流变学在磨矿、分级、重介质分选和浮选的应用等。

编辑：罗主平 赵福刚 吴玥

监制：赵 鹏