超声波技术在矿物加工中的应用现状及展望

DOI ：10.3969/j.issn.1009-0622.2018.03.005
超声波技术在矿物加工中的应用现状及展望
肖策环，李振飞，黄云松，李
平
（赣州有色冶金研究所，江西赣州341000）
摘要：介绍了超声波技术在矿物加工领域的应用研究现状，由于超声波可以产生较强的声波强度，方向性好、穿
透力强、具有高能量密度和高频应力以及具有聚束、定向及反射、透射等特性，因此超声波技术在矿石浮选预处理、浮选药剂分散乳化、矿石破碎以及选矿测试等方面得到应用。

文章并对超声波技术在矿物加工领域的应用发展趋势作了阐述。

关键词：超声波；浮选；预处理；分散乳化；选矿测试中图分类号：TD952；TP274+.53
文献标识码：A
收稿日期：2018-02-27
资助项目：江西赣州市科技计划项目（赣市财教字〔2017〕179号）作者简介：肖策环（1990-），男，江西遂川人，助理工程师，主要从事选矿技术研究工作。

通讯作者：李振飞（1981-），男，吉林长春人，高级工程师，主要从事选矿技术研究工作。

超声波的定义是频率大于20kHz 的声波，由于这个频率下限已经超过了人类的听觉上限而得名。

超声波易于获得较集中的声能，具有方向性好、穿透能力强，在水中传播距离远等特点。

目前已经在工业、医学、农业、军事上均有广泛的应用，应用于清洗、杀菌消毒、测距、测速、焊接、碎石等领域。

与此同时超声波技术也广泛应用于矿物加工领域，超声波可以产生较高的声波强度，从而应用在矿石的浮选预处理、浮选药剂的分散乳化。

超声波的高能量密度和高频应力，可使高密度表面能量能转换成一个小的粉碎活性区域，因此超声波技术还可以应用于矿石的破碎。

由于超声波波长短、频率高、绕射现象小，具有定向、聚束以及透射、反射等特性，还常应用在选矿测试技术上[1]。

1浮选预处理应用
近年来，难选金矿床的开发正在增加，由于金被
硫化矿物基质所包裹及劫金碳的存在，这类矿石很难直接氢化处理。

与金共生的典型硫化矿物是黄铁矿和毒砂，直接影响到金的回收，所以从难选金矿石中浮选回收硫化矿物非常关键。

毒砂是硫化矿中最难浮选的硫化矿物，其可浮性比普通黄铁矿差[2]。

针对上述问题，M
·密斯拉等[3]为了改进毒砂的浮选，提高金的回收率，应用超声波技术作为预处理方法来改进毒砂的浮选效果。

通过超声波预处理已经被天然氧化的毒砂，可以改变其表面电性，通过试验发现矿物表面Zeta 电位正值增大，零电点出现偏移，可以使毒砂恢复天然表面。

而通过延长超声波处理时间，Zeta 电位由负变正，在自然pH 值范围内
（pH 5.5～6.0）
，超声波处理后的毒砂浮选回收率可以得到显著提高。

试验发现超声波能够去除毒砂表面上的高度氧化层，提高其可浮性。

这种预处理方法已经用于一种含毒砂的实际难选金矿的浮选中，研究发现，随着超声波处理时间的延长，可同时提高毒砂和金的浮选回收率。

金川镍矿以硫化铜镍矿石为主[4]，较高的蛇纹石含量较高造成金川镍矿精矿MgO 含量高，铜镍回收率难以进一步提高[5]。

已有研究表明，在硫化铜镍矿浮选常用的弱碱性区间，蛇纹石和硫化矿物表面电性相反，易发生异相凝聚。

消除蛇纹石与硫化矿的异相凝聚有利于改善硫化矿浮选，超声波是矿物分散的一种重要手段，国内外学者对超声辅助选矿已经做了大量的研究。

C.Aldrich 等[6-9]通过研究来自南非的硫化矿，认为超声波能改善硫化矿浮选行为、提高浮选速率、有用矿物的回收率和品位。

在此基础上，吕沛超等[10-11]以某镍矿富矿矿石为研究对象，通
第3期
过浮选试验、浮选动力学方程模拟，研究超声波作用对硫化镍矿物浮选行为的影响，试验结果表明，硫化镍矿的浮选速率符合二级矩形分布动力学模型，超声波作用可以改善粗粒级硫化镍矿的浮选行为。

同时通过粒度检测和浮选试验，研究超声波在硫化镍矿浮选中的作用，试验结果表明，超声波可以脱除硫化矿物表面附着的细粒脉石矿物，对于经过磨矿的矿物，在超声波预处理之后，可以得到更高的镍品位和回收率；验证试验表明，对粒度为-74μm占65%的磨矿产品，在保证MgO低于6.50%的前提下，超声波预处理可使镍精矿回收率提高20.57%。

姚卫东等[12]采用超声波对某磷矿选矿进行预处理，研究了超声波在作用时间与作用功率上对矿物颗粒表面电位的影响，以及超声波作用对矿物颗粒粒径的影响；通过擦洗脱泥和浮选2种选矿方式对超声波强化效果进行了对比。

试验结果表明，在不改变浮选药剂制度或者擦洗条件的情况下，使用超声波预处理能显著提高磷矿的富集。

欧阳嘉骏等[13-16]利用超声波预处理强化铝土矿浮选的脱硫效果，研究了前置超声波、同步超声波以及同时加载前置和同步超声波对铝土矿脱硫的影响。

试验结果表明，采用超声波前置处理5min条件下脱硫效果最佳，其脱硫率达到89.20%，且铝精矿硫含量降低为0.28%，与未经过超声波处理的铝精矿硫含量相比降低了20%。

同步超声波处理铝土矿矿浆4min，得到的铝精矿硫含量0.42%，比未经过超声处理的铝精矿硫含量0.55%下降了23.64%。

但在前置与同步超声波分别处理5min和4min条件下，铝精矿硫含量0.7%，相比只经过同步超声波处理4min得到的铝精矿硫含量0.42%升高了66.67%。

表明用前置超声波、同步超声波分别处理铝土矿矿浆对强化浮选脱硫产生了明显效果。

2浮选药剂分散乳化应用
C·勒特马瑟等[17]从理论和试验两方面，研究了在不同浮选阶段中超声波技术处理对泡沫浮选过程的改进，以石墨为例讨论了超声波处理对其浮选的影响。

在浮选矿浆分散、药剂乳化、矿浆与药剂搅拌中应用超声波技术可在精矿产率固定的情况下提高浮选效率、精矿纯度，降低精矿灰分含量。

在浮选试验中采用超声波技术分散矿浆和未用超声波处理相比，在石墨浮选精矿产品产率提高时，精矿灰分下降了2.3%，石墨精矿产品纯度得到提高。

陈东等[18-20]研究了超声波对浮选药剂的乳化分散作用，分别对黄药、黑药、油酸等普通浮选药剂进
行超声波作用机理研究，通过对超声波作用前后药
剂分散和乳化的效果进行对比。

染色处理水溶性且
没有明显特征的药剂，试验研究中药剂的分散速度
可以通过观察色素扩散的状态来实现；而针对难溶
性油脂类药剂，要掌握其乳化效果则要通过观察对
比灰度变化在乳化过程的状态来实现。

研究结果表
明，超声波在液相中可以产生空化现象，具体表现是
液体内出现了空气泡。

空化现象往往会伴随压力增
大以及温度升高，进而产生机械效应与热效应等。

空
化现象产生的原因是因为超声波能量容易集中。

在
宏观上超声直进流效应促进了部分搅拌作用，增强
了药剂的弥散和循环速度；在强大压力以及强烈的
局部扰动效应下可以使得药剂分子迅速地解离。

由
于温度的提高可以让药剂分子得到活化，这可以也
使某些难溶性的药剂溶解性得到提高。

由此产生的
效应都可以导致媒质的改变，故而可以从整体上促
进药剂的分散和乳化过程。

通过超声波技术对不同
浮选药剂的乳化分散效果的试验研究结果显示，超
声波技术可以应用于各类浮选设备，对内部药剂起
到加速扩散和乳化作用。

超声波技术可以使得浮选
药剂得以加速溶解与扩散，对难溶药剂具有弥散乳
化作用。

3矿石破碎应用
罗义昌等[21]研究表明，犹他粉碎中心发展了超声波粉碎技术，组装和研究了一台超声波粉碎设备。

超声波转换器被一种特殊的压电陶瓷对其预加4.1×104kPa的负载加以改进以获得最大强度的使用。

改进后的系统可以得到稳定以及快速的振动，进
而引发矿石产生疲劳破裂，因此可以达到更加有效
地粉碎成效。

探讨了超声波磨机的粉碎原理，用超声
波啮辊磨机成功地破碎了不同的物料，对不同物料
的超声波粉碎能力得到了反复验证。

石灰石的超声
波粉碎和干式球磨结果比较表明，超声波设备的产
品粒度分布比球磨机的产品更窄，特别是在粗粒段
产品的范围内残存大颗粒少，在细粒级范围内避免
了物料过磨。

这种特性使该设备除了在选矿领域的
应用外，还可在其他领域得到更为有意义的应用，例
如粉末冶金或材料科学领域可以在此基础上成功制
造高技术陶瓷和玻璃。

超声波粉碎设备的显著特点
在于可以准确地控制产品粒度。

任振等[22]将功率超声空化分散机理和机械搅拌粉碎机理的优点融合在一起，开发了一种新型的超
肖策环，等：超声波技术在矿物加工中的应用现状及展望29
第33
卷
声波纳米粉体粒子的生产设备，并对其进行了理论分析。

利用此试验设备在未达到粉碎平衡的条件下，一次制备就获得了平均粒径为68nm 的纳米颗粒，其中＜100nm 的颗粒占到80%；扫描电镜下观察表明，纳米粒子介质分散均匀、无团聚现象、球形度较好。

4
选矿测试应用
4.1
超声波粒度分析仪
根据声波的性质、衰减系数的性质，设计得到超
声波粒度分析仪。

流体介质对超声波的吸收，悬浮粒子对超声波的散射，是导致超声波衰减的主要因素。

超声波的衰减系数是介质浓度与粒度的函数，在介质的物理性质大致一样的条件下，在固定的传播距离内，频率相同的超声波在不一样的介质浓度、介质粒度组成情况下，超声波强度的衰减是不一样的。

另一方面超声波强度的衰减与介质粒度之间也会有着不同的非线性关系，这种情况会发生于不同频率的超声波作用在介质浓度与介质粒度相同的情况下。

现阶段，美国的Autometrics 公司以PSM （Particle Size Measurement ）
为代号的超声波矿浆粒度分析仪在矿物加工领域应用最为广泛；开发研制的第一代产品为PSM-100粒度计，适用于测量物料密度为2.5～3.5g/cm 3，粒度为＜0.053mm 占20%～80%的矿浆；PSM-200粒度计，适用于物料密度可达5g/cm 3，粒级为＜0.003mm 占90%的细粒物料。

目前已经研制出配有微机的PSM-400粒度计，可以处理体积浓度为60%的矿浆。

国内方面，马鞍山矿山研究院研制出与PSM 类似的CLY 型粒度计[23]。

4.2
超声波物位计
在梅山铁矿选厂原矿输出系统中，马鞍山矿山研究院根据该厂矿石特点，采用加拿大妙声力超声波物位计对矿仓中矿石的料位进行测量。

超声波物位计的原理是在矿仓顶部垂直向下安装超声波探头，探头可以间断地垂直向矿石面发射短促的超声脉冲，脉冲发出后，经过某时间，探头便可接收从矿石表面反射回来的回声脉冲。

系统稳定生产运行近十年，实践证明对于矿仓内的实际料位，超声波料位测量值能较好地体现，在生产运行中可以知道布料准确定量，杜绝矿仓出现空砸现象，或者发生溢仓损坏布料车的设备事故。

另一方面可以减少在恶劣环境下的工作人员数量，提高设备的运转率，有着显著的经济和社会效益[24]。

4.3
超声波流量计
超声波流量计的基本原理是基于声波的多普勒
效应。

其通过超声波在流动的介质中传播，根据接收到的超声波信息，能够检测得到介质的流速或者流量。

传播速度差法、多普勒法等是超声波流量计普遍使用的方法。

采用多普勒法的超声波矿浆流量计多应用于测量矿浆流量，无接触测量，不影响矿浆的流动是超声波矿浆流量计的主要特点。

超声波另一个特点是可穿透金属，将超声波换能器装在金属管道外面，能够使得超声波在流体内远距离穿透，可以适用在大管道的流量测定（直径可达2000mm ），流体的导电性及磁性不会对超声波造成干扰。

超声波矿浆流量计适用的流速为0～10m/s ，测量误差为
±0.1%～±0.2%[25]。

4.4
其
他
超声波清洗机的工作原理是利用超声波的高频振荡信号，通过超声波发生器发出，再经过换能器转换成高频机械振荡，进而在介质中传播，在清洗液中超声波疏密有致的向前辐射，继而在液体流动中产生数以万计的微小气泡，在声场的作用下这些直径为50～500μm 的微小气泡会产生振动[26]。

微小气泡形成并且生长于超声波纵向传播的负压区，而在正压区，当声压增长到某个数值时，微小气泡会急速增大，接着发生突然闭合，并在气泡闭合时产生冲击波，在闭合区域附近产生上千个大气压，使得不溶性污物受到破坏，然后分散在清洗液中，而黏附在清洗件表面的被油污裹着的团体粒子，固体粒子会发生脱离，油会被乳化，因此实现清洗净化的效果。

如今超声波清洗机广泛应用与矿物加工领域，应用超声波清洗机除去矿物表面杂质层，达到清洗或者脱泥的目的，另一方面促进选矿药剂的吸附。

此外，在选矿过程中矿浆浓度是一个非常重要的过程参量，显著影响着磨矿和分级效率、选别效果及选矿产品的浓缩和过滤。

超声波浓度计是利用超声波通过物质后，声学量的衰减与物质密度有关的原理设计的。

这些声学量包括声速、声阻抗、声强等。

5结语
超声波技术在矿物加工中的应用除前文所述外，还可以应用于金银的化学浸出强化，超声波技术强化选煤以及强化煤的脱硫、超声波技术强化矿物的凝聚与浓缩、过滤和脱水。

超声波在选矿测试技术中应用也还有超声波浓度计等。

此外超声波技术以其独特的特性，在物料的筛分、磁选、选矿厂废水的处理等方面也有着不错的应用，但目前大多还处于试验研究阶段，随着科技的进步，超声波技术将会更
30
第3期
加广泛地应用于矿物加工各领域。

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卷
Research Status and Prospects of Ultrasonic Technology in Mineral Processing
XIAO Cehuan,LI Zhenfei,HUANG Yunsong,LI Ping
(Ganzhou Nonferrous Metallurgy Research Institute,Ganzhou 341000,Jiangxi,China)
Abstract:This paper introduces the research status of ultrasound technology in the field of mineral processing.
Ultrasonic waves can produce strong sound wave intensity,good directionality,strong penetrating power,high energy density and high frequency stress,as well as characteristics such as bunching,orientation,reflection and transmission.As a result,ultrasonic technology is used for ore flotation pretreatment,application of flotation agent dispersion emulsification,ore crushing and beneficiation testing.In addition,the application status and development
trend of ultrasonic technology in mineral processing field are expounded in detail.
Key words:ultrasonic wave;flotation;pre-treatment;dispersible emulsification;mineral processing test
（编辑：游航英）
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刘
宏，王
赫.超声波清洗技术工艺研究[J].科技资讯，
2015，13（30）：89-92.敬告作者
为实现本刊的信息化和网络化，提高本刊的知名度、影响力和文章再利用率，《中国钨业》已入编《中国学术期刊（光盘版）》、《万方数据———数字化期刊群》、《重庆维普中文期刊数据库》、《超星“域出版”平台》和《华艺学术引用文献数据库》等，作者稿件一经录用发表，将同时被多种数据库全文收录。

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《中国钨业》编辑部
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