产业名家 | 选矿工业科技进步为铜业高质量发展赋能——以铜矿石筛分技术为例

（摄影：赵志霄）

铜具备优良的延展性、导热性、导电性和耐腐蚀能力，被广泛应用于电气、机械制造、建筑工业、交通运输等领域，在金属材料消费中仅次于钢铁和铝。近年来，随着战略性新兴产业快速发展，铜应用领域进一步拓展。在新能源领域，每兆瓦风电装机需要约3.6吨铜，每辆电动汽车用铜量是传统汽车的3-4倍；在高端装备制造领域，航空航天、高速铁路等产业对高性能铜合金的需求持续增长。铜在新兴领域的广泛应用使其成为多个国家高度关注和争夺的战略性矿产资源之一。

针对铜矿资源开发利用，近年来我国开展了一系列具有重大意义的科技创新工作。当前，我国矿业领域科技创新力量主要来自矿山企业、高校科研院所以及装备制造企业。以中国五矿为代表的矿山企业，在矿山数字化、智能化方面多次取得重大突破，建成了多个智能矿山示范项目；以江苏亿亿和华筛分设备有限公司为代表的装备制造企业，打破国外技术垄断，开发了多种具有自主知识产权的高效选矿设备；以中国矿业大学为代表的高校科研院所，在矿产资源绿色开发、清洁高效利用等领域持续攻坚，取得了多项重要理论成果。面向未来，可进一步构建“大型矿山企业-装备制造企业-矿业类高校”科技创新联合体模式，有效整合各方优势资源，聚焦国家战略性矿产资源开发利用的重大战略需求，开展创新体联合攻关，打通科技创新与成果转化最后一公里。

选矿工艺是实现铜矿高效清洁利用的源头技术

目前，全球铜矿资源非常丰富且分布广泛，但储量主要集中在智利、秘鲁、澳大利亚等少数国家。我国作为全球最大的铜冶炼国和消费国，铜矿资源分布广泛、贫矿多、富矿少，资源禀赋不佳，面临着较为严峻的铜矿资源供应问题，特别是在高品位铜矿资源的获取上存在较大困难。从铜资源储量来看，目前世界范围内已经探明的铜资源储量高达10亿吨，然而，我国铜资源储量仅为0.41亿吨，无法匹配我国精炼铜生产与铜消费规模。同时，我国近年新增的铜矿资源大多位于西藏等高寒、高海拔地区，自然条件恶劣，勘探和开采难度大，极大地增加了铜矿开采成本和技术挑战，导致国内铜矿产能和产量增长有限，产业链以冶炼加工为主，铜加工费易受矿端供应影响。随着国内环保政策收紧，部分大型矿山限产、中小型矿山关闭的现状导致我国对进口铜矿资源依赖度进一步加剧，我国在全球铜矿市场中的话语权和供应保障能力将面临挑战。通过积极实施“走出去”战略，我国在海外铜资源开发上取得显著成效，有效弥补了国内铜资源短缺问题，但如何在铜矿资源开发过程中，更高效、环保地利用已有资源，减少资源浪费，提高我国铜矿资源开发利用率仍是目前亟待解决的问题。

选矿能够实现有用矿物的富集分离，是矿产资源高效清洁利用的源头技术。近年来，由于我国铜矿成矿带分布广泛且不均匀特征明显，随着铜矿探矿以及开采力度的持续加强，目前我国铜资源矿床多分布于青藏高原等地质条件复杂区域，呈现品位低、共伴生矿物复杂以及开采难度大的特点。在这一背景下，铜矿选矿工艺作为提高资源利用率、降低生产成本以及减少环境影响的关键技术，显得尤为重要。硫化铜矿是我国最主要的铜矿类型，出自不同产地的硫化铜矿共伴生矿物组合以及矿石品位存在不同，其贵金属含量也会存在明显差别。因此，在铜矿选矿技术工艺的过程中，需要综合考虑上述影响因素进行合理选择与应用实践。

图1：选矿是实现铜矿高效清洁利用的关键

筛分技术科技进步助力铜矿选矿工业发展

筛分是矿产资源高效清洁利用的关键环节，原理是按物料粒度大小将其分成两种或多种不同粒级产品，在选矿过程中主要承担着准备筛分、检查筛分、脱泥筛分、脱水筛分、脱介筛分、尾矿干排等功能。筛分贯穿于铜矿选矿流程的多个关键环节，对提高选矿效率、提升精矿品位、降低能耗和成本具有关键作用。在破碎磨矿阶段，对原矿进行筛分可用于去除原矿中大块废石，避免对破碎设备造成过载或损害，并且通过筛分能够高效分离出符合要求的矿石颗粒，使其直接进入下一阶段的工艺流程，从而避免不必要的能量浪费和过度破碎；在铜矿浮选阶段，如果进入浮选系统的矿物过粗，浮选反应的速率会显著下降，矿物颗粒与气泡的结合效率降低，导致浮选的分选效果恶化，矿物回收率降低。相反，如果矿物颗粒过细，将导致矿浆中的矿物表面积增大，使浮选泡沫中含有过多的细粒矿物，由于这些细粒矿物难以被有效分离，从而造成资源的浪费，同时当矿物粒度过细时，常导致颗粒吸附过多浮选药剂，造成药剂不均匀分配。因此，对于磨矿后的矿浆，需要通过筛分进行粒度控制，使符合浮选工艺粒度要求的矿物进入浮选工艺，确保进入浮选槽的矿物粒度均匀，更有利于矿物单体解离，使浮选过程中的泡沫更加稳定，矿物颗粒与气泡的结合更为紧密，从而降低浮选难度，提高浮选效率；在浮选尾矿处理阶段，筛分可以帮助分离残余药剂颗粒并实现循环利用，降低药剂消耗成本；同时，通过高精度筛分技术，可从尾矿中分离残余的有用矿物，从而提高资源的利用率。

图2：筛分是铜矿高效清洁利用的关键环节

近年来，随着铜矿石品位的降低，尤其是对于硫化矿等伴生矿复杂的矿石，原矿需要通过更精细的研磨才能被充分破碎解离，破碎与磨矿粒度越细，有用矿物越易被解离，从而提高后续分选作业的效率和有用矿物的综合回收率，降低矿石损失。对于筛分作业而言，这意味着需要进一步降低筛分粒度下限，而随着筛分粒度下限的降低，常导致筛分环境进一步恶化、筛机处理能力降低，筛分效果变差。因此，研究清洁高效的干法深度筛分技术，进一步突破传统干法深度筛分粒度下限，为铜矿选矿过程中有用矿物的高效分离回收提供技术支撑，对实现我国铜矿资源的高效清洁利用具有重要意义。

在铜矿选矿工艺的传统干法筛分过程中，筛分效率的降低受到多种因素的共同作用。首先，传统干法筛分过程中，当矿石中的粒度级物料颗粒接近筛孔尺寸时，受摩擦与阻力的影响，易发生筛孔卡堵现象，严重影响筛分作业的流畅运行，导致筛分环境恶化，筛分效率降低。同时，在细粒级物料的筛分过程中，由于细小颗粒的比表面积较大，且带有一定电荷或表面活性，常导致颗粒间相互吸附，形成颗粒团聚现象，增大矿物粒度，使颗粒难以通过筛孔从而堵塞筛面。随着筛面堵塞程度加深，筛分设备透筛能力大幅下降，处理能力随之减小，设备的筛分精度和处理能力下降，导致矿物颗粒的分布不均和筛分不彻底，增加后续分选作业的难度，最终影响铜矿资源的综合回收率和最终的经济效益。

以国内筛分行业领军企业江苏亿亿和华筛分设备有限公司为例，作为专业从事筛分装备研发、生产和销售的国家级高新技术企业，凭借前沿的技术理念、领先的生产工艺体系和先进的研发中心，产品技术水平居国际领先，是国内最大的聚氨酯筛板生产企业。已取得36项相关专利技术，通过知识产权管理体系认证、ISO9001质量体系认证、ISO14001环境体系认证、ISO45001职业健康体系认证。公司产品广泛适用于铜矿选矿和矿粉制备等领域。近年来，针对铜矿石筛分过程中筛面易损、筛分效率低等难题，江苏亿亿和华筛分设备有限公司与中国矿业大学科研团队开展产学研合作攻关，突破传统单一刚性/柔性筛面结构设计理念，提出了高性能刚柔耦合弹性筛分方法，研发了高性能刚柔耦合弹性筛面，揭示了粘湿煤炭弹性筛分机理；明晰了料群非线性透筛特性，开发了弹性筛面特性的空间适配技术；研发了高性能刚柔耦合弹性振动筛，提出了多级深度筛分-分选联合工艺，实现了矿物大规模提质加工，在多家大型矿山企业得到了推广应用。技术成果推广应用到有色金属、黑色金属、煤矿、非金属矿等矿山领域，并拓展至城市建筑固废、化工、冶金等领域，用于粘湿细粒物料的分级、脱泥、脱介、脱水等作业。

图3：代表性铜矿石筛分装备

筛分技术的科技进步通常由理论创新，演化为技术创新，最终推动选矿工艺革新。以代表性科技成果“刚柔耦合弹性筛分技术”为例：理论创新方面，将线性透筛分布模型发展为非线性透筛分布模型，阐明了料群运动行为与堆积演变机理，明晰了宽尺度料群非线性透筛分布规律，建立了料群透筛分布概率方程；基于料群的非线性透筛分布特性，优化了沿料流方向弹性筛面特性的空间适配布置，“硬度-孔径-开孔率”呈梯级递增，实现了粘湿细粒物料高效筛分，3mm筛分效率达81.67%。技术创新方面，将单一刚性/柔性筛分发展为刚柔耦合弹性筛分，提出了刚柔耦合弹性筛面设计方法，由金属、玻璃纤维等刚性骨架与聚氨酯柔性筛面整体浇筑制成，面具有高强度、高弹性、耐腐蚀、耐冲击等特点；建立了刚柔耦合弹性筛面动力学模型，阐明了筛面多自由度运动特性，揭示了刚柔耦合弹性筛分过程堵孔消除机理，解决了筛面堵孔难题，面振动强度提高60%以上，筛分效率提高 5%，筛面使用寿命提高50%。研究成果“高性能刚柔耦合弹性筛面”，被鉴定为技术水平居国际领先。

铜矿石筛分技术发展方向是装备大型化智能化

未来，随着铜矿选矿技术的不断发展，选矿装备的大型化和智能化对推动铜矿选矿工业的科技进步具有重要作用。当前铜矿石选矿过程中，振动筛作为重要的筛分设备，仍存在许多亟待解决的问题。传统的振动筛激振系统布置方式单一，且参振质量较大，在增加设备能耗的同时，常导致筛机在运行过程中产生剧烈噪音。在应对多样性的矿石颗粒和差异化的物料流动特性时，传统振动筛常面临筛分效果不均的问题。随着铜矿石品位的降低，在处理复杂和难以筛分的物料时，例如硫化矿和伴生矿的处理过程中，传统振动筛的筛分精度较低，筛分效果较差，难以满足高效、精细筛分的需求。同时，传统振动筛在筛分过程中，由于入料时的撞击、物料对筛面的持续冲击、以及物料透筛的时变重载激励作用，筛体的动力学特性极为复杂，使得设备的运行状态难以准确监测和评估。由于振动筛工作时所受的外界力和工作状态在不断变化，人工巡检无法对设备的实时运行状态进行数值化和智能化的判识。因此，难以实现筛分过程的精准调控，无法有效预测设备故障、优化筛分参数，严重影响了生产效率和设备的维护保养周期。大型振动筛的高效可靠运行对保障工业领域的连续生产至关重要。

为应对复杂矿石的筛分需求，提升筛分效率和精度，未来振动筛将向着更大规模、更高效、更智能的方向发展。通过引入智能化技术，实现对筛分过程的精准监控和调控。运用先进的传感器和大数据分析技术，实时采集设备的运行数据，并基于智能算法进行实时分析与预测。从而对筛分设备的故障隐患提前诊断预警，并对筛分过程进行精确智能调整，优化筛分效果，提高生产效率。在应对复杂矿石的筛分难题时，通过智能化系统按照物料特性和筛分条件变化自动调整激振系统参数，确保筛分效果保持在最佳状态。同时，通过筛分设备的大型化，显著提升振动筛的处理能力和稳定性。随着设备规模的扩大，振动筛能够处理更大吨位的矿石，满足大规模铜矿生产的需求。而将筛分设备大型化与智能化技术结合，可为大型振动筛提供更强的适应性和灵活性，确保在复杂的矿石筛分任务中依旧能够高效、稳定地运行。进一步结合神经网络和机器学习技术，可在未来实现选矿设备的自我优化，根据生产需求动态调整作业模式，从而降低选矿流程的能源消耗，提升设备的运作效率。

当前，传统振动筛由于结构复杂、动力学特性难以精确控制等特点，导致智能化发展较慢，调控水平较低，无法充分发挥其在复杂矿石筛分中的潜力。因此，需要针对国内外大型振动筛的智能调控困难的关键瓶颈，从技术创新和装备研发等多个层面着手，开发安全高效可靠的大型智能筛分装备。通过跨行业、跨领域的合作，联合科研机构、高校与企业，共同开展筛机及其他选矿装备的创新研发工作，推动传统铜矿石选矿装备制造行业的产业优化升级，进一步提升我国选矿装备智能化技术集成与自主研发水平，为我国铜矿选矿行业现代化、智能化进程提供强有力的支持。

作者 | 中国矿业大学教授、博士生导师 石巍

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