任瑞晨-矿物加工工程与测控自动化-1第一讲 矿物加工工程学科及其研究方向概要2.ppt

矿物加工工程学科、专业与学术研究方向暨选矿过程测控技术概要第一讲矿物加工工程学科及其研究方向概要,辽宁工程技术大学资源与环境工程学院矿物加工工程系任瑞晨TEL/FAXE-mail:ruichenren（2007年3月）,第一讲矿物加工工程学科及其研究方向概要,0辽宁工程技术大学矿物加工工程学科教学与研究方向0.1矿物加工工程学科、学术概要0.2矿物加工工程在国民经济中的地位0.3矿物加工工程学科教学、科研体系及与相关学科关系0.4材料科学四个要素与矿物加工工程技术的联系与借鉴1矿物加工工程学科研究与发展基础矿物学分析研究2选矿工程概要3矿物与岩石深加工与矿物材料制备主要工艺概要4矿物资源综合利用概要5洁净能源工程概要6分析测试检测控制7企业管理8矿物加工工程化与产业化研究9矿物材料计算与设计10矿物材料11矿物加工工程学科发展方向,矿物加工工程为矿业工程一级学科中的二级学科。全国约有24所院校开办矿物加工工程专业。什么是矿物工程？矿物工程(MineralEngineering)是根据自然界矿物物理、化学或物理化学性质的差异，利用物理、化学或生物化学的方法，将矿产资源中有用矿物(或有用成分)和脉石矿物(或有害成分)分离的综合加工过程，亦称为“矿物加工工程”或“选矿工程”。矿物加工工程从其现有的学科范围来说,是一门从矿物资源(矿物、煤炭、二次资源、工业与生活废弃物等)中,通过分离、富集、提纯等物理的和化学的加工处理,提取有用物料的科学技术。矿物加工工程的发展与人类对自然界矿产资源日益扩大的质与量的需要密切相关。选矿过程本身已有很长的历史发展过程。很早就有手工拣选,后来发展成为简单工具洗淘从砂石中间回收金、银、锡等密度大的矿物，天工开物早有记载，这属于选矿的原始阶段。19世纪以后国外相继出现了机械选矿设备如活塞式跳汰机、摇床、静电选矿机、磁选机等，使重力选矿、磁选和电选等物理选矿技术有较大发展，从而促进了冶金工业大规模发展。,0.1矿物加工工程学科、学术概要,辽宁工程技术大学矿物加工工程学科、学术发展概要,辽宁工大矿物加工工程专业规划其学科研究内容是：学科、学术研究基础：应用矿物学研究辅助作业选矿矿物提纯、超细粉碎、重选精加工粉体及其化学改性、矿物的浮选与球化、筛分破碎磁选矿物材料烧结与固化磨矿分级光电选制备煤基材料作业湿法冶金煤炭深加工-型煤、水煤浆洁净能源煤炭气、液化与煤化工生物能源共、伴生矿物与工业及矿山废弃物资源化矿物分析检测技术；现代企业管理研究矿物加工工程与产业化、自动控制技术由此图可见，矿物加工工程研究内容十分广泛，体现了各种加工技术的应用。,矿物材料计算与设计(MMCD),功能性矿物材料,0.2矿物加工工程在国民经济中的战略地位0.2.1矿物加工工程在矿业工程中的地位,国民经济需求,地质勘探,资源评价,各级储量岩矿分析与鉴定矿物学研究,矿业工程,选矿工程,采矿工程,安全工程,金属矿选矿,选煤,非金属矿选矿,0.2.2矿物加工工程在国民经济中的战略地位,资源消耗（能耗）过快、过猛，必须重视资源高效开发与综合利用问题我们历来都把矿产资源称作“宝藏”，把能源和原材料矿产称为工业的“血液”和“粮食”。矿产资源是人类赖以生存和社会发展的基础。目前，我国80%以上的工业原材料、90%左右的能源、70以上的农业生产资料和30以上的生活用水都来自矿产资源。我国矿产资源勘查开发不断取得巨大成就。形成了能源与原材料矿产品较强的供应系统，有力地支持了国民经济和社会发展。截至目前，我国已发现171种矿产，探明储量的有158种。其中，能源矿产10种，金属矿产54种，非金属矿产91种，其他水气矿产3种。矿产地约18000处，其中，大中型矿产地7000余处。在诸多矿产中，石油、天然气、煤、铁、铜、铝、硫、磷等45种主要矿产，对国民经济发展发挥了无可替代的重要作用，为我国的工业化做出了巨大的贡献。,但是，我们在发展中也付出了较高的资源环境代价。我国单位国民生产总值的金属消耗量是世界平均水平的近4倍。在过去的20年，我国GDP翻了两番，能源消费量也翻了一番。随着各国经济的不断发展,社会对矿产品的需求越来越多,它一方面促进了矿物加工工程技术的进步,另一方面污染了人类生存的环境。如何使矿产资源开发与环境保护协调发展,是目前世界各国面临的共同问题。而自然资源开发利用的深度和广度,依赖于科学技术的发展,其中选矿技术的发展起着很关键的作用。例如每立方公里的岩石中含Al2300万、Fe1300万、Cu26万、Sn10万、Au1万、U7000。如果用高新技术将其分离，则地球上提供我们可利用的资源是非常宽广的，这将极大地促进社会经济的发展。,中共十六大报告中有关国土资源的论述（2004-7-7，9:38:26）1、在总结十三年的经验，坚持以经济建设为中心，用发展的办法解决前进中的问题时报告指出：坚持扩大内需的方针，实施科教兴国和可持续发展战略，实现速度和结构、质量、效益相统一，经济发展和人口、资源环境相协调。2、在认识我国社会主义初级阶段发展现状时报告指出：生态环境、自然资源和经济社会发展的矛盾日益突出；我们仍然面临发达国家在经济科技等方面占优势的压力。3、在确定全面建设小康社会目标时报告指出：可持续发展能力不断增强，生态环境得到改善，资源利用效率显著提高，促进人与自然的和谐，推动整个社会走上生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路。4、在走新型工业化道路，大力实施科教兴国战略和可持续发展战略中报告指出：坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子。提出：必须把可持续发展放在十分突出的地位，坚持计划生育、保护环境和保护资源的基本国策合理开发和节约使用各种自然资源。,十六大及两会热点与矿物加工工程（一）,十六大及两会热点与矿物加工工程（二）,资源环境长期以来，我国以资源的过渡消耗、环境的毁灭性破坏，来换取高的经济增长速度，造成资源的大量消耗和浪费与环境的污染、甚至是无法治理了。（从“有水快流”时开始）2006年，我国确定了5年内单位GDP能耗降低20和主要污染物排放总量降低10的目标。今年两会前夕，有关部门公布了2006年全国降耗减排结果，单位GDP比2005年下降1.23,没有实现预期目标。又快又好又好又快改变经济增长模式，利国利民，真正体现了“走新型工业化、可持续发展道路”。,我国的矿产的总体状况：一是资源总量较大，但人均资源量少。我国矿产资源总量约占世界的12%，居世界第3位，但人均资源量仅为世界水平的58%，居世界第53位。二是矿种比较齐全，但部分矿种供需失衡。三是大宗支柱性矿产中，大型矿床和容易选冶的矿产地少，中小矿和共生伴生矿多。四是在查明资源中，可直接开发利用的少，需要进一步提高勘查程度和经济技术评价的多。目前，我国已有2/3的国有骨干矿山进入中后期，400多座矿山因资源逐步枯竭濒临关闭，有的已停产闭坑，大量矿工面临下岗。这不仅威胁到资源供应，同时，由此带来的社会问题也日益严重。我国石油已连续11年净进口，并且进口量急剧上升。2003年，原油、成品油进口量已超过1亿吨，铁矿石进口量超过1.4亿吨，这已占到世界自由贸易量的50%；铜精矿和氧化铝消费量的50%以上都依赖进口。2010年前后，将出现金属老矿山关闭的高峰，37%以上的产能行将消失。这样，大宗矿产的进口量势必逐年攀升。,资源消耗（能耗）过快、过猛，必须重视资源高效开发与综合利用问题,对45种主要矿产资源可供性新一轮论证的结果表明：到2020年，国内可开采储量能保证需求的有煤、天然气、稀土、菱镁矿等14种；煤炭我国煤炭资源丰富，但多数含硫高，开发利用的环保要求高。现探明储量中，可供建井的储量少。长期开发利用率低，布局不尽合理，开采秩序混乱、破坏浪费资源和污染环境现象相当普遍而且严重，发展生产需要解决投入、运力等问题。可保证需求40-70%的有石油、铁、锰、铅、铝土矿、镍、锑等9种，金刚石、铂、钾盐等缺口较大。石油最重要的战略资源。2003年，我国成为世界上第二大石油消费国和第七大石油进口国。我国至今累计探明石油可采储量63.95亿吨，其中，剩余可采储量24.28亿吨。预计到2010年，我国石油需求量将超过3亿吨；2020年，将达到4.2亿吨。若国内石油生产能力维持在目前水平，且同期的石油资源勘查不能取得重大突破，那么，到2010年，国内石油需求的保证程度不到60，到2020年，只有40%左右。,重要大宗固体矿产如铁、锰、铝、铜、磷等，国内资源贫矿多、共生与伴生矿多、难选冶矿多，开发难度较大。许多五六十年代建设的主力矿山有相当一部分已难以为继，这些大宗矿产的可供性持续下降。据测算，2005年的对外依存度，铁精矿将超过60%，富锰矿达到69%，铬铁矿达到85%，铜矿达到50%，钾盐达到80%。优势矿产我国钨、锡、锑、稀土等矿产储量、产量均居世界首位。但一度乱采滥挖，资源被破坏浪费严重。由于过量开采、低水平加工，甚至根本不加工，只出口原料，加上多头出口竞相压价，曾出现产量、出口翻番，而创汇减少过半的情况。国内丰富的建材矿产保障了加快建设的需要。但在开发利用中也存在粗放开采、盲目建设等不少问题。,大力发展矿物加工工程产业，提高科学技术及其工艺技术水平，是提高资源利用效率和保护环境的重要措施之一！,国民经济的发展不断给材料及矿物加工提出新的要求，当代众多高新技术产业，如生物工程、微电子技术、航空航天工程、高技术陶瓷等与矿物材料密切相关，矿物加工是各种材料制备的重要的基础与中间环节。矿物加工更与人类社会面临的资源、环境和人口问题密切相关，直接关系到贯彻和落实科学发展观。而矿物加工工程作为流程工业，其科学技术及产业化水平，必须依靠分析检测及其控制技术的发展。,0.3辽宁工大矿物加工工程学科教学、科研体系及与相关学科关系,0.4材料科学四个要素与矿物加工工程技术的联系与借鉴,辽宁工程技术大学矿物加工工程专业学科五个主干研究方向,岩矿分析与鉴定；矿物组成、结构等工艺矿物学研究矿物组成与性质及其与加工利用的关系研究,化学分析；SiO2;Al2O3;M2O；Na2O;,矿物工艺性能分析研究煤炭：Q、A、S、P非金属矿膨润土：胶质价、膨胀容、吸兰量等;高岭土：白度、粒度,XRD/DTA/SEM矿物微区形貌、成分、结构等分析,物理化学基本分析技术声、光、电、磁、热等基本分析测试,检测与分析仪器设备设计制造离线分析仪器设备,结合MMCD，光机电一体化，ERPoredressing;mineralseparation）选矿就是利用矿物的物理或物理化学性质的差异，借助各种选矿设备将矿石中的有用矿物与脉石矿物分离，并使有用矿物相对富集的过程。选矿学是研究矿物分选的学问，是一门分离、富集、综合利用矿产资源的技术科学。2.2选矿加工的主要目的使矿石中的有用矿物和脉石矿物相互分离，富集有用矿物。除去矿石中的有害杂质。尽可能回收伴生的有用矿物，充分而经济合理地利用矿产资源。对矿石或选矿产品进行粉磨加工，并分为不同规格的最终产品。工业矿物（industrialmineralsandrock）加工技术的发展，可以使许多低品位的矿床得到开发，扩大矿产资源；同时也可提高产品档次，扩大应用范围。例如经选矿提纯的膨润土精矿，可用于生产有机膨润土、凝胶等高档制品。,2选矿工程概要,2.3选矿工程的任务,选矿工程的发展就有可能对自然界“含量贫、结晶细、成分杂”的矿产资源进行开发、利用,并为下一步的深加工提供经济上合理、技术上可行的初级原料或产品。由此可以看出选矿学科在国民经济发展中的重要战略地位,确定它的具体任务是:1)提高有用矿物的品位，扩大矿产资源的利用处理范围据勘查我国贫矿多，富矿少，许多贫矿资源均需经选矿处理后才能作为下一步的工业原料。如：黑色金属中的铁矿石，品位大于50%者仅占全国铁矿总量的23%，其余均需选矿后制造成人工富矿才能作为炼铁原料；有色金属中的铜矿石，铜品位大于2%者仅占我国铜矿石总储量的6%，含铜小于1%占75%，都需经过选矿；非金属矿石中磷矿石，品位大于或等于30%者仅占7%，其余都必须经过选矿处理才能利用。,选矿任务之二,2)提高产品质量煤炭也需要洗选，降低灰分和硫、磷含量，才能生产合格的冶金焦炭。非金属矿高岭土、膨润土、沸石、萤石、硅灰石、硅藻土、绢云母等都需要去掉铁、钛等杂质和提高白度；,3)共生、伴生成分的综合利用有色金属矿石常是共生产出，由于它们互为杂质无法利用，需经选矿处理将所含矿物分离后分别富集才能作为冶炼原料。我国共生、伴生矿石特别多，例如白云鄂博、攀枝花、大冶、长阳等铁矿石都属复杂共生矿石，它们占我国整个铁矿资源的40%以上。有色金属共生、伴生矿产占75%以上，如铜铅锌共生矿，铜精矿中的铅、锌是杂质；铅精矿中的铜、锌是杂质；锌精矿中的铜、铅是杂质；只有把他们分离后富集，方才能成为铜精矿、铅精矿、锌精矿。贵金属的40%和银的75%为伴生矿。,选矿任务之三,4)二次资源的开发利用二次资源包括废旧金属及其它固体废料，废水和废气的治理和利用，在很大程度上依靠选矿技术。自然矿产的最大特点是数量有限和开发的一次性不可再生资源，因此“资源的循环使用”是最大的节约。据专家们统计，回收利用废旧金属消耗的能源与新开发矿产资源对比非常经济，其能耗比，铜为1/6,镍为1/10，铝为1/20，镁为1/21。美国每年再生金属占西方国家40%,其价值达100多亿美元。我国废钢利用率尚低，废旧有色金属利用率仅占总产量的11.2%左右。“三废治理、环境保护”是目前世界共同关注的问题。例如我国全国固体废料已堆有80多亿，占地90多万亩，目前固体废料的利用率约24%，每年有76%左右的固体废料堆存。,选矿任务之四,5）节水与水资源的再利用水是人类宝贵的资源。一般来说,工业产值每增加1%,工业废水增加0.65%。我国水资源不丰富，人均占有水量只相当于世界人均占有水量的25%,随工业的发展，用量加大，排放的污水量会增加，反过来又加大了对原有水源的污染。因此，水资源的合理利用与污水治理已成为当务之急。选矿工业用水量很大,排放的尾矿又是很大的污水源，节约选矿用水及循环水的使用有非常重要的意义。,选矿任务之五,6)海洋资源的利用海洋资源包括海水中溶解的盐类物质和洋底锰结核。海水中含有36种元素,除可提取NaCl、KCl、MgCl2、Na2SO4、MgCO3B、I、Li、外，还可以提取U、Th及氚等能源物质，开发利用前景广阔。地球总面积的2/3为海洋,其中15%洋底覆盖有锰结核，总量约23万亿,仅太平洋就有1.7万亿,而且锰结核中富含Mn、Ni、Co、Cu、Fe等元素。例如我国沿海深2000处就有大量含Co(0.5%)较高的锰结核。其中Mn、Ni、Co为陆地较缺少的资源，因此目前已有一些国家(包括我国在内)积极进行洋底锰结核的开发、利用研究。从长远看,我国陆地短缺的一些矿产资源有可能由开发洋底资源弥补。,选矿任务之五,2.4一般选矿加工的主要特点选矿目的大多是为了获得具有某些物理化学特性的产品，而不是为获得某种有用元素。例如，石棉矿石选矿是为了获得具有一定长度和抗拉强度的石棉纤维；金刚石矿石选矿是为了得到结晶完好的金刚石颗粒。选矿的任务不仅在于富集有用矿物，去除有害杂质，同时需要进行粉磨、分级，生产不同规格的系列产品。例如，石墨选矿的精矿，应按粒度和含碳量分级，生产不同品位和不同粒度的产品；高岭土产品按用途分为造纸涂料级、造纸填料级、陶瓷级、搪瓷级、橡胶填料级等品种。选矿加工中应注意保护有用矿物晶体，否则可能影响其工业用途和价值。因而常采用破碎强度较低或具有选择性破碎功能的设备；工艺流程则多采用多段破碎(磨矿)多段分选的流程。选矿指标一般以有用矿物的含量为依据，而不是矿石中某种元素的含量。,2.5工业矿物选矿加工的基本作业包括选前准备作业通过破碎或磨矿将矿石粉碎，使有用矿物和脉石矿物达到单体解离。一般将最终产品粒度为5mm以上的粉碎过程称为破碎；取得更细产品粒度的粉碎过程称为磨矿；产品平均粒度小于10m的粉碎过程称为超细磨矿。破碎与筛分作业粒度分级别：300mm、100mm、50mm、25mm、13mm、6mm、3mm、2mm、1mm、0.5mm、0mm。粗破：入料粒度为-300mm，排料粒度为50mm；中破：入料粒度为10050mm，排料粒度为25mm；细破：入料粒度25，排料粒度1510mm；相应的筛分机筛孔同粒度分级别。圆振筛、直线振动筛、固定筛等。,磨矿与分级作业通常将磨矿划分为4个阶段：粗磨:入磨粒度为255mm，排料粒度为10.3mm；中磨:入磨粒度为255mm，排料粒度为0.10.074mm；细磨:入磨粒度lmm，排料粒度0.074mm或0.044mm；超细磨:入磨粒度0.074mm，排料粒度0.010mm。矿石粉碎的难易程度，主要取决于矿石的结构和矿物的结晶形态(矿物的机械性能)。分级是将矿石基本上按粒度大小分离的过程，包括筛分、水力分级和风力分级。分级作业通常与粉碎作业相配合使用，组成粉碎分级机组。辅助作业脱水、过滤、干燥等运输、转载等,选别作业采用适当的选矿方法，将已单体解离的有用矿物和脉石矿物分离开。选矿方法有重选法、磁选法、浮选法、化学选矿法、电选法、风选法、光电选矿法等。重选法按原理可分为分级、洗矿、跳汰选矿、摇床选矿、溜槽选矿、重介质选矿和风力选矿等。前两类是按粒度分选的过程，后五类主要是按密度分选的过程。摇床选矿分选效率高，是用于粗、扫选作业，回收率可达80以上，缺点是单位面积处理量低，占地面积大。三种主要选矿技术及其原理重选以流体力学为学科基础,根据不同矿物的密度差异,在一定的介质中进行不同矿物的分选。主要用于选煤和非金属矿选矿。电磁选以电磁学为学科基础,根据不同矿物磁性的差异分选不同矿物。主要用于选铁、锰矿等。浮选以化学为学科基础,根据不同矿物表面物理化学性质的差异,实现不同矿物的分选。主要用于金属矿金矿、铅锌矿、钼矿等选矿。化学选矿化学选矿是基于矿物和矿物组分的化学性质的差异，利用化学方法改变矿物组成，然后用相应方法使目的组分富集的矿物加工工艺。它是处理和综合利用某些贫、细、杂等难选矿物原料的有效方法之一，也是使未利用资源资源化和解决三废（废水、废渣、废气）处理、变废为宝及保护环境的重要方法之一。,3矿物与岩石深加工与矿物材料制备主要工艺概要,3.1非金属矿物初加工安徽东方钙业公司装备有：国内第一条意大利进口的双D式蓄热立窑氧化钙生产线；一条具有国内领先水平的旋转预热式窑，年产15万t氧化钙。一条具有国内领先水平的干法年产6万t超细氢氧化钙。还建有年产3万t重质碳酸钙和3万t颗粒碳酸钙、白云石生产线。,某公司拥有储量超亿吨的优质石灰石和白云石矿山,3.2非金属矿深加工矿物粉体改性、改型程序简图活性矿物材料制备原理图,3.3矿物功能材料,矿物资源综合利用概要“三有”有价元素提取、有益组分与有用矿物分离、富集和直接利用、组合利用,粉煤灰分选原则加工工艺流程图,煤矸石综合利用技术与产品图示,利用多种矿产资源联合开发，实现矿产最大限度增值。如：非金属矿产与能源开发相结合，联产多产品。东方钙业公司发展战略规-石灰石梯度深加工、联产系列产品简图,钙肥等13个方面系列产品氢氧化钙+CO2轻质碳酸钙+H2O+CO2+控制晶形纳米碳酸钙+C碱性肥料（石灰氮）石灰石氧化钙氰化物氰氨化钙氰融体：用于采金、特种钢淬火双氰氨、三聚氰胺、硫脲和胍+C氰氢酸、硝酸、铵盐用于军工乙炔有机合成化工原料碳化钙脱硫剂生产优质钢制高炉砖炼钢炉炉衬分析化学试剂（粉料）建筑工程防潮剂、测湿剂,资源综合利用，实现节约和循环型经济,矿物肥料生产工艺技术路线简图东方钙业有限公司安徽省十五二期技术攻关产业化项目,5洁净能源工程概要,选煤（第二讲专题介绍）水煤浆（略）煤化工（略）煤基材料（略）生物质能源（略）,矿产资源梯级深加工、联产多产品，形成产业群如，煤炭梯级深加工、联产多产品。该技术路线不是多种煤炭转化技术的简单叠加，而是以煤炭资源价值的合理利用为前提，建立在相关技术发展水平基础之上，以提升价值、经济效益等综合目标函数的多个子系统的优化集成。如图1、图2所示。,对于低变质程度的长焰煤进行梯级深加工，是提高其使用价值，进而提