5.3.2　有色金属的精细分离

5.3.2　有色金属的精细分离

炉渣中铜的升级，主要是提高最终铜精矿的纯度，这就涉及了有色金属的精细分离问题。铜与铝的分离，已经在铝升级一部分中作了讨论，而有色金属更一般的分离，这里通过两个例子予以说明。

5.3.2.1　利用电磁传感器实施的有色金属分离

电磁传感器（EMS）使用金属与交变磁场之间的相互作用，作为非铁金属之间的一个区分标准，同时使用微气嘴与喷射气流将其分离。基于涡电流和ECS的EMS的示意图，如图5-23所示。

EMS包含两个主要元件，也即发射线圈和接收线圈。发射线圈创建一个交变电磁场，与靠近线圈放置的金属颗粒相互作用。用获取信号的接收线圈测量这一相互作用。由交变电源电压激励发射线圈。

磁场强度H对磁通量密度B和磁通量Φ负责，磁通量Φ为B的法向分量在相关面积a上的积分。通量的振荡性在放置于线圈下方的材料中感生了循环（涡）电流，方向与发生场相对（楞次定律），并产生次生磁通量Φs，与初级磁通量Φp相对。接收线圈感应Φp与Φs之间的差值ΦE。接收线圈提供了正比于发射线圈所创建通量的电压U。

颗粒中涡电流垂直于Φp流动，与线圈缠绕方向和颗粒表面平行。EMS的发射线圈平行于考察面。在一个无限介质中，涡电流是无束缚的，但其密度随距离而降低，通量也一样。涡电流标准的贯入深度（δ）被定义为1/e，或材料表面电流强度的37％。为获得更方便的数学计算，Hogemaier定义有效贯入深度（δe）为3δ。具有某一明确厚度的金属，可基于磁场特定频率f下δe的差异予以区分。涡电流的δe依赖于考察金属的电导率σ。f对试样中的δe也有着重要影响。在较低的f下，最大贯入深度较高，f升高时降低。

用一个线圈，串联一个电阻，表达金属块中的感应涡电流如图5-24a所示。感应涡电流可被描述为具有电感Lm的线圈的缠绕数。Lm由于感应涡电流形成的线圈几何的变化而改变。线圈直径与粒径相联系（实际上是颗粒的投影面积），而线圈的高度对应于δe，如图5-24b所示。在某一交变磁场内部，电阻抗（Z）定义了线圈的参数。

代尔夫特大学基于上述理论，与企业合作开发了电磁传感器，包括300匝的单一发射线圈以及与计算机相连的接收线圈。颗粒沿着一个坡度下滑，如图5-25a所示，坡角可调整，以改变滑移速度。每一颗粒提供给计算机信号振幅（U）和相移（φ），如图5-25b所示。

没有材料存在时，传感器提供了大约1.5 V的电压幅值U。当有色金属颗粒跨过接收线圈线条时，电压幅值增大，因为材料中的感应涡电流在与发射线圈创建的普通场相同的方向上产生一个磁场。高度导电颗粒与中等和低导电颗粒相比，表现出更强的U衰减。σ越大，接收线圈输出处的U越衰减。不锈钢具有不同的U分布，这一金属与其他非铁金属的分离有着良好的效果。在700 Hz下，传感器处于工作的最大敏感度，比在其他频率下可产生更佳的区分。

颗粒的几何也影响传感器的响应，尤其是当颗粒具有相接近的电导率时。颗粒投影面积A超过25 cm2的大颗粒，相比A小于10 cm2的小颗粒，对较大的传感器输出（U和φ）有更大影响。相比较，对具有高电导率和低电导率的颗粒，颗粒几何几乎不对U和φ产生多大影响，因为电导率给传感器提供了更强的信号。

基于电压的变化，不同的非铁金属可被分为三大组：高、中和低电导率。对于具有相同电压的颗粒，就所考察的颗粒面积，分析了φ。EMS的工作频率，在非铁金属区分方面起至关重要的作用。实验表明，相比其他频率，700 Hz下获得非铁金属之间区分的最佳效果。700 Hz下若干非铁金属分离获取的结果，如图5-26所示。弱导电金属的品位和回收，效果良好。中和高电导率的金属，品位有着良好效果，但与低电导率相比，回收较低。

电磁传感器对粉尘、镀层或覆盖金属颗粒的其他杂质不敏感。

5.3.2.2　利用X射线荧光实施的有色金属分离

除了近红外线、颜色识别外，目前有色金属分离最有发展前景的光线分选方法是X射线荧光（XRF）分选。

X射线是高能电磁波，波长范围0.001～80 nm，对应能量1.2 MeV～15 eV。如果X射线辐射（例如来自X射线管）是入射在物质上的，并且这一入射辐射的能量足够高，更精确地说，超过轨道上电子的结合能（离子化能），则由于光电效应，发生电子的发射。光电效应中，由于其从光子中吸收能量，电子被从物质上发射，借此这一光子被湮灭。被吸收能量的数量，等于发射电子的结合能。剩余能量Ekin，光子-电子=E光子-E结合，为发射（光）电子所携带。这个机制仅在入射辐射能大于电子电离化能时才一定可能。这一过程在轨道上创建空位，原子被电离。这样的空位被外壳层电子跃迁所重新填充，次生了X射线荧光。每一元素都有特征性的X射线荧光谱，用专门的检测器测量这一辐射，就有可能确定目标材料的元素组成。图5-27给出了X射线荧光物理原理的图形解释。

XRF分选系统的横断面如图5-28所示。分选材料通过振动给料器不断喂送到传送带的整个分选宽度上。加速、分散和转移材料样品到检测区。皮带上材料的分散通过振动给料机和传送带的速度差实现。基于X射线荧光实施检测，包括两大部分，X射线源和检测器。X射线管产生初级X射线辐射，激励材料，然后材料发射次级X射线荧光辐射。这些次级的X射线为专门的检测器所捕获。不断评估检测器信号，并将其与设定的阈值比较。接着，XRF传感器实施超快的元素分析。如果某一材料的化学特征满足设定的弹射标准，则送一个信号到弹射单元。这一单元由高速阀门和空气喷射组成，由压缩空气操控。如果设定的分选标准满足，则激活空气喷射，弹出所选的材料。

特征X射线谱被用于确定样品中存在的元素，并据此实施分离。图5-29a显示了4个光谱。来自纯铜、纯锌、纯铅中各取一个样本，每个样本产生一简单光谱。最上面是黄铜样品的光谱。黄铜为铜锌合金，常常含有少量的Pb和其他元素。Cu和Zn线清晰可见，Pb线较弱。这些线的存在，表明了这些元素的存在。图5-29b显示了相同的数据，但黄铜谱是在对数刻度上显示的，这常常被采用。图5-29a的线性图清晰显示了主导性的元素。对数图揭示了小的峰和线性图中看不到的其他谱特征。