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分形理论在矿物加工中的应用基础及研究进展

2023-09-22


创新点
1)在论述分形理论相关概念的基础上,介绍矿物加工领域常见分形研究方法,并总结了各类研究方法的适用范围及优缺点。
2)针对广泛存在于矿物加工过程中的矿浆混凝现象,分析分形理论在矿物颗粒混凝机制、混凝行为研究中的作用及絮体分维特性与絮体其他物理性质(如密度、粒度、强度等)间的关系,并总结了不同化学药剂添加、矿浆环境及水力学条件下的絮体分形结构变化规律。
3)全面归纳总结了分形理论在矿物加工各工艺环节(包括矿石拣选、碎磨、调浆-浮选、矿物颗粒沉降及过滤)中的最新研究动态。
4)基于现有研究指出将分形理论应用于矿物加工领域时存在的局限性,并展望了分形理论在矿物加工领域的未来潜在研究方向,为深入分析、解决矿物加工理论实践中的各类复杂问题提供了一种新的途径。

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分形理论在矿物加工中的应用基础及研究进展

作者:刘欣然1, 2 ,周伟光1, 2 ,谢广元1, 2 ,彭耀丽1, 2 ,梁 龙1, 2 ,李懿江1, 2
单位:1. 中国矿业大学 煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室;2. 中国矿业大学 化工学院
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 
矿产资源是国民经济和社会发展的物质基础,矿物加工技术是矿产资源高效提取利用的技术基础。近年来,随着矿产资源的开采、开发,我国矿产资源禀赋逐渐变差,矿物加工理论和工艺技术的升级与创新成为保障矿产资源绿色高效获取的现实需求。鉴于此,学者们借鉴其他学科研究技术,通过多学科交叉、融合的方式开展研究,以期实现矿物加工过程环节优化及综合指标提升。其中,分形理论因具有包容性强、运行方式灵活、应用范围广等特点,为矿物加工过程部分基础问题的解决提供了良好的思路和借鉴。
分形理论是一门非线性学科,具有自相似性等基本特征,可用于描述自然界中各类非规则现象。发展之初,分形理论研究对象主要涉及河流道路轨迹及高分子链空间结构等,后逐渐应用于水处理领域,以表征悬浊液中絮体结构特性。需要说明的是,矿物加工领域同样涉及众多非规则现象,分形理论的应用亦有助于解耦相关过程、阐明其机理。目前,矿物加工领域涉及分形理论的研究方向主要有:基于自然界矿石中有用矿物的分形分布规律,预测矿石机械拣选技术指标和经济效益;基于不同碎磨条件下矿石的粒度分形分布规律及形状分形特征,优化工艺参数,研发新型破碎磨矿设备;基于不同外界条件下矿浆悬浊液中絮体结构的分形特征,研究颗粒聚集/分散行为,提升浮选综合指标,调控絮体沉降速率;基于不同过滤条件下滤饼孔隙结构的分形特征,探索提高过滤效率的方法等。
另一方面,与其他应用领域相比,分形理论在矿物加工中的应用仍处于发展阶段,相关研究工作较少且不够深入,大部分相关研究成果尚未投入实际生产。考虑到分形理论广阔的潜在应用前景(尤其是选矿过程智能化和高效化发展方向),有必要对前人研究成果进行总结、归纳,并在此基础上理清、拓宽研究思路,明确未来研究方向。其中,在矿石拣选、矿石碎磨以及过滤(高浓度矿浆经过滤机加压形成滤饼)过程中,分形研究对象为矿石碎块、粒度较大的矿石颗粒以及含水量相对较低的滤饼,且各工艺环节通常处于干燥或矿浆浓度相对较高的环境中,一般不涉及微细矿物颗粒的混凝;在调浆、矿物浮选、沉降(包括过滤操作前矿浆悬浊液中矿物颗粒絮体沉降阶段)过程中,分形研究对象为微细矿物颗粒及由微细矿物颗粒形成的絮体,且各工艺环节操作均处于液相环境中,涉及微细矿物颗粒的聚集/分散以及复杂混凝过程。因此,笔者将矿物加工过程中涉及分形现象的工艺环节分为“矿石拣选、碎磨及过滤”、“调浆−浮选与絮体沉降”2部分,并分别对其中的分形现象进行分析,拟对分形理论在矿物加工领域的研究做出全面综述。
笔者在概述分形理论相关概念基础上,针对部分具有自相似性等分形特征的矿物加工工艺环节(包括矿石拣选、矿石碎磨、调浆、矿物浮选、沉降、过滤等),归纳总结分形理论在以上工艺环节中的研究现状,并基于各研究现状分析、展望分形理论在矿物加工领域的发展方向,旨在基于多学科交叉以实现矿物加工学科的深入和可持续发展,为剖析某些复杂过程提供方法支持和技术借鉴。
摘要
 ABSTRACT

 随着我国矿产资源的开发利用,矿产资源开发难度增大、矿山固废处理困难等严重制约了矿物加工工程绿色、经济、高效和可持续发展。为促进矿物加工学科深入发展,部分研究者立足行业发展需要,尝试借鉴其他学科领域理论和方法开展研究工作,以期实现矿物加工学科理论及工程技术的升级与创新,并最终服务于工业实践。作为一门非线性科学,分形理论广泛应用于自然界中各类无规则现象研究。在矿物加工领域,研究者基于分形理论研究了诸多工艺环节(包括矿石拣选、矿石碎磨、调浆、矿物浮选、沉降、过滤等)中的多种分形现象,相关研究成果为解耦矿物加工工艺环节过程、阐明相关机理、实现选别过程调控与参数优化奠定了重要基础。

但总体而言,目前分形理论在矿物加工领域部分工艺环节中的应用多停留在理论研究和试验阶段,大部分研究成果尚未应用于生产实践,且研究者们对分形理论及其在矿物加工领域的应用途径和前景仍缺乏全面深刻的认识,阻碍了矿物加工领域分形理论研究的发展。因此,分形理论在矿物加工领域相关研究的广度及深度仍有较大发展空间。从分形理论的基本定义出发,针对矿物加工工艺中部分具有自相似性等分形特征的单元环节,根据环境干湿程度、矿石颗粒粒度以及是否涉及微细矿物颗粒混凝过程等条件,将各单元环节分为“矿石拣选、碎磨及过滤”、“调浆−浮选与絮体沉降”2部分进行研究,在介绍不同工艺环节中各类分形现象及其变化规律的同时,总结其中分形理论应用基础研究发展动态,重点分析了基于分形理论的矿浆混凝行为研究的相关问题,并根据现有研究,展望了分形理论未来在矿浆混凝理论研究以及选矿数字化、智能化生产过程中的发展方向。


部分图片


 1    常见分形现象


 2    分形维数计算过程模型


 3    具有分形特征的成矿模型


 4    具有分形特征的矿石颗粒破碎模型


 5    具有分形特征的絮体生长过程模型





第一作者简介



周伟光,男,1989年生,湖北随州人,博士,中国矿业大学化工学院讲师,硕士生导师。2008-2019年就读于中南大学,获矿物加工工程学士学位、矿业工程硕士及博士学位。2019-2020年于南方科技大学开展博士后研究工作。


研究方向

主要研究方向为矿物浮选过程软物质基础理论(微纳米气泡、超细油滴)、微细粒矿物浮选过程强化、高效浮选药剂开发(铝士矿、萤石矿、磷矿、石墨矿、煤炭等)、城市二次资源综合回收利用等。


主要成果

现主持国家自然科学基金项目1项,中央高校基本科研业务费项目1项,参与横向研究课题多项。目前以第一作者或通讯作者在Ultrasonics SonochemistryLangmuirApplied Surface ScienceFuelMinerals Engineering、有色金属学报等国内外期刊发表高水平论文十余篇,授权国家发明专利2项。



来源:

刘欣然,周伟光,谢广元,等分形理论在矿物加工中的应用基础及研究进展[J]. 煤炭学报202348(9):3573−3588.


责编:张晓宁
编辑:赵泽维
审核:张晓宁

  责任编辑:宫在芹
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