基于扫描电子显微镜的自动矿物学新技术—BPMA及其应用前景.pdf

1 2 有色金属 选矿部分2 0 2 1 年第2 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 9 4 9 2 ．2 0 2 1 ．0 2 ．0 0 3 基于扫描电子显微镜的自动矿物学 新技术一B P M A 及其应用前景 温利刚1 ’2 ⋯，贾木欣1 ’2 ”，王清1 ’2 ⋯，付强1 ’2 ⋯，赵建军1 ’2 ’3 1 ．矿冶科技集团有限公司，北京1 0 0 1 6 0 ； 2 ．矿冶过程自动控制技术国家重点实验室，北京1 0 2 6 2 8 ； 3 ．矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室，北京1 0 2 6 2 8 摘要自动矿物学方法和技术的出现和应用，是工艺矿物学研究领域所取得的最大成就。系统介绍了中国首套具有 自主知识产权的自动矿物学新技术一工艺矿物学自动分析仪 B P M A 的基本原理，并探讨其应用前景。B P M A 基于扫描电 子显微镜 S E M 和x 射线能谱仪 E D S ，能够自动、快速、准确、定量测定样品的矿物组成及含量、粒度、解离度、连生程度、元 素赋存状态等各项工艺矿物学参数。该系统主要应用于矿物加工领域，特别适用于选矿厂选矿流程工艺矿物学参数的实时 监测、流程波动原因查找、选矿流程缺陷诊断，在选矿流程设计与优化方面非常有用。此外，在“稀”、“伴”、“细”战略性关键金 属矿物查找与赋存状态定量研究、矿石可利用性评价等方面也有很大优势。 关键词B P M A ；工艺矿物学；扫描电子显微镜；x 射线能谱仪；图像处理；自动矿物学 中图分类号T D9 1 2 ；P 6 1 8 ．1 1 ；P 5 7 5文献标志码A文章编号1 6 7 1 _ 9 4 9 2 2 0 2 1 0 2 一0 0 1 2 1 2 AN e wS E M - b a s e dA u t o m a t e dM i n e r a l o g yS y s t e m B P M Aa n dI t s A p p l i c a t i o nP r o s p e c t si n W E N L i g a n 9 1 j2 “，JI AM 耽z t n l M i n i n gI n d u s t r y 啪，W A N G 竹g Ⅲ～， F U Q i 以咒gL “3 ，Z H A 0J i a 巧甜咒L 厶3 j ．B G R 工A Z MT 8 f 五咒o Z o g yG r o 甜户，B 8 巧i 咒g 】0 0 j 6 0 ，C 矗i 咒口； 2 ．S ￡以f PK P y L 口6 0 r 口￡o r yo 厂P r o f P s 5A “￡0 7 7 z 口￡i o 咒i 挖M i 咒i ，z g M g ￡口Z Z “r g y ，B e i Ji 咒g 】0 2 6 2 8 ， C i 咒口； 3 ．B e 巧i 咒gK g yL n 6 0 r 口f o r yo 厂P r o c e s sA M f 0 7 礼口f i o 竹i 咒M i 孢i 咒g ＆M e f 口Z Z “r g y ，B 8 i 歹i 咒g 】0 2 6 2 8 ，C 矗i 咒口 A b s t r a c t T h ee m e r g e n c ea n da p p l i c a t i o no fa u t o m a t i cm i n e r a l o g ym e t h o da n dt e c h n 0 1 0 9 yi st h e g r e a t e s ta c h i e v e m e n ti nt h ef i e l do fp r o c e s sm i n e r a l o g yr e s e a r c h ．T h eb a s i cp r i n c i p l eo fp r o c e s sm i n e r a l o g y a n a l y z e r B P M A ， t h ef i r s tn e wa u t o m a t i cm i n e r a l o g yt e c h n o l o g yw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y r i g h t si nC h i n aw a ss y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e d ， a n di t sa p p l i c a t i o np r o s p e c tw a sd i s c u s s e d ．B a s e do ns c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e S E M a n dX r a ye n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r E D S ，B P M Ac a na u t o m a t i c a l l y ， q u i c k l ya n da c c u r a t e l yd e t e r m i n et h em i n e r a lc o m p o s i t i o na n dc o n t e n t ，p a r t i c l es i z e ， 1 i b e r a t i o n d e g r e e ， i n t e r g r o w t hd e g r e e ， e l e m e n to c c u r r e n c ea n do t h e rp r o c e s sm i n e r a l o g i c a lp a r a m e t e r so fs a m p l e s ．T h es y s t e m i sm a i n l yu s e di nt h ef i e l do fm i n e r a lp r o c e s s i n g ， e s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h er e a l t i m em o n i t o r i n go f m i n e r a l o g i c a lp a r a m e t e r so f m i n e r a lp r o c e s s i n g p r o c e s s ，p r o c e s sf l u c t u a t i o n r e a s o nf i n d i n g ，m i n e r a l p r o c e s s i n gp r o c e s s d e f e c t d i a g n o s i s ， a n di s v e r y u s e f u li nm i n e r a l p r o c e s s i n g f l o w d e s i g n a n d o p t i m i z a t i o n ．I na d d i t i o n ， i th a sg r e a ta d v a n t a g e si nt h es e a r c ha n dq u a n t i t a t i v es t u d yo fr a r e ，a s s o c i a t e d a n df i n es t r a t e g i ck e ym e t a lm i n e r a l sa n di nt h ee v a l u a t i o no fo r ea v a i l a b i l i t y ． K e yw o r d s B G R I M Mp r o c e s sm i n e r a l o g ya m l y z e r B P M A ；p r o c e s sm i n e r a l o g y ；s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e s S E M ；e n e r g yd i s p e r s i v eX _ 一r a ys p e c t r o m e t e r s E D S ；i m a g ep r o c e s s i n g ； a u t o m a t e dm i n e r a l o g y 收稿日期2 0 2 0 0 3 1 0 基金项目国家科技支撑计划项目 2 0 1 2 B A B l 9 8 0 1 ；国家自然科学基金资助项目 5 1 7 3 4 0 0 5 作者简介温利刚 1 9 9 2 一 ，男，云南省富源县人．硕士，工程师，主要从事自动矿物定量分析技术研究。 万方数据 2 0 2 1 年第2 期 温利刚等基于扫描电子显微镜的自动矿物学新技术 一B P M A 及其应用前景1 3 工艺矿物学主要研究与选矿工艺有关的矿物学 问题，包括矿物或元素的状态、性质和行为规律，是 指导矿物加工利用的一项基础性工作，被称为“选矿 工程师的眼睛”。快速、准确地获取工艺矿物学参数 对提高选矿指标、降低污染和成本消耗起着重要作 用。传统的岩矿鉴定和工艺矿物学参数统计主要借 助偏光显微镜等手动完成，其工作量大、效率低、速 度慢、测试精度低，且一般仅从较小的统计量中获取 半定量数据结果，往往费时、费力、费钱，却难以获得 全面、准确的数据。同时，受限于操作人员的专业水 平等主观因素以及偏光显微镜的分辨率、放大倍数 等客观因素的限制，对于一些光学性质复杂、含量少、 粒度小、不常见的矿物，往往束手无策。因此，传统工 艺矿物学测量结果难以及时指导选矿，也难以及时、 可靠、有效地应用于矿山选矿流程设计与工艺优化。 近年来，随着计算机技术、扫描电子显微镜、x 射线能谱分析技术以及复杂图像分析方法的发展， 基于扫描电子显微镜的现代矿物自动定量测试方法 和技术迅速发展，如Q E M S C A N 或Q E M * S E M Q u a n t i t a t i v eE v a l u a t i o no fM i n e r a l sb yS c a n n i n g E l e c t r o n i cM i c r o s c o p y ‘1 5 I 、M L A M i n e r a lL i b e r a t i o n A m l y s e r M 、A ⅡC S A u t o m t e dM i n e r a l I d e n t i f i c a t i o n a n dC h a r a c t e r i z a t i o nS y s t e m ‘9 1 1 I 、T I M A T E S C A N I n t e g ] r a t e dM 蝴1A n a l y z e r 嘲4 I 、M A P SM n e r a l p g y 嘲等， 已经广泛应用于矿石表征、选矿流程设计与优化。 这些方法和技术的出现和应用，使矿物分析鉴定及 矿石工艺特性研究从传统人工统计走向智能自动化 测试、从定性研究走向定量研究，是工艺矿物学研究 领域所取得的最大成就。人们把应用这样的技术开 展的工艺矿物学研究称为“定量矿物学” Q u a n t i t a t i v e M i n e r a l o g y 或“自动矿物学” A u t o m a t e d M i n e r a l o g y [ 2 ’1 2 ’1 4 ’1 6 。23 I 。基于扫描电子显微镜的自 动矿物学技术已经逐渐成为工艺矿物学研究的主要 手段之一，在未来的一段时间内，国内外矿物分析鉴 定及工艺矿物学研究机构都将会不断试图开发适合 本国矿产资源的矿物自动分析系统。 本文系统介绍了中国首套具有自主知识产权的自 动矿物学新技术一工艺矿物学自动分析仪 B G R I M M P r o c e s sM i n e r a l o g yA n a l y z e r ，简称B P M A 的基本 原理，并探讨其应用前景，以期为提高我国矿产资源 高效利用水平和实现矿业可持续发展提供一些理论 与技术支撑。 1B P M A 简介 B P M A B G R I M MP r o c e s sM i n e r a l o g yA n a l y z e r ， 简称B P M A 是国内首套具有自主知识产权的工艺 矿物学自动测试系统，是一种快速、准确、自动、定量 获取样品的矿物组成及含量、粒度、解离度、连生程 度、元素赋存状态等参数的前沿技术和有效手段[ 2 4 | 。 该系统由矿冶科技集团有限公司 原北京矿冶研究 总院 矿冶过程自动控制技术国家重点实验室研发， 其成功研制填补了国内在矿物自动定量分析技术领 域的空白，为提高我国矿产资源综合利用水平和智 能高端选冶技术及装备领域的发展奠定了坚实的技 术基础。 1 ．1 基本原理 B P M A 是一种结合扫描电子显微镜背散射电子 B S E 图像处理和x 射线能谱图分析的能够自动运 行并快速完成矿物鉴别，最终计算各种工艺矿物学矿 物参数的现代化技术。主要由一台扫描电子显微镜 S E M 、一台或多台X 射线能谱仪 E D S 及一套工艺 矿物学自动测试软件 B P M A 构成 图1 。S E M 主要 用来获取能反映矿物化学组分差异特征的B S E 图像； E D S 主要用于获取X 射线能谱图以分析矿物的化学 组成并鉴别矿物；B P M A 软件是整个系统的核心，它 可以控制S E M 和E D S 自动运行，完成样品自动分析 测试与矿物自动识别，实现矿物组成及含量、粒度、目 标矿物解离度、连生程度、元素赋存状态等各项工艺 矿物学参数的自动、快速、定量测试。 B P M A 的测量基本流程如图2 所示。B P M A 软件通过扫描电子显微镜的A P I A p p l i c a t i o n P r o g r a mI n t e r f a c e 函数控制扫描电子显微镜，采集 一帧B S E 图像，然后进行矿物颗粒提取、颗粒灰度 分相等图像处理，以确定X 射线能谱点分析位置；然 后通过x 射线能谱仪的A P I 函数控制x 射线能谱 仪自动采集指定位置的x 射线谱图信息。在一帧内 所有测量点的X 射线采集完成后，将获取下一帧B S E 图像并进行颗粒提取、颗粒灰度分相和X 射线采集， 整个测量过程由B P M A 软件控制扫描电子显微镜和 X 射线能谱仪自动进行，直至到达测量终止条件 帧 数、颗粒数或时间限制 。同时，通过所采集的矿物实 谱数据与标准矿物能谱数据库匹配以识别矿物；最后 结合现代图像分析技术进行计算机自动拟合计算和 数据处理，获得样品的各项工艺矿物学参数。 万方数据 1 4 有色金属 选矿部分2 0 2 1 年第2 期 图1基于不同扫描电子显微镜和X 射线能谱仪的B P M A 系统 a 拍摄于矿冶科技集团有限公司矿物加工科学与技术国家重点实验室，基于Z E I S SE V O1 8 扫描 电子显微镜和B r u k e rQ U A N T A X2 0 0X F l a s h 63 0 双探头 3 0m m 2 X 射线能谱仪； b 拍摄于北京科技大学，基于T E S C A NV E G A 3X M U 扫描电子显微镜和T h e r m o S c i e n t i f i cN O R A NS y s t e m7 一U D 6 0 6 0m m 2 X 射线能谱仪 F i g ．1 B P M As y s t e m sb a s e do ns e l e c t e ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e S E M a n d e n e r g yd i s p e r s i v e - r a ys p e c t r o m e t e r s E D S ． a f r o mt h eS t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM i n e r a lP r o c e s s i n gS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，B G R I M MT e c h n 0 1 0 9 y G r o u p C h i n a ，b a s e do nZ E I S SE V O1 8 S E M ，f i t t e dw i t hB r u k e rQ U A N T A X 2 0 0w i t hD u a l X F l a s h 63 0d e t e c t o r s 3 0m m 2 E D S ； b f r o mt h eU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n 0 1 0 9 y B e i j i n g C h i n a ，b a s e do nT E S C A NV E G A 3X M U S E M ，f i t t e dw i t hT h e r m oS c i e n t i f i c N O R A NS y s t e m7 一U D 6 0 E D S 1 ．1 ．1 B S E 图像处理 扫描电子显微镜B S E 成像和图像分析是 B P M A 完成矿物识别和定量的基础。首先采集一帧 低噪声、高分辨率的B S E 图像，然后进行矿物图像 颗粒提取、颗粒灰度分相等图像处理。为了使颗粒 提取、分相等处理结果更准确，在采集图像之前可以 调节扫描电子显微镜亮度／对比度参数，对B S E 图 像灰度级参数进行调整，环氧树脂的灰度级设置为 o ，金标样的灰度级设置为2 5 5 。 1 颗粒提取 颗粒提取一般包括背底去除、粘连颗粒提取、清 理等步骤。背底去除即在扫描电子显微镜的B S E 图像中将矿物颗粒和包埋或固定这些矿物颗粒的介 质 如环氧树脂等 分离。通常情况下，B S E 图像中 环氧树脂的灰度值比矿物颗粒的灰度值小，因此， 可以将环氧树脂等的灰度作为阈值将背底去除，从 而提取出颗粒。清理即去除样品制备过程中产生 的过小颗粒，在需要时也可去除接触框架边缘的 颗粒。 由于选矿流程中原矿、精矿、尾矿及各中间产品 等用于选矿流程工艺矿物学考察的样品一般为微米 级细小颗粒构成的粉末样本，一般需要利用一种常 温下可固化且具有较低收缩特性的环氧树脂来镶 嵌固化样品。通常是将样本和环氧树脂等混合放 人模具，通过环氧树脂的缓慢凝固硬化从而将颗粒 试样镶嵌固结成块，经过磨平、抛光等处理，露出代 表性的颗粒横截面之后进行分析测试。在实际制 样中，少数颗粒相互紧靠接触的情况在所难免，受 扫描电子显微镜图像分辨率的制约，过分靠近的颗 粒在B S E 图像上就会相互粘连，形成所谓的“粘连 颗粒”。 按粘连形式的不同，粘连颗粒可以分为“点粘连 颗粒”和“线粘连颗粒” 图3 a 、c 。粘连颗粒的存在 将会直接导致颗粒粒度、解离度、连生程度等参数的 测量值产生误差。因此，在测量的过程中，需要对粘 连颗粒进行自动识别与分离。 B P M A 使用了独特的粘连颗粒识别模型和分离 提取方法。图3 显示了矿物粘连颗粒自动提取效 果，从图中可以看出，B P M A 能够精确识别并准确分 离点粘连颗粒与线粘连颗粒。 万方数据 2 0 2 1 年第2 期 温利刚等基于扫描电子显微镜的自动矿物学新技术 一B P M A 及其应用前景 1 5 背散射电子图像颗粒提取 矿物p ‘配自动识别 T 艺矿物学参数计算 l 石英 口绢云母 _ 铁闪锌矿 _ 萤石 _ 绿泥石 _ 黄铁矿 _ 正长石 口钠长石 _ 黑云母 口黄铜矿 囤磁铁矿 _ 力‘铅矿 _ 雌黄铁矿 _ 菱铁矿 _ 高岭石 - 毒砂 _ 金红石 _ 其它矿物 颗粒分相 褂4 0 0 蒜 12 0 0 料 暴 士 1 里 能谱x r a v 点分析位置 024681 01 21 41 61 82 0 结合能／k e v 0 24 68 1 0 1 2 1 4 1 61 82 0 结合能／k e v 图2B P M A 的测量基本流程 F i g ．2 F 1 0 w c h a r to faB P M Am e a s u r e m e n ti nt h ec a s eo f p a r t i c u l a t em a t e r i a l s g r a i nm o u n t s 万方数据 1 6 有色金属 选矿部分2 0 2 1 年第2 期 a 点粘连颗粒B s E 图像 c 线粘连颗粒B s E 冈像 b 点粘连颗粒提取效果 d 线粘连颗粒提取效果 图3B P M A 矿物粘连颗粒提取效果 F i g ．3E x a m p l eo fd e a 9 9 1 0 m e r a t i o np r o c e s s i n go fB P M A 2 颗粒分相 完成颗粒提取之后，为了提高处理效率，需要对 颗粒中的不同矿物区域进行划分 一个颗粒可能由 一种或多种矿物组成 ，即确定矿物边界从而实现矿 物相分割，进而选取各区域的代表点进行X 射线能 谱采集，最终确定其矿物成分。B P M A 主要根据 B S E 图像的灰度值来确定颗粒的内部结构与不同矿 物的边界，从而实现矿物相分割。B S E 信号的电子 产率与原子序数密切相关，从B S E 和S E 的发射系 数与原子序数的关系曲线可见B S E 发射系数随原 子序数的增加以平滑、单调的方式上升 图4 。因 此，原子序数高的区域比原子序数低的区域可产生 获得更多的背散射电子，在B S E 图像中这些区域就 相对较亮，反之则相对较暗。 颗粒粒径相对较大的金属矿物和非金属矿物在 B S E 图像上可以形成内部变化较小的灰度值较为均 匀的“平坦区域”，一般而言，金属矿物灰度值高，非 金属类矿物灰度值低；矿物相的交界处灰度值变化 大，形成“过渡带” 图5 。同时，稀土、稀有、稀散 “三稀”矿产 、金、银、铂族元素等关键金属一般以 微粒形式嵌布于其他矿物中，在B S E 图像上表现为 “局部亮点”，因此，在贵金属搜索过程中，对局部亮 点的识别能力决定了整个分析过程的成败。 B P M A 能够准确识别并标记颗粒B S E 图像中 的灰度值平坦区域、过渡带与局部亮点，并采用基于 标记的分水岭法完成矿物灰度相分割。图5 显示了 B P M A 的颗粒灰度分相效果，其能够实现颗粒中矿 物相 一个连通的具有相似灰度值的区域 的精准提 取，既不丢失细微目标矿物相 能保证亮矿物不丢 失 ，又能避免过度分割。 值得注意的是，B S E 图像的成像质量，尤其是 B S E 图像的稳定性是B P M A 自动分析的一个关键 因素，因为稳定的B S E 图像对于精确的图像处理至 关重要，因此对于可靠的数据收集也很重要。完成 颗粒矿物灰度相分割之后，选取各区域的代表点采 集X 射线以识别当前区域的矿物属性。 万方数据 2 0 2 1 年第2 期 温利刚等基于扫描电子显微镜的自动矿物学新技术 一B P M A 及其应用前景1 7 足 b 1 o 挺 牝 图4 背散射电子 B S E 和二次电子 S E 的 发射系数与原子序数的关系[ 2 } 2 6 1 F i g ．4 S c h e m a t i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e ne m i s s i o n c o e f f i c i e n t so fb a c k s c a t t e r e de l e c t r o n B S E ／ s e c o n d a r ve l e c t r o n S E a n da t o m i cn u m b e r [ 2 5 。2 6 1 1 ．1 ．2X 射线能谱分析 1 X 射线采集 在B S E 图像采集、颗粒提取、颗粒灰度分相等 图像处理等步骤完成后，需对矿物相分割结果中的 各个区域进行X 射线能谱定点采样，通过能谱数据 最终确认其矿物成分。在常规的样品测试中， B P M A 在颗粒中划分出的每个灰度区域设置一个X 射线能谱采集点，采集一个X 射线能谱数据以代表 当前灰度区域的矿物。此外，也可以通过紧密网格 的形式密集布置能谱分析点。 单个颗粒中往往包含一个或多个能谱采集点， 而一帧图像中至少包含几百个颗粒。对于单个矿 样的工艺矿物学分析往往需要分析几十帧甚至上 百帧B S E 图像，因此存在数量庞大的待测能谱数 据。为了提高测试效率，在保证区分度的前提下 通常单个能谱点 3o o o ～5O o o 计数 ，单个能 谱点的采谱时间应该尽可能短。随着X 射线能 谱快速分析技术的不断发展，B P M A 在数十毫秒 的时问内即可完成单个能谱点的X 射线采集，这 为快速、准确的矿物自动匹配识别奠定了良好的 基础。 2 矿物识别 矿物自动测试的关键在于自动识别矿物，一般 通过所采集的矿物实谱数据与标准矿物谱图 理论 矿物能谱数据库或用户自定义的矿物能谱数据库 进行比对识别矿物。B P M A 首先通过实谱数据与标 准谱图数据库进行峰位匹配初步识别矿物，然后通 过峰形匹配识别某些峰形近似的矿物，最后通过微 量元素峰 或小峰 区分矿物‘27 I 。上述矿物识别的算 法保障了B P M A 在无需人为干预的情况下，能够快 速对自动采集的数以百万计的X 射线能谱数据进行 准确识别以实现矿物识别。 a 单个矿石颗粒B s E 网像 b 罔像厌度划分 颗粒中4 个主要的矿物相按灰度值 从低到高的顺序分别划分为矿物相I 一Ⅳ c 过渡一带分布 d 局部亮点区域标记 c 半坦I K 域标记 f 1 矿物灰度相分割结粜 图5B P M A 矿石颗粒灰度值分相 F i g ．5E x a m p l eo fa ne n l a r g e dB S Ei m a g e o fac o m p o s i t ep a r t i c l ea n dt h e s e g m e n t e di m a g eo fB P M A 矿物匹配识别需要系统自身具备一个完善的 矿物标准能谱数据库。通过收集实测能谱数据可 以形成标准矿物能谱数据库，但这很难收集齐全， 且实测矿物谱图有可能引入杂质等干扰。而理论 矿物能谱数据库则可以合成具备任意化学成分清 楚的矿物理论能谱，可以建立非常齐全的矿物数据 库，同时也避免了杂质等的干扰，从而保证了矿物 谱图的纯正性。B P M A 在保留了通过收集实测能 谱形成标准矿物库的功能的基础上，建立了包含近 30 0 0 种矿物的理论矿物能谱数据库，涵盖了自然 界绝大部分常见矿物种类 理论上，自然界矿物种 类共计4o O o 多种 ，为高效准确地自动识别矿物 种类奠定了基础。 万方数据 1 8 有色金属 选矿部分2 0 2 1 年第2 期 1 ．2 测量模式 1 ．2 ．1 全颗粒测量模式 全颗粒测量模式是B P M A 的默认测量模式，即 在测量过程中提取全部矿石工艺矿物学颗粒，对矿 石颗粒中全部组成矿物进行识别，对全部矿石颗粒 计算各种参数 图6 。采集一帧B S E 图像，经过图 像处理，将图像中的颗粒提取出来，并将颗粒中的 矿物相 灰度区域 提取出来，每一个灰度区域就是 一个测量对象，选取其中一个测量点，采集能谱 数据。 全颗粒测量模式适用于几乎所有类型的矿石样 品，尤其适用于含硫化物、含硅酸盐或含天然元素的 试样。这种模式可以得到完整的工艺矿物学参数 表1 。对于目标矿物含量特别低 一般矿物量小于 o ．0 1 ％～1 ．o ％ 的样品，需大量测试或用选择颗粒 测量模式补充。 1 ．2 ．2 选择颗粒测量模式 选择颗粒测量模式是只分析含特定灰度矿物 相的矿石颗粒模式。该模式只提取B S E 图像中含 有目标矿物 或目标元素 的矿石颗粒，对提取的 目标颗粒进行颗粒灰度分相、能谱比对识别矿物， 进而计算这些颗粒的工艺矿物学参数 图7 。选 择颗粒测量模式是一种快速测量模式，在全颗粒 测量模式的基础上加入了一次颗粒筛选，包括指 定灰度值范围、指定元素、指定矿物等，将不感兴 趣的矿物颗粒作为背底去除，以加快测量速度和 测试效率。 对于目标矿物 或目标元素 含量较低的样品， 全颗粒测量模式中目标矿物测试样本量往往不够， 故可用选择颗粒测量模式去除不含目标矿物的颗 粒，从而增加工艺矿物学参数的测试样本量，进一步 提高测试精度。选择颗粒测量模式适用于目标矿物 或目标元素 含量较低的样品，如稀土、稀有、稀散 “三稀”矿产 、金、银、铂族元素等含量极低的战略 性关键金属矿物的自动快速查找与赋存状态研究， 也常用于尾矿中目标矿物特征状态及丢失原因查 找等。 此外，B P M A 还设计了多种高级测量模式。如 对于一些平均原子序数相同或相近的矿物，如石英一 钠长石、镍黄铁矿一黄铜矿等，其B S E 图像的灰度值 相同或相近，如果这些矿物在一个颗粒中彼此接触， 利用图像处理技术将难以进行准确的颗粒灰度分 相。B P M A 选择矿物面扫描模式是针对这一类矿物 样品而设计测量模式。选择矿物面扫描模式对常规 的利用B S E 图像灰度值能够准确分相的颗粒采用 全颗粒测量模式 单点X r a y 分析，而对那些用B S E 图像灰度值难以准确分相的矿物颗粒则设置规则的 网格布点分析 网状Ⅺr a y 分析 。 图6 全颗粒测量模式 F i g ．6 T h ea l lp h a s e sa n a l y s i sm o d eo fB P M A 万方数据 2 0 2 1 年第2 期 温利刚等基于扫描电子显微镜的自动矿物学新技术 一B P M A 及其应用前景 1 9 表1 T a b l e1 图7 选择颗粒测量模式 F i g ．7 T h es p e c i f i cp h a s e sa n a l y s i sm o d eo fB P M A 全颗粒测量模式与选择颗粒测量模式 T h ea l lp h a s e sa n a l y s i sm o d e s p e c i f i cp h a s e sa n a l y s i sm o d eo fB P M A 序号测量模式测量结果适用范围备注 嚏箬菱篓蔓戮黧剿圣强誊爱篓 全颗粒测重量／基于暴露表面积 ；5 矿物连生程度 矿物的二连体、三连标矿物含量特别低的测试数。⋯。∑．．． ． 量模式体及三连体以上连生体 ；6 矿物嵌布程度；7 元素赋存状态 元据需大量测试或用选择颗粒 ．一．．．．． 素在矿石各矿物中的分配 ；8 以欲回收目标矿物计算的精矿品测量模式补充。 s 銎竺翌竺望 物 位与回收率关系；9 以欲回收元素计算的精矿品位与回收率关 相数据可能不准确。 z 盖茎篓萎 含有目标矿物c 或目标元素，的矿石颗粒的工艺矿物学参数 篓辫．罢嚣嚣矿 试精度，特别适用于稀土、稀 。．．．、 一．， 有、稀散 “三稀”矿产 、金、 2 应用前景 B P M A 实现了工艺矿物学参数测试过程自动 化、定量化、低成本化，测试速度快、统计样本量大、 人为影响因素小，测量结果的精确度和重现性好，可 实现样品各项工艺矿物学参数自动定量测试。对于 一个常规的工艺矿物学分析测试，利用基于扫描电 子显微镜的自动矿物学技术，其测量时间已经减少 到不到一个小时，其分辨率可以达到亚微米级别，这 用传统方法是根本不可能实现的。该系统最初设计 主要应用于矿物加工领域，以测定选矿产品 即原 矿、中间产品、精矿和尾矿 的工艺矿物学参数，特别 适用于选矿厂选矿流程工艺矿物学参数监控，流程 波动原因查找，选矿流程缺陷诊断，为选矿流程设计 与优化提供方向。同时在矿石可利用性评价、战略 性关键金属矿物查找与赋存状态研究等方面也有很 大优势。 2 ．1选矿厂选矿流程的工艺矿物学参数监测 实时监控选矿流程运行状态的好坏对于选矿厂 至关重要，其方法主要为工艺矿物学测试。而利用 光学显微镜人工统计等传统测试方法费时费力且往 往难以及时为选厂提供有效信息，工艺矿物学自动 测试系统则可以自动、快速、准确完成工艺矿物学测 定与评估，使得选矿流程实时考察监控成为可能。 万方数据 2 0 有色金属 选矿部分2 0 2 1 年第2 期 在选矿流程的重点环节 如原矿、精矿、尾矿及中间 产品等 分别取样，经过制样及自动定量测试，可快 速、准确获得样品的矿物组成及含量、产品粒度分 布、矿物粒度分布、目标矿物解离度、目标矿物与其 他矿物连生程度、元素赋存状态等，并可以得到欲回 收目标矿物计算的精矿品位与回收率关系曲线及欲 回收元素计算的精矿品位与回收率关系曲线等各项 工艺矿物学参数。经过一段时间的监控，可以形成 选矿流程各环节产品的工艺矿物学参数数据库，便 于选矿流程后续监控测试数据的比较。 通过分析上述工艺矿物学参数，可监控选厂给 矿的矿石性质波动、选矿流程的稳定性，查找流程波 动原因，诊断选矿流程缺陷，科学决策选矿指标的合 理性，引领选矿流程工艺及选矿条件优化的方向，实 现资源高效回收。 2 ．2 地质勘探和矿山地质工作中矿石可利用性评价 在地质勘探或矿山地质工作中可针对矿体、矿 段、矿脉及地质工程取样，即对钻芯和粗碎矿石样品 进行自动测试，可获得样品的矿物和结构组合信息、 目标矿物的嵌布粒度分布、元素赋存状态、目标矿物 与其他矿物结合紧密程度等矿物学参数，从而判断 评价矿石可利用性的难易程度。此外，利用自动矿 物学技术，可以快速、准确、定量查明矿石的工艺性 质及空间分布规律，编制矿物工艺图一工艺矿物学 地质专题填图，从而为矿山开采、选厂生产的合理高 效运行提供科学、准确的依据。 2 ．3 战略性关键金属矿物查找与赋存状态定量研究 战略性关键金属矿产资源以“稀”、“伴”、“细”为 主要特征，其赋存状态研究及资源高效利用在客观 上具有很大难度[ 28 I 。B P M A 具有强大的目标矿物 找寻及目标颗粒定位回找功能，在稀土、稀有、稀散 “三稀”矿产 、金、银、铂族元素等战略性关键金属 的赋存状态研究与矿石的工艺矿物学定量研究方面 有很大优势。利用B P M A 可以从亚微米微观尺度 定量厘定关键金属的赋存状态，并对关键金属资源 开展工艺矿物学定量研究，这对于摸清资源家底，查 明关键金属矿产的分布规律及揭示关键金属超常富 集成矿的条件有一定的意义，可以查清影响矿石选 冶工艺的矿物学因素，从根本上掌握影响选冶指标 的决定性因素，为提高关键金属高效清洁利用提供 依据。 此外，利用B P M A 对矿山可能存在的共伴生、 低品