田钧
（苏州中材非金属矿工业设计研究院，江苏 苏州 215004）
摘要 在金刚石原生矿选矿过程中，要保持产品的最高经济价值，必须最大限度地保护金刚石晶体的完整。为此，在建设金刚石原生矿矿山之前，首先要通过大规模的试验，测定金刚石的解离系数，再根据解离系数确定入选粒度和中矿破碎的段数、破碎比。现用的金刚石选别工艺和设备完全可以保证选矿的高回收率，不会对金刚石晶体造成破损。因此，保护金刚石晶体要靠解离过程解决，根据正确的解离系数来确定破碎比和选择相应的破碎设备，是保护金刚石晶体的重要途径。在选择破碎设备时，必须考虑金刚石虽硬但质脆易碎的特性。
关键词 金刚石；保护晶体；解离系数；原生破碎与次生破碎。
作者简介：田钧，男，教授级高级工程师，长期从事金刚石矿物加工技术的研究和设计工作。电话：0512 68265454。
与有色金属、黑色金属、煤炭等矿物的选矿提纯不同，不少非金属矿的选矿，除提高产品回收率和产品纯度外，还必须尽可能地保护矿物结构的原始状态即保护其晶体的完整。这是由非金属矿物的物理化学特性和用途所决定的，如石棉，利用的主要是它的耐火特性和纤维长度，对其产品按其长度进行分级，长纤维石棉可用于纺织、制作防护服等，售价高；而短纤维只能作石棉水泥制品、沥青充填物、用于铺路等，其价格就便宜多了。又如石墨，其精矿是按含碳量和鳞片大小来分级的，大鳞片石墨可用于制造冶金用的坩埚、石墨纸、密封垫片、电极等，而小鳞片和隐晶质石墨只能用于铸造业，大小鳞片石墨精矿的价格也相差悬殊。再如云母，最大的特类工业云母片比最小的Ⅳ类价格要高得多。还有水晶、冰洲石各类宝石等对其晶体保护更显突出。因此保护晶体是对一些非金属矿选矿的特殊要求。
保护晶体在金刚石原生矿选矿过程中尤显突出。金刚石是自然界中非常稀少的一种矿物，是碳的结晶体，属等轴晶系，六八面体对称型。金刚石的折光率很高，其新鲜解理面或人工琢磨面具有闪耀夺目的金刚石光泽，因此是宝石中的极品，其价值也是黄金、铂无法相比的。这也说明保护金刚石晶体的重要性。由纯碳结晶的金刚石是无色透明的，但一般都含有某些杂质，呈玫瑰、蓝、黄、绿、黑、紫等颜色。晶体外形完整，无色或色彩鲜艳，透明度高，无裂隙和杂质，都是宝石级的金刚石，晶体愈大价值愈高。不够宝石级的金刚石可利用其特殊硬度、抗磨性制作拉丝模、切削刀具、硬度计压头、玻璃刀、刻线笔、砂轮刀、地质钻头、锯片、砂轮、磨料等。
金刚石分为Ⅰ型和Ⅱ型两种。Ⅰ型是普通金刚石，Ⅱ型又分为Ⅱa型和Ⅱb型。Ⅱa型为热超导金刚石，Ⅱb型为半导体金刚石。Ⅱ型金刚石主要用于空间技术、电子工业和国防尖端工业。
无论是作首饰用的宝石级金刚石还是各种工业用金刚石，除用作磨料的碎钻外，都必须具有一定的完整晶体和棱角。金刚石虽然是世界上最硬的矿物，但它质脆，在冲击力作用下很容易被打碎，因此在金刚石原生矿选矿过程中保护金刚石晶体是首要的要求，只有最大限度地保护金刚石晶体，才可使企业取得最大的经济效益。较好的宝石级金刚石的价格为几万美元1 ct，若晶体被破碎，成为碎钻，只能作磨料，其价格每克拉只有几美元。这就充分说明了保护金刚石晶体的重要性。宝石级金刚石含量在不同国家不同矿山是不一样的，但总的来讲宝石级的含量更贫，一般占金刚石总量的15%左右。
金刚石生成在其母岩（金伯利岩、煌斑岩）之中，是从地下深层由灼热岩浆带上来的碳元素在高温、高压下形成的。所以金刚石原生矿的矿体多呈底部直径小上部直径大的圆筒状，称金伯利岩岩管，岩浆也可能沿裂隙涌上，呈墙状，称金伯利岩岩脉。
金刚石晶体被破碎是由两种情况造成的，第一种叫原生破碎，是金刚石晶体在地质成矿过程中造成的，是无法避免的。另一种是次生破碎，是在采、选过程中由机械作用对金刚石晶体造成的损坏。在开采过程中由于凿岩钻孔和爆破作业中所产生的金刚石晶体破碎，虽然被破碎的金刚石量是很少的，但也应尽量减少，完全避免在现在的技术条件下是难以实现的。选矿加工过程中造成的金刚石晶体破损是主要的。因此在选矿工艺中要注意保护金刚石晶体，不被或尽量不被破碎就显得相当重要。破碎作业的机械作用是破碎金刚石晶体的主要原因，而在选别作业中对金刚石晶体的破损极少。
地表的金伯利岩在自然环境中逐步风化而形成金刚石砂矿，金刚石从母岩中解脱出来，呈单体颗粒，所以不需用机械来解离，也就不存在次生破碎的问题，只需通过分选作业回收金刚石。
金伯利岩的抗压强度一般为20～70MPa（普氏硬度为2～7），常规破碎设备都能满足破碎的要求。但如何控制各段破碎的粒度，才能达到保护金刚石晶体的目的，是一直在探索的问题。首先要确定入选粒度，入选粒度过大将增加中矿再碎和选别作业的段数，导致车间成本增加，能耗加大；入选粒度过小将引起大粒级金刚石晶体受损坏。入选粒度要根据大多数大金刚石粒度来确定，还必须考虑50%的保险系数。国外一般为25～32mm，国内设计一般为18～20mm，通过这么大尺寸筛孔、形状规整的金刚石相应的重量为400 ct和50 ct，这么大的金刚石是非常罕见的，完全不会造成金刚石次生破碎。
金刚石原生矿选矿的入选粒度上限是根据地质部门试样加工资料来确定的，因为金刚石在原生矿中含量非常稀少，试样量是有限的，所以其代表性就可能不够，在生产中根据实际情况有可能需要调整。在设计建材七〇一矿二期工程（开采我国第一个金刚石岩管——胜利1号岩管）时，根据山东省第七地质队所提交的该岩管地质报告，最大金刚石颗粒不大于16mm。为了保险，入选粒度选为20mm，但在1976年至1980年期间，建材七〇一矿在选矿过程中曾选到45.789 ct、40.970 ct的金刚石和21.06 ct、19.42 ct的碎块（估计这两碎块为一颗约80 ct金刚石被碎破的）。1983年11月在原矿仓上，人工破碎大块矿石时发现了一颗119.01 ct的大金刚石。因此，该矿为了保护大颗粒金刚石，已将入选粒度从20mm提高到30mm。采取措施后连续选到了大颗粒金刚石：1991年5月选到一颗65.75 ct的金刚石，同年10月选到一颗67.03 ct的金刚石，2005年5月选到一颗45.74 ct的金刚石，2006年5月选到一颗101.4695 ct的金刚石，2007年3 月23 日选到一颗39.59 ct的金刚石，两天后又选到一颗71.90 ct的金刚石。可见改进的效果之明显。
入选后的破碎比要根据金刚石的解离系数来确定，金刚石的解离系数是指在金刚石原生矿的破碎作业中，破碎机排矿口尺寸与在该作业中被解离出的金刚石粒度之比。它与矿石的物理机械性质有关，经过国外多年的试验，中等硬度矿石的解离系数在2～4 之间，最致密的坚硬矿石，解离系数接近1。要正确地确定金刚石的解离系数，需加工处理大量的矿石，因金刚石在金伯利岩中的含量非常低，所以必须根据加工几千吨甚至上万吨矿石所回收到的金刚石量才能够确定次生破碎率。如坦桑尼亚威廉姆逊金刚石公司，在建设生产用选矿厂之前先建了一个试验选矿厂，以进行可选性试验和确定该矿金刚石的解离系数，该厂每天可加工矿石上千吨。这项工作在国内尚未开展。一是在计划经济时代，国家不管金刚石质量，一律按国家定价收购，宝石和磨料均按每克拉680元计。这就意味着在保护金刚石晶体方面无任何要求，企业在无任何压力之下，就只顾提高回收率。把宝石变成碎钻，即或百分之百回收，又会有什么经济效益？二是那时我国经济实力还不够，没条件进行这么大规模的试验。现在情况已有了转变，而且这项工作是保护金刚石晶体的关键，应该列专题进行试验。
国外经过多年的摸索，解离金刚石必须逐步实现。也就是采用多段破碎多段选别的流程，要及时回收解离出来的单体金刚石，避免进入下一段破碎，尽量减少金刚石被破碎的几率。要根据解离系数来确定选别作业中矿再破碎时的破碎比。
在金刚石矿石破碎过程中采用的均为常规破碎设备。金刚石硬度大，是耐高压矿物，它的抗压强度比金伯利岩大100 多倍，但金刚石质脆不耐冲击，金刚石在动负荷下破碎所需能量约为静负荷的0.3～0.4倍。所以在金刚石原生矿选矿工艺中采用按挤压原理工作的破碎设备，如颚式破碎机、圆锥破碎机和对辊破碎机。但不可采用按冲击原理工作的破碎设备，如锤式破碎机、反击式破碎机等。在解离细粒中矿时，一般采用按选择性磨矿（摩擦磨矿）条件操作的球磨机或棒磨机。因为破碎机要把矿石破碎到这么小的粒度是无能为力的。在七〇一矿，我们对中矿磨矿解离金刚石做了试验，试验结果证明这一磨矿作业采用低转数（临界转数的50% 以下）、低钢球充填率（一般为0.3左右）、高浓度（75%左右）在选择钢球直径配比时，要适当多加些小球，同时磨机还要采用光滑衬板，就可使磨机在“泻落”状态下工作，以磨剥为主，可实现保护金刚石晶体的目的。金刚石在磨矿作业中次生破碎率将会很低。
为了简化多段破碎、多段选别的复杂流程，国内外均试图采用自磨机（无介质磨矿）。按工作原理自磨机对保护金刚石晶体是最佳设备，但通过多年的试验，实际并非想象的那样理想。首先产量比预计的低，在经济上不如多段破碎流程。在20世纪60年代，为了保护石棉纤维，我们曾在鞍山钢铁公司做了自磨机破碎石棉矿的试验。试验证明其产量低，在经济上无优势可言。自磨机的工作原理是靠矿石之间自身撞击磨剥而实现破碎的，其产量与矿石自身的比重有关，矿石相对密度越大，其产量也越大。自磨机用于相对密度大的金属矿如铁矿等，一般效果比较好，但用于相对密度轻1倍的金伯利岩、蛇纹岩等非金属矿，其产量就很低，显示不出自磨机的优越性。其次自磨机对入料粒度配比要求比较严格，不易控制，另外自磨工作过程还要产生难磨粒子，这部分难磨粒子越聚越多，使其产量直线下降，很难处理。1987年3月中国非金属矿工业总公司组织了自磨和多段破碎工艺流程试验结果现场评定会。会议决定保留多段破碎选矿工艺流程。虽然还做过液电破碎试验等，但都难以实现工业化生产。
鉴于上述情况，目前我们应在完善多段破碎多段选别流程上下功夫，首先要通过试验确定金刚石的解离系数，与此同时还要对现有破碎设备液压系统进行适当调节，使破碎机的压力既满足金伯利岩的破碎要求，又可实现对金刚石晶体的保护。
在试验过程中要在作业前、后取样，测试金刚石的破碎率，而且要分清原生破碎与次生破碎。到目前为止仍是用显微镜对破碎面进行肉眼观察鉴定，受观察者主观因素影响比较大，准确程度达不到百分之百。但尚未找到不受主观因素影响的更科学的鉴定方法，这就给研究金刚石晶体保护问题带来一定的困难。
为了减少金刚石的破碎率，建材七〇一矿还加了手选皮带（原设计考虑在粗碎矿石运输皮带上进行手选），另在中矿解离作业球磨机前增加了一台PYD900型圆锥破碎机，将中矿破碎至12mm再进入球磨机。这样降低球磨机入料粒度可提高球磨机的效率，达到节能的目的。在采取上述三项措施前金刚石的破碎率见表1，采取三项措施后金刚石的破碎率见表2。
表1 采取措施前金刚石的破碎率
表2 采取措施后金刚石的破碎率
从表2看，采取措施后金刚石的破碎率有了改善，但还不够。这证明保护金刚石晶体大有文章好做，今后最好在每采取一项措施时，在其前后分别测试金刚石的破碎率，另外，金刚石破碎率的统计应分原生破碎与次生破碎，以便于对问题的分析。
金刚石的分选技术比较成熟，因为金刚石相对密度为3.5，比金伯利岩重，所以粗选采用重选，曾采用过淘洗盘、跳汰机和重介质分选锥，现在主要采用先进的重介质旋流器，将大量的废石分出，然后对粗精矿再进行精选回收：根据重砂中所含重矿物的成分选用磁选、电选，抛弃一部分其他矿物；利用金刚石的亲油性和在X光照射下发光的特性采用油选和X光分选回收；最终用手选将金刚石捡出。金刚石的分选方法基本定型，今后的任务就是要改进设备，提高设备的性能，实现自动化。综上所述，金刚石晶体的保护问题，主要应在选择性破碎和解离过程中解决。
An Approach to Improvement of Processing Technology of Primary Diamond Mineral in China
Tian Jun
（Suzhou Zhongcai Design and Research Institute of Non-metallic Minerals Industry，Suzhou，Jiangsu，China）
Abstract：The author of the article considered that the completeness of the crystal of a diamond should be protected as full as possible to preserve the maxmum economical value of the diamond product.To this end，it is necessary to carry out at first a large-scale test before the construction of a mine of primary diamond mineral to determine the coefficient of liberation of diamond，and then to determine the feed size for processing，number of crushing stages of middlings and reduction ratio according to the coefficient of liberation.The applied technology and equipment for the beneficiation of diamond at present can completely ensure a high recovery ratio of diamond concentrate without damage of diamond crystals.So，the protection of diamond crystal should be achieved through liberation process.To determine crushing ratio and select correspondent crushing equipment in accordance with the correct coefficient of liberation is an important way to protect the diamond crystal.In the selection of crushing equipment，it is necessary to take account of the characteristics of diamond that though it is hard but is easy to be crushed because of its brittle nature.
Key words：diamond，protection of crystals，coefficient of liberation，primary crushing and secondary crushing.