矿相显微镜在科技创新的应用论文

摘要：阐述了高校本科生科技创新实践在培养学生综合能力和创新能力方面的重要性，介绍了大型精密仪器在北京科技大学矿物加工工程专业本科生科技创新项目中的应用。以矿相显微镜及配套图像分析软件对某多金属硫化矿石中矿物种类及含量、矿物粒度分布特征测定为案例，从仪器及软件工作原理、研究方案、研究结果等方面介绍了科技创新实践过程。将矿相显微镜应用于科技创新项目，不仅能提升学生实验技能和独立思考能力，而且大大强化自主学习、发现和解决问题能力，达到培养创新实践能力和科学意识的目的。

关键词：矿相显微镜；本科生；科技创新；创新实践能力

为了提升学生实践创新能力及科学素养，越来越多的高校开展了本科生科技创新活动[1]。本科生科技创新活动是指在完成一定基础和专业课程教学后，利用学校科研平台和实验条件，在教师指导下，本科生参与各种科研项目或科研活动，培养基础科研和创新能力[2-3]。大型精密仪器购置和运营成本较高，实验操作和维护繁琐，一般仅服务于教师和研究生的科研工作。近年来，随着国家在教育领域加大投入，高校对于大学生科技创新实践活动的支持力度也随之加大，本科生接触大型仪器的机会日益增多。大型精密仪器在提升本科生实践教学效果、培养创新能力方面已经显示明显效果，如扫描电子显微镜用于生物学专业、材料和力学专业，透射电子显微镜和同步热分析仪用于化学化工专业，原子力显微镜用于高分子物理实验课程，X-射线衍射仪用于化学综合实验课程[4-11]。

大型精密仪器应用于本科生实践教学已成为一种趋势，但应用于本科生科技创新中却鲜有报道。矿物加工工程专业具有综合性和实践性强的特点，在工程实践培养体系中，科技创新实践尤为重要。本文探讨了矿相显微镜及其配套分析软件在专业本科生科技创新实践项目中的应用，以某多金属硫化矿石为研究对象，针对其硫回收率低，磁铁矿未回收现状，研究含硫矿物种类、含量和相互关系，考察含硫矿物与磁铁矿及其它脉石的嵌布状态，为选矿工艺改进及优化提供参考。矿相显微镜也称矿石显微镜或偏光、反射显微镜，工作原理是利用普通光改变后的偏振光进行镜下观察，根据物质单折射（各向同行）或双折射性（各向异性）等光学特性进行鉴定和区分不同矿物类别和构造。其中，双折射性是晶体基本特性。偏光显微镜是根据有关物质所具有的偏光性，进行定性观察和定量测定。偏光显微镜可用作物质鉴定，广泛应用在矿物、化学等领域。工艺矿物学作为地质、矿冶、材料等学科的基础课程，是研究固体物料及加工过程中产品微观特征、组成物质性状的基础手段，要求学生运用所学专业理论知识，结合基础实验操作技能，针对固体物料与加工产品的`物质组成及影响、制约生产工艺指标物质性状做出准确判断和说明。矿相显微镜是研究工艺矿物学的重要仪器，本专业科技创新实践项目中采用了LeicaDM4500P智能数字式偏反光显微镜（以下简称为显微镜）。QWin图像分析软件是Leica图像工作站的核心部分，可以对镜下观察到的图像进行采集，并结合矿物鉴定结果和软件图像分析计算功能对不同成分进行定量分析。在软件采集图像过程中，可以对亮度及曝光时间等参数进行控制，最大限度还原图像真实情况。同时，该配套软件还能对图片中某些特定区域进行选取，并具有定量分析功能，统计和计算选取区域的灰度、周长、面积等物理参数[12]。科技创新实践主要采用矿相显微镜，结合不同类型矿物工艺矿物学知识（显微镜下特征），进行镜下鉴定矿物实验，利用QWIN软件和计算机图形处理技术，对镜下鉴定图片进行分析和研究[12]。

一、矿石中主要矿物种类及元素含量测定

（一）研究方案

以破碎至-2mm的某含硫矿石（以为简称为原矿）为原料，将其置入特定模具中，采用环氧树脂固定硬化后研磨抛光，利用智能数字式自动偏光显微镜对制备的光片与光薄片进行镜下鉴定，确定矿石中不同含硫金属矿物及部分脉石矿物的种类。将矿样制成的光片平均分成8个扇形，将每个小扇形的母线长度三等分，所得的三个分区分别依照面积比例取3、2、1张图片。考虑到光片中心部分取样较少，在中心部分又设置了一个取样区，共取得49张照片。采用显微镜及其配套软件QWIN，借鉴计算机图形学知识，对显微镜下不同区域矿物鉴定照片进行数字图像处理，结合工艺矿物学知识测定不同有用矿物及脉石矿物的含量。具体操作步骤：在QWin软件中打开矿石光片或光薄片不同区域的镜下鉴定图片→点击软件图像菜单栏→选择图像检测功能→出现图像检测界面→点击需要测量的矿物→调节RGB提高分辨力→确定→点击测量菜单栏→选择测量区域功能→出现测量区域界面→点击测量→结果界面→记录数据。

（二）研究结果

原矿石中主要金属矿物有黄铁矿、磁黄铁矿、磁铁矿，还有少量毒砂、黄铜矿、辉铜矿、闪锌矿等，主要脉石矿物有石英、方解石等。元素硫主要赋存于矿石的硫化物中，砷为主要有害元素。原矿中主要矿物含量及元素含量计算结果见表1和表2。根据现行标准，硫的最低工业品位为14%，铜为0.4～0.5%。由表1和表2可知，原矿中具有回收价值的元素分别为硫，18.63%；铜，0.49%。硫元素主要以硫化物的形式存在，通常采用浮选工艺回收。

二、矿石粒度分布特征测定

矿石中不同矿物进行分离之前需要破碎、磨矿，由于受力粉碎成为单一成分的最大颗粒尺寸称之为矿石工艺粒度，是矿物分选工艺的一项重要指标。磨矿是进行矿物分离选别的前提，需要对矿石粒度进行预先检测，根据结果调整工艺条件[13]。目前，常采用筛分、沉降等常规方法进行粒度检测，这些检测方法耗时长、效率低，而且受检测人员的主观影响较大；采用QWin图像分析软件能快速、准确对矿石粒度进行分析测量。

（一）研究方案

在工艺矿物学研究中，常见的粒度测量方法有直径与面积测量法。由于矿物颗粒形态不规则，只有利用图像分析才能完成对其粒度的观测。当使用岩相或者矿相显微镜时，最方便的做法是弦长测量法。弦长测量法是基于对颗粒截面的定向随机截距观测实现粒度测量的。通过弦长测量法初步测定了其中含量最高的黄铁矿的粒度分布特征。测视原则是使测视路线均匀覆盖整个光（薄）片，路线设置稠密度以在光（薄）片上观测到200～300个矿物颗粒为宜。注意测线间的距离，避免出现对同一颗粒的重复观测。

（二）研究结果

由于原矿中的其它矿物含量少，回收价值低，且采样数据较少，仅列出对黄铁矿的数据分析，结果如表3和表4所示。矿石中主要金属矿物黄铁矿的嵌布粒度属于微细粒级别，颗粒分布较均匀，采用一段磨矿即可满足解离要求。矿石主要矿物-0.074mm的含量在80%以上，结合原矿中较易泥化的方解石（31.13%）含量较高，磨矿作业中应将原矿磨细至-0.074mm占80%以上，才有可能采用浮选工艺回收黄铁矿。

三、结语

采用LeicaDM4500P智能数字式偏反光显微镜及其配套的QWin图像分析软件，对某多金属硫化矿石进行了矿物种类鉴定及定量分析，研究了矿物粒度分布特征。结果表明，与耗时长、效率低的传统化学物相分析法、筛分和沉降粒度分析法相比，采用矿相显微镜及图像分析软件能快速、准确地对矿物含量及粒度分布特征进行测定，为选矿工艺产品检查、快速了解矿石性质提供了新的思路。将矿相显微镜应用于本科生科技创新研究实践项目中，学生通过查询文献和搜集资料，进行研究方案推敲、实验摸索、研究结果剖析，能加强对所学理论知识的理解，有效训练动手能力和独立思考能力，全面提升自主学习意识和发现、解决问题能力。本科生在科技创新训练中，通过使用大型精密仪器完成项目研究，能增强创新实践能力和科研意识，为进一步开展科研活动打下良好基础。