礦相顯微鏡在科技創新的應用論文
摘要：闡述了高校本科生科技創新實踐在培養學生綜合能力和創新能力方面的重要性，介紹了大型精密儀器在北京科技大學礦物加工工程專業本科生科技創新專案中的應用。以礦相顯微鏡及配套影象分析軟體對某多金屬硫化礦石中礦物種類及含量、礦物粒度分佈特徵測定為案例，從儀器及軟體工作原理、研究方案、研究結果等方面介紹了科技創新實踐過程。將礦相顯微鏡應用於科技創新專案，不僅能提升學生實驗技能和獨立思考能力，而且大大強化自主學習、發現和解決問題能力，達到培養創新實踐能力和科學意識的目的。
關鍵詞：礦相顯微鏡；本科生；科技創新；創新實踐能力
為了提升學生實踐創新能力及科學素養，越來越多的高校開展了本科生科技創新活動[1]。本科生科技創新活動是指在完成一定基礎和專業課程教學後，利用學校科研平臺和實驗條件，在教師指導下，本科生參與各種科研專案或科研活動，培養基礎科研和創新能力[2-3]。大型精密儀器購置和運營成本較高，實驗操作和維護繁瑣，一般僅服務於教師和研究生的科研工作。近年來，隨著國家在教育領域加大投入，高校對於大學生科技創新實踐活動的支援力度也隨之加大，本科生接觸大型儀器的機會日益增多。大型精密儀器在提升本科生實踐教學效果、培養創新能力方面已經顯示明顯效果，如掃描電子顯微鏡用於生物學專業、材料和力學專業，透射電子顯微鏡和同步熱分析儀用於化學化工專業，原子力顯微鏡用於高分子物理實驗課程，X-射線衍射儀用於化學綜合實驗課程[4-11]。
大型精密儀器應用於本科生實踐教學已成為一種趨勢，但應用於本科生科技創新中卻鮮有報道。礦物加工工程專業具有綜合性和實踐性強的特點，在工程實踐培養體系中，科技創新實踐尤為重要。本文探討了礦相顯微鏡及其配套分析軟體在專業本科生科技創新實踐專案中的應用，以某多金屬硫化礦石為研究物件，針對其硫回收率低，磁鐵礦未回收現狀，研究含硫礦物種類、含量和相互關係，考察含硫礦物與磁鐵礦及其它脈石的嵌布狀態，為選礦工藝改進及最佳化提供參考。礦相顯微鏡也稱礦石顯微鏡或偏光、反射顯微鏡，工作原理是利用普通光改變後的偏振光進行鏡下觀察，根據物質單折射（各向同行）或雙折射性（各向異性）等光學特性進行鑑定和區分不同礦物類別和構造。其中，雙折射性是晶體基本特性。偏光顯微鏡是根據有關物質所具有的偏光性，進行定性觀察和定量測定。偏光顯微鏡可用作物質鑑定，廣泛應用在礦物、化學等領域。工藝礦物學作為地質、礦冶、材料等學科的基礎課程，是研究固體物料及加工過程中產品微觀特徵、組成物質性狀的基礎手段，要求學生運用所學專業理論知識，結合基礎實驗操作技能，針對固體物料與加工產品的物質組成及影響、制約生產工藝指標物質性狀做出準確判斷和說明。礦相顯微鏡是研究工藝礦物學的重要儀器，本專業科技創新實踐專案中採用了LeicaDM4500P智慧數字式偏反光顯微鏡（以下簡稱為顯微鏡）。QWin影象分析軟體是Leica影象工作站的核心部分，可以對鏡下觀察到的影象進行採集，並結合礦物鑑定結果和軟體影象分析計算功能對不同成分進行定量分析。在軟體採集影象過程中，可以對亮度及曝光時間等引數進行控制，最大限度還原影象真實情況。同時，該配套軟體還能對圖片中某些特定區域進行選取，並具有定量分析功能，統計和計算選取區域的灰度、周長、面積等物理引數[12]。科技創新實踐主要採用礦相顯微鏡，結合不同型別礦物工藝礦物學知識（顯微鏡下特徵），進行鏡下鑑定礦物實驗，利用QWIN軟體和計算機圖形處理技術，對鏡下鑑定圖片進行分析和研究[12]。
一、礦石中主要礦物種類及元素含量測定
（一）研究方案
以破碎至-2mm的某含硫礦石（以為簡稱為原礦）為原料，將其置入特定模具中，採用環氧樹脂固定硬化後研磨拋光，利用智慧數字式自動偏光顯微鏡對製備的光片與光薄片進行鏡下鑑定，確定礦石中不同含硫金屬礦物及部分脈石礦物的種類。將礦樣製成的光片平均分成8個扇形，將每個小扇形的.母線長度三等分，所得的三個分割槽分別依照面積比例取3、2、1張圖片。考慮到光片中心部分取樣較少，在中心部分又設定了一個取樣區，共取得49張照片。採用顯微鏡及其配套軟體QWIN，借鑑計算機圖形學知識，對顯微鏡下不同區域礦物鑑定照片進行數字影象處理，結合工藝礦物學知識測定不同有用礦物及脈石礦物的含量。具體操作步驟：在QWin軟體中開啟礦石光片或光薄片不同區域的鏡下鑑定圖片→點選軟體影象選單欄→選擇影象檢測功能→出現影象檢測介面→點選需要測量的礦物→調節RGB提高分辨力→確定→點選測量選單欄→選擇測量區域功能→出現測量區域介面→點選測量→結果介面→記錄資料。
（二）研究結果
原礦石中主要金屬礦物有黃鐵礦、磁黃鐵礦、磁鐵礦，還有少量毒砂、黃銅礦、輝銅礦、閃鋅礦等，主要脈石礦物有石英、方解石等。元素硫主要賦存於礦石的硫化物中，砷為主要有害元素。原礦中主要礦物含量及元素含量計算結果見表1和表2。根據現行標準，硫的最低工業品位為14%，銅為0.4～0.5%。由表1和表2可知，原礦中具有回收價值的元素分別為硫，18.63%；銅，0.49%。硫元素主要以硫化物的形式存在，通常採用浮選工藝回收。
二、礦石粒度分佈特徵測定
礦石中不同礦物進行分離之前需要破碎、磨礦，由於受力粉碎成為單一成分的最大顆粒尺寸稱之為礦石工藝粒度，是礦物分選工藝的一項重要指標。磨礦是進行礦物分離選別的前提，需要對礦石粒度進行預先檢測，根據結果調整工藝條件[13]。目前，常採用篩分、沉降等常規方法進行粒度檢測，這些檢測方法耗時長、效率低，而且受檢測人員的主觀影響較大；採用QWin影象分析軟體能快速、準確對礦石粒度進行分析測量。
（一）研究方案
在工藝礦物學研究中，常見的粒度測量方法有直徑與面積測量法。由於礦物顆粒形態不規則，只有利用影象分析才能完成對其粒度的觀測。當使用巖相或者礦相顯微鏡時，最方便的做法是弦長測量法。弦長測量法是基於對顆粒截面的定向隨機截距觀測實現粒度測量的。透過弦長測量法初步測定了其中含量最高的黃鐵礦的粒度分佈特徵。測視原則是使測視路線均勻覆蓋整個光（薄）片，路線設定稠密度以在光（薄）片上觀測到200～300個礦物顆粒為宜。注意測線間的距離，避免出現對同一顆粒的重複觀測。
（二）研究結果
由於原礦中的其它礦物含量少，回收價值低，且取樣資料較少，僅列出對黃鐵礦的資料分析，結果如表3和表4所示。礦石中主要金屬礦物黃鐵礦的嵌布粒度屬於微細粒級別，顆粒分佈較均勻，採用一段磨礦即可滿足解離要求。礦石主要礦物-0.074mm的含量在80%以上，結合原礦中較易泥化的方解石（31.13%）含量較高，磨礦作業中應將原礦磨細至-0.074mm佔80%以上，才有可能採用浮選工藝回收黃鐵礦。
三、結語
採用LeicaDM4500P智慧數字式偏反光顯微鏡及其配套的QWin影象分析軟體，對某多金屬硫化礦石進行了礦物種類鑑定及定量分析，研究了礦物粒度分佈特徵。結果表明，與耗時長、效率低的傳統化學物相分析法、篩分和沉降粒度分析法相比，採用礦相顯微鏡及影象分析軟體能快速、準確地對礦物含量及粒度分佈特徵進行測定，為選礦工藝產品檢查、快速瞭解礦石性質提供了新的思路。將礦相顯微鏡應用於本科生科技創新研究實踐專案中，學生透過查詢文獻和蒐集資料，進行研究方案推敲、實驗摸索、研究結果剖析，能加強對所學理論知識的理解，有效訓練動手能力和獨立思考能力，全面提升自主學習意識和發現、解決問題能力。本科生在科技創新訓練中，透過使用大型精密儀器完成專案研究，能增強創新實踐能力和科研意識，為進一步開展科研活動打下良好基礎。