Arbetspaket
WP1: Prospektering
- WP-ledare: Thorkild Maack Rasmussen
Innovativa prospekteringsteknologier
CAMM bedriver forskning om mineraliseringspotentialen i Sverige och bidrar till utvecklingen av mer effektiva prospekteringsmetoder. Korrekt information om mineralresurspotentialen är, utöver dess betydelse för att hitta mineralfyndigheter, även värdefull för beslut om etablering av gruvverksamhet i specifika områden, både på kort och lång sikt.
Utvecklingen av effektiva mineralprospekteringsstrategier karaktäriseras i allmänhet av en tvärvetenskaplig ansats. Forskningen genomförs med målet att ta fram nya och förbättrade lösningar för att säkra tillgången på råmaterial som är nödvändiga för samhällets utveckling. Sverige har flera mineralfyndigheter och mineralområden av världsklass och har god potential för utvinning av kritiska metaller. Geologin och mineralresurserna i norra Sverige är i fokus för CAMM:s arbetspaket inom prospektering. I vårt arbete fokuserar vi på att utveckla innovativa prospekteringsteknologier genom att integrera regionala 3D-modelleringar av geologi och geofysik i mineralbälten med malmbildningsstudier och mikroanalytisk karaktärisering av resurser.
Ett verktyg för att stimulera en högre grad av investeringar i prospektering är att förbättra vår tredimensionella geometriska förståelse av jordskorpan och dess utveckling över tid. Inom WP1 Prospektering vid CAMM genererar och integrerar vi fyrdimensionella geologiska modeller från regional till fyndighetsnivå. Kontinuerlig integration och extern kommunikation av vår modellering och visualiseringsexpertis bidrar till bättre identifiering av nya mineralresurser på djupet, vilket leder till minskade miljöeffekter och kostnader genom effektivare prospekteringsarbetsflöden. Specifik information om jordens inre kommer från tre källor – borrning, gruvdrift och geofysiska data. De senare används för att dra slutsatser om bergarter och geologiska strukturer på djupet, och modeller som härleds från geofysiska data används ofta för att planera och vägleda borrkampanjer. Inom CAMM undersöker vi specifikt hur geofysiska data på regional nivå, i kombination med geologiska observationer från norra Sverige, kan användas för att identifiera geologiska miljöer som är gynnsamma för mineralisering.
En annan metod för att säkerställa den inhemska tillgången på både huvudråvaror och kritiska råmaterial är att på ett detaljerat och effektivt sätt karaktärisera malmer, gråberg och produktionsavfall. Forskning inom malmkaraktärisering bidrar till utvecklingen av analytiska metoder för prospektering och mineralbearbetning genom en förbättrad förståelse av bergmassan (mineralogi, mineralers kemi, texturer etc.). Inom CAMM:s prospekteringsforskningsgrupp utvecklas metoder genom en innovativ kombination av toppmoderna mikrokemiska tekniker, såsom spårämneskartläggning med Laser Ablation ICP-MS och 3D-visualisering med högupplöst röntgenbaserad datortomografi. LTU:s mikroanalytiska laboratorium analyserar framgångsrikt malmrelaterade mineraler. Forskningen omfattar detaljerade mineralogiska studier av olika malmtyper, med målet att förstå malmbildning, öka effektiviteten i gruvdrift och utnyttja malmer fullt ut.
WP2: Gruvdrift och bergmekanik
- WP-ledare: Daniel Johansson
Gruvindustrin står inför flera utmaningar, såsom djupare gruvor, säkerhet, minskning av produktionsstörningar, förbättrad malmåtervinning och reducering av malmutspädning. Därför krävs en förbättrad vetenskaplig förståelse av både de enskilda beståndsdelarna och det övergripande gruvsystemet.
Exempel på aktiviteter inom respektive område:
Digital gruvdrift och autonoma gruvmaskiner
Målet är att uppnå visionen om en helt autonom gruvdrift utan mänsklig exponering vid produktionsfronten genom att övervinna hinder för automatisering och ersätta information som idag baseras på mänskliga sinnen med automatiserade system. Arbetet fokuserar på att identifiera och eliminera hinder för automation samt förbättra kunskapen om resursanvändning och produktivitetsbegränsningar genom smart användning av automatiserade data från underjordsutrustning.
Kort- och medellångsiktig gruvplanering
Arbetet syftar till att förenkla och förbättra den löpande planeringen av underjordsgruvor samt möjliggöra en smidig gruvdrift genom optimerad resursanvändning. Diskreta händelsessimuleringsmodeller utvecklas och används som en digital tvilling av gruvan, vilket möjliggör vidareutveckling av schemaläggning och optimerad resursfördelning.
Utveckling av ett datadrivet ramverk och program för att säkerställa gruvkapacitet
Projektets huvudsyfte är att utveckla ett ramverk för att identifiera utrustningsrelaterade faktorer och problem som skapar osäkerheter i att uppnå planerad volym i gruvproduktionssystemet. Fokus ligger särskilt på den utrustning och infrastruktur som används, med hänsyn till både de inledande och avslutande processerna i gruvan.
Ventilation och luftkonditionering
Projektets huvudsakliga mål är att formulera strategier för att hantera ventilations- och luftkonditioneringsproblem i djupa underjordsgruvor i Sverige. Detta görs genom att utvärdera möjligheten att kombinera Ventilation on Demand (VOD) och Controlled Partial Recirculation (CPR) samt genom att granska strategier som används i djupa underjordsgruvor i Kanada.
Grundforskning om energiöverföring från icke-ideala detonationer till berg
Det finns ett behov av grundläggande förståelse för icke-ideala detonationer, såsom vid emulsionsexplosiver, för att utveckla förbättrade modeller som beskriver fysiken bakom fenomenet, exempelvis chockfrontens krökning, energiöverföring och kemiska sammansättningar. Förbättrade och mer effektiva sprängämnen kan då utvecklas, anpassade både för olika bergarter och varierande förhållanden.
Utveckling av algoritmer för automatisk vågformsbehandling och källparameterbestämning
Analyser av gruvinducerad seismisk aktivitet kräver ofta bearbetning av stora mängder data från tusentals seismiska händelser. Manuell bearbetning är tidskrävande och kostsam, vilket gör att automatiserad behandling är nödvändig. Målet med projektet är att utveckla algoritmer för olika typer av bearbetning som kan anpassas till den seismiska aktiviteten i gruvor.
Responsen hos underjordiska utrymmen, markytan och bergförstärkningar vid djupa gruvförhållanden
I Sverige orsakas markkontrollproblem i djupa gruvor ofta av gruvinducerad seismisk aktivitet eller av instabilitet i svaga, omvandlade malmkontaktzoner. Forskningen syftar till att förbättra förståelsen av hur underjordiska utrymmen och deras bergförstärkningar reagerar på seismisk och statisk belastning samt att förbättra designen av åtgärder för markkontroll.
WP3: Mineralbearbetning
- WP-ledare: Jan Rosenkranz
Avancerad mineralbearbetning för bättre resurseffektivitet
Inom mineralbearbetning kombineras olika enhetsoperationer för krossning, malning, fysisk separation och flotation i flerledade anrikningsprocesser för att framställa ett malmkoncentrat eller producera en industrimineralprodukt med definierade egenskaper.
Under de senaste årtiondena har processteknologier utvecklats men behöver fortfarande förbättras. Innovationer inom bearbetningskoncept och maskiner samt processoptimering är nycklarna till att öka resurseffektiviteten samtidigt som energi-, material- och avfallskonsumtionen minimeras. Forskningen inom avancerad mineralbearbetning vid CAMM bedrivs inom tre huvudområden:
(i) malning och krossning,
(ii) separationsprocesser, och
(iii) processystemteknik.
Fokusområden inom forskningen:
- Dynamiska modeller för kvarnar och malmlast utvecklas med hjälp av flerfasberäkningar för att optimera prestandan hos trumlingskvarnar och rörliga medierkvarnar. Detta omfattar studier av energiutnyttjande, slitagemönster för media och foder samt påverkan av drifts- och designparametrar.
- Mineralfrisättning, som är avgörande för effektiviteten i efterföljande separationsprocesser, kan förbättras genom att optimera partikelstorlek och brytmekanism utifrån malmtextur och mineralassociationer. Grundläggande forskning utförs där olika belastningssätt och hastigheter appliceras på olika malmtyper för att identifiera optimala frisättningsförhållanden och utveckla avancerade processmodeller.
- Bearbetning av finkorniga och komplexa malmer samt restmaterial genom en kombination av mineral- och hydrometallurgisk bearbetning ses som ett lovande koncept. Exempelvis undersöks raffinatmalning och innovativa processer såsom lakning under malning samt nya malningskretsar för förbättrad resurseffektivitet.
- Effekterna av låga temperaturer på flotationsseparationens effektivitet, särskilt för oxider och silikater, undersöks för att identifiera nya flotationsreagenser, optimala reagenssystem och hydrodynamiska koncept anpassade till mineralanrikning och restmaterialhantering i kallt klimat.
- Torrbearbetning där det är möjligt minskar vattenförbrukningen och minimerar miljöpåverkan. Forskningen fokuserar på att utveckla torra processer för malmsortering, primärmalning, siktning, koncentrering och deponering. Särskilt arbete läggs på att utvidga dessa tekniker till submillimeterområdet.
- Nya teknologier för mineralogisk analys, såsom hyperspektral avbildning och datortomografi, undersöks för att optimera processdesign och styrning. En central utmaning är att koppla mineralogiska egenskaper till processegenskaper för att skapa mer generiska modeller. Soft-sensorer utvecklas för avancerad processtyrning baserat på dessa modeller.
- Geometallurgi som en helhetsstrategi för optimerad processdesign och styrning ger metoder och verktyg för att koppla malmegenskaper till processbeteende. Pågående forskning fokuserar på geometallurgiska tester och modeller, samtidigt som en sammanhängande metodik utvecklas för att integrera hållbarhet och flexibilitet i bearbetningsprocesser.
WP4: Processmetallurgi
Ett samarbete inom Processmetallurgi mellan Luleå tekniska universitet och Swerim.
- WP-ledare: Fredrik Engström med Swerim
Resurseffektiv metallutvinning
Den metallurgiska industrin och inte minst den svenska metallurgiska industrin står inför flera stora utmaningar; att kunna producera metaller med minimala växthusgasutsläpp, malmer och skrot blir allt mer komplexa och metallinnehållet i skrot från konsumtionsvaror förändras snabbt över tid.
Med tanke på ovanstående utmaningar för den metallurgiska industrin är forskningen organiserad inom tre olika områden:
- Råvarueffektivitet
- Alternativa reduktionsmedel
- Återvinning och restproduktutnyttjande
Råvarueffektivitet
Helhetssyn på kombinerad skrot- och malmbearbetning. För att optimera utvinning av minor komponenter till lämpliga materialströmmar måste en helhetssyn på kombinerad skrot- och malmbearbetning utvecklas baserat på grundläggande termodynamiska och kinetiska data, som ingår i modeller som kombinerar kunskap om alla enhetsprocesser i bearbetningskedjan. Som ett första steg studeras eliminering av föroreningar vid rostningsoperationer genom laboratorieexperiment. Ett gemensamt projekt mellan Oregelbunden Geologi och Processmetallurgi.
Grundläggande förståelse för enhetsprocesser. För att förstå påverkan av olika råmaterial på enhetsprocesserna behövs mer grundläggande kunskap om olika elementers beteende i enhetsprocesserna. Aktiviteten fokuseras för närvarande på alkalisering i en masugn, som en del av ett pågående europeiskt forskningsprojekt.
Alternativa reduktionsmedel
Forskningen inom detta område rör främst användningen av biokol vid masugnsjärnframställning, effektiviteten vid introduktion av biokol och återvinning av kolhaltiga restprodukter och avfallsfraktioner. Flera av aktiviteterna genomförs även delvis inom europeiska och svenska industristödda projekt.
Flexibilitet vid koksframställning. Genom att utveckla metoder för att använda t.ex. biokol, termisk kol, petrokoks, m.m. vid koksframställning kan beroendet av koksande kol minskas. Grundläggande studier genomförs i laboratorium och pilotanläggning.
Förbättrad kolförbränning och effektivitet vid injicerade material. Förbättrad kolförbränningseffektivitet under olika BF-förhållanden och med olika nya kolhaltiga material studeras. Reaktionskinetik studeras i labbskala och de kinetiska data används sedan i CFD-modellering som ger input till modifiering av utrustning.
Användning av biokol för injektion och i agglomerat. Stora skogsytor i Sverige ger möjligheter att använda skogsrester eller till och med stamved för att producera bio-baserade reduktionsmedel. Olika typer av biokol, kol eller torrefierad, testas i labbskala och i fullskaliga anläggningstester.
Användning av plastavfall som reduktionsmedel för reduktion av metalloxider i slagg vid basmetallproduktion har studerats både i labbskala och i fullskala anläggningstest. Ett processkoncept för att maximera den interna återvinningen av kolhaltiga restprodukter, t.ex. masugnsslam, inom järn- och ståltillverkning har testats i full skala. Implementeringen utvärderas i båda fallen av industripartners.
Återvinning och restproduktutnyttjande
Slaggutnyttjande. Forskning bedrivs för att öka utnyttjandet av både ståltillverkningsslagg och slagg från basmetallproduktion. För båda typerna av slagg bygger forskningen på de unika egenskaperna hos slagen beroende på deras mineralogiska sammansättning.
WP5: Miljö
- WP-ledare: Lena Alakangas
Människor är idag en betydande geologisk faktor som påverkar jorden på lokal, regional och global nivå. Oro för människans påverkan på atmosfären, hydrosfären, litosfären och potentiella giftiga effekter på biosfären har aktualiserat behovet av miljögeokemi.
Gruvdrift producerar visuella och geokemiska effekter på miljön genom produktion av stora mängder gruvavfall, som måste lagras på ett säkert sätt under och efter produktionen. Forskningsaktiviteterna fokuserar på karakterisering, eliminering, stabilisering och rehabilitering av gruvavfall för att minimera den miljömässiga påverkan och öka hållbarheten och den sociala acceptansen av den extraktiva industrin.
Platinum Group Elements (PGE) i Ni-lateriter
PGE är kritiska för europeiska industrier och förväntas bli ännu viktigare i framtiden på grund av den gröna given från Europeiska kommissionen. Syftet med detta projekt är att få grundläggande kunskap om elementmobilitet och fällningsmekanismer för PGE inom det supergena miljön. Genom att tillämpa QanTmin-flödesschemat kommer Matías att studera PGE-mineralogi inom Ni-lateriter för att dokumentera transformationsprocesser från primära till sekundära miljöer. I ett andra steg kommer mikrobiologiska studier i samarbete med Prof. Duran från La Pau Universitetet (Frankrike) att undersöka möjligheten för biologiskt medierad neoformation av platinagruppmolekyler (PGM). Under andra halvan av 2023 kommer den analytiska metoden som beskrivs i projekt 1a att tillämpas på PGM från Ni-lateriter för att undersöka möjligheten att hitta en isotopisk biomarkör för in-situ PGM-neoformation.
Uran i bergarter och gruvvatten
Fokus ligger på att spåra källor och transformationer av uran i gruvområden. Detta projekt involverar extern samverkan med gruvföretaget LKAB. Följande aktiviteter är planerade:
- Karakterisering av xx bergprover och analys av xx grundvatten med fokus på uran och komplexande ligander som mobiliserar uran. Planerade analyser är µXRF-skanningar, skanningselektronmikroskopi med energidispersiv spektroskopi (SEM-EDS), Laser-Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-ICP-MS), sekventiell extraktion och radioaktiva och stabila isotoper.
- Hydroseparation och sekventiell extraktion av uranmineraler och komplexa ligander.
- Isotopanalyser i grundvatten och koncentrerade uranmineraler.
- En vetenskaplig artikel kommer att publiceras under 2023 som beskriver de geokemiska processerna vid mineralbearbetning och ett utkast om urankälla och mobilitet vid gruvplatsen.
Prediktiv modell för pit lake-vattenkvalitet
Projektet kommer att fokusera på att förstå vattenkvaliteten i öppna gruvhål och/eller pit lakes vid gruvområden. Målet är att utveckla en metodik som kan användas för att få indata för prediktiv modellering av pit lake-vattenkvalitet, vilket är en viktig del av att utvärdera gruvdriftens miljöpåverkan. Den totala exponerade ytan av pitväggarna kommer att uppskattas för att kunna kvantifiera de totala elementbidragen från de exponerade gruvväggarna. Uppskattningen kommer att baseras på drönarbilder och fotogrammetri och kopplas till data från tidigare genomförda elementläckageexperiment vid flera gruvområden. Tillsammans med data från andra källor som bidrar till elementbelastningen i pit lakes, såsom grundvatten, kan de relativa bidragen från de enskilda källorna uppskattas. Micro-XRF kommer att användas för att verifiera data som tidigare samlats in med handhållen XRF. I kombination med data från Projekt 2 kan en grundlig förståelse för källor och mobilitet av element vid de studerade gruvområdena uppnås. Projektet kommer också att fokusera på sanering av pit lakes genom att studera träaska som ett potentiellt alkaliskt gödselmedel som kan stimulera algtillväxt, sänka elementkoncentrationer och höja pH-värdet i sura pit lakes. Experiment har tidigare genomförts med goda resultat i en pit lake med neutralt pH och målet är därför att undersöka om liknande resultat kan uppnås i pit lakes med låga pH-värden.
Geokemi av REE i slagg
Gruvdrift och användning av EU-kritiska råmaterial kommer att öka inom Europeiska unionen för att nå den Europeiska gröna given 2050. Eftersom användningen av dessa metaller ökar finns det en risk att deras geokemiska cykler förändras. För närvarande saknas bakgrundsnivåer, riktvärden och geokemisk kunskap om dessa EU-kritiska råmaterial. Utan denna kunskap kan hantering av gruvavfall och vatten vara otillräcklig, och återställning till "pre-mining conditions" efter gruvstängning kan vara svårt att uppnå. I detta projekt kommer en ny doktorand att studera källor, mobilitet och öde för REE i historiska slagg för att öka den allmänna kunskapen om REE i den terrestra miljön (TRL-nivå 1). Borroperforerade kärnprover från slagg kommer att analyseras med geokemi, mineralogi och sekventiell extraktion för att bestämma REE-bärande mineraler och vittringshastigheten hos de bärande mineralerna. Grundvattenrör kommer att installeras och samlas in månatligen. Temperaturmätningar med drönare kommer att belysa var grundvattnet rinner till ytvatten, och ytvatten kommer också att samlas in månatligen.
Effekter av stress och åldrande på partikelns form i slagg
Beneath de kemiska aspekterna av slagg, måste det mekaniska beteendet och förändringar i det mekaniska beteendet också behandlas. Slagg i slaggdammar är inte ett homogent material med konstanta mekaniska egenskaper. Variationer i slagg kan uppstå på grund av förändringar i produktionslinjen eller lagringsprocedurer. Ytterligare variationer sker på grund av att slagg lagras i djupa deponier som utsätts för ökade effektiva spänningar. Denna ökning i effektiva spänningar kan leda till förändringar i partiklarna på grund av krossning och abrasion, vilket ännu inte har studerats systematiskt men har omedelbar effekt på det mekaniska beteendet. Dessutom kan långvarig exponering för kemikalier som används vid extraktion och lagring påverka de mineralogiska egenskaperna och återigen påverka geomekaniken i slaggdammarna och, genom uppbyggnad av slaggdammar, påverka stabiliteten och säkerheten hos dessa dammar.
Här kommer vi att titta på samspelet mellan sammansättning och partikelns form i slaggprov som samlats in från olika djup (och därmed ändrad lagringstid) genom XRD- och laseranalyser i kombination med triaxiala skjuvtest för att etablera stress-strain-beteendet under motsvarande stressnivåer. Under 2022 granskades befintliga laboratorie- och fältdata, och relevanta fältprov samlades in. Baserat på litteraturgenomgång och tillgängliga laboratorie- och fältdata kommer arbetet under 2023 att fokusera på förändring av PSD och partikelform på grund av ökad stress, dvs. studera förändringar i det mekaniska beteendet på grund av ökad stress. Särskilt kommer krossbarheten och nedbrytningen av olika slaggar att undersökas. Bestämning av mineralogi och sammansättning av de testade slaggproverna kommer också att genomföras för att koppla förändringar i PSD och partikelformer till dessa parametrar.
Uppdaterad:
Sidansvarig: Forskning