不白九百 -
一、基本原理
重力选矿简称重选，重选是根据矿物间密度的差异，在一定的介质流中 ( 通常为水、重液或重悬浮液) ，借助流体浮力、动力或其他机械力的推动而松散，在重力 ( 或离心力) 及黏滞阻力作用下，使不同密度 ( 粒度) 的矿物颗粒发生分层转移，从而达到有用矿物和脉石分离的选矿方法。采用重选，有用矿物和脉石间密度差值越大，越有利分选，越小，分选则越困难。重选难易度以 E 值表示，E = ( δ2－ ρ) / ( δ1－ ρ) 。式中 δ1、δ2为轻、重矿物的密度，ρ 为介质的密度。按 E 值可将矿石的重选难易度分作五级，见表2 －1。
表 2 －1 重选难易度按 E 值的分级
重选是处理粗粒、中粒和细粒 ( 大致界限为大于25 mm、25 ～2 mm、2 ～0. 1 mm) 矿石分选的有效方法之一。
重选的优势在于能够低成本地处理各种粒度的矿石。处理粗粒 ( 例如 >25 mm) 、中粒 ( 25 ～2 mm) 及细粒 ( 2 ～0. 074 mm) 矿石的重选设备，其处理能力大、能耗少，造价一般较低，故在可能条件下均被采用。处理微细粒级 ( 大约是小于 0. 075 mm) 的重选设备处理能力低，分选效果差，但在其他选矿方法难以奏效时，重选仍是可用的方法。
在选矿生产中，重选的应用大致有如下几方面: ① 进行矿石的预选。在粗、中粒以至细粒条件下提早选出部分最终尾矿，以减少细磨深选的矿量，降低生产费用; ② 用于处理含高密度矿物的矿石，如黑钨矿、锡石、稀有金属 ( 铌、钽、钛、锆等) 、贵金属、铁锰矿石等，同时也是分选低密度矿物如煤的主要方法; ③ 与其他选矿方法如浮选、磁选组成联合流程，进行粗、细粒组分选别或综合回收有用成分; ④ 作为其他选矿工艺的补充作业，回收伴生的重矿物或对主要成分进行补充回收。重力选矿的应用范围目前还在继续扩大，在工业废渣处理、环境工程中也被广泛使用。
重选通常是在垂直重力场、斜面重力场和离心力场中进行。
在垂直重力场中，矿物颗粒群按密度分层是重选的实质，而就分层过程及原理而言，主要有两种理论体系: 一种为动力学体系，即在介质动力作用下，依据矿物颗粒自身的运动速度差或距离差发生分层; 另一种为静力学体系，即矿物颗粒层以床层整体内在的不平衡因素作为分层。两种理论体系在数理关系上虽尚未取得统一，但在物理概念上并不矛盾，且相互关联，取得分层过程的连贯性认识。
1. 矿物颗粒按自由沉降速度差分层
在垂直流中矿物颗粒群的分层是按轻、重矿物颗粒的自由沉降速度差发生的。自由沉降是单个颗粒在介质空间中的独立沉降，颗粒只受重力、介质浮力和黏滞阻力作用。
在紊流(即牛顿阻力)条件下(Re=103～105)，球形颗粒的沉降末速度为:
非金属矿产加工与开发利用
式中:d———球形颗粒粒径;
δ———球形颗粒密度;
ρ———介质密度。
在层流条件下(Re<1)，球形颗粒的沉降末速度为:
非金属矿产加工与开发利用
μ———流体的动力黏度，0.1Pa·s。
因此，入选矿物颗粒粒度级别越窄，则分选效果越好。当入选矿物密度符合等降比的条件时，则颗粒群在沉降过程中按矿物密度分层，即大密度矿粒其沉降速度大，优先到达底层;反之小密度矿粒则分布在上层，从而实现矿物分层、分离。
2.矿物颗粒按干涉沉降速度差分层
入选矿物粒群粒级较宽，即给料上下限粒度比值大于自由沉降等降比时，R.H.门罗提出矿物颗粒按干涉沉降速度差分层的观点。成群的颗粒与介质组成分散的悬浮体，导致颗粒间碰撞及悬浮体平均密度的增大，相应降低了个别颗粒的沉降速度。
3.按矿物颗粒悬浮体密度差分层
不同密度的矿物粒群组成的床层可视为由局部重矿物悬浮体和轻矿物悬浮体构成，在重力作用下，悬浮体存在着静压强不平衡，在分散介质的作用下，轻、重矿物分散的悬浮体微团分别集中起来，导致按轻、重矿物密度分层。
在斜面紊流场中，呈弱紊流流动的矿浆流膜，在紊动扩散作用下松散悬浮，在矿物颗粒自身重力作用下，而在流膜内呈多层分布，有沉积层、流变层、悬移层、稀释层。见图2－3。在斜面底部，形成一定厚度的层流边层，颗粒沿层运动即“流变层”，在这里矿物颗粒形成松散整体，矿物则按密度差来分层，重矿物在下，轻矿物在上。该层是按比重分层的最有效区域。
应用斜面流分选的设备主要有溜槽、螺旋选矿机、圆锥选矿机、摇床等。
图2－3 弱紊流矿浆流膜结构图
在离心力场中，颗粒按密度分层、分离，所谓离心力场中矿物分选，即借助一定设备产生机械回转，利用回转流产生的惯性离心力，使不同粒度或不同密度矿物颗粒实现分离的方法。矿物颗粒的沉降末速度与其质量和粒度有关，回转力场不仅可以实现按密度分层分选，也可以按粒度进行分级，这样当转速适当时，重矿物沉降至筒壁，小颗粒随悬浮液排走，实现分选或分级。
利用离心力场进行分选的重选设备主要有离心选矿机、水力旋流器、旋分机等。
二、重选设备及应用
重选设备按作用力场性质主要有跳汰机、摇床、螺旋选矿机、离心选矿机、水力旋流器及重介质旋流器等。各种重选设备的适用范围见表2－2。
表2－2 各种重选设备的适用范围
1.跳汰机
跳汰选矿是在垂直交变水流中使轻重物料分层分选的方法。跳汰机是实现跳汰选矿的工艺设备，跳汰选矿特征是:被选矿石连续给至跳汰室的筛板上，形成厚的物料层(或称床层)。通过筛板周期性鼓入的上升水流，使床层升起松散，接着水流下降(或停止上升)，在这一过程中，密度不同的颗粒发生相对转移，重矿物进入下层，轻矿物转入上层，分别排出即得精矿和尾矿。矿粒在跳汰时的分层过程见图2－4。
图2－4 矿粒在跳汰时的分层过程
跳汰机按推动水流运动方式(图2－5)可分为:活塞跳汰机、隔膜跳汰机、水力鼓动跳汰机、动筛跳汰机、无活塞跳汰机。活塞跳汰机工作原理见图2－6，活塞易漏水、传动效率低;动筛跳汰机机械传动部分复杂;水力鼓动跳汰机耗水量过多。这三种机型已很少应用。无活塞跳汰机主要用于大型选煤厂。现在选矿中应用较多的是隔膜跳汰机。
图2－5 跳汰机中推动水流运动的形式示意图
图2－6 活塞跳汰机工作原理图
按隔膜的位置，隔膜跳汰机可分为上动隔膜旁动跳汰机、下动圆锥隔膜跳汰机和旁动隔膜跳汰机三种。
旁动隔膜跳汰机由机架、传动机构(含隔膜)、跳汰室和角锥形底箱四大部分组成。跳汰室共有两个，给料经第一室选别后再进入第二室选别，每室的水流由设在旁侧的隔膜推动运动。隔膜呈椭圆形，借周边橡皮与机体连接，将水密封。
位于隔膜上方的偏心传动机构通过摇臂带动隔膜上下运动。隔膜室的下方设有筛下补加水管，由阀门控制给水量。其优点是床层比较稳定，选别效果好，维修方便;缺点是占地面积大、电耗高。用于粗选和精选作业，合适粒度为0.1～2mm。
传统的跳汰机多为圆周偏心驱动，其跳汰脉动曲线为正弦波形。锥斗的上升和下降速度相等，上升水流和下降水流强度基本相同。新型锯齿波形跳汰机从传动结构上有所改进，使得脉动特性曲线为锯齿波形(即差动形跳汰曲线)，可使锥斗快速上升，慢速下降，即压程大吸程缓慢。压程前半段为加速上升，后半段为减速上升，吸程则是匀速下降。这种曲线更符合跳汰床层分层规律，有助于床层松散及矿粒按密度分层，可使细粒级中的重矿物颗粒充分沉降，又由于减少对床层的强力吸啜，便可大幅度减少筛下补给水。这种差动曲线的跳汰机可分选粒级较宽的原料，选别能力强，节约水、电。
图 2 －7 摇床的一般结构示意图
2.摇床
摇床属斜面流膜选矿设备。所有摇床均由床面、机架和传动机构三大部分组成。其结构见图2－7。床面呈梯形、菱形或矩形，在横向有一定角度倾斜，在倾斜的上方配置给矿槽和给水槽，床面上沿纵向布置床条，床条高度自传动端向对侧降低。整个床面由机架支承，在床面一端安装传动装置，传动装置可使床面前进接近末端时具有急回运动特性，即差动运动。矿物颗粒在摇床面上受到如下几个力的作用:①矿粒在介质中的重力;②横向水流和矿浆流的流体动力;③床面差动往复运动的动力;④床面的摩擦力。位于床条沟内的矿物粒群在这些力作用下进行着松散分层和搬运分带。首先矿物粒群在脉动水作用下松散，重矿物颗粒局部压强较大，排挤轻矿物颗粒而进入下层。粒度较小的颗粒，穿过粗颗粒间隙进入同一密度的下部，即析离分层。分层结果，细粒重矿物在最底层，上部是粗粒重矿物并有部分细粒轻矿物混杂，最上部是粗粒轻矿物。矿物粒群进行松散分层的同时，还要受到横向水流的冲洗作用和床面纵向差动摇动的推动作用。在纵向上，颗粒运动由床面运动变向加速度不同引起。由传动端开始，床面前进速度逐渐增大，在摩擦力带动下，颗粒随床面的运动速度也增大，经过运动终点后床面运动速度迅速减少，负向加速度急剧增大，当床面摩擦力不足以克服颗粒的前进惯性时，颗粒便相对于床面向前滑动。随粒群纵向移动，床条高度降低，位于床条沟内分层矿粒依次被剥离出来，在横向冲洗水流作用下，粗粒轻矿物横向速度较大，依次为细粒轻矿物、粗粒重矿物、细粒重矿物。如此搬运分带，从而达到轻、重矿物分选目的。影响摇床选矿过程的因素如下:
(1)摇床运动的不对称性
它对矿粒沿纵向的选择性搬运及床层的松散影响很大。适宜的不对称性，要求既能保证较好的选择性搬运性能，又保证床层的充分松散。对较难松散和较易搬运的粗粒物料，不对称性可小些;对较易松散，但较难移动的细粒物料，不对称性应大些。
(2)冲程和冲次(行程与频率)
它们直接决定床面运动的速度和加速度大小，因此，对床层的松散分层和选择性搬运也有很大影响。最佳的冲程和冲次应使床层析离分层好，选择性搬运能力强。对粗粒物料、精选作业及负荷较大的情况，采用大冲程小冲次，一般冲程为16～30mm，冲次为200～250次/min。对细粒物料、粗选作业及负荷较小的情况，采用小冲程大冲次，一般冲程为8～10mm，冲次为250～300次/min。
(3)水量和坡度
它们都影响床面上水层厚度和横向水流速度，决定了横向搬运矿粒的速度和清洗作用的大小。因此是操作中经常调节的因素。增大坡度可减少水量，反之亦然。增大水量和减小坡度，可使水层变厚。操作中，水量和坡度必须很好配合。对粗粒物料、难选物料和精选作业的情况，要求较大的流速和较厚的水层，应采用小坡大水制度;对细粒物料、易选物料或粗选作业，则要求较大流速和较薄水层，应采用大坡小水制度。倾角一般在0～10°;水量20～50L/min。
(4)给矿体积和给矿浓度
两者都影响分层和搬运速度。过大的给矿体积会使床层过厚，分层变差，搬运速度增大，从而使尾矿品位升高，回收率下降。过小的给矿体积会使处理量大大降低。浓度过大，会出现砂堆;浓度过小，则可能出现拉沟现象。给矿体积与浓度应很好配合，原则是在允许的给矿体积负荷范围内，选择最佳的给矿浓度。一般，给矿浓度为15%～25%，粗粒取高值，细粒取低值。处理0.2mm以上砂矿时，生产能力为0.7～2.3t/(台·h)，处理0.2mm以下细粒物料时，生产能力为0.2～0.5t/(台·h)。
(5)给矿粒度和形状
矿粒度和形状影响按密度分选的精确性。为此，入选前的分级、脱泥和脱粗十分必要。浑圆形过粗重矿粒，不仅干扰细粒的分选，还易流失于尾矿中。若粗、圆者为脉石时，则有利于分选。微细矿泥不易沉降，亦易流失于尾矿中。经分级的物料，粒度均匀，操作和调整方便，粗细摇床负荷分配合理，有利于生产能力的提高。
图 2 －8 螺旋选矿机结构示意图
在非金属矿选矿提纯中，采用摇床单独作业较少，多在一些联合流程中的某段使用，如叶蜡石精选中采用摇床除铁，以及石榴子石、独居石、海滨砂矿的提纯等。
3.螺旋选矿机
螺旋选矿机是借助在斜槽中流动的水流进行矿物选别的提纯设备。其主体结构为一个3～5圈的螺旋槽，用支架垂直安装。其结构见图2－8。槽的断面呈抛物线，一定浓度的矿浆自上部给矿槽给入后，沿槽自上而下流动过程中，矿物颗粒群在弱紊流作用下松散，按密度发生分层，分层后进入底层的重矿物颗粒受槽底摩擦力影响，运动速度较低，离心力较小，在槽的横向坡度影响下，趋向槽的内缘移动;轻矿物则随矿浆主流运动，速度较快，在离心力影响下，趋向槽的外缘。轻、重矿物在螺旋槽的横向展开分带，见图2－9。二次环流不断将矿粒沿槽底输送到外缘，促进着分带的发展，最后矿粒运动趋于平衡，分带完成。靠内缘运动的重矿物通过排料管排出，轻矿物由槽的末端排出，达到轻、重矿物分离。
螺旋选矿机结构简单，无运动部件，容易制造，占地面积小，单位处理量大，工艺指标良好，操作维修简便，适于处理含泥少的矿砂，给矿粒度以2～0.1mm为佳，粒度回收下限一般为0.04mm。
图 2 －9 轻重矿物在螺旋选矿机槽面上的分带
4.离心选矿机
离心选矿机按转鼓数分为单转鼓和双转鼓两种，按转鼓锥度分为单锥度、双锥度和三锥度。矿物颗粒在流变层内发生有效分层，矿粒群借助切变运动产生的层间斥力松散，轻、重矿物依自身的局部压强不同相对转移，重矿粒转入底层，轻矿粒进入上层。进入底层的重矿粒即附着在鼓壁上较少移动，轻矿物则在脉动速度作用下悬浮，其矿浆流通过转鼓与底盘间的缝隙随较高的轴向流速排出。当重矿粒沉到一定厚度时，由冲矿嘴给入高压水，冲洗沉积的重矿粒，实现重、轻矿粒分离。离心选矿机属间断性作业设备，但给矿、冲洗水和重、轻矿粒排出过程自动进行。卧式离心选矿机结构见图2－10。离心选矿机优点是结构简单、分选效率高、单位面积处理量大、回收下限粒度低(达10μm)。
图 2 －10 卧式离心选矿机结构示意图
缺点是精矿富集比低，耗水量大，水压要求高，常需配备精选作业设备。离心选矿机应用于非金属矿的选矿提纯较少，只是在一些矿物，如长石、石英、硅藻土等矿物的脱泥中应用。
图 2 －11 重介质旋流器结构示意图
5. 重介质选矿机
矿物颗粒群在密度大于 1 的介质中按其密度值的不同而分离的选矿方法为重介质选矿。其配套的设备为重介质选矿机。介质多采用重液或重悬浮液，其介质密度应介于矿石中轻矿物与重矿物两者的密度之间。这样轻矿物颗粒即不再沉降，重矿物颗粒则可下沉，从而实现按密度分离，其分选过程完全属于静力作用过程。
重介质选矿设备有动态和静态两类。动态有重介质旋流器、重介质涡流旋流器和重介质振动溜槽等; 静态有鼓形重介质分选机和圆锥形重介质分选机等。
重介质旋流器结构和普通水力旋流器基本相同，只是以重介质代替水介质。其结构见图 2 －11。
重介质选矿机共同特点是分选粒度粗，处理能力大，对给矿变化的适应性强，选矿指标高，选矿费用较低。缺点是矿石入选前需要洗矿或筛分除去矿泥及细粒等处理，要配备介质制备及净化回收系统。重介质选矿机在非金属矿的应用较多，涉及矿物有石灰石、白云石、长石、红柱石、菱镁矿等。