李圓洪，謝海云,2，陳祿政,2，葉群杰，童雄,2

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093；2.省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650093)

粒鐵礦重選技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展?

李圓洪1，謝海云1,2，陳祿政1,2，葉群杰1，童雄1,2

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093；2.省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650093)

我國(guó)有大量細(xì)粒嵌布的難選鐵礦石資源，重選工藝在該類(lèi)資源的選礦回收中具有重要地位。本文對(duì)重選理論中礦粒運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)細(xì)粒鐵礦選別中的重選工藝及設(shè)備現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納，并分析了存在的問(wèn)題，指出了發(fā)展的方向。本文從重選角度，對(duì)我國(guó)難選細(xì)粒鐵礦的高效選礦回收提供了一定的借鑒。

細(xì)粒鐵礦；離心力；重選

0 前言

截至2013年底，我國(guó)已探明的鐵礦資源約799億噸，居世界第五位。但與鐵礦石資源豐富的國(guó)家相比，我國(guó)的鐵礦石類(lèi)型復(fù)雜、貧礦多、伴生組分雜，且其中有相當(dāng)一部分為細(xì)粒嵌布的難選鐵礦(占20%～30%)，約100億噸[1]，如何對(duì)該類(lèi)難選鐵礦資源進(jìn)行高效回收，是我國(guó)鐵礦選礦面臨的十分迫切的問(wèn)題。

磁選是處理鐵礦石的主要方法，各種強(qiáng)磁、弱磁磁選設(shè)備用于全磁分選工藝中[2]。磁選易受礦物磁性、細(xì)度、泥化程度等因素的制約。浮選能提高鐵礦的選礦指標(biāo)，但對(duì)于粒度更細(xì)的鐵礦石分選指標(biāo)依然不高[3]，且成本較高、易污染環(huán)境。重選因其具有成本低、無(wú)環(huán)境污染的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于鐵礦石的選礦中。近年來(lái)，我國(guó)鐵礦選礦主要圍繞“提鐵降硅”和如何有效處理脈石為硅酸鐵鹽的細(xì)粒鐵礦[4]。

目前，隨著重選理論研究的不斷深入和重選設(shè)備的大力開(kāi)發(fā)，重選工藝廣泛應(yīng)用于鐵礦石的選別中。如螺旋溜槽對(duì)赤鐵礦的預(yù)先分選，搖床因分選精度高，用于海濱沙礦、弱磁性礦物的分選，離心選礦機(jī)對(duì)細(xì)粒級(jí)鐵礦物的有效回收等。鑒于重選在鐵礦選礦中的重要地位，特別是其對(duì)細(xì)粒鐵礦分選所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，本文首先對(duì)重選理論中礦粒運(yùn)動(dòng)特征、對(duì)應(yīng)用于細(xì)粒鐵礦選別中的重選工藝及設(shè)備現(xiàn)狀等進(jìn)行歸納總結(jié)，并針對(duì)性地分析存在的問(wèn)題，這對(duì)我國(guó)難選鐵礦資源的高效開(kāi)發(fā)利用具有一定的意義。

1 重選理論的研究現(xiàn)狀

1.1 細(xì)粒鐵礦的選別特性

重選的難易程度取決于輕、重礦物之間密度差異的大小，同時(shí)粒度大小也有較大影響。通常用表征礦物之間密度差異大小的可選性系數(shù)E來(lái)評(píng)價(jià)礦石重選的難易性，表1中總結(jié)了常見(jiàn)鐵礦物的密度。由表1中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，各種鐵礦物與石英之間均有一定的密度差異，這為鐵礦采用重選工藝，如搖床、螺旋溜槽、水力旋流器及離心選礦機(jī)等進(jìn)行分選提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

在目前的選礦技術(shù)條件下，通常將粒度范圍在0.2～0.02mm的礦物界定為細(xì)粒礦物，0.02～0.002mm為微細(xì)粒礦物。由于細(xì)粒鐵礦石的基本特性對(duì)有效分選造成了一系列影響，如礦粒質(zhì)量小，導(dǎo)致礦粒與氣泡、磁介質(zhì)等碰撞概率降低；礦粒比表面積大，導(dǎo)致礦物在水中溶解度變大，浮選藥耗量大；礦粒比磁化系數(shù)小，導(dǎo)致常規(guī)磁選難以奏效等[5-6]?？梢?jiàn)，對(duì)細(xì)粒鐵礦采用單一的磁選和浮選均存在一定的問(wèn)題?；诖耍疚膯为?dú)開(kāi)展細(xì)粒鐵礦的重選技術(shù)及應(yīng)用的現(xiàn)狀分析，以便對(duì)該類(lèi)資源的合理利用提供一定的思路。1.2 搖床中粒群的運(yùn)動(dòng)特征

表1 常見(jiàn)鐵礦物的密度和可選性

流膜選礦主要用于細(xì)粒和微細(xì)粒物料的分選。常見(jiàn)的分選設(shè)備包括各種搖床，螺旋溜槽，離心選礦機(jī)等。搖床分選是在一個(gè)傾斜的床面上，借助床面的不對(duì)稱(chēng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)和薄層斜面水流的綜合作用進(jìn)行分選的一種方法[6]。礦粒在搖床中的運(yùn)動(dòng)特性和其受力狀況密切相關(guān)，由牛頓運(yùn)動(dòng)定理，顆粒的運(yùn)動(dòng)方程[7]見(jiàn)式(1):式(1)中：u-礦粒速度；m-礦粒的質(zhì)量；t-時(shí)間；P-礦粒所受推力；F-礦粒所受的摩擦阻力；R-礦粒與液流相對(duì)運(yùn)動(dòng)所受阻力。

由公式1可知影響搖床分選的主要因素包括床面特性，沖程和沖次，沖洗水大小等。

在搖床的搖動(dòng)和橫向水流脈動(dòng)的綜合作用力下，物料松散并發(fā)生析離分層。因?yàn)榇竺芏鹊V物具有較大的縱向速度和較小的橫向速度，小密度礦物具有較小的縱向速度和較大的橫向速度，所以大密度礦物趨向重產(chǎn)物端，小密度礦物趨向輕產(chǎn)物端[6]。王衛(wèi)星[8]研究了搖床中粒群的松散特性：礦粒群在搖床上的松散是周期性的，床面前進(jìn)，剪切松散壓最小，床層未松散；床面后退時(shí)，剪切松散壓最大，床層充分松散。

1.3 螺旋溜槽中顆粒的運(yùn)動(dòng)特征

礦漿自上端給入螺旋溜槽后，在槽中流動(dòng)的過(guò)程中發(fā)生分層。進(jìn)入底層的大密度顆粒趨向槽內(nèi)緣運(yùn)動(dòng)，小密度顆粒在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中被甩向外緣[6]。陳庭中等[9]研究了螺旋溜槽中流膜運(yùn)動(dòng)規(guī)律，認(rèn)為螺旋溜槽分選作用是基于斜面水流和旋渦流的綜合作用。近些年發(fā)現(xiàn)“二次環(huán)流”在螺旋流槽中有著特殊的分選作用，黃尚安等[10]給出了徑向流速的計(jì)算式(2):

公式(2)表明了徑向環(huán)流速度大小和曲率半徑R有關(guān)，且外緣二次環(huán)流強(qiáng)于內(nèi)緣二次環(huán)流。

高淑玲等[11]對(duì)螺旋溜槽流場(chǎng)及顆粒運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，螺旋溜槽流場(chǎng)中的水相流速呈明顯的條帶狀分布，其速度值沿槽深方向逐漸升高，沿徑向從內(nèi)到外逐漸增大；螺距增大后，水層厚度不變，但水相流速和湍動(dòng)能的增加，顆粒的運(yùn)動(dòng)速度明顯增加，這有利于粒群的分帶和分選。

1.4 旋流器中顆粒的運(yùn)動(dòng)特征

水力選流器廣泛應(yīng)用于非均相混合物的分離，按用途和結(jié)構(gòu)分為分級(jí)旋流器和分選旋流器。近些年隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，對(duì)水力選流器的研究逐漸轉(zhuǎn)向以數(shù)值模擬為主[12]。

水力旋流器是按粒度分級(jí)的分級(jí)設(shè)備，不同直徑的固體顆粒在水力旋流器內(nèi)部占據(jù)不同的旋轉(zhuǎn)軌道。分離粒徑是水力旋流器分離過(guò)程的質(zhì)量指標(biāo)，軌道平衡法認(rèn)為徑向速度為零的固體顆粒的粒徑是水力旋流器的分離粒徑。梁政等[13]推導(dǎo)出了分離粒徑的計(jì)算式(3)：式(3)中：d-分離粒徑；、、-旋流器進(jìn)料口、溢流口、沉沙口直徑；νi-旋流器進(jìn)液口平均進(jìn)液速度；r-礦粒做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的半徑；ρm、ρ-固體顆粒密度、流體密度；H、h-旋流器高度、溢流管插入深度；μ—液體動(dòng)力粘度；R—旋流器半徑。

公式(3)說(shuō)明不同粒徑的固體顆粒占據(jù)不同半徑的軌道，且粒徑大的礦粒所占的軌道半徑大。

分選旋流器是短錐旋流器[14]，礦漿以一定壓力由切向進(jìn)料口進(jìn)入水力旋流器的內(nèi)部，礦漿在旋流器內(nèi)部作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生很強(qiáng)的離心力場(chǎng)，礦漿中密度較大的物料在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)向下、向外運(yùn)動(dòng)，最終形成外旋流以底流的形式從底流口排出；而密度較小的物料向內(nèi)、向上運(yùn)動(dòng)，最終形成內(nèi)旋流以溢流的形式從溢流口排出。曾令移等[15]對(duì)分級(jí)選流器和分選旋流器進(jìn)行了對(duì)比分析：一般分選旋流器給礦壓力低于分級(jí)旋流器；錐角越小，按粒度分離的因素越大，錐角越大，按密度分離因素越大。

1.5 離心選礦機(jī)中顆粒的運(yùn)動(dòng)特征

重選的實(shí)質(zhì)是松散、分層、分離的過(guò)程。重選的關(guān)鍵是使粒群在床層中有效按密度分層。近些年重選的主要研究方向是應(yīng)用復(fù)合力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)細(xì)粒物料的分選，常利用離心力場(chǎng)強(qiáng)化進(jìn)行重選。礦粒在離心力場(chǎng)作用下受的分選力遠(yuǎn)大于普通重力場(chǎng)下受的分選力，所以離心選礦機(jī)能回收更細(xì)粒級(jí)的礦物?，F(xiàn)代離心選礦機(jī)研究的基本方向是：建立有效的復(fù)合力場(chǎng)，強(qiáng)化分選過(guò)程，降低礦物回收粒度下限和改善連續(xù)排礦效能[16]。

拜格諾認(rèn)為作剪切運(yùn)動(dòng)的顆粒層之間或顆粒與底床之間必須有垂直應(yīng)力的作用以維持顆粒的流動(dòng)，離心選礦機(jī)中轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)引起的剪切是使料層松散的主要因素[17]。切向速度和軸向速度對(duì)礦粒的分選有重要作用，李國(guó)彥等[18]總結(jié)得到了切向速度公式(4)，式(4)中：νy-切向速度；dp-動(dòng)量；y-從壁算起到微元的距離；dx-微元的厚度；ν0-流膜表面線(xiàn)速度；ν1-轉(zhuǎn)鼓壁線(xiàn)速度；b-流膜厚度。

公式(4)說(shuō)明流膜各微層間存在滯后現(xiàn)象，這為粒群的分散和選別創(chuàng)造了良好的條件。

孫玉波[19]對(duì)離心選礦機(jī)中的液流流動(dòng)特性、分選機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，離心選礦中的液流屬于紊流流動(dòng)；礦漿流膜的結(jié)構(gòu)分為稀釋層、懸浮層和流變層，在稀釋層內(nèi)懸浮的只是那些很微細(xì)的粒子，進(jìn)入到懸浮層的粒子在懸浮狀態(tài)中發(fā)生了類(lèi)似干涉沉降的分層，分層的結(jié)果是大部分重礦物進(jìn)入下層，最后轉(zhuǎn)入到流變層中。

松散和分層是重選理論研究的基本課題[20]，目前大致分為動(dòng)力學(xué)體系和靜力學(xué)體系[6]。動(dòng)力學(xué)分層體系認(rèn)為粒度對(duì)顆粒群按密度分層有重要影響；靜力學(xué)體系認(rèn)為床層的分層過(guò)程是一個(gè)位能降低的過(guò)程，當(dāng)床層適當(dāng)松散時(shí)，大密度顆粒下降、小密度顆粒上升是一種必然趨勢(shì)。近年來(lái)離心力場(chǎng)下的流膜分選是細(xì)粒礦物分選的一個(gè)重要方向，圍繞離心力場(chǎng)下床層的松散和分層的理論是近些年的研究方向。加拿大等國(guó)對(duì)離心力場(chǎng)下的重選作了較多研究，主要研制了Falcon離心選礦機(jī)、Knelson分選機(jī)、超轉(zhuǎn)筒離心選礦機(jī)等，理論研究表明流態(tài)化反沖水應(yīng)用技術(shù)已成為研制現(xiàn)代離心選礦機(jī)的重要趨勢(shì)[21]。

2 細(xì)粒鐵礦重選工藝與設(shè)備的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

在鐵礦的選礦工藝方面，強(qiáng)磁性礦物多采用單一弱磁選流程，但考慮到及時(shí)回收已經(jīng)單體解離的粗粒鐵礦物、降低生產(chǎn)成本等因素，重選流程也加入到了強(qiáng)磁性鐵礦的選別中[22]。弱磁性鐵礦的選別多采用聯(lián)合流程，包括連續(xù)磨礦、弱磁-強(qiáng)磁-陰離子反浮選工藝，階段磨礦、粗細(xì)分選、重選-磁選-陰離子反浮選工藝，階段磨礦、粗細(xì)分選、磁選-重選-陰離子反浮選等工藝。這些工藝流程較長(zhǎng)，對(duì)管理過(guò)程要求高，適用于大型鐵礦石選礦廠。對(duì)于中小型選礦廠磁選-重選聯(lián)合流程簡(jiǎn)單合理，有利于降低生產(chǎn)成本。

針對(duì)我國(guó)存在大量的細(xì)粒、微細(xì)粒嵌布的鐵礦石，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)和高校都對(duì)我國(guó)細(xì)粒嵌布鐵礦物的重選進(jìn)行了研究，主要研究成果如下。

2.1 搖床在細(xì)粒鐵礦分選中的應(yīng)用

離心搖床[23]是把搖床納入離心力場(chǎng)工作的設(shè)備。由于離心力和重力的聯(lián)合作用，分層速度加快，單位面積處理能力比普通搖床高出5倍。南芬鐵礦石選礦廠使用離心搖床選別磁選尾礦，當(dāng)給礦粒度為-0.074mm占25%～30%時(shí)，給礦品位18.06%，經(jīng)過(guò)一次選別可得到鐵精礦品位50.00%，回收率50%以上。張宗華等發(fā)明了一種離子波形搖床，這種搖床改變了床面的材質(zhì)，改善了分選效果。張東晨對(duì)新型床面搖床的分選機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，新型搖床上的顆粒不僅具有空間松散特性，而且輕重礦粒沿縱向運(yùn)動(dòng)的差別更大，新型床面搖床具有明顯的強(qiáng)化分選效果[24-25]。

2.2 螺旋溜槽在細(xì)粒鐵礦分選中的應(yīng)用

螺旋溜槽中的徑向環(huán)流對(duì)礦粒群按比重分帶起著主要作用，離心螺旋溜槽[9]是給螺旋溜槽增加一個(gè)離心力場(chǎng)以調(diào)節(jié)旋渦流強(qiáng)弱，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化分選的目的設(shè)備。在普通溜槽的槽面上附加磁場(chǎng)，可得到磁力螺旋溜槽，這種溜槽使磁性物料能得到更有效的回收。

伍喜慶等[26]研究了磁力螺旋溜槽對(duì)細(xì)粒磁性物料的回收，結(jié)果表明磁力螺旋溜槽提高了磁性精礦的產(chǎn)率，減少了其在尾礦中的損失。肖春蓮[27]發(fā)明了一種微細(xì)粒級(jí)螺旋溜槽，其特征在于類(lèi)似地毯的絨狀選別表面，能有效回收0.037～0.01mm微細(xì)粒級(jí)金屬礦物，可以提高螺旋溜槽的處理能力。

2.3 旋流器在細(xì)粒鐵礦精選中的應(yīng)用

金喬等[28]針對(duì)大冶鐵礦進(jìn)行了磁力旋流器分級(jí)試驗(yàn)，對(duì)電流強(qiáng)度、給礦濃度等因素在溢流型磁力旋流器工作中的影響進(jìn)行了研究。綜合考慮分級(jí)效率、品位、回收率，最佳的工作條件為電流0.75A，分級(jí)效率從空白磁場(chǎng)的72.77%提高到79.57%，品位從空白磁場(chǎng)的38.31%提高到42.85%，回收率從空白磁場(chǎng)的24.68%提高到30.13%，表明溢流型磁力旋流器可較好地解決反富集問(wèn)題，提高分級(jí)效率。

王芝偉等[29]使用新型的磁力旋流分選機(jī)對(duì)大石河選礦廠細(xì)篩下產(chǎn)物進(jìn)行了精選半工業(yè)試驗(yàn)。研究表明新型設(shè)備利用了磁力、離心力、上升水流力等復(fù)合力場(chǎng)，可以高效脫除鐵精礦中夾雜的脈石礦物和貧連生體。與原來(lái)的精選設(shè)備相比，精礦品位提高1.22%，回收率提高2.01%。

2.4 離心選礦機(jī)在分選細(xì)粒鐵礦中的應(yīng)用

離心選礦機(jī)是高效的重選設(shè)備之一，近些年離心選礦機(jī)在大型化和精礦連續(xù)排礦方面取得進(jìn)步，標(biāo)準(zhǔn)型離心選礦機(jī)回收粒度下限可到0.010mm，能夠回收粒度更細(xì)的礦物[30]。

陳祿政等[31]采用離心選礦機(jī)分選強(qiáng)磁選后的粗精礦，研究發(fā)現(xiàn)改變高壓水速流往復(fù)速度和鼓筒轉(zhuǎn)速對(duì)離心選礦機(jī)的分選指標(biāo)有顯著影響，當(dāng)所有變量控制在最佳值時(shí)，可以獲得品位62.32%的鐵精礦，回收率65.02%。任南琪等[32]對(duì)離心選礦機(jī)中往復(fù)水束流的沖擊能量進(jìn)行了分析，結(jié)果表明水束流的沖擊角度對(duì)分選效率有重要的影響，不適當(dāng)?shù)臎_擊角度會(huì)降低分選指標(biāo)。

贛州金環(huán)磁選設(shè)備公司[33]針對(duì)離心選礦機(jī)給、排礦中控制裝置電磁鐵復(fù)位滯后等現(xiàn)象，對(duì)控制裝置進(jìn)行了改進(jìn)，采用“水壓箱式”裝置代替原電磁鐵，使離心選礦機(jī)能連續(xù)生產(chǎn)，在分選海南礦業(yè)聯(lián)合有限公司選礦廠的細(xì)粒尾礦的工業(yè)試驗(yàn)表明，采用SLon-2400離心機(jī)可以獲得品位61.30%的鐵精礦。

綜上所述，新型搖床的處理能力和分選效率不斷提高。螺旋溜槽在結(jié)構(gòu)參數(shù)方面不斷優(yōu)化，同時(shí)疊加磁力、離心力、機(jī)械振動(dòng)力等進(jìn)行強(qiáng)化分選。水力旋流器占地面積小，分級(jí)效率高，以提高分級(jí)效率為目的，采用新的耐磨材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)及采用復(fù)合力場(chǎng)是旋流器的主要發(fā)展趨勢(shì)。離心選礦機(jī)采用離心力場(chǎng)，強(qiáng)化了分選過(guò)程，降低了礦物回收粒度下限，并逐漸實(shí)現(xiàn)了連續(xù)排礦。

3 結(jié)論

1)當(dāng)前的重選理論研究中，由于礦粒在流膜中運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性和復(fù)雜性，對(duì)重力場(chǎng)、離心力場(chǎng)下的液流特性和顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律還有待深入研究。隨著計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，有必要建立重選過(guò)程的相關(guān)數(shù)學(xué)模型，促進(jìn)重選理論的發(fā)展。

2)細(xì)粒級(jí)鐵礦在選礦過(guò)程中流失嚴(yán)重是困擾我國(guó)貧紅鐵礦高效利用的主要因素。通過(guò)采取重選設(shè)備分選面結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等的改良，疊加離心力、磁力等復(fù)合力場(chǎng)等措施，開(kāi)發(fā)新型重選設(shè)備是提高細(xì)粒鐵礦的回收率和精礦品位的有效手段。

3)為了低成本的開(kāi)發(fā)我國(guó)細(xì)粒鐵礦石資源，將重選工藝和設(shè)備引入磁選或浮選流程中，采用聯(lián)合工藝是實(shí)現(xiàn)細(xì)粒鐵礦高效回收的重要措施。

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Research and application development on gravity separation of fine iron ore

LI Yuanhong1, XIE Haiyun1,2, CHEN Luzheng1,2, YE Qunjie1, TONG Xiong1,2
(1. Faculty of Land Resource Engineering, Kunming Uniνersity of Science and Technology, Kunming 650093, China; 2. State Key Laboratory of Complex Nonferrous Metal Resource Clean Utilization, Kunming 650093, China)

There is large low-grade and fine-size refractory iron ores in China. Gravity separation plays an important role in dealing with those resources. This paper summarizes the movement characteristics of mineral particles, and evaluates currently gravity separation technology & equipment, and analyzes the current problems and points out its development trend. From the perspective of gravity separation, the paper can provide references for efficiently processing fine-size refractory iron ores.

fine Iron ore; centrifugal force; gravity separation

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.01.03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51464030); 云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2013FZ027)

李圓洪, 碩士研究生, 礦物加工工程專(zhuān)業(yè)。

謝海云, 副教授, 從事選礦理論與技術(shù)研究。

李圓洪，謝海云，陳祿政，等．粒鐵礦重選技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]．新型工業(yè)化，2015，5(1)：22-28