粒鐵礦重選技術研究與應用進展?

李圓洪，謝海云,2，陳祿政,2，葉群杰，童雄,2

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093；2.省部共建復雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，云南昆明 650093)

粒鐵礦重選技術研究與應用進展?

李圓洪1，謝海云1,2，陳祿政1,2，葉群杰1，童雄1,2

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093；2.省部共建復雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，云南昆明 650093)

我國有大量細粒嵌布的難選鐵礦石資源，重選工藝在該類資源的選礦回收中具有重要地位。本文對重選理論中礦粒運動特征進行了總結，對細粒鐵礦選別中的重選工藝及設備現狀進行了歸納，并分析了存在的問題，指出了發展的方向。本文從重選角度，對我國難選細粒鐵礦的高效選礦回收提供了一定的借鑒。

細粒鐵礦；離心力；重選

0 前言

截至2013年底，我國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家相比，我國的鐵礦石類型復雜、貧礦多、伴生組分雜，且其中有相當一部分為細粒嵌布的難選鐵礦(占20%～30%)，約100億噸[1]，如何對該類難選鐵礦資源進行高效回收，是我國鐵礦選礦面臨的十分迫切的問題。

磁選是處理鐵礦石的主要方法，各種強磁、弱磁磁選設備用于全磁分選工藝中[2]。磁選易受礦物磁性、細度、泥化程度等因素的制約。浮選能提高鐵礦的選礦指標，但對于粒度更細的鐵礦石分選指標依然不高[3]，且成本較高、易污染環境。重選因其具有成本低、無環境污染的優點，廣泛用于鐵礦石的選礦中。近年來，我國鐵礦選礦主要圍繞“提鐵降硅”和如何有效處理脈石為硅酸鐵鹽的細粒鐵礦[4]。

目前，隨著重選理論研究的不斷深入和重選設備的大力開發，重選工藝廣泛應用于鐵礦石的選別中。如螺旋溜槽對赤鐵礦的預先分選，搖床因分選精度高，用于海濱沙礦、弱磁性礦物的分選，離心選礦機對細粒級鐵礦物的有效回收等。鑒于重選在鐵礦選礦中的重要地位，特別是其對細粒鐵礦分選所具有的獨特優勢，本文首先對重選理論中礦粒運動特征、對應用于細粒鐵礦選別中的重選工藝及設備現狀等進行歸納總結，并針對性地分析存在的問題，這對我國難選鐵礦資源的高效開發利用具有一定的意義。

1 重選理論的研究現狀

1.1 細粒鐵礦的選別特性

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E來評價礦石重選的難易性，表1中總結了常見鐵礦物的密度。由表1中數據可見，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等進行分選提供了基礎依據。

在目前的選礦技術條件下，通常將粒度范圍在0.2～0.02mm的礦物界定為細粒礦物，0.02～0.002mm為微細粒礦物。由于細粒鐵礦石的基本特性對有效分選造成了一系列影響，如礦粒質量小，導致礦粒與氣泡、磁介質等碰撞概率降低；礦粒比表面積大，導致礦物在水中溶解度變大，浮選藥耗量大；礦粒比磁化系數小，導致常規磁選難以奏效等[5-6]。可見，對細粒鐵礦采用單一的磁選和浮選均存在一定的問題。基于此，本文單獨開展細粒鐵礦的重選技術及應用的現狀分析，以便對該類資源的合理利用提供一定的思路。1.2 搖床中粒群的運動特征

表1 常見鐵礦物的密度和可選性

流膜選礦主要用于細粒和微細粒物料的分選。常見的分選設備包括各種搖床，螺旋溜槽，離心選礦機等。搖床分選是在一個傾斜的床面上，借助床面的不對稱往復運動和薄層斜面水流的綜合作用進行分選的一種方法[6]。礦粒在搖床中的運動特性和其受力狀況密切相關，由牛頓運動定理，顆粒的運動方程[7]見式(1):式(1)中：u-礦粒速度；m-礦粒的質量；t-時間；P-礦粒所受推力；F-礦粒所受的摩擦阻力；R-礦粒與液流相對運動所受阻力。

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。

在搖床的搖動和橫向水流脈動的綜合作用力下，物料松散并發生析離分層。因為大密度礦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物端，小密度礦物趨向輕產物端[6]。王衛星[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，剪切松散壓最小，床層未松散；床面后退時，剪切松散壓最大，床層充分松散。

1.3 螺旋溜槽中顆粒的運動特征

礦漿自上端給入螺旋溜槽后，在槽中流動的過程中發生分層。進入底層的大密度顆粒趨向槽內緣運動，小密度顆粒在回轉運動中被甩向外緣[6]。陳庭中等[9]研究了螺旋溜槽中流膜運動規律，認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。近些年發現“二次環流”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算式(2):

公式(2)表明了徑向環流速度大小和曲率半徑R有關，且外緣二次環流強于內緣二次環流。

高淑玲等[11]對螺旋溜槽流場及顆粒運動行為進行了數值模擬，結果表明，螺旋溜槽流場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，但水相流速和湍動能的增加，顆粒的運動速度明顯增加，這有利于粒群的分帶和分選。

1.4 旋流器中顆粒的運動特征

水力選流器廣泛應用于非均相混合物的分離，按用途和結構分為分級旋流器和分選旋流器。近些年隨著計算流體力學的發展，對水力選流器的研究逐漸轉向以數值模擬為主[12]。

水力旋流器是按粒度分級的分級設備，不同直徑的固體顆粒在水力旋流器內部占據不同的旋轉軌道。分離粒徑是水力旋流器分離過程的質量指標，軌道平衡法認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]推導出了分離粒徑的計算式(3)：式(3)中：d-分離粒徑；、、-旋流器進料口、溢流口、沉沙口直徑；νi-旋流器進液口平均進液速度；r-礦粒做旋轉運動的半徑；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—液體動力粘度；R—旋流器半徑。

公式(3)說明不同粒徑的固體顆粒占據不同半徑的軌道，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料口進入水力旋流器的內部，礦漿在旋流器內部作旋轉運動從而產生很強的離心力場，礦漿中密度較大的物料在旋轉運動的同時向下、向外運動，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、向上運動，最終形成內旋流以溢流的形式從溢流口排出。曾令移等[15]對分級選流器和分選旋流器進行了對比分析：一般分選旋流器給礦壓力低于分級旋流器；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 離心選礦機中顆粒的運動特征

重選的實質是松散、分層、分離的過程。重選的關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用復合力場實現細粒物料的分選，常利用離心力場強化進行重選。礦粒在離心力場作用下受的分選力遠大于普通重力場下受的分選力，所以離心選礦機能回收更細粒級的礦物。現代離心選礦機研究的基本方向是：建立有效的復合力場，強化分選過程，降低礦物回收粒度下限和改善連續排礦效能[16]。

拜格諾認為作剪切運動的顆粒層之間或顆粒與底床之間必須有垂直應力的作用以維持顆粒的流動，離心選礦機中轉鼓旋轉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礦粒的分選有重要作用，李國彥等[18]總結得到了切向速度公式(4)，式(4)中：νy-切向速度；dp-動量；y-從壁算起到微元的距離；dx-微元的厚度；ν0-流膜表面線速度；ν1-轉鼓壁線速度；b-流膜厚度。

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

孫玉波[19]對離心選礦機中的液流流動特性、分選機理進行了研究，結果表明，離心選礦中的液流屬于紊流流動；礦漿流膜的結構分為稀釋層、懸浮層和流變層，在稀釋層內懸浮的只是那些很微細的粒子，進入到懸浮層的粒子在懸浮狀態中發生了類似干涉沉降的分層，分層的結果是大部分重礦物進入下層，最后轉入到流變層中。

松散和分層是重選理論研究的基本課題[20]，目前大致分為動力學體系和靜力學體系[6]。動力學分層體系認為粒度對顆粒群按密度分層有重要影響；靜力學體系認為床層的分層過程是一個位能降低的過程，當床層適當松散時，大密度顆粒下降、小密度顆粒上升是一種必然趨勢。近年來離心力場下的流膜分選是細粒礦物分選的一個重要方向，圍繞離心力場下床層的松散和分層的理論是近些年的研究方向。加拿大等國對離心力場下的重選作了較多研究，主要研制了Falcon離心選礦機、Knelson分選機、超轉筒離心選礦機等，理論研究表明流態化反沖水應用技術已成為研制現代離心選礦機的重要趨勢[21]。

2 細粒鐵礦重選工藝與設備的研究現狀與進展

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

針對我國存在大量的細粒、微細粒嵌布的鐵礦石，近年來國內外許多科研機構和高校都對我國細粒嵌布鐵礦物的重選進行了研究，主要研究成果如下。

2.1 搖床在細粒鐵礦分選中的應用

離心搖床[23]是把搖床納入離心力場工作的設備。由于離心力和重力的聯合作用，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，當給礦粒度為-0.074mm占25%～30%時，給礦品位18.06%，經過一次選別可得到鐵精礦品位50.00%，回收率50%以上。張宗華等發明了一種離子波形搖床，這種搖床改變了床面的材質，改善了分選效果。張東晨對新型床面搖床的分選機理進行了研究，結果表明，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動的差別更大，新型床面搖床具有明顯的強化分選效果[24-25]。

2.2 螺旋溜槽在細粒鐵礦分選中的應用

螺旋溜槽中的徑向環流對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離心力場以調節旋渦流強弱，實現強化分選的目的設備。在普通溜槽的槽面上附加磁場，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細粒磁性物料的回收，結果表明磁力螺旋溜槽提高了磁性精礦的產率，減少了其在尾礦中的損失。肖春蓮[27]發明了一種微細粒級螺旋溜槽，其特征在于類似地毯的絨狀選別表面，能有效回收0.037～0.01mm微細粒級金屬礦物，可以提高螺旋溜槽的處理能力。

2.3 旋流器在細粒鐵礦精選中的應用

金喬等[28]針對大冶鐵礦進行了磁力旋流器分級試驗，對電流強度、給礦濃度等因素在溢流型磁力旋流器工作中的影響進行了研究。綜合考慮分級效率、品位、回收率，最佳的工作條件為電流0.75A，分級效率從空白磁場的72.77%提高到79.57%，品位從空白磁場的38.31%提高到42.85%，回收率從空白磁場的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題，提高分級效率。

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

2.4 離心選礦機在分選細粒鐵礦中的應用

離心選礦機是高效的重選設備之一，近些年離心選礦機在大型化和精礦連續排礦方面取得進步，標準型離心選礦機回收粒度下限可到0.010mm，能夠回收粒度更細的礦物[30]。

陳祿政等[31]采用離心選礦機分選強磁選后的粗精礦，研究發現改變高壓水速流往復速度和鼓筒轉速對離心選礦機的分選指標有顯著影響，當所有變量控制在最佳值時，可以獲得品位62.32%的鐵精礦，回收率65.02%。任南琪等[32]對離心選礦機中往復水束流的沖擊能量進行了分析，結果表明水束流的沖擊角度對分選效率有重要的影響，不適當的沖擊角度會降低分選指標。

贛州金環磁選設備公司[33]針對離心選礦機給、排礦中控制裝置電磁鐵復位滯后等現象，對控制裝置進行了改進，采用“水壓箱式”裝置代替原電磁鐵，使離心選礦機能連續生產，在分選海南礦業聯合有限公司選礦廠的細粒尾礦的工業試驗表明，采用SLon-2400離心機可以獲得品位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。螺旋溜槽在結構參數方面不斷優化，同時疊加磁力、離心力、機械振動力等進行強化分選。水力旋流器占地面積小，分級效率高，以提高分級效率為目的，采用新的耐磨材料，優化結構參數及采用復合力場是旋流器的主要發展趨勢。離心選礦機采用離心力場，強化了分選過程，降低了礦物回收粒度下限，并逐漸實現了連續排礦。

3 結論

1)當前的重選理論研究中，由于礦粒在流膜中運動的隨機性和復雜性，對重力場、離心力場下的液流特性和顆粒的運動規律還有待深入研究。隨著計算流體力學和計算機仿真技術的發展，有必要建立重選過程的相關數學模型，促進重選理論的發展。

2)細粒級鐵礦在選礦過程中流失嚴重是困擾我國貧紅鐵礦高效利用的主要因素。通過采取重選設備分選面結構、材質等的改良，疊加離心力、磁力等復合力場等措施，開發新型重選設備是提高細粒鐵礦的回收率和精礦品位的有效手段。

3)為了低成本的開發我國細粒鐵礦石資源，將重選工藝和設備引入磁選或浮選流程中，采用聯合工藝是實現細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

國家自然科學基金項目(51464030); 云南省應用基礎研究項目(2013FZ027)

李圓洪, 碩士研究生, 礦物加工工程專業。

謝海云, 副教授, 從事選礦理論與技術研究。

李圓洪，謝海云，陳祿政，等．粒鐵礦重選技術研究與應用進展[J]．新型工業化，2015，5(1)：22-28