粒铁矿重选技术研究与应用进展∗

李圆洪，谢海云,2，陈禄政,2，叶群杰，童雄,2

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093；2.省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室，云南昆明 650093)

粒铁矿重选技术研究与应用进展∗

李圆洪1，谢海云1,2，陈禄政1,2，叶群杰1，童雄1,2

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093；2.省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室，云南昆明 650093)

我国有大量细粒嵌布的难选铁矿石资源，重选工艺在该类资源的选矿回收中具有重要地位。本文对重选理论中矿粒运动特征进行了总结，对细粒铁矿选别中的重选工艺及设备现状进行了归纳，并分析了存在的问题，指出了发展的方向。本文从重选角度，对我国难选细粒铁矿的高效选矿回收提供了一定的借鉴。

细粒铁矿；离心力；重选

0 前言

截至2013年底，我国已探明的铁矿资源约799亿吨，居世界第五位。但与铁矿石资源丰富的国家相比，我国的铁矿石类型复杂、贫矿多、伴生组分杂，且其中有相当一部分为细粒嵌布的难选铁矿(占20%～30%)，约100亿吨[1]，如何对该类难选铁矿资源进行高效回收，是我国铁矿选矿面临的十分迫切的问题。

磁选是处理铁矿石的主要方法，各种强磁、弱磁磁选设备用于全磁分选工艺中[2]。磁选易受矿物磁性、细度、泥化程度等因素的制约。浮选能提高铁矿的选矿指标，但对于粒度更细的铁矿石分选指标依然不高[3]，且成本较高、易污染环境。重选因其具有成本低、无环境污染的优点，广泛用于铁矿石的选矿中。近年来，我国铁矿选矿主要围绕“提铁降硅”和如何有效处理脉石为硅酸铁盐的细粒铁矿[4]。

目前，随着重选理论研究的不断深入和重选设备的大力开发，重选工艺广泛应用于铁矿石的选别中。如螺旋溜槽对赤铁矿的预先分选，摇床因分选精度高，用于海滨沙矿、弱磁性矿物的分选，离心选矿机对细粒级铁矿物的有效回收等。鉴于重选在铁矿选矿中的重要地位，特别是其对细粒铁矿分选所具有的独特优势，本文首先对重选理论中矿粒运动特征、对应用于细粒铁矿选别中的重选工艺及设备现状等进行归纳总结，并针对性地分析存在的问题，这对我国难选铁矿资源的高效开发利用具有一定的意义。

1 重选理论的研究现状

1.1 细粒铁矿的选别特性

重选的难易程度取决于轻、重矿物之间密度差异的大小，同时粒度大小也有较大影响。通常用表征矿物之间密度差异大小的可选性系数E来评价矿石重选的难易性，表1中总结了常见铁矿物的密度。由表1中数据可见，各种铁矿物与石英之间均有一定的密度差异，这为铁矿采用重选工艺，如摇床、螺旋溜槽、水力旋流器及离心选矿机等进行分选提供了基础依据。

在目前的选矿技术条件下，通常将粒度范围在0.2～0.02mm的矿物界定为细粒矿物，0.02～0.002mm为微细粒矿物。由于细粒铁矿石的基本特性对有效分选造成了一系列影响，如矿粒质量小，导致矿粒与气泡、磁介质等碰撞概率降低；矿粒比表面积大，导致矿物在水中溶解度变大，浮选药耗量大；矿粒比磁化系数小，导致常规磁选难以奏效等[5-6]。可见，对细粒铁矿采用单一的磁选和浮选均存在一定的问题。基于此，本文单独开展细粒铁矿的重选技术及应用的现状分析，以便对该类资源的合理利用提供一定的思路。1.2 摇床中粒群的运动特征

表1 常见铁矿物的密度和可选性

流膜选矿主要用于细粒和微细粒物料的分选。常见的分选设备包括各种摇床，螺旋溜槽，离心选矿机等。摇床分选是在一个倾斜的床面上，借助床面的不对称往复运动和薄层斜面水流的综合作用进行分选的一种方法[6]。矿粒在摇床中的运动特性和其受力状况密切相关，由牛顿运动定理，颗粒的运动方程[7]见式(1):式(1)中：u-矿粒速度；m-矿粒的质量；t-时间；P-矿粒所受推力；F-矿粒所受的摩擦阻力；R-矿粒与液流相对运动所受阻力。

由公式1可知影响摇床分选的主要因素包括床面特性，冲程和冲次，冲洗水大小等。

在摇床的摇动和横向水流脉动的综合作用力下，物料松散并发生析离分层。因为大密度矿物具有较大的纵向速度和较小的横向速度，小密度矿物具有较小的纵向速度和较大的横向速度，所以大密度矿物趋向重产物端，小密度矿物趋向轻产物端[6]。王卫星[8]研究了摇床中粒群的松散特性：矿粒群在摇床上的松散是周期性的，床面前进，剪切松散压最小，床层未松散；床面后退时，剪切松散压最大，床层充分松散。

1.3 螺旋溜槽中颗粒的运动特征

矿浆自上端给入螺旋溜槽后，在槽中流动的过程中发生分层。进入底层的大密度颗粒趋向槽内缘运动，小密度颗粒在回转运动中被甩向外缘[6]。陈庭中等[9]研究了螺旋溜槽中流膜运动规律，认为螺旋溜槽分选作用是基于斜面水流和旋涡流的综合作用。近些年发现“二次环流”在螺旋流槽中有着特殊的分选作用，黄尚安等[10]给出了径向流速的计算式(2):

公式(2)表明了径向环流速度大小和曲率半径R有关，且外缘二次环流强于内缘二次环流。

高淑玲等[11]对螺旋溜槽流场及颗粒运动行为进行了数值模拟，结果表明，螺旋溜槽流场中的水相流速呈明显的条带状分布，其速度值沿槽深方向逐渐升高，沿径向从内到外逐渐增大；螺距增大后，水层厚度不变，但水相流速和湍动能的增加，颗粒的运动速度明显增加，这有利于粒群的分带和分选。

1.4 旋流器中颗粒的运动特征

水力选流器广泛应用于非均相混合物的分离，按用途和结构分为分级旋流器和分选旋流器。近些年随着计算流体力学的发展，对水力选流器的研究逐渐转向以数值模拟为主[12]。

水力旋流器是按粒度分级的分级设备，不同直径的固体颗粒在水力旋流器内部占据不同的旋转轨道。分离粒径是水力旋流器分离过程的质量指标，轨道平衡法认为径向速度为零的固体颗粒的粒径是水力旋流器的分离粒径。梁政等[13]推导出了分离粒径的计算式(3)：式(3)中：d-分离粒径；、、-旋流器进料口、溢流口、沉沙口直径；νi-旋流器进液口平均进液速度；r-矿粒做旋转运动的半径；ρm、ρ-固体颗粒密度、流体密度；H、h-旋流器高度、溢流管插入深度；μ—液体动力粘度；R—旋流器半径。

公式(3)说明不同粒径的固体颗粒占据不同半径的轨道，且粒径大的矿粒所占的轨道半径大。

分选旋流器是短锥旋流器[14]，矿浆以一定压力由切向进料口进入水力旋流器的内部，矿浆在旋流器内部作旋转运动从而产生很强的离心力场，矿浆中密度较大的物料在旋转运动的同时向下、向外运动，最终形成外旋流以底流的形式从底流口排出；而密度较小的物料向内、向上运动，最终形成内旋流以溢流的形式从溢流口排出。曾令移等[15]对分级选流器和分选旋流器进行了对比分析：一般分选旋流器给矿压力低于分级旋流器；锥角越小，按粒度分离的因素越大，锥角越大，按密度分离因素越大。

1.5 离心选矿机中颗粒的运动特征

重选的实质是松散、分层、分离的过程。重选的关键是使粒群在床层中有效按密度分层。近些年重选的主要研究方向是应用复合力场实现细粒物料的分选，常利用离心力场强化进行重选。矿粒在离心力场作用下受的分选力远大于普通重力场下受的分选力，所以离心选矿机能回收更细粒级的矿物。现代离心选矿机研究的基本方向是：建立有效的复合力场，强化分选过程，降低矿物回收粒度下限和改善连续排矿效能[16]。

拜格诺认为作剪切运动的颗粒层之间或颗粒与底床之间必须有垂直应力的作用以维持颗粒的流动，离心选矿机中转鼓旋转引起的剪切是使料层松散的主要因素[17]。切向速度和轴向速度对矿粒的分选有重要作用，李国彦等[18]总结得到了切向速度公式(4)，式(4)中：νy-切向速度；dp-动量；y-从壁算起到微元的距离；dx-微元的厚度；ν0-流膜表面线速度；ν1-转鼓壁线速度；b-流膜厚度。

公式(4)说明流膜各微层间存在滞后现象，这为粒群的分散和选别创造了良好的条件。

孙玉波[19]对离心选矿机中的液流流动特性、分选机理进行了研究，结果表明，离心选矿中的液流属于紊流流动；矿浆流膜的结构分为稀释层、悬浮层和流变层，在稀释层内悬浮的只是那些很微细的粒子，进入到悬浮层的粒子在悬浮状态中发生了类似干涉沉降的分层，分层的结果是大部分重矿物进入下层，最后转入到流变层中。

松散和分层是重选理论研究的基本课题[20]，目前大致分为动力学体系和静力学体系[6]。动力学分层体系认为粒度对颗粒群按密度分层有重要影响；静力学体系认为床层的分层过程是一个位能降低的过程，当床层适当松散时，大密度颗粒下降、小密度颗粒上升是一种必然趋势。近年来离心力场下的流膜分选是细粒矿物分选的一个重要方向，围绕离心力场下床层的松散和分层的理论是近些年的研究方向。加拿大等国对离心力场下的重选作了较多研究，主要研制了Falcon离心选矿机、Knelson分选机、超转筒离心选矿机等，理论研究表明流态化反冲水应用技术已成为研制现代离心选矿机的重要趋势[21]。

2 细粒铁矿重选工艺与设备的研究现状与进展

在铁矿的选矿工艺方面，强磁性矿物多采用单一弱磁选流程，但考虑到及时回收已经单体解离的粗粒铁矿物、降低生产成本等因素，重选流程也加入到了强磁性铁矿的选别中[22]。弱磁性铁矿的选别多采用联合流程，包括连续磨矿、弱磁-强磁-阴离子反浮选工艺，阶段磨矿、粗细分选、重选-磁选-阴离子反浮选工艺，阶段磨矿、粗细分选、磁选-重选-阴离子反浮选等工艺。这些工艺流程较长，对管理过程要求高，适用于大型铁矿石选矿厂。对于中小型选矿厂磁选-重选联合流程简单合理，有利于降低生产成本。

针对我国存在大量的细粒、微细粒嵌布的铁矿石，近年来国内外许多科研机构和高校都对我国细粒嵌布铁矿物的重选进行了研究，主要研究成果如下。

2.1 摇床在细粒铁矿分选中的应用

离心摇床[23]是把摇床纳入离心力场工作的设备。由于离心力和重力的联合作用，分层速度加快，单位面积处理能力比普通摇床高出5倍。南芬铁矿石选矿厂使用离心摇床选别磁选尾矿，当给矿粒度为-0.074mm占25%～30%时，给矿品位18.06%，经过一次选别可得到铁精矿品位50.00%，回收率50%以上。张宗华等发明了一种离子波形摇床，这种摇床改变了床面的材质，改善了分选效果。张东晨对新型床面摇床的分选机理进行了研究，结果表明，新型摇床上的颗粒不仅具有空间松散特性，而且轻重矿粒沿纵向运动的差别更大，新型床面摇床具有明显的强化分选效果[24-25]。

2.2 螺旋溜槽在细粒铁矿分选中的应用

螺旋溜槽中的径向环流对矿粒群按比重分带起着主要作用，离心螺旋溜槽[9]是给螺旋溜槽增加一个离心力场以调节旋涡流强弱，实现强化分选的目的设备。在普通溜槽的槽面上附加磁场，可得到磁力螺旋溜槽，这种溜槽使磁性物料能得到更有效的回收。

伍喜庆等[26]研究了磁力螺旋溜槽对细粒磁性物料的回收，结果表明磁力螺旋溜槽提高了磁性精矿的产率，减少了其在尾矿中的损失。肖春莲[27]发明了一种微细粒级螺旋溜槽，其特征在于类似地毯的绒状选别表面，能有效回收0.037～0.01mm微细粒级金属矿物，可以提高螺旋溜槽的处理能力。

2.3 旋流器在细粒铁矿精选中的应用

金乔等[28]针对大冶铁矿进行了磁力旋流器分级试验，对电流强度、给矿浓度等因素在溢流型磁力旋流器工作中的影响进行了研究。综合考虑分级效率、品位、回收率，最佳的工作条件为电流0.75A，分级效率从空白磁场的72.77%提高到79.57%，品位从空白磁场的38.31%提高到42.85%，回收率从空白磁场的24.68%提高到30.13%，表明溢流型磁力旋流器可较好地解决反富集问题，提高分级效率。

王芝伟等[29]使用新型的磁力旋流分选机对大石河选矿厂细筛下产物进行了精选半工业试验。研究表明新型设备利用了磁力、离心力、上升水流力等复合力场，可以高效脱除铁精矿中夹杂的脉石矿物和贫连生体。与原来的精选设备相比，精矿品位提高1.22%，回收率提高2.01%。

2.4 离心选矿机在分选细粒铁矿中的应用

离心选矿机是高效的重选设备之一，近些年离心选矿机在大型化和精矿连续排矿方面取得进步，标准型离心选矿机回收粒度下限可到0.010mm，能够回收粒度更细的矿物[30]。

陈禄政等[31]采用离心选矿机分选强磁选后的粗精矿，研究发现改变高压水速流往复速度和鼓筒转速对离心选矿机的分选指标有显著影响，当所有变量控制在最佳值时，可以获得品位62.32%的铁精矿，回收率65.02%。任南琪等[32]对离心选矿机中往复水束流的冲击能量进行了分析，结果表明水束流的冲击角度对分选效率有重要的影响，不适当的冲击角度会降低分选指标。

赣州金环磁选设备公司[33]针对离心选矿机给、排矿中控制装置电磁铁复位滞后等现象，对控制装置进行了改进，采用“水压箱式”装置代替原电磁铁，使离心选矿机能连续生产，在分选海南矿业联合有限公司选矿厂的细粒尾矿的工业试验表明，采用SLon-2400离心机可以获得品位61.30%的铁精矿。

综上所述，新型摇床的处理能力和分选效率不断提高。螺旋溜槽在结构参数方面不断优化，同时叠加磁力、离心力、机械振动力等进行强化分选。水力旋流器占地面积小，分级效率高，以提高分级效率为目的，采用新的耐磨材料，优化结构参数及采用复合力场是旋流器的主要发展趋势。离心选矿机采用离心力场，强化了分选过程，降低了矿物回收粒度下限，并逐渐实现了连续排矿。

3 结论

1)当前的重选理论研究中，由于矿粒在流膜中运动的随机性和复杂性，对重力场、离心力场下的液流特性和颗粒的运动规律还有待深入研究。随着计算流体力学和计算机仿真技术的发展，有必要建立重选过程的相关数学模型，促进重选理论的发展。

2)细粒级铁矿在选矿过程中流失严重是困扰我国贫红铁矿高效利用的主要因素。通过采取重选设备分选面结构、材质等的改良，叠加离心力、磁力等复合力场等措施，开发新型重选设备是提高细粒铁矿的回收率和精矿品位的有效手段。

3)为了低成本的开发我国细粒铁矿石资源，将重选工艺和设备引入磁选或浮选流程中，采用联合工艺是实现细粒铁矿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

国家自然科学基金项目(51464030); 云南省应用基础研究项目(2013FZ027)

李圆洪, 硕士研究生, 矿物加工工程专业。

谢海云, 副教授, 从事选矿理论与技术研究。

李圆洪，谢海云，陈禄政，等．粒铁矿重选技术研究与应用进展[J]．新型工业化，2015，5(1)：22-28