赤铁矿的离心分选及应用进展

丁超，谢海云，陈禄政，张鹏飞，李圆洪，童雄

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南昆明 650000）

设计与研究

赤铁矿的离心分选及应用进展

丁超，谢海云，陈禄政，张鹏飞，李圆洪，童雄

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南昆明 650000）

我国有大量难选赤铁矿资源亟待进行高效选矿开发利用，采用离心分选法对其富集具有独特的优势。本文对难选赤铁矿的矿石特征进行了归纳，对国内外主要离心选矿机的设备特点、分选特性进行了对比分析，以及对赤铁矿离心分选的进展进行了分析总结。对提高难选赤铁矿资源的利用率具有重要的指导意义。

赤铁矿；离心分选；Falcon；Knelson；SLon

本文引用格式：丁超，谢海云，陈禄政，等.赤铁矿的离心分选及应用进展［J］. 新型工业化，2016，6（5）：1-7.

0 引言

在我国已探明的铁矿资源中难选赤铁矿储量约占全国总储量的1/3，其中的难选赤铁矿以中低品位为主，原矿铁品位多为30%左右，并且赤铁矿矿石结构复杂，常与菱铁矿、绿泥石和石英等胶结共生或相互包裹。此外，赤铁矿的嵌布粒度细，有些以胶状物或鲕状铁粒形式致密连生［1-2］，且常伴生硫、磷等有害组分，导致赤铁矿的选矿工艺往往比较复杂。目前选别赤铁矿常用的选矿方法是细磨（阶段磨矿或连续磨矿）、磁选（弱磁选一强磁选）、浮选、焙烧和重选。赤铁矿的高梯度强磁选工艺多用于抛尾从而得到合格的精矿；浮选对于一些细粒矿石的分选效果较好，但是由于细粒赤铁矿嵌布粒度细、含泥量大的特点使得赤铁矿的浮选药剂用量大，生产指标不够理想，而且药剂的残留对后续的铁精矿冶炼带来繁琐的脱药程序，所以造成了浮选成本相对较高，浮选药剂的使用对环境会产生一定的污染。重选对矿物入选粗度的要求相对较宽，分选成本低、环境污染小，而被广泛应用于赤铁矿的分选中。

离心分选是一种在离心力场中将矿粒间密度差转化为沉降速度差从而实现对细粒矿物选择性分离的重选方法。针对赤铁矿的分选，应用离心分选法可以吧赤铁矿中夹杂的连生体得到有效的分离，从而明显提高精矿的品位［3-5］。随着社会的进步和科技的发展，离心分选法在过去20-30年间的发展较为迅速，尤其是上世纪80年代末以来，以Knelson和Falcon离心机为代表的流化床离心分选技术在世界范围内得到认可和广泛应用，进入21世纪，我国在引进国外先进流化床离心分选技术的同时也尝试着在离心机的选矿做一些科学探索和初步研究，并且取得一定的成果［6，7］。

本文针对难选赤铁矿的分选现状，在对国内外相关文献进行研究分析的基础上，对主要离心选矿机的分选特点、赤铁矿离心分选的特性及进展进行了分析总结，对提高难选赤铁矿的利用率具有重要的实际意义。

1 赤铁矿的矿石特性

赤铁矿的化学成分为Fe2O3，属三方晶系氧化物矿物。单晶体常呈菱面体和板状，集合体形态多样，有片状、鳞片状、粒状、鲕状、肾状，致密块状等，摩氏硬度为5.5-6.5，比重4.9-5.3，呈灰色、金属光泽的鳞片状赤铁矿集合体称为云母赤铁矿；呈鲕状或肾状的赤铁矿称为鲕状或肾状赤铁矿。重选法是处理粗粒赤铁矿的基本方法，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。矿石重选的难易性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［8］。表1中总结了不同密度铁矿物的重选可选性。

表1　不同密度铁矿物的重选可选性Tab.1 The density of iron mineral separation optional

早期人们使用Lamex溜槽、Carpco扁形溜槽，Reichett圆锥选矿机、螺旋溜槽等在细粒铁矿石重选工序上使用［9-10］。近年，随着选矿学、物理化学、流体力学等学科理论的发展和学科间的联系越来越密切，选矿设备已经不再是单一的利用重力、磁性力等来进行矿石选别的器械。比如，重力选矿设备已经简单的从应用重力发展到利用重力与流体力学、离心力、机械振动力等相结合的复合立场中根据矿石的特性进行选别，使得对细粒、微细粒矿物的分选能力得到很大的提高和应用。

2 国内外主要离心选矿机的分选特性

2.1离心分选的基础

2.1.1离心分选的原理

离心选矿机是以流膜选矿为核心技术的高效选矿设备。离心选矿机对矿石的分选是在离心力场中进行，离心选矿机在工作过程中能产生相当于重力几十倍甚至上百倍的离心力，从而使矿粒受到的离心力远远大于重力，加速了矿粒的径向沉降速度，扩大了矿粒间密度的差异，使矿石颗粒得到有效分选，强化重选过程。目前，离心选矿机是最有效的细粒选矿设备重选设备之一。

矿粒在离心力场中作圆周运动时，可产生几十上百的重力加速度的离心力c，可用下式表示：

式中 m-矿粒质量；

v-离心机运转的线速度，m/s；

R-离心机转鼓半径；

ω-离心机转鼓的角速度，rad/s。

矿石颗粒在离心选矿机中所受到的离心加速度为一般是重力溜槽所受重力加速度的若干倍，因此能大大加速矿粒的沉降速度。

2.1.2矿浆流的流动特性

在旋转的截锥形转筒中，矿浆由小直径端的给矿端沿切线方向给到转筒壁上，矿浆随即在离心力的作用下在转筒壁上形成流膜，与此同时，矿浆沿着筒壁的轴向坡度像大直径端流动，如图1所示，在流动摩阻与坡降损失达到平衡时，流速不在增加，成为等速流。在实际生产中，离心机转筒的长度都不大，矿浆还没有达到平衡状态就被排除筒外，实际属于非稳定的流动过程。

图1　离心机分选原理示意图Fig.1 Centrifuge separation principle diagram

2.1.3离心选矿机的分选过程

矿浆由给矿嘴沿切线方向喷出到高速旋转的离心机转鼓内壁上，矿浆会在重力和离心力的复合场中形成螺旋线运动。在离心力与流膜作用下，重矿物受到较大的离心力沉积到转鼓内壁成为精矿，而轻矿物则进入矿浆流表层沿转鼓坡度方向随矿浆流由转鼓的低端排出成为尾矿。当重矿物沉积到一定厚度时，停止向转鼓内给矿，位于转鼓小直径端内壁的冲矿嘴喷出高压水冲洗沉积的精矿，等到精矿冲洗干净后，高压水自动停止，进入下一个选别周期。

目前常见的离心选矿机有卧式和立式两种。卧式离心选矿机的代表是国内的云锡式离心选矿机、SL型射流离心选矿机、逆流离心选矿机、SLon型离心选矿机。立式离心选矿机的代表是国外的Knelson离心选矿机和Falcon离心选矿机［11-13］。

2.2离心选矿机的分选特性

2.2.1Falcon离心选矿机的分选特性

Falcon离心选矿机（见图2）是单壁式离心选矿机的代表，为立式离心选矿机，由加拿大Falcon公司于1996年投入生产应用［14］。Falcon离心选矿机在金的粗选、煤的精选、铁以及锡细泥的回收等方面取得了很好的效果。目前Falcon有3个系列：即Falcon SB （Semi-Batch） 半连续系列，Falcon C （continuous） 连续系列，Falcon UF（Ultra-fine） 超细系列，3个系列的结构差异主要在于转鼓，不同的转鼓中矿物颗粒沉降方式不同［15］。Falcon SB型离心选矿机从给矿浆中分离出高密度颗粒，周期性产出少量、高品位精矿。该型选矿机不连续操作工艺适用回收细粒自然金属（Au，Ag，Pt），添加工艺水可处理粗粒矿浆；Falcon C 型离心选矿机产生离心力场达300g（g为重力加速度），根据需要精矿产率可达到40%，产生连续精矿流，其主要用于细粒金属及矿物的扫选、预选；Falcon UF型离心选矿机在300g离心力场下工作，产生不连续精矿流，产率在1%-5%之间变化，不需要流态水。本文以Falcon C系列做一简单介绍。

Falcon C 型离心选矿机适用于多种矿物和细粒级物料分选，按需要精矿产率可从低到高。给矿颗粒受到300倍重力离心力作用，按相对密度大小沿着光滑离心转子壁被分选。重矿物层（颗粒）通过一个特殊的平面漏斗和节流喷嘴调节控制速度，连续排出。连续排精矿时，给矿不间断，不需加水。调节流出的重矿物精矿被有效地脱泥和脱去部分水。

2.2.2Knelson离心选矿机的分选特性

Knelson选矿机是由加拿大尼尔森重选方案公司（KGS）研发生产的离心重选设备，其基本结构如图3所示［16-17］。

Knelson选矿机是在离心原理的基础上研制出的强化重力选矿设备，是反冲水式离心选矿机的主要代表。在高倍的强化重力场中，矿石间比重的差异会被成倍的放大，这就使得轻重矿粒之间的分离更加容易，分离效果更加明显；在流态化水和干涉沉降的相互作用下，能够使矿粒在物料床层持续地保持着松散的状态。以上述条件为前提，重矿物颗粒能够取代轻矿物颗粒在选别床层中占据的位置而保留下来，轻矿物颗粒则作为尾矿排出，实现了矿石颗粒间按比重差异的分选。

Knelson选矿机于1978年开始用于选矿工业，早期主要应用于黄金采选行业，后来也开始用于铂、钯等稀贵金属的回收，目前 Knelson选矿机已在70多个国家得到广泛应用［18-20］。

2.2.3SLon离心选矿机的分选特性

我国云锡公司20世纪60年代成功研制的新型细粒离心分选备，曾在钨、锡、铁等细泥选别领域得到了广泛应用并取得较好的指标。近年来随着科技的进步和社会的发展，选矿工作者将新技术的开发应用到离心选矿机上并取得一定的进展。赣州金环公司生产的Slon离心机（如图4所示）已经解决了离心选矿机排精、尾矿时的窜矿问题，并且已成功应用到国内微细粒铁矿、钨矿等其它黑色、有色及重稀有金属等矿山，取得了良好的分选指标。

图2　Falcon C 系列离心选矿机Fig.2 Falcon C series centrifugal concentrator

图3　Knelson离心选矿机基本结构示意图Fig.3 Knelson centrifugal separator structure diagram

图4　SLon连续式离心选矿机结构示意图Fig.4 SLon continuous centrifugal separator structure diagram

SLon离心选矿机是根据矿粒间比重的差异实现矿粒间不同粒级间的选择性分离，在离心力中会大大强化流膜选矿的效果，大幅提高了离心机的处理能力而且对矿物颗粒的回收下限大幅降低。矿浆由给矿装置给至离心机高速旋转的转鼓内壁上，并随其一起作回转运动。矿浆会在重力和离心力的复合场中形成螺旋线运动。在离心力与流膜作用下，不同密度矿粒发生选择性分离，重矿物受到较大的离心力会在极短时间内离心沉积到转鼓内壁上（呈压实薄层状颗粒层随转鼓一起旋转）成为精矿，而轻矿物由于矿粒间受流膜脉动扩散作用无法到达流膜底层，轻矿物则进入矿浆流表层沿转鼓坡度方向随矿浆流由转鼓的低端排出成为尾矿。当重矿物沉积到一定厚度时，停止向转鼓内给矿，精矿冲洗装置位喷出高压水冲洗沉积的精矿。

2.3几种主要离心选矿机的对比

Knelson和Falcon离心机均具有较低的回收粒度下限、较大的富集比和较高的设备运转率等优点，克服了传统离心机用于选别细粒级矿物时由于其富集比不高的弊端，因而在重选领域均有大量的应用。

Knelson和Falcon离心机回收的矿物种类相近，但Knelson很难回收 10µm以下粒度的矿物。对于半连续式排矿（KCD）系列的两种选矿机来说：两种选矿机最主要的应用是从磨矿回路中回收单体解离的金矿。Knelson选矿机的优点是应用范围广、应用时间长，对粗、中粒金有很好的回收效果；Falcon离心选矿机能提供更大的离心力，使矿石颗粒的沉降现象更加明显，因此，对细粒金有更好的回收效果；两种连续式排矿（CVD）系列的选矿机主要在于选矿中用于回收较大产率的矿物，在钨、锡、钽矿上都用应用。连续型Falcon 离心选矿机主要用于清选煤，可以有效地除尘，脱硫，回收细粒煤。

SLon离心选矿机具有易于操作、控制灵活、方便调节及对矿石的处理能力较大的优点。气动控制系统消除了精、尾矿斗在排矿过程中产生的“骑堵”现象，为稳定生产提高选别指标创造了条件。另外SLon离心机对微细粒级金属的回收下限低，能耗较小，对入选矿石性质的不同品位有较强的适应性，可广泛用于赤铁矿选厂，在减少投资成本的同时创造了可观的经济效益。

3 离心分选在赤铁矿选别中的应用

从目前工业生产来看，对赤铁矿采用单一磁选或重选都很难有理想的选矿指标，赤铁矿中细粒相互之间胶结比较复杂，难于分离，浮选时由于含泥量大、比表面积的加大等特点对药剂用量需求大而且浮选效果较差。经过选矿工作者一直以来的不断探索与创新改革，发现比较可行的方案就是采用磁选-重选的联合流程，用磁选除去部分脉石矿物，再用重选有效的分离赤铁矿和脉石，两者结合使铁精矿品位和回收率之间最优化，产生最大的经济效益。

熊大和［21］在低品位铁矿的选别试验研究中，将SLon磁选机与离心机有效组合，把离心选矿机用于二次强磁选精矿的精选作业，结果表明：离心机能够有效的脱除含磁铁矿的石英连生体，从而将TFe精矿品位从48.64%提高到62.25%，获得了较好的生产指标。

吴金龙［22-23］在应用强磁-离心工艺处理海南石碌贫细粒难选红铁矿的试验研究中，对离心选矿机的分选产品进行了水析试验，试验结果表明，离心选矿机对+0.01mm 粒级的铁回收率在75.53%以上，对-0.01mm粒级的铁回收率也在45.43%左右；在利用离心机对赤铁矿尾矿进行试验时，结果表明：在离心机选别最佳参数范围内的情况下，经过离心机的一次选别作业流程便可提高铁精矿品位13个百分点以上，获得铁精矿品位63%以上，试验说明了试验中选用的离心机对某海矿细粒级赤铁尾矿分选的有效性和适用性，同时也验证了“强磁一离心分选”这一联合流程对选别细粒赤铁尾矿的技术可行性，在国内回收细粒铁矿资源方面开创了先例，为国内其它回收细粒铁矿资源的矿山提供了技术参考和借鉴。

熊大和在尾矿中回收铁精矿，SLon磁选机和SLon离心选矿机的组合流程对尾矿有效的进行再回收，获得了较好的技术经济指标。给矿品位18.80%TFe，铁精矿品位为60.15%TFe，铁精矿产率15.40%，铁回收率49.26%，综合尾矿品位为11.28%。

蔡正鹏［24］应用离心机选别大红山红矿，对矿石中0.037-0.01mm的细粒级矿物得到了有效回收，得到精矿品位约60%，产率73%，回收率85%的良好指标，比现有振动螺旋溜槽、摇床组成的选别流程精矿品位增加1.66%个品位，产率增加23%左右，回收率增加29%左右。

陈禄政，任南琪等进行了回收细粒铁尾矿中铁的实验研究，研究表明转鼓转速和水束流往复速度可改变颗粒的离心力和流膜流动特性，从而影响分离结果。当转鼓转速为450 r/min和水束流往复速度为36 mm/s时，铁精矿的铁品位和铁回收率分别为62.32%和65.02%，说明应用Slon离心机分离提纯细粒赤铁矿尾矿，再富集效果明显。

王键敏［26］采用离心机作为精选设备生产实践证明是可行的，对强磁粗精矿一次选别便可提高铁品位10个百分点以上。新研制的Slon-2400离心机采用新型的气动控制装置，彻底消除了精、尾矿斗在排矿过程中产生的“骑堵”现象，为稳定生产提高选别指标创造了条件。

综上来看，单一流程或者设备不能满足赤铁矿的选别，在主流程中采用强磁-离心分选相结合的分选方式，能有效解决赤铁矿选矿中精矿品位低的缺陷，且降低了尾矿中铁的品位，有效的回收了铁精矿，大大提高了生产技术指标。

4 结论

（1）赤铁矿是我国主要的铁矿石，储量丰富但以贫细杂赤铁矿居多；嵌布粒度细，与绿泥石、石英等脉石矿物共伴生以及含泥量大等特点是困扰赤铁矿选矿的难点；

（2）较低的回收粒度下限、较大的富集比和较高的设备运转率等优点，使Knelson离心机、Falcon离心机在重选领域获得了大量的应用。Slon离心选矿机自动化程度高、能耗小、分选指标好；特别是对于铁矿精、尾矿排矿过程中的“骑堵”想象得到解决。Slon离心机对入选矿石性质品位变化适应性强，对于大中小型矿山均可适用，在选矿流程中可与其它选矿设备有机高效的结合，有效的解决铁精矿品位低的缺点，大大提高了生产指标。

（3）对赤铁矿采用离心分选法可明显提高其精矿品位和回收率，离心分选与磁选等其它选矿方法相结合，组成“磁选-重选”或者“重选-磁选”等联合流程，对难选赤铁矿是一种有效的分选方法；

（4）通过优化设计不断提高离心分选设备的适应性和分选效率，研发多种复合立场下的离心选矿机，使之在提高赤铁矿等矿石选别中发挥其独特的作用。此外，应加强对离心分选过程中的理论研究，实现流体力学、工程力学、材料学等学科之间的有机结合，研制出更有效的离心分选设备。

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The Centrifugal Separation of Hematite and Application Progress

DING Chao， XIE Hai-yun， CHEN Lu-zheng， ZHANG Peng-fei， LI Yuan-hong， TONG Xiong
（Faculty of Land Resources Engineering， Kunming university of science and technology， Kunming 650000， China）

There are a large number of refractory hematite resources need to be developed and utilized efficiently in China， and the centrifugal separation method has aunique advantage for its enrichment. This paper summarizes the characteristics of refractory Hematite ore， the characteristics of the equipment of domestic and foreign main centrifugal separator， separation characteristics were comparative analysis， and the progress of centrifugal separation of hematite were analyzed and summarized. It has important guiding significance for improving the utilization rate of difficult to choose hematite resources.

Hematite； Centrifugal separation； Falcon； Knelson； SLon

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.05.001

DING Chao， XIE Hai-yun， CHEN Lu-zheng， et al. The Centrifugal Separation of Hematite and Application Progress［J］. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（5）: 1-7.

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

丁超（1992-），男，硕士研究生，研究方向为选矿理论与工艺；张鹏飞（1991-），男，硕士研究生，主要从事矿物加工研究；李圆洪（1992-），男，硕士研究生，主要从事矿物加工研究；陈禄政（1978-），男，教授，博士，主要从事选矿设备的研究和开发；童雄（1965-），男，教授，博士后，主要从事矿物加工研究
通信联系人：谢海云（1973-），女，副教授，博士，主要从事矿物加工、湿法冶金研究