重选沉降分层理论研究与应用

2018-05-09陈端云李清湘

现代矿业 2018年4期

陈端云李清湘

(深圳市中金岭南科技有限公司)

重选历史悠久。从古代人类开始知道利用金属材料时，就使用兽皮在河溪中淘洗自然金属或天然矿粒，而重选理论研究要相对滞后。早期理论研究多侧重于对工艺现象的解释，在后来的理论研究过程中充满曲折与艰难。经历近200多年的研究过程中，许多学者根据各自的认识提出了多种学说。雷廷智的“按矿粒的自由沉降速度差分层”学说、门罗的“按颗粒的干扰沉降速度差分层”学说、迈耶尔的“按密度分层的位能”学说，A A 赫尔斯特和R.T 汉考克提出、里亚申柯进一步验证的“按矿粒的悬浮体密度差分层”学说、张荣曾和姚书典的“按重介质作用原理分层”学说等，形成分层理论众说纷纭的局面。每个理论都做出了巨大的贡献，但这些观点和认识也存在某种局限，重选的基础理论发展到今天仍未达到完善的地步[1]。在选矿过程中，性质不同的矿粒进行重选时，经常遇到同时悬浮或同时沉降的干涉沉降现象，这些干涉沉降现象目前研究不够深入[2]。此外，有关跳汰理论的研究至今还没有得出满意的结果，这项研究仍处于发展阶段。今后，对跳汰理论和实践的研究应当集中在找出一条能把各种理论统一起来的途径，最终能比较客观地解决跳汰机的结构设计和正确选择主要工艺参数以及水动参数等问题[3]。跳汰是重选的重要方法之一，因此这些问题归根到底还是重选究竟按什么分层的基础理论问题。解决了基础理论问题，这些问题都将迎刃而解。

学者们从不断地对“重选究竟按什么分层的理论”进行研究，通过总结、继承、归纳前人研究、点评和论述[4-9]，从而展开新的研究[10-11]，但仍未取得统一的认识。为进一步丰富重选理论、揭示重选沉降分层真相，指导重选生产实践，开展了重选分层试验研究。

经试验研究，认为沉降是重选分层的核心过程，松散是为沉降提供条件，将重选的基本规律概括为“搬运、松散—沉降—分层—搬运、松散—沉降—分层…分离”的过程，而不是从前概括的“松散—分层—分离”的过程。模拟重选“搬运、松散—沉降—分层”过程中促使分层发生的最重要的沉降过程，试验采用无引入性干扰源的沉降管试验法，用以观察、分析、研究揭示速度沉降干扰与分层的关系，试验过程清楚地观察到沉降干扰发生的现象、规律，同时还清楚有序地展现了矿粒颗粒间按沉降速度差引起的沉降干扰从而促使矿粒颗粒按沉降速度差排序而先后沉降分层的过程。

1 试验设计与材料

1.1 试验设计

影响沉降的主要因素有矿粒的密度、形状、粒度3大要素，试验目的是考察这3大因素对沉降的影响，研究矿粒在混合沉降时的分层规律。

模拟重选“搬运、松散—沉降—分层”过程中的沉降段，该段是促使矿粒发生分层的主要原因，试验采用无引入性干扰源的沉降管试验法。

1.2 试验材料

选择代表性的石英、电解铜粉、雾化锌粉为试验材料。电解铜粉具有良好的压延性，容易制成0.003 mm左右的鳞片状铜粉，在形状上与其他材料差别明显。为便于试验操作与观察，沉降管用直径15 mm、长度800～1 500 mm左右的透明玻璃管，以水为重选介质。

2 试验结果与讨论

2.1 密度相同、粒度不同组分的沉降试验

采用沉降管长度800 mm左右的玻璃管对密度相同、粒径不同的2种组分(表1)进行沉降试验。先将粒度较小的B组分放入沉降管中，待沉降完毕，再放入粒度较粗的A组分，使其沉降在B组的上方，沉降完毕，结果见图1。然后封住上口，反复颠倒使2组组分呈混合状态，然后放开上口，垂直放置沉降试验管，使管内混合粒群自由沉降，并观察自由沉降分层过程，最终结果见图2。

表1 试验材料与参数

图1 颠倒前沉降分层

图2 沉降终分层

沉降初始既有有序连续徐徐沉降下沉的颗粒和粒群，也有有序连续徐徐上升到不同高度后又转而沉降下沉的颗粒和粒群，且沉降初始上升的高度更高。随着沉降的进行，沉降管上部渐渐地只看到有序的连续徐徐沉降下沉的颗粒和粒群。沉降终分层时，两组颗粒群间发生了反分层，分层界线明显，界线接触带很窄。采用虹吸管分别将接触带上部、下部吸出，经检测，除接触带外，上、下部中均没有出现粒度颗粒的混沉。

2.2 密度不同、粒度不同组分的沉降试验

在玻璃管长度800 mm左右的条件下，对密度不同、形状不一、粒度不同的3组分进行沉降试验，混合均匀后自然沉降。试验材料与参数见表2，结果见图3。

表2 试验材料与参数

图3 3组分沉降分层结果

图3表明，沉降分层底层为A组分，中间为C组分，上层为B组分，且分层清晰。若按密度大小沉降结果则应为A、B同层C居上，若按颗粒粒度沉降结果则应为A、C同层B居上，均与沉降结果现状不符。

因此设计测定颗粒沉降速度试验。玻璃管直径18 mm、长度1 000 mm，玻璃管一端封口固定，将被测矿粒或组分注入管内，加满清水，封住上口并反复颠倒玻璃管后，垂直放置，待矿粒沉降澄清，迅速颠倒垂直放置玻璃管的同时，秒表开始计时。待管内矿粒沉降完毕结束计时，记录沉降时间t(s)，t的倒数即沉降速度v(m/s)。

试验依次测得A、B、C组分的沉降速度分别为vA、vB、vC，且vA>vC>vB，与图3沉降分层结果一致，初步得出“矿粒是按沉降速度差分层的”的结论，沉降速度最大的沉在最底层，沉降速度最小的在最上层。

2.3 5组分混合沉降试验

选择直径18 mm、长度800 mm左右的玻璃沉降管，对5组分进行混合沉降试验，其中A、B、C、D各取20 g左右，E取10 g左右，试验材料与参数见表3，沉降终了组分分层结果见图4。

表3 试验材料与参数

图4 5组分沉降分层结果

图4表明，沉降终了5种组分分层较为明显，从底层到上层依次为B、A、D、C、E。沉降过程与现象和试验2.1，2.2类似。结果与矿粒密度、粒度规律不符。沉降测定试验表明，5组分的沉降速度为vB>vA>vD>vC>vE，沉降分层结果符合“矿粒按沉降速度差分层”。

3 试验分析

联合分析试验2.1、试验2.2、试验2.3，矿浆中部分颗粒和粒群的徐徐上升是由其与缓缓沉降的颗粒和粒群间存在沉降速度差而引起的。颗粒和粒群在反复颠倒作用下，呈混合状态存在于沉降管中，在有限的容器中沉降时，流体受到容器边界的约束，根据流体连续性规律，任一体积矿粒的下降便会引起同体积同速度介质的上升。沉降开始，由于矿粒间存在沉降速度差，沉降管中处于任一点的各个沉降速度不同的颗粒将按与该点下沉颗粒引起的同体积同速度的介质上升流的速度关系而运动，相互关系：设沉降速度不同的颗粒A和颗粒B的沉降速度分别为dvA和dvB，速度差k=dvA-dvB。若k>0，则颗粒A与颗粒B按A先B后的沉降速度差顺序沉降；若k=0，颗粒A与颗粒B等速沉降；k<0，颗粒A后于颗粒B沉降。这是由于沉降干扰引起的，该关系存在于刚开始沉降时任意颗粒和粒群间，因此开始就按颗粒和粒群按沉降速度差沉降。随着颗粒和粒群中沉降速度最快的颗粒和粒群达到沉降前沿后，该部分颗粒和粒群沉降最先结束，其他部分继续按沉降速度差的顺序连续沉降。沉降速度相对较慢的颗粒和粒群总是受到沉降速度较快颗粒和粒群引起的徐徐上升介质流速度的干扰。设某断面介质流的上升速度为dvs，该断面上颗粒和粒群的沉降速度为dvc，则此断面上颗粒和粒群在上升介质流中的沉降速度k=dvs-dvc。若k<0，则该颗粒和粒群以速度k与上升流相反的方向下降；k=0，则该颗粒和粒群在此断面上悬浮；k>0，则该颗粒和粒群以速度k随上升流同向升起。随着沉降过程的进行，沉降速度相对较快的颗粒和粒群连续有序地徐徐沉降到底层，沉降引起的干扰也连续有序地消除。结果导致颗粒和粒群按上升介质流速度干扰引起的沉降速度差而连续有序沉降分层，这也是重选时因一部分沉降速度较快的颗粒和粒群的沉降而使另一部分沉降速度较慢的颗粒和粒群因受其干扰而无法沉降的沉降干扰的内在规律。即若va>vb,则va下降，vb上升。这是重选过程中最普遍最重要的沉降干扰，是促使重选按沉降速度差分层发生的原动力。任何先后沉降的两排颗粒和粒群间可看作是最小的分层，层厚由颗粒的粒度大小决定。由此可知，在重选过程中，合理利用或消除沉降干扰对改善重选分选效果非常重要，是使重选根据被选矿粒的颗粒和粒群的性质、特征按选别的目的、目标进行有效分层的重要保障与依据。

综上，沉降干扰是由矿粒颗粒和粒群的沉降速度差引起的。要合理利用沉降干扰，必须查明不同矿粒的颗粒和粒群在介质中的沉降速度。颗粒干扰速度vg=vo(1-λ)n(λ为固体容积浓度，%;n为介质指数，重选介质为水时，n=1)，同处于同一断面的粒度不同的颗粒A与颗粒B的λ相同，因此vgA-vgB=(voA-voB)(1-λ)n，同时其干扰比为vgA/vgB=voA/voB。因此干扰沉降速度的实质和干扰产生的作用和效果，与对自由沉降速度的干扰作用实质和效果是等价等效的，同时还可根据颗粒在介质中的沉降速度随时间的变化关系，测出矿粒在介质中的实际平均沉降速度，干扰作用与上述两者的干扰实质也是等价等效的。

这一观点最早由奥地利人雷廷智提出，他认为在垂直流中，要使两种密度不同的混合粒群在沉降(或与介质相对运动)中达到按密度分层，必须使给料中最大颗粒与最小颗粒的粒度比小于等沉颗粒的等沉比，这一结论可认为是按密度分层理论中最切合实际的。重选应用上，若使该类矿粒按密度差分层，则必须使大密度矿粒的沉降速度均大于小密度矿粒的沉降速度，并可类推到颗粒群，则颗粒群也按沉降速度差分层，因此得到“重选是按矿粒沉降速度差分层、分离” 的理论。该条件下的“重选是按密度差分层”理论与“按沉降速度差分层”的实质相吻合。

重选目的是使目的矿粒与脉石颗粒在“松散—沉降—分层”过程中因沉降而分层，达到选别目的。重选不是按密度分层的，密度只是构成分层的要素之一，而是按矿粒在介质中的沉降速度差引起的沉降干扰分层的。

4 沉降干扰分析

4.1 目的矿粒处于沉降下层

若目的矿粒和粒群性质(主要指沉降速度)使其在沉降、分层中相比脉石颗粒更易于处于沉降分层的底层(下层)，脉石颗粒和粒群的沉降引起的干扰对目的矿粒和粒群的沉降影响表现为干扰越大越不利，应想方设法合理消除[12]；目的矿粒颗粒和粒群引起的沉降干扰对脉石颗粒和粒群的沉降有利，目的矿粒细粒的沉降干扰脉石颗粒粗粒的沉降，结果使目的矿粒细粒充分沉降、分离，因此应充分利用目的矿粒细粒的沉降干扰。

密度、形状、粒度是决定矿粒和粒群在介质中的沉降速度的主要因素。目的矿粒和脉石颗粒在形状上相似或相同时，假设矿粒粒度对沉降速度无影响(按宽粒度入选)，则矿粒的沉降速度基本由密度决定。但沉降速度较快的脉石颗粒和粒群(如粗粒脉石颗粒)仍会对目的矿粒中粒度较小的、沉降速度较慢的颗粒和粒群产生沉降干扰，从而使目的矿粒难以沉降下去而损失在脉石中，并在重选生产实践中证实。由于在重选中目的矿粒一般处于分层底层，按宽粒度入选时不能达到按密度分层的理论要求。

4.2 目的矿粒处于沉降上层

若目的矿粒和粒群性质(主要指沉降速度)在沉降分层中相比脉石颗粒更易于处于分层中的上层，则目的矿粒和粒群的沉降会干扰脉石颗粒和粒群的沉降，干扰程度越大越不利于沉降分离，因此应设法严格控制目的矿粒中粗粒进入重选。脉石颗粒和粒群引起的沉降干扰对矿粒和粒群的沉降有利，可使脉石颗粒的细粒充分沉降，与矿粒分离。可通过合理利用有利的沉降干扰来避免脉石颗粒的细粒部分混入目的矿粒和粒群，提高分选效果。

沉降速度较快的矿粒和粒群(如粗矿粒)的沉降干扰会对粒度较小、沉降速度较慢的脉石颗粒和粒群产生沉降干扰，从而使脉石颗粒不能下沉到目的矿粒下层而混入目的矿粒，影响到目的矿粒的富集。因此目的矿粒处于沉降分层上层的重选，若按宽粒度入选，分选结果也不能满足按密度分层的分选理论要求。

5 应用实践

5.1 铅锌矿重选

某铅锌矿石方铅矿占1.74%，闪锌矿占6.46%，黄铁矿占14.67%，重晶石占26.01%，白云石占43.48%，其他矿物石英、含钡长石、白云母等占7.64%。其中目的矿物方铅矿和闪锌矿嵌布粒度粒度不均，且方铅矿嵌布粒度较闪锌矿小。方铅矿中-0.02 mm的微细粒占21.26%，闪锌矿中-0.02 mm的微细粒占13.62%。相比主要脉石成分重晶石、白云石，重选沉降分层属于典型的目的矿粒处于沉降下层的情况。沉降速度差分层理论和密度分层理论选矿工艺流程(分别称流程一和流程二)分别见图5、图6，结果见表4。

图5 按密度分层理论选矿流程示意

图6 按沉降速度差分层理论选矿流程示意

流程铅精矿品位/%铅回收率/%锌精矿品位/%锌回收率/%尾矿含铅/%含锌/%占比率/%流程一3～830～5010～2030～500．3～0．70．6～1．520～60流程二50～8060～9045～6260～900．05～0．10．15～0．740～60

表4表明，相比流程二，流程一增加“给矿按窄粒级入选”工序。目的矿粒方铅矿、闪锌矿密度大于脉石矿粒重晶石、白云石密度，按宽粒级入选(流程一)时，无法消除重晶石、白云石中粗颗粒或颗粒群对方铅矿、闪锌矿中细颗粒的沉降干扰，重选效果很差。流程二筛分作业可控制目的矿粒与脉石颗粒的粒度，以使脉石颗粒中粗颗粒的沉降速度小于目的矿粒细颗粒的沉降速度，目的矿粒细颗粒的沉降干扰脉石颗粒粗粒的沉降，便于目的矿粒细颗粒的充分沉降、分离，选矿效果较好。

5.2 黄金重选

自然金密度16 g/cm3，嵌布粒度、形状极不统一，有粒状、片状、树枝状等，在重选前的磨矿过程中因具较好的延展性，粒度、形状容易发生二次变化，形成极薄的片状，损失在尾矿中。

某脉型金矿重选尾矿含金1.2～1.8 g/t，重选前进行筛分，抛除-0.065 mm矿粒，+0.065 mm矿粒进行摇床重选，最终可得到金品位6～8 g/t的金精矿(均为片状金)，金回收率78%～92%，尾矿金品位小于0.2 g/t，指标良好。