重力選礦的研究現(xiàn)狀與思考

曾　安，周　源，余新陽，何桂春

（江西理工大學(xué) 江西省礦業(yè)重點實驗室，江西 贛州 341000）

重力選礦的研究現(xiàn)狀與思考

曾安，周源，余新陽，何桂春

（江西理工大學(xué) 江西省礦業(yè)重點實驗室，江西 贛州 341000）

重選技術(shù)是與磁選、浮選并稱的三大選礦技術(shù)之一。文章進行了對重選技術(shù)的文獻分析，從數(shù)量上描繪了重選在近兩個5年的發(fā)展概貌，表明重選聯(lián)合工藝是目前關(guān)注的重點，在理論研究上極為薄弱；通過對與磁選、浮選的文獻分析，說明重選發(fā)展所占比例較低，但研究一直在穩(wěn)定進行。文章較詳細地闡述了重選在設(shè)備、工藝、理論等3個方面的發(fā)展現(xiàn)狀，并著重分析了重選工藝的特點和理論關(guān)鍵，即熱力學(xué)第二定律理論以及影響重選的內(nèi)外因，并討論了重選無法有效回收極微細粒礦物的根本原因。最后結(jié)合分析當(dāng)前形勢下重選困境，對重選的出路和發(fā)展方向提出了自己的思考。

重選；重選設(shè)備；重選工藝；重選理論；文獻分析

0　引言

重選具有悠久的歷史，為人類歷史進步作出了巨大的貢獻，尤其是其具有低成本、低污染的特點，使其在礦山具有不可或缺的地位。但隨著礦山資源的不斷開采，現(xiàn)代礦山不得不面對日益貧、細、雜的礦物和長期堆積的數(shù)以億噸的尾礦，而重選對于貧、細、雜礦物難以最終達到高效的分選效果，因此，大多數(shù)人認為重選已經(jīng)走到了末路。作者通過文獻檢索和統(tǒng)計分析，給出了關(guān)于重選技術(shù)的現(xiàn)狀，并從設(shè)備、工藝、理論三個方面進行了較為深入的探討，提出了關(guān)于重選技術(shù)發(fā)展的一些建議。

1　文獻分析

筆者借助科技文獻的現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)組織技術(shù)，通過“中國知網(wǎng)”文獻檢索平臺，以“重選”為，獲得了相關(guān)的檢索結(jié)果，通過對這些結(jié)果的處理，得出了近5年來我國重選分離技術(shù)和應(yīng)用研究的分布，給我們描繪了重選技術(shù)發(fā)展的概貌，發(fā)現(xiàn)重選并不是走到了末路，相反，其仍具有強勁的生命力。表1是通過中國知網(wǎng)得到的2005—2010年；2010年至2015上半年分別兩個5年中重選分離技術(shù)的文獻分布表。

表1　國內(nèi)重選分離技術(shù)2005—2015年文獻分布Tab.1　Document distributionofgravityseparation in2005～2015(domestic)

從文獻計量學(xué)的觀點，這些文獻數(shù)量顯示了重選研究目前的重點所在，下一階段可能的突破方向，目前國家有關(guān)科技管理部門的科研經(jīng)費的投放重點以及從事各方面相關(guān)科研的人數(shù)。從文獻分析中可知近年來重選研究的幾個特點：（1）單一重選工藝在鎢、錫、金等傳統(tǒng)利用重力分選領(lǐng)域的應(yīng)用及研究有所減少，而重-磁、重-浮、重-磁-浮等聯(lián)合分選工藝的應(yīng)用及研究有所增加，聯(lián)合重選工藝研究論文占重選論文的81%以上。這一方面說明了在一些較成熟的重選應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ溲芯吭跍p少；另一方面也說明了重選作為一種分選方法也在努力拓展它的應(yīng)用范圍。（2）重選設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用有所增加，尤其是特種重選設(shè)備，其采用磁力、離心力、重力等形成綜合力場對礦物進行分選，為微細粒礦物分選作出了巨大貢獻，最典型的有尼爾森選礦機、法爾肯選礦機（Falcon）、SLon離心選礦機、磁團聚重力選礦機等。（3）重選理論一直停留在拜格諾剪切分散理論上面，未出現(xiàn)較新穎實用的重選理論。在設(shè)備、工藝和理論研究3個方面研究論文比例為12∶87∶1，重選理論文章嚴(yán)重偏低。

十年來，重選研究的論文以46%以上速度增長，雖然重選理論并沒有取得重大突破，但重選設(shè)備研發(fā)及重選聯(lián)合工藝的應(yīng)用卻有了新的進展，因此，重選仍是一種重要的選礦方法，絕非走向衰弱，相反，其正在煥發(fā)著勃勃生機。

為了進行重選技術(shù)與磁選、浮選技術(shù)研究的現(xiàn)狀的比較，同樣利用“中國知網(wǎng)”，獲得近20年重選、磁選、浮選文獻篇數(shù)對比，結(jié)果見表2。文獻計量學(xué)表示，文獻篇數(shù)意味著從事各個領(lǐng)域的相關(guān)的科研人數(shù)。因此，由表2可知，在這近20年來，與浮選和磁選領(lǐng)域相比，重力選礦方面的科研人員十分稀缺。從文章數(shù)量上看，重選、磁選和浮選比例為8∶21∶71；從文獻增長率上分析，重選、磁選和浮選的文獻增長率分別為：113%，168%和104%，說明重選研究依然在穩(wěn)定進行中。

表2　2005—2015年國內(nèi)重選、磁選、浮選分離技術(shù)文獻分布Tab.2　Document distribution of gravity separation，m agnetic separation and flotation in 2005～2015(dom estic)

2　重力選礦技術(shù)現(xiàn)狀與分析

重選研究通常可以分為重選設(shè)備、重選工藝、重選理論3個方面。

2.1重選設(shè)備

近年來，選礦工作人員對重選設(shè)備進行了大量的研究和實踐，許多新型高效的重選設(shè)備相繼問世，并取得工業(yè)運用，最典型的有Falcon離心選礦機、尼爾森選礦機、SLon離心選礦機、懸振錐面選礦機等[1]。

Falcon SB系列選礦機是由加拿大的Falcon concentration公司研發(fā)的新型高效立式離心機，其外形和結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　Falcon SB離心選礦機Fig.1　Falcon SB centrifugalseparator

Falcon SB系列選礦機的工作原理是，當(dāng)?shù)V漿進入高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)筒底部后，將均勻地被甩至轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁形成薄流膜，在流態(tài)化反沖水和強離心力場作用下，重礦?？朔礇_水力沉降在筒壁的富集槽內(nèi)，輕礦粒受離心力小且難于克服反沖水力與水流一起被排出轉(zhuǎn)筒外，在停止給礦后用高壓水將精礦沖洗出來，從而實現(xiàn)目的礦物的分離。其主要用于聯(lián)合分選中的預(yù)選和掃選回收金、銀、錫和鉑等金屬，礦物在轉(zhuǎn)筒上受到50~200 g離心力作用，因此，其對于微細粒礦物分選也具有良好的效果[2]。王仁東等[3]針對云南某硫化金礦，采用Falcon選礦機+搖床預(yù)選與浮選的聯(lián)合工藝，其重選精礦品位可達340.1 g/t，浮選精礦金品位33.67 g/t，最終獲得綜合精礦金品位82.10 g/t，回收率97.16%的高品質(zhì)金。在試驗過程中，還發(fā)現(xiàn)Falcon選礦機細粒金（-20μm）具有良好的回收效果，大大減輕了后續(xù)浮選作業(yè)的壓力。

尼爾森選礦機是由拜仁·尼爾森研制而成，其基本結(jié)構(gòu)與原理與Falcon選礦機相類似，但與Falcon不同的是，相對于Falcon選礦機離心力達200 g，其離心力較小，最大離心力為60 g，難以回收微細粒級礦物。而且其回收區(qū)與也Falcon不同，其轉(zhuǎn)鼓是由一圈一圈的格槽構(gòu)成，回收區(qū)較大，而Falcon選礦機中有一段光滑壁面，回收區(qū)較小。兩者的用水量及處理量也不同，尼爾森選礦機用水量大大高于Falcon選礦機用水量，其處理量（≤1 000 t/h）也遠高于Falcon選礦機處理量（≤400 t/h）。尼爾森選礦機有兩種類型，BCK型與CVD型。BCK型為間斷式排礦，一般用于粗、中粒級金、銀和鉑族等稀貴金屬的回收。CVD型為連續(xù)性，主要回收較大產(chǎn)率的有價組分，現(xiàn)一般用于黑（白）鎢礦、錫石、鉭鈮礦、鉻鐵礦、鈦鐵礦、金紅石、氧化鐵礦物和含金銀的硫化物等較大比重礦物的富集[4-5]。2008年，尼爾森選礦機在金灘礦業(yè)公司推廣應(yīng)用，因其技術(shù)先進，指標(biāo)穩(wěn)定，自動化程度高，勞動強度小，生產(chǎn)成本低，環(huán)境效益顯著等特點，金灘礦業(yè)公司獲得了該年的中國黃金協(xié)會科學(xué)技術(shù)二等獎[6]。

SLon離心選礦機是由贛州金環(huán)公司研制的新型連續(xù)式臥式離心機，它采用的是往復(fù)水射流束對離心力壓實大密度顆粒層的沖擊和切割原理來實現(xiàn)離心力場中的連續(xù)離心分離。SLon連續(xù)型離心選礦機結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由離心轉(zhuǎn)鼓、機架、給礦和卸礦裝置等組成。礦漿進入轉(zhuǎn)鼓，在轉(zhuǎn)鼓壁上形成流膜，礦物在自身重力和離心力作用下進行分離，大密度礦物進入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，小密度礦物隨液相排出，大密度礦物在連續(xù)往復(fù)的噴射高壓水沖擊下，顆粒間聚結(jié)力迅速降低而掉入精礦富集裝置[7]。SLon離心選礦機具有良好的分離效果，已成功運用于細粒鐵礦的選別。2007年海南鋼鐵公司首次采用工業(yè)型SLon-1600型離心選礦機，處理經(jīng)磁分離預(yù)處理的鐵尾礦渣（含鐵約50.52%），能獲得含鐵56.56%、回收率61.59%的鐵精礦，具有良好的經(jīng)濟效益[8]。

圖2　SLon連續(xù)型離心選礦機Fig.2　SLon continuouscentrifugalseparator

懸振錐面選礦機是由昆明理工大學(xué)的楊波及其團隊開發(fā)研制而成的新型重選設(shè)備，該設(shè)備結(jié)合拜格諾理論與流膜分選理論，對微細粒礦物具有良好的分選效果。該設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖3，礦漿給入勻速旋轉(zhuǎn)且振動的錐形床面，礦粒群在自身重力及旋回振動產(chǎn)生的剪切力聯(lián)合作用下松散分層，在漸開線洗滌水及精礦沖洗水的作用下，實現(xiàn)了不同粒度、密度礦物的分選。懸振錐面選礦機有著較廣泛的應(yīng)用，一般應(yīng)用于黑（白）鎢礦、錫石、赤鐵礦、金紅石等礦物的分選。且據(jù)資料顯示，懸振錐面選礦機已經(jīng)應(yīng)用于蒙自礦冶公司選廠，年產(chǎn)值6 000萬元[9]。

圖3　懸振錐面選礦機Fig.3　Suspended vibrating cone concentrator

牛福生等[10]將懸振錐面選礦機應(yīng)用于微細粒鮞狀赤鐵礦的重選，取得了鐵精礦品位為60.21%，回收率為50.52%的良好指標(biāo)，且發(fā)現(xiàn)其效果遠優(yōu)于搖床和螺旋溜槽。2013年柿竹園采用懸振錐面選礦機對白鎢加溫浮選尾礦進行了為期1個月的工業(yè)試驗，發(fā)現(xiàn)采用懸振錐面選礦機獲得的粗選鎢精礦品位比原兩段工藝品位高15.15%，回收率高41.19%[11]。

盡管有眾多高效重力選礦機被不斷研制出來，但作者發(fā)現(xiàn)重選文獻所選用重選設(shè)備中只有部分選礦廠使用較新型的重選設(shè)備，而絕大多數(shù)的重選廠依舊是粗、中粒用跳汰，細粒用搖床、溜槽，陳陳相襲，鮮有變化。而在國外，大多數(shù)重選廠已在采用MGS、尼爾森選礦機、Falcon選礦機、圓盤選礦機等較先進的重選設(shè)備[12]。由此可知，雖重選設(shè)備研發(fā)有較大進步，但我國的重選設(shè)備的使用依舊處于老舊、落后的狀態(tài)，這種狀態(tài)亟待改變。

2.2重選工藝

從表1可知，重選聯(lián)合工藝文獻數(shù)量是重選單一工藝文獻數(shù)量的19.5倍，這說明我國在重選工藝應(yīng)用方面正在由單一重選工藝逐漸向重選聯(lián)合工藝方向發(fā)展。

古人能夠通過單一重選獲得絕大部分礦物原料，但如今，隨著資源的不斷開采，能夠利用單一重選得到精礦的礦種十分稀少。其中，隨著黃金資源的大量開采，大規(guī)模的砂金分選已經(jīng)消失。在鎢礦中，能夠開采的黑鎢資源十分有限，且僅僅大于0.074mm以上顆粒的黑鎢才依賴重選回收，微細粒級鎢還得依靠浮選或重-浮、磁-浮等聯(lián)合工藝才能有效回收。錫資源在重選方面也處于劣勢，大顆粒錫資源已近枯竭，微細粒級錫只有采用浮選才能有效回收。由此可知，隨著資源的開發(fā)利用，單一重選已漸漸不適合當(dāng)前選礦現(xiàn)狀，需向聯(lián)合工藝轉(zhuǎn)型。

對于重選聯(lián)合分選工藝，從表1可知，已有眾多學(xué)者進行了一些研究，并取得了一定的成果。董明傳等[13]針對某鋅選礦廠氧化鋅浮選藥劑成本高的問題，采用搖床重選代替氧化鋅浮選，得到了鋅品位為35%氧化鋅精礦，該指標(biāo)與改造前浮選指標(biāo)接近，可以為企業(yè)每年節(jié)約500多萬元的藥劑費用。鄧麗紅等[14]針對鎢品位為0.15%~0.5%的黑白鎢細泥，采用離心機+搖床重選預(yù)富集—加溫浮選—尾礦搖床重選的聯(lián)合工藝，獲得鎢品位54.15%、回收率62.52%的綜合鎢精礦，該選廠按此工藝改造后，月增產(chǎn)值41.16萬元。張文翰等[15]對某高硫銅鋅多金屬礦，采用浮選銅鋅—尾礦重選選硫的聯(lián)合工藝，得到硫品位45%、回收率80%的硫精礦。闕紹娟等[16]針對某低品位磁鐵礦鈦鐵礦，進行弱磁選—強磁選工藝與弱磁選—重選聯(lián)合工藝對比試驗，試驗發(fā)現(xiàn)弱磁選—重選聯(lián)合工藝效果較好，可以取得鐵品位60.25%、回收率35.57%的鐵精礦與鈦品位38.57%、回收率37.48%的鈦鐵礦。

2.3重選理論

早在20世紀(jì)30年代，很多選礦專家如麥伊爾、利亞申柯、達爾揚、維諾格拉道夫等，在重選的基礎(chǔ)理論上進行了大量深入細致的研究，該階段重選工藝和設(shè)備得到了突飛猛進的發(fā)展，甚至其他學(xué)科的專家也參與了重選基礎(chǔ)理論的研究。如英國的水力學(xué)家拜格諾創(chuàng)立了拜格諾學(xué)說，即當(dāng)流體受剪切力的作用時，其中之固體顆粒除受同方向的剪切力外，還將受方向與剪切平面相垂直的分散壓力的作用，從而使料層松散或懸浮。借助拜格諾學(xué)說，重選才解決了層流條件下細粒礦物重選分層，進而得以分離的理論難題，這也是離心機、橫流皮帶溜槽、40層搖動翻床等高效微細粒重力分選設(shè)備得以誕生的基礎(chǔ)[17]。

拜格諾學(xué)說的成功應(yīng)用讓重選有了較大進展，但在這近20年，重選專業(yè)人才凋零，研究者們也止步于該理論，重選理論研究沒有出現(xiàn)新的突破。從表1中更可以看出，近十年來，關(guān)于重選理論方面的文獻只有4篇。專注于重選理論研究的專家學(xué)者更是鳳毛麟角，除老一輩的孫玉波、黃樞、王文等老教授外，中、青年選礦學(xué)者以重選為研究對象的幾乎沒有，后繼乏人。

3　重力選礦的理論依據(jù)和工藝特點

要使重選工藝在選礦領(lǐng)域煥發(fā)生機，重放光彩，了解重選工藝的特點及其理論關(guān)鍵十分重要。

3.1熱力學(xué)第二定律是重選的理論依據(jù)

熱力學(xué)第二定律具有廣泛的應(yīng)用，其中，各種不同礦物之所以在重力場中能夠按比重不同進行分層，進而分離，熱力學(xué)第二定律是其根本的理論依據(jù)。根據(jù)熱力學(xué)第二定律理論，世界上任何體系都有自發(fā)地向自由能降低方向進行的趨勢。在重力分選床層中，大比重礦物比重大，勢能高；小比重礦物比重小，勢能低；因此，在適宜的松散條件下，勢能高的重礦物就能自發(fā)的向勢能低的底層運動，進而達到按比重分層和分離的目的。而熱力學(xué)第二定律亦表示，所有自然界所有發(fā)生的變化都不會回復(fù)原狀，而且都需要借助外界條件，變化期間初始和結(jié)束階段存在很大差異，這種差異會影響變化的方向[18]。因此，借助熱力學(xué)第二定律，可以人為制造這種差異，如重介質(zhì)分選，離心分選等，使礦物得以分離。

3.2重選理論的內(nèi)核是比重差異和適宜的松散手段

礦物比重差異大小和適宜的松散手段是重力選礦理論的內(nèi)在核心，掌握和理解這個理論十分重要。只有存在足夠大的比重差異，礦物才能按比重分離；若沒有比重差異，或比重差異較小，如鉛與鋅礦物，在理想的松散環(huán)境用重選也不可能將其分離，故“礦物比重差異大小”是重選分離的內(nèi)因。但是若兩種礦物存在足夠大的比重差時，采用的分選條件卻不適宜，或者說其松散度不夠，也有可能將已按比重分離好的礦物又重新攪混。因此，“適宜的松散手段”是重選分離的外因。這也告訴我們?yōu)槭裁创诸w粒要在紊動條件下分選；而細顆粒要在弱紊流甚至近似層流的條件下分選；對于微細粒級物料，則一定要采用層流流態(tài)，在拜格諾的層間剪切理論下才能有效分選[19]。

3.3重選分離的最大難題是極微細粒級物料的分選

雖然對于極微細粒級物料的分選，目前中國有離心機，歐美有橫流皮帶溜槽、尼爾森選礦機、Falcon選礦機等機型，但總的來說，由于設(shè)備本身的效能和缺陷，加上這幾種設(shè)備對操作條件要求都很高，故分選效果都不大理想[20]。

對于極微細粒物料的重選的困難，設(shè)備本身缺陷具有一部分原因，而更重要的是重選方法上存在的致命缺陷所致。從重選理論來說，在重力場條件下，隨著礦物分選粒度的減小，其在水中的有效重力G，越來越小。而反過來，由于水的張力和黏結(jié)力作用，其對微細顆粒的上舉力越來越大。在某個點甚至超過重力作用，使微細粒礦物無法下沉，隨波漂流。這就是重選無法有效回收極微細粒礦物的根本原因，也是重選的一道最大難題。了解并掌握這一根本原因，這對于攻克極微細粒礦物的重選分離具有重大意義。

4　展望

結(jié)合重力選礦技術(shù)現(xiàn)狀及其工藝特點，綜合考慮，重力選礦主要有以下幾個發(fā)展方向：

（1）開發(fā)及推廣新型、高效離心選礦設(shè)備和其他復(fù)合型新型重選設(shè)備。重選設(shè)備是各重選廠的硬件，硬件的好壞決定了效益的高低，如連續(xù)分選型離心機的出現(xiàn)，既解決了重選中微細粒的回收問題，也打破了間歇式離心機生產(chǎn)力低下的僵局。且從當(dāng)前重選設(shè)備研究現(xiàn)狀可以看出，離心機的研發(fā)及推廣是重選設(shè)備的一個重要方向，其中，處理能力及回收粒度則是離心機發(fā)展的一個關(guān)鍵方向。因此，大力開發(fā)及推廣應(yīng)用新型高效的離心選礦設(shè)備，意義十分重大。結(jié)合電力、磁力、超導(dǎo)力、浮游力以及其他復(fù)合力場，開發(fā)新型高效的復(fù)合型新型重選設(shè)備，是新型高效重選設(shè)備的發(fā)展方向。

（2）推廣應(yīng)用重選聯(lián)合工藝。重選具有最環(huán)保、成本最低廉的特點，且隨著新型高效重選設(shè)備的開發(fā)利用，不僅能夠有效地處理一般粗、中粒以及含泥少的細粒礦石，也能處理一些微細粒級礦石，因此，將重選納入浮選、磁選、化學(xué)選礦工藝以形成聯(lián)合工藝，利用重選法進行礦石預(yù)選、掃選及在磨礦回路中回收單體重礦物，為重選工藝的發(fā)揚光大提供了廣闊的發(fā)展空間。

（3）重選基礎(chǔ)理論深入研究?；A(chǔ)理論研究是任何工藝發(fā)展前進的基礎(chǔ)，缺乏基礎(chǔ)理論研究，工藝技術(shù)只能是原地踏步不前。因此，從極微細粒級（-10μm）出發(fā)，著手重選理論在極微細粒級上的深入研究，是重選理論的重要方向。此外，加大重力選礦理論方面人才的培養(yǎng)，是重選基礎(chǔ)理論突破的關(guān)鍵。

（4）拓展重選的應(yīng)用范圍。重選是基于物體比重差異及松散度大小適宜的一種分選方法，因此，不僅能應(yīng)用在選礦領(lǐng)域，也能應(yīng)用在其他領(lǐng)域。如其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用，利用風(fēng)力搖床將糧食和混入其中的砂子、金屬屑、木片等分離開來。它也可用在石油工業(yè)，如將風(fēng)力搖床用于石油工業(yè)煉油廠熱催化裂化裝置以維持催化劑的平衡和活性水平衡，袁作建等[21]也考察了動態(tài)旋流器在含油污水處理的發(fā)展與應(yīng)用。重選也可用于廢物回收，如日本采用濕式重選技術(shù)從混凝土廢渣中回收符合混凝土用的碎石質(zhì)量的粗骨；而恒川昌美等[22]利用跳汰機從廢辦公自動化設(shè)備碎屑中分離和回收有價塑料等也取得了重大進展。因此，加大重選應(yīng)用范圍的拓展，是非常有必要的。

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TheWaysOut and Development Trendsof Gravity Separation under Current Position

ZENGAn,ZHOUYuan,YUXin-yang,HEGui-chun

(JiangxiUniversityofScienceand Technology，Ganzhou 341000,Jiangxi,China)

Gravity separation technology is one of the threemineral processing technology.Through analyzing the gravity separation-related literature,the development of gravity separation in the recent five years is outlined quantitatively.That gravity separation combined technology is the focus of attention at present.In theoretical research is weak;through the analysis of the literature on andmagnetic separation,flotation,RE developmentof the proportion of low,but research has been under study stability.This paper describes in detail the current gravity separation equipment,process and theory and emphatically analyzes its characteristics and key theory,namely,the second law of thermodynamics,the influencing factorsofgravity separation and theweak pointsofgravity separation. This paperemphatically analyzes thewaysoutand development trendsofgravity separation.

gravity separation;gravity separation equipment;gravity separation process;gravity separation theory; documentanalysis

10.3969/j.issn.1009－0622.2015.04.008

TD455；TD91

A

2015-05-25

國家自然科學(xué)基金（51304085）；江西教育廳項目（GJJ12363）

曾安（1990-），男，江西吉水人，碩士研究生，主要從事選礦工藝與藥劑研究。

周源（1954-），男，江西吉水人，教授，本刊編委，主要從事礦物加工工程和環(huán)境保護工程的研究工作。