重選沉降分層理論研究與應用

陳端云 李清湘

(深圳市中金嶺南科技有限公司)

重選歷史悠久。從古代人類開始知道利用金屬材料時，就使用獸皮在河溪中淘洗自然金屬或天然礦粒，而重選理論研究要相對滯后。早期理論研究多側重于對工藝現象的解釋，在后來的理論研究過程中充滿曲折與艱難。經歷近200多年的研究過程中，許多學者根據各自的認識提出了多種學說。雷廷智的“按礦粒的自由沉降速度差分層”學說、門羅的“按顆粒的干擾沉降速度差分層”學說、邁耶爾的“按密度分層的位能”學說，A A 赫爾斯特和R.T 漢考克提出、里亞申柯進一步驗證的“按礦粒的懸浮體密度差分層”學說、張榮曾和姚書典的“按重介質作用原理分層”學說等，形成分層理論眾說紛紜的局面。每個理論都做出了巨大的貢獻，但這些觀點和認識也存在某種局限，重選的基礎理論發展到今天仍未達到完善的地步[1]。在選礦過程中，性質不同的礦粒進行重選時，經常遇到同時懸浮或同時沉降的干涉沉降現象，這些干涉沉降現象目前研究不夠深入[2]。此外，有關跳汰理論的研究至今還沒有得出滿意的結果，這項研究仍處于發展階段。今后，對跳汰理論和實踐的研究應當集中在找出一條能把各種理論統一起來的途徑，最終能比較客觀地解決跳汰機的結構設計和正確選擇主要工藝參數以及水動參數等問題[3]。跳汰是重選的重要方法之一，因此這些問題歸根到底還是重選究竟按什么分層的基礎理論問題。解決了基礎理論問題，這些問題都將迎刃而解。

學者們從不斷地對“重選究竟按什么分層的理論”進行研究，通過總結、繼承、歸納前人研究、點評和論述[4-9]，從而展開新的研究[10-11]，但仍未取得統一的認識。為進一步豐富重選理論、揭示重選沉降分層真相，指導重選生產實踐，開展了重選分層試驗研究。

經試驗研究，認為沉降是重選分層的核心過程，松散是為沉降提供條件，將重選的基本規律概括為“搬運、松散—沉降—分層—搬運、松散—沉降—分層…分離”的過程，而不是從前概括的“松散—分層—分離”的過程。模擬重選“搬運、松散—沉降—分層”過程中促使分層發生的最重要的沉降過程，試驗采用無引入性干擾源的沉降管試驗法，用以觀察、分析、研究揭示速度沉降干擾與分層的關系，試驗過程清楚地觀察到沉降干擾發生的現象、規律，同時還清楚有序地展現了礦粒顆粒間按沉降速度差引起的沉降干擾從而促使礦粒顆粒按沉降速度差排序而先后沉降分層的過程。

1 試驗設計與材料

1.1 試驗設計

影響沉降的主要因素有礦粒的密度、形狀、粒度3大要素，試驗目的是考察這3大因素對沉降的影響，研究礦粒在混合沉降時的分層規律。

模擬重選“搬運、松散—沉降—分層”過程中的沉降段，該段是促使礦粒發生分層的主要原因，試驗采用無引入性干擾源的沉降管試驗法。

1.2 試驗材料

選擇代表性的石英、電解銅粉、霧化鋅粉為試驗材料。電解銅粉具有良好的壓延性，容易制成0.003 mm左右的鱗片狀銅粉，在形狀上與其他材料差別明顯。為便于試驗操作與觀察，沉降管用直徑15 mm、長度800～1 500 mm左右的透明玻璃管，以水為重選介質。

2 試驗結果與討論

2.1 密度相同、粒度不同組分的沉降試驗

采用沉降管長度800 mm左右的玻璃管對密度相同、粒徑不同的2種組分(表1)進行沉降試驗。先將粒度較小的B組分放入沉降管中，待沉降完畢，再放入粒度較粗的A組分，使其沉降在B組的上方，沉降完畢，結果見圖1。然后封住上口，反復顛倒使2組組分呈混合狀態，然后放開上口，垂直放置沉降試驗管，使管內混合粒群自由沉降，并觀察自由沉降分層過程，最終結果見圖2。

表1 試驗材料與參數

圖1 顛倒前沉降分層

圖2 沉降終分層

沉降初始既有有序連續徐徐沉降下沉的顆粒和粒群，也有有序連續徐徐上升到不同高度后又轉而沉降下沉的顆粒和粒群，且沉降初始上升的高度更高。隨著沉降的進行，沉降管上部漸漸地只看到有序的連續徐徐沉降下沉的顆粒和粒群。沉降終分層時，兩組顆粒群間發生了反分層，分層界線明顯，界線接觸帶很窄。采用虹吸管分別將接觸帶上部、下部吸出，經檢測，除接觸帶外，上、下部中均沒有出現粒度顆粒的混沉。

2.2 密度不同、粒度不同組分的沉降試驗

在玻璃管長度800 mm左右的條件下，對密度不同、形狀不一、粒度不同的3組分進行沉降試驗，混合均勻后自然沉降。試驗材料與參數見表2，結果見圖3。

表2 試驗材料與參數

圖3 3組分沉降分層結果

圖3表明，沉降分層底層為A組分，中間為C組分，上層為B組分，且分層清晰。若按密度大小沉降結果則應為A、B同層C居上，若按顆粒粒度沉降結果則應為A、C同層B居上，均與沉降結果現狀不符。

因此設計測定顆粒沉降速度試驗。玻璃管直徑18 mm、長度1 000 mm，玻璃管一端封口固定，將被測礦粒或組分注入管內，加滿清水，封住上口并反復顛倒玻璃管后，垂直放置，待礦粒沉降澄清，迅速顛倒垂直放置玻璃管的同時，秒表開始計時。待管內礦粒沉降完畢結束計時，記錄沉降時間t(s)，t的倒數即沉降速度v(m/s)。

試驗依次測得A、B、C組分的沉降速度分別為vA、vB、vC，且vA>vC>vB，與圖3沉降分層結果一致，初步得出“礦粒是按沉降速度差分層的”的結論，沉降速度最大的沉在最底層，沉降速度最小的在最上層。

2.3 5組分混合沉降試驗

選擇直徑18 mm、長度800 mm左右的玻璃沉降管，對5組分進行混合沉降試驗，其中A、B、C、D各取20 g左右，E取10 g左右，試驗材料與參數見表3，沉降終了組分分層結果見圖4。

表3 試驗材料與參數

圖4 5組分沉降分層結果

圖4表明，沉降終了5種組分分層較為明顯，從底層到上層依次為B、A、D、C、E。沉降過程與現象和試驗2.1，2.2類似。結果與礦粒密度、粒度規律不符。沉降測定試驗表明，5組分的沉降速度為vB>vA>vD>vC>vE，沉降分層結果符合“礦粒按沉降速度差分層”。

3 試驗分析

聯合分析試驗2.1、試驗2.2、試驗2.3，礦漿中部分顆粒和粒群的徐徐上升是由其與緩緩沉降的顆粒和粒群間存在沉降速度差而引起的。顆粒和粒群在反復顛倒作用下，呈混合狀態存在于沉降管中，在有限的容器中沉降時，流體受到容器邊界的約束，根據流體連續性規律，任一體積礦粒的下降便會引起同體積同速度介質的上升。沉降開始，由于礦粒間存在沉降速度差，沉降管中處于任一點的各個沉降速度不同的顆粒將按與該點下沉顆粒引起的同體積同速度的介質上升流的速度關系而運動，相互關系：設沉降速度不同的顆粒A和顆粒B的沉降速度分別為dvA和dvB，速度差k=dvA-dvB。若k>0，則顆粒A與顆粒B按A先B后的沉降速度差順序沉降；若k=0，顆粒A與顆粒B等速沉降；k<0，顆粒A后于顆粒B沉降。這是由于沉降干擾引起的，該關系存在于剛開始沉降時任意顆粒和粒群間，因此開始就按顆粒和粒群按沉降速度差沉降。隨著顆粒和粒群中沉降速度最快的顆粒和粒群達到沉降前沿后，該部分顆粒和粒群沉降最先結束，其他部分繼續按沉降速度差的順序連續沉降。沉降速度相對較慢的顆粒和粒群總是受到沉降速度較快顆粒和粒群引起的徐徐上升介質流速度的干擾。設某斷面介質流的上升速度為dvs，該斷面上顆粒和粒群的沉降速度為dvc，則此斷面上顆粒和粒群在上升介質流中的沉降速度k=dvs-dvc。若k<0，則該顆粒和粒群以速度k與上升流相反的方向下降；k=0，則該顆粒和粒群在此斷面上懸??；k>0，則該顆粒和粒群以速度k隨上升流同向升起。隨著沉降過程的進行，沉降速度相對較快的顆粒和粒群連續有序地徐徐沉降到底層，沉降引起的干擾也連續有序地消除。結果導致顆粒和粒群按上升介質流速度干擾引起的沉降速度差而連續有序沉降分層，這也是重選時因一部分沉降速度較快的顆粒和粒群的沉降而使另一部分沉降速度較慢的顆粒和粒群因受其干擾而無法沉降的沉降干擾的內在規律。即若va>vb,則va下降，vb上升。這是重選過程中最普遍最重要的沉降干擾，是促使重選按沉降速度差分層發生的原動力。任何先后沉降的兩排顆粒和粒群間可看作是最小的分層，層厚由顆粒的粒度大小決定。由此可知，在重選過程中，合理利用或消除沉降干擾對改善重選分選效果非常重要，是使重選根據被選礦粒的顆粒和粒群的性質、特征按選別的目的、目標進行有效分層的重要保障與依據。

綜上，沉降干擾是由礦粒顆粒和粒群的沉降速度差引起的。要合理利用沉降干擾，必須查明不同礦粒的顆粒和粒群在介質中的沉降速度。顆粒干擾速度vg=vo(1-λ)n(λ為固體容積濃度，%;n為介質指數，重選介質為水時，n=1)，同處于同一斷面的粒度不同的顆粒A與顆粒B的λ相同，因此vgA-vgB=(voA-voB)(1-λ)n，同時其干擾比為vgA/vgB=voA/voB。因此干擾沉降速度的實質和干擾產生的作用和效果，與對自由沉降速度的干擾作用實質和效果是等價等效的，同時還可根據顆粒在介質中的沉降速度隨時間的變化關系，測出礦粒在介質中的實際平均沉降速度，干擾作用與上述兩者的干擾實質也是等價等效的。

這一觀點最早由奧地利人雷廷智提出，他認為在垂直流中，要使兩種密度不同的混合粒群在沉降(或與介質相對運動)中達到按密度分層，必須使給料中最大顆粒與最小顆粒的粒度比小于等沉顆粒的等沉比，這一結論可認為是按密度分層理論中最切合實際的。重選應用上，若使該類礦粒按密度差分層，則必須使大密度礦粒的沉降速度均大于小密度礦粒的沉降速度，并可類推到顆粒群，則顆粒群也按沉降速度差分層，因此得到“重選是按礦粒沉降速度差分層、分離” 的理論。該條件下的“重選是按密度差分層”理論與“按沉降速度差分層”的實質相吻合。

重選目的是使目的礦粒與脈石顆粒在“松散—沉降—分層”過程中因沉降而分層，達到選別目的。重選不是按密度分層的，密度只是構成分層的要素之一，而是按礦粒在介質中的沉降速度差引起的沉降干擾分層的。

4 沉降干擾分析

4.1 目的礦粒處于沉降下層

若目的礦粒和粒群性質(主要指沉降速度)使其在沉降、分層中相比脈石顆粒更易于處于沉降分層的底層(下層)，脈石顆粒和粒群的沉降引起的干擾對目的礦粒和粒群的沉降影響表現為干擾越大越不利，應想方設法合理消除[12]；目的礦粒顆粒和粒群引起的沉降干擾對脈石顆粒和粒群的沉降有利，目的礦粒細粒的沉降干擾脈石顆粒粗粒的沉降，結果使目的礦粒細粒充分沉降、分離，因此應充分利用目的礦粒細粒的沉降干擾。

密度、形狀、粒度是決定礦粒和粒群在介質中的沉降速度的主要因素。目的礦粒和脈石顆粒在形狀上相似或相同時，假設礦粒粒度對沉降速度無影響(按寬粒度入選)，則礦粒的沉降速度基本由密度決定。但沉降速度較快的脈石顆粒和粒群(如粗粒脈石顆粒)仍會對目的礦粒中粒度較小的、沉降速度較慢的顆粒和粒群產生沉降干擾，從而使目的礦粒難以沉降下去而損失在脈石中，并在重選生產實踐中證實。由于在重選中目的礦粒一般處于分層底層，按寬粒度入選時不能達到按密度分層的理論要求。

4.2 目的礦粒處于沉降上層

若目的礦粒和粒群性質(主要指沉降速度)在沉降分層中相比脈石顆粒更易于處于分層中的上層，則目的礦粒和粒群的沉降會干擾脈石顆粒和粒群的沉降，干擾程度越大越不利于沉降分離，因此應設法嚴格控制目的礦粒中粗粒進入重選。脈石顆粒和粒群引起的沉降干擾對礦粒和粒群的沉降有利，可使脈石顆粒的細粒充分沉降，與礦粒分離。可通過合理利用有利的沉降干擾來避免脈石顆粒的細粒部分混入目的礦粒和粒群，提高分選效果。

沉降速度較快的礦粒和粒群(如粗礦粒)的沉降干擾會對粒度較小、沉降速度較慢的脈石顆粒和粒群產生沉降干擾，從而使脈石顆粒不能下沉到目的礦粒下層而混入目的礦粒，影響到目的礦粒的富集。因此目的礦粒處于沉降分層上層的重選，若按寬粒度入選，分選結果也不能滿足按密度分層的分選理論要求。

5 應用實踐

5.1 鉛鋅礦重選

某鉛鋅礦石方鉛礦占1.74%，閃鋅礦占6.46%，黃鐵礦占14.67%，重晶石占26.01%，白云石占43.48%，其他礦物石英、含鋇長石、白云母等占7.64%。其中目的礦物方鉛礦和閃鋅礦嵌布粒度粒度不均，且方鉛礦嵌布粒度較閃鋅礦小。方鉛礦中-0.02 mm的微細粒占21.26%，閃鋅礦中-0.02 mm的微細粒占13.62%。相比主要脈石成分重晶石、白云石，重選沉降分層屬于典型的目的礦粒處于沉降下層的情況。沉降速度差分層理論和密度分層理論選礦工藝流程(分別稱流程一和流程二)分別見圖5、圖6，結果見表4。

圖5 按密度分層理論選礦流程示意

圖6 按沉降速度差分層理論選礦流程示意

流程鉛精礦品位/%鉛回收率/%鋅精礦品位/%鋅回收率/%尾礦含鉛/%含鋅/%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“給礦按窄粒級入選”工序。目的礦粒方鉛礦、閃鋅礦密度大于脈石礦粒重晶石、白云石密度，按寬粒級入選(流程一)時，無法消除重晶石、白云石中粗顆?；蝾w粒群對方鉛礦、閃鋅礦中細顆粒的沉降干擾，重選效果很差。流程二篩分作業可控制目的礦粒與脈石顆粒的粒度，以使脈石顆粒中粗顆粒的沉降速度小于目的礦粒細顆粒的沉降速度，目的礦粒細顆粒的沉降干擾脈石顆粒粗粒的沉降，便于目的礦粒細顆粒的充分沉降、分離，選礦效果較好。

5.2 黃金重選

自然金密度16 g/cm3，嵌布粒度、形狀極不統一，有粒狀、片狀、樹枝狀等，在重選前的磨礦過程中因具較好的延展性，粒度、形狀容易發生二次變化，形成極薄的片狀，損失在尾礦中。

某脈型金礦重選尾礦含金1.2～1.8 g/t，重選前進行篩分，拋除-0.065 mm礦粒，+0.065 mm礦粒進行搖床重選，最終可得到金品位6～8 g/t的金精礦(均為片狀金)，金回收率78%～92%，尾礦金品位小于0.2 g/t，指標良好。

6 結 論

(1)通過沉降管試驗模擬重選“搬運、松散—沉降—分層”過程中的沉降段，得出“礦粒按沉降速度差分層”的理論。沉降干擾是由礦粒顆粒和粒群的沉降速度差引起的，是促使重選按沉降速度差分層發生的原動力，應根據重選時目的礦粒處于沉降的上層還是下層，來消除或合理利用沉降干擾。

(2)沉降速度相同的礦粒存在等沉比，生產實際中應充分利用等沉比在等沉速度下(已實現礦粒等沉分層)實現輕重礦粒組分的分離。依據不同礦粒性質，充分利用礦粒和粒群的密度、形狀、粒度3大要素對沉降分層的影響規律，實現高效重選。

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