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5 0 0目粒 子 的重力分 选 D ． C． Ya ng T． P． M e l o y 【 摘 要 】研制开发了 一十充填瑰汰柱， 用于分选具有不同密度的 微细瓢粒 l ～1 5 0 ．u rn *充填式跳 汰柱是一十内装波纹状充填物的柱。矿浆从柱中部给 ，稳定的脉冲水 巍扶柱底部给 ．脉冲水与充填物相 互作用形成眺汰运动 ．从而使重粒子下沉并从跳汰柱底部排出，而较轻粒子上升并从酰汰柱的顶部溢 出。 本发明的重选机分谜效果显著 ．无环境括奥 ．操作费用低 。处理铁 矿所得的精矿品位 和回收宰均超过瑰 有的其它设备 。通常能获得高品位和高回收率铁精矿 ．且古二氧化硅、硫和磷都根低。 本文是首次详细介绍充填式瑰汰柱技术并用分近数据提示其物理模型 ．重点介绍铁矿石和煤的精选。 1 前 言 传统的煤或矿物的重 』 』 选矿是用诸如浓 密机、旋流器、摇床、跳汰机 、螺旋分级机 和重介质选矿机等分选设备进行的。传统方 法分选效果取决于矿物 的颗粒大小、形状、 密度和在分选机 中的流体动力学。但当给料 粒度变得更细或粒度变化大时 ，贝 9 其分选效 果变差 。 洗煤用的重介质选矿只能有效处理 2 8 目的颗 粒 。虽 然 泡 沫 浮选 法 可 处理 一2 8目 的颗粒，但不能用来除去其中的黄铁矿 ，由 于其相似的表面特性 ，黄铁矿与煤聚结在一 起而变成泡沫产物。另外用现有设备分离铁 矿石或预选 铁精矿 中的石英 s j ．在保 持高的铁 回收率 要求在 9 0 ％以上同时 不能有效地去除石英 。传统工艺 ．包括浮选 和磁选 ，将大量的石英和其它杂质随铁一起 带人铁精矿中。 最近 由杨 1 9 9 6年注册 的充填式跳 汰柱专利可说是对重选设备的大发展 ，因为 它能对细颗粒进行 良好的重力分选 。由于它 能得到高纯度和高回收率的产品 ．使它可用 以处理范围广泛的各种细粒度的物料 ．尤其 适合于处理细浸染矿 ．例如，用来精选苏必 利约湖地区的低品位磁性铁燧石矿石。 充填式跳汰柱产出的铁精矿含石英和其 它杂质低 ．使在高炉炼铁时所需的石灰用量 减少。石灰用量减少意味着高炉的炉渣产量 减少。这种充填式跳汰柱还可用来生产含石 英低于 2 ％的超高纯铁精矿。石英含量能达 到多少取决于石英的解离程度。 2实验 研 究 由于充填介质的作用 ，充填跳汰柱能减 少不稳定性和 涡旋状态 ，从而减少短路现 象。充填跳汰柱是 由充满充填物的管状柱子 组成。柱的上部为低密度区，其下部为高密 度区。波纹状充填材料迂回曲折分布于整个 柱子 。 分选过程包括将较高和较低密度的矿浆 进行有效 的重力分选。分选过程发生在相互 连接的小跳汰室中，这些小跳汰室是 由充填 材料之间所形成的空间所限定的。给料至矿 浆人口区域并使其流经 由充填物所形成的小 跳汰室。由水脉冲、空气脉冲和机械振动使 不同的床层发生同时振动或跳汰运动而达到 分选的目的。在柱子中的振动作用和减少室 的大小有利于不同密度的床层发生有效 的分 层。低密度粒子和高密度粒子分别由顶部和 底部 排 出。 充填跳汰柱 的分选 均发生在充填介 质 中。因此管状充填跳汰柱选别过程不需要浮 选、磁选或旋流器分选 ．不需要浮选药剂 、 磁场发生设备和旋流器。管状柱子的截面可 为正方形、长方形或圆形。通过柱子的流体 有色矿山1 9 9 9 ． 5 维普资讯 流速应满足于在上部区域产生高于低密度粒 子下沉 的临界 速度 。临界速度 可根据 S t o k e s 公式 用不同粒 子直径 、密度和 流体粘度加 以 确定 。可通过 控制给料 速度或利 用一附加 流 体人 口以维持在上部区域有足够 的线速度。 跳汰频率与颗粒大小成反 比。床层密度 也可通过点 密度 的测 定 和控制 给料速度 以及 附加的流体 水速度而加以控制 ，从而产 出所需品位 的产物。 当颗粒粒度变细时 ．所需的充填物尺寸 也减小。充填物价廉 、经久耐用 ，即使被损 坏仍能有效地工作。事实上 ，充填物可能含 有孔洞，但分选过程仍能进行。颗粒通过充 填物表面运动，但充填物基本不会被磨损。 虽然充填 物的作 用在分选过程 中是 关 键 ，但其全部作用尚未很清楚 。充填物可 以 产生在分选过程 中起重要作 用的许 多界面 层 。此外 ，充填物支持流体的拉力以及粒子 与柱壁之间的相互作用。由于波纹充填物的 交错倾斜放置 ，床层性质在横 向是均匀 的， 而在竖 向是 稳定 的 。由于 所有 的分选是 在充 填物中进行 ，充填物的一个重要作用是柱截 面放大。只要通过给定的水平面积的流动速 率是常数 ，则柱子 的直径是大是小都没有关 系 。 2 ． 1实验情 况 在实验 中用一个 内径为2 5 ． 4 mm 1 英 寸和高为6 0 9 6 mm 2英尺的实验室充 填柱。柱子中充填一些波纹状充填板，此板 高为1 ． 3 c m ，并 且其 波纹与水 平面成 4 5 。 ， 交错的层 或剖面相互呈 9 o ‘ 。处理铁矿石 ， 如磁性铁燧石或部分氧化 了的铁燧石 ，将其 磨细至使矿物充分解离。 矿浆 最大粒度为 1 5 0目通过矿浆人 口以给人柱中 ，在柱子上部形成一个低密度 床层区域富集石英粒子 ，在柱子下部形成一 个高密度床层区域 ，富集铁矿物粒子 ，精矿 从柱底部排出。石英、硫和磷等可有效地从 精矿中分离出去 ，并保持铁的高 回收率。 此装 置 除可 用于一段 分选外 ，还可 以与 传统的分选作业联台使用 ，也可两段或更多 的系列使 用 。 2 ． 2结果和讨 论 2 ． 2 l 精选 细 粒铁矿石 以下 的一 些 例子 说 明处 理 A 矿 山 的铁 燧石磁性精矿所得低硅铁精矿的情况。给料 含6 6 ． 4 9 6 F e和 5 ． 8 ％S i 02，预先筛 去 1 5 0 目的粒 子 ，预 筛 后 的水 调 矿 浆 含 约 1 0％固 体 ，并 以约 2 0 0 ml ／ mi n泵 人给料 口，用 脉 冲泵以 8 0 次 ／ min的频率将脉 冲清洗水送 人 柱子底部，冲程约2 ． 3 c m 。精矿产率 相对 于给 料矿浆 中原有 固体含 量 超过 9 0 ％， 铁回收率大于 9 5 ％ 依矿浆含铁量计 。 对 1 A 和 1 B 的试 验 结 果 见 表 l 、表 2 处理 A矿山磁性精矿 ，一1 5 0目占 9 8 9 6 。 表 1 对 1 A试 验 结 果 ％ 产物名称 产率 古 F e 古 S t O a F e 分布率 在预筛 阶段 筛出去 的大 颗粒 1 5 0 目含 s i0 2 高。在 1 A和 l B筛 出去的重量 占原矿浆 固体 的1 ． 8 8 9 6 。同时精矿 产物 中 S i0 2 含量小于 5 9 6 ，铁的回收率超过 9 5 ％。 用跳汰工艺处理如此细粒级别的矿粒得 到的最终产品，含 s i0 2 低且铁 的回收率高 ， 效果 是显著 的 。 对 2 A 和 2 B的 试 验 结果 见 表 3 、表 4 处理 A矿 山磁 性 铁燧 石 原 矿 ， 一3 2 5目占 一 5 o o目粒子的重力分选 D．c ．Y a n g 等 维普资讯 8 5％ 。 表 3对 2 A的试 验结 果 ％ 产物 精 矿 尾 矿 原 矿 产卑 舍 7 0 51 1 l， 驺 31， 0 3 舍 S i 分布卓 3 4 81 65． 1 9 1 0 0． 00 l _ 2O 6 7． 29 45 ， 28 7 6 2 0 2 3． 80 1 0 0 C O 对 3 A和 3 B的试验结果见表 5 、 表 6 处 理 B矿 山磁性精矿 ， 一3 2 5目占 8 0 ％ 。 表 5 对 3 A 的试 验 结果 ％ 产物 产卑 舍 舍 s R 分布卓 产物 产卓 舍 舍 s l F e 分布卓 精 矿 8 7 9 6 6 8 8 3 3 ， 1 0 9 8 ． 0 4 尾矿 1 2 O 4 1 0 ， 0 5 ， 2 3 1 9 6 原矿 1 0 0． 。 0 6 1 ． 7 5 1 1 ． 4 2 1 0 0． C O ‘ 工厂数据 6 6 ， 3 0 5 ． 4 0 8 5 ， 4 O *为工厂汽程只包括一段反浮选。注意本流程的结果 比用传统流程的工厂结果更好。 对 4 A 和 4 B的 试 验 结 果 见 表 7 、表 8 处理 B矿山磁性铁燧石原矿 ，一3 2 5目占 8 0 ％ 。 表 7 对 4 A 的试 验 结果 ％ 产物 产卓 舍 舍 s j F e 分布卓 精 矿 3 3 3 l 6 9 8 8 1 8 2 6 8 4 5 尾 矿 6 6 ． 6 9 1 6 O 9 6 6 8 5 3 1 5 5 原 矿 1 0 0 ． C O 3 4． 0 1 4 5 ． 1 9 1 0 0 ． 0 0 精 矿 3 6 ， 5 3 6 7 ， 5 7 4 3 8 7 0， 9 6 尾 矿 6 3 “ 4 7 1 5 ． 9 1 6 7 ． 1 9 2 9 ， 0 4 原 矿 l 0 0 ， 。 。 3 4 ． 7 8 4 3 ， 8 1 1 0 0 ， o D ’ 工厂数据 6 6 ． 3 0 5 ． 4 0 5 8 ． 5 O * 工厂流程包括磁选和反浮选。注意本流程的指标 比 用传统流程的工厂指标好 。 2 ， 2 ， 2 简化洗煤工艺 将煤磨绀并预先筛 出 1 5 0目的颗 粒。 然后将 一1 5 0目煤送到密度床分离器。低密 度的上流产物用 5 0 0目筛子进一步筛分 ，筛 上物为精煤产品 ，筛下物为粘土泥而丢弃。 高密度流为矿物或黄铁矿所组成 的尾矿 。 用 充 填 跳 汰 柱 分 选 法 精 选 A I a b a ma P r 丑 t t 箔煤的试验结果示于表 9中。A I a b a ma P r a t t 箔煤 2 7 ． 7 ％灰分 ，一2 2 tm 占5 0 ％。 数据表明，煤中的矿物可用充填跳汰柱技术 除去 。由加人重介质或就地使用重粒子 如 煤中的黄铁矿作为重介质而达到。实验室 试验表明，从含2 7 ． 7 ％灰分的煤用充填跳汰 柱可得含灰分 8 ， 8 ％和 产 率 为 5 2 ． 6 ％ 的 精 煤。充填跳汰柱用往复活塞泵给予脉冲。细 粒部分 即 一5 0 0目含大量粘 土，可在密 度分离前后弃之。其结果表 明，跳汰作用可 应用于广范围的粒度 ，并且对各种给料能达 到有效的分选。 表 9 Al a b a maP r a t t 箔煤选别结果 ％ 产物 灰分 产卓 可燃物回收率 精 煤产 品 8 8 0 5 2 6 0 6 6 4 D 一 5 0 0目泥 4 0． 4 O 3 3 8 0 2 7舯 床沉淀物 6 9 ， 3 0 1 3 6 0 5 ． 8 O 摄终混合尾矿 4 8 ， 7 O 4 7 4 0 站． 6 0 原 煤 2 7 ． 7 0 1 0 0． 0 0 1 0 0 C O 充填式跳汰柱技术可使选煤过程免去所 需的磁铁矿介质，代之可用煤中黄铁矿 或 给料中的重矿物组分控制密度床 的比重 。 3理 论 探讨 分选室数 目越多，则组分的分选效果越 好。分选效果与物料在分选过程 中所遇到的 分选段 数成 比例 。可用在蒸 馏塔 设计 中 的理 论塔板计算和设备设计进行模拟。充填材料 起着有效减少人 E l 至出口的短路现象。当物 料移动时 ，充填物使物料移动减缓而进一步 加强分选效率 ，此外充填物在柱子中还破坏 涡流 。重要的是充填物允许和支持复合界面 层结构，此结构使有效的分选成为可能 。 4 物理模型 模拟此充填跳汰柱 的第一个物理模型是 有色矿 山l 9 9 9 5 维普资讯 由美国 M l o y等人 1 9 9 7年提 出。它是 模拟不同密度的粒子在充填物内流动。在此 模 型中Me l o y考虑的变量较少 ，以便简化模 型和实验。所研究的变量有粒子密度 、液体 密度 、稳定状态密度梯度、稳定状态流动速 度 ．和由于脉 冲波的振幅和频率引起 的紊 流 。其 目的是测 定在所研究 的系统 中各个 变 量 的相 互影响 。 根据所用的相互垂直充填的性质 ．所形 成的流动方式只能在小区域 内稳定。在小区 域的末端，粒子与不同方向来的流体相遇而 破坏其流动 ．形成新的密度梯度并再次使更 浓密的底层往下一层流动，使更稀 的上层往 上一层流动。从而有一系列的连接的静止区 域 ．在其中形成密度梯度 ．此静止区与密度 梯度区和紊流区交替变换 。由于紊 流作用 ， 正在往下层移 动 的一些 重粒子有 可能重新进 人刚离开的区域，或者往下移动到下一个区 域 。这些 重 的粒子具 有更大 的机会进入 正在 往下移动着 的区域 ，但它们正在被往上流动 的液体所夹带而进入上一层区域。这种逆向 流动形态可以被模拟成是在逆流回路排列 的 一 系列槽子。重的粒子 比轻的粒子更快地落 人槽的下部。重粒子一 旦接近槽 的下部 边 缘，就更有可能进人下一层 的槽子。这就意 味着重粒子在柱子中沿着逐个的槽子往下移 动 ，轻粒子按同样方式上升到柱子顶部 。 在模型中，有三个物理变量①进水的 流速和方向 ；②紊流的程度 上升和下降 ； ③粒子在液体中的沉降速度 永远往下 。 此外 ，假定粒子向上移动的概率是与三个设 备参数之和成正 比．所有粒子的密度比液体 的密度都大 ，并往下沉降。因此 ，只有稳定 态的向上流体才与较轻粒子在充填跳汰柱的 分选有关 。 5 数值 方法 根据 Me lo y 1 9 8 2 、1 9 8 3年 ，Wil l i a m 等 1 9 8 3 、1 9 8 6 、 1 9 8 9年 和 Me 1 。 y等 1 9 8 7年的工 作 ．做 出了称 之为 Q u a t t r o 的计算模型。由于此模型随机的和计算的概 率大于 1和小于零。用 I F X1 、0 、X 型的表达以保持概率在零与 1 之间。如果计 算的概率太于 1 ，则概率设定 为 1 。用同样 的方式 ．如果计算的概率小于零 ，则概率设 定 为零 。其 结果概括如 下 1 不管条件如何变化 ．密度太的粒子 从跳 汰柱 的底部排 出。 2 如果 向上 的流 动速 度和 紊流足够 太 ，轻的粒子从跳汰柱顶部逸 出。 3 在模型 中，为 了模仿 跳 汰柱 的行 为 ．紊流必 须大 。 4 水人 口在给料 口下部 ．可改善分选 效果。水人 口的位置是十分重要 的。 虽然模型能做 出合理有效 的预测 ， 但笔 者认为此模型太简单。首先 ． 从顶部至底部 的密度梯度不太 ， 而且对铁矿来说 ． 从顶部至 底部的密度梯度对分选过程具有次要作用。 紊流在模 型中所起的作用过于重要。笔者认 为．更好的模型的重点应该是虚拟分选槽 所有非正式放大实验表明．放大都是线 性的。这说明，当充填物尺寸变化 ．跳汰柱 尺寸不变 ．将发生放大问题。这也说明．装 有充填物的跳汰柱只不过是平行作业的单个 充填跳汰柱的总装配体。 6结 论 1 研制开发了一个充填式跳汰柱 ，可 有效地分选具有不同密度的细颗粒。充填式 跳汰柱处理 一5 0 0目范 围的粒 子很有效 。 2 不用化学药剂 ，整个系统无污染。 3 其投资费和操作费都低 ，充填式跳 汰柱是选别矿石的廉价方法。 4 开发了第一个物理 一 数学模型。 * 此文发表于 1 9 9 7年在美 国卡罗拉多州丹佛市 召开 的矿物工程 台的年会上。 黄济存译 杨锦降校 一 5 0 0目粒子的重力分选 D C Y a n g 等 维普资讯