运用重力、离心力和振动力连续选矿的选矿机研究分析.pdf

5 8 有色金属 选矿部分2 0 1 3 年第5 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ，j ．i s s n ．1 6 7 1 9 4 9 2 ．2 0 1 3 ．0 5 ．0 1 6 运用重力、离心力和振动力连续选矿的选矿机研究分析 于殿宝 江苏建筑职业技术学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 摘 要在综合分析重力、离心力与振动力的基础上，将这三种力进行有效组合，设计一种新型的选矿设备，对这种 设备的结构特点和原理进行论述。通过理论分析认为，这种选矿设备打破常规的选矿方式，对三种“力”的有效运用实现了 连续选矿，该设备制造简单，便于操作，节能环保。2 0 1 2 年取得了国家发明专利。 关键词重力；离心力；振动力；选矿；分选机 中图分类号T D 9 2 2 ．5文献标志码A文章编号1 6 7 l 一9 4 9 2 2 0 1 3 0 5 0 0 5 8 0 4 ．1 1 l e S t u d ya n dA n a l y s i so fC 佃t i 叫。砸S e p a m t o rD e s i g I l e db yA p p u c 相佃o fG r a v i 姆， C e n 埘f u g a lF o r c ea n dv i b r 撕o nF o r ∞ 1 7 【厂D i n ，访∞ m 口n 伊uI h s 优M 抛。厂A 砌托e c t u r n Z ‰h n D Z 嗍，X 如h D t l 历鲫驴u2 鄹J 1 6 ，C m n n A b s t r a c t B a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ef o r c e s o f 乒a V i t y ，c e n t r i f u g a l a n dv i b r a t i o n ， 7 1 1 1 et } l r e ed i 伍e r e n tk i n d so ff o r c e sw e r ec o m b i n e d e m c i e n t l y ， a n dan e w t y p e o fm i n e r a l p r o c e s s i n g e q u i p m e n tw a sd e s i g n e d ， f u n h e m l o r e ， t h es t l l l c t u r ea n dm e c h a n i s mo ft h e e q u i p m e n tw e r e i U u s t r a t e di n t h i s p 印e r ．T h r o u g h t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s ， i tw a sc o n s i d e r e dt h a tt } l en e w t y p e m i n e r a l p r o c e s s i n g e q u i p m e n tb r e a kt h r o u g ht h et r a d i t i o n a l o r e d r e s s i n ge q u i p m e n t s ，e s p e c i a Ⅱy i th a sr e a l i z e dt h ec o n t i n u o u s p r o d u c t i o nb yu s a g eo f t h ec o m b i n e df o r c e s ．T h i se q u i p m e n th a sal o to f a d v a n t a g e s s u c h鹪 s i m p l e f 如r i c a t i o n ， c o n v e n i e n tf o r o p e r a t i o na n de n e r g y c o n s e n r a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp m t e c t i o n ．T h en a t i o n a l i n V e n t i o np a t e n tw a so b t a i n e di n2 0 1 2 ． K e yw o r d l s g r a v i t y ；c e n t r i f u g a lf o r c e ；v i b r a t i o nf o r c e ；o r ed r e s s i n g ；s e p a r a t o r 随着社会经济的发展以及富矿资源的减少，迫 切需要开采选别储量大的难选贫矿资源。这就要求 提供高效率的选矿设备，以便从低含量的矿产资源 中获得优质的矿物原料。根据有用矿物与脉石矿物 密度的差异进行选矿，称为重选。由于这种方法操作 方便和生产经营费用低，得到普遍的重视与应用。 本文在研究几种重力选矿设备的基础上，利用 重力、离心力和振动力三种力的作用，研制了一种 新的选矿设备。该研究成果2 0 1 2 年8 月取得国家 发明专利 z L2 0 1 0 1 0 5 9 2 6 2 2 ．x 。 1重力、离心力选矿设备概述 目前，普遍采用的重力选矿设备有跳汰机、溜 槽、摇床和螺旋选矿机。除跳汰机外，这些选矿机 都是在斜面上选别物料，其中有的选矿机在工作一 定时间后必须停止给矿，以回收停留在槽面上的重 矿物[ 1 ] 。为了克服这一弱点，先后研制了一系列由 槽底连续接取重矿物的选矿设备，如螺旋选矿机、 尖端溜槽和圆锥选矿机等。但是无论如何改进，利 用斜面流进行选别的传统重力选矿机，仍存在很多 难以克服的弱点晗] 。 为了克服上述设备弱点，云南锡业公司研制了 一种离心选矿机，为选矿开辟了新的途径。 这种离心选矿机与过去各类溜槽选矿机相比， 具有处理能力大、回收率高、富集比较大等优点。 离心机一次选别抛弃尾矿7 0 ％以上，而自动溜槽三 次选别，只能抛弃尾矿6 7 ．0 2 ％，回收率也较低， 离心选矿机达到了较先进的水平[ 3 ] 一，但是，生 收稿日期2 0 1 2 1 0 1 7 修回日期2 0 1 3 一0 7 3 0 作者简夼于殿宝 1 9 5 3 一 ，男，山东临沂人，教授，硕士生导师。主要从事安全工程与技术的教学、管理与研究工作。 万方数据 2 0 1 3 年第5 期于殿宝运用重力、离心力和振动力连续选矿的选矿机研究分析 5 9 产不连续等弱点并没有完全解决。 鉴于上述几种选矿机的特性和存在的弱点，研 究提出了一种新型的选矿设备一运用重力、离心力 和振动力进行连续选矿的选矿机，下面简称“重离 振”选矿机，“重离振”选矿机的结构图见图1 。 图1“重离振”选矿机的结构 F i g ．1 S t m c t u r eo fs e p a r a t o rd e s i g n e db yg r a v i t y ， c e n t r i f u g a lf o r c e 肌dv i b r a t i o nf o r c e I 分选区一；Ⅱ分选区二；l 转动轴；2 _ j 旷浆人口； 3 导流盘；4 一上截圆锥体；5 测浆器；6 一上尾矿管； 7 一吸气管；8 一圆锥转盘；9 一挂钩；1 0 一下截圆锥体； 1 l 振动锥；1 2 一下尾矿管；1 3 精矿管；1 4 振动轴； 1 5 一轴孔；1 哪形缝 2 “重离振”选矿机的设计 2 ．1 “重离振”选矿机的结构简介 矿浆由砂泵压人给矿口，由导流盘和转动轴的 作用，将矿浆抛向圆形的周边。在转动轴下端，固 定一个圆锥形圆盘，其圆盘将选矿机分隔成两部 分。上部由上截圆锥体和圆锥转盘构成分选区I 。 矿浆在重力和离心力的双重作用下，重矿物被抛至 周边并逐渐下落，轻矿物和流体在向心力作用下环 绕中心并向上运动进入上尾矿管。在矿浆人口处有 一吸气管，其作用是抽出矿浆中带进的空气。在上 尾矿管下端安装一个自动测浆器，它将保证矿浆永 远控制在上尾矿管中心线以下，使其分选在深液流 中进行 即矿粒有较长的沉降距离 。 分选区Ⅱ，是由下截圆锥体和振动锥构成，下 截圆锥体绕中心轴作往复性振动。圆锥转盘的周边 与上圆锥体下端的内壁构成了一个环形缝，重矿物 在重力的作用下，进入分选区Ⅱ后，在重力和振动 力的双重作用下，重矿物向下移动，轻矿物则向中 心移动，最后落入下尾矿管；重矿物则进入调节 阀，最后通过精矿管排出 在振动锥的下端有测料 器，它将保证固体物料不能超过测料器。在下截圆 锥体内壁与上截圆锥体外壁之间插有几个胶皮管， 以便液浆中的空气排出 。在尾矿管和精矿管中都 安装了调节阀，它将控制精、尾矿的排出量。 为使下截圆锥体振动，在振动轴的下端适当安 装一个固定短轴，其上有自定中心轴承，轴承与带 松紧的螺纹杆相连，当电机通过曲柄带动连杆作往 复性运动时，将带动下截圆锥体不停的振动[ 4 ] 。下 截圆锥体用铁链或大形弹簧吊在u 形架横梁上，上 截圆锥体固定在U 形架上。 2 ．2 “重离振”选矿机的工作过程 矿浆由人口处进人选矿机后，在重力和离心力 的双重作用下，固体物料将按其密度不同迅速分 离，并沿着各自的路线运动。由于转动轴与圆锥转 盘的作用，矿浆在分选区I 形成螺旋形的回旋运动， 矿物因受离心力的作用，大颗粒和密度大的颗粒被抛 向周边并向下沉降。由于旋转作用，在转动轴附近 形成低压区一强制涡，大部分流体和部分较轻的尚 未沉降的小颗粒物料形成上升螺旋流，通过上尾矿 管排出。由于离心力和重力的双重作用，密度较大的 固体物料急速向环形缝集中，继续沉降到分选区Ⅱ。 综上所述，分选区I 有两个作用 1 使大部分固体物料自矿浆中分离并向下沉 降，矿物完成了重力与离心力的选别，经环形缝进 入分选区Ⅱ再选。 2 为矿物再进一步精选提供了必要的条件 使振动选别给料均匀；基本堵塞了环形缝，迫使大 部分液流和细粒级脉石矿物由上尾矿管排出，提高 了精矿品位和回收率；使振动选矿的效率得以提高。 进入分选区Ⅱ的矿物因受振动的作用按其自身 的密度“排队”分层，密度大的矿物挤向底层；密 度小的和粒度大的轻矿物挤向顶层并向中心移动。 由环形缝流下来的矿浆也由振动和圆锥转盘的旋转 作用而向中心移动 中心区形成负压 。所以，密 度小的物料和液流在中心区重新汇合，经下尾矿管 排出，而密度大的物料则沿着振动所形成的路线向 最低层移动，最后通过精矿管排出。 2 ．3 “重离振”选矿机的工作原理 2 ．3 ．1 对引入离心力选别的分析 重力选矿的实践证明，不同密度与粒度的颗 万方数据 6 0 有色金属 选矿部分2 0 1 3 年第5 期 粒，在重力场中的分选效果是不同的，矿物粒度越 小，选别效果就越差[ 5 ] 。为了解决这一矛盾，本设 备采用了离心力，利用离心加速度代替重力加速 度，达到分选的效果。 由流体力学而知，一固体颗粒在离心力场的流 体中运行，所受离心力为[ 3 ] N s 正m 堕 譬 B 叩 训2 r 1 式中m 一颗粒的质量，k ； 卜颗粒的直径，m ； 口广颗粒在离心力场中某一点切向速度， H l ／s r 一颗粒的旋转半径，m ； 旷一颗粒及流体的旋转角速度，m d ／s ； J D f 一颗粒的密度，k 咖m 3 ； 旷流体的密度，k g ／c m ，。 由 1 式看出，离心力的大小是随着旋转半 径r 成正比例变化，这一点与重力是不同的。 如果我们采用此设备处理较细的颗粒，其阻力公式 蹄3 叩d 秽， 式中，l 一黏滞系数； 秽，颗粒在流体中的相对速度。 而颗粒在径向方向的运动方程由牛顿第二定律 得出[ 6 ] 孚 风叩 小3 删秽r _ m 誓 nf 1 ￡ 当颗粒在作等速运动时即出／山 0 ，而离心力 与阻力成平衡状态，由此得出颗粒在径向运动的速 度公式 口产学 由 2 式看出，颗粒的径向运动速度与旋转 半径成正比变化，对同一颗粒在同一流体中的不同 位置，颗粒的径向运动速度是不相同的，它将随着 颗粒的旋转半径增大而增大。 2 ．3 ．2 对分选回收细小重矿物的分析 假设在选分区I 中，转动轴的转数为3 0 0 蛳n ， 圆锥转盘直径D 为1m ，则圆盘的线速度为 y 集型尘；；譬盟1 5 ．7 I I l ／。 6 0 6 0 ⋯。一。⋯ 离心力大于重力的倍数为 后羔生生毒宇 ￡，_ 5 0 ．3 0 ”gg r9 ．8 0 ．5 ⋯。。 由此看出，离心力将大大超过重力，使分层加 快，提高了细小重矿物进入底层的机会，使选别粒 度下限降低，使得离心设备能够在较短的筒体内完 成分选过程，且大大提高了设备的效率。但不利的 一面，会使尾矿品位增高，所以转速是非常重要 的。因此，这种设备的大小必须根据大量的试验和 上截圆锥体的容积、人选粒度、矿浆量的多少以及 浓度等因素而定。转速过高，密度大的细小矿物来 不及沉降而损失于尾矿中；而转速过低，选矿效率 受到影响，分选区Ⅱ“吃不饱”，或者在分选区Ⅱ 中细重矿物损失于尾矿中。 由于传统的重力选矿机械都对大气“敞开”， 在矿浆中存在着表面紊流，而表面紊流对细小重矿 物的回收是不利的。为了使分选区I 中的细小重矿 物尽可能少地损失于尾矿中，所以本设备采用封闭 式的构造并在深水层中进行选别，尽可能消除矿浆 中表面紊流带来的不利因素，多回收细小重矿物。 2 ．3 ．3 对固体矿物的受力分析 固体矿物随着矿浆进人选矿机中，大体受到下 面几种力的作用 在上截圆锥体中 。 1 颗粒在流体中受到的重力作用 G 譬 p 。- p g 愕 5 U 式中g 一颗粒在流体中的重力加速度； m 一颗粒的质量。 2 颗粒在液体中受到的离心力作用 居孚 p ，- p 埘2 仁m 咖 6 o 式中n d - 一颗粒在流体中的离心加速度。 3 颗粒在径向运动中受到的阻力作用 R 砷d 2 秽。p 7 式中，p 一阻力系数， 秽。颗粒与介质问的相对速度 4 摩擦力 卢C f F ㈣ 式中c 广一上截圆锥体的摩擦系数。 由 8 式看出，固体颗粒作用于上截圆锥体 上的摩擦力主要是离心力所引起的，离心力增大， 则摩擦力增大，所以根据离心力的作用，有的矿物 有可能在筒壁上黏滞。 综上所述，考虑到离心力远远大于重力和筒壁 摩擦力的作用、以及边壁压力等因素，上截圆锥体 设计成圆锥形状 上小下大，固体物料不能在筒壁 上黏滞 。 2 ．3 ．4 对流体运动的分析 1 由自然生活和试验所知，当水池充满水， 万方数据 2 0 1 3 年第5 期于殿宝运用重力、离心力和振动力连续选矿的选矿机研究分析 6 1 将水池底孑L 打开流水时，其水池上部就会形成一种 漏斗形的自由涡运动。 2 若在水池中有一转动轴作用，而在转轴附 近形成了一种强制涡运动，中心区域水流速度大， 并形成负压。 综合这两种自然规律，在分选区I 采用了转动 轴 产生离心力 ，并在圆锥转盘与上截圆锥体下 端的内壁处留了一周环形缝，促使固体矿物在重力 的作用下向环形缝滑去，而液体则在旋涡的作用下 向上运动，通过上尾矿管流出。 3 为使细小重矿物尽可能少地损失于尾矿中， 上尾矿管入口设计成向上的，迫使液体在上部转了 一个l8 0 0 的弯，甩掉一些固体物料后才能流走。 2 ．3 ．5 对振动力选矿的分析 1 由振动学所知，一个物理量的值在观测的 时间内不停地经过极大值和极小值变化，由于这种 不停的变化，在液体表面形成了振动波，所以它能 使床层得到高度的松散和表面产生脉动速度。 2 试验发现，由于往复性振动作用，大量的 轻物料不断地由周边、低层向上向中心移动，重矿 物则向周边低层运动。 所以根据上述理论，本设备在底层安装了精矿 管，在中心安装了尾矿管。为能随时得到所预想的 选矿效果，并能使固体物料在分选区Ⅱ中永远保持一 个水平面，使固体物料按着自身的路线运动。在各 管端安装了控制阀，并且冲程的大小也设计成可调的。 2 ．3 ．6 对设备处理量的分析 选矿机的处理能力取决于颗粒的沉降终速、离 心力的大小、下截圆锥体振动快慢和选矿机的构造 大小 以及运转条件等因素，总之，要想得到较 好的选别效果，必须使此方程式成立。 Q 庐Q c 式中p r 一进人选矿机的矿浆量； Q 广一精矿、尾矿和流出的液体总和。 就是说进人选矿机的矿浆量必须等于出去的。 所以，这就要求选矿机的各部寸尺必须通过大量的 试验和严格的流体力学计算获得。 2 ．4 “重离振”选矿机的性能简介 此设备与过去所有的重力选矿设备相比，具有 其优越性。 1 此设备直接引入了重力、离心力、振动力 同时对矿物进行选别，并且选别是连续的，较单一 采用重力或者离心力与重力的的选别有了很大提 高；此外设备占地面积小，在没有间断的情况下， 直接采用了两级选别，与所有重选设备相比，这是 一个大的突破。 2 一般的选矿设备是在薄水层和斜面床层的 情况下进行选别，即使有的是在深水层，靠的是矿 物的自重，处理能力受到限制。本设备则是在深水 层和离心力的作用下进行选别，突破了传统的限 制。由于此选别在深水层和封闭的圆锥筒中进行， 解决了所有选别方式对大气敞开的问题，基本消除 部分表面紊流对细小重矿物回收起到的不利因素， 改进了传统的选矿方式。 3 采用了振动力选矿，矿浆中的物料得到了 较好的松散，床层松散度大大提高，便于矿物的选 别；特别是矿浆浓度和选别粒度与现有的重选和离 心选矿设备相比，允许变化的范围有所增大。 4 由于分选区I 、Ⅱ两级紧密相连，离心力 与振动力的同时引进，使设备在较短的时间内连续 完成分选过程；解决了间断性作业问题，提高了处 理能力，符合安全要求[ 7 | 。 5 此设备操作简便，不需要补加水，即节省 能源又减少操作费用，便于自动操作。 6 此设备制造简单，投资少，造价低。 3 结论 在分析和综合了重力与离心力选矿的特点上， 根据振动力的规律，研究提出了综合运用重力、离 心力和振动力的方法，巧妙有效地组合了这三种力 的力场与理论，设计出了运用重力、离心力和振动 力进行连续选矿的选矿机。这种选矿设备与选矿方 法，打破了传统的选矿方式，并且在没有间断的情 况下直接采用了两级选别，改变了传统的选别观 念，于2 0 1 2 年获得了国家发明专利。 参考文献 [ 1 ] 东北工学院选矿教研室．重力选矿学[ M ] ．沈阳东北工 学院出版社，1 9 7 8 1 9 8 2 2 2 ． [ 2 ] K ．A _ 拉苏莫夫 苏联 ．选矿厂设计[ M ] ．北京煤炭工 业出版社，1 9 6 0 2 1 2 2 2 6 ． [ 3 ] 谢广元．选矿学[ M ] ．徐州中国矿业大学出版社，2 0 1 0 2 4 4 2 4 8 ． [ 4 ] 十一院校选矿专业机械基础编写组．机械基础[ M ] ． 北京人民教育出版社，1 9 7 6 2 2 1 ． [ 5 ] 选矿设计参考资料编写组．选矿设计参考资料[ M ] ． 北京冶金工业出版社，1 9 7 2 1 6 l 1 6 7 ． [ 6 ] 佟庆理．固液两相流理论基础[ M ] ．北京冶金工业出版 社。1 9 8 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