重力选矿的研究现状与思考

曾　安，周　源，余新阳，何桂春

（江西理工大学 江西省矿业重点实验室，江西 赣州 341000）

重力选矿的研究现状与思考

曾安，周源，余新阳，何桂春

（江西理工大学 江西省矿业重点实验室，江西 赣州 341000）

重选技术是与磁选、浮选并称的三大选矿技术之一。文章进行了对重选技术的文献分析，从数量上描绘了重选在近两个5年的发展概貌，表明重选联合工艺是目前关注的重点，在理论研究上极为薄弱；通过对与磁选、浮选的文献分析，说明重选发展所占比例较低，但研究一直在稳定进行。文章较详细地阐述了重选在设备、工艺、理论等3个方面的发展现状，并着重分析了重选工艺的特点和理论关键，即热力学第二定律理论以及影响重选的内外因，并讨论了重选无法有效回收极微细粒矿物的根本原因。最后结合分析当前形势下重选困境，对重选的出路和发展方向提出了自己的思考。

重选；重选设备；重选工艺；重选理论；文献分析

0　引言

重选具有悠久的历史，为人类历史进步作出了巨大的贡献，尤其是其具有低成本、低污染的特点，使其在矿山具有不可或缺的地位。但随着矿山资源的不断开采，现代矿山不得不面对日益贫、细、杂的矿物和长期堆积的数以亿吨的尾矿，而重选对于贫、细、杂矿物难以最终达到高效的分选效果，因此，大多数人认为重选已经走到了末路。作者通过文献检索和统计分析，给出了关于重选技术的现状，并从设备、工艺、理论三个方面进行了较为深入的探讨，提出了关于重选技术发展的一些建议。

1　文献分析

笔者借助科技文献的现代网络组织技术，通过“中国知网”文献检索平台，以“重选”为，获得了相关的检索结果，通过对这些结果的处理，得出了近5年来我国重选分离技术和应用研究的分布，给我们描绘了重选技术发展的概貌，发现重选并不是走到了末路，相反，其仍具有强劲的生命力。表1是通过中国知网得到的2005—2010年；2010年至2015上半年分别两个5年中重选分离技术的文献分布表。

表1　国内重选分离技术2005—2015年文献分布Tab.1　Document distributionofgravityseparation in2005～2015(domestic)

从文献计量学的观点，这些文献数量显示了重选研究目前的重点所在，下一阶段可能的突破方向，目前国家有关科技管理部门的科研经费的投放重点以及从事各方面相关科研的人数。从文献分析中可知近年来重选研究的几个特点：（1）单一重选工艺在钨、锡、金等传统利用重力分选领域的应用及研究有所减少，而重-磁、重-浮、重-磁-浮等联合分选工艺的应用及研究有所增加，联合重选工艺研究论文占重选论文的81%以上。这一方面说明了在一些较成熟的重选应用领域对其研究在减少；另一方面也说明了重选作为一种分选方法也在努力拓展它的应用范围。（2）重选设备的研发及应用有所增加，尤其是特种重选设备，其采用磁力、离心力、重力等形成综合力场对矿物进行分选，为微细粒矿物分选作出了巨大贡献，最典型的有尼尔森选矿机、法尔肯选矿机（Falcon）、SLon离心选矿机、磁团聚重力选矿机等。（3）重选理论一直停留在拜格诺剪切分散理论上面，未出现较新颖实用的重选理论。在设备、工艺和理论研究3个方面研究论文比例为12∶87∶1，重选理论文章严重偏低。

十年来，重选研究的论文以46%以上速度增长，虽然重选理论并没有取得重大突破，但重选设备研发及重选联合工艺的应用却有了新的进展，因此，重选仍是一种重要的选矿方法，绝非走向衰弱，相反，其正在焕发着勃勃生机。

为了进行重选技术与磁选、浮选技术研究的现状的比较，同样利用“中国知网”，获得近20年重选、磁选、浮选文献篇数对比，结果见表2。文献计量学表示，文献篇数意味着从事各个领域的相关的科研人数。因此，由表2可知，在这近20年来，与浮选和磁选领域相比，重力选矿方面的科研人员十分稀缺。从文章数量上看，重选、磁选和浮选比例为8∶21∶71；从文献增长率上分析，重选、磁选和浮选的文献增长率分别为：113%，168%和104%，说明重选研究依然在稳定进行中。

表2　2005—2015年国内重选、磁选、浮选分离技术文献分布Tab.2　Document distribution of gravity separation，m agnetic separation and flotation in 2005～2015(dom estic)

2　重力选矿技术现状与分析

重选研究通常可以分为重选设备、重选工艺、重选理论3个方面。

2.1重选设备

近年来，选矿工作人员对重选设备进行了大量的研究和实践，许多新型高效的重选设备相继问世，并取得工业运用，最典型的有Falcon离心选矿机、尼尔森选矿机、SLon离心选矿机、悬振锥面选矿机等[1]。

Falcon SB系列选矿机是由加拿大的Falcon concentration公司研发的新型高效立式离心机，其外形和结构如图1所示。

图1　Falcon SB离心选矿机Fig.1　Falcon SB centrifugalseparator

Falcon SB系列选矿机的工作原理是，当矿浆进入高速旋转的转筒底部后，将均匀地被甩至转筒内壁形成薄流膜，在流态化反冲水和强离心力场作用下，重矿粒克服反冲水力沉降在筒壁的富集槽内，轻矿粒受离心力小且难于克服反冲水力与水流一起被排出转筒外，在停止给矿后用高压水将精矿冲洗出来，从而实现目的矿物的分离。其主要用于联合分选中的预选和扫选回收金、银、锡和铂等金属，矿物在转筒上受到50~200 g离心力作用，因此，其对于微细粒矿物分选也具有良好的效果[2]。王仁东等[3]针对云南某硫化金矿，采用Falcon选矿机+摇床预选与浮选的联合工艺，其重选精矿品位可达340.1 g/t，浮选精矿金品位33.67 g/t，最终获得综合精矿金品位82.10 g/t，回收率97.16%的高品质金。在试验过程中，还发现Falcon选矿机细粒金（-20μm）具有良好的回收效果，大大减轻了后续浮选作业的压力。

尼尔森选矿机是由拜仁·尼尔森研制而成，其基本结构与原理与Falcon选矿机相类似，但与Falcon不同的是，相对于Falcon选矿机离心力达200 g，其离心力较小，最大离心力为60 g，难以回收微细粒级矿物。而且其回收区与也Falcon不同，其转鼓是由一圈一圈的格槽构成，回收区较大，而Falcon选矿机中有一段光滑壁面，回收区较小。两者的用水量及处理量也不同，尼尔森选矿机用水量大大高于Falcon选矿机用水量，其处理量（≤1 000 t/h）也远高于Falcon选矿机处理量（≤400 t/h）。尼尔森选矿机有两种类型，BCK型与CVD型。BCK型为间断式排矿，一般用于粗、中粒级金、银和铂族等稀贵金属的回收。CVD型为连续性，主要回收较大产率的有价组分，现一般用于黑（白）钨矿、锡石、钽铌矿、铬铁矿、钛铁矿、金红石、氧化铁矿物和含金银的硫化物等较大比重矿物的富集[4-5]。2008年，尼尔森选矿机在金滩矿业公司推广应用，因其技术先进，指标稳定，自动化程度高，劳动强度小，生产成本低，环境效益显著等特点，金滩矿业公司获得了该年的中国黄金协会科学技术二等奖[6]。

SLon离心选矿机是由赣州金环公司研制的新型连续式卧式离心机，它采用的是往复水射流束对离心力压实大密度颗粒层的冲击和切割原理来实现离心力场中的连续离心分离。SLon连续型离心选矿机结构如图2所示，其主要由离心转鼓、机架、给矿和卸矿装置等组成。矿浆进入转鼓，在转鼓壁上形成流膜，矿物在自身重力和离心力作用下进行分离，大密度矿物进入转鼓内壁，小密度矿物随液相排出，大密度矿物在连续往复的喷射高压水冲击下，颗粒间聚结力迅速降低而掉入精矿富集装置[7]。SLon离心选矿机具有良好的分离效果，已成功运用于细粒铁矿的选别。2007年海南钢铁公司首次采用工业型SLon-1600型离心选矿机，处理经磁分离预处理的铁尾矿渣（含铁约50.52%），能获得含铁56.56%、回收率61.59%的铁精矿，具有良好的经济效益[8]。

图2　SLon连续型离心选矿机Fig.2　SLon continuouscentrifugalseparator

悬振锥面选矿机是由昆明理工大学的杨波及其团队开发研制而成的新型重选设备，该设备结合拜格诺理论与流膜分选理论，对微细粒矿物具有良好的分选效果。该设备结构见图3，矿浆给入匀速旋转且振动的锥形床面，矿粒群在自身重力及旋回振动产生的剪切力联合作用下松散分层，在渐开线洗涤水及精矿冲洗水的作用下，实现了不同粒度、密度矿物的分选。悬振锥面选矿机有着较广泛的应用，一般应用于黑（白）钨矿、锡石、赤铁矿、金红石等矿物的分选。且据资料显示，悬振锥面选矿机已经应用于蒙自矿冶公司选厂，年产值6 000万元[9]。

图3　悬振锥面选矿机Fig.3　Suspended vibrating cone concentrator

牛福生等[10]将悬振锥面选矿机应用于微细粒鲕状赤铁矿的重选，取得了铁精矿品位为60.21%，回收率为50.52%的良好指标，且发现其效果远优于摇床和螺旋溜槽。2013年柿竹园采用悬振锥面选矿机对白钨加温浮选尾矿进行了为期1个月的工业试验，发现采用悬振锥面选矿机获得的粗选钨精矿品位比原两段工艺品位高15.15%，回收率高41.19%[11]。

尽管有众多高效重力选矿机被不断研制出来，但作者发现重选文献所选用重选设备中只有部分选矿厂使用较新型的重选设备，而绝大多数的重选厂依旧是粗、中粒用跳汰，细粒用摇床、溜槽，陈陈相袭，鲜有变化。而在国外，大多数重选厂已在采用MGS、尼尔森选矿机、Falcon选矿机、圆盘选矿机等较先进的重选设备[12]。由此可知，虽重选设备研发有较大进步，但我国的重选设备的使用依旧处于老旧、落后的状态，这种状态亟待改变。

2.2重选工艺

从表1可知，重选联合工艺文献数量是重选单一工艺文献数量的19.5倍，这说明我国在重选工艺应用方面正在由单一重选工艺逐渐向重选联合工艺方向发展。

古人能够通过单一重选获得绝大部分矿物原料，但如今，随着资源的不断开采，能够利用单一重选得到精矿的矿种十分稀少。其中，随着黄金资源的大量开采，大规模的砂金分选已经消失。在钨矿中，能够开采的黑钨资源十分有限，且仅仅大于0.074mm以上颗粒的黑钨才依赖重选回收，微细粒级钨还得依靠浮选或重-浮、磁-浮等联合工艺才能有效回收。锡资源在重选方面也处于劣势，大颗粒锡资源已近枯竭，微细粒级锡只有采用浮选才能有效回收。由此可知，随着资源的开发利用，单一重选已渐渐不适合当前选矿现状，需向联合工艺转型。

对于重选联合分选工艺，从表1可知，已有众多学者进行了一些研究，并取得了一定的成果。董明传等[13]针对某锌选矿厂氧化锌浮选药剂成本高的问题，采用摇床重选代替氧化锌浮选，得到了锌品位为35%氧化锌精矿，该指标与改造前浮选指标接近，可以为企业每年节约500多万元的药剂费用。邓丽红等[14]针对钨品位为0.15%~0.5%的黑白钨细泥，采用离心机+摇床重选预富集—加温浮选—尾矿摇床重选的联合工艺，获得钨品位54.15%、回收率62.52%的综合钨精矿，该选厂按此工艺改造后，月增产值41.16万元。张文翰等[15]对某高硫铜锌多金属矿，采用浮选铜锌—尾矿重选选硫的联合工艺，得到硫品位45%、回收率80%的硫精矿。阙绍娟等[16]针对某低品位磁铁矿钛铁矿，进行弱磁选—强磁选工艺与弱磁选—重选联合工艺对比试验，试验发现弱磁选—重选联合工艺效果较好，可以取得铁品位60.25%、回收率35.57%的铁精矿与钛品位38.57%、回收率37.48%的钛铁矿。

2.3重选理论

早在20世纪30年代，很多选矿专家如麦伊尔、利亚申柯、达尔扬、维诺格拉道夫等，在重选的基础理论上进行了大量深入细致的研究，该阶段重选工艺和设备得到了突飞猛进的发展，甚至其他学科的专家也参与了重选基础理论的研究。如英国的水力学家拜格诺创立了拜格诺学说，即当流体受剪切力的作用时，其中之固体颗粒除受同方向的剪切力外，还将受方向与剪切平面相垂直的分散压力的作用，从而使料层松散或悬浮。借助拜格诺学说，重选才解决了层流条件下细粒矿物重选分层，进而得以分离的理论难题，这也是离心机、横流皮带溜槽、40层摇动翻床等高效微细粒重力分选设备得以诞生的基础[17]。

拜格诺学说的成功应用让重选有了较大进展，但在这近20年，重选专业人才凋零，研究者们也止步于该理论，重选理论研究没有出现新的突破。从表1中更可以看出，近十年来，关于重选理论方面的文献只有4篇。专注于重选理论研究的专家学者更是凤毛麟角，除老一辈的孙玉波、黄枢、王文等老教授外，中、青年选矿学者以重选为研究对象的几乎没有，后继乏人。

3　重力选矿的理论依据和工艺特点

要使重选工艺在选矿领域焕发生机，重放光彩，了解重选工艺的特点及其理论关键十分重要。

3.1热力学第二定律是重选的理论依据

热力学第二定律具有广泛的应用，其中，各种不同矿物之所以在重力场中能够按比重不同进行分层，进而分离，热力学第二定律是其根本的理论依据。根据热力学第二定律理论，世界上任何体系都有自发地向自由能降低方向进行的趋势。在重力分选床层中，大比重矿物比重大，势能高；小比重矿物比重小，势能低；因此，在适宜的松散条件下，势能高的重矿物就能自发的向势能低的底层运动，进而达到按比重分层和分离的目的。而热力学第二定律亦表示，所有自然界所有发生的变化都不会回复原状，而且都需要借助外界条件，变化期间初始和结束阶段存在很大差异，这种差异会影响变化的方向[18]。因此，借助热力学第二定律，可以人为制造这种差异，如重介质分选，离心分选等，使矿物得以分离。

3.2重选理论的内核是比重差异和适宜的松散手段

矿物比重差异大小和适宜的松散手段是重力选矿理论的内在核心，掌握和理解这个理论十分重要。只有存在足够大的比重差异，矿物才能按比重分离；若没有比重差异，或比重差异较小，如铅与锌矿物，在理想的松散环境用重选也不可能将其分离，故“矿物比重差异大小”是重选分离的内因。但是若两种矿物存在足够大的比重差时，采用的分选条件却不适宜，或者说其松散度不够，也有可能将已按比重分离好的矿物又重新搅混。因此，“适宜的松散手段”是重选分离的外因。这也告诉我们为什么粗颗粒要在紊动条件下分选；而细颗粒要在弱紊流甚至近似层流的条件下分选；对于微细粒级物料，则一定要采用层流流态，在拜格诺的层间剪切理论下才能有效分选[19]。

3.3重选分离的最大难题是极微细粒级物料的分选

虽然对于极微细粒级物料的分选，目前中国有离心机，欧美有横流皮带溜槽、尼尔森选矿机、Falcon选矿机等机型，但总的来说，由于设备本身的效能和缺陷，加上这几种设备对操作条件要求都很高，故分选效果都不大理想[20]。

对于极微细粒物料的重选的困难，设备本身缺陷具有一部分原因，而更重要的是重选方法上存在的致命缺陷所致。从重选理论来说，在重力场条件下，随着矿物分选粒度的减小，其在水中的有效重力G，越来越小。而反过来，由于水的张力和黏结力作用，其对微细颗粒的上举力越来越大。在某个点甚至超过重力作用，使微细粒矿物无法下沉，随波漂流。这就是重选无法有效回收极微细粒矿物的根本原因，也是重选的一道最大难题。了解并掌握这一根本原因，这对于攻克极微细粒矿物的重选分离具有重大意义。

4　展望

结合重力选矿技术现状及其工艺特点，综合考虑，重力选矿主要有以下几个发展方向：

（1）开发及推广新型、高效离心选矿设备和其他复合型新型重选设备。重选设备是各重选厂的硬件，硬件的好坏决定了效益的高低，如连续分选型离心机的出现，既解决了重选中微细粒的回收问题，也打破了间歇式离心机生产力低下的僵局。且从当前重选设备研究现状可以看出，离心机的研发及推广是重选设备的一个重要方向，其中，处理能力及回收粒度则是离心机发展的一个关键方向。因此，大力开发及推广应用新型高效的离心选矿设备，意义十分重大。结合电力、磁力、超导力、浮游力以及其他复合力场，开发新型高效的复合型新型重选设备，是新型高效重选设备的发展方向。

（2）推广应用重选联合工艺。重选具有最环保、成本最低廉的特点，且随着新型高效重选设备的开发利用，不仅能够有效地处理一般粗、中粒以及含泥少的细粒矿石，也能处理一些微细粒级矿石，因此，将重选纳入浮选、磁选、化学选矿工艺以形成联合工艺，利用重选法进行矿石预选、扫选及在磨矿回路中回收单体重矿物，为重选工艺的发扬光大提供了广阔的发展空间。

（3）重选基础理论深入研究。基础理论研究是任何工艺发展前进的基础，缺乏基础理论研究，工艺技术只能是原地踏步不前。因此，从极微细粒级（-10μm）出发，着手重选理论在极微细粒级上的深入研究，是重选理论的重要方向。此外，加大重力选矿理论方面人才的培养，是重选基础理论突破的关键。

（4）拓展重选的应用范围。重选是基于物体比重差异及松散度大小适宜的一种分选方法，因此，不仅能应用在选矿领域，也能应用在其他领域。如其在食品领域的应用，利用风力摇床将粮食和混入其中的砂子、金属屑、木片等分离开来。它也可用在石油工业，如将风力摇床用于石油工业炼油厂热催化裂化装置以维持催化剂的平衡和活性水平衡，袁作建等[21]也考察了动态旋流器在含油污水处理的发展与应用。重选也可用于废物回收，如日本采用湿式重选技术从混凝土废渣中回收符合混凝土用的碎石质量的粗骨；而恒川昌美等[22]利用跳汰机从废办公自动化设备碎屑中分离和回收有价塑料等也取得了重大进展。因此，加大重选应用范围的拓展，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

国家自然科学基金（51304085）；江西教育厅项目（GJJ12363）

曾安（1990-），男，江西吉水人，硕士研究生，主要从事选矿工艺与药剂研究。

周源（1954-），男，江西吉水人，教授，本刊编委，主要从事矿物加工工程和环境保护工程的研究工作。