第一節(jié) 重力選礦研究的對(duì)象及其應(yīng)用范圍

選礦的目的在于從原礦中把有用礦物（或有用成分）分離出來加以富集，構(gòu)成組分單一的人造富礦（或化合物）。這項(xiàng)工作要靠礦物本身的某方面性質(zhì)來完成。如根據(jù)礦物的密度不同而進(jìn)行分離的方法叫做重力選礦。
重力選礦與其它選礦方法一樣，礦物的分離是在運(yùn)動(dòng)過程中完成的。性質(zhì)（密度、粘度、形狀）不同的礦粒，它們彼此分離，是在運(yùn)動(dòng)過程中逐步完成的。也就是說，應(yīng)該使性質(zhì)不同的礦，在重力分選設(shè)備中，具有不同的運(yùn)動(dòng)狀況（運(yùn)動(dòng)的方向、速度、加速度及運(yùn)動(dòng)軌跡等）。從物理學(xué)可知。在重力作用下，即使性質(zhì)（度、密度、形狀）截然不同的物體，例如鐵球和羽毛，在真空中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其方向、速度、加速度及軌跡都完全相同，故而，它們?cè)谡婵罩校�根本不可能依靠重力作用而分離。然而在空氣中則完全不同，密度大的鐵球較之密度低的木質(zhì)球，沉降得快；同樣，粒度大的鐵球比粒度小的鐵球速度快；球狀物體比扁平狀物體落下得快。在密度高于空氣密度的水中，它們之間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的差別更為顯著。因此，一切重力選礦過程，都必須在某種介質(zhì)中進(jìn)行。介質(zhì)密度高，性質(zhì)不同礦粒在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的差別就大，因而分選效果也就更加好。
重力選礦過程中所用的介質(zhì)有：空氣、水、重液（密度大于水的液體或高密度鹽類的水溶液）及懸浮液（固體微粒與水的混合物），也可用固體微粒與空氣的混合物，即空氣重介質(zhì)。
在重力場(chǎng)中，物體在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，不僅受重力的作用，而且還承受介質(zhì)作用于物體上的浮力及介質(zhì)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的阻力。它們不但與物體的密度及介質(zhì)的性質(zhì)（密度和粘度）有關(guān)，而且還與物體的粒度、形狀以及物體與介質(zhì)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。在重力選礦過程，并不是單個(gè)顆粒在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)，而是成群的礦粒同時(shí)在介質(zhì)中處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此，礦粒之間的相互作用，對(duì)運(yùn)動(dòng)過程有很大的影響，這種影響也與礦粒的粒度和形狀有關(guān)。因此，重力選礦的結(jié)果，不但取決于礦粒的密度，礦粒在粒度和形狀上的差異，必將影響按密度分選的結(jié)果。同樣，對(duì)于水力分級(jí)作業(yè)，礦粒在密度和形狀上的差異，也將影響按粒度分級(jí)的精確性。
重力選礦的目的，主要是按密度來分選礦粒。因此，在分選過程中，應(yīng)該想方設(shè)法創(chuàng)造條件，降低礦粒的粒度和形狀對(duì)分選結(jié)果的影響，以便使礦粒間的密度差別在分選過程
中，能起主導(dǎo)作用。因此，一方面要深入研究礦粒在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，一方面還要研究運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的性質(zhì)以及在各種特定條件下，介質(zhì)流的運(yùn)動(dòng)特性。
實(shí)際生產(chǎn)中，分選過程必須在流動(dòng)的介質(zhì)中進(jìn)行。因?yàn)榻橘|(zhì)若靜止不動(dòng)；礦粒群就難以松散，顆粒間的相互轉(zhuǎn)移就無法進(jìn)行，也就更談不到分選之后產(chǎn)物的排放。流動(dòng)的介質(zhì)，不但是粒群松散所必須的，而且在某種條件下，它還能使性質(zhì)不同的礦粒，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的差別擴(kuò)大。正是由于介質(zhì)的流動(dòng)，才使得不同性質(zhì)的物料，可連續(xù)不斷地自分選機(jī)的不同部粒排出。
利用礦粒在不同類型介質(zhì)流中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的差別，就可以實(shí)現(xiàn)各種形式的重力分選賴程。根據(jù)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式和作業(yè)目的不同，重力選礦可分成6種工藝方法，不同方法所處理物料的密度及粒度也有別，見表1－1。

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表1－1中所列的分級(jí)和洗礦，都是按粒度分離的作業(yè)，但洗礦處理的對(duì)象是被粘土膠結(jié)的礦石，兼有碎礦的作用。其它各種重選工藝方法，則均屬于分選性質(zhì)的作業(yè)。
利同重力選礦法分選物料的難易程度，主要是由待分離物料的密度差來決定，可簡(jiǎn)單地用下式判斷



式中:           E—一重選礦石可選性評(píng)定系數(shù)；
δ1、、δ2—一分別為低密度礦石和高密度礦石的密度；
ρ一一分選介質(zhì)的密度。
按式（1-1）判斷物料重選時(shí)的難易程度，習(xí)慣上可分成表12所示的幾個(gè)等級(jí)。隨著E值的減小，入選原料的粘度范圍變窄。
重力選礦是當(dāng)今最為通用的幾種選礦方法之一，尤其廣泛地用于處理密度差較大的物料。在我國(guó)它是煤炭分選的最主要方法，也是選別金、鎢、錫礦石的傳統(tǒng)方法。在處理稀有金屬（灶、鈦、鋯\鐵、錳礦石；同時(shí)也用于處理某些非金屬礦石，如石棉、金剛石、高嶺土等。對(duì)于那些以浮選法為主處理的有色金屬（銅、鉛、鋅等）礦石，也可用重介質(zhì)選礦法，預(yù)先除去粗粒脈石或圍巖，使其達(dá)到初步富集。重選法還廣泛用于脫水、分級(jí)、濃縮、集塵等作業(yè)，而這些工藝環(huán)節(jié)幾乎是所有選煤廠和選礦廠所不可少的。


第二節(jié)   重力選礦的發(fā)展簡(jiǎn)況
一、重力選礦的發(fā)展過程及現(xiàn)狀
重力選礦的應(yīng)用，可追溯到久遠(yuǎn)的年代，當(dāng)時(shí)人們從河溪砂石中角獸皮淘洗選收自然金屬。后來，開始采用簡(jiǎn)易的淘洗工具、人工溜槽以及手動(dòng)跳汰機(jī)等，從事對(duì)礦物的分選工作。到了14世紀(jì)末，具有上下交變水流的跳汰機(jī)問世，這是直到今天仍保留其主要特征的典型重力選礦設(shè)備。
隨營(yíng)生產(chǎn)的發(fā)展，重力選礦技術(shù)也日趨進(jìn)步。尤其在18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命以后，隨著金屬材料需求量的增加和蒸汽機(jī)提供的動(dòng)力，重力選礦從原始的手工操作發(fā)展到機(jī)械化。初期的重力選礦設(shè)備有動(dòng)篩式手動(dòng)跳汰機(jī)、上升水流選煤機(jī)及門聯(lián)工作的洗煤槽。1830～1840年在德國(guó)哈茲礦區(qū)出現(xiàn)了機(jī)械傳動(dòng)的活塞跳汰機(jī)。19 世紀(jì)末20世紀(jì)初，重力選礦設(shè)備得到了很大的改進(jìn)，出現(xiàn)了可以連續(xù)工作的里歐洗煤槽，選分細(xì)粒礦石的搖床。尤其在1892年發(fā)明了第一臺(tái)以壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的無活塞跳汰機(jī)，即著名的鮑姆式跳汰機(jī)。
分選效率最高的是重介質(zhì)選礦法，早在1858年在工業(yè)中就開始應(yīng)用。當(dāng)時(shí)采用氯化鈣溶液進(jìn)行選煤，由于溶液耗量太大，所以未能獲得推廣。1917年出現(xiàn)了水砂懸浮液選煤法，1926年出現(xiàn)了飲用穩(wěn)定懸浮液的重介質(zhì)選煤法。此后，重介質(zhì)選礦就開始廣泛使用起來，尤其是重介質(zhì)選煤，是處理難選和極難選煤的有效方法。
自本世紀(jì)中葉以來，開始用離心力場(chǎng)強(qiáng)化重力分選過程。其中最成功的是1940年在荷蘭首先出現(xiàn)的水力旋流器。這種設(shè)備效率高、體積小、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單�，F(xiàn)已廣泛用于細(xì)粒級(jí)物料的分級(jí)、濃縮和重介質(zhì)分選的過程中，并在生產(chǎn)上形成一個(gè)重要的發(fā)展方向。
重力選礦的理論研究工作，始于工業(yè)上應(yīng)用機(jī)械化重力分選設(shè)備之后。在此之前，牛頓提出了球體在介質(zhì)中沉降的阻力平方公式，1851年英國(guó)物理學(xué)家斯托克斯（G.G.Stok提出了粘性阻力公式，從而為早期的重選理論研究工作，提供了理論基礎(chǔ)。對(duì)重選理論本身的研究，可追溯到一百多年前法國(guó)的信爾羅利特，他在1851年發(fā)表了“對(duì)礦物機(jī)械加工的研究，確立現(xiàn)用操作制度和可能操作制度的理論試驗(yàn)”的論文。該文章是第～次從動(dòng)力學(xué)角度，研究單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)，來探討跳汰分選原理。從那以后，關(guān)于跳汰分層的機(jī)理，成了重選理論研究的中心課題。1867年奧地利人雷廷智（P．R．Rittinger）提出自由沉降假說，確立了等沉現(xiàn)象。他的學(xué)說，對(duì)當(dāng)時(shí)歐洲大陸產(chǎn)生了廣泛的影響，致使許多國(guó)家的選煤廠，實(shí)行分級(jí)人選，以后被生產(chǎn)實(shí)踐證明，寬拉級(jí)人選依然可以獲得好的分選指標(biāo)。為了討論寬粒級(jí)原料也可入選的問題，門羅于1888～1889年提出了干擾沉降的假說，從而把單個(gè)顆粒的沉降與粒群的關(guān)系聯(lián)系起來。其后，高登假說，該學(xué)說在蘇聯(lián)很受重視。于是在初加速度假說的基礎(chǔ)上，蘇聯(lián)人維諾格拉道夫綜合了各種動(dòng)力學(xué)因素，建立了礦粒運(yùn)動(dòng)微分方程式。至此，在重選理論研究中，有關(guān)跳汰分層的機(jī)理，自然而然地形成了動(dòng)力學(xué)研究體系。
到了本世紀(jì)40年代，蘇聯(lián)學(xué)者里亞申柯根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)研究工作，提出了跳汰是在上升水流中“按懸浮體相對(duì)密度分層”的觀點(diǎn)，使重選理論的研究，由顆粒個(gè)體轉(zhuǎn)到拉群整體；從力學(xué)角度來看，是從動(dòng)力學(xué)分析轉(zhuǎn)變到了靜力學(xué)分析，這對(duì)重選理論的研究有重大意義。爾后，德國(guó)人邁耶爾從床層內(nèi)部能量變化的角度，提出了 “位能假說”。圍繞這一派學(xué)說，逐步形成按懸浮體局部壓強(qiáng)差分層的概念。到了本世紀(jì)60年代，跳汰理論研究中又出現(xiàn)了一個(gè)新方向，1959年維諾格拉道夫首先提出的“概率一統(tǒng)計(jì)假說”。該假說是用統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的研究方法，處理分選理論問題。至此，也是自然而然的形成了從靜力學(xué)角度的研究體系。
但是，由于重力選礦過程本身影響因素較多，所以，迄今為止有關(guān)跳汰及其它重力選礦過程的理論研究，尚未找到能獲得眾所公認(rèn)的學(xué)說、目前，許多研究者認(rèn)為，最正確的作法，是把上述各學(xué)派的觀點(diǎn)中所有合理部分聯(lián)系起來，在取長(zhǎng)補(bǔ)短的基礎(chǔ)上，借助于現(xiàn)代化的測(cè)試手段，對(duì)跳汰乃至重選其它理論問題，進(jìn)行深入研究。其中重點(diǎn)應(yīng)是，如何從物理概念及數(shù)學(xué)關(guān)系上，近百多年來一直為選礦工作者所困擾的有關(guān)跳汰分層機(jī)理的不同學(xué)說溝通起來。從而建立起一個(gè)統(tǒng)一而又完整的理論體系。
應(yīng)當(dāng)指出的是，過去有關(guān)物料在斜面介質(zhì)流中分選的機(jī)理，所作的研究工作甚少。盡管高登和里亞申柯等人，從動(dòng)力學(xué)角度推導(dǎo)了物料沿斜槽槽底運(yùn)動(dòng)的速度公式，實(shí)難與實(shí)際相符。尤其是關(guān)于處理細(xì)粒和微細(xì)物料的礦漿流膜的分層過程，更是無人問津。直到1954年英國(guó)人拜格偌（R．A．Bagnold）在研究懸浮液的運(yùn)動(dòng)中，首先觀察到礦漿流膜處于弱紊流及近似層流的流在時(shí)，粒群在剪切運(yùn)動(dòng)下，活流動(dòng)的法線方向存在一種分散壓強(qiáng)（或稱層間斥力）。于是改變了過去人們所認(rèn)為的只有素動(dòng)擴(kuò)散作用才能維持粒群懸浮的觀點(diǎn)，從而為薄層斜面介質(zhì)流中多層粒群的松散分層機(jī)理提供了一個(gè)新的理論憑據(jù)。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自本世紀(jì)50年代末期以來，已開始使用示蹤原子、高速攝影等技術(shù)手段和現(xiàn)代化的測(cè)試技術(shù)，進(jìn)行重力選礦的理論研究工作。為了適應(yīng)生產(chǎn)自動(dòng)化和設(shè)備大型化的需要，開展了以數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，概括選礦過程規(guī)律性的研究，編制工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)問的數(shù)學(xué)模型，為生產(chǎn)工藝過程的自動(dòng)控制和設(shè)備設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。