第一節(jié) 重力選礦研究的對象及其應用范圍

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，構成組分單一的人造富礦（或化合物）。這項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，礦物的分離是在運動過程中完成的。性質(zhì)（密度、粘度、形狀）不同的礦粒，它們彼此分離，是在運動過程中逐步完成的。也就是說，應該使性質(zhì)不同的礦，在重力分選設備中，具有不同的運動狀況（運動的方向、速度、加速度及運動軌跡等）。從物理學可知。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，在真空中運動時，其方向、速度、加速度及軌跡都完全相同，故而，它們在真空中，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，它們之間運動狀態(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)中進行。介質(zhì)密度高，性質(zhì)不同礦粒在運動狀態(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)。
在重力場中，物體在介質(zhì)中的運動，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)對運動物體的阻力。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，而且還與物體的粒度、形狀以及物體與介質(zhì)間的相對運動速度有關。在重力選礦過程，并不是單個顆粒在介質(zhì)中運動，而是成群的礦粒同時在介質(zhì)中處于運動狀態(tài)，因此，礦粒之間的相互作用，對運動過程有很大的影響，這種影響也與礦粒的粒度和形狀有關。因此，重力選礦的結果，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果。同樣，對于水力分級作業(yè)，礦粒在密度和形狀上的差異，也將影響按粒度分級的精確性。
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，應該想方設法創(chuàng)造條件，降低礦粒的粒度和形狀對分選結果的影響，以便使礦粒間的密度差別在分選過程
中，能起主導作用。因此，一方面要深入研究礦粒在介質(zhì)中的運動規(guī)律，一方面還要研究運動介質(zhì)的性質(zhì)以及在各種特定條件下，介質(zhì)流的運動特性。
實際生產(chǎn)中，分選過程必須在流動的介質(zhì)中進行。因為介質(zhì)若靜止不動；礦粒群就難以松散，顆粒間的相互轉(zhuǎn)移就無法進行，也就更談不到分選之后產(chǎn)物的排放。流動的介質(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，其運動狀態(tài)的差別擴大。正是由于介質(zhì)的流動，才使得不同性質(zhì)的物料，可連續(xù)不斷地自分選機的不同部粒排出。
利用礦粒在不同類型介質(zhì)流中運動狀態(tài)的差別，就可以實現(xiàn)各種形式的重力分選賴程。根據(jù)介質(zhì)運動形式和作業(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中所列的分級和洗礦，都是按粒度分離的作業(yè)，但洗礦處理的對象是被粘土膠結的礦石，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，可簡單地用下式判斷



式中:           E—一重選礦石可選性評定系數(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）判斷物料重選時的難易程度，習慣上可分成表12所示的幾個等級。隨著E值的減小，入選原料的粘度范圍變窄。
重力選礦是當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；同時也用于處理某些非金屬礦石，如石棉、金剛石、高嶺土等。對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，預先除去粗粒脈石或圍巖，使其達到初步富集。重選法還廣泛用于脫水、分級、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)展簡況
一、重力選礦的發(fā)展過程及現(xiàn)狀
重力選礦的應用，可追溯到久遠的年代，當時人們從河溪砂石中角獸皮淘洗選收自然金屬。后來，開始采用簡易的淘洗工具、人工溜槽以及手動跳汰機等，從事對礦物的分選工作。到了14世紀末，具有上下交變水流的跳汰機問世，這是直到今天仍保留其主要特征的典型重力選礦設備。
隨營生產(chǎn)的發(fā)展，重力選礦技術也日趨進步。尤其在18世紀產(chǎn)業(yè)革命以后，隨著金屬材料需求量的增加和蒸汽機提供的動力，重力選礦從原始的手工操作發(fā)展到機械化。初期的重力選礦設備有動篩式手動跳汰機、上升水流選煤機及門聯(lián)工作的洗煤槽。1830～1840年在德國哈茲礦區(qū)出現(xiàn)了機械傳動的活塞跳汰機。19 世紀末20世紀初，重力選礦設備得到了很大的改進，出現(xiàn)了可以連續(xù)工作的里歐洗煤槽，選分細粒礦石的搖床。尤其在1892年發(fā)明了第一臺以壓縮空氣驅(qū)動的無活塞跳汰機，即著名的鮑姆式跳汰機。
分選效率最高的是重介質(zhì)選礦法，早在1858年在工業(yè)中就開始應用。當時采用氯化鈣溶液進行選煤，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。
自本世紀中葉以來，開始用離心力場強化重力分選過程。其中最成功的是1940年在荷蘭首先出現(xiàn)的水力旋流器。這種設備效率高、體積小、結構最簡單�，F(xiàn)已廣泛用于細粒級物料的分級、濃縮和重介質(zhì)分選的過程中，并在生產(chǎn)上形成一個重要的發(fā)展方向。
重力選礦的理論研究工作，始于工業(yè)上應用機械化重力分選設備之后。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年英國物理學家斯托克斯（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。對重選理論本身的研究，可追溯到一百多年前法國的信爾羅利特，他在1851年發(fā)表了“對礦物機械加工的研究，確立現(xiàn)用操作制度和可能操作制度的理論試驗”的論文。該文章是第～次從動力學角度，研究單個顆粒的運動，來探討跳汰分選原理。從那以后，關于跳汰分層的機理，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。他的學說，對當時歐洲大陸產(chǎn)生了廣泛的影響，致使許多國家的選煤廠，實行分級人選，以后被生產(chǎn)實踐證明，寬拉級人選依然可以獲得好的分選指標。為了討論寬粒級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，從而把單個顆粒的沉降與粒群的關系聯(lián)系起來。其后，高登假說，該學說在蘇聯(lián)很受重視。于是在初加速度假說的基礎上，蘇聯(lián)人維諾格拉道夫綜合了各種動力學因素，建立了礦粒運動微分方程式。至此，在重選理論研究中，有關跳汰分層的機理，自然而然地形成了動力學研究體系。
到了本世紀40年代，蘇聯(lián)學者里亞申柯根據(jù)大量的實驗研究工作，提出了跳汰是在上升水流中“按懸浮體相對密度分層”的觀點，使重選理論的研究，由顆粒個體轉(zhuǎn)到拉群整體；從力學角度來看，是從動力學分析轉(zhuǎn)變到了靜力學分析，這對重選理論的研究有重大意義。爾后，德國人邁耶爾從床層內(nèi)部能量變化的角度，提出了 “位能假說”。圍繞這一派學說，逐步形成按懸浮體局部壓強差分層的概念。到了本世紀60年代，跳汰理論研究中又出現(xiàn)了一個新方向，1959年維諾格拉道夫首先提出的“概率一統(tǒng)計假說”。該假說是用統(tǒng)計物理學的研究方法，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的學說、目前，許多研究者認為，最正確的作法，是把上述各學派的觀點中所有合理部分聯(lián)系起來，在取長補短的基礎上，借助于現(xiàn)代化的測試手段，對跳汰乃至重選其它理論問題，進行深入研究。其中重點應是，如何從物理概念及數(shù)學關系上，近百多年來一直為選礦工作者所困擾的有關跳汰分層機理的不同學說溝通起來。從而建立起一個統(tǒng)一而又完整的理論體系。
應當指出的是，過去有關物料在斜面介質(zhì)流中分選的機理，所作的研究工作甚少。盡管高登和里亞申柯等人，從動力學角度推導了物料沿斜槽槽底運動的速度公式，實難與實際相符。尤其是關于處理細粒和微細物料的礦漿流膜的分層過程，更是無人問津。直到1954年英國人拜格偌（R．A．Bagnold）在研究懸浮液的運動中，首先觀察到礦漿流膜處于弱紊流及近似層流的流在時，粒群在剪切運動下，活流動的法線方向存在一種分散壓強（或稱層間斥力）。于是改變了過去人們所認為的只有素動擴散作用才能維持粒群懸浮的觀點，從而為薄層斜面介質(zhì)流中多層粒群的松散分層機理提供了一個新的理論憑據(jù)。
隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，自本世紀50年代末期以來，已開始使用示蹤原子、高速攝影等技術手段和現(xiàn)代化的測試技術，進行重力選礦的理論研究工作。為了適應生產(chǎn)自動化和設備大型化的需要，開展了以數(shù)理統(tǒng)計方法，概括選礦過程規(guī)律性的研究，編制工藝參數(shù)和設備參數(shù)問的數(shù)學模型，為生產(chǎn)工藝過程的自動控制和設備設計提供了可靠依據(jù)。