重力选矿与矿石选矿：从古代淘金到现代矿业解决方案

重力选矿与矿石选矿概述

重力选矿是已知最古老的矿石选矿技术，在自然界中广泛存在。人类最早利用重力选矿的记录可追溯至公元前1900年，古埃及人在尼罗河上游通过淘洗回收黄金。

重力选矿是一种物理过程，利用重力场（可结合离心力、流体阻力等其他力）中不同矿物比重差异实现分离。除重力外，颗粒大小、形状等因素也会影响相对运动及分离效果。图1展示了离心作用对重力场的影响：随着重力场增强，细粒级矿物的沉降速度显著提高。

矿石颗粒的重力分离取决于两个因素：(i) 颗粒沉降速率，(ii) 与分离介质相比的比重差异，这决定了差异沉降速率，称为"选别指标"。颗粒沉降速率遵循斯托克斯定律：k·d²·g·(Ds-Df)，其中k为常数，d为颗粒直径，g为重力加速度，Ds为固体比重，Df为流体介质比重。

"选别指标"(CC) 表示两种矿石颗粒分离的难易程度，计算公式为：(Dh-Df)/(Dg-Df)，其中Dh为重矿物比重，Df为流体介质比重，Dg为轻矿物比重。通常商大于2.5时重力分离较容易；商值降低则分离效率下低；低于1.25时重力分离不可行。

主要重力选矿方法

主要重力选矿方法包括：(i) 跳汰，(ii) 狭缝溜槽，(iii) 螺旋溜槽，(iv) 摇床，(v) 细粒分选机如多重力分选机(MGS)，(vi) 重力/粒度分级如水力分级机和水力旋流器。跳汰法详见另文：低品位铁矿选矿与跳汰工艺。

狭缝溜槽

狭缝溜槽式重力分选机在螺旋溜槽出现前曾广泛应用。其基本结构为倾斜槽面，矿浆流经时，在重力、摩擦力及槽面收窄(狭缝)作用下，细重颗粒沉降至底层，粗轻颗粒停留表层。通过末端缝隙(精矿出口)分离细重颗粒。主要有两类：(i) 盘式溜槽，(ii) 赖希特锥。

盘式溜槽：早期应用，多变型。通常含多进料点，单元内含多阶段(粗选/精选/扫选)。优点：(i) 可视检查、调整、清理方便；(ii) 高给矿浓度(63%固体)，低泵送量。缺点：(i) 占地大；(ii) 富集比低(典型3:1)；(iii) 需控制给矿比重；(iv) 细粒回收率低；(v) 给矿需筛分；(vi) 耐泥性差；(vii) 多进料点和分选面；(viii) 精选阶段需洗矿水控制密度。

赖希特锥：盘式溜槽改进型，锥形结构，单一中心进料点，常垂直串联多级。常见配置：(i) 4DS(四双/单级)，(ii) 2DSS.DS(两双/单/单级加一双/单级)。工艺变量：(i) 给矿量(超最优值降低性能)；(ii) 给矿浓度(需维持60-63%固体)；(iii) 插板设置(1-9级，开度增大回收率升但品位降)。优点：(i) 单位面积处理量大；(ii) 高给矿浓度。缺点：(i) 富集比低；(ii) 需控制给矿比重；(iii) 细粒回收率低；(iv) 给矿需筛分；(v) 耐泥性差；(vi) 底部分选面不可见难维护；(vii) 精选需洗矿水。

螺旋溜槽

螺旋选矿机用于处理不同比重矿物组成的矿石。属薄层流动分选设备，实为绕中心柱缠绕的复杂截面倾斜槽。重力与离心力复合作用使细重颗粒内侧富集，粗轻颗粒外侧流动(图3)。其分选力大于锥式溜槽，且浆体密度较低，富集比更高(典型5:1)，细粒回收更好。螺旋倾角影响分选比重，对精矿品位回收影响较小。

螺旋机由绕中心柱螺旋分布的型槽组成，常用3-7圈，直径0.4-1米。连续重力层流运行，矿浆重力给入顶部，密度大颗粒向内侧移动，密度小颗粒向外侧。分离机制涉及主次流场：主流为重力驱动的沿槽向下流动；次流为槽径向流动。浆膜流动时，重颗粒沉降快被次流下层带向内侧，轻颗粒停留表层被次流上层带向外侧。该机制主要在前三圈完成。后续大部分水分靠外侧，中心柱附近形成含固率达70%的重矿带，可由中间回收装置或末端分流器取出。流速随槽型设计变化，径向大部0.1-0.3米/秒，最外侧较快。

螺旋机需沿程加水洗矿，冲走粗轻颗粒。洗矿水量及分布可调。点控技术将水高效导入最佳角度，降低总用水量。适用粒级0.3-1毫米，典型浆体密度25-30%固体。

摇床

摇床是应用多年的重力分选设备，设计变化不大，多层床面(达三层)提高了单位面积产能。通常仅用于精选阶段，因处理量较低。

分选原理：颗粒在倾斜床面上随矿浆(湿式)运动，床面垂直坡向往复振动，配合床条阻挡近床面颗粒。此运动使细重颗粒贴床面随床条排至上端排出，粗轻颗粒停留表层跨过床条从下端排出。

湿式摇床变量：(i) 床面倾角(越陡精矿重量越轻)；(ii) 冲程长度(越长横向运动越大，精矿重量增加至最大值)；(iii) 冲程频率(类似冲程长度)；(iv) 分矿板位置(决定精矿取重)；(v) 给矿量与浓度(典型全尺寸床<2吨/小时，浓度~40%固体，超限则分选下降)；(vi) 洗矿水(助流、维持低浓度、防干斑、洗泥入尾)；(vii) 床条高度(低条适细粒，高条适粗粒)。

风力摇床：干式给矿分选，低压空气透过帆布床面流化颗粒层，配合床面坡度、无床条及振动，使细轻颗粒上浮，粗重颗粒贴床面从下端排出。源自粮食工业，适用于干式重力分选优于其他方法的场合，典型用于干法磨矿精选阶段。变量除湿式参数外，含流化风量(增大维持床层流动至最大值)。优势：前后工序为干法时免热烘干。

摇床优缺点：优点：(i) 选择性高，正确操作富集比高；(ii) 可观察分层并调整。缺点：(i) 处理量低；(ii) 占地大；(iii) 需频繁人工看护调整；(iv) 给矿需分级。

细粒分选机

为提高重力回路利用率及回收更细颗粒，开发了专用设备回收螺旋机等难以高效处理的细粒。典型代表：Falcon离心选矿机和Mozley多重力分选机(MGS)(图5)。

Falcon离心选矿机：溜槽与连续离心机结合体，高转速产生强重力场分选细粒。旋转碗型设计使给矿浆上升时，重颗粒对力反应更强，向碗壁面迁移，轻颗粒随水上浮。通过收集唇/槽分离底部重矿浆，孔板控制流量，精矿分出，主流排尾。变量：(i) 转速(增大提高分选力)；(ii) 精矿孔脉冲频率(增大至最大值增加取重)；(iii) 给矿量浓度(超最大值阻碍分选)。优点：(i) 处理15-20微米细粒；(ii) 结构简单坚固；(iii) 产能较高；(iv) 操作关注度低。缺点：(i) 富集比低(典型2:1)；(ii) 分选面不可见；(iii) 给矿需筛分小于精矿孔尺寸防堵塞。

MGS多重力分选机：处理细粒级设备，最大粒度~0.5毫米。原理可视为将摇床水平面卷成鼓筒绕水平轴旋转，产生数倍于正常重力的增强重力场，改善细粒处理。结合倾斜旋转鼓筒离心运动与摇床振荡运动，提供增强重力分选，特别适合细粒。浆流分布于鼓筒内表面，在刮刀和洗矿水作用下，重颗粒向上迁移经鼓筒顶唇排出，轻颗粒反方向流经下唇排出。变量：(i) 鼓筒转速(增大增加离心力，颗粒上移难，取重减、精矿净)；(ii) 鼓筒冲程长度频率(增大增加上移力，取重增、品位降)；(iii) 鼓筒洗矿水(增强洗矿，精矿净)；(iv) 鼓筒倾角(增大精矿净)。优点：(i) 细粒高选择性分选(典型-75至+10微米)；(ii) 高富集比(典型20:1)。缺点：(i) 单位面积产能低，虽有大型设备；(ii) 机械复杂昂贵；(iii) 封闭式不见分选面；(iv) 需相当操作关注；(v) 不适粗粒(给矿需筛分)。

重力/粒度分级设备

水力分级机和水力旋流器原理见图6。实质为分级设备，但结合比重与粒度分选。

水力分级机：源自搅动柱分级机，利用颗粒沉降原理在注水歧管产生上升水流的罐体中分离细轻/粗重颗粒。足够重的颗粒(因比重和尺寸)沉降快于轻小颗粒。上升流速超过轻小颗粒沉降速度但不超重粗颗粒时实现分选。变量：(i) 注水流量(增大增加溢流颗粒重量及比重/尺寸)；(ii) 柱体密度(增加柱体浆比重增加溢流重量)；(iii) 底流排量(增大降低柱体固体密度及向上流，减小溢流固体比重/尺寸)；(iv) 给矿质量流量(超最优降低分选锐度)。优点：(i) 基于柱头比重测量的精确自动控制；(ii) 双产品可视易调；(iii) 无运动部件；(iv) 干湿给矿均可。缺点：(i) 需专用注水泵供稳定可调清水；(ii) 耗水大；(iii) 单位产能体积大；(iv) 需稳定给矿率。

水力旋流器：利用几何结构及内部离心流场按粗重/细轻分离。浆体切向加压进入管状圆锥体，离心力将重颗粒甩向外壁，外层颗粒沿锥体下行经底流溢流嘴排出，内层轻颗粒(及水)上旋经顶流寻排出。变量：(i) 给矿压力(驱动分离，压力越大分级粒度越细)；(ii) 溢流管直径(增大溢流量增、压力降、分级变粗)；(iii) 底流嘴直径(增大底流量增、底流变细或变稀)；(iv) 虹吸效应(溢流相对底流位置低产生虹吸，增大溢流固体量，靠破真空装置消除)；(v) 给矿浓度(过高典型>35%固体影响分选)；(vi) 锥段角度长度(加长变浅减小分级粒度)；(vii) 筒体直径(增大产能增、压力降、分级变粗)。优点：(i) 单位体积面积产能高；(ii) 无运动部件；(iii) 操作关注度低。缺点：(i) 难按变化给矿产品要求调整；(ii) 需加压稳定给矿。