选矿设备中重选矿物质的不同密度粒群沿垂向的分层

选矿设备中重选矿物质的不同密度粒群沿垂向的分层1粒群在上升水流中的分层规律2.非均匀粒群在上升水流中的悬浮分层均匀粒群的干涉沉降规律是研究非均匀粒群在上升水流中悬浮分层理论的基础。在选矿过程中，经常遇到的多是性质不同的矿粒，同时悬浮或同时沉降的干涉沉降现象。关于这些粒群同时沉降的干涉沉降现象，目前研究的还不够深入。因此，本节中只讨论非均匀粒群在上升水流作用下的悬浮分层问题。利亚申柯在实验室研究了性质不同的粒群在上升水流作用下的悬浮现象。实验研究表明，在任何速度的上升水流的作用下，只要上升水速不把物料冲走，粒群就在上升水流作用下发生分层现象。(1)对于密度相同而粒度不同的粒群，分层结果是细矿粒集中在上层，粗矿粒集中在下层，(2)对于粒度相同而密度不同的粒群，分层结果是密度低的矿粒集中在上层，密度高的矿粒集中在下层，(3)对于密度不同(P2〉PI)，而粒度比值小于自由沉降等降比(dvl/‘Ⅶ〈eo)的物料，密度低的矿粒集中在上层，密度高的矿粒集中在下层.(4)对于密度不同(P2〉p1)，而粒度比值等于或大于自由沉降等降比(‘Ⅵ/‘Ⅶ≥eo)的物料，当上升水速较小时，分层结果仍是密度低的矿粒处在上层，密度高的矿粒处于下层(这符合重选的要求，见图2-10(d)、图2-11(a));当上升水速增大到一定值之后，分层现象消失，两粒群形成混合悬浮体(图2-11(b));上升水速继续加大，分层现象又复出现;不过这时是密度低的矿粒集中在下层，而密度高的矿粒反而集中到上层(见图2-11(c))。也就是说，对于这种粒群，只有当上升水速不大于某一临界流速uo时，正常分层才有可能;大于临界水速时，正常的分层现象将遭到破坏。2粒群在上升水流中的悬浮分层学说及临界速度我国学者在研究非均匀粒群于上升水流中的分层规律时，证明非均匀粒群在上升水流中分层主要是受水动力学的支配，是按照各自的干涉沉降速度迸行分层的。但是，对于粒群的粒度比等于或大于自由沉降等降比时，粒群将按重介作用分层.在上升水速较小时，可以依靠高密度细粒悬浮体对低密度粗粒的重介作用，使低密度矿粒进入悬浮体的上部J卩在上升水流中轻矿粒将按照其本身的密度与重矿物悬浮体的密度差发生分层。这种分层原理称为重介分层学说。3干涉沉降的分级原理及干涉沉降等降比A干涉沉降分级原理如前所述，若将密度相同而粒度不同的粒群置于同一上升介质流中悬浮，则将通过形成不同的松散度，达到每个粒级的干涉沉降速度与上升介质流速相等。分层结果是细矿粒集中在上层，粗矿粒集中在下层。下面再对此问题进行深入讨论。设粒群中最大颗粒粒度为凶，稍小的为d2，自由沉降末速分别为1101、u02。磕此以下还有一系列粒度递减的颗粒。粒群最初呈混杂状态堆积在悬浮玻璃管的筛网上面，如图2-12(a)所示。缓慢地从底部给入上升介质，当介质流速达到最细颗粒的，最小干涉沉降速度时，位于上层的最小颗粒开始浮动;而下部的小颗粒受粗颗粒的压制仍不能活动。及至上升介质流速达到最大颗粒的最小悬浮速度.如果从上部玻璃管口连续地给入粒度不均匀的粒群，下部撤掉筛网对粒群的支持，并保持一定的上升介质流速，粗粒级因向下扩展容积浓度减小，它的干涉沉降速度便超过了上升介质流速，于是从下面排出;而细粒级的干涉沉降速度，因不断补加给料而小于上升介质流速J刂向上运动由管口溢出。这便是干涉沉降的分级原理。B干涉沉降等降比将一组粒度不同、密度不同的宽级别粒群置于上升介质流中悬浮，在流速稳定后，在管中形成了松散度自上而下逐渐增大的悬浮柱，如圈2-13所示。在下部可获得纯净的重矿物粗颗粒层，在上部则为纯净的轻矿物细颗粒层，中间段相当高的范围内是混杂层。如将各窄层中处于混杂状态的轻重颗粒视为等降颗粒，则对应的轻矿物与重矿物的粒度比即可称作干涉沉降等降比，2.2.2粗粒在细粒悬浮体中的沉降规律目前，重介质选矿是重选中分选效率最高的工艺方法。近年来，随着重介质选矿中一些技术问题的逐步解决，所以发展速度很快。重介质选矿过程是在细粒悬浮液中进行的，细粒悬浮液的特点是极不稳定、易沉淀。为促使悬浮液具有一定的稳定性，必须在系统内施加外力，如机械搅拌、使用上升或下降介质流等等。物体的流动(非弹性变形)同引起流动的力之间的关系称为物体的蓖变特性。悬浮液流变特性的研究，是探索物体在悬浮液中运动规律的基础。细粒悬浮液中的细粒处于悬浮状态，称之为粒群流态化。物体在其中运动时，和在溶液中运动一样将受到阻力。实际工作中常用剪应力与速度梯度的比值来度量悬浮液的流变性，此值称为表观黏度或视黏度卢b2.2.2.1物体在悉浮液中自由沉降运动与在水中运动的异同性曾有人研讨过，矿粒在悬浮液中及在水中运动的相似性问题。他们认为，在雷诺数Re为30000~50000的范围内，，单个矿粒在悬浮液中及在水中的运动性质是相似的.这种相似表现在阻力系数泸与雷诺数Re的关系曲线泸=f(Re)的渐趋一致。但是上述观点是不完整的、片面的。因为选矿用的类塑性体系的重悬浮液，其流变(表观)黍度和水的黏度不同，它不是一个常数而是一个变量(见9.5.4.4节)。试验研究和理论计算表明:悬浮液的流变黏度与牛顿液体(如水的黏度只是相当的丿卩它们具有相同的物理意义。这个观点是计算矿粒在悬浮液中自由沉降末速的基础。2.2.2.2矿粒在悬浮液中运动的受力分析及自由沉降末速矿粒在悬浮液中运动，除自身重力外，还受悬浮液的黏滞阻力及惯性阻力的作用。后两种阻力的大小取决于雷诺数的大小，悬浮液的流变黏度既影响黏滞阻力的大小，又决定了雷诺数的大小。因而流变黏度是解决矿粒运动的关键参数。悬浮液的流变黏度卢b随悬浮液内切应力(由外力引起)的不同而不同，且呈减函数关系L不同密度、不同直径的矿粒在悬浮液中运动时产生不同的切应力，因而具有不同的流变黏度。在雷诺数Re≤1.0时，矿粒主要受黏滞阻力的作用。这时，矿粒在悬浮液中所受重力，应被围绕它流动产生的砌应力的垂直分力，乘以矿粒表面积所平衡，如图2-14所示。设矿粒为球体.2.2.3矿粒在垂直变速流中的分层规律跳汰选矿过程的水流运动特性是一种垂直交变水流，是一种非定常流运动。在跳汰汰机中水流运动包括两部分:垂直升降的变速脉动水流和水平流前者是矿粒在跳汰机中按密度分层的主要动力，后者主要作用是运输物料但对矿粒分层也有影响。2.2.3.1跳汰分选理论简介随着跳汰选矿的发展，入们早就开始了对重选中的重要理论问题一跳汰选矿原理进行探讨。古典的跳汰理论是用某一种简单的概念表达分层原理，出现了各种各样的跳汰假说。直到20世纪50年代以后，随着现代科学技术的发展及应用，促进了跳汰分层理论的研究，如电子测量技术、快速摄影、放射性同位素示踪技术及水电模拟等对跳汰过程进行测试与应用，所以对跳汰水流运动特性、床层松散状况，颗粒运动取得直观的认识，使跳汰理论研究取得了新的发展。现有的跳汰理论大致可以分为两大类:(1)速度理论:速度理论是从分析每一个颗粒在跳汰机中的运动规律来研究分层过程。古典的速度理论有四种假说:①颗粒按自由沉降末速分层假说;②颗粒按干涉沉降末速分层假说;③吸入分层假说;④初加速度分层假说。各种速度理论的假说，都以研究单个颗粒在跳汰机中的运动规律来分析整个跳汰过程。诚然，矿粒的分层都是每个矿粒运动的结果，但是矿粒是在床层中进行分层的，不应忽视床层性质对分层的影响。所以每个假说的认识都是不全面的，每个假说只是在逐步接近客观实际，反映了对分层机理的历史认识过程，故这些假说常被称作古典跳汰理论。直到20世纪中期，苏联维诺格拉道夫概括了各种速度假说，使跳汰理论前进了一大步。尽管维诺格拉道夫学说对静力学因素考虑还很不够，然而它在前苏联等国却有着广泛的影响。许多用最新技术测试的结果，也常是用这一公式给予解释。(2)粒群-统计理论:粒群-统计理论是研究粒群的运动及其与受外力作用的关系。这类理论包括有:①跳汰悬浮理论模型;②跳汰能量理论模型;③概率-统计理论模型。各种跳汰理论模型，是从不同角度揭示了跳汰机中物料分层的情况。但是，都没能给出计算工艺结果，特别是预算结果的数学工具及其因数关系。每种模型都有自己的优缺点，并且都力图得到一条描述跳汰过程的物理和数学的正确途径。跳汰理论除了前面介绍的两大类以外，还有苏联莫斯科矿业学院H.M.维尔霍夫斯基等1958年提出的扇形分层假说也受到了人们的重视。维尔霍夫斯基等将带有放射性同位素(Co叫)的示踪颗粒掺混到跳汰机给料中，利用7射线定位法研究了颗粒在跳汰机中的运动规律。结果看到:①重矿物颗i粒沿床层垂直方向的运动速度是变化的，在中间郡位速度最低表明该区域穿透性最小;②轻矿物颗粒下落到穿透性小的中间层以后又复上升，具有跳跃运动性质。不同密度颗粒在跳汰机中的运动轨迹如图2-15所示。由图得知，，床层的中间层松散度最小，它好似栅栏，起着分隔轻、重矿物的作用。适当的跳汰操作即是为了获得良好的中间穿透性。试验还发现，轻矿物颗粒沿水平方向的运动速度比重矿物颗粒快，而在垂直方向则是重矿物比轻矿物快。因而可以认为，矿物按密度分选不仅发生在垂直方向，而且也发生在水平方向。具有同勺一密度的矿物层，在跳汰机的垂直断面上呈扇形分布，这一试验结果被称为扇形分布假说。从图2-16还可看到，物料在跳汰机中的分层速度很快。根据测定，第一阶段末的最上层精煤已占全部精煤的72%，但矿粒行经矸;石段溢流堰的附近时，矿粒的运动状态发生激烈的扰动，致使原先与精煤分开的中间密度颗粒又重新与精煤相混，也就是说，现有跳汰机中的溢流堰起着破坏分层的作用。因此维尔霍夫斯基建议，将目前用的跳汰机分段排放j重产物的方式，改为单段跳汰机沿垂直断面分层排放J肖除溢流堰的有害作用，进一步提高跳汰机单位面积处理量。有关跳汰理论的研究，至今还没有得出满意的结果。这项研究仍处于发展阶段，今后，对跳汰理论和实践的J研究，应当集中在找出一条能把各种理论统一起来的途径。最终能比较客观地解决跳汰机的结构设计和正确地选择主要工艺参数以及水动力学参数等问题。下面就两种具有代表性的学说进行讨论。2.2.3.2跳汰能量理论模型(位能学说)跳汰能量理论模型是20世纪40年代末期德国入麦依尔首先提出来的。位能学说认为，不同密度和粒度组成的床层，是一个具有一定位能的封闭的力学体系。当向这个体系引入外能时，例如在跳汰机中引入脉动水流，将使物料之间的结合力和介质黏度引起的摩擦力减小。此时，根据热力学第二定律，跳汰过程自发地朝着降低床层位能的方向进行，结果使物料进行了分层，绝大部分的粗粒和重粒沉到下层，细粒和轻粒升到上层。床层的位能都转变成为克服颗粒之间的各种阻力所做的功，整个床层位能逐渐下降。床层的分层情况完善与否，决定于分层前、后床层位能降低了多少。床层位能降低的速度就是床层分层的速度。床层位能的大小取决于床层重心的位置，分层前后重心位置降低愈多，位能降低愈多，则分选效果愈好。生产证实了上述跳汰周期的良好效果，可以使不分级物料很好地分选，并能提高跳汰机的处。理量。分层的能量理论模型(位能学说)完全不涉及流体动力因素的影响，只就分层前后床层内部能量的变化，说明了分层的趋势，因而属于静力学体系学说。除了跳汰以外，所有其慎他重选分层过程，也都可以用此学说予以解释，故可视为物料按密度分层的基本原理。国内外对它都很重视。但重选过程离不开流体松散，则流体动力对颗粒运动的影响就不可避免，因此，能量理论模型(位能学说)只是一种理想的情况。2.2.3.3概率-统计理论模型(动力学学说)概率-统计理论模型是由苏联H.H.维诺格拉道夫在1952年提出来的。维诺格拉道夫认为，矿粒在非定常流中运动，除了因为相对运动受到水流阻力、介质加速度惯性阻力外元还要受到:水流加速度给予邮附加推力。此外，矿粒的运动还要受到跳汰床层中其他颗粒的干扰，因此矿粒的受力情况是比较复杂的。假定颗粒向上的运动为正，向下为负。则球形颗粒在跳汰机内非定常流中受到的作用力有:(1)颗粒在介质中的重力Go(2)介质对颗粒运动的介质阻力RI。只有颗粒与介质作相对运动时才产生阻力，颗粒在床层中运动，其条件接近于干涉沉降，(3)(3)介质加速度产生的附加质量惯性阻力R2