选矿物料分级技术与设备的研究进展*

万小金，杜建明

(1．云南冶金集团股份有限公司，云南 昆明 650224;2．昆明冶研新材料股份有限公司，云南 昆明 650031)

选矿物料分级技术与设备的研究进展*

万小金1，杜建明2

(1．云南冶金集团股份有限公司，云南 昆明 650224;2．昆明冶研新材料股份有限公司，云南 昆明 650031)

综述了选矿分级技术与设备的研究现状和进展。重点介绍了重力水力分级、离心力水力分级和高频振动筛分三大不同类型10种分级设备的结构特点、工作原理、技术性能和研究应用情况。认为矿物分级技术发展较快，应用范围不断扩大，基本满足选矿工艺对矿物粒度分级效果的要求。

重力分级;离心力分级;高频振动筛分;分级效率;设备;应用

在选矿工艺过程中，分级往往是极为重要的一个准备作业，分级的好坏直接影响到磨矿机生产能力、产品质量以及后续选别作业精矿品位与回收率等技术经济指标的高低。20世纪80至90年代，随着国家实行对细粒复杂难选矿产资源综合开发与利用战略，给选矿工作者带来极大挑战与机遇。处理这类难选矿石的选矿新工艺对分级技术及设备提出了更高的要求，国内各企业、科研院所在充分认识到这方面重要性和紧迫性，在大量引进、学习国外先进技术同时，重视自主科研开发工作，加大人力、技术和资金投入，加强选矿新技术和新设备的研究与开发工作，取得了显著成效，形成了一大批技术成果并研发出各种高效选矿分级新设备。实践证明，分级新设备的应用满足了新形势下选矿生产新工艺的要求，设备结构和技术性能在生产中得到进一步发挥，应用领域也越来越广阔。从此，选矿新技术、新设备发展到一个新的历史水平。在此领域，有关分级设备一般是通过重力、离心力和机械振动等作用力和原理来进行分级作业，选矿上通常分为重力水力分级设备、离心力水力分级设备和高频细筛三大类。本文就对国内外此选矿分级设备的研究应用进展情况进行评述，为正确选择及应用各类分级设备提供参考依据。

1 重力水力分级设备

1.1 螺旋分级机［1］

螺旋分级机是选矿分级生产中一种最常用的、平流式水力分级设备。其结构见图1。主要由传动装置、螺旋叶片、槽体、升降机构、下部支座(轴瓦)和溢流堰组成。工作原理是分级机借助于固体颗粒大小不同，比重不同，在液体中的沉降速度不同的原理，在机械螺旋叶片的搅拌作用下，矿粒进行充分分散、分层沉降和水平流动，细矿粒沉降速度慢，随液流越过溢流堰，成为溢流。沉降速度较快的粗矿粒，沉于槽底后，被旋转的螺旋叶片沿倾斜的槽底部带出矿浆面，经过一段脱水行程，由上端排出，成为沉砂。

图1 螺旋分级机外观图Fig.1 External view of spiral classifier

为适应不同分级粒度要求和作业性质的不同，螺旋分级机按面积的大小分为浸没式、高堰式和低堰式三种。常用于磨矿闭路循环对矿浆进行按0.3～0.15 mm粒级分级作业。由于设备存在分级面积小;分离出的合格矿粒在水平横向流动路径过长造成二次沉降;以及螺旋叶片转动引起矿浆扰动等影响，造成产品质量差和分级效果低，分级质效率一般在30%～50%左右，最高也只达60%，但沉砂浓度高可达80%以上。但这类设备结构简单、工作可靠、操作方便、运行费用低、槽子安装坡度较大，便于实现与磨机的自流联结等特点，可用于重力选矿厂中分级矿砂和细泥，及洗矿作业中的脱泥、脱水等作业，在磨矿作业中则往往作检查分级。

1.2 圆锥水力分级设备

1.2.1 分泥斗［2］

分泥斗是一种结构简单的圆锥分级设备如图2。其结构外形为一倒立的圆锥，在液面中心设有给矿圆筒，圆筒底部处于液面以下一定深度。矿浆沿切线方向给入中心圆筒，经缓冲后由底部流出。流出的矿浆呈放射状向周边溢流堰流去。

在此过程中，沉降速度大于上升水流速度的粗颗粒便沉在槽内，并经底部沉砂口排出。细粒随表层矿浆进入溢流槽，作为溢流排出。给料粒度一般小于2 mm，分级粒度为74～19 μm范围内。

图2 分泥斗工作示意图Fig.2 Working schematic diagram of desliming bucket

分泥斗主要用在水力分级机前对原矿进行脱泥，以提高分级效率;也可用在磨矿设备前为矿浆浓缩、脱水，提高磨机给矿浓度;还可用在各种矿泥选别设备前控制给矿浓度和矿量;在生产流程中还兼有储矿作用。分泥斗的特点是结构简单，容易制造，不需要动力，操作方便。缺点是配置高差较大，溢流横向流造成细粒回流或二次沉降现象发生，沉砂夹细严重，分级效率低。

1.2.2 圆锥水力分级机

此类设备研究最具代表性有北京矿冶研究总院研发的YF型圆锥水力分级机。结构图如图3。它由主轴和槽体两大部分组成。工作时，支承在梁上的电动机，通过带轮使主轴慢速转动。主轴的下端装有一个新式叶轮，在叶轮转动时，其上下两面均由中心向外甩出矿浆，而内部形成负压，产生抽吸作用。叶轮上面抽吸给矿和上循环矿浆，下面只抽吸下循环矿浆。矿浆离开叶轮后，便进入新式盖板，以防止矿浆在槽内作旋转运动。由于盖板叶片的定向作用，大部分矿浆转变为上升矿流。在上升过程中，细、轻矿粒上升，粗、重矿粒下沉。上升的细、轻矿粒进入溢流槽，成为溢流排出。下沉的粗、重矿粒进入槽子中部，作为下循环矿浆而被叶轮重新抽吸到槽子上部，经过反复分级，使夹杂的细、轻矿粒被分到溢流中去。最后，粗、重矿粒进入槽子的下部，作为分级沉砂从锥底排出。

图3 圆锥水力分级机图Fig.3 Diagram of cone hydraulic classifier

设备适用于对金属、非金属矿及其它物料的分级。国内外生产资料表明［3］［4］，有关选矿厂采用圆锥水力分级机取代水力旋流器作为第二段分级设备与磨矿设备构成闭路分级，在处理量相同时，循环负荷从390% (一段分级系统)减少到136．5%(两段分级系统);最终产品的质量得到了改善，产品中细粒级 (－200目)增加，粗粒级 (+100目)减少。在正常生产状态下，磨矿机的磨矿能力处理量可提高3O%以上。

1.3 机械搅拌式水力分级机［2］

该分级机的构造如图4。主体部分由四个角锥形分级室、机械搅拌装置等组成，各室由给矿端向排矿端依次增大并在高度上呈阶梯状排列。分级室下面还有圆筒部分、分级管及压力水管。压力水沿分级管的径向或切线方向给入。在分级管的下面还有暂存沉砂的缓冲箱。由蜗轮带动空心轴的上端有一个圆盘旋转，圆盘转动时其上的凸缘顶起连杆上端的横梁，从而将锥形塞打开。使沉砂进入缓冲箱中。空心轴的下端装有若干个搅拌叶片，用以分散悬浮粒群。

矿浆由分级机的给矿端给入，微细粒级随表层液流向溢流端流去。较粗颗粒依沉降速度不同分别落入各分级室中。下沉的粗颗粒在沉降过程中受到分级管中上升水流冲洗，再次分级。分级后粗颗粒经锥形阀排出成为沉砂产品。悬浮层中的细颗粒随上升水流进入到下一个分级室。以下各分级室上升水速逐渐减小，沉砂粒度也相应变细。该设备是在普通的箱式分级机基础上，增加多 (段)个分级室，并在机内安装机械搅拌装置，以及增加下部分级管的径向和切向压力冲洗水，强化细粒微粒的松散悬浮与分层，达到减少沉砂夹细的目的，以实现较好的分级效果［5］。间断排矿有利于提高沉砂浓度，最高可达40%～50%，可满足下道选别作业要求。设备在钨矿重选厂应用较多，据设备有关生产数据计算，按 66 μm粒级分级的质效率为60.36%［2］。缺点是结构复杂，设备高度较大，与选别设备配置高差大，操作维护不便。

1.4 云锡式水力分级箱［2］

设备结构如图5。它的外观呈倒立的锥形，在箱的上表面大约垂直与流动方向安有数条阻砂条，条间缝宽约10 mm，底部的一侧设有压力水管，另一侧有沉砂排出管。分级箱常由小到大规格的多个分级箱串联起来工作，中间用矿浆溜槽相连接。工作时，矿浆水平流经分级箱时，沉速大的粗粒颗粒离开上层液流而进入到阻砂条条缝中，随后在分级箱内沉降过程中，粗颗粒群受到上升水流的冲洗，粗颗粒在箱内继续下降，直到落在箱底部，由沉砂口排出成为沉砂。而细颗粒经上升水流的冲洗被带出随水平液流一起成为即溢流产品进入下一级分级箱中进行较为细粒级的分级作业。各级分级箱是按从粗到细的分级粒度对矿浆物料分级作业，沉砂由粗粒到细粒排出。

分级箱常用于锡矿选厂摇床重选作业给料的分级作业，与摇床相配置，为摇床提供在粒度、数量和浓度上适合选别作业要求的给料。据云锡公司试验和生产数据表明，该分级设备用于摇床给料、原生和次生矿泥、复洗摇床给料分级作业，分级效率较低，为10%～30%左右。特点是设备结构简单，不耗动力，设备高度小，易于摇床配置，操作方便。工作时耗水量大，阻砂条容易堵塞，箱内矿浆拢动大，导致分级效率降低。

图4 机械搅拌式水力分级机Fig.4 Mechanically agitated hydraulic classifier

图5 云锡式分级箱Fig.5 Yunxi type up－current classifier

1.5 斜窄流分级箱

斜窄流分级箱是昆明冶金研究院上世纪九十年代末开发的一种高效新型水力分级设备。设备结构如图6。主要由上部斜方体、下部角锥斗外壳、斜窄流分级组合体、给料区、沉砂底口和溢流排放部分组成。设备作业时，矿浆经隔渣检查筛进入箱体内的给料区，较粗或重的矿粒直接沉入集砂区，而悬浮浆液凭借给料区与各分级单元内的静压差，穿过每个分级单元下部两侧的进料孔，均匀地进入每个分级单元内做斜上升流动，料浆中矿粒在流动过程中，受自身重力作用而产生沉降，沉落到板面上的矿粒群沿板面向下滑落，落入集砂区成为沉砂。沉速小而未沉落到板面上的较细矿粒随上升液流溢过分级单元上部溢流横断面成为溢流。设备结构及作业的特点:(1)设备系分级单元集成元件经多次集成组合而成。首先是由分级单元集成为一个斜窄流分级组合体，其次是由几个相同的分级组合体及给料区、集砂区等功能部件构成一个完整的设备。(2)采用斜浅层沉降原理分级，成数倍地提高设备单位占地面积的生产能力。(3)采用斜窄流小断面作业，基本消除了水力分级中有害的矿浆横向流和“簖路”现象，从而大大地提高分级精度，提高分级产品质量和分级质效率。(4)采用无压、开放式给 (进)料，分级组合体利用给料区与分级作业区的矿浆静压差进行分级作业，设备无运动部件，动力、易损件消耗低，生产操作管理和维护简便。

图6 斜窄流分级箱结构图Fig.6 Structure diagram of narrow tilting upflow classifier

设备应用于铁、钛、锡金属选矿中间矿浆产品按0.1～0.019 mm粒级分级、脱泥作业，分级质效率为55%～80%，用于磷矿闭路磨矿分级回路中，分级质效率接近60%［6］。

2 离心力水力分级设备

2.1 krebsgmax旋流器

近些年，美国Krebs工程公司向市场推出一种新型水力旋流器，称为G－MAX水力旋流器。结构见图7。其结构主要特点是设计一个较陡的上锥体来提高切向速度，然后用一个逐渐倾斜的下锥体为分离更细颗粒提供足够的停留时间，大大提高了水力旋流器的分级效率。(1)为了达到最佳的旋流器性能，krebs旋流器设计渐开线给料装置，以进一步减轻给料截面的湍流，减少误入溢流的粗粒物料量并延长衬里的使用寿命;(2)优化筒体与锥体段的长度达到最佳，使每种直径旋流器具有独特的筒体长度和锥角组合，在旋流器总长度最小的情况下达到最大的切线速度。使压入筒体内矿浆中的粗细粒物料在此区间内实现“闪速分离”，具有提高设备处理能力的作用;(3)优化一个小锥度的下部锥体为经“闪速分离”的粗粒物料在沿其内壁作螺旋下移过程中，对混入其中的细粒进行“二次分离”过程提供了较长的停留时间，另设计了沉砂口角度与一直管段最佳的配合，可在最小脱水情况下保持对细粒物料的进一步分离。这样大大提高了设备分级效率。

图7 g-max水力旋流器Fig.7 g－max hydrocyclone

业已证明，在南美和北美两个铁矿选厂磨矿回路数据对比表明，φ380 mm g－max旋流器的切点粒度d50为33 μm，而φ380 mm标准Krebs旋流器的 d50为50 μm;φ660 mm g－max旋流器的切点粒度d50为55 μm，而φ660 mm标准Krebs旋流器的d50为85 μm，分级粒度细35%左右。这样在较低进料压力条件下，实现了采用大直径g－max旋流器进行细粒级分离［7］。该设备已在国内外金属、非金属选矿厂磨矿分级回路中得到了广泛应用。德兴铜矿大山选矿厂精选段再磨系统采用φ660 mm g－max水力旋流器的分级生产表明，分级溢流－325目含量由75%提高到85%，分级效率明显提高，精选段磨矿分级得到明显改善［8］。

2.2 水封旋流器

水封旋流器是上世纪九十年代昆明冶金研究院发明的一种高效分级设备。设备结构见图8。主要由旋流器、水封箱、沉砂分级导管、给料管架、溢流和沉砂收集排放设施等组成。与普通旋流器相比，在工作原理和性能特点上有着重大差异，旋流器内由原来的固、液和气三相流变成固液两相流，消除了空气柱对分级的有害影响［9］，分离速度提高一倍，锲形旋转体控制和提高了分级精度;在锥体离心力场、压力分级场和压力浓缩场三场共同作用下，分级效率可提高30%，沉砂夹细和溢流跑粗现象较普通旋流器均下降了50%;沉砂咀尺寸大于给料口，只要给料口不阻塞，沉砂口就不容易发生阻塞，正常工作有了可靠保障。工作时，将浆料打入进浆总管，在筒锥体内离心力场作用下，粒度细比重轻的物料被卷入溢流柱经溢流管进入溢流槽排出成为溢流产品。粒度粗且比重大的物料沿内壁向下做螺旋下移后成为沉砂。沉砂通过沉砂咀进入水封箱内的压力分级导管，在管内受到微压力场的作用进行进一步的压力分级和浓缩，分级后沉砂经总底口排出箱外。

图8 水封旋流器组图Fig.8 Figures of water seal hydrocyclone set

设备常由多个φ25～φ250 mm旋流器组装而成，常用于铁、钛、锡金属中间产品矿浆微细粒分级 (脱泥)、浓缩与富集作业，分级效率为70% ～80%，富集比大，沉砂浓度高，工作稳定。设备已应用于高岭土等非金属选矿除砂提纯和微细粒级(10、5 μm)精选分级作业;以及用于氧化铝厂的砂状与细粒粉状氢氧化铝分离作业。在高碱度、较高温度等苛刻生产条件下，设备沉砂咀因直径大φ22 mm(普通的只有12 mm)而无阻塞现象发生，按－37 μm计，分级效率达到70%，沉砂产品中－37 μm粒级物料含量≤7.0%，较好地满足后序过滤和焙烧工艺要求。

3 高频细筛分级设备

3.1 Derrck高频细筛

德瑞克细筛结构见图9。主要由:矿浆分配器、给矿器、振动器、筛框，筛网、橡胶弹簧、筛架、筛上和筛下料斗等组成。振动器安装在筛框中部的上方，筛框采用4个圆柱形剪切橡胶弹簧浮动支承在刚性筛架上。筛子安装简单，它安设在与筛架相应的支承架上，不需基础。橡胶弹簧的履振性能良好，振动负荷很小，不必再采取专门的助振措施。

图9 重叠式高频振动细筛工作原理图Fig.9 working principle diagram of eclipsed form high frequency vibrating fine screen

设备结构性能 (1)多路重叠式给料，料浆经分配器可同时向5路重叠式并联布置的筛分单元供应料浆，5路的筛上产物合并进入筛上产品受料斗，5路的筛下产物合并进入筛下产品溜槽。(2)配置了强力双振动器产生高频、低振幅运动和7.3 G(一般振动器产生4～5 G)重力加速度的高频细筛，特别适合微细粒级料浆的筛分。(3)浮动式振动筛框和全封闭式振动器结构，浮动橡胶弹簧传递给固定筛框的动负荷仅有3%～5%，95%～97%的振动力转化为筛分所需的振动力。(4)三夹层筛网，最上层筛网比第二层筛网孔径小一个筛序，第三层筛网孔径则要大得多。上两层筛网起筛分作用，第三层筛网起支承作用。这种防堵夹层筛网的专利设计，每层孔径都比分级粒度大，两层筛网之间有轻微相互打击作用，可实现高浓度筛分，既防止筛孔的堵塞，又延长筛网寿命。

德瑞克高频细筛是按几何粒度分级且分级效率很高的分级设备，分级粒度通常为0.3～0.074 mm，应用范围广泛。在铁、钛铁矿选矿，用高频振动细筛作为精矿粒度控制，以筛除粗粒连生体，相同磨机生产能力时可稳定提高精矿品位1%～3%。据报道，采用细筛分级选择性磨碎现象突出的铁矿石时，使最后段磁选作业给料粒度从－0.074 mm含量为79.1%提高到90.02%，分级质效率为84.52%，筛下品位达到60.47%，提高品位3个百分点［10］。在钨、锡矿选矿，代替螺旋分级机、旋流器分级，或与螺旋分级机、旋流器组合分级，与磨机闭路，可提高分级效率，并及时分出已解离的有用矿物，显著降低有用物料的过粉碎，提高回收率10%～15%，磨机处理能力提高20%～30%以上。

3.2 GPS 高频振动细筛［11，12］

目前GPS高频振动细筛系列产品型号规格众多。高频振动细筛的结构见图10。主要由振动筛、矿浆分配器、给矿器、筛框、机架、产品收集装置、悬挂弹簧和叠层筛网等部件构成。主要结构性能为:(1)高频低幅振动，振动器内电机带动偏心重块转动时便产生振动，振动频率为2 850 r/min，振幅约为0.1～0.5 mm。高频振动可破坏矿浆的表面张力、微细物料粘附在粗颗粒上的粘附力以及细粒物料之间的团聚力，有利于颗粒物料的松散分层和透筛，增加细粒穿过筛网的能力，又可减少筛孔的堵塞。从而提高筛分效率和处理能力。(2)叠层筛网，采用三层筛网，防堵防磨，增加筛网寿命。(3)多路给矿，相当于增加了筛面的宽度，减薄了给到筛面的矿层厚度，有利于物料的松散分层，透过筛面，保证较高的筛分分级效率同时，又充分地利用筛面，增加了筛分机的处理能力。(4)筛孔有效面积大，筛分效率高。采用叠层筛网和大坡度 (在25°～30°之间)筛面工作，主筛网筛孔尺寸比分级粒度约大0.6倍，筛孔的有效面积增大 (ao为筛孔尺寸，mm;b为筛网丝径，mm)，增加了颗粒的透筛概率，减少了难筛颗粒堵塞筛孔的机率。筛分效率可达80%左右。

图10 gps高频细筛结构图Fig.10 Structure diagram of GPS high frequency fine screen

设备已在国内黑色金属、有色金属、非金属矿山等行业中大量应用，在铁矿山中应用最多。在磨矿回路中既可作为独立的分级设备，又可与螺旋分级机、旋流器、浓泥斗等联合用于二次分级流程的分级，以进一步提高分级作业效率，同时也可作为进一步提高磁选精矿品位的筛分设备。该筛用于处理二段磨矿产品经磁选后的铁精矿按分离粒度为0.25 mm分级，筛分分级效率75%～85%，精矿品位在筛下富集明显，筛下产品品位较筛上产品品位平均高12.59%。通过系统技术改造后，铁精矿的产量由38万t/a增至50万t/a，铁精矿品位由67%提高到68%以上［12］。在锡矿磨矿回路中采用GPS高频振动细筛代替螺旋分级机，由于性脆的锡石易优先粉碎并在细级别中富集，采用细筛分级特别合适。按0.5 mm粒级计，细筛分级溢流 (筛下)产品合格粒级含量提高8.64个百分点，返砂(筛上)中合格粒级含量下降了48.13个百分点。磨矿中过粉碎现象大大减轻，筛分效率为 62.84%［12］。

4 结语

1)重力水力分级设备因其结构简单、无动力消耗 (机械式除外)、操作维护方便、运行平稳可靠等特点，仍广泛应用于各类选矿厂。

2)水力旋流器多用于磨矿回路、微细粒级矿浆物料的分级。设备 (组)处理能力大，分级效率较高，可分级较细粒级物料。但动力消耗大，磨损快，沉砂咀容易发生堵塞，作业过程稳定性较差。使用条件严格，成本高。

3)随着对高频细筛设备的不断研究与改进，采用多层重叠式筛网、高频低幅振动和耐磨防堵筛网等技术，设备结构合理、性能良好，筛网开孔率大，设备处理能力大，分级精度高，筛分效率高，同时筛网不易堵塞，使用寿命长等特点。

4)随着矿石资源利用中有用矿物嵌布粒度愈来愈细，对选矿工艺的高要求，强化对 (微)细物料粒的分级作业十分重要。这要求我们在分级作业设计和生产中，熟悉各类设备技术性能和应用范围，做好设备独立或联合运用的选择与应用工作。

5)上述分级设备不仅结构及分级原理不同，性能不同，其产品粒度特性也不相同。一切在重力场、离心力场或其联合力场中实现的水力分级，其分级的粒度称为“水力粒度”，同一水力粒度下矿粒的几何尺寸是不相等的，有粗有细，因为分级还受比重及形状影响。而一切在筛子中进行的分级得到的粒度称“几何粒度”，它们按矿粒的几何尺寸进行分级，同一粒度下矿粒的几何尺寸均相等。在选择分级设备时，应根据磨矿作业及选别作业的工艺要求来选择，并充分注意到分级产品的粒度特性这一特点。

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Research Progress on Classification Technique and Equipment of Beneficiation Material

WAN Xiao－jin1，DU Jian－ming2
(1．Yunnan Metallurgical Group Co．，Ltd．，Kunming，Yunnan 650224，China;2．Kunming Yeyan New－Material Co．，Ltd．，kunming，Yunnan 650031，China)

Research status and progress of classification technique and equipment in ore beneficiation is summarized in this paper．It emphatically introduces three different kinds classification type:gravity－hydraulic classification，centrifugal force－hydraulic classification and high frequency vibrating screening，and the structure feature，working principle，technical feature and research，application conditions of 10 kind＇s classification equipment．The development of mineral classification technology is thought faster，the application range is enlarged continually，it can basically meet the requirements for mineral particle size classification effect which asked by beneficiation process．

gravity classification;centrifugal force classification;high frequency vibrating screening;classification efficiency;equipment;application

TD921.5

A

1006－0308(2011)06－0013－07

2011－07－07

万小金 (1968－)，男，江西新余人，高级工程师。