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选矿工程

2018-07-20 15:36:14    
Crushing, a form of comminution, one of the unit operations of mineral processing

选矿工程的研究内容是将低品位的矿物进行加工、提纯,主要目的是提高矿物的品位,去除矿物的杂质,例如去除煤炭中的灰分、硫、磷等杂质。选矿工程的对象主要有金属矿石、煤炭等,选矿的手段主要是物理方法和化学方法。

Screening ore through a sieve, Fixed Nitrogen Research Laboratory, 1930
Sizer 2000 for screening coarse to small particles

目录

  • 1 物理分选
    • 1.1 重力分选
    • 1.2 磁力分选
      • 1.2.1 原理
    • 1.3 浮选
      • 1.3.1 原理
      • 1.3.2 浮选的药剂
      • 1.3.3 浮选的流程
  • 2 化学分选
  • 3 参考

物理分选

A set of Cornish stamps

重力分选

利用不同矿物比重差异的物理性质,将矿物富集的方法,即为重力选矿法或比重选矿法。

水流选矿法

  • 绝对法--仅利用不同矿物自身比重的差异,使轻于重液的矿物上浮,重于重液的矿物反之,以达到分离。如此仅用重液浮力的选矿法称之。
  • 相对法"(多种力量法)"

不仅以矿物的比重差异为主要分离依据,且就其矿粒大小与形状之不同,在流体中之所受摩擦阻力所产生之影响为辅助因素,使其分离富集。此法运用多种力量。 此类选矿方法都在水流中进行,所以又称为水流选矿法。依水流方向可分为:

  1. 垂直流选矿法--系利用昇或降流水流选矿
  2. 平流选矿法--利用与平行于分离面的水流选矿,如洗桌选矿法。

虽然在理论上分离之矿石粒度不受限制,但粒度过小,在重液中之沉降速度变小,或受重液黏滞影响,实际上无法达到目的。因此此种选矿法除受到矿物之比重差与重液之比重外,处理之矿石粒度与重液之黏性也是重要的因素。 一般重力方式处理之粒度下限为2-3mm,常用之上限为30-50mm,大者可达100mm以上,而离心式重液选矿则可处理下限0.5mm,上限为 20mm左右之矿粒。

矿石之比重大都大于水,因此选用重液密度都大于水,所以称为重液选矿法Heavy Medium Separation。其产品为浮起或下 沉,故又称为浮沉选矿法Sink and Float Process。 所使用之重液有两种:

  • 真重液:为真正溶液,可为是各种可溶性大的盐类所溶成的溶液,例如氯化锌溶液,也可以是高比重之有机溶液,例 如四氯化碳、四溴乙烷等。此类重液可保持长时间的物理稳定性,价格较贵,有腐蚀性与毒性,因此很少 在大量生产操作中使用,仅用于实验室之研究工作中。
  • 拟重液为一种悬浮液,由水与悬浮于其中之微细固粒为介质所构成,由于细微固粒悬浮之稳定性不易保持,须有适当之装置使其保持,其作用殆与真重液无异。价格较便宜,且可回收再使用,无毒性与腐蚀性,实际应用于工业操作 上。

拟重液与均质真重液不同点在于,其比重和粘性可以随加重质的性质和含量不同而变化。拟重液的比重、粘度和稳定性三方面性质是互有关联的。其中比重是决定分离的关键因素,但是对实际的分离和稳 定性有影响的却是拟重液的粘性。


磁力分选

在众多的矿物中,有些矿物具有被磁铁吸引的性质(即是具有磁性),其被吸引之强度是受到矿物本身的性质、磁铁的强度以及两者相距之距离所支配。用矿物磁性之有无而分选矿物之方法称为磁力选矿法。 磁选主要用来分选或精选磁铁矿、磁硫铁矿以及钛铁矿等强磁性矿物也可用强磁磁选机分选含镍矿物、氧化锰矿等。工业矿物中所含少量 铁矿物或含铁矿物之去除也是磁选的主要应用之一。 另外由于强磁磁选机之不断开发,将来有可能利用反磁性物之性质进行磁选分离。

  • 反磁性物:金属铋
  • 顺磁性物:为磁铁所吸,即会被吸引至磁场强度较大处。
  • 强磁性(Ferromagnetic)矿物:磁铁矿、钛铁矿等磁性较强的矿物。
  • 弱磁性(Weakly Magnetic)矿物:赤铁矿,菱铁矿
  • 非磁性(Nonmagnetic)矿物:而脉石如石英、石灰石等的磁性非常微弱

矿物之磁性强度可由残留磁与带磁率来决定。矿物磁性愈强愈容易被磁极所吸引。同一磁性之矿物其粒度越大感应所生成之磁距 也越大(), 且越容易被吸引,但其粒度却与重量有关。因此粒度也不能大过作用于它的磁力。在实际的操作上,以 1-5mm 左右之矿粒大小为最适宜。

原理

  • 磁极强度是以磁束密度来表示,磁极愈强愈容易将矿粒吸引。磁选机所使用的磁极有永久磁铁与电磁极两种。
  • 矿粒被磁极吸引的作用力是依库仑定律。若所使用的为两平极,两极间各处磁力强度均匀, 在两磁极间之矿粒不易移动,因此要使矿粒吸引至磁极,必须考虑磁极之强度要产生差异,将其中一极之形状改成尖状极(V- Shaped Pole), 则靠尖状处之磁 力较强,成为一极集中磁场。另外也可在一极上夹入无磁性之材料,相间叠作成层状极也能集中磁力,此型多用于转轮磁极。

物质的感磁系数与导磁系数均可用实验测定,或测定其一,并求出另一数值。此性质,对磁力选矿至关重要。

静电选矿机主要有:

  1. 板式:带电荷之矿物在分别带正电荷及负电荷两极板之间落下,由于同性电荷者相拒,异性电荷相吸,使带不同电荷之矿物分开。
  2. 筒式:给矿接触带电转筒Electrified Roll后,电导性矿物即由转筒传得相同的电荷,整个矿粒所带的电荷与转筒者相同,因此被排斥,乃落至导体矿物槽中。非电导性矿物则只与筒接触的部分才带与筒相同的电荷,其他部分由于诱导作,皆带与筒相异的电荷,因 此非电导性矿物矿粒整体而言。不但无相拒作用,且有相吸之力,乃落入非导体矿物槽中。有在转筒的前方另置一固定筒,并使带与转筒 相异的电荷,以吸引电导性矿物,增大其行程者,此为双筒静电选矿机。亦有在转筒前置电极使转筒生诱导电者。
  • 高压电力选矿机:在带电筒前方置放电电极,其电压一般用16000~30000伏特。矿物接受放电而带电荷,被带异电荷之转筒所吸引。电导性矿物接触转筒后电荷中和,随又带与转筒之同性电,因此被排斥落下。

非电导性矿物则只有当接触到转筒,其电荷才被中和,并带与转筒相同电荷。大部分未接触到转筒的部分仍带异性电荷,故被吸引,跟着转筒旋转,直至转筒后方被刷子刷下。


浮选

浮选,最重要的分选方法,其在西元 1906 年被申请专利。浮选主要根据矿物表面性质不同,以达到分选的目的。 最早被用来处理硫化 矿物,而近年来已广为应用于氧化矿物、非金属矿物、或废水处理等方面。

原理

矿物的可浮性与其"对水的亲和力大小"有关。如大,则矿物容易为水所润湿,因此难附着在气泡上。相反的,小,亦即表面为疏水性,易与气泡黏结而上浮。 此等因矿物表面性质而造成颗粒上浮的难易称之为"可浮性" 。 大部分的矿物均为亲水性,仅少部分的矿物如:石墨、硫磺 辉钼矿、金刚石、滑石、煤等为天然浮起性矿物。 浮选即为利用矿物表面性质与气泡黏附之差异性而达到分 选的目的。


浮选方法建立在固体"(矿粒)"、液体"(溶液)"、气体"(气泡)"三相界面关系上。 首先在浮选槽中加入矿粒及水形成矿浆。矿粒的表面有效的阳离子格点在 水中遇水,水化产生水合物。这些水合物的多寡与主控的 pH 值有密切的关系。当捕集剂(见下文)加入后,捕集剂的极性基会吸附在矿粒表面水合物 上,而另一端疏水性的非极性基则朝向外侧。吸附的种类有二:

  1. 物理性吸附-为正负离子以凡得瓦尔力吸引,
  2. 化学性吸附-以共价键形成化合物

矿粒表面如有足够的格点并吸附有足够的捕集剂,会使得矿粒表面形成疏水性。 矿粒因搅拌作用而游走浮选槽内,须与气泡碰撞而产生黏结。若未产生碰撞,则浮选不可能成功。当矿粒与气泡相接近时,会将二者之间的液体排出而 形成一个液体薄膜。此薄膜若是稳定,则矿粒无法沾附在气泡表面。形成疏水性之矿粒有助于造成薄膜的不稳定而破损,矿粒因而沾 附在气泡上,并成稳定三相平衡。此时气泡带着矿粒上浮。 在上浮的过程中,如遇过大涡流所产生的离心力、减切力而剧烈的变形震动等,仍会造成矿粒脱离。

浮选的药剂

浮选的药剂依其功能可分为:

  1. 起泡剂:起泡剂通常为有机物,其功用在提高气泡的稳定性与寿命,使气泡升至矿浆表面时不会立即破灭。常用的起泡剂有松节油、戊醇、甲酚等。
  2. 捕集剂:通常亦为异极性之有机物,其分子有极性基与非极性基,极性基与矿物发生作用,非极性基则为疏水性,从而提高矿物表面疏水性。使欲上浮的矿粒易附着于气泡上。一般常用者为化学捕集剂,如阴离子捕集剂包括脂肪酸、皂类、黄酸盐等。阳离子捕集剂包括有胺类等。
  3. 调整剂:有促进或消除某捕集剂对某矿物的作用,其包括有活性剂、抑制剂、清洁剂等。

浮选的流程

浮选的过程可以分为以下四个步骤:

  1. 喂矿:
    1. 矿浆的喂入
    2. 气泡的喂入
  2. 矿粒与气泡的沾附(attachment)
    1. 矿粒与气泡的碰撞(collision)
    2. 矿粒黏结(adhesion)至气泡上
    3. 矿粒由气泡上脱附(detachment)
  3. 矿浆与泡沫间的运搬作用
    1. 将负载有矿粒的气泡运搬至气泡层
    2. 直接夹带矿粒进入气泡层
    3. 部分矿粒因气泡破裂返回矿浆中
  4. 移出浮选的产品
    1. 移出精矿
    2. 移出尾矿

化学分选

参考

  • 资源处理 (PDF). 台北科技大学教科书. 台北科技大学. 

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