安理工选矿学教案第5章 跳汰选矿

第五讲周次第5周，第1次课备注章节名称第五章跳汰选矿授课方式理论课(√)；实验课()；其它()教学目的及要求引导学生初步建立“跳汰选矿概念”，掌握跳汰选矿的原理和跳汰机的种类及结构。教学重点重点掌握跳汰选矿的原理以及筛侧空气室跳汰机和筛下空气室跳汰机教学难点教学手段主要有常规教学、多媒体教学、网络教学常规教学、多媒体教学教学方法设置问题情景，采用启发式教学方法教学内容提要时间分配第一节概述第二节跳汰选矿原理第三节跳汰机第四节跳汰机的操作工艺制度讨论、练习、作业参考资料课后分析跳汰选矿工艺流程简单，设备操作维修方便，处理能力大，故在生产中普遍应用，是一种重要的分选方法。同学们要深刻理解跳汰选矿概念，掌握跳汰选矿的原理和跳汰机的种类及结构，为以后生产操作打下很好的基础。第5章跳汰选矿5.1概述5.1.1跳汰选矿1.什么是跳汰选矿跳汰选矿——矿物颗粒混合物在垂直脉动介质流作用下，按密度差异进行分层和分离心过程，称跳汰。水力、风力跳汰床层——物料给入跳汰机筛板上，形成的一定厚度的物料层。2.物料的分层过程在脉动水流的作用下，物料得以按密度分层。在水流的上升期间，床层被抬起松散开，重矿物趋向底层转移，及至水流转而向下运动时，床层的松散度减少，开始是粗颗粒的运动变困难，以后床层愈来愈紧密，只有细小的矿物颗粒可以穿过间隙向下运动，称钻隙运动。下降水流停止，分层亦暂停止。直到第二周期开始，又继续进行这样的分层运动，如此循环。最后密度大的矿粒集中到了底层，密度小的矿粒进入到上层，完成了按密度分层，密度小的矿粒进入到上层，完成了按密度分层，这一过程如图示，用特殊的排料装置分别接出后，即可得到不同密度的矿物。图2-5-1一周期松散与分层过程。分层的内因：矿粒自身的性质；分层的外因：交变水流。3.跳汰机内水流水平流：对矿粒分层有一定影响，但主要起润、运输物料作用。垂直脉动水：决定跳汰分层。跳汰周期——脉动水每完成一次周期性变化所用时间T。跳汰周期特性曲线——一周期内，水速随时间变化关系曲线。周期特性基本形式：1）只有间断上升流；旋转阀门。2）只有间断下降流；动筛。3）交流水流：活塞、隔膜、压缩空气。5.1.2跳汰选矿发展各简况手动动筛活塞式跳汰机鲍姆跳汰机跳汰理论发展5.1.3跳汰在重力选矿中的地位跳汰选矿具有工艺系统简单、操作维修方便，处理量大和投资少且有足够分选精度等优点。因而在煤的可选性适宜时，被优先采用。煤炭分选，跳汰选煤的比重很大，全世界有50%的洗选煤炭是跳汰选，我国和德国占60%左右，远超过其它选煤方法。跳汰选粒度级别宽，分级、不分级。跳汰机适应性强，除极难选煤外，均可采用跳汰法。5.2跳汰选矿原理5.2.1这一观点是迈耶尔（Mayer,1947）提出的，它是从群粒角度分析跳汰分层过程机理的各学说中具有代表性的学说。从自然界中各种物理的和化学的变化过程中，热力学第二定律认为：任何体系都倾向于自由能降低。也就是说，一种过程如果在变化前到变化后，伴随着能量降低，那么这个过程必将自发地进行。迈耶尔：将床层视为一个整体，提出床层分层前所具有的位能，高于分层后所具有的位能。因此，只要给床层创造一个适当的松散条件，重物料就必然自发地进入床层的下层。分层是通过性质不同颗粒在床层中重新分布而达到床层内部位能降低的过程。而床层位能降低的速度就是床层的分层速度。悬浮体进行的分层，下层集中着粗粒和重粒，上层集中着粗粒和细粒，位能的主要部分都转化为克服颗粒之间的各种阻力的功。以图2-5-2示来分析跳汰过程的能量传递与转换。某一系统在一开始是混合均匀的，其重心位于H/2处，它的位能E1为：E1=（h1+h2)(m1+m2)/2式中h1、h2──分别为轻、重物料的厚度；m1、m2──分别是轻、重物料的重量。当经过足够长的跳汰时间后，假定床层完全分层，即重产物全部在下层，轻产物全部在上层，此时床层位能降低到E2=h2m2/2+(h2+h1/2)m1分层前后能量的变化为DE=E1-E2=(m2h1-m1h2)/2=h1h2A(d2l2-l1d1)/2由于在分层过程中，床层内轻重物料各自的数量不以生变化，式中的hlhh/2及A为定值，而当分层过程是可以发生时，则DE必定为正值。因此有d2l2>l1d1散密度高的处于最底层。粒群的散密度是物料的密度与粒群在自然堆积状态时和固体容积浓度的乘积，而容积浓度又是矿粒形状及粒群粒度组成的函数；粒度相同而密度不同的两种矿粒，在自然堆积时，其容积浓度是相同的；分层结果必然是高密度矿粒位于下层，低密度矿粒位于上层。若密度相同而粒度不同的两种矿粒，在自然堆积时，大粒度者的固体容积浓度高，分层结果必然是粒度大的位于下层，粒度小的位于上层。5.2.2分层过程的动力学学说从个别颗粒的运动差异中探讨分层原因的学说提出最早，先后有：按颗粒的自由沉降速度差分层学说，按颗粒的干涉沉降速度差分层学说，按颗粒的初加速度差分层学说及按干涉沉降一吸吸作用分层学说等。以上均不够全面。直到维诺格拉道夫(1952年)以数学形式，将各项因素加以概括列出力学微分方程式，算是总其大成。在垂直交变流中，床层中的颗粒所受到的作用力有:颗粒在介质中的重力、介质阻力、介质被带动作加速运动的附加惯性阻力、介质本身作加速运动的附加推力及床层中其他颗粒对运动颗粒的摩擦碰撞——机械阻力等。1床层中的矿粒在垂直交变流中的受力分析假定取作用在颗粒上的力，其作用方向以向下为正、向上为负。1)矿粒在介质中重力G02）矿粒与水间相对运动vc引起的介质阻力R1,方向向上，取“－”3）介质流对矿粒的附加推力F14)附加惯性阻力Rgj–附加质量系数，球形颗粒，j=0.5Rg与相对加速度方向相反。介质流中，Rg为负5)机械阻力Rj因其复杂，难以数学表示2矿粒在垂直交变介质流中运动微分方程式当不考虑机械阻力时5.2.3跳汰过程中垂直交变水流的运动特性一、跳汰机内垂直交变水流的运动特性以活塞跳汰机为例，讨论水流特性1活塞上、下运动的速度v=wrsinwt当wt=0p时，vmin=0;wt=p/2,3p/2时，vmax=wr=0.15nr.2活塞运动的加速度a=dv/dt=w2rcoswt3活塞行程h=∫0tvdt=r(1-coswt)4跳汰室运动参数考虑跳汰室面积与活塞室面积不同，活塞与壁间漏水。u=A1/A2βwrsinwta=A1/A2βdv/dt=w2rcoswth=∫0tvdt=A1/A2βr(1-coswt)为松散，筛下补加水。Ud速度、加速度及行程分别为：如图7-4所示。二、水流运动特性对床层松散与分层作用（一）t1阶段：水流加速上升时期（上升初期）1、水流特点水流上升，速度由零到最大，加速度由最大减为零。2、床层状态床层主要处于紧密状态，矿粒的运动分层受到一定限制。3、水流对分层的影响矿粒与介质间的相对速度较大，对按密度分层不利。4、水流运动的任务、作用将床层举起，使其占据一定高度，为床层进一步的充分松散与分层创造一个空间条件。（二）t2阶段：水流减速上升时期（上升末期）1、流特点水流上升，速度由最大到零，加速度由零减为负最大。2、层状态床层逐渐达到最大松散状态。3、水流对分层的影响矿粒与介质间的相对速度小，瞬时达零，然后，再增大。对按密度分层有利。4、流运动的任务、作用使床层尽快扩展松散，并使松散状态持续一段时间，为按密度分层提供足够的空间和时间。（三）t3阶段：水流加速下降时期（下降初期）1、水流特点水流下，速度由零到负最大，加速度亦向下。2、床层状态床层逐渐趋于紧密。高密度粗粒、密度小粒度细矿粒运动3、水流对分层的影响矿粒与介质间的相对速度小，对按密度分层有利。吸啜作用：粒度小的颗粒，在逐渐收缩的床层间隙中继续向下运动。（四）t4阶段：水流减速下降时期（下降末期）1、水流特点流下降，速度由负最大到零，加速度由零到最大。2、床层状态床层处于紧密状态。3、水流对分层的影响分层基本停止。存在吸啜作用下降期，使床层的松散时间尽可能延长让分层过程得以充分进行；分层完，下降流尽快停止。初长而缓，末短而速。跳汰周期合理与否从三方面：对床层尽快松散是否有利，对按密度分层作用的效果如何，对吸啜作用的影响。几个典型跳汰周期的分析(1)活塞跳汰机的对称跳汰周期特性曲线水流速度和时间之间具有正弦曲线的关系为了在上升初期能将床层举到必要的高度，则要求有较强的上升流速，但同时也造成了同样强烈的下降水流，致使床层过早紧密，缩短了有效分选的时间，不但降低跳汰机处理能力，而且因强烈的吸吸作用，导致许多低密度矿粒混入高密度产物中;由于上升水流作用时间比较长，粒度和形状对分层的不利影响也加大。(2)上升水速大、作用时间长的跳汰周期特性曲线如图2-5-6(a)所示的跳汰周期特性曲线。该跳汰周期的不对称程度，取决于给人的筛下水量。在此跳汰周期中，因获得较强的上升水流，对床层的松散有利，使跳汰机处理能力得以提高。但因上升水流作用时间较长，故不适于分选宽粒级和不分级的物料。在分选粗粒金属矿石时常采用此种跳汰周期。该跳汰周期也可用来分选经过初步分级的煤炭(0.5一13mm粒级)。(3)上升水速大于下降水速但作用时间相等的跳汰周期在正弦跳汰周期水流下降阶段，间断地给人筛下补加水，可得到如图2-5-6(b)所示的水流运动特性曲线。这种跳汰周期的上升水流，相比图2-5-6(a)的上升水流，作用力减弱了;其下降水流在降低流速的同时，相对图(a)延长了作用时间，吸啜作用略有增强。因此，在处理宽粒级的细粒物料时，比上述两种跳汰周期要好。如我国钨、锡矿选矿厂处理细粒级物料的跳汰机曾使用过这种跳汰周期。(4)上升水速大但作用时间短的不对称跳汰周期如图2-5-6(c)所示的不对称跳汰周期。在进气期间，水流被压缩空气推动，急速上升。接着供气中断，有一短暂休止期，此时水流因惯性只作较弱的运动。当压缩空气排出时，水流借自重下降，于是获得一个速度缓而作用时间长的下降水流。过去国内外用它处理脱泥后的宽粒级或不分级煤炭;国外也有少数选矿厂用它分选铁、锰及某些氧化铅锌矿石。这种上升水流短而速、下降水流长而缓的跳汰周期，处理宽粒级或不分级物料，无论是从松散、分层、还是吸啜作用，都是不适宜的。(5)上升水速较缓但作用时间较长的不对称跳汰周期上升水速缓慢，致使床层松散进程较慢，然而床层一旦松散，随着上升水流逐渐减弱，收缩过程也缓慢，这不但使分层作用时间延长，而且在此期间，矿粒与水流之间的相对运动速度也较小，矿粒粒度和形状对按密度分层的影响很弱，故对分层有利。由于松散进程慢，床层不宜过厚，跳汰机处理能力偏低(每平方米处理6~10t)。其下降水流速度快、作用时间短。从下降初期来看，尽管不利于按密度分层，但因上升末期流速慢、时间长，不少粗粒重物料已落回筛板，故在此阶段参与分层活动更多的是中、细粒级颗粒，而下降初期又是吸掇作用的主要阶段，故从整体来看对分选宽粒级或不分级物料有利;水流下降末期短而速，正是分选的有利条件。这种跳汰周期(见图2-5-6(d))特性，适合处理不分级煤。实践证明:跳汰周期曲线形式是获得良好分选效果的重要因素之一。合理的跳汰周期曲线应与被选物料性质相适应，使床层呈适宜的松散状态，颗粒主要借重力加速度差相对运动，这是选择跳汰周期曲线的基本原则。5.3跳汰机跳汰机的类型及应用风力、水力水力：活塞、隔膜、空气脉动、水力脉动、动筛5.3.1选煤用跳汰机（一）筛侧空气室跳汰机（鲍姆式跳汰机）不分级煤用跳汰机、块煤跳汰机、末煤跳汰机1基本结构如图2-5-7所示。跳汰机由机体、风阀、筛板、排料装置和排矸道组成。机体有跳汰室和空气室。风阀将压缩空气给入空气室使跳汰室内产生脉动水流。补充水有筛下水、水平水流。原料由机头给入。产品（矸石、中煤）经各段的排料装置排到各自的排料道，与透筛的重产物经脱水斗提机排出，精煤由溢流口排出。2主要零部件1）跳汰机机体a.跳汰机的段数和隔室跳汰机机体有单段、两段或多段。每段有2-3个隔室，每隔室设有风阀和筛下顶水管。每段未有排料道，其长度已系列化。可根据原料性质和对产品的质量要求选定。现代跳汰机，机体分隔室制造。部件标准化。b.机体形状c.空气室与跳汰室宽度的比例空气室与跳汰室宽度比，对水流沿跳汰宽度分布均匀与否是一重要问题。该比值小，沿跳汰机断面的水流分布不均。一般，块煤，0.7-1.0，未煤，0.45-0.8。2）跳汰机的筛板跳汰筛板上为分层空间，承托床层，控制透筛排料速度和重产物床层的水平移动速度。要有一定的刚性，耐磨性和坚固耐用性。倾角、孔形、开孔率选择要合理。倾角的大小与原料的性质有关。筛板倾角的作用是保持床层的运动速度和床层有一定厚度及透筛量，一般第一段筛板倾角大于第二段筛板的倾角。跳汰机筛孔尺寸与原料的性质和排料方式有关。增大筛孔，右减少水流阻力，加大下降水流的吸啜力和透筛排料。3）跳汰机风阀风阀作用是周期性的使空气室与风包、风机和大气相连或隔绝，从而在跳汰室内形成脉动水流。（1）滑动风阀其原理如图示，跳汰周期只能在较小的范围内调整。装有该风阀的跳汰机的处理能力低。滑动风阀已基本淘汰。（2）旋转风阀结构及原理如图7-14所示。进气-膨胀-压缩过程。各部分的时间长短可在较大范围内调整。放置风阀工作特性曲线图7-15。旋转风阀的特性曲线，即为一个跳汰周期内风阀进气、排气面积的变化曲线。（3）电控气动风阀电控气动风阀是利用电子数控装置和电磁阀来控制跳汰机进气和排气的风阀，其频率和特性曲线可以任意调整。如图7-16为工作原理图。优点：可用无极调节跳汰频率和跳汰周期特性，对不同可选性的原煤适应能力强，阀门开头迅速及时，并可自动调节。缺点：系统复杂、需单独配置高压风源，气缸加工精度高、维修工作量大。4）跳汰机的排料装置跳汰机的排料装置作用是将床层按密度分层后的物料，准确、及时、连续地排出重产品，并保证床层稳定、产品的质量和跳汰机的处理能力。各段轻产物溢流排出。重产物有筛上末端排料和透筛排料两种。块煤以末端排料为主，末煤以透筛为主。（1）溢流堰溢流堰作用是与重产物排料装置配合，控制床层保持一定厚度，并使轻产物随溢流排走。高溢流堰、半溢流堰、无堰。如图7-17所示。（2）重产物的排料装置（a)排料装置在跳汰机中的位置如图7-18所示，正排矸、倒排矸、中部排矸。(b)排料装置型式叶轮式——排料连续、均匀稳定，但排料箱的宽度大，占用跳汰机的有效面积大，易堆积物料。扇形闸门——结构简单、维护方便、排料宽度小、气缸内活塞运动可根据床层厚度的变化和自然控制排料等优点。但因排料箱内脉动水流严重窜扰排料口并影响床层的良好分层，使产品污染或损失，还易被大块矸石卡住。象鼻子管排料装置——自动平衡排料量。浮标闸门排料机构（3）透筛排料人工床层：在跳汰过程中人工床层起到排料闸门作用，用以控制重产物的透筛速度和产品的质量。人工床层粒度、密度、形状与厚度。粒度为给料最大粒度的3-4倍，密度略高于重产物中矿粒的最大密度。厚度不易过高，影响透筛速度。石英、长石。（4）排料装置自动化采用自动排料装置，可及时、连续排放重产物，并使产品质量稳定，床层厚度适中。检测元件：浮标装置、测压管装置、放射性同位素；控制装置：执行机构：（5）筛侧空气室跳汰机系列WTLTWLTG（二）筛下空气室跳汰机筛下空气室跳汰机的空气室在跳汰室的下面，克服了筛侧空气室跳汰机跳汰室中水波沿宽度方向的不均匀问题，使得跳汰机在提高处理量，向设备大型化发展上迈出一大步。自从50年代中期日本高桑健等人研制出第一台筛下空气室跳汰机以来，各国相继开展了对筛下空气室跳汰机的研制工作。64年我国LTX试制成功。目前，有7种规格，LTX-6，8，10，12，14，16，35等。筛下空气室跳汰机除了把空气室移到筛下以外，其它部分与筛侧式跳汰机结构相似，工作过程也是压缩空气经风阀控制，交替压入和排出筛板下空气室，使其中水位交替地下降和上升，从而形成穿过筛板的脉动水流，脉动水流特性与一般筛侧式的典型特性相似。空气室的形式有多种，但从不同形状的空气室产生的脉动水流均匀程度、水流沿程阻力及动力消耗看，（b)(c)较好，(h)较复杂。空气室的面积一般为筛板面积一半，如果要求筛板上产生波高100-150mm脉动水流，那么空气室内水振幅h振=200-300mm.要保证进气不翻花，排气风阀不喷水，振幅有要求。筛下空气室跳汰机构造示意图筛下空气室跳汰机与筛侧空气室跳汰机比较：（1）结构紧凑、重轻、占地面积小；（2）跳汰室内沿宽度各点的水流波高相同，有利于物料均匀分选和跳汰机的大型化；（3）无横向冲击力；（4）风压高。（三）国外跳汰机简介1筛侧空气室跳汰机2筛下空气室跳汰机3动筛跳汰机5.4跳汰机的操作工艺制度工艺效果取决工艺制度，与入料性质及质量要求有关。工艺制度诸参数，互相联系。一、床层状态1、床层厚薄与入料性质关系床层运动状态决定了矿粒按密度分层的效果，床层愈厚、松散时间愈长，分层的时间也愈长，若床层太厚，在风压和风量不足时，不易达要求松散度，减薄床层能增强吸啜分层作用，利于细粒级分选得纯净精煤。但如太薄，吸啜过强，精煤损失增加，床层不稳，操作难。2、床层厚薄与分层