1 《选矿学》重力选矿授课教案1 17.docx
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1《选矿学》重力选矿授课教案117
黑龙江科技学院重力选矿备课笔记
第21次课授课时间：
2004年4月30日
章节及主要内容：
第六章跳汰选矿
§6—1概述
§6—2跳汰过程中垂直交变水流的运动特性
1、跳汰选矿的基本概念
2、跳洗机内垂直交变水流的运动特性
3、水流运动特性对床层松散与分层的作用
4、跳汰周期的合理选
第22次课跳汰机分层试验日期：
5.7
重点内容：
跳汰周期的合理选择
难点内容：
跳汰周期的特性
参考资料：
《选矿手册》、《重力选矿原理》
教学手段：
讲述、投影
扩展内容：
跳汰周期的合理选择
教学后记：
第六章跳汰选矿
§6—1概述
一、跳汰选矿的基本概念
1、跳汰选矿：
众多的矿粒混合物，在垂直升降的变速介质流中，技密度差异进行分层和分离的过程，谓之跳汰选矿。
2、介质：
跳汰选矿的过程中，所使用的介质可以是水，也可以是空气。
以水作为分选介质时，称为水介质跳汰或水力跳汰；若以空气为分选介质，则称风力跳汰。
当代，国内外选煤或选矿的工业生产中，水介质跳汰的应用最为广泛，相比之下，风力跳汰应用很少。
从基本原理来看，风力跳汰与水力跳汰相似，突出的区别是由于空气只能作单向运动，故物料分选只能依靠在间断的上冲气流作用下来完成。
从分选的工艺效果来看，风力跳沈也远不如水力跳汰，它只能在干旱缺水地区或原料不宜洁水时使用。
故本章内容，仅涉及水介质跳汰。
3、床层：
实现跳汰过程的设备叫跳汰机。
被选物料给入跳汰机内落到筛板上，便形成一个密集的物料展，这个物料层，称为床层。
在给料的同时，从跳汰机下部周期性的给入上下交变的水流，垂直变速水流透过筛孔进入床层，物料就是在这种水流中经受跳汰的分选过程。
4、过程：
当水流上升时，床层被冲起，呈现松散及悬浮的状态。
此时，床层中的矿粒，按其自身的特性（密度、粒度和形状），彼此作相对运动，开始进行分层。
在水流已停止上升，但还没有转为下降水流之前，由于惯性力的作用，矿粒仍在运动，床层继续松散、分层。
水流转为下降，床层逐渐紧密，但分层仍在继续。
当全部矿粒落回筛面，它们彼此之间已丧失相对运动的可能，则分层作用基本停止。
此时，只有那些密度较高、粒度很细的矿粒，穿过床层中大块物料的间隙，仍在向下运动，这种行为可看成是分层现象的继续。
下降水流结束，床层完全紧密，分层便暂告终止。
水流每完成一次周期性变化所用的时间称为跳汰周期。
在一个跳汰周期内，床层经历了从紧密到松散分层再紧密的过程，颗粒受到了分选作用。
只有经过多个跳汰周期之后，分层才逐趋完善。
最后，高密度矿粒集中在床层下部，低密度矿粒则聚集在上层。
然后，从跳汰机分别排放出来，从而获得了两种密度不同，即质量不同的产物。
图6－1所描绘的就是物料在一个跳沈同期中，所经历的松散与分层过程。
物料在跳汰过程中之所以能分层，起主要作用的内因，是矿粒自身的性质，但能让分层得以实现的客观条件，则是垂直升降的交变水流。
在跳汰机入料端给入物料的同时，伴同物料也给人了一定量的水平水流。
水平水流虽然对分选也起一定的影响，但它主要是起润湿和运输的作用。
润湿是为了防止于物料进入水中后结团；运输是负责将分层之后，居于上层的低密度物冲带而走，使它从跳汰机的溢流堰排出机外。
5、在跳认过程中，跳汰周期特性的基本形式：
有三种：
即间断上升介质流、间断下降介质
流呈升降突变介质流。
跳汰周期的特性在一定程度上决定了跳汰分层的效果，并间接地体现
了跳汰机主要结构特征。
假如将垂直介质流的
速度与时间的关系，在直角坐标上绘制成曲
线，则上述三种基本形式的表达如图6－2所示。
这种曲线称跳汰周期特性曲线，反映了水流运
动形态。
曲线上任一点的纵坐标表示水流的速
度，横坐标表示水流在该速度时所运行的时
间，斜率为水流运动的加速度。
（1）只有间断上升水流的脉动跳汰机，
它的水流运动特性如图6－2a所示。
其脉动水流
可通过旋转阀门来实现。
（2）只有间断下降水流的动筛跳汰机，它的水流运动特性如图6-2b示。
这种跳汰机水介质是静止的，但筛面在水中作往复上下运动。
当筛面向下运动时，床层离开端面，矿粒实际上没有受到任何水流作用，完全依靠自重在水中向下松散并进行分层；当筛面向上运动时，筛面与床层接触，并迫使它在水中向上运动，相形之下，等于床层受到一股下降水流的作用，床层逐渐紧密。
此时，由于筛孔被床层所堵，筛框内的水位高于框外液面，从而在床层中形成一股下降水流。
（3）具有垂直升降交变水流的跳汰机，它的水流运动特性如图6－2C所示。
造成这种运动状态的水流。
可用往复运动的活塞或隔膜，如活塞跳汰机、隔膜跳汰机；也可用压缩空气，如筛侧空气室跳汰机和筛下空气室跳汰机。
跳汰周期特性曲线可是上下对称的，也可以是不对称的。
这种跳汰机，分选效果好，选煤、选矿基本上都是采用该类跳汰机。
二、跳汰分选在重力选矿中的地位
1、跳汰分选法的优点：
工艺流程简单、设备操作维修方便、处理能力大、且有足够的分选精确度。
因此，在生产中应用很普遍，是重力选矿中，最重要的一种分选方法。
煤炭分选中，跳汰选煤占很大比重。
全世界每年入选煤炭中，有50％左右是采用跳汰机处理；我国跳汰选煤占全部入选原煤量的70％。
另外，跳汰选煤处理的粒度级别较宽，在150一05mm范围；既可不分级入洗，也可分级入洗。
跳汰选煤的适应性较强，除非极难选煤，均可优先考虑采用跳汰的方法处理。
§6—2跳汰过程中垂直交变水流的运动特性
一、跳洗机内垂直交变水流的运动特性
为了便于分析，现以简单的活塞跳汰机为例，讨论其水流的运动特性。
活塞跳汰机的工作原理，如图6－3所示。
活塞跳汰机工作时，由于偏心轮4转动，经连杆5驱动活塞室1内的活塞6作往复上下运动。
进水管7给人筛下水，在活塞往复运动的作用下，使跳汰室2中筛板3上的床层，经受着垂直升降变速水流的作用。
按密度分层的跳汰过程，就是在这种条件下进行的。
由图6-3可知，若偏心抢的偏心距r；连杆长度为l，并且连杆长度l比偏心距r大许多，此时，活塞上下运动的速度v可以看作是偏心轮的圆周速度在垂直方向上的投影，即
跳汰室内水流运动速度u比活塞运动速度v小，这是由于活塞与机壁之间有缝隙，存在漏水现象，所以应考虑一个小于1的漏水系数β；再有，跳汰室面积小一般均大于活塞室横断面积A1，因此，还应考虑一个反映两室面积比的系数A1／A2（见图6－3）。
所以，跳汰室内水速速度u加速度意及行程S（波高）分别为
根据式在直角坐标中可绘制活塞跳汰机垂直交变水流的速度、加速度及行程与时间的关系曲线，如图6－4所示。
并可看出活塞跳汰机跳汰周期特性曲线即速度曲线为一条正弦函数曲纷而水流运动的加速度曲线，是一条余弦函数曲线。
实际生产中，为了调节床层的松散状况和水流下降时的吸啜作用（床层逐渐紧密的过程中，细颗粒在下降水流作用下，穿过大颗粒间隙的现象），要从筛下给入补充水、也称顶水，它的上升流速，即图6－4中所标注的。
。
。
结果，跳汰过程中加大了上升水流的速度，减弱了下降水流的作用。
致使上升水流的作用时间稍长于下降水流的作用时间。
二、水流运动特性对床层松散与分层的作用
由于床层的分层主要是在垂直交变水流的作用下完成，而分层产生又是以床层获得松散为前提，因此，研究跳汰周期的性质，即水流运动特性及其对床展松散与分层的作用，具有十分重要的意义。
为了便于分析问题，现以正弦跳汰周期为例，并将该跳汰周期分为t1、t2、t3、t3四个阶段（如图6-5所示），分别讨论跳汰周期的各阶段中水流和床层运动及变化的特点，来考察松散及分层过程。
在一个跳汰周期T中，介质、床层及矿粒的运动状态如图6－5所示。
其中图6－5a反映在一个跳汰周期内，水流和床层的行程与时间的关系以及床层的松散过程；图6－5b则表示了水流运动的速度、加速度及矿粒运动行程随时间变化状况。
现按水流运动特性对一个周期内四个阶段的作用分析如下：
（一）t1阶段：
水流加速上升时期或称上升初期
上升水流在前π／2周期内，水流运动的特点是，水流上升，其速度越来越大，速度方向向上，其加速度方向也向上。
速度由零增加到最大值，加速度则由最大值减小到零。
由图6一5a可看出，在t1阶段初期，床层呈紧密状态，随着上升水流的产生，最上层的细小颗粒开始浮动，由于上升水流速度的逐渐加大，水流动压力大于床层在介质中所受的重力时，床层便脱离筛面而升起，并进而渐次松散。
因矿粒密度大于水的密度，使得床层开始升起的时间迟于水。
但床层一经松散，便给矿粒提供了相互转移的条件。
于是，低密度颗粒向上启动时间早，且运动速度快；高密度颗粒则滞后上升，相比之下速度也慢，这种情况对接密度分层是有利的。
但是，总的看来如图6－5。
所示，在t1阶段，床层主要仍处于紧密状态，矿粒的运动和分层受到较大地限制。
尤其在这个阶段，矿植上升的速度小于水速的增加，使矿粒与介质问的相对速度较大，这就加剧了矿粒粒度和形状对分层过程的不良影响，而且这段时间延续的愈长（即t1愈长），对按密度分层愈不利。
由此可见，在水流加速上升时期，水流运动的主要任务，是较快地将床层学起，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：
水流减速上升时期或称上升末期
上升水流在。
π/2～π周期内，水流运动的特点是；水流上升，但速度愈来越小，由最大值降到零，速度方向仍向上为正；水流加速度由零到负的最大值，其方向问下。
这时在水流动力作用下床层继续上升，松散度逐渐达到最大。
矿粒在此期间的上升速度已开始逐渐减慢，甚至一部分粗粒高密度矿粒在这期间已转而下降。
由于颗粒运动惯性的作用，物料上升速度比水流上升速度减小得慢，致使矿粒和水流问的相对运动速度变小，以至在某一瞬间它们的相对速度降低到零。
此后，水流与矿粒间的相对速度还要再次逐渐增大，但与上升初期相比，仍然保持在较小的范围内。
因此，在这一期间，矿粒的粒度和形状对按密度分层的影响较弱，而且，若是上升水流的负加速度越小，t2阶段延续的时间就越长，密度对矿粒运动状态起主导作用的时间也就愈长，故对按密度分层的效果就会愈好。
总之，水流在整个上升期间，所肩负的使命，是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。
因此，上升水流作用的时间（t1＋t2）应尽量长些为宜，并且床层的松散过程，以先从床层上下两层扩展，故要求上升水流的运动特性，最理想的是开始短而速，尔后长而缓。
（三）t3阶段：
水流加速下降时期或称下降初期
水流运动到π～3π／2周期内，水流运动特点是：
水流下降，下降速度越来越快，速度方向向下，加速度方向也向下。
在这期间，床层虽然还处于松散状态，但因水流运动方向已转而向下，故床层状况的发展趋势，是将逐渐趋于紧密。
此时，一部分高密度的粗颗粒在下降水流出现之前已开始沉降，而另一部分密度小粒度又细的矿粒，则由于本身的惯性，在下降水流的前期还在继续上升，不过上升速度已经缓慢。
随着下降水流速度的逐渐增大，前一类矿粒与介质间的相对速度必然渐趋变小，甚至达到某一瞬间而成零。
后一类矿粒尽管在初期是顶着下降水流作上升运动，但是由于这时矿粒运动速度都比较小，所以与水流之间的相对速度也低，随着下降水速的增大，这些矿粒将逐渐转为下降，基于它们是受水流及重力的双重作用，其下降速度将比水流速度增加更快，这就使得相对速度进一步降低，而且很快由小于水速转而追上水速。
由此可见，在t3阶段，矿粒与介质之间的相对运动速度是较低的，这就有利于矿粒按密度分层。
显然，如果在下降初期介质流速增加得过快，很有可能使与矿粒之间的相对速度变大，故从这个意义上说，在下降初期，应使水流加速度较小，t3时间宜长些为佳，即下降初期水流特点应是长而缓。
但是应当注意，在这个阶段，床层下部高密度的大颗粒，已逐渐落到筛板上，速度很快为零。
整个床展在下降介质流中渐渐紧密起来，机械阻力猛增，粒度大密度高的矿粒首先失去活动性；而粒度小的矿粒，则在逐渐收缩的床层间隙中继续朝下运动，这就是吸啜作用：
显然，由于吸啜作用的存在，可使高密度细颗粒落入床层底部，从而获得它应有的归缩。
由此可见，尤其对分选不分级或宽粒级物料，吸啜作用是必不可少的。
它即是按密度分层过程的延续，又是分层过程的补充。
为了加强吸啜作用，水流应是短而速。
这就与前面分析产生了矛盾，顾及两方面要求，下降初期水流长而缓应适度。
（四）t4阶段；水流减速下降时期或称下降末期
水流运动进入3π/2～2π周期内，水流运动特点是：
水流继续下降，但速度越来越小，由最大绝对值降到零；加速度方向向上，由零增加到最大值。
在这段时间年它包括床层恢复到筛面后的整个阶段，渡阶段的特点是床层比较紧密，分层过程几乎完全停止。
但由于下降水流依然存在，使得一些细矿粒在下降水流的吸啜作用下，仍然可通过床层的间隙向下移动，从而使在前期被冲到上层的高密度细矿粒行至床层下方，甚至穿过筛孔进入跳汰机底部，成为重产物排出，改善了分层效果。
但是，倘若下降水流的吸啜作用过强，作用时间过长，也会使一部分低密度的细矿粒进入底层，导致分选效率下降。
因此，在下降末期，吸啜作用应加以适当控制。
再有，床层经历该阶段时间过长，则在一个跳汰周期中不起主要分层作用的时间占得过多，其结果势必使跳汰机的处理能力降低。
此外，如果在此期间床层收缩得过于密集，将使床展在下一个跳汰循环中，不易很快松散，同样也降低跳汰机的处理能力。
总之，水流在整个下降期间，它所肩负的任务，是使床层的松散时间尽可能延长让分层过程得以充分进行；但当分层完毕后，下降水流也应尽快停止，既可防止低密度物混入高密度物中去，又可避免使床层过度紧密。
故整个下降水流，初期应适度长而缓，末期应尽量短而速、原有跳汰周期一旦完结。
应立即开始一个新的跳汰周期。
从上述跳汰周期特性对床层松散与分层的作用可以看出，活塞跳汰机水流运动特性，
并非是理想的跳汰周期。
因为判断一个跳汰周期的水流特性是否合理，一般要从三个方面看，一是对床层的尽快松散是否有利；二是对技密度分层作用的效果；三是针对原料性质的特点，对吸啜作用的影响。
三、跳汰周期的合理选择
通过上述分析，在实际的生产过程中，使用跳汰方祛选矿，首先提出的是一个如何合理地确定跳汰周期特性的问题。
显然，该问题的核心是在跳汰过程中，如何突出密度的主导作用，从而能获得最佳的分选工艺效果。
但是，实现按密度分选的先决条件，是床层在水流作用下，能呈现良好的松散状态。
为此，首先要分析床层松散过程的机理；然后研究影响跳汰周期的两个主要参数的作用；在此基础上，寻求合理确定跳汰周期的水流特性时，如何考虑与其相关的几个客观因素，从而最后解决合理选择水流特性的问题。
（一）垂直水流作用下底层松散过程的机理
床层松散是矿粒得以按密度大小进行分层的前提，松散不足，性质不同的颗粒就难以相互易位，甚至丧失分层的可能。
可以说：
跳汰机内，床层的松散状况，不但决定着床层分层的好坏。
而且还决定着床层的分层速度。
一般，床层松散度大，分层速度也快。
由于只有当床层处于松散状况下，才有利分层过程的进行。
因此，在一个跳汰周期中，应尽快使床层松散，并设法延长床层处于松散状况的时间。
为此，在跳汰周期初期，加速床层由紧密变成松散的过程，而当床层达到适当松散后，便设法维持它的状况，减慢床层由松散转为紧密的沉降过程。
但在床层紧密后，应迅速地令水流开始一个新的跳汰周期，决不允许在两个跳汰周期之间，有过长的停顿时间。
当跳汰周期T过长（即水流运动频率过低），可能出现两个跳汰周期之间床层停顿时间过长，或水流运动特性不当。
分选时，床层的松散过程，可能出现以下的三种状况：
（1）在上升水流作用下，如果床层承受的动压力不足以克服床层在介质中所受的重大，则床层不可能被举起，松散过程始于上层，然后自上而下逐渐扩展，下层松散最晚，而且也最紧密。
它发生在肝升水流作用时间长，水流加速度小时，松散过程进行缓慢。
（2）在上升水流作用下，由于水流加速度较大，床层所承受的动压力大于床层在介质中的重力时，床展被整个举起而离开筛面。
床层上面是自由空间，而床层下而此时也形成了一个自由空间。
于是床层自上而下两头同时扩展进行松散，床层的中间层比较紧密而且松散得也最晚。
这种松散过程进展得很快，它发生在上升水流加速度较大作用时间又很短的情况下。
但应注意的是，在这种情况下，即使床层被整个托起，为了使床层得到充分松散，不应使水流立即转为下降，应使上升和下降之间有一个缓慢过渡。
否则，床层将像活塞～样，只是上下运动，没有时间松散，就更不可能分层。
（3）当上升水流速度和加速度过大过猛时，跳汰周期一开始，床层就被举起。
于是床层的松散过程是下部首先开始，而上层松散最晚，上层也最紧密，故松散过程进行得缓慢。
实践证明，上述三种松散状况中，以第二种松散状况为最理想，床层松散快，分选效果也好。
从上述对床层松散状况的描述中可知，床层松散是由于上升水流的运动速度和加速度所造成的。
具有一定速度和加速度的水流；作用于床层，使床层被举起而运动，在床层运动过程中，由于矿粒的密度和粒度各异，致使上升的距离有别。
密度大的、粒度粗的物料，上升的高度就小；密度小的、粒度细的物料，上升高度就大，于是使床层呈现松散状态。
再有，当水流穿透床层时，由于矿粒的阻挠，产生了大量的涡流，而这些涡流又转变为压力作用于矿粒上，流体动力学称其为涡流撞击压力作用，导致矿粒呈现出不规则的旋转，由于矿粒旋转运动的产生，也促使了床层的松散。
因此，可以认为，床层松散过程的机理，是上升水流产生的动压力与床层内涡流的撞击压力综合作用的结果。
（二）跳汰振幅和跳汰频率
床层的松散与分层和跳汰周期特性关系很密切，跳汰周期特性恰当与否，直接关系到床层u散与分层的效果。
但是影响跳汰周期的因素很多，如跳汰振幅、跳汰频率、床层的厚薄、物料性质（密度组成、粒度组成及形状）、跳汰机结构、脉动源的类型（活塞、隔膜、压缩空气等）、采用压缩空气为脉动源时的风阀特性及风水制度等。
实际上，所有影响水流特性的因素，也都影响床层的松散与分层。
在此，仅讨论跳汰振幅及跳汰频率给予床层的影响，因两者是相互关联的。
至于其它诸因素将在跳汰机及其操作工艺中进行分析。
1．跳汰振幅
跳汰周期若已定，跳汰频率也是定值，水流运动的振幅A体现着水流运动的速度。
一般认为上升水流的速度u。
应大于或等于低密度物中最大颗粒的悬浮速度。
对于床层而言，跳汰振幅A的大小，决定着床层松散时的空间条件。
根据经验，一般，被选物料粒度粗、密度高，则水流运动的振幅也应大。
例如，跳汰选煤，一做要求振幅A应大于被选物料最大块粒度的0．5～2倍；对于选分金属矿石，由于其密度高，故振幅A相应也要大些。
国内跳汰分选钨锡矿石时，物料粒度在12～16mm时，采用的振幅为8～10mml；物料粒度小于3mm时，振幅则在4～6mm的范围内。
若振幅过大，床层有过度松散的可能，致使容积浓度变小，在分层过程中，粒度和形状带来的不利影响增加；振幅过小，床层松散时的空间条件不足，密度不同的矿粒难以相互易位，也不利于技密度分层。
振幅的大小，应根据实际情况而定，它与物料粒度、密度以及床层厚薄、处理量多少等因素有关。
2．跳汰频率
垂直交变水流的跳汰频率n和振幅A，综合地决定了水流运动的速度。
和加速度ú。
一般，增加振幅A，水流运动速度。
增加明显；而增高频率。
；则对于水流运动的加速度a影响显著，u大ú也大。
跳汰选煤时，上升水速多在14～22cm／s之间，而水流运动的加速度h一般都小于重力加速度g，约为0．1～0．9g之间。
如何有利于床层的松散与分层，频率和振幅应绕一考虑。
其基本关系是：
振幅大时，频率应低；振幅小时，频率可高。
选煤用的跳汰机，绝大多数是以压缩空气作为脉动源。
当分选宽粒级或不分级煤时，若采用滑动风问，频率在70次／min左右；如采用旋转风阀，则频率多在38～68次／m1n范围内。
当分选0．5～13mm末煤时，其频率为59～105次／min。
曾有人认为，使跳汰机机械运动频率与水流自然振荡频率（固振频率）一致为最佳选择，即共振条件下，此时频率为45～47次／min，但这仅对不分级跳汰选煤为宜。
当根幅、周期及床层厚度等一定时，水流跳动频率的增加，床层的松散度将显著减小。
在实际生产过程中，频率一经确定，日常生产就不再变化。
（二）跳汰周期特性的合理选择
1、确定跳汰过程的跳汰周期特性时，应建立以下三点认识：
（1）不存在适合任何情况下的最佳万能跳汰周期；
（2）选择跳汰周期时，必须充分考虑物料的性质（粒度组成及密度组成）以及对产品质量的要求；
（3）水流运动特性虽然是跳汰过程中一个极重要的因素，但并非唯一的因素，它还应该与跳汰的其它因素密切配合，才能获得最大的效果。
2、选择跳汰周期特性时遵循原则：
（l）水流在上升初期，床层被举起的高度，决定分选过程中床层的松散程度；为了保证床层在整个分选过程中，按密度分层得以充分进行，水流必须将床层举到一定高度；其高度以多大为宜，须经试验确定。
（2）上升初期煤粒与水流之间的相对速度较大，对按密度分层不利。
因此，尽可能缩短该阶段所经历的时间，使床层在此期间内保持较小的松散度，即应尽快将整个床层托起。
为此，增大水流速度或加速度都可以起到床层被迅速举起的作用。
但是增大水速不如增大水流的加速度有利。
因用大水速的办法，床层难以保持较小的松散度，还导致煤粒与水间相对速度的增大。
因此，在上升初期，以采用短而速的上升水流为直。
（3）上升初期床层被迅速举起后，为使床层能够很快松散，水流加速度要缓慢地减小，水流变化应该是长而缓。
（4）上升末期和下降初期床层最为松散，为了使分层进行充分，应延长这段时间，并在这段期间内，尽量使煤粒与介质间保持最小的相对运动速度。
但下降初期对于不分级煤炭的分选，也是吸啜作用为主要阶段，但下降初期的水流运动，苦过长过缓，导致吸啜作用消弱，所以水流在下降初期长而缓应适当。
（5）下降末期大部分床层已经紧密，分层作用几乎完全停止，所以这段时间以短为佳。
但是吸吸作用还没完结，对于不分级煤又是必不可少的分层过程的补充和延续。
因此，应根掂原煤性质，适当控制吸啜作用的强度及其延续的时间，其目的是一方面确保高密度细颗粒能够充分被吸啜到底层，另一方面应防止低密度细粒精煤损失到矸石中去。
思考题：
1、跳汰选矿优缺点；
2、跳洗机内垂直交变水流的运动特性；
3、跳汰周期的选择。
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