矿物加工实验技术.docx
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矿物加工实验技术
《矿物加工实验技术》
实验指导书
武汉工程大学
环境与城市建设学院
二00四年六月
实验守则
一、细粒物料粒度组成筛分分析
二、物料可磨度测定
三、松散物料密度组成测定及数据分析
四、异类粒群悬浮分层的规律研究
五、细粒物料螺旋分选
六、摇床分选
七、物料的静电分选
八、磁性物料的分选回收
九、散体物料磁性物含量测定
十、材料表面润湿接触角测定
十一、最大泡压法测定液体的表面张力
十二、小浮选实验
十三、微细矿物油团分选
十四、悬浮液絮凝沉降特性研究
十五、悬浮液过滤特性试验
十六、简振系统动力学试验
（一）细粒物料粒度组成筛分分析
一、试验目的
学习使用振筛机对松散细粒物料进行干法筛分的方法；学习筛分数据的处理及分析方法，研究、确定、分析物料的粒度组成及分布特性；学习、训练利用筛分试验结果数学分析及粒度特性曲线分析。
二、基本原理
松散物料的筛分过程主要包括两个阶段：
1.易于穿过筛孔的颗粒和不能穿过筛孔的颗粒所组成的物料层到达筛面；
2.易于穿过筛孔的颗粒透过筛孔。
实现这两个阶段，物料在筛面上应具有适当的相对运动，一方面使筛面上的物料层处于松散状态，物料层将按粒度分层，大颗粒位于上层，小颗粒位于下层，易于到达筛面，并透过筛孔；另一方面，物料和筛子的运动都促使堵在筛孔上的颗粒脱离筛面，有利于其它颗粒透过筛孔。
松散物料中粒度比筛孔尺寸小得多的颗粒在筛分开始后，很快透过筛孔落到筛下产物中，粒度与筛孔尺寸愈接近的颗粒（难筛粒），透过筛孔所需的振筛机时间愈长。
一般，筛孔尺寸与筛下产品最大粒度具有如下关系
（1-1）
式中d最大——筛下产品最大粒度，mm；
D——筛孔尺寸，mm；
K——形状系数。
K值表
孔形
圆形
方形
长方形
K值
0.7
0.9
1.2~1.7
通常用筛分效率E来衡量筛分效果，其表示如下：
（1-2）
式中E——筛分效率，％；
a——入料中小于规定粒度的细粒含量，％；
b——筛下物中小于规定粒度的细粒含量，％；
q——筛上物中小于规定粒度的细粒含量，％。
三、仪器设备及材料
1.振筛机一台，摇动次数221次/min，振动次数147次/min；振筛仪1台；
2.标准套筛，直径200mm，孔径0.5、0.25、0.125、0.075、0.045mm的筛子各一个，底、盖一套；
3.托盘天平一台，称量200~500g，感量0.2~0.5g；
4.中号搪瓷盘6个，中号搪瓷盆6个；大盆2个；
5.-0.5mm散体矿样若干（煤泥、石英沙、磁铁粉各400g）；
6.制样铲、毛刷、试样袋。
四、实验步骤与操作技术
（以煤泥干法筛分为例，湿法小筛分仅做演示）
1.学习设备操作规程，熟悉实验系统；
2.接通电源，打开振筛机电源开关，检查设备运行是否正常；确保实验过程的顺利进行及人机安全；
3.将烘干散体试样缩分并称取80g；
4.将所需筛孔的套筛组合好，将试样倒入套筛；
5.把套筛置于振筛机上，固定好；开动机器，每隔5min停下机器，用手筛检查一次。
检查时，依次由上至下取下筛子放在搪瓷盘上用手筛，手筛1分钟，筛下物的重量不超过筛上物重量的1％，即为筛净。
筛下物倒入下一粒级中，各粒级都依次进行检查；
6.筛完后，逐级称重，将各粒级产物缩分制成化验样，装入试样袋送往化验室进行必要的分析；
7.关闭总电源，整理仪器及实验场所；
8.实验指导教师进行湿法筛分的过程演示及注意事项讲解。
五、数据处理、实验报告
1.将试验数据和计算结果按规定填入散体物料筛分试验结果表中。
2.误差分析：
3.筛分前试样重量与筛分后各粒级产物重量之和的差值，不得超过筛分前煤样重量的2.5％，否则试验应重新进行。
4.算各粒级产物的产率，%；
5.绘制粒度特性曲线：
直角坐标法（累积产率或各粒级产率为纵坐标，粒度为横坐标）、半对数坐标法（累积产率为纵坐标，粒度的对数为横坐标）、全对数法坐标法（累积产率的对数为纵坐标，粒度的对数为横坐标）；
6.分析试样的粒度分布特性；
7.编写实验报告。
表1.1松散物料筛分试验结果记录表
试样名称______试样粒度______毫米试样重量____克
试样来源______试样其它指标：
试验日期_____
粒度
重量
产率
正累积
负累积
mm
网目
g
%
%
%
+0.5
0.5~0.25
0.25~0.125
0.125~0.074
0.074~0.045
-0.045
合计
误差分析
试验人员：
日期：
指导教师签字：
六、思考题
1.影响筛分效果的因素有哪些？
湿法与干法筛分的效率有何差别？
2.如何根据累积粒度特性曲线的几何形状对粒度组成特性进行大致的判断？
3.举出几种其它的微细物料粒度分析方法，并说明其基本原理和优缺点；
4.查阅文献，举出几种常用的超细粉体分级设备，简述其原理及特点；
教学指导
1.引导学生对筛分效率公式中各指标实际意义的理解；介绍限上率和限下率的概念；
2.让学生讨论只进行细粒级的检查是否可以？
此问题的讨论主要让学生进一步理解难筛粒的概念；
3.引导学生结合数理统计、及高等数学知识分析频率曲线和累积粒度曲线的数学关系、正负累积的数学关系；
4.适当介绍常用的粒度分布方程并分析各自的特点；
5.建议感兴趣的同学验证Rosin-Rammier方程，并确定所研究物料的均匀常数。
Rosin-Rammier方程
R（X）为筛上累积；x、xa、分别为颗粒大小及筛下累积百分率为63.2%时的颗粒尺寸；n为被测物料的特征常数，也称均匀性常数。
（二）物料可磨度测定试验
一、实验目的
了解实验室磨碎设备的基本原理和结构，学习物料可磨度的常用评价方法，掌握绝对可磨度的测定方法，训练磨矿数据的处理、分析能力。
二、基本原理
用所测出的磨矿设备单位容积生产能力或单位耗电量的绝对值来度量物料的可磨度，叫绝对可磨度。
开路法是将一定数量的平行试样在所需的磨矿条件下，依次分别进行不同时间的磨矿，然后将每次的磨矿产物用套筛进行筛分，建立磨矿时间与磨矿产品各粒级累积产率的关系，从而找出将物料磨到目标细度（如按-75微米含量计算）所需要的磨矿时间T。
磨机的单位生产能力即绝对可磨度，有两种表示方式：
1）按给料量计算，可表示为：
其中：
ｑ＿在指定的给料和产品粒度下，按给料量计算的单位容积生产能力（ｇ／１ｈ）；
Ｇ＿试样原始重量，ｇ；
试验用磨矿机体积（）；
磨到目标细度所需要的磨矿时间min；
2）按单位容积新生的目标细度（如-75微米）产品计算应为：
ｑ按新生微米产品量计算的单位容积生产能力g/1.h；
g新生微米含量，（）。
三、仪器设备与材料
1.仪器：
实验室磨机、标准套筛、振筛机、天平
2.工具：
试样盘（盆）6，毛刷1、试样铲1、缩分器1、缩分板2、秒表
3.材料：
3~0.5毫米无烟煤（磁铁矿、铜矿、石灰石、蒙脱石）2Kg、试样袋
四、实验步骤与操作技术
1.学习设备的操作规程；检查所用磨矿设备是否运转正常，确保实验过程的顺利进行和人机安全。
2.缩制3份平行样（烘干样），每份100克待用；
3.依次将每份试样装入磨机进行磨碎，磨碎时间分别为T1、T2、T3分钟；
4.将磨矿产品全部清理收集，用标准套筛筛分；
5.对每一层筛上物进行称重，记录相关数据；
6.注意事项：
实验过程应保证每次磨矿入料的性质、磨矿条件的平行；每次磨矿结束应将磨矿机清理干净，磨矿产品全部进行筛分；
7.清理实验设备，整理实验场所。
五、数据处理及实验报告
a.将实验数据记录于下表；
磨碎实验数据记录表
样品名称：
样品粒度范围：
序号
1
2
3
磨碎时间T（min）
产率
粒度级mm
重量
g
产率%
重量g
产率%
重量
g
产率%
合计
入料重量g
误差
实验人员：
日期：
指导教师签字：
b.计算目标产品的产率，分析物料粒度组成与磨矿时间的变化关系；
c.绘制-75微米的产率与磨矿时间的关系曲线；
d.计算ｑ；
e.编写实验报告。
六、思考题
1.本实验过程中，如何保证各次磨矿结果的可比性？
2.参考相关文献，试列举几种其他的物料可磨度评价与测定方法。
3.解释闭路磨矿和开路磨矿的概念及两种磨矿方式的特点。
4.影响磨矿效果的因素有哪些。
教学讨论：
1.向学生介绍磨介级配的概念及意义。
2.引导学生注意对磨碎理论的理解与认识。
（三）粒群密度组成与重选可选性分析
一、试验目的与意义
学习粒群密度组成测定的基本原理与方法；了解浮沉液的配制方法；学习浮沉数据的处理与重选可选性曲线的绘制、分析方法。
二、基本原理
当散体物料置于一定密度的重液中时，根据阿基米德定律，密度大于重液密度的颗粒将下沉（沉物），密度小于重液的颗粒则上浮（浮物），密度与重液密度逼近或相同的颗粒处于悬浮状态。
对重力选矿来说，矿石密度与矿石品位之间具有很强的相关性，这也是采用重力分选获得较高品位（质量）矿物产品的依据。
根据上述原理，使用特制的工具在不同密度的重液中捞起不同密度物料的的试验即为浮沉试验。
浮沉实验根据所处理的粒度范围分为小浮沉和大浮沉。
对重力选矿来说，矿样可按下列密度分成不同密度级：
1.30、1.40、1.50、1.60、1.70、1.80、2.00kg/L….。
重液密度可依据下式计算（密度瓶法）：
式中
G1——空密度瓶重量，kg；
G2——注水后密度瓶与水的总重量，kg；
G3——注满待测重液时密度瓶和待测重液的总重量，kg；
D——待测重液的密度，kg/L；
Dw——水的密度（取1），kg/L。
也可用密度计直接测量。
三、仪器设备及材料
1.浮沉试验主要设备：
密度计（1套）、台秤（1公斤）、大浮沉器具（1套）、小浮沉器具（1套）、天平（1套）；
2.6－3mm级浮沉试样4公斤；-0.5毫米煤泥60克；
3.中号试样盘（盆）若干；
4.氯化锌、四氯化碳、苯（或三溴甲烷）。
密度计使用示例
四、实验步骤与操作技术
（以测定煤炭密度组成的大浮沉为例，小浮沉由实验员演示）
1.重液配置
煤炭浮沉试验常用氯化锌配制重液，其优点是易溶于水、易配制、价廉等，缺点是腐蚀性较大。
配制各种密度的氯化锌重液可参考表3.1进行，并用密度计反复测量，使重液密度准确到0.003kg/L。
2.将已配制的重液装入重液桶并按密度大小顺序排列，桶中重液的液面不低于桶上缘350mm。
最低密度重液分别装入两个重液桶，一个作浮沉试验用，另一个作为缓冲液（考虑为什么？
）。
表3.1重液配制表
药剂
水、氯化锌
四氯化碳、苯
四氯化碳、三溴甲烷
重液密度
水溶液中氯化锌重量百分比
四氯化碳和苯
体积，%
四氯化碳和三溴甲烷
体积，%
Kg/l
%
四氯化碳
苯
四氯化碳
三溴甲烷
1.3
31
60
40
1.4
39
74
26
1.5
46
89
11
98
2
1.8
52
79
21
2.0
63
59
41
3.称4kg煤样放入网底桶内，用水洗净附着在煤块上的煤泥，滤去洗水再进行浮沉试验。
收集冲洗出的煤泥水，用澄清法或过滤法回收煤泥，然后干燥称重，此煤泥称为浮沉煤泥。
4.将网底桶（装有洗好的煤样）放入缓冲液中浸润一下，提起并斜放在桶边上滤尽重液，再放入做浮沉用的最低密度的重液桶内，用木棒轻轻搅动或将网底桶缓缓地上下移动，然后使其静止分层，分层时间不少于下列规定：
A．粒度大于25mm时，分层时间为1~2min；
B．最小粒度为3mm时，分层时间为2~3min；
C．最小粒度为1~0.5mm时，分层时间为3~5min。
5.小心地用捞勺按一定方向捞取浮物。
捞取深度不得超过100mm。
捞取时应注意勿使沉物搅起混入浮物中。
待大部分浮物捞出后，再用木棒搅动沉物，然后仍按上述方法捞取浮物，反复操作直到捞尽为止。
捞出的浮物倒入盘中，并做好标记。
6.把装有沉物的网底桶缓慢提起，斜放在桶边上滤尽重液，再放入下一个密度的重液桶中，用同样方法逐次按密度顺序进行。
直到该煤样全部试验完为止，最后将沉物倒入盘中。
7.各密度级产物分别滤去重液，用水冲尽产物上残存的重液（最好用热水冲洗）。
然后放入温度不高于100°C的干燥箱内干燥，干燥后取出冷却，达到空气干燥状态再进行称重。
注意事项:
（1）浮沉试验所用重液是具有腐蚀性的液体，在配制重液和进行试验过程中应避免与皮肤接触，要戴眼镜、穿胶鞋、围胶皮围裙等。
（2）在整个试验过程中应随时用密度计测量和调整重液的密度，保证重液密度值的准确。
（3）试验中注意回收氯化锌溶液。
（4）浮沉顺序一般是从低密度级向高密度级进行。
如果煤样中含有易泥化的矸石或高密度物含量多时，可先在最高密度重液内浮沉。
捞出的浮物仍按由低密度到高密度顺序进行浮沉。
8.小浮沉试验过程演示（实验员讲解、操作）。
五、试验数据的记录及整理
1.各密度级产物和煤泥烘干后分别称重，将数据记入表中；
2.将各级产物和煤泥分别缩制成分析煤样，测定其灰分；当原煤硫分超过1.5％时，各密度级产物应测定全硫。
浮沉试验报告表
浮沉试验编号：
试验日期：
年月日
煤样粒级：
mm煤样灰分：
％
全硫：
Sr.d％煤样重量：
kg
密度级
重量
产率
质量
累积
+0.1含量
Kg/l
kg
占本级
占全样
灰分%
浮物，%
沉物，%
%
<1.3
1.3~1.4
1.4~1.5
1.5~1.6
1.6~1.8
>1.8
合计
浮沉煤泥
总计
1.误差分析：
1）数量误差分析：
浮沉试验前空气干燥状态的煤样，重量与浮沉试验后各密度级产物的空气干燥状态重量之和的差值，不得超过浮沉试验前煤样重量的2％，否则该试验应重新进行。
2）质量指标误差分析（不同对象对应有不同的要求，具体请参考有关标准）。
2.绘制可选性曲线：
说明每条曲线的物理意义及使用方法；
3.编写实验报告。
六、思考题
1.小浮沉使用离心机的目的是什么？
举例说明离心分离在固液分离领域的其它应用。
2.浮沉试验在重选生产实践中有哪些作用？
3.查阅文献，加强对理论分选密度、实际分选密度、错配物、分配率、+0.1含量等概念的理解。
4.设计：
设计一套考察某重选（重介旋流器、跳汰机等）设备分选效率的实验方案，绘制工作流程图，给出各环节的注意事项。
教学讨论：
1.本实验的操作过程比较简单，强调注意事项后，将重点放在数据处理与分析上（手工绘制可选性曲线）。
2.对几种常用的可选性曲线类型进行介绍：
亨利曲线、迈耶尔曲线、米特罗方诺夫曲线。
3.介绍重液、重悬浮液的特点及实际应用。
常用的加重质及特性如下表：
加重质
比重
可能达到的最大悬浮液比重
莫氏硬度
重晶石
4.4
2.2
3.0~3.5
磁黄铁矿
4.6
2.3
3.5~4.5
黄铁矿
5.0
2.5
6.0~6.5
磁铁矿
5.0
2.5
5.5~6.5
砷黄铁矿
6.0
2.8
5.5~6.0
细磨硅铁
6.9
3.1
7.0
方铅矿
7.5
3.3
2.5~.75
4.指导有兴趣的学生探讨采用非浮沉法确定粒群密度组成的可能途径。
（四）异类粒群悬浮分层的规律研究
一、目的意义
观察和研究异类粒群在上升水流中的悬浮分层现象和规律。
验证异类粒群悬浮分层的临界水速公式，加深对干扰沉降基本规律的理解。
二、基本原理
异类粒群的悬浮分层有两种观点：
即里亚申科的相对密度悬浮分层学说与张荣曾等提出的重介质分层学说。
前者认为粒群所构成的悬浮体在密度方面具有与均质介质相同的性质，当两种悬浮体彼此混合时，与两种密度不同的均质介质混合一样，在上升水流作用下，始终是密度高的悬浮体集中于下层，密度低的悬浮体集中与上层。
第二种观点则认为粒度比小于自由沉降比的异类粒群悬浮分层，遵循动力平衡原理，即在上升水流作用下，是按干扰沉降速度分层的，干扰沉降速度大者在下层，干扰沉降速度小者在上层。
而粒度比大于自由沉降等沉比的粒群分层过程是按重介质作用分层的。
即较轻颗粒的浮沉取决于重颗粒与水所组成的悬浮液的物理密度。
若轻颗粒的密度小于重颗粒与水组成的悬浮液的密度，则轻颗粒在上层，否则在下层，若两者密度相等，则混杂。
实验过程的有关公式如下：
，克/厘米3
固体容积浓度，
管内断面流速为：
，厘米/秒
临界水速：
里亚申科公式：
，厘米/秒；
张荣曾公式：
，厘米/秒；
，厘米/秒；
其中：
v01、v02为煤及石英在水中的自由沉降末速，厘米/秒；d1d2分别为煤粒及石英颗粒的密度，克/厘米3；n为颗粒形状修正指数，近似取3.5；r为水的密度，取1克/厘米3。
三、仪器设备与材料
1.直径为56毫米、长度1.5米有机玻璃干扰沉降管1套；
2.秒表、钢卷尺、天平、500毫升量筒各1个；
3.0.25！
0.3毫米石英沙（密度2.65克/厘米3）200克；
4.密度1.35~1.4克/厘米3煤，其中2~2.5毫米40克，粒度0.5~0.6毫米30克。
5.0.01~0.02%的水玻璃溶液。
四、实验步骤与操作技术
1.粒度为0.25~0.3毫米的石英沙50克和0.5~0.6毫米的煤30克，均匀混合后加入沉降管，颗粒全部沉积后，缓缓开大阀门，使物料悬浮，由小到大改变水速，观察、记录、分析分层现象；
2.将上述物料倒出，然后加入0.25~0.3毫米的石英沙150克、2~2.5毫米煤粒40克混匀后加入沉降管。
待颗粒全部沉积后缓慢开水阀，观察、记录分层现象。
水速较小时，煤粒在上层，但水速继续增大时，分层现象消失；进一步增大水速，煤粒反而处于下层。
分层现象消失的水速即为临界水速ma临，用秒表及量筒测定临界水速，并在临界水速左右改变水速4次。
每一水速稳定后，测定流量Q，记录分层情况并测定悬浮高度h1、h2，计算此时的上升水速ma及悬浮体的密度r悬1、r悬2。
沉降管
五、实验数据处理与实验报告
1.将实验数据及现象记录于下表；
序号
上升水流
上升水速
试样名称
试样重量
悬浮高度
悬浮体密度
分层现象
1
2
3
4
5
2.根据异类粒群（粒度比大于自由沉降比）在上升水流中的悬浮分层结果。
计算对应于每一水速的r悬1、r悬2，以及r悬2与d1之间的关系，并进行分析。
3.根据实验条件，计算临界水速理论值，并与实际比较并分析。
4.编写实验报告。
六、思考题
1.研究沉降理论有何实际意义？
举例说明沉降分离技术的应用。
2.何谓干扰沉降？
何谓自由沉降？
3.离心沉降与重力沉降有何不同？
举例说明离心沉降规律的实际应用。
教学讨论：
1.实验过程应加强学生对等沉比概念的理解？
让学生注意流体介质中按密度分选过程中粒度的影响或按粒度分级过程中密度的影响。
2引导有兴趣的同学探讨沉积法进行粉体粒度分析的原理与装置，分析影响分析精度的因素。
（五）细粒物料螺旋分选试验
一、目的
了解螺旋分选机的结构和工作原理，观察物料在螺旋分选机中的运动状态与分离过程。
了解螺旋分选试验的基本操作过程，了解影响螺旋分选的主要因素。
二、基本原理
螺旋分选过程主要涉及水流在螺旋槽面上的运动规律、物料颗粒在螺旋槽面上的运动规律及颗粒在运动过程的综合受力规律。
在螺旋槽面的不同半径处，水层的厚度和平均流速不同。
愈向外缘水层越厚、流速愈快。
给入的水量增大，湿周向外扩展，但对靠近内缘的流动特性影响不大。
随着流速的变化，水流在螺旋槽内表现为两种流态，即靠近内缘的层流和外缘的紊流。
在流动过程中，水流具有两种不同方向的循环运动。
其一是沿螺旋槽纵向的回转运动；其二是在螺旋槽内外缘之间的横向循环运动。
两种流动的综合效应使上下水层的流动轨迹不同。
由于横向循环运动的存在，在槽内圈水流表现有上升的分速度，而在外圈则具有下降的分速度。
颗粒在槽面上的运动同时受重力、惯性离心力、水流的推动力及摩擦力的作用。
水流的动压力推动颗粒沿槽的纵向运动，并在运动中发生分散和分层。
由于水流速度沿深度的分布差异，悬浮于上层的细泥及分层后较轻的颗粒具有很大的纵向运动速度，因而也就具有很大的离心加速度。
而位于下层的重颗粒沿纵向运动的分速度较小，相应的离心加速度也较小。
由于上述差异而导致物料颗粒在螺旋槽的横向分层（分带）。
重力的方向始终垂直向下。
由于螺旋槽的空间倾斜，故重力分布除了推动颗粒沿纵向移动外，也促使颗粒向槽的内缘运动。
颗粒的惯性离心力方向与其回转半径相一致，并大致与所处位置的螺旋线的曲率半径重合。
直接与槽底接触的颗粒其所受的摩擦力更加明显。
位于上层的颗粒受水介质的润滑作用摩擦力较小。
微细颗粒呈悬浮态运动，不在有固体边界的摩擦力。
上述各作用的综合结果导致物料颗粒在螺旋中的分选分离经过三个主要阶段：
首先为分层阶段，在紊流作用下，重颗粒逐渐进入下层，轻颗粒逐渐进入上层。
这一阶段在完成1次回转运动后初步完成；第二阶段是分层结束的轻重颗粒的横向展开、分带过程。
离心加速度较小的底层重颗粒向内缘运动；上层的轻颗粒向中间偏外运动，而悬浮的细泥则被甩向最外缘。
流体的横向循环和螺旋面的横向坡度对这种分布具有重要的影响。
随着回转运动次数的增加，不同的颗粒逐渐达到稳定运动的过程；第三阶段即平衡阶段，不同性质的物料颗粒沿着各自的回转半径运动，分选过程完成，此后的运动将失去实际意义。
研究表明，颗粒分层和分带作用区域主要在螺旋横断面的中部，该区域的主要特点是矿浆的浓度基本不变，颗粒与水层之间具有较大的速度梯度。
因螺旋分选机具有工作无需动力，若有高差可实现无能耗工作，操作维护简单，且工作稳定，使用寿命长、基本无需检修等特点，其已广泛适用于铁矿、钛铁矿、海滨砂矿、锡矿、砂金、钨矿等金属矿及煤等非金属矿
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