重力選別と鉱石選鉱：古代の金砂採取から現代の鉱山ソリューションまで

重力選別は、知られている最古の鉱石選鉱技術であり、自然界でも広く実践されています。人類による重力選別の最古の記録は、紀元前1900年頃に古代エジプト人が上ナイル川でパンニングによって金を回収したことにさかのぼります。

重力選別の原理

重力選別は、鉱石中の異なる鉱物種を、それらの比重の差に基づいて重力の力を用いて分離する物理的プロセスです。この重力は、遠心力、流体（空気、水など）による運動抵抗など、1つ以上の他の力によって影響を受けることがあります。したがって、重力以外にも、粒子の大きさ、形状などの要因が相対運動に影響を与え、結果として分離に影響します。遠心作用が重力に与える影響は図1に示されています。重力が増加すると、より小さな粒子の沈降速度が高くなることがわかります。

図1 遠心力が重力に与える影響

重力による鉱石粒子の分離は、主に2つの要因に依存します。(i) 粒子の沈降速度、および (ii) 分離媒質と比較したときの比重の差です。これにより差動沈降速度が生じ、「濃縮基準」と呼ばれます。粒子の沈降速度は「ストークスの法則」によって決まり、k・d²・g・(Ds-Df)で表されます。ここで、kは定数、dは粒子径、gは重力、Dsは固体の比重、Dfは流体媒質の比重です。

「濃縮基準」(CC)は、2つの鉱石粒子の分離のしやすさを示す指標であり、(Dh-Df)/(Dg-Df)で表されます。Dhは鉱石の重い成分の比重、Dfは流体媒質の比重、Dgは鉱石の軽い成分の比重です。一般的に、この商が2.5より大きい場合（正でも負でも）、重力選別は比較的容易です。商の値が減少するにつれて分離効率は低下し、1.25を下回ると重力選別は実用的ではありません。

重力選別の主な方法

重力選別にはいくつかの種類があります。主なものは、(i) ジグ、(ii) ピンチドスルース、(iii) スパイラル、(iv) 揺動テーブル、(v) 微粒子セパレータ（マルチグラビティセパレータ：MGSなど）、(vi) 重力/粒度選別（ハイドロサイザー、ハイドロサイクロンなど）です。

ジグによる選別方法については、別の記事「低品位鉄鉱石の選鉱とジグプロセス」で詳しく説明されています。

ピンチドスルース

ピンチドスルース型重力セパレータは、新世代のスパイラルが登場するまで一部の場所で人気がありました。ピンチドスルースは基本的に傾斜したスロープであり、その上を異なる比重を持つ粒子を含むスラリーが流れます。重力と摩擦力の作用、およびスルーシングデッキの狭まり（ピンチ）により、分離が起こります。より細かく重い粒子は流れる膜の底部に移動し、軽く粗い粒子は上部に移動します。スルースの末端近くのスロット（精鉱取り出し口）により、微細重粒子が軽粗粒子ストリームから除去され、後者はスロットを通過して末端で排出されます。ピンチドスルースには、(i) トレイ型と (ii) ライヒャートコーン型の2種類があります。トレイとライヒャートコーンの分離原理は図2に示されています。

図2 トレイとライヒャートコーンの分離原理

トレイ型が最初に運用され、いくつかのバリエーションがあります。通常、ユニットあたり複数の供給ポイントを持ち、各ユニットに粗選・精選・掃選などの複数の段階があります。トレイの利点は、(i) 目視検査、調整、清掃が容易、(ii) 高い供給密度（63%固形分）で低容量ポンプで済むことです。欠点は、(i) 大きなスペースを必要とし扱いにくい、(ii) 低いアップグレード比（通常3:1）、(iii) 供給の比重管理が必要、(iv) 微粒子の回収率が低い、(v) 供給に篩分けが必要、(vi) スライムに対する耐性が低い、(vii) 複数の供給ポイントと分離面がある、(viii) 精選段階で密度制御用の洗浄水が必要、などです。

ライヒャートコーンは、トレイの改良版です。円錐形で中央に単一の供給ポイントがあり、一般的に複数の段階が垂直に積み重ねられています。より一般的な構成は、(i) 4DS（4段ダブル/シングル）、(ii) 2DSS.DS（2段ダブル/シングル/シングル + ダブル/シングル）で、前者が粗選、後者が精選として使用されます。プロセス変数は、(i) 供給速度（最適値を超えると性能低下）、(ii) 供給密度（60〜63%固形分の範囲で維持、それ以外では回収率または品位が低下）、(iii) インサート設定（1〜9の範囲、開度が大きいほど回収率は高まるが品位は低下）です。利点は、(i) 床面積あたりの高い処理能力、(ii) 高い供給密度（63%固形分）で低容量ポンプで済むことです。欠点は、(i) 低いアップグレード比（通常3:1）、(ii) 供給の比重管理が必要、(iii) 微粒子の回収率が低い、(iv) 供給に篩分けが必要、(v) スライムに対する耐性が低い、(vi) コーンの底部分離面が見えずアクセスしにくい、(vii) 精選段階で密度制御用の洗浄水が必要、などです。

スパイラル

スパイラル濃縮機は、異なる比重を持つ鉱物で構成される鉱石の処理に使用されます。流れる膜による分離装置で、基本的には複雑な断面を持つ傾斜シュートが中心柱に螺旋状に巻かれた構造です。原理は、異なる比重を持つ粒子に作用する重力と遠心力の組み合わせにより、微細重粒子と粗大軽粒子が分離されることです（図3）。これらの力はコーンよりも大きく、通常使用されるより低いスラリー密度と相まって、ピンチドスルースよりも大きなアップグレード比（通常5:1）とより良い微粒子回収を生み出します。スパイラルは様々な傾斜の勾配で製造され、角度は分離比重に影響しますが、精鉱品位と回収率にはほとんど影響しません。

スパイラルユニットは、中心柱を中心に螺旋状に掃かれたプロファイル付きチャネルで構成されます。一般的なスパイラルは3〜7ターンで、直径は0.4〜1メートルの範囲です。一般的な操作は、傾斜面上での連続的な重力層流です。供給混合物は粉砕鉱石と水を混ぜたスラリーで、トラフの上部から重力供給されます。トラフの底部へ向かう途中で、より密度の高い粒子は一般的に内側に、密度の低い粒子は通常トラフの外側部分に流れます。分離メカニズムには一次と二次の流れパターンが関与します。一次流は基本的に重力の下でトラフを流れるスラリーです。二次流パターンはトラフに対して放射状です（図3）。この流れの説明はスパイラル分離理論の中心です。スラリー膜がトラフを流れ下ると、密度の高い粒子はより速く沈降し、二次流の下層によって内側に運ばれ、密度の低い粒子は密度の高い物質の上部に留まり、二次流の上層によって外側に運ばれます。このメカニズムは主に最初の3ターンで起こると報告されています。この初期分離後、ほとんどの水は外縁にあり、固形分含有量最大70%の密度の高い物質の帯が中心柱近くに見られ、中間回収装置またはトラフ末端のスプリッターで除去可能です。流速はトラフ設計と操作に依存し、報告値はトラフの大部分で半径方向に0.1〜0.3 m/s、最外点に向かってより速い流れとなっています。

スパイラルには、鉱石の洗浄を助けるため、スパイラルの様々なポイントで水を追加する必要があります。つまり、粗大軽粒子を微細重粒子から運び去ります。洗浄水の量とスパイラルトラフへの分布は、操作要件に合わせて調整可能です。ポイント制御により、最も効果的な角度で流れるスラリーに効率的に水を導くことで、総水量を最小限に抑えます。適用可能な供給粒度は0.3〜1 mmの範囲です。スパイラルは通常、25〜30%固形分のスラリー密度で運転されます。

図3 スパイラルの分離原理

揺動テーブル

揺動テーブルは長年使用されてきた重力選別装置です。設計はほとんど変わっていませんが、多層テーブル（最大3層）により、床面積あたりの処理能力が向上しました。揺動テーブルは通常、処理能力が低いため精選段階でのみ使用されます。

分離の原理は、傾斜したテーブル上をスラリー（ウェットテーブルの場合）中で移動する粒子が、その比重と大きさに応じて動き、テーブルが本質的に傾斜に対して直角に前後に振動し、デッキに最も近い粒子を保持するリッフルと組み合わさることに基づきます。この動きと構成により、微細で高比重の粒子がデッキに最も近く移動し、リッフルによって運ばれてテーブルの最上部から排出される一方、低比重の粗大粒子はスラリー表面近くを移動または留まり、リッフルを乗り越えてテーブルの最下端から排出されます（図4）。

図4 揺動テーブルの分離原理

ウェットテーブルの場合、粗い供給または細かい供給を処理するために多くのタイプが製造されています。ウェットテーブルの変数は、(i) デッキ角度（角度が急なほど精鉱への重量が少ない）、(ii) ストローク長（ストロークが長いほど横方向の動きが大きく、精鉱への重量が増えるが最大値がある）、(iii) ストローク頻度（同様に、頻度が高いほど横方向の動きが大きく最大値まで）、(iv) スプリッター位置（精鉱ローレのスプリッター位置が精鉱への取り込み重量を決定）、(v) 供給速度と密度（通常、フルサイズテーブルあたり最大2トン/時、密度通常40%固形分、供給の種類と粒子サイズによって異なるが、これを超えると分離が低下）、(vi) 洗浄水（テーブル上部に洗浄水を加えて固形分の流れを助け、低固形分密度を維持、「ドライスポット」を防ぎ、スライムをテーリングに洗い流す）、(vii) リッフル高さ（低いリッフルは細かい供給に適し、逆もまた然り）です。

エアテーブルの場合、名前が示すように供給と分離は乾式で、移動する粒子層がキャンバスデッキを通して吹き込まれる低圧空気によって流動化され、デッキ傾斜、リッフルの不在、テーブルの振動運動とともに、微細軽比重粒子が層の上部に移動し、粗大重比重粒子がデッキに最も近く移動し、後者がテーブルの最下部から排出されます。

鉱物処理用エアテーブルは穀物業界から発展し、一般的に乾式重力選別が他の方法より好まれる特定用途に適応されています。通常、乾式ミルの精選段階で使用されます。エアテーブルの変数には、(i) ウェットテーブルと同様（デッキ傾斜、ストローク長、ストローク頻度、スプリッター）、(ii) 流動化空気流量（流量増加でベッド移動性が最大まで維持）が含まれます。エアテーブルは、前後のプロセスが乾式の場合に有利で、追加の熱乾燥の必要性を排除します。

揺動テーブルの利点は、(i) 正しく使用すれば高度に選択的で高いアップグレード比、(ii) 分離を観察し調整できることです。欠点は、(i) 低処理能力、(ii) 大きな床面積必要、(iii) 頻繁なオペレーターの注意、チェック、調整が必要、(iv) 供給に粒度調整が必要、です。

微粒子セパレータ

重力回路のより多くの使用への欲求と、より微細な粒子を回収する必要性により、スパイラルなどで効率的に回収するには一般的に微細すぎる粒子を回収するための特定装置が開発されました。その2例がファルコン濃縮機とモズレー・マルチグラビティセパレータ（MGS）です（図5）。

図5 微粒子セパレータ

ファルコン濃縮機は、基本的にスルースと連続運転遠心分離機の組み合わせです。高速回転で動作可能で、遠心力により異なる比重を持つ微細粒子を分離できます。回転ボウルの形状は、供給スラリーがボウルを上昇するとき、重い粒子が作用する力に対して軽い粒子より強く反応するようになっています。これにより、重い粒子がスラリーストリーム内でボウルと接触する表面に移動し、軽い粒子は水とともにスラリーの上部に移動する傾向があります。分離は、スラリーの下部（高比重部分）を回収リップ/スロットを通じて除去することで行われ、その流量は制御された方法で開閉する複数のオリフィスによって調整され、精鉱をメインストリームから除去し、テーリングとして排出されます。

ファルコン濃縮機の変数には、(i) 回転速度またはスピン（スピン増加で重力が上昇し、供給への分離力が増加）、(ii) 精鉱オリフィスのパルス周波数（最大まで周波数増加で取り込み重量増加）、(iii) 供給速度と密度（一定の最大値を超える速度と密度で分離が妨げられる）が含まれます。利点は、(i) 15〜20ミクロンの粒子サイズを処理可能、(ii) 比較的シンプルな機械構造で堅牢な設計、(iii) 比較的高い処理能力、(iv) 比較的少ないオペレーター注意で済むことです。欠点は、(i) 通常低いアップグレード比（通常2:1）、(ii) 分離面が見えない、(iii) 精鉱オリフィスの開口サイズ未満に供給を篩分けして目詰まりを防ぐ必要があることです。

MGSは微細サイズ範囲の粒子分離装置です。MGSは最大粒子サイズ約0.5 mmの微粒子処理に適しています。MGSの原理は、従来の揺動テーブルの水平面をドラムに丸め、水平軸を中心に回転させることで視覚化できます。これにより、表面を流れる鉱物粒子に通常の何倍もの強化重力が作用し、揺動テーブルなどの従来のセパレータと比較して微細粒子の処理が改善されます。

前述の通り、MGSは傾斜回転ドラムの遠心運動と揺動テーブルの振動運動を組み合わせ、特に微細粒子に適した強化重力分離を提供します。MGSでの分離原理は、上記の力がスラリーストリームとして供給されドラム内面に分配される粒子に作用することに基づきます。スクレーパーと洗浄水の助けにより、高比重粒子はドラムを上昇してドラム上部リップから排出され、低比重粒子は反対方向に流れ下部ドラムリップから排出されます。

変数には、(i) ドラム回転速度またはスピン（スピン増加で粒子に付与される遠心重力が増加し、粒子がドラムを上昇しにくくなり、取り込み重量が小さくなり精鉱がクリーンになる）、(ii) ドラムストローク長と頻度（限度内で長さと頻度を増やすと粒子をドラム上方に動かす力が増加し、取り込み重量が大きくなり精鉱品位が低下）、(iii) ドラム洗浄水（粒子がドラムを上昇しようとするときのスラリー粒子の洗浄を増やし、よりクリーンな精鉱を生成）、(iv) ドラム傾斜角度（傾斜増加でよりクリーンな精鉱）が含まれます。利点は、(i) 微細粒子（通常-75ミクロン〜+10ミクロン）の非常に選択的な分離、(ii) 高いアップグレード比（通常20:1）です。欠点は、(i) 表面積とスペースあたりの低処理能力（より大容量で物理的に大きな装置も現在利用可能）、(ii) 機械的に複雑で高価、(iii) 一般的に密閉されており分離面が見えない、(iv) ある程度のオペレーター注意が必要、(v) 粗大物質の処理に不向き（供給は篩分け必要）、です。

重力/粒度セパレータ

以下の2つのセパレータ、(i) ハイドロサイザー、(ii) ハイドロサイクロンが例として挙げられます。それらの原理は図6に示されています。これらは重力セパレータというよりは粒度選別装置に近いですが、その性質上、粒子比重と粒子サイズの両方を分離に組み合わせています。

図6 ハイドロサイザーとハイドロサイクロンの原理

ハイドロサイザーは、ティーターカラム分級機の発展形で、タンクの約3分の2の高さにあるマニホールドから注入される水によるタンク内の上昇水流環境において、粒子沈降の原理を用いて微細/軽量粒子と粗大/重量粒子の分離を達成します。これにより、前者がオーバーフローし、後者がアンダーフローします。十分な重量（比重とサイズによる）を持つ粒子は、より低い比重とサイズの粒子よりも流体中で速く沈降します。上昇流がある場合、ある体積流量で上昇流速度が軽量/小型粒子の沈降速度を超えるが重量/大型粒子の沈降速度は超えないとき、分離が起こります。

変数は、(i) 注入水流量（水流量増加でオーバーフローへ報告する粒子の重量と比重/サイズが増加）、(ii) カラム密度（注入水マニホールドとオーバーフローウィア間のカラム内スラリー比重増加でオーバーフローへの重量増加）、(iii) アンダーフロー排出（アンダーフロー排出量増加でカラム固形分密度が低下し上昇流を減少傾向にし、オーバーフロー固形分の比重/サイズを低下）、(iv) 供給質量流量（最適レベルを超える供給速度で分離のシャープネスが低下）です。利点は、(i) カラムヘッドの比重測定に基づくアンダーフローバルブとの制御ループによる分離の精密な自動制御、(ii) 両製品を観察し、必要に応じて制御機構を容易に調整可能、(iii) 可動部品なし、(iv) ウェットまたはドライ供給可能です。欠点は、(i) クリーンで一定かつ調整可能な供給が可能な専用注入水ポンプが必要、(ii) 高水要求、(iii) 与えられた処理能力に対して大容量必要、(iv) 安定した供給速度が必要、です。

ハイドロサイクロンは、その形状と内部の流れの遠心運動に基づき、粗大/高比重粒子と微細/低比重粒子の分離を生み出します。スラリーが圧力下でサイクロンの管状本体に接線方向から供給されると、遠心力により重い粒子が軽い粒子よりも外側に投げ出されます。外側の粒子は圧力下でコーンを下降し、アンダーフロースピゴットから強制排出され、一方、内側の渦の軽い粒子（と水）は上昇しボルテックスファインダーからオーバーフローとして排出されます。

変数は、(i) 供給圧力（分離の駆動力であり、圧力が大きいほどより微細なサイズ分離が達成される）、(ii) ボルテックスファインダー直径（直径が大きいほどオーバーフローが大きく圧力が低下、分離が粗くなる）、(iii) スピゴット直径（同様に直径が大きいほど流量が大きく、アンダーフローが微細またはウェットになる）、可変スピゴットも使用可能、(iv) サイホン作用（オーバーフローがアンダーフローより低い位置で排出されるとサイホン効果が発生し、固形分と流量がオーバーフローに増加、真空ブレーク導入で克服）、(v) 供給密度（密度が高すぎる場合：通常35%以上固形分で分離に影響）、(vi) コーン部の角度と長さ（長さ増加と角度浅化でカットサイズ減少）、(vii) バレル直径（直径が大きいほど処理能力大、圧力低下、カットサイズ粗大化）です。利点は、(i) 必要な体積と床面積に対する高処理能力、(ii) 可動部品なし、(iii) 限定的なオペレーター注意です。欠点は、(i) 変化する供給と製品要件に容易に調整できない、(ii) 圧力下で安定した速度で供給する必要がある、です。