磁選環柱磁系的改進

陳廣振 王培信 金 鎮 賈西寅

(遼寧科技大學礦業工程學院)

我國鐵礦資源中約2/3為磁鐵礦［1-3］，磁選工藝與其他選礦工藝比較，具有流程簡單、生產成本低等優點。鋼鐵冶金“精料方針”的提出以及礦石資源日益貧細化成了磁選設備更新和進步的不懈動力。

磁選環柱［4］是遼寧科技大學在磁選柱基礎上研制的一種新型磁選設備。該設備既吸收了磁選柱分選精度高的優點，又克服了磁選柱［5］對給礦粒度要求嚴格、耗水量偏大等不足，同時突破了磁選柱僅適用于精選作業的局限性，實現了既可用于精選作業，又可用于粗選作業，擴大了適用范圍。

1 問題的提出及原因分析

磁選環柱的研發和其他設備一樣有一個不斷改進、不斷完善的過程。磁選環柱在磁選廠粗選作業最初的工業應用表明，其粗精礦鐵品位顯著高于現場筒式磁選機的粗精礦鐵品位，但也暴露出其尾礦鐵品位高出現場筒式磁選機1個百分點左右的問題。

試驗過程中發現，尾礦流周期性地呈現忽而土黃忽而顏色加深的變化規律。研究分析得出，尾礦周期性跑黑與磁選環柱勵磁線圈的循環周期一致。當尾礦筒上邊緣附近的勵磁線圈斷電時，已進入精選環腔中的細粒磁性顆粒在上升水流作用下被沖入尾礦筒，即出現尾礦跑黑現象;通電時，則尾礦跑黑現象消失。尾礦的這種周期性跑黑正是造成現場磁選環柱尾礦品位偏高的主要原因［6］。因此，要解決這些問題，就必須從完善磁系配置與結構入手。

2 磁選環柱磁系的改進

磁選環柱由給礦斗、分選筒、尾礦筒、循環通電勵磁線圈、溢流管、精礦排礦管、尾礦排礦管和電控裝置等部分組成。其中，循環通電勵磁線圈構成磁系，在分選筒內設有尾礦筒，尾礦筒壁和分選筒壁之間為精選環腔。在分選筒下方設有切向給水管，在精選環腔和尾礦筒的底部分別設有精礦排礦管和尾礦排礦管。磁選環柱以尾礦筒上邊緣為界分為上、下兩部分，上部稱為粗選區，下部稱為精選區。

磁系配置改進的具體措施是在磁選環柱的尾礦筒上邊緣附近增設1個常通電勵磁線圈［7］，該線圈電流強度可調;磁系結構改進的具體措施是在每個勵磁線圈的外部罩上由導磁材料制成的聚磁環軛［8］，其作用是將勵磁線圈產生的磁力線集中在分選筒外壁周邊，提高分選區徑向磁場強度。磁系配置和結構改進后的磁選環柱如圖1所示。

圖1 改進后磁選環柱結構

磁選環柱尾礦鐵品位偏高是由尾礦筒入口附近勵磁線圈的循環通斷電造成的。因此，在尾礦筒入口處增設常通電勵磁線圈，可使被上升水流從精選區沖出的磁性顆粒在尾礦筒入口附近受到不間斷的磁場力作用，可有效減少這些磁性顆粒進入尾礦筒。另外，常通電勵磁線圈電流可調等同于其磁場可調，亦即磁性顆粒所受的磁場力可調，當磁場力不足以捕獲某些磁性顆粒時，可通過調節電流強度以提供足夠大的磁場力，以便更有效地阻止磁性顆粒被上升水流沖入尾礦，從而解決磁選環柱尾礦周期性跑黑所引起的尾礦偏高問題。

3 磁選環柱分選原理及分選過程

3.1 分選原理

礦漿中的礦粒形狀、大小、密度、磁性率等均不相同，且以隨機狀態處于由重力、磁力、流體動力等組成的復合力場中，受力情況復雜，關于其運動狀態目前尚無定量描述。因此，本文只考慮在選別中起主要作用的徑向磁場力、流體動力和有效重力，忽略其他次要作用力，據此對磁選環柱分選原理進行定性討論。

在磁選環柱中，非磁性顆粒在粗選區主要受到有效重力和水流阻力的聯合作用;磁性顆粒在粗選區除受到上述力的作用外，還受到以徑向磁場力為主、軸向磁場力為輔的磁場力(由于該力相對于重力較小，因此分析時忽略)，總合力斜向下指向分選筒周壁。

非磁性顆粒和磁性顆粒在粗選區的受力分析如圖2所示。

圖2 非磁性顆粒和磁性顆粒受力分析

磁性顆粒所受到的徑向磁場力

式中，fm為顆粒受到的徑向磁場力，水平方向，N;μ0為真空磁導率，μ0=4π ×10－7Wb/(m·A);k0為顆粒物質體積磁化率，無因次;V為顆粒的體積，m3;H為顆粒體積中的磁場強度，A/m。

顆粒所受到的有效重力

式中，fg為顆粒受到的有效重力，方向向下，N;δ為顆粒密度，kg/m3;g為重力加速度，9.8 m/s2;ρ為水密度，kg/m3。

顆粒所受到的水流阻力

式中，fR為顆粒受到的水流阻力，向上，N;φ為阻力系數，與雷諾數有關的無因次參數;v為顆粒與介質的相對運動速度，m/s;d為顆粒的直徑，m。

磁場力、有效重力和上升水流阻力是磁選環柱分選各種礦物的主要作用力。在粗選區內，徑向磁場力較大，其主要作用是將大部分磁性顆粒和連生體吸引向分選筒壁，然后在有效重力和水流阻力的作用下，沿分選筒壁向下運動，然后進入精選環腔;非磁性顆粒在有效重力和水流阻力的聯合作用下旋轉向下直接進入尾礦筒成為尾礦。在精選區內，軸向磁場力較大，其主要作用是使磁性顆粒沿筒壁向下運動，同時在運動過程中產生分散—團聚—分散現象。上升水流動力的主要作用是在磁鏈處于分散狀態時沖刷、淘洗出其中的非磁性顆粒和貧連生體并將其沖入尾礦筒，使磁鏈在此過程中得到精選和純化，最后由精礦排礦管排出高品位的精礦。

3.2 分選過程

磁選環柱分選過程如圖3所示。礦漿由給礦斗給入分選筒中，首先經過粗選區，在循環往復向下的磁場力和有效重力作用下，磁性顆粒及富連生體形成的磁鏈向分選筒壁運動，然后沿筒壁向下運動;大部分非磁性顆粒在有效重力的作用下隨水流到達分選筒中央區域，繼續向下運動進入尾礦筒。沿筒壁向下運動的磁鏈以及夾雜的部分非磁性顆粒進入精選區，在連續向下的磁場力和旋轉上升水流動力的共同作用下向下沉降，經過多次團聚—分散淘洗，最后由分選筒下部精礦排礦管排出，成為高品位精礦。磁鏈中淘洗出的非磁性顆粒、貧連生體則在上升水流作用下上升，在尾礦筒入口處轉為向下運動，與粗選區尾礦匯合，經尾礦口排出成為最終尾礦。

圖3 磁選環柱分選過程示意

4 試驗裝置與試驗物料

4.1 試驗裝置

試驗如圖4所示，主要包括80 mm磁選環柱、電源控制箱、攪拌槽、流量計、閥門等［9］。

4.2 試驗物料

試驗物料為鞍鋼大孤山選礦廠的一次分級溢流。大孤山鐵礦石屬典型的磁鐵礦石，具有品位低、嵌布粒度細等特點，主要有用礦物為磁鐵礦、次為假象赤鐵礦;脈石主要為石英、鎂鐵閃石、方解石。試驗物料粒度篩析結果見表1。

圖4 試驗裝置示意

表1 試樣粒度篩析結果

從表1可以看出，試驗物料中粗粒級鐵品位明顯低于細粒級，鐵在－0.075 mm粒級明顯富集。

5 主要工藝參數的確定

為了檢驗改進后的設備是否能夠有效地解決尾礦跑黑問題，在實驗室對改進前后的磁選環柱進行了分選效果對比。試驗前，首先對顯著影響磁選環柱分選效果的勵磁線圈電流強度和上升水流速度進行了確定。

5.1 勵磁線圈的電流強度確定

常通電與周期性通電的線圈電流強度試驗的給礦濃度為35%，勵磁線圈循環周期為2.4 s，精選區上升水流速度為3.5 cm/s，試驗結果見圖5、圖6。

圖5 勵磁線圈電流強度對尾礦鐵品位的影響

圖6 勵磁線圈電流強度對精礦鐵品位和回收率的影響

由圖5、圖6可以看出，勵磁線圈電流強度由0增加到3.5 A，尾礦鐵品位由29.98%先快速下降，后緩慢下降到8.08%;精礦鐵品位先由47.12%平穩上升到53.11%，之后小幅下降;精礦鐵回收率在電流強度上升初期先由43.92%快速上升到91.75%，之后幾乎不再上升。結合粗選作業的主要任務是拋尾，因此，確定勵磁線圈電流強度為2.5 A。

5.2 上升水流的速度確定

精選區上升水流速度試驗的電流強度為2.5 A，給礦濃度為35%，勵磁線圈循環周期為2.4 s，試驗結果如圖7、圖8。

圖7 上升水流速度對尾礦鐵品位的影響

圖8 上升水流速度對精礦鐵品位和回收率的影響

由圖7、圖8可以看出，精選區上升水流速度由1 cm/s增大到3 cm/s，尾礦鐵品位微幅上升，上升水流速度從3 cm/s增大到4 cm/s，尾礦鐵品位由8.07%升到11.33%;精礦鐵品位由1 cm/s時的47.19%上升到3 cm/s時的51.30%，之后則隨上升水流速度的增大而下降;精礦鐵回收率由1 cm/s時的93.67%下降到4 cm/s時的88.41%。綜合考慮，確定精選區上升水流速度為2.8 cm/s。

6 磁系改進前后選別效果對比

磁系改進前后選別效果對比試驗的勵磁線圈電流強度為2.5 A，精選區上升水流速度為2.8 cm/s，勵磁線圈循環周期為2.4 s，給礦濃度為35%。試驗結果見表2。

表2 改進前后磁選環柱選別試驗結果對比 %

由表2可以看出，磁選環柱磁系改進前后的精礦鐵品位變化不大，但磁系改進后的尾礦鐵品位顯著下降，降幅達2.2個百分點，精礦鐵回收率則從88.52%上升至91.47%，升幅達2.95個百分點。

試驗結果表明，磁選環柱增設常通電線圈后，被上升水流從精選區沖出的磁性顆粒受到持續的磁場力作用而向分選筒壁運動，減少了其被沖入尾礦筒的概率。

7 結論

(1)針對造成磁選環柱尾礦鐵品位偏高的原因，在原磁選環柱粗、精選交界區進行了增設常通電勵磁線圈和聚磁環軛的改造。改進后常通電磁系的磁場力持續地作用于被上升水流沖出的磁性顆粒，降低了磁性顆粒進入尾礦筒的概率。

(2)磁系改進前后磁選環柱實驗室對比試驗結果表明，改進后的設備在保持精礦鐵品位基本不變的情況下，降低了尾礦鐵品位2.2個百分點，提高了精礦鐵回收率2.95個百分點。因此，磁選環柱磁系的改進不僅有效，而且合理，優化了設備性能，為進一步實現工業應用奠定了基礎。

［1］ 余永富，余侃萍，翁孝卿.我國難選鐵礦石選礦技術進展［J］.金屬礦山，2011(9):1-4.

［2］ 陳炳炎，閆 武.鐵礦弱磁選設備的研究應用現狀與發展方向［J］.礦產綜合利用，2007(4):32-34.

［3］ 孫仲元.我國鐵礦山磁選現狀及發展方向［J］.金屬礦山，2004(10):37-46.

［4］ 馬宏勝.新型磁選環柱的研制及其試驗研究［D］.鞍山:遼寧科技大學，2005.

［5］ 趙 輝，王玉香，劉秉裕.磁選柱的研制及應用［J］.中國礦業，1997(10):16-22.

［6］ 陳中航.磁選環柱新型磁系的實驗研究［D］.鞍山:遼寧科技大學，2004.

［7］ 陳廣振，陳中航，趙通林.帶常通電線圈磁系的磁選環柱:中國，201220059735.8［P］.2012-09-19.

［8］ 陳廣振.帶有聚磁環軛的勵磁線圈磁系的磁選環柱:中國，201220059759.3［P］.2012-09-19.

［9］ 陳廣振.磁選環柱的研制及其試驗研究［D］.沈陽:東北大學.2002.