三產品永磁立式精選機的研制與應用試驗

郭小飛 于笑龍 鄭麗娟

(1.遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧 鞍山114051;2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽110819)

傳統的濕式弱磁選機分選效率不高，其不可避免的磁性夾雜和機械夾雜現象造成部分磁鐵礦與脈石礦物的連生體既有可能進入精礦影響精礦品位，又有可能進入尾礦導致鐵損失增大。此外，夾雜還會引起再磨再選時作業負荷的增加以及已單體解離礦物的過磨［1-3］。針對這些問題，作者研制了一種能夠對單體磁鐵礦、單體脈石礦物以及連生體同時加以分離的三產品永磁立式精選機，并通過試驗證明了該精選機具有較好的分選效果。

1 三產品永磁立式精選機的研制

1.1 設備主要組成及工作原理

三產品永磁立式精選機是利用磁力、離心力、機械打散力以及上升水流動力的作用，使強磁性礦物、連生體和脈石礦物在復合力場中的運動軌跡發生改變，從而達到精選的目的［4-5］。該機主要由上部給礦系統，直徑為600 mm 的立式外筒，直徑為500 mm 的立式弱磁內筒(筒固定，磁系旋轉)，立于內外筒之間、篩面垂直于圓筒表面的磁團聚打散格篩(12 片，沿圓筒周向等間隔布置)，位于外筒上部的溢流槽，位于外筒下部的反沖洗水管、中礦排放口、精礦排放口，機架，傳動與控制系統等組成，其分選過程如圖1 所示。

圖1 分選過程示意Fig.1 Schematic diagram of separation process

一定濃度的物料經給料系統均勻給到內外筒之間的分選區，在旋轉磁系的作用下，物料將進行離心圓周運動，磁性夾雜和機械夾雜的聚團在撞擊格篩時被打散，密度較大、磁性較強的磁鐵礦單體顆粒在磁力和重力的作用下朝磁系方向運動并逐漸進入精礦槽，密度較小、磁性較弱的連生體在離心力和重力的作用下背離磁系方向運動并逐漸進入中礦槽，密度最小的非磁性脈石顆粒在反沖洗水的作用下進入溢流槽成為尾礦。

磁選過程中造成磁團聚現象的根源是磁性顆粒之間的磁鏈力，在磁性顆粒相互接觸時會無選擇性地出現，屬于近距離作用力。決定選別過程選擇性的是磁場力，它在比較大的范圍內起作用，主要影響磁性礦物與非磁性礦物的分離效果。旋轉磁場可使磁性顆粒作離心運動，其運動的速度與礦石的粒度及磁聚團的尺寸有關。

1.2 磁系結構

如圖2 所示，永磁立式精選機采用開放型曲面磁系，N、S 極沿圓周方向交替排列，兩組磁系對稱布置，磁系包角均為90°，磁性材料選用型號為Y30BH 的鐵氧體。磁場測試結果表明:磁場強度在分選區間內沿背離圓筒方向逐漸降低，沿圓周方向的變化不大。距離磁系表面20 mm 處，最高磁場強度為43.5 kA/m;距離磁系表面40 mm 處，最高磁場強度為30 kA/m;距離磁系表面60 mm 處(分選區域最外側)，最高磁場強度為16 kA/m。

圖2 磁系結構Fig.2 Schematic diagram of magnetic system

永磁磁系主要是為強磁性礦石顆粒的分選提供磁力，而磁系的旋轉為礦石顆粒在分選區內的離心運動提供動力。旋轉速度越快，礦石所受的離心力越大，磁翻滾次數越多，磁聚團被格篩打散的機率越大，脈石或貧連生體被上升水流帶入溢流槽的機率也越大，但旋轉速度過快也容易導致精礦的回收率下降。

1.3 格篩在分選過程中的作用

磁鐵礦的物理性質和弱磁選機的設備特性導致磨礦和弱磁選過程中會產生大量的磁聚團，現有技術中主要采用電磁振蕩磁路和反沖洗水解決該問題。三產品永磁立式精選機一方面憑借旋轉磁場引起的離心力促進磁聚團的破碎;另一方面通過設置格篩使磁聚團在運動過程中受到機械沖擊的作用，從而破壞聚團的形成條件，最終導致聚團破碎，而礦石顆粒所受磁場力的選擇性要比磁鏈作用力的高，因此僅能選擇性地使單體解離的磁鐵礦和富連生體通過格篩(如圖3 所示)，脈石顆粒和貧連生體由于僅受離心力和上升水流動力的作用則不易通過。同時，磁鐵礦單體顆粒和連生體在徑向所受離心力和磁場力的不同，導致它們沿徑向分離，而品位較低的貧連生體和脈石礦物所受上升水流動力的影響更大，沿軸向與磁鐵礦顆粒和富連生體發生分離。

圖3 格篩作用示意Fig.3 Schematic diagram of the role of grizzly

格篩在精選機內的排布、篩孔的形狀及尺寸對磁聚團的分散效果具有直接影響。盡管磁聚團在旋轉磁場和格篩的作用下遭受破壞，但并非以單個礦粒的形式出現，而是將原來的大聚團破壞成小聚團。聚團在運動中相互排斥、吸引、碰撞、沖擊，在破壞后又重新組合，不斷更新，拋棄弱磁性雜質，最大程度提高精礦品位。

1.4 礦石顆粒在分選區的受力分析

在三產品永磁立式精選機的分選區內，非磁性顆粒主要受到有效重力(重力與浮力之差)、上升水流動力、離心力、水流阻力以及顆粒間摩擦力等的作用，而磁性顆粒除受到上述各種力的作用外，還受到磁力及顆粒間相互作用力的作用［6-8］。設弱磁圓筒的分選半徑為R、磁系表面旋轉線速度為v，在慣性系(以地面為參考)中，忽略顆粒之間的相互作用力，主要考慮礦石顆粒所受到的有效重力G'、上升水流動力F水、磁力F磁以及離心力F離，受力分析如圖4 所示。

圖4 礦石顆粒在分選區內的受力分析Fig.4 Force diagram of particles in separating area

礦石顆粒在分選區所受磁力為

F磁= μ0κVHgradH.

式中，μ0為真空磁導率，4π×10－7H/m;κ 為顆粒的體積磁化率;V 為顆粒的體積，m3;H 為磁場強度，A/m;HgragH 為磁場力，A2/m3。

假設分選區內的礦石顆粒隨內筒的旋轉作勻速圓周運動，則其所受離心力為

式中，m 為顆粒的質量，kg;r 為顆粒到內筒中心的距離，m;ρ礦為顆粒的密度，kg/m3;d 為顆粒的直徑，m;l為顆粒與弱磁圓筒筒皮的距離，m。

礦石顆粒在分選區受到的有效重力為

式中，ρ水為水的密度，kg/m3;g 為重力加速度，9.8 m/s2。

礦石顆粒在分選區受到的上升水流動力為

式中，k 為與顆粒或聚團和水流流態有關的系數;λ為礦漿的體積濃度，%;U 為顆粒或聚團的沉降速度，m/s;Ua為上升水流的流速，m/s。

礦石顆粒在分選區內由于受力的不同而導致運動軌跡不同，這是三產品永磁立式精選機能夠實現礦物分離的核心因素。

在分選區間內，礦石顆粒在徑向主要受到磁力和離心力的作用，其合力為

式中，χ 為顆粒的比磁化率，χ = κ/ρ礦，m3/kg。

當礦石顆粒位于分選區內的某個位置時，所受離心力一定，故顆粒的比磁化率越大越容易被磁場吸附，即磁鐵礦顆粒最易被吸附，連生體顆粒次之，脈石顆粒最難。

礦石顆粒在軸向主要受到有效重力和上升水流動力的作用，顆粒或聚團在分選空間運動的動力學方程可寫成(受力方向以向下為正，向上為負)

受力平衡時，dU/dt=0，整理得到顆粒的沉降速度為

在礦石顆粒體積相近時，磁鐵礦顆粒的沉降速度最大，連生體顆粒的沉降速度次之，脈石顆粒的沉降速度最小，因此可以通過控制上升水的流速，使脈石和貧連生體顆粒向下運動的速度小于上升水流速，而磁鐵礦和富連生體顆粒的沉降速度大于上升水流速，在磁聚團被打散的情況下，脈石或貧連生體顆粒會隨上升水流進入溢流槽，磁鐵礦顆粒和富連生體則會在磁力和離心力的作用下分別沉降入精礦槽和中礦槽。

2 應用試驗

2.1 試驗礦樣

本溪鋼鐵集團南芬選礦廠采用圖5 所示單一磁選工藝處理鞍山式磁鐵石英巖，最終鐵精礦鐵品位在68.5%左右。礦石中鐵礦物主要為磁鐵礦，有少量赤鐵礦;脈石礦物主要為石英巖，有少量角閃石、綠泥石、透閃石、方解石等。根據三產品永磁立式精選機的特點，以南芬選礦廠的磁選柱給礦為礦樣進行了精選試驗，礦樣的鐵品位為65.35%，－0.074 mm 粒級含量為74.22%，單體解離度為93.06%。

圖5 南芬選礦廠工藝流程Fig.5 Flowsheet of separation in Nanfen concentrator

2.2 試驗結果

在給礦量為3 kg/min、給礦濃度為40%、磁系轉速為40 r/min、上升水流速為2.5 cm/s、格篩篩孔為0.2 mm 菱形篩孔的條件下，用三產品永磁立式精選機對礦樣進行1 次精選，試驗結果如表1 所示。

表1 立式精選機精選試驗結果Table 1 Test results of vertical permanent magnetic separator for cleaning %

由表1 可以看出，南芬選礦廠磁選柱給礦經三產品永磁立式精選機1 次精選，所獲鐵精礦的鐵品位達68.78%，與現場所用磁選柱所獲鐵精礦的鐵品位相當，同時可獲得作業產率為10.89%、鐵品位為49.08%的中礦和作業產率為2.97%、鐵品位為25.54%的尾礦，說明三產品永磁立式精選機的設計思路是可行的。但尾礦鐵品位偏高，需要通過進一步研究加以改進。

3 結 論

(1)永磁立式精選機實現三產品分離的機理，是利用磁力、離心力、機械打散力以及上升水流動力的作用，使強磁性礦物、連生體和脈石礦物在復合力場中的運動軌跡發生改變。

(2)格篩的排布、篩孔的形狀及尺寸對磁聚團的分散效果具有直接影響。磁系轉速和上升水流速的變化則會直接導致礦石顆粒在分選區內受力特性的變化。

(3)對南芬選礦廠磁選柱給礦的精選試驗結果表明，三產品永磁立式精選機的設計思路是可行的，下一步的研究方向是如何完善系統結構并降低尾礦鐵品位。

［1］ 梁殿印.磁選設備新進展［C］∥中國有色金屬學會第六屆學術年會論文集.北京:中國有色金屬學會，2005:75-85.

Liang Dianyin.Recent development of magnetic separator［C］∥The Sixth Conference of the Nonferrous Metals Society of China.Beijing:The Nonferrous Metals Society of China，2005:75-85.

［2］ Svoboda J，Fujita T. Recent developments in magnetic methods of material separation［J］. Minerals Engineering，2003，16(9):785-792.

［3］ 余永富，祁超英，麥笑宇，等. 鐵礦石選礦技術進步對煉鐵節能減排增效的顯著影響［J］.礦冶工程，2010(4):27-32.

Yu Yongfu，Qi Chaoying，Mai Xiaoyu，et al.Outstanding influence of technical progress in iron ore mineral processing on energy-saving emission-reduction and efficiency-beneficiation of iron smelting［J］.Ming and Metallurgical Engineering，2010(4):27-32.

［4］ 魏德洲.固體物料分選學［M］.北京:冶金工業出版社，2000:92-104.

Wei Dezhou.Separation of Solid Materials［M］. Beijing:Metallurgical Industry Press，2000:92-104.

［5］ 袁致濤，王常任. 磁電選礦［M］.2 版. 北京:冶金工業出版社，2011:16-29.

Yuan Zhitao，Wang Changren.Mineral Processing by Magnetoelectric［M］. 2nd ed.Beijing:Metallurgical Industry Press，2011:16-29.

［6］ Chen Guangzhen，Zhao Tonglin，Liu Bingyu.Column magnetic separator and its application［J］. Journal of Iron and Steel Research，2002(6):36-39.

［7］ 伍喜慶，黃志華. 磁力螺旋溜槽及其對細粒磁性物料的回收［J］.中南大學學報:自然科學版，2007，38(6):1083-1087.

Wu Xiqing，Huang Zhihua.Magnetic spiral chute and its application in recovery of magnetic materials［J］.Journal of Central South University:Science and Technology，2007，38(6):1083-1087.

［8］ 冉紅想，梁殿印.磁鐵礦在磁浮力場中的分選試驗研究［J］. 礦冶，2004(3):30-33.

Ran Hongxiang，Liang Dianyin. Experimental study on separation of magnetite in the magnetic and buoyant force field［J］. Mining ＆Metallurgy，2004(3):30-33.