我國高梯度超導磁分離裝備在非金屬礦選礦中的應用*

李培勇 付貴泰 張義廷 王兆連 李運強

(濰坊新力超導磁電科技有限公司 山東 濰坊 261205)

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我國高梯度超導磁分離裝備在非金屬礦選礦中的應用*

李培勇 付貴泰 張義廷 王兆連 李運強

(濰坊新力超導磁電科技有限公司 山東 濰坊 261205)

介紹了國內磁選設備的研究現狀，對目前國內高梯度超導磁分離裝備的結構原理、分選方式以及選礦特性進行了分析，并通過大量磁選試驗驗證了高梯度超導磁分離裝備在我國非金屬礦選礦領域中高效、節能等方面的優勢，建議大力發展節能、高效磁選技術。

超導磁體 背景磁場 非金屬礦 零電阻 磁選裝備

磁選是一種無污染或者少污染的環保潔凈磁分離技術[1]，是一種通過改變礦粒周圍磁場環境將其分離的一種選礦技術，在很多領域都得到了廣泛的應用。在我國非金屬礦礦物加工領域，磁選技術有了很大的提升，被廣泛應用于高嶺土、鉀鈉長石、高純石英等非金屬礦的除鐵提純。近年來，我國磁選設備研制進展很快，先后取得了一系列水平很高、適合我國礦山情況的研究成果[2]，如永磁筒式磁選機、干式磁選機、電磁感應輥式強磁選機；Shp系列強磁選機，SLon立環脈動高梯度磁選機及我公司研制的強制油水復合冷卻電磁高梯度磁選機等。這些研究成果目前都已在工業生產中得到了廣泛的應用，并取得了較好的經濟效益。然而，近年來隨著我國優質礦產資源的過度開發，非金屬礦中一些難選礦產的開發迫在眉睫，常規磁選設備對非金屬礦中嵌布粒度較細、比磁化系數較低、共生現象嚴重的鐵磁性礦物的去除效果不理想，而且大都采用電磁鐵或者螺線管作為磁體，其激磁功率和磁場強度的平方成正比，因此磁選機運轉時耗電量很大[3]，加劇了礦山企業的負擔。同時常規磁體受到鐵芯磁飽和以及線圈發熱需強制冷卻的限制[4]，產生的最大磁場強度一般不會超過1 600 kA/m(20 000 Oe)。針對以上問題，我公司同中國科學院高能物理研究所合作研制了具有高場強、低能耗、處理量大且操作簡單的高梯度超導磁選機[5]。該磁選機采用低溫超導技術針對以上問題有了技術上的突破，打破了常規電磁場強最高2.0T的限制，為我國選礦裝備的創新發展指引了新的方向。

1 高梯度超導磁選設備的工作原理及性能優勢

1.1 高梯度超導磁選機工作原理

超導磁選機作為國內磁選裝備中的高端選礦裝備，其關鍵技術在于通過低溫技術來處理線圈，使線圈達到超導狀態，以提高磁體所產生的背景場強，其結構如圖1所示。利用鈦、鈮三錫等超導材料制作的超導線[6]，通過后期加工，將超導線環繞成特種線圈置于密閉良好的低溫杜瓦中。采用液氦浸泡及制冷系統傳導冷卻的方式[7]，使超導線圈工作環境溫度維持在-268.8 ℃左右，此時超導線圈電阻為零。由于纏繞線圈電阻為零，電導率為無窮大，可以承載更大的電流，增加超導線圈匝數，以螺旋管的方式進行繞制，最終可獲得超高的背景磁場。

圖1 超導磁體簡圖

該磁選機能夠接近連續地處理物料。這是利用設備內交替地位于磁場內的兩個分選腔段實現的。當一個分選腔段用于分選礦漿時，另一個被清洗并為其下一個工作周期做準備。分選腔系統主要由5組分選腔組成(如圖2所示)，其中2個無效分選腔、2個有效分選腔以及1個磁力平衡腔。磁力平衡腔位于中間，平衡了分選腔出入磁體時所受的磁力，使整個系統運動時軸向力較小，2個無效分選腔位于兩側，起到連接支撐作用，保證2個有效分選腔交替地進入磁場[8]。

圖2 分選腔結構示意圖

1.2 超導磁選設備的性能優勢

1.2.1 極高的背景場強可獲得更高的磁力

超導磁體所用線圈采用Nb-Ti超導材料制作，在低溫下電阻為零，能夠通過更大的電流卻不會產生太大的熱量，因此可以使線圈產生更大的背景磁場，目前最高可達7.0 T。根據下面磁力計算公式可知磁性顆粒在磁場中的受力情況[9]：

F磁=μ0kVHgradH

(1)

(2)

式中： μ0——體積磁化率系數；

k——體積磁化率；

V——顆粒體積；

H——磁場強度；

gradH——磁場梯度；

δ——顆粒密度；

χ——比磁化率。

(1)、(2)計算公式表明，作用在磁選顆粒上的磁力決定于顆粒的磁性和磁選設備的磁場力HgradH。背景磁場越高，磁性顆粒在磁場內所受磁力越強，越容易被磁性介質捕捉。超導磁選機超高的背景磁場為非金屬礦選礦中弱磁性顆粒的去除提供了強大的技術支撐，使微細粒選礦不再是難以攻克的難題。

1.2.2 能耗低，節能降耗效益顯著

采用低溫超導技術，超導磁體在4.2 K(-268.8 ℃)低溫環境下作業，其線圈電阻為零，通電后實現超導狀態，有效杜絕磁體在導電過程中的發熱現象，高電流通過時其所產生熱值為零。GM制冷機僅需維持超導磁體處于這種低溫狀態，與常導磁體相比節電90%，完全解決了磁選作業能耗高的問題。表1為目前非金屬礦磁選常用的幾種選礦設備大致功率。

表1 主要磁選設備能耗對比

表1顯示，低溫超導磁選機額定功率在10 kW左右，相當于一臺永磁磁選機，與電磁設備相比，能耗大大降低，同時背景場強也得到很大的提高，使超導磁選機整機性能提升明顯，為礦山企業節約大量的選礦電力成本。

1.2.3 分選范圍廣

非金屬礦選礦提純主要的目的是要滿足其應用的相關領域，如高品質陶瓷、耐火材料、微電子、光纖、涂料以及造紙等高新技術[10]。該領域對非金屬礦純度要求極高，對其中脈石含量上限控制極其嚴格，因此非金屬除鐵提純一直是國內非金屬礦選礦領域的技術難題。然而，普通磁選機對嵌布特性復雜、礦物種類繁多、磁性礦物顆粒較細、共生伴生嚴重的非金屬礦分選效果很難滿足產品要求，現代高梯度磁選機雖然有著30多年的發展歷史，但是仍然存在著價格高，能耗大的問題[11]，高梯度超導磁選機則有效地解決了這一技術問題。其擁有極高的背景場強，可以捕捉到礦漿中粒度極細、比磁化率更低的磁性顆粒，從而獲得高品位的精礦產品。目前實驗室已對包括高嶺土、鉀鈉長石、粉煤灰、石英等多種非金屬礦做了試驗研究，除鐵效果顯著。

在非金屬礦選礦中，常規磁選機對磁化率較高的順磁性礦物或者鐵磁性礦物能夠較好地去除，選別粒度下限可低至20 μm[12]。但是隨著我國非金屬礦產品的研究的發展，對礦產品的質量要求以及產量要求越來越高，常規磁選機已不能完全滿足要求。而低溫超導磁選機對于磁化率在10-8～10-10m3/kg的磁性礦物都能夠有效地去除，且分選粒度下限可低至微米級，大大拓寬了磁選機可處理的非金屬礦范圍。

1.2.4 處理量大

超導磁選機實際作業中分選腔可雙向交替分選、沖洗作業，可在勵磁狀態下連續不間斷作業運行，分選效率極高。其中5.5 T/300 低溫超導磁選機(CGC)對高嶺土、粉煤灰等非金屬礦日最大處理量可達100 t左右，5 T/500型低溫超導磁選機日最大處理量高達350 t左右，可完全滿足目前非金屬礦山的生產需求。

1.2.5 自動化程度高

超導磁選機的作業過程可實現一鍵操作，一鍵勵磁、一鍵退磁、一鍵自動運行，通過實時采集并監控溫度、壓力、電流、真空度等運行參數，保證了設備運行的可靠性，對生產管理和產品質量的控制提供極大的便利。

2 我國高梯度超導磁選機實際應用進展

超導磁選機擁有常規磁選機無法比擬的優良特性，因此在非金屬選礦領域中的應用得到了高度的重視[13]，使非金屬行業的發展上升到了新的高度。其不僅擁有著場強高、能耗低、選別效果顯著等特性，還具有環境適應性強、無污染、占地面積小等客觀優勢。

2.1 廣東某地區高嶺土選礦實踐

廣東某地高嶺土原礦主要包含石英、白云母、黑云母、長石和高嶺石，有少量的赤、褐鐵礦等。石英主要富集在+0.045 mm粒級中，云母和長石類礦物的含量在中間粒級富集(-0.6 mm+0.020 mm)，高嶺石及少量暗色礦物的含量隨著粒度的減小逐漸增加，高嶺石在-0.045 mm開始富集，在-0.020 mm粒級中明顯富集。

該地高嶺土原礦含鐵量為1.2%左右，經破碎、研磨流程后，控制礦石粒級-0.045 mm含量為百分之百，經兩段電磁漿料作業后精礦產品無法達到產品要求，當采用5.5 T低溫超導磁選聯合一段電磁選作業后可得含鐵量0.40%左右的高嶺土精礦，分選效果較為理想。二段電磁選工藝與電磁選+超導磁選工藝成品指標對比如表2所示。

表2 5 T/500低溫超導磁選機在廣東某地生產現場除鐵效果

2.2 云南某地區高嶺土選礦實踐

云南某地高嶺土礦屬花崗巖蝕變礦床，形態呈疏松土塊狀。礦物組成主要為高嶺石、鉀長石、斜長石和石英，還包含少量鋯石、褐鐵礦、銳鈦礦和黃鐵礦。其中高嶺石主要賦存在-0.038 mm粒級范圍內，礦石粒度組成較細。礦石中鐵含量約為0.66%，其主要以獨立礦物賦存于褐鐵礦中，部分鐵以類質同象形式與高嶺石伴生，這是造成高嶺土精礦白度較低的主要原因。

針對該地區礦石堪布較細，鐵元素賦存復雜等狀況，我公司采用5 T/500低溫超導磁選機對該地區礦石分選，通過控制分選作業礦石入料粒度、礦漿濃度及流速，合理搭配剛毛，將原礦含鐵量為0.66%的高嶺土進行一段超導磁選作業，最終獲得了鐵含量為0.34%的磁選精礦。試驗結果見表3。

表3 5.5 T/300低溫超導磁選機在云南某地生產現場除鐵效果

礦樣名稱TFe含量(%)白度原礦0．6685電磁精礦0．4289超導磁選精礦0．3492

3 結語

國內對超導磁體的研究已有近十年的歷史，在超導研究領域取得了豐碩的研究成果，推出的5.5 T/300型低溫超導磁選機、5 T/500型低溫超導磁選機以及超導除鐵器[14]最具代表性，并已成功應用于工業生產。其優越性可以歸納為以下幾點：

1)超導磁分離技術是目前國內最先進的高端選礦技術之一，尤其在非金屬礦選礦領域對于細粒級物料的處理比常規磁選機效果要優。

2)超導磁體與常規磁體相比，消除了直流電阻，采用鈮鈦合金超導線圈，很小的電壓即可獲得很高的電流，從而獲得遠高于2T的背景磁場。

3)節能是超導磁選機最大的優勢之一，超導磁體在低溫條件下實現超導，勵磁成功后不再耗能，每年能夠節省大量的電力成本。

4)超導磁選機在非金屬礦除鐵領域顯示出強大的分選效果，與常規磁選設備相比，展示出優異的設備性能。

1 夏紅峰.國內磁選設備的研究現狀及發展趨勢.金屬礦山,2010(9)：111～114

2 吳世清.我國磁選設備的現狀及發展方向.金屬礦山,2004(10)：47～55

3 趙愛武.超導磁選機在選煤中的應用前景.中國煤炭,1997(2)：24～25

4 何莉娜.超導磁分離技術應用研究.低溫與超導,2014(12)：55～58

5 孫仲元,朱自安.超導磁選設備的發展.中國會議,2012(6):599～604

6 王醒東.商用超導材料技術概括.新材料產業,2012(2):51～55

7 張海峰,等.一種零蒸發率低溫超導磁體系統的研制.低溫與超導,2014(6):10～13

8 韋獻鵬,莫長錄.超導磁選機除鐵應用研究.非金屬礦,2007(9):34～39

9 瓦特遜J H P.礦物工業超導磁選現狀.國外金屬礦選礦,1995(12):17～23

10 冉紅想.強磁選設備在非金屬礦除鐵中的應用.有色金屬(選礦部分),2011(1):150～154

11 陳劍,李曉波.高梯度磁選機的發展及應用.礦業快報,2005(9):4～6

12 陳建生,等.磁選機的現狀和發展趨勢(二).礦山機械,2009(19):80～84

13 Oder R R,Price C R.Brightness beneficiation of kaolin clays.Tech Assoc Pulp Paper Ind,1973,56:75～78

14 劉永振.近幾年我國磁選設備的研制和應用.有色金屬(選礦部分),2011(1):24～33

國家“十二五”科技支撐計劃《超導磁選機關鍵技術開發》(項目編號：2012BAF09B05)。

李培勇，濰坊新力超導磁電科技有限公司常務副總，工程師；主要從事超導裝備關鍵技術研究與開發。*

TQ174.5

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1002-2872(2016)10-0045-04