往復式低溫超導磁選機對高嶺土除雜的磁場強度對比試驗研究*

宋 健 張鵬翔 王兆連，2 張義廷 苗文波 宋志明 賈利林

(1濰坊新力超導磁電科技有限公司 山東 濰坊 261205)

(2山東華特磁電科技股份有限公司 山東 濰坊 262600)

前言

隨著科學技術的進步，相關加工企業對非金屬礦的品質要求越來越高，同時資源開采面臨富礦少、貧礦多的困境，非金屬礦的提純除雜工藝的重要性逐漸體現出來。其中，非金屬礦中的高嶺土已成為造紙、陶瓷、橡膠、化工、涂料、醫藥和國防等幾十個行業所必需的礦物原料，如何高效提高其品質已成為高嶺土行業中迫切的要求[1～4]。

在非金屬礦除雜的領域中，磁選是應用最為廣泛的一種，具有高效、節能、環保等優勢[5]。目前在非金屬礦細粒級選級別中，主要使用的是板式高梯度磁選機、濕式立環磁選機和濕式電磁漿料磁選機[6～7]。板式高梯度磁選機具有磁場恒定、能耗低、價格低、結構以及操作簡單的優勢，主要去除的是強磁性雜質，多作為工藝流程中的初選，磁場強度多為0.4～1.0 T；濕式立環高梯度磁選機是連續運作的，具有處理量大、分選效率高的特點，主要針對的強磁性雜質和中等磁性雜質的去除，磁場強度多為1.3～1.7 T；濕式電磁漿料磁選機具有可靠性高的特點，主要針對中等磁性和弱磁性雜質的去除，磁場強度多為1.3～1.7 T。其中電磁設備主要依靠通電線圈產生強大的背景磁場，這種磁選機的特點是:操作方便，工作周期長，選礦效率高，同時這種磁選機受到磁芯及熱電阻的限制，磁場強度一般在1.0～1.7 T之間，且耗電量大。目前，磁選領域內的終極設備是低溫超導磁選機，它打破了溫度限制，可以提供磁場強度最高可達7.0 T。

我國首臺工業級超導磁選機是由濰坊新力超導磁電科技有限公司研發的5.5 T/300型低溫超導磁選機，其中中心場強可達5.5 T，且磁場強度可調范圍為0～5.5 T，具有背景場強高，能耗低，自動化操作，使用壽命長，維護費用低的特點[8～10]。

1 試驗部分

1.1 原礦性質

原礦的化學成分分析結果見表1。

表1 原礦的化學成分分析(質量%)

1.2 鐵、鈦含量及白度測試方法

將待測樣品縮分、取樣、烘干后，取一定量樣品與高純溶劑按適當比例混合，置于750℃馬弗爐中熔融，取出后用鹽酸浸出，加入鐵試劑及抗壞血酸放入多元素快速分析儀(型號DHF83(B)，湘潭市松山儀器有限公司)中測試鐵、鈦含量。

取烘干后樣品30 g，制餅后放于1 250℃馬弗爐中煅燒30 min，自然冷卻至常溫，利用白度儀(型號DN-B2，杭州高新自動化儀器公司)進行試樣的白度測定。

1.3 低溫超導磁選裝備的工作原理

1.3.1 低溫超導磁選機結構

我公司生產的往復式低溫超導磁選機(如圖1所示)主要由三部分組成:超導磁體、分選腔系統和往復運動系統。

圖1 往復式超導磁選機總圖

利用低溫下超導線圈電阻為零的特性，利用大電流通過浸泡在液氦中的超導線圈，有一個外部直流電源激勵，使超導磁選機達到5.5 T以上的背景場強，分選腔內導磁不銹鋼介質表面產生巨大的高梯度磁場，可達10 T以上，可有效地分離磁性物質，是目前磁分離選礦領域的終極方法。

1.3.2 超導磁體

超導磁體(見圖2)是低溫超導磁選機的核心部件。該磁體主要由超導線圈、液氦部分、磁低溫箱、屏蔽罩、冷卻器及鐵軛等部分構成。超導線圈由鈮-鈦合金材料繞制而成，這種材料在4.2 K低溫下能夠呈現超導狀態。液氦以及磁低溫箱為超導線圈提供4.2 K的低溫環境，冷卻器為液氦起到制冷作用，使線圈持續處在4.2 K溫度下，屏蔽罩以及鐵軛起到屏蔽超高磁場的作用。

超導磁體是一個小型專用電源勵磁。勵磁之后，超導線圈將工作在永久狀態，不再需要電源提供電流。永久狀態是磁體內終端之間的超導開關可以閉合時的工作狀態。當需要勵磁磁體時，超導開關被加熱，從而使電源可以勵磁磁體。在獲得所需磁場后，超導開關的加熱器斷電，超導開關進入超導狀態，使電流在磁體內的閉環內流動，每年衰減不到1%。根據使用要求，磁場強度可以自由設定，磁場范圍為0～5.5 T。

圖2 超導磁體結構示意圖

1.3.3 分選系統

分選腔系統(見圖3)由3個無效分選腔和2個有效分選腔組成。兩側的無效分選腔主要是將有效分選腔送至超導磁體中心，確保收到最高的磁場力；中間的無效分選腔主要起到磁力平衡作用，可使分選腔組能夠在不需要較大外力的情況下在磁場內移動。分選腔組在電機和皮帶系統的驅動下以設定時間間隔水平往復移動，處于超導磁體內部的有效腔進行礦漿分選，處于超導磁體外部的進行尾礦沖洗，交替往復運行，極大地提高了選礦效率。

圖3 分選腔結構示意圖

1.4 試驗方法

分別取高嶺土礦樣制漿，每種礦漿過250目泰勒標準篩篩分后取篩下，調整至濃度為15.0%，分散劑(六偏磷酸鈉)添加2.0‰，p H值為7，攪拌時間為30 min，取900 L礦漿備用。

配置好的礦漿經5.5 T/300型低溫超導磁選機進行一遍磁選，分選條件為:分選介質4#鋼毛，鋼毛填充率為5.5%，礦漿流速為1.0 c m/s，進礦量為300 L，平行進行4組試驗，經過磁場強度依次為1 T、2 T、3.5 T、5.5 T。最后化驗精礦并進行對比分析。

2 結果與討論

2.1 廣東懷集某高嶺土磁場對比試驗

廣東懷集某高嶺土Fe2O3含量為1.25%，Ti O2含量為0.18%，白度為63.6，原礦品質一般，白度低，多用于建筑材料，產品附加值低，市場競爭力較差。經過磁場強度對比試驗，試驗結果見表2。

表2 廣東懷集某高嶺土磁場強度對比試驗數據

通過對表2數據對比可知，磁選可以有效地將此種礦的鐵和鈦去除，當磁場強度在常規磁場，也就是1～2 T之間時，可以有效地將鐵含量降低，但鈦的含量降低幅度不明顯。當磁場強度達到5.5 T時，既可以達到有效的降低鐵，又能將鈦的大幅度去除，最終超導精礦中Fe2O3含量降到0.89%，Ti O2含量降到0.07%，白度提升至77.4。

2.2 福建廈門1#、2#高嶺土磁場對比試驗

福建廈門1#、2#高嶺土已經經過了永磁設備除雜，且原礦品質高，其中1#樣品Fe2O3的含量為0.25%、Ti O2含量為0.16%、白度為91.3；2#樣品Fe2O3的含量為0.23%、Ti O2含量為0.18%、白度為91.9。這種礦樣品質已經非常好，可以運用到日用陶瓷等高端領域內，產品價值高，若再進一步提升其品質，附加值會更高，同時磁選難度也加大。經過磁場強度對比試驗，試驗結果見表3。

表3 福建廈門1#、2#高嶺土磁場強度對比試驗數據

通過對表3數據對比可知，福建廈門這兩種高嶺土礦樣已經經過一遍磁選，將強磁性的雜質已經去除掉，且礦樣的品質較高，常規磁場強度下已經很難再將其有所提升。當磁場強度達到5.5 T時，還可以將礦樣的品質強行提升，尤其是Fe2O3和Ti O2，1#精礦中Fe2O3含量降到0.13%，Ti O2降到0.05%，白度提升至95.2，2#精礦中Fe2O3含量降到0.18%，Ti O2降到0.09%，白度提升至94.2。

2.3 萬祥某高嶺土磁場強度對比試驗

萬祥某高嶺土Fe2O3含量為0.55%，Ti O2含量為0.07%，白度為83.7，經過磁場對比試驗，試驗結果見表4。

表4 萬祥某高嶺土磁場強度對比數據

通過對表4數據對比可知，常規磁場下，白度僅能提升2.3；當磁場強度達到5.5 T的時候，磁選精礦的白度有了大幅度提升，白度提高了6.1，是常規磁場下提升幅度的3倍，且最終超導精礦中Fe2O3含量降到0.39%，Ti O2含量降到0.02%，白度提升至89.8。由此可見，通過改變磁場強度大小，也是高嶺土提升白度的一條重要途徑。

3 結論

本次試驗選取了3個地區具有代表性的高嶺土礦樣，進行了單一條件的對比試驗。通過試驗結果可得出，在常規磁場下可以將高嶺土礦樣中的部分Fe2O3和Ti O2去除，提升一定量的白度，若還需進一步提升高嶺土品質，則可利用超導磁選機提升磁場強度在技術上是十分可行的。我公司5.5 T/300型低溫超導磁選機對高嶺土中的Fe2O3、Ti O2含量的去除和白度的提升有明顯的作用。