磁鐵礦柱式精選設備的研究現狀及優化改進

張洺睿 郭小飛 任偉杰 崔少文 代淑娟

（遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧鞍山114051）

磁選是基于物料的磁性差異來實現不同礦物分離的一種選礦方法，具有工藝簡單、綠色無污染等特點，廣泛應用于黑色金屬、有色金屬和稀有金屬精選，在礦石的選別中具有重要地位［1-3］。我國磁鐵礦資源普遍具有鐵品位低、嵌布粒度較細且不均勻的特點，選礦工藝以“階段磨礦和單一磁選”為主，大部分選礦廠采用柱式精選設備作為控制磁鐵礦精礦品位的關鍵設備，如磁選柱、脈沖振動磁選柱、淘洗磁選機、旋流磁力分選機等［4-6］。

柱式精選設備是一種磁力與重力相結合的弱磁場磁重復合選別設備，其特點是通過多組線圈周期供電或螺旋形永磁磁系旋轉在分選區內產生的循環磁場，輔以快速上升的回轉水流產生剪切作用，使強磁性礦物顆粒在柱體分選區域內同時受到磁力、重力和流體曳力等的作用，“團聚—分散—團聚”交替發生，磁鐵礦單體與富連生體顆粒向柱體下部移動成為精礦，而脈石礦物及貧連生體在流體曳力作用下溢流成為尾礦。獨特的磁系結構和磁重復合選別方式，使柱式精選設備在磁鐵礦的“提鐵降硅”中發揮了重要的作用。

近年來，新開發磁鐵礦資源的嵌布粒度已降低至20～30 μm，選別難度增加，普通的磁選設備難以達到精選效果，因而對磁鐵礦柱式精選技術的需求愈發迫切。本文評述了磁鐵礦柱式精選設備的發展歷程及應用現狀，重點總結了針對設備大型化、磁系設計與結構優化、控制系統智能化等的研究成果，以期為未來柱式精選設備的發展方向提供參考。

1 柱式精選設備研究現狀及存在問題

1.1 研究現狀

傳統磁選過程中，磁鐵礦精礦鐵品位難以提高的主要原因在于磁選區域內較強的磁場不僅使磁鐵礦單體極易形成磁團聚，還使連生體和脈石夾雜進入團聚體中。20世紀90年代，受永磁磁重選礦機及磁團聚重選機的啟發，遼寧科技大學（原鞍山鋼鐵學院）劉秉裕等研制了既能分散磁團聚、又能利用磁團聚的新型磁鐵礦精選設備——磁選柱，所得精礦產品較常規磁選機精礦鐵品位提高0.5～2個百分點，在弓長嶺選礦廠、南芬選礦廠、板石選礦廠等獲得成功應用［7-10］。

為了解決脈石及貧連生體的夾雜問題，東北大學袁志濤等［11-12］研制的脈沖振動磁選柱，采用脈沖振蕩磁場使細長的磁鏈每秒發生數十次的“團聚—松散—再團聚”。采用該設備對新疆某磁鐵礦進行精選，在磁鐵礦給礦TFe品位為62.31%的條件下，精礦TFe品位可達71.86%，作業回收率為85.04%。

河北金墾科技有限公司研制的淘洗磁選機，在傳統磁選柱的基礎上，綜合應用了循環磁場、恒定磁場和補償磁場。通過在柱體頂部增加恒定磁場線圈，克服磁選柱的“跑黑”問題，降低了尾礦鐵品位。此外，根據筒體直徑的不同，在分礦器內增加補償磁場線圈，避免給礦進入柱體中間的“空洞”區。目前，該設備在澳大利亞、巴西等磁鐵礦選礦廠得到廣泛應用。

為了提高微細粒磁鐵礦精礦回收率和品位，專家學者研制了旋流磁力分選機，該設備采用螺旋式磁極布置，在磁系旋轉過程中形成了自上而下的磁極變換，通過控制磁系的轉速和上升水流對磁團聚進行松散。由于充分利用了磁力、浮力、重力、離心力、旋流水動力等復合力場的作用，該設備在控制尾礦品位方面具有較大優勢。

在過去的20 a，我國的選礦科技工作者還研究了其它磁鐵礦柱式精選設備，主要包括磁選環柱、智能脈沖電磁精選機、永磁立式精選機和變徑磁選柱等，旨在提高磁鐵礦的精礦品位、減少微細粒礦物的流失，推動了磁鐵礦選礦技術的快速進步。

本鋼南芬選礦廠采用磁選柱作為關鍵的磁鐵礦精選設備，最終鐵精礦TFe品位達到68.50%以上、SiO2含量低于5%，較原有工藝的鐵精礦TFe品位提高2%～3%、SiO2含量降低1%～1.5%，成為全國首家采用單一磁選法達到提質降硅改造目標的選礦廠［13］。司家營鐵礦采用“磁選機—磁選柱”對二段精礦進行選別，獲得了鐵品位67.49%，鐵回收率超83%的鐵精礦［14］。為了解決鐵精礦品位不穩定的問題，馬坑鐵礦選礦廠將磁選柱設備引入生產實踐，使鐵精礦TFe品位穩定在64%以上，提高了8%的系統運轉效率，大幅簡化生產流程［15-16］。漢中略鋼碾子壩選礦廠為了解決磨礦、篩分、磁選作業效率低的問題，應用磁選柱對原三段弱磁精礦進行“再選—尾礦濃縮、再磨”技術改造，達到磨礦處理能力提高8%、精礦TFe品位提高至65%以上的技術指標［17］。中信泰富SINO鐵礦的最終磨礦細度為23～27 μm，為進一步提高精礦TFe品位，揚州泰富精選項目采用了全自動淘洗磁選機，使鐵精礦TFe品位達到68.5%，作業回收率達到89.58%［18-20］。

1.2 存在問題

磁鐵礦柱式精選設備具有操作簡單、生產可靠及能耗低等優點，適用于生產高品位鐵精礦，但存在一定問題，主要包括：

（1）對給礦粒度要求嚴格。磁鐵礦柱式精選設備給礦粒度范圍控制在不超過0.2 mm（一般控制在-0.074 mm為75%～95%之間），顆粒較大的脈石礦物因所受重力大于流體曳力，容易混入精礦管降低精礦品位。

（2）易造成微細粒礦物流失。磁鐵礦柱式精選設備中心部位磁感應強度一般小于50 Gs，當礦物顆粒較細時，磁力對微細粒鐵礦的捕獲作用較弱，難以克服流體曳力，造成“跑黑”現象。

（3）耗水量大、尾礦濃度低。磁鐵礦柱式精選設備主要依靠上升水流產生的流體曳力將夾雜在磁性礦物中的脈石顆粒及貧連生體分離出去，處理每噸給礦需耗水2～4 m3，導致耗水量大、尾礦濃度過低。

（4）處理量偏低。磁鐵礦柱式精選設備的直徑一般小于1 000 mm，單位橫截面積的處理能力約為2 t/h。

此外，部分選礦廠管理人員認為磁鐵礦柱式精選設備高度過高，且尾礦和精選的排出位置分別位于柱體兩端，給工藝配置帶來不便。

2 柱式精選設備的優化改進

2.1 磁系的優化改進

磁鐵礦柱式磁選設備的磁系大部分都采用電磁場，主要包括循環磁場、恒定磁場或補償磁場的綜合應用，能夠實現高選擇性的磁團聚，減少尾礦流失，避免柱體中心區域的“磁空洞”。

循環磁場是傳統磁選柱的研究基礎和重要特點，一般由4組、6組或者9組電磁線圈組成，通過調整循環磁場的激磁電流強度和通電周期可以調節鐵精礦產品的品位。降低循環磁場強度能夠提高磁鐵礦精礦的品位，但易造成微細粒磁鐵礦的流失。縮短循環磁場周期能夠增加磁團聚松散的次數，提高精礦回收率，但也會造成部分連生體無法有效剔除的問題，影響精礦品位。趙通林等［21］對循環磁場的線圈間距進行了研究，結果表明，通過調節線圈間距，可以有效地控制磁性礦粒的運動路徑，增強水流對磁團聚的的剪切作用，從而有效地破壞磁團聚。白殿春等［22］通過勵磁線圈繞組彎折、多層疊放的方式，研制出一種磁選柱繞組，建立平面磁場，實現磁控旋流，具有分選時間長、有用礦物回收率高等優點。梁福利［23］采用螺旋磁場的方式成功研制了智能脈沖電磁精選機，使磁性顆粒通過磁力拉動螺旋向下，同時通過高速旋轉的上升水流將夾雜其中的脈石礦物沖洗干凈，針對選別太鋼峨口選礦廠篩下產品進行工業試驗，最終精礦鐵品位提高8.88%。

通過在磁選柱頂部的勵磁線圈中連續通入直流電，使該區域存在一個持續向下的恒定電磁場，能夠防止磁鐵礦單體及富連生體由于流體曳力過大或其他因素流入溢流槽，進而降低磁選柱尾礦的鐵品位［24-26］。王泰安［27］采用在溢流口附近增加恒定磁場的方式改進了電磁淘洗磁選機的分選效果，具有尾礦品位低的特點。

當柱式磁選設備的直徑大于1 000 mm時，往往采用循環磁場、恒定磁場及補償磁場相結合的磁系結構。錢程采用多種磁場相疊加的磁系，使礦石顆粒以磁鏈懸浮下行，非磁性顆粒受流體曳力從溢流口排出，其應用于通鋼樺甸礦業公司生產鐵精礦，最終鐵精礦品位提高2.05%，保證了精礦產品的回收率，具有操作簡單，脫硅效果明顯等優點［28-30］。王青等［31］通過在溢流口槽上設置勵磁線圈與中礦排出口的方式研制成功一種新性淘洗磁選機，該設備通過勵磁線圈產生磁場，將尾礦中夾雜的磁性礦物繼續向下拖拽，強迫其進入中礦回收腔，實現中礦再選，既提高了精礦的回收率，又解決了尾礦需要回收再利用的問題。與傳統磁選柱相比解決了尾礦二次利用問題，具有提高礦物回收率、結構簡單、使用方便等優點。

上述設備針對磁鐵礦柱式精選設備的磁系進行多方面優化，解決了脈石及貧連生體的夾雜問題，具有提高微細粒磁鐵礦回收率、延長分選時間等優點，推動了新型磁鐵礦柱式精選設備的快速發展。

2.2 設備結構的優化改進

圍繞磁鐵礦柱式精選設備耗水量大、應用范圍窄及單位處理量小等問題，研究人員針對其分選結構和給水結構的改進開展了大量研究工作。

陳廣振等［32-33］在磁選柱內筒分別設置4組電磁鐵環軛組成粗選區磁系和精選區磁系，研制了磁選環柱，能夠增大磁選柱的給礦粒度和應用范圍，試驗表明：磁選環柱與磁選柱相比，給礦粒度范圍可放粗至0.7 mm，耗水量降低40%左右，單位面積處理能力提高近1倍，處理吉林板石選礦廠一次分級溢流產品和細篩篩下產品，磁選環柱對粗選作業和精選作業均有明顯改善效果。劉朋［34］、段超［35］通過改變磁選柱筒徑研制了變徑磁選柱，利用粗選區筒徑大于精選區筒徑的方式，改變粗選區與精選區的上升水流速度，得到高品位精礦。針對鞍千選礦廠磁鐵礦和大孤山選礦廠的精選試驗表明，變徑磁選柱解決了細粒級礦物難回收問題，對鐵精礦TFe品位的提高效果顯著。

鞍山金裕豐選礦科技有限公司經過對磁選柱排礦管徑和環形分水盤等的改造，使AF-CXZ-1200型磁選柱的處理能力提高了10 t/h，生產指標及生產適應性較好。孫興華［36］通過在磁選柱上安裝一個倒錐形分水盤，將水由內而外切向給出的方式，研制成功一種用于磁選柱上的分水盤，優點是排水孔均勻分布在筒體內部，與傳統磁選柱相比具有給水穩定、不易堵塞、耐磨、不易磁化、濃縮尾礦及減少耗水量等優點。

2.3 柱式精選設備永磁化研究

研究人員采用永磁材料研制成功多種新型磁鐵礦柱式精選設備，為柱式磁鐵礦精選設備的發展開辟了新的方向，具有結構簡化、能耗低、便于操作和控制等優點。

劉興魁［37］采用可旋轉永磁磁系的方式，發明一種磁選柱用永磁磁系。該設備通過在筒體內設置周圈環布的永磁體，并將磁極沿徑向延伸的方式，達到磁極同層交替排布，鄰層交錯排列的目的，使轉筒與外筒體之間形成磁場螺旋形變換的分選區，通過上升水流與內筒旋轉產生的復合剪切作用達到分散磁團聚的效果。

李玉鳳等［38］采用永磁旋轉磁系研制了永磁立式精選機，通過磁系的旋轉為磁性顆粒在分選區內離心運動提供動力，使強磁性礦物、弱磁性礦物與脈石礦物在復合力場作用下改變運動軌跡，能夠產生精礦、中礦和尾礦3種產品。在南芬選礦廠給礦TFe品位為62.06%的情況下，3種分選產品的TFe品位分別為66.63%、60.73%和32.30%，基本符合工業生產的要求，但需針對入選粒度、尾礦流失及耗水量大等問題進行改進［39-40］。

北京礦冶研究總院和首鋼集團礦業公司采用立式旋轉磁系的方式，共同研制了磁力旋流分選機［41］。該設備采用錐體結構，通過構造磁極螺旋排布的方式，使磁性顆粒（磁團）在分選區域內受到間歇性磁場和上升水流的協同作用，精礦從槽體底口排出，尾礦由椎體頂部排出。針對某典型難選磁鐵礦的工業試驗表明，精礦TFe品位可達66.06%，尾礦品位較現場原有精選機降低12.47個百分點，選別指標優勢明顯［42］。該設備充分利用離心力、磁力等復合力場的綜合作用，實現難選礦物的有效分選，為難選磁鐵礦的精選開辟了新的研究思路。

2.4 控制系統的優化改進

控制系統是決定電磁磁選柱精選效果的中樞。針對磁鐵礦柱式精選設備電控系統不穩定的問題，選礦工作者通過對磁鐵礦柱式精選設備的控制系統進行優化改進。以歪頭山鐵礦程永維改進的自動控制電磁精選機為主要代表［43］，控制系統與傳統磁選柱相比，具有以下特點：①采用德國西門子自控系統；②可以實現遠程網絡控制和現場集中控制；③電磁精選機具有底錐控制器。在對本鋼歪頭山鐵礦選廠進行工業試驗時，較傳統磁選柱精礦品位提高2.14%，具有智能、高效、便于維護等優點［44-46］。

近年來，對礦石品位、粒度和濃度等在線監測和傳感器的技術逐漸成熟，隨著5G及物聯網技術在選礦廠的逐步推廣，作為控制磁鐵礦品質關鍵設備的磁選柱，應重點研究其控制系統的深度優化及聯網運行。

3 結 論

（1）柱式精選設備在磁鐵礦的精選過程中發揮了重要作用，研究人員圍繞磁系設計、結構優化及控制系統升級等開展了大量工作，對鐵精礦TFe品位的提高、微細粒強磁性礦物的回收和設備大型化、節水降耗及智能化等方面效果顯著。

（2）選別過程中的磁鐵礦礦石往往由磁鐵礦單體、連生體及脈石組成，視粒度和品位的不同，不同組分的密度、磁場特性能均存在一定差異，深入研究磁力、重力、離心力及流體曳力等復合力場對磁鐵礦不同組分在柱式精選過程中運動軌跡的影響規律，對實現不同組分的精細化分選意義深遠。

（3）鋼鐵行業的快速發展對鐵精礦品質的要求愈發提高，基于鐵礦石工藝礦物學的高品質鐵精礦制備可行性評價、高品質鐵精礦選礦提純工藝、磁重復合力場鐵礦選礦設備及自動化與智能化成為未來的重要研究方向。