ZQS周期式高梯度磁選機(jī)的優(yōu)化與應(yīng)用

許麗敏 陳俊明 王麗娟 鐘森林 王豐雨 吳城材

（1.廣東省資源綜合利用研究所，廣東廣州510651；2.廣州粵有研礦物資源科技有限公司，廣東廣州510651；3.稀有金屬分離與綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510651）

近幾十年來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，非金屬礦產(chǎn)的應(yīng)用范圍和用量有了大幅度的擴(kuò)大和增長。非金屬礦具有獨(dú)特的物理化學(xué)性能，在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，重要性不斷凸顯。因開發(fā)速度急劇加快，使得其資源越來越貧乏［1-3］。隨著科技進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級以及人類環(huán)保節(jié)能意識的增強(qiáng)，對非金屬礦物材料的純度要求反而越來越高［4-7］。人類生產(chǎn)生活中應(yīng)用較廣泛的非金屬礦資源主要有石英、長石、高嶺土等，這些礦物資源中因含有少量的鐵、鈦等雜質(zhì)而影響燒結(jié)白度及其它性能［8］，導(dǎo)致終端產(chǎn)品質(zhì)量不佳。因此，對相對貧乏的非金屬礦物資源進(jìn)行除雜提純是解決人類對高純非金屬礦資源需求的有效途徑。非金屬礦的提純方法主要有磁選、重選、浮選及酸洗等［9］，其中磁選是物理選礦方法，因具有成本低、無污染、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在非金屬礦提純領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［10-11］。

由于非金屬礦物中的雜質(zhì)礦物嵌布粒度細(xì)，只有經(jīng)超細(xì)粉碎才能單體解離，因此，微細(xì)粒選礦提純技術(shù)是去除這些雜質(zhì)礦物的有效方法［12］。國內(nèi)應(yīng)用的微細(xì)粒強(qiáng)磁選設(shè)備主要有立環(huán)高梯度磁選機(jī)、平環(huán)高梯度磁選機(jī)、周期式高梯度磁選機(jī)［13］。ZQS周期式高梯度磁選機(jī)是廣州粵有研礦物資源科技有限公司自主研發(fā)的產(chǎn)品［14］，近幾年才在工業(yè)上廣泛應(yīng)用，主要用于應(yīng)用立環(huán)高梯度磁選機(jī)及平環(huán)高梯度磁選機(jī)多道提純產(chǎn)品純度仍達(dá)不到要求的情況，具有背景磁感應(yīng)強(qiáng)度分布均勻、磁介質(zhì)靜態(tài)分選、礦漿流經(jīng)磁介質(zhì)路徑長等優(yōu)點(diǎn)。目前已在石英砂、長石、高嶺土礦領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，除鐵效果明顯，產(chǎn)品白度顯著提高［15］。

1 ZQS周期式高梯度磁選機(jī)的分選原理及設(shè)備特點(diǎn)

ZQS周期式高梯度磁選機(jī)為間斷式選別設(shè)備，進(jìn)漿階段與排渣階段交替進(jìn)行，循環(huán)往復(fù)，全自動化運(yùn)行。一個(gè)選別周期分為兩個(gè)階段，第一階段為進(jìn)漿階段，第二階段為排渣階段。根據(jù)礦物性質(zhì)不同，ZQS周期式高梯度磁選機(jī)的給礦方式分為上部給礦方式和下部給礦方式。圖1為下部給礦方式的示意，以下部給礦方式為例介紹設(shè)備的結(jié)構(gòu)及分選原理。

ZQS周期式高梯度磁選機(jī)由磁系部件、分選筒體部件、線圈部件、機(jī)架及管道部件組成。進(jìn)漿階段：激磁線圈5中通入直流電，在上、下磁極之間的分選空間產(chǎn)生均勻磁場，進(jìn)漿管8的閥門開啟，礦漿中的磁性物質(zhì)流經(jīng)分選筒體1時(shí)被磁介質(zhì)4吸附，非磁性礦物從產(chǎn)品管13排出，進(jìn)漿時(shí)間可通過可視化界面手動調(diào)節(jié)。待磁介質(zhì)4吸附接近飽和時(shí)，進(jìn)漿管8的閥門關(guān)閉，分選筒體中的礦漿經(jīng)回漿管10返回原礦池，此時(shí)關(guān)閉激磁電流，進(jìn)漿過程結(jié)束。排渣階段：待激磁電流降為零時(shí)，開啟上部給水管12的控制閥門，待分選筒體內(nèi)充滿水后，開啟振動電機(jī)，同時(shí)開啟下部排鐵管7的控制閥門，在無磁場且大流量的沖洗水作用下，磁介質(zhì)可得到徹底清洗。采用下部給礦上部反沖洗的方式可避免磁介質(zhì)堵塞。

設(shè)備主體中激磁線圈的通磁和斷磁、各管道中閥門動作均通過控制柜的PLC給入信號，實(shí)現(xiàn)自動控制，工作可靠，操作維護(hù)方便。

從設(shè)備的分選原理可以看出，與立環(huán)高梯度磁選機(jī)以及平環(huán)高梯度磁選機(jī)相比，ZQS周期式高梯度磁選機(jī)有如下特點(diǎn)：①磁介質(zhì)靜態(tài)分選，整個(gè)分選腔體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻，避免吸附在磁介質(zhì)上的磁性顆粒因磁感應(yīng)強(qiáng)度降低而脫落；②ZQS周期式高梯度磁選機(jī)在水力及振動力的雙重作用下卸礦，磁介質(zhì)不易發(fā)生堵塞；③分選路徑長，ZQS高梯度磁選機(jī)的磁介質(zhì)分選路徑長度是立環(huán)高梯度磁選機(jī)的3～5倍，可以達(dá)到平環(huán)磁選機(jī)的2～3倍，磁性顆粒被吸附的幾率成倍增加，因此通常其一道選別的分選指標(biāo)可以達(dá)到立環(huán)或平環(huán)高梯度磁選機(jī)兩道或三道的指標(biāo)。基于以上特點(diǎn)，ZQS周期式高梯度磁選機(jī)在非金屬礦提純領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2 ZQS周期式高梯度磁選機(jī)存在問題及優(yōu)化方案

目前，廣州粵有研礦物資源科技有限公司生產(chǎn)的ZQS周期式磁選機(jī)系列產(chǎn)品有ZQS-500，750，1 000，1 250，1 500，1 750等機(jī)型，該系列產(chǎn)品自2016年以來已廣泛用于石英砂、長石、高嶺土等非金屬礦物的提純，設(shè)備選別指標(biāo)穩(wěn)定，磁介質(zhì)不易發(fā)生堵塞。但在使用過程中也發(fā)現(xiàn)了一些影響設(shè)備選別性能的不利因素，因此做了相應(yīng)的改進(jìn)和優(yōu)化。

2.1 原上下磁極形狀的不足與優(yōu)化改進(jìn)

ZQS周期式高梯度磁選機(jī)的上下磁極最初設(shè)計(jì)如圖2（a）所示，上下磁極的上表面均是錐面，此設(shè)計(jì)的目的在于有利于礦漿自上而下的流動，防止礦漿在上下磁極表面堆積，上下磁極的孔洞是礦漿的通道。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，尤其是在分選石英砂礦時(shí)，由于石英砂顆粒粗，在分選過程結(jié)束，分選筒體內(nèi)的礦漿回流至原礦池時(shí)，較粗的石英砂顆粒會殘留在上下磁極的錐面上，后續(xù)的沖洗過程中石英精砂顆粒會隨著磁性顆粒一起進(jìn)入尾礦，造成石英精砂的損失。因此，對上下磁極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的上下磁極形狀如圖2（b）所示，在保證上下磁極均有足夠大的導(dǎo)磁面積的情況下，礦漿通道由孔改為縫，上下磁極用板拼接而成，拼接板在上下磁極上表面處有大倒角，防止礦物堆積。

上下磁極形狀改進(jìn)除了可以降低精礦損失率外，還可以提高分選空間的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度，原設(shè)計(jì)的上下磁極之間的極距為L1，改進(jìn)后的上下磁極極距為L2，閉合磁系結(jié)構(gòu)應(yīng)用安培環(huán)路定理推導(dǎo)出半經(jīng)驗(yàn)公式為：

N*I=kH0L，

式中，N為環(huán)繞分選腔體的線圈匝數(shù)；I為激磁電流，A；k為漏磁系數(shù)；H0為背景場強(qiáng)，A/m，L為磁極距，m。

從圖2（a）和圖2（b）可以看出，在N、I、k保持不變的情況下，上下磁極形狀更改后其極距L2小于更改前的極距L1，相當(dāng)于公式中的L值減小，因此背景場強(qiáng)會提高。

對上下磁極改進(jìn)前后分選腔體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布做了Ansys有限元模擬，結(jié)果如圖3（a）、（b）所示。從磁場分布云圖可以看出，上下磁極形狀更改后整個(gè)分選腔體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度都有了一定的提高，整體磁感應(yīng)強(qiáng)度分布更均勻。為便于分析，選取了分選腔體中心線位置（如圖2中AB線所示）的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線做對比，如圖4所示，可以看出改進(jìn)后分選腔體中心線處的磁感應(yīng)強(qiáng)度有了明顯提高。

2.2 原振動板結(jié)構(gòu)的不足與優(yōu)化改進(jìn)

ZQS周期式高梯度磁選機(jī)的排渣過程是在分選筒體中先充滿水，之后開啟振動電機(jī)和排渣管閥門，卸礦水持續(xù)給入，磁性顆粒在水力和振動力雙重作用下更容易從磁性介質(zhì)上脫落。目前國內(nèi)已有多臺ZQS周期式高梯度磁選設(shè)備應(yīng)用于廣東、福建、浙江、遼寧等地。在使用過程中，有個(gè)別設(shè)備振動板筋板與分選筒體之間焊縫出現(xiàn)開裂情況，基于此問題，對振動板的受力情況進(jìn)行了分析，并且對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更改。

圖5（a）為改進(jìn)前的振動板結(jié)構(gòu)，振動板與筒體的連接方式見圖5（a）中的B放大圖，振動筒體靠彈簧支承在磁系上面，振動板只在有振動電機(jī)的位置設(shè)置了筋板，整塊振動板面積較大，整體剛度差。振動電機(jī)開啟時(shí)帶動整個(gè)分選筒體振動，因振動板剛度差，振動力不能均勻傳遞到整個(gè)筒體，振動力在振動電機(jī)所在位置最大，在應(yīng)力以及疲勞的雙重作用下，振動板筋板處的焊縫產(chǎn)生了裂紋，如圖6所示。基于此問題，對振動板與分選筒體之間的連接結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)。

改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖5（b）中的B放大圖所示。首先，增加了振動板下部筋板的數(shù)量，由原來的4塊增加到10塊。其次，將振動板與上磁極固定的法蘭面上移，在振動板與法蘭面之間也增加了筋板，這樣，振動板上下表面均有加強(qiáng)筋板，振動板強(qiáng)度明顯增加。第三，在振動板與筒體固定的圓周上增加了若干個(gè)塞焊孔，增加了振動板與筒體之間的焊接強(qiáng)度。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)用測振儀測量，在振動板上表面的平均振幅與分選筒體下部圓周處的平均振幅基本一致，說明振動板的剛度足夠，振動電機(jī)的振動力完整地傳遞到了整個(gè)筒體，起到了振動卸礦的效果。

2.3 原線圈腔內(nèi)積水問題及改進(jìn)

ZQS周期式高梯度磁選機(jī)線圈采用空心銅管繞制，水內(nèi)冷的散熱方式，激磁線圈是設(shè)備的核心部件。ZQS周期式高梯度磁選機(jī)的線圈腔體結(jié)構(gòu)如圖7所示，線圈位于上磁極板、下磁極板、側(cè)磁極板以及線圈定位筒圍成的環(huán)形空間內(nèi)，該空間在線圈裝配的過程中是嚴(yán)格密封的。在使用過程中，個(gè)別線圈腔體內(nèi)會出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，經(jīng)分析，出現(xiàn)漏水現(xiàn)象的原因有兩個(gè)：一是因?yàn)殂~管在加工及后期繞制過程中有一些缺陷，隨著使用時(shí)間的延長出現(xiàn)了裂紋；第二個(gè)原因是密封部位出現(xiàn)滲漏。當(dāng)線圈腔體內(nèi)有液體浸泡時(shí)，容易造成線圈短路以及銅管腐蝕。

為了確保線圈腔體內(nèi)不積水，對下磁極板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，改進(jìn)后的下磁極板結(jié)構(gòu)如圖8所示，在下磁極板上增加了8塊墊板，將線圈底面與下磁極板隔開，同時(shí)在下磁極板上開了4個(gè)孔，用于排水及通氣。此種情況下，因密封問題造成的滲水可以及時(shí)排出，不會對線圈造成影響；如果是線圈本身出現(xiàn)漏水，則下磁極板的孔會有持續(xù)的水流，能及時(shí)觀察到，而且短時(shí)間的漏水不會對線圈造成損壞。

3 改進(jìn)的ZQS磁選機(jī)的現(xiàn)場應(yīng)用情況

將以上三項(xiàng)改進(jìn)應(yīng)用到了一臺ZQS-1 000高梯度磁選設(shè)備上，該設(shè)備運(yùn)至廣東一石英砂礦選廠做工業(yè)試驗(yàn)，原礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

由表1可知，原礦主要化學(xué)成分為SiO2，主要雜質(zhì)成分含量為 Fe2O30.126%、TiO20.011%、Mn 0.020%、Al2O30.780%。

選廠采用圖9所示工藝流程。

ZQS-1 000周期式磁選機(jī)在入選物料含SiO299.53%、Fe2O30.018 4%，處理量為25.59 t/h的條件下，取得的石英精砂含SiO299.60%、Fe2O30.007 4%，石英精砂作業(yè)產(chǎn)率為96.17%，精礦損失率低，石英精砂質(zhì)量達(dá)到光伏玻璃石英砂原料要求。設(shè)備已在現(xiàn)場應(yīng)用兩年有余，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，指標(biāo)穩(wěn)定，故障率極低。

4 結(jié)論

（1）針對ZQS高梯度磁選機(jī)使用過程中出現(xiàn)問題所作的優(yōu)化簡單、實(shí)用，在生產(chǎn)成本相對于設(shè)備整體價(jià)值有極少量增加的情況下，解決了設(shè)備精礦損失率高、振動板筋板開裂、以及線圈腔體內(nèi)積水的問題，有效地提高了設(shè)備的使用性能，減少了故障率。

（2）三項(xiàng)改進(jìn)應(yīng)用于ZQS-1 000磁選機(jī)的設(shè)計(jì)，在給礦礦樣含SiO299.53%、Fe2O30.018 4%，處理量為25.59 t/h的條件下，取得的石英精砂含SiO299.60%、Fe2O30.007 4%，石英精砂作業(yè)產(chǎn)率為96.17%的技術(shù)指標(biāo)，精砂損失率低，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率高。

（3）ZQS高梯度磁選機(jī)為間斷式磁選設(shè)備，不能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此未來的發(fā)展方向是設(shè)計(jì)可移動式分選筒體，將磁介質(zhì)的沖洗過程置于設(shè)備分選腔體之外，實(shí)現(xiàn)連續(xù)分選。