磁鐵礦顆粒在復合力場中的沉降特性研究①

范喜杰，徐冬林，吳前鋒，朱巨建，任偉杰，郭小飛

（1.鞍鋼集團鞍千礦業責任有限公司，遼寧 鞍山 114043；2.遼寧科技大學 礦業工程學院，遼寧 鞍山 114051）

顆粒沉降現象廣泛存在于重選、浮選、磁選以及分級和濃縮過程中［1-4］。顆粒沉降普遍發生于混合體系中，因此影響因素繁多且十分復雜，內在因素主要包括顆粒形狀、粒度、密度、黏度等；外在因素主要包括流體性質、外力干擾、顆粒之間的干擾等［5-7］。

顆粒在流場中的沉降運動是磁重聯合分選的關鍵［8-10］。磁鐵礦單體、富連生體、貧連生體、脈石等在密度、粒度、磁性等屬性上均有差異，導致各組分沉降特性也存在差異，可以利用這種差異性實現礦物不同組分的選擇性分離。本文采用具有磁場的改進型利亞申柯沉降試驗裝置［11］測定了不同粒度磁鐵礦單體、富連生體、貧連生體、脈石的沉降特性，以此獲得磁場和流場作用對磁鐵礦不同組分沉降特性的影響規律，以期為礦物各組分的選別提供理論依據。

1 試 驗

1.1 礦樣制備

試驗礦樣為鞍本地區典型的磁鐵石英巖，主要由磁鐵礦和石英組成，其主要化學成分分析結果如表1所示。由表1可知，礦石的TFe品位為28.55%、SiO2品位為56.54%，屬于典型低品位鐵礦石。

表1 礦石主要化學成分（質量分數） %

利用實驗室型顎式破碎機和對輥破碎機將礦樣閉路粉碎至－2 mm，使用錐形球磨機將礦樣球磨至－0.074 mm粒級占45%。利用實驗室Φ50 mm型磁選柱、Φ50 mm×900 mm磁選管和Φ80 mm×260 mm數字脈沖脫磁器進行“階段弱磁選”，一段、二段、三段磁選場強分別為12.7 kA／m、119.1 kA／m和214.9 kA／m。試驗流程如圖1所示，分選結果如表2所示。

圖1 階段弱磁選試驗流程

表2 階段弱磁選試驗結果

由表2可知，產品1的TFe品位為62.99%，可視為磁鐵礦單體；產品2與產品3的TFe品位分別為48.60%和12.41%，可分別視為富連生體和貧連生體，產品4可視作脈石。用國際標準篩將以上4種產品分別篩分成3種粒級：－0.25＋0.15 mm（粒級A）、－0.15＋0.106 mm（粒級B）、－0.106＋0.074 mm（粒級C），備用。

1.2 試驗裝置及方法

在利亞申柯干涉沉降模型的基礎上，增加了磁場作用，測定磁鐵礦不同組分在上升水流力作用、磁場力作用以及二者聯合作用下的干涉沉降速度，試驗裝置如圖2所示。該裝置主要由電控箱、沉降管、通電線圈、切向給水管等組成，從上部給礦口給入物料，調節水流及左側電控箱，根據沉降距離和時間計算得到顆粒群在靜水中的沉降速度，根據流量、沉降距離、沉降時間等參數得出顆粒群在有外力干涉條件下的沉降速度。

圖2 干涉沉降試驗裝置示意圖

2 試驗結果及討論

2.1 靜水中的沉降速度試驗

礦漿濃度0.5%時，分別測定了磁鐵礦各組分3個粒級在靜水中的沉降速度，結果如表3所示。

表3 磁鐵礦不同組分在靜水中的沉降速度

由表3可知，在靜水中沉降時，對于同一粒級范圍的顆粒群，沉降速度大小依次為磁鐵礦單體＞富連生體＞貧連生體＞脈石；對于磁鐵礦單體與富連生體，不同粒級范圍內，兩者的沉降速度差異較大；貧連生體與脈石的密度較為接近，各粒級范圍內沉降速度差異較小。

2.2 上升水流作用下的沉降速度試驗

礦漿濃度0.5%時，分別測定了磁鐵礦各組分3個粒級在上升水流作用下的沉降速度，結果如表4所示。礦粒從上部給入后落至篩網上，此時給入上升水流，當顆粒在反沖水作用下達到懸浮狀態時，可認為顆粒的沉降速度等于上升水流流速。

由表4可知，在流體曳力作用下，各組分較其在靜水中沉降時沉降速度明顯減小，且隨著礦石粒度減小，沉降速度減幅增大。表明流體曳力的存在不僅阻礙了顆粒群的沉降運動，而且削弱了各組分密度的差異，使得4種組分的沉降速度差縮小，尤其縮小了富連生體與貧連生體、脈石的沉降速度差異，說明流體曳力作用可顯著影響顆粒沉降的運動狀態。

表4 磁鐵礦不同組分在上升水流作用下的沉降速度

2.3 磁場作用下的沉降速度試驗

礦漿濃度0.5%時，分別測定磁鐵礦各組分不同粒級在不同磁場作用下的沉降速度，結果如表5所示。

表5 磁鐵礦不同組分在磁場作用下的沉降速度

由表5可知，由于磁鐵礦單體與富連生體比磁化系數較為接近，經過磁場加速區時獲得的加速效果較為接近。當磁場強度由17.5 kA／m增加至72.6 kA／m時，磁鐵礦單體和富連生體3個粒級的沉降速度均增大，說明磁場強度對磁鐵礦單體與富連生體的較細粒級（粒級C）的沉降速度影響較低。貧連生體與脈石含鐵量相對較少，二者比磁化系數較小，經過磁場加速區時，加速效果不明顯。當磁場強度由17.5 kA／m增加至72.6 kA／m時，貧連生體與脈石3個粒級的速度變化幅度均較小。以上結果表明，增加磁場強度能提高強磁性顆粒沉降速度，但對其中細粒級沉降速度的影響較小；磁場強度對弱磁性顆粒的沉降速度影響較小。

2.4 上升水流與磁場聯合作用下的沉降速度試驗

礦漿濃度0.5%時，分別測定了磁鐵礦各組分3個粒級在磁場與流場聯合作用下的沉降速度，結果如表6所示。

表6 磁鐵礦不同組分在磁場和流場聯合作用下的沉降速度

由表6可知，在原有磁場條件下給入上升水流，流體曳力拖拽顆粒向上運動的現象比較顯著。在同一磁場力作用下，對于同一粒級，4種組分的沉降速度均明顯小于單一磁場作用下的沉降速度。

當磁場強度由17.5 kA／m增加至72.6 kA／m時，磁鐵礦單體和富連生體3個粒級的沉降速度均增大。說明對磁鐵礦單體和富連生體而言，聯合作用下較粗粒級（粒級A）沉降速度增幅高于單一磁場力作用下的增幅，該現象在貧連生體和脈石組分中不明顯。

3 結 論

1）流體曳力作用不僅阻礙了顆粒群的沉降運動，還削弱了各組分密度的差異，使得磁鐵礦不同組分的沉降速度差縮小，尤其縮小了富連生體與貧連生體、脈石的沉降速度差異。

2）增加磁場強度能夠提高強磁性顆粒的沉降速度，但對其中細粒級沉降速度的影響較小；磁場強度對弱磁性顆粒的沉降速度影響較小。

3）在磁場和流場的聯合作用下，流體曳力拖拽顆粒向上運動的現象較顯著，磁鐵礦各組分的沉降速度均明顯小于單一磁場作用下的沉降速度。對磁鐵礦單體和富連生體而言，聯合作用下較粗粒級（粒級A）沉降速度增幅高于單一磁場力作用下的增幅，該現象在貧連生體和脈石組分中不明顯。

4）磁鐵礦單體、富連生體、貧連生體和脈石分別呈現出相似的沉降規律，可通過為磁鐵礦單體與連生體的分離、貧連生體與脈石的分離分別設定特定的磁場與流場，提高性質相近的兩種礦石組分的分選精度。