伍喜慶，米夏夏，楊斌

(中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙，410083)

高梯度磁選是一種處理細粒弱磁性礦物的有效分選方法。自20世紀60年代末Kolm等[1]成功研發(fā)第1臺高梯度磁選實驗裝置以來，高梯度磁選機的研發(fā)得到了迅速發(fā)展。目前，國內(nèi)外已研制了多種高梯度磁選機，如Sala型高梯度磁選機、VMS型高梯度磁選機[2]、仿瓊斯SHP系列濕式強磁選機[3]、Slon型脈動高梯度立環(huán)磁選機[4]、SSS-Ⅱ雙頻脈沖雙立環(huán)高梯度磁選機[5]、DMG型立環(huán)脈動高梯度磁選機[6]，這些高梯度磁選機均為電磁磁系，因而結(jié)構(gòu)復雜、造價高、能耗大。隨著高性能稀土永磁材料[7-8]的發(fā)展和超導技術(shù)的進步以及節(jié)能的需要，高梯度磁選機在磁系選擇上嘗試使用永磁體和超導體，如鐵輪式永磁高梯度磁選機[9]、CRIMM型雙箱往復式永磁高梯度磁選機[10]和超導高梯度磁選機[11]。此外，高梯度磁選機的分選環(huán)就配置方式而言，主要分為平環(huán)和立環(huán)配置，在這類高梯度磁選機中，礦粒所受的重力在分選過程中均為競爭力。本文作者結(jié)合高梯度磁選技術(shù)和曾經(jīng)研究過的斜面流體力磁力分選[12]的優(yōu)點，研制出一種新型斜環(huán)永磁高梯度磁選機[13]。在此，本文作者介紹該新型斜環(huán)永磁高梯度磁選機的基本結(jié)構(gòu)，分析磁性礦粒在復合力場中的作用力和捕獲機理，并測試該設(shè)備對某鐵礦尾礦的磁選效果。

1 斜環(huán)永磁高梯度磁選機

圖1所示為斜環(huán)永磁高梯度磁選機結(jié)構(gòu)圖。斜環(huán)永磁高梯度磁選機[13](以下簡稱斜環(huán)磁選機)主要由轉(zhuǎn)筒、轉(zhuǎn)環(huán)、轉(zhuǎn)筒驅(qū)動機構(gòu)、傾斜驅(qū)動機構(gòu)、永磁磁系、給礦斗(圖中未畫出)、精礦斗、尾礦斗、清洗水裝置和精礦沖洗水裝置、活動機架和固定機架等部件組成。轉(zhuǎn)筒內(nèi)表面裝有轉(zhuǎn)環(huán)，轉(zhuǎn)環(huán)中固定有導磁不銹鋼材質(zhì)的聚磁介質(zhì)(可以是線型、網(wǎng)板型或齒板型介質(zhì)等)。

作業(yè)時，首先通過傾斜驅(qū)動機構(gòu)和變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)環(huán)的傾斜角度和轉(zhuǎn)速，開動轉(zhuǎn)筒驅(qū)動機構(gòu)，使轉(zhuǎn)筒連同轉(zhuǎn)環(huán)作順時針旋轉(zhuǎn)，礦漿從給礦斗經(jīng)給礦管給入到轉(zhuǎn)筒的內(nèi)上端，在重力作用下流經(jīng)轉(zhuǎn)環(huán)中的聚磁介質(zhì)，其中的磁性顆粒被聚磁介質(zhì)捕獲，部分非磁性顆?？赡軙A雜在其中。在磁系中部，有1個清洗水管，主要是防止和減少這種機械夾雜，當磁介質(zhì)旋轉(zhuǎn)到頂部無磁場區(qū)時，磁性顆粒被沖洗水沖下到精礦斗；而非磁性顆粒則在重力和流體推動力作用下從圓筒的下端進入尾礦斗。

從斜環(huán)磁選機的結(jié)構(gòu)及分選過程可看出其主要應(yīng)用特點是：重力在傳統(tǒng)高梯度磁選機的分選過程中屬競爭力，而在斜環(huán)磁選機的分選過程中則起到了一定的分選力效果；分選時，礦漿在轉(zhuǎn)筒內(nèi)的流動是一種曲線運動，從而延長了礦漿在轉(zhuǎn)筒內(nèi)的行程，增大了礦粒與聚磁介質(zhì)的接觸概率；分選環(huán)傾斜角度的調(diào)節(jié)是磁選過程中的又一重要參數(shù)，而該參數(shù)可改變礦漿流體力學和重力的作用。

圖1 斜環(huán)永磁高梯度磁選機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of high-gradient permanent magnetic separator with inclined cylinder

2 斜環(huán)磁選機中磁性礦粒的受力與捕獲

2.1 磁性礦粒在復合力場中的各種作用力分析

磁性礦粒在斜環(huán)高梯度磁選機分選過程中，受到多種力的作用，如磁力、流體推動力、重力、摩擦力等。為了簡便，下面以球形礦粒為例，分析和估算各種作用力的大小[12-14]。

2.1.1 磁介質(zhì)對礦粒的磁力

假設(shè)磁介質(zhì)為圓柱形導磁不銹鋼材料的棒介質(zhì)，則1個位于磁介質(zhì)附近且半徑為R的球形礦粒所受的磁力為：

2.1.2 有效重力

半徑為R的球形礦粒在礦漿中所受的有效重力為：

2.1.3 流體推動力

在斜環(huán)磁選機中，假設(shè)礦粒在礦漿中所受的流體推動力服從斯托克斯公式，礦漿可近似認為是沿傾角為θ的斜槽運動，其流速與傾斜角度的正弦成正比[15]，則斯托克斯阻力為：

2.1.4 摩擦力

當斜環(huán)磁選機的傾斜角度為θ時，在磁場區(qū)礦粒與磁介質(zhì)之間的摩擦力為：

除以上4種力作用之外，礦粒還要受到其他力的作用，如離心力、礦粒之間的磁吸引力、同質(zhì)和異質(zhì)礦粒間的靜電力和范德華力等等。礦粒之間的這些力在顆粒極微細情況下才比較顯著，故在此不予考慮。

以斜環(huán)磁選機處理細粒赤鐵礦時進行受力分析為例，為了直觀，式(1)～(4)中所有變量的物理意義、單位(SI單位制)以及選取計算值如表1所示。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)和式(1)～(4)計算各力的大小，計算結(jié)果見圖2。

從圖2可見：斜環(huán)磁選機在捕收赤鐵礦時，其傾斜角度對礦粒所受的流體推動力影響比較顯著，而重力平行和垂直于斜面的分力組成也與傾斜角度有關(guān)。在礦粒粒級為0～100 μm時，有效重力相對于磁力來說是很小的，結(jié)合式(1)和式(4)可知：磁力不受傾斜角度的影響，故摩擦力受傾斜角度的影響較小。

表1 計算過程中的原始數(shù)據(jù)Table 1 Original data of calculation

圖2 粒徑對礦粒受力的影響Fig.2 Effects of particle size on various forces

2.2 磁性礦粒的捕獲方式及條件

在斜環(huán)磁選機中，磁性礦粒在斜環(huán)磁選機中被捕獲可分為吸引和吸住2個階段。在吸引階段，分選力為礦粒所受的磁力和有效重力垂直于斜面的分力；而當?shù)V粒與聚磁介質(zhì)接觸后，為保持吸住狀態(tài)，分選力表現(xiàn)為摩擦力，競爭力為礦粒所受的流體推動力和有效重力平行于斜面的分力。

2.2.1 磁性礦粒被聚磁介質(zhì)吸引

在礦漿中，設(shè)磁性礦粒與長度為l的聚磁介質(zhì)表面還未接觸且距離其表面的垂直高度為h，如圖3所示。礦粒在競爭力作用下流向尾礦斗，而在分選力作用下拉向聚磁介質(zhì)，若礦粒能與聚磁介質(zhì)表面接觸，則必須滿足：

式中：t1為磁性礦粒在分選力作用下到聚磁介質(zhì)的時間(假設(shè)磁力不變)，

t2為磁性礦粒在競爭力作用下離開聚磁介質(zhì)的時間(假設(shè)流體推動力不變)，

將t1和t2代入式(5)可得：

圖3 礦粒在斜面受力示意圖Fig.3 Sketch of mineral particle on inclined plane

式中：l為聚磁介質(zhì)長度；h為礦粒距聚磁介質(zhì)表面垂直距離。

由式(6)可知：當?shù)V粒的受力一定時，增長聚磁介質(zhì)和減小流膜厚度(即減小礦粒與聚磁介質(zhì)之間的距離h，如采用薄膜給礦方式)，對捕獲礦粒是有利的。

2.2.2 礦粒被聚磁介質(zhì)吸住

在斜環(huán)磁選機中，當?shù)V粒被吸引到聚磁介質(zhì)表面后，則完成了磁性礦粒被捕獲的第一階段，而第二階段為礦粒與聚磁介質(zhì)表面接觸，且能夠被其吸住而帶至卸礦區(qū)，在這一階段分選力表現(xiàn)為摩擦力，礦粒被聚磁介質(zhì)表面捕獲方式如下。

(1) 吸住式捕獲。當?shù)V粒被聚磁介質(zhì)吸住而不被競爭力帶走而捕獲，則需滿足條件為礦粒所受的分選力大于競爭力，即摩擦力大于流體推動力和有效重力沿斜面的分力之和：

由圖2和式(7)可見：斜環(huán)磁選機在不同的傾斜角度下，對赤鐵礦礦粒捕收的粒級下限也不同，可捕收粒級下限隨傾斜角度的減小而減?。寒攦A斜角度為90°時，可捕收礦粒的粒級下限為35 μm；當傾斜角度為10°時，可捕收礦粒的粒級下限為15 μm；當傾斜角度為5°時，可捕收赤鐵礦礦粒的粒級下限為10 μm(吸住式捕獲礦粒)。

(2) 運動式捕獲。當?shù)V粒與聚磁介質(zhì)表面接觸，但所受的分選力小于競爭力時，礦粒在競爭力和分選力的共同作用下向尾礦斗運動。設(shè)分選區(qū)的徑向夾角為β，礦粒在分選區(qū)內(nèi)運動軌跡如圖4所示。當?shù)V粒隨聚磁介質(zhì)旋轉(zhuǎn)而離開分選區(qū)時，向下運動的距離小于聚磁介質(zhì)長度，礦粒同樣可以被捕獲。假設(shè)礦粒與聚磁介質(zhì)接觸時沿斜面方向的初速度很小，可以忽略，則需滿足的條件為：

式中：a為礦粒在競爭力和分選力共同作用下(即在分選區(qū)內(nèi))加速度，則

t為礦粒在分選區(qū)停留的時間(s)，設(shè)分選環(huán)轉(zhuǎn)速為ωr/min，則。將a和t代入式(8)可得：

圖4 礦粒在斜面運動軌跡示意圖Fig.4 sketch of particle trajectory on inclined plane

式中：ω為分選環(huán)轉(zhuǎn)速，r/min；β為分選區(qū)的徑向夾角，rad。

由式(9)可見：當?shù)V粒所受競爭力大于分選力時，增大轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)速和增長聚磁介質(zhì)長度均有利于對礦粒的捕獲。顯然，運動式捕獲比吸住式捕獲礦粒的粒度下限要小。

在斜環(huán)高梯度磁選機中，磁力和有效重力垂直于斜面的分力均屬分選力，由式(1)和式(2)可知：磁力與礦粒半徑的平方成正比，有效重力與礦粒半徑的立方成正比；當?shù)V粒粒級迅速增大時，磁力和有效重力也迅速增大，這對斜環(huán)磁選機提高回收率來說是有利的。

3 試驗結(jié)果

磁選試驗給料為某鐵礦選礦后的尾礦，其中TFe(全鐵)含量為 17.81%，主要以赤鐵礦和菱鐵礦等弱磁性礦物存在，原礦粒度中微細粒含量較高，小于0.037 mm粒級的含量為47.9%。磁選試驗時，給礦濃度為 20%，給礦速度為 2 L/min，分選環(huán)轉(zhuǎn)速為 20 r/min，主要操作參數(shù)變量為斜環(huán)磁選機中的傾斜角度。當傾斜角度分別為10°，20°，30°和45°時，其試驗結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見：鐵品位隨著傾斜角度的增大而增大，而回收率隨著傾斜角度的增大而下降。這是因為在斜環(huán)磁選機中，隨著傾斜角度的增大，礦粒所受的流體推動力和有效重力平行于斜面的分力增大，即競爭力增大，則磁性較弱或連生體礦粒因受分選力較弱，被競爭力所帶走的概率增大。

圖5 傾斜角度對試驗指標的影響Fig.5 Effect of inclination angle on separation

4 結(jié)論

(1) 調(diào)節(jié)斜環(huán)磁選機所具特征的傾斜角度，可改變礦粒所受流體推動力大小和有效重力的分力組成，從而可降低斜環(huán)磁選機捕獲磁性礦粒的粒度下限；此外，設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)聚磁介質(zhì)長度和操作參數(shù)轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)速和流膜厚度也是影響礦粒捕獲的重要因素。

(2) 磁選鐵精礦中的鐵品位隨著傾斜角度的增大而增大，而鐵回收率隨著傾斜角度的減小而增大，這與磁性礦粒受力分析結(jié)果一致；在給料鐵礦尾礦全鐵品位為 17.81%時，經(jīng)一次磁選可獲得全鐵品位為29.53%、回收率為65.05%的良好指標。

(3) 斜環(huán)永磁高梯度磁選機原理新穎，結(jié)構(gòu)簡單，能源消耗低，操作維護方便，與一般磁選機相比，增加了新的可調(diào)控的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)，是有效富集和分離弱磁性物料的設(shè)備。

[1] Kolm H H, Oberteuffer J A, Kelland D R. High-gradient magnetic separation[J]. Scientific American, 1975, 223(5):46-54.

[2] Svoboda J, Fujita T. Recent developments in magnetic methods of material separation[J]. Minerals Engineering, 2003, 16(9):785-792.

[3] 蘇啟林. ShP-3200濕式強磁選機研制與試驗[J]. 金屬礦山,1982(11): 24-27.SU Qi-lin. Development and test of ShP-3200 wet type high intensity magnetic separator[J]. Metal Mine, 1982(11): 24-27.

[4] WU Zeng, XIONG Da-he. The latest application of SL on vertical ring and pulsating high-gradient magnetic separator[J].Minerals Engineering, 2003, 16(6): 563-565.

[5] 湯玉和. SSS-Ⅱ濕式雙頻脈沖雙立環(huán)高梯度磁選機的研制[J].金屬礦山, 2004(3): 37-39.TANG Yu-he. Development of SSS-Ⅱ wet type double frequency pulsation double vertical ring high-gradient magnetic separator[J]. Metal Mine, 2004(3): 37-39.

[6] 李月俠, 李彪. DMG型電磁脈動高梯度磁選機用于紅柱石除鐵的研究及實踐[J]. 金屬礦山, 2001(3): 39-41.LI Yue-xia, LI Biao. Research and practice on DMG electromagnetic pulsating high-gradient magnetic separator in iron removal from andalusite[J]. Metal Mine, 2001(3): 39-41.

[7] Arvidson B R, Henderson D. Rare-earth magnetic separation equipment and applications developments[J]. Minerals Engineering, 1997, 10(2): 127-137.

[8] CHANG Ying, WANG Da-peng, LI Wei, et al. Improved electrical insulation of rare earth permanent magnetic materials with high magnetic properties[J]. Journal of Iron and Steel Research, International, 2009, 16(2): 84-88.

[9] 孫時元. 最新中國選礦設(shè)備手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,2006: 402-423.SUN Shi-yuan. Handle book of the latest mineral processing equipments of China[M]. Beijing: China Machine Press, 2006:402-423.

[10] 李小靜, 徐星佩, 曹傳輝, 等. CRIMM 型雙箱往復式永磁高梯度磁選機研制及應(yīng)用[J]. 非金屬礦, 2008, 31(1): 47-48.LI Xiao-jing, XU Xing-pei, CAO Chuan-hui, et al. Development of CRIMM double canister reciprocating HG permanent magnetic separator & its application[J]. Non-Metallic Mines,2008, 31(1): 47-48.

[11] Watson J H P, Boorman C H. A superconducting high-gradient magnetic separator with a current-carrying matrix[J].International Journal of Mineral Processing, 1986, 17(3/4):161-185.

[12] 伍喜慶, 黃志華. 磁力螺旋溜槽及其對細粒磁性物料的回收[J]. 中南大學學報: 自然科學版, 2007, 38(6): 1083-1087.WU Xi-qing, HUANG Zhi-hua. Magnetic spiral chute and its application in recovery of fine magnetic materials[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2007, 38(6):1083-1087.

[13] 伍喜慶, 米夏夏. 斜環(huán)高梯度磁選機: 中國,200910227071.4[P]. 2009-11-29.WU Xi-qing, MI Xia-xia. Inclined ring high-gradient magnetic separator: China, 200910227071.4[P]. 2009-11-29.

[14] 何平波. 往復式振動高梯度磁選設(shè)備及硫化礦浮選混合精礦磁分離[D]. 長沙: 中南大學資源加工與生物工程學院, 1991:55-59.HE Ping-bo. Reciprocating vibration high-gradient magnetic separator and separation of mix flotation concentrate of sulfide ore[D]. Changsha: Central South University. School of Minerals Processing and Bioengineering, 1991: 55-59.

[15] 張家駿, 霍旭紅. 物理選礦[M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社, 1992:260-261.ZHANG Jia-jun, HUO Xu-hong. Physical beneficiation[M].Beijing: Coal Industry Press, 1992: 260-261.