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        我國(guó)高梯度超導(dǎo)磁分離裝備在非金屬礦選礦中的應(yīng)用*

        2016-11-28 06:57:24李培勇付貴泰張義廷王兆連李運(yùn)強(qiáng)
        陶瓷 2016年10期
        關(guān)鍵詞:超導(dǎo)磁體非金屬礦磁選機(jī)

        李培勇 付貴泰 張義廷 王兆連 李運(yùn)強(qiáng)

        (濰坊新力超導(dǎo)磁電科技有限公司 山東 濰坊 261205)

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        我國(guó)高梯度超導(dǎo)磁分離裝備在非金屬礦選礦中的應(yīng)用*

        李培勇 付貴泰 張義廷 王兆連 李運(yùn)強(qiáng)

        (濰坊新力超導(dǎo)磁電科技有限公司 山東 濰坊 261205)

        介紹了國(guó)內(nèi)磁選設(shè)備的研究現(xiàn)狀,對(duì)目前國(guó)內(nèi)高梯度超導(dǎo)磁分離裝備的結(jié)構(gòu)原理、分選方式以及選礦特性進(jìn)行了分析,并通過(guò)大量磁選試驗(yàn)驗(yàn)證了高梯度超導(dǎo)磁分離裝備在我國(guó)非金屬礦選礦領(lǐng)域中高效、節(jié)能等方面的優(yōu)勢(shì),建議大力發(fā)展節(jié)能、高效磁選技術(shù)。

        超導(dǎo)磁體 背景磁場(chǎng) 非金屬礦 零電阻 磁選裝備

        磁選是一種無(wú)污染或者少污染的環(huán)保潔凈磁分離技術(shù)[1],是一種通過(guò)改變礦粒周圍磁場(chǎng)環(huán)境將其分離的一種選礦技術(shù),在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。在我國(guó)非金屬礦礦物加工領(lǐng)域,磁選技術(shù)有了很大的提升,被廣泛應(yīng)用于高嶺土、鉀鈉長(zhǎng)石、高純石英等非金屬礦的除鐵提純。近年來(lái),我國(guó)磁選設(shè)備研制進(jìn)展很快,先后取得了一系列水平很高、適合我國(guó)礦山情況的研究成果[2],如永磁筒式磁選機(jī)、干式磁選機(jī)、電磁感應(yīng)輥式強(qiáng)磁選機(jī);Shp系列強(qiáng)磁選機(jī),SLon立環(huán)脈動(dòng)高梯度磁選機(jī)及我公司研制的強(qiáng)制油水復(fù)合冷卻電磁高梯度磁選機(jī)等。這些研究成果目前都已在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用,并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。然而,近年來(lái)隨著我國(guó)優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)資源的過(guò)度開發(fā),非金屬礦中一些難選礦產(chǎn)的開發(fā)迫在眉睫,常規(guī)磁選設(shè)備對(duì)非金屬礦中嵌布粒度較細(xì)、比磁化系數(shù)較低、共生現(xiàn)象嚴(yán)重的鐵磁性礦物的去除效果不理想,而且大都采用電磁鐵或者螺線管作為磁體,其激磁功率和磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比,因此磁選機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)耗電量很大[3],加劇了礦山企業(yè)的負(fù)擔(dān)。同時(shí)常規(guī)磁體受到鐵芯磁飽和以及線圈發(fā)熱需強(qiáng)制冷卻的限制[4],產(chǎn)生的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度一般不會(huì)超過(guò)1 600 kA/m(20 000 Oe)。針對(duì)以上問(wèn)題,我公司同中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所合作研制了具有高場(chǎng)強(qiáng)、低能耗、處理量大且操作簡(jiǎn)單的高梯度超導(dǎo)磁選機(jī)[5]。該磁選機(jī)采用低溫超導(dǎo)技術(shù)針對(duì)以上問(wèn)題有了技術(shù)上的突破,打破了常規(guī)電磁場(chǎng)強(qiáng)最高2.0T的限制,為我國(guó)選礦裝備的創(chuàng)新發(fā)展指引了新的方向。

        1 高梯度超導(dǎo)磁選設(shè)備的工作原理及性能優(yōu)勢(shì)

        1.1 高梯度超導(dǎo)磁選機(jī)工作原理

        超導(dǎo)磁選機(jī)作為國(guó)內(nèi)磁選裝備中的高端選礦裝備,其關(guān)鍵技術(shù)在于通過(guò)低溫技術(shù)來(lái)處理線圈,使線圈達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài),以提高磁體所產(chǎn)生的背景場(chǎng)強(qiáng),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用鈦、鈮三錫等超導(dǎo)材料制作的超導(dǎo)線[6],通過(guò)后期加工,將超導(dǎo)線環(huán)繞成特種線圈置于密閉良好的低溫杜瓦中。采用液氦浸泡及制冷系統(tǒng)傳導(dǎo)冷卻的方式[7],使超導(dǎo)線圈工作環(huán)境溫度維持在-268.8 ℃左右,此時(shí)超導(dǎo)線圈電阻為零。由于纏繞線圈電阻為零,電導(dǎo)率為無(wú)窮大,可以承載更大的電流,增加超導(dǎo)線圈匝數(shù),以螺旋管的方式進(jìn)行繞制,最終可獲得超高的背景磁場(chǎng)。

        圖1 超導(dǎo)磁體簡(jiǎn)圖

        該磁選機(jī)能夠接近連續(xù)地處理物料。這是利用設(shè)備內(nèi)交替地位于磁場(chǎng)內(nèi)的兩個(gè)分選腔段實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)一個(gè)分選腔段用于分選礦漿時(shí),另一個(gè)被清洗并為其下一個(gè)工作周期做準(zhǔn)備。分選腔系統(tǒng)主要由5組分選腔組成(如圖2所示),其中2個(gè)無(wú)效分選腔、2個(gè)有效分選腔以及1個(gè)磁力平衡腔。磁力平衡腔位于中間,平衡了分選腔出入磁體時(shí)所受的磁力,使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)軸向力較小,2個(gè)無(wú)效分選腔位于兩側(cè),起到連接支撐作用,保證2個(gè)有效分選腔交替地進(jìn)入磁場(chǎng)[8]。

        圖2 分選腔結(jié)構(gòu)示意圖

        1.2 超導(dǎo)磁選設(shè)備的性能優(yōu)勢(shì)

        1.2.1 極高的背景場(chǎng)強(qiáng)可獲得更高的磁力

        超導(dǎo)磁體所用線圈采用Nb-Ti超導(dǎo)材料制作,在低溫下電阻為零,能夠通過(guò)更大的電流卻不會(huì)產(chǎn)生太大的熱量,因此可以使線圈產(chǎn)生更大的背景磁場(chǎng),目前最高可達(dá)7.0 T。根據(jù)下面磁力計(jì)算公式可知磁性顆粒在磁場(chǎng)中的受力情況[9]:

        F磁=μ0kVHgradH

        (1)

        (2)

        式中: μ0——體積磁化率系數(shù);

        k——體積磁化率;

        V——顆粒體積;

        H——磁場(chǎng)強(qiáng)度;

        gradH——磁場(chǎng)梯度;

        δ——顆粒密度;

        χ——比磁化率。

        (1)、(2)計(jì)算公式表明,作用在磁選顆粒上的磁力決定于顆粒的磁性和磁選設(shè)備的磁場(chǎng)力HgradH。背景磁場(chǎng)越高,磁性顆粒在磁場(chǎng)內(nèi)所受磁力越強(qiáng),越容易被磁性介質(zhì)捕捉。超導(dǎo)磁選機(jī)超高的背景磁場(chǎng)為非金屬礦選礦中弱磁性顆粒的去除提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐,使微細(xì)粒選礦不再是難以攻克的難題。

        1.2.2 能耗低,節(jié)能降耗效益顯著

        采用低溫超導(dǎo)技術(shù),超導(dǎo)磁體在4.2 K(-268.8 ℃)低溫環(huán)境下作業(yè),其線圈電阻為零,通電后實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài),有效杜絕磁體在導(dǎo)電過(guò)程中的發(fā)熱現(xiàn)象,高電流通過(guò)時(shí)其所產(chǎn)生熱值為零。GM制冷機(jī)僅需維持超導(dǎo)磁體處于這種低溫狀態(tài),與常導(dǎo)磁體相比節(jié)電90%,完全解決了磁選作業(yè)能耗高的問(wèn)題。表1為目前非金屬礦磁選常用的幾種選礦設(shè)備大致功率。

        表1 主要磁選設(shè)備能耗對(duì)比

        表1顯示,低溫超導(dǎo)磁選機(jī)額定功率在10 kW左右,相當(dāng)于一臺(tái)永磁磁選機(jī),與電磁設(shè)備相比,能耗大大降低,同時(shí)背景場(chǎng)強(qiáng)也得到很大的提高,使超導(dǎo)磁選機(jī)整機(jī)性能提升明顯,為礦山企業(yè)節(jié)約大量的選礦電力成本。

        1.2.3 分選范圍廣

        非金屬礦選礦提純主要的目的是要滿足其應(yīng)用的相關(guān)領(lǐng)域,如高品質(zhì)陶瓷、耐火材料、微電子、光纖、涂料以及造紙等高新技術(shù)[10]。該領(lǐng)域?qū)Ψ墙饘俚V純度要求極高,對(duì)其中脈石含量上限控制極其嚴(yán)格,因此非金屬除鐵提純一直是國(guó)內(nèi)非金屬礦選礦領(lǐng)域的技術(shù)難題。然而,普通磁選機(jī)對(duì)嵌布特性復(fù)雜、礦物種類繁多、磁性礦物顆粒較細(xì)、共生伴生嚴(yán)重的非金屬礦分選效果很難滿足產(chǎn)品要求,現(xiàn)代高梯度磁選機(jī)雖然有著30多年的發(fā)展歷史,但是仍然存在著價(jià)格高,能耗大的問(wèn)題[11],高梯度超導(dǎo)磁選機(jī)則有效地解決了這一技術(shù)問(wèn)題。其擁有極高的背景場(chǎng)強(qiáng),可以捕捉到礦漿中粒度極細(xì)、比磁化率更低的磁性顆粒,從而獲得高品位的精礦產(chǎn)品。目前實(shí)驗(yàn)室已對(duì)包括高嶺土、鉀鈉長(zhǎng)石、粉煤灰、石英等多種非金屬礦做了試驗(yàn)研究,除鐵效果顯著。

        在非金屬礦選礦中,常規(guī)磁選機(jī)對(duì)磁化率較高的順磁性礦物或者鐵磁性礦物能夠較好地去除,選別粒度下限可低至20 μm[12]。但是隨著我國(guó)非金屬礦產(chǎn)品的研究的發(fā)展,對(duì)礦產(chǎn)品的質(zhì)量要求以及產(chǎn)量要求越來(lái)越高,常規(guī)磁選機(jī)已不能完全滿足要求。而低溫超導(dǎo)磁選機(jī)對(duì)于磁化率在10-8~10-10m3/kg的磁性礦物都能夠有效地去除,且分選粒度下限可低至微米級(jí),大大拓寬了磁選機(jī)可處理的非金屬礦范圍。

        1.2.4 處理量大

        超導(dǎo)磁選機(jī)實(shí)際作業(yè)中分選腔可雙向交替分選、沖洗作業(yè),可在勵(lì)磁狀態(tài)下連續(xù)不間斷作業(yè)運(yùn)行,分選效率極高。其中5.5 T/300 低溫超導(dǎo)磁選機(jī)(CGC)對(duì)高嶺土、粉煤灰等非金屬礦日最大處理量可達(dá)100 t左右,5 T/500型低溫超導(dǎo)磁選機(jī)日最大處理量高達(dá)350 t左右,可完全滿足目前非金屬礦山的生產(chǎn)需求。

        1.2.5 自動(dòng)化程度高

        超導(dǎo)磁選機(jī)的作業(yè)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)一鍵操作,一鍵勵(lì)磁、一鍵退磁、一鍵自動(dòng)運(yùn)行,通過(guò)實(shí)時(shí)采集并監(jiān)控溫度、壓力、電流、真空度等運(yùn)行參數(shù),保證了設(shè)備運(yùn)行的可靠性,對(duì)生產(chǎn)管理和產(chǎn)品質(zhì)量的控制提供極大的便利。

        2 我國(guó)高梯度超導(dǎo)磁選機(jī)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)展

        超導(dǎo)磁選機(jī)擁有常規(guī)磁選機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)良特性,因此在非金屬選礦領(lǐng)域中的應(yīng)用得到了高度的重視[13],使非金屬行業(yè)的發(fā)展上升到了新的高度。其不僅擁有著場(chǎng)強(qiáng)高、能耗低、選別效果顯著等特性,還具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、無(wú)污染、占地面積小等客觀優(yōu)勢(shì)。

        2.1 廣東某地區(qū)高嶺土選礦實(shí)踐

        廣東某地高嶺土原礦主要包含石英、白云母、黑云母、長(zhǎng)石和高嶺石,有少量的赤、褐鐵礦等。石英主要富集在+0.045 mm粒級(jí)中,云母和長(zhǎng)石類礦物的含量在中間粒級(jí)富集(-0.6 mm+0.020 mm),高嶺石及少量暗色礦物的含量隨著粒度的減小逐漸增加,高嶺石在-0.045 mm開始富集,在-0.020 mm粒級(jí)中明顯富集。

        該地高嶺土原礦含鐵量為1.2%左右,經(jīng)破碎、研磨流程后,控制礦石粒級(jí)-0.045 mm含量為百分之百,經(jīng)兩段電磁漿料作業(yè)后精礦產(chǎn)品無(wú)法達(dá)到產(chǎn)品要求,當(dāng)采用5.5 T低溫超導(dǎo)磁選聯(lián)合一段電磁選作業(yè)后可得含鐵量0.40%左右的高嶺土精礦,分選效果較為理想。二段電磁選工藝與電磁選+超導(dǎo)磁選工藝成品指標(biāo)對(duì)比如表2所示。

        表2 5 T/500低溫超導(dǎo)磁選機(jī)在廣東某地生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)除鐵效果

        2.2 云南某地區(qū)高嶺土選礦實(shí)踐

        云南某地高嶺土礦屬花崗巖蝕變礦床,形態(tài)呈疏松土塊狀。礦物組成主要為高嶺石、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石和石英,還包含少量鋯石、褐鐵礦、銳鈦礦和黃鐵礦。其中高嶺石主要賦存在-0.038 mm粒級(jí)范圍內(nèi),礦石粒度組成較細(xì)。礦石中鐵含量約為0.66%,其主要以獨(dú)立礦物賦存于褐鐵礦中,部分鐵以類質(zhì)同象形式與高嶺石伴生,這是造成高嶺土精礦白度較低的主要原因。

        針對(duì)該地區(qū)礦石堪布較細(xì),鐵元素賦存復(fù)雜等狀況,我公司采用5 T/500低溫超導(dǎo)磁選機(jī)對(duì)該地區(qū)礦石分選,通過(guò)控制分選作業(yè)礦石入料粒度、礦漿濃度及流速,合理搭配剛毛,將原礦含鐵量為0.66%的高嶺土進(jìn)行一段超導(dǎo)磁選作業(yè),最終獲得了鐵含量為0.34%的磁選精礦。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

        表3 5.5 T/300低溫超導(dǎo)磁選機(jī)在云南某地生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)除鐵效果

        礦樣名稱TFe含量(%)白度原礦0.6685電磁精礦0.4289超導(dǎo)磁選精礦0.3492

        3 結(jié)語(yǔ)

        國(guó)內(nèi)對(duì)超導(dǎo)磁體的研究已有近十年的歷史,在超導(dǎo)研究領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果,推出的5.5 T/300型低溫超導(dǎo)磁選機(jī)、5 T/500型低溫超導(dǎo)磁選機(jī)以及超導(dǎo)除鐵器[14]最具代表性,并已成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。其優(yōu)越性可以歸納為以下幾點(diǎn):

        1)超導(dǎo)磁分離技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的高端選礦技術(shù)之一,尤其在非金屬礦選礦領(lǐng)域?qū)τ诩?xì)粒級(jí)物料的處理比常規(guī)磁選機(jī)效果要優(yōu)。

        2)超導(dǎo)磁體與常規(guī)磁體相比,消除了直流電阻,采用鈮鈦合金超導(dǎo)線圈,很小的電壓即可獲得很高的電流,從而獲得遠(yuǎn)高于2T的背景磁場(chǎng)。

        3)節(jié)能是超導(dǎo)磁選機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)之一,超導(dǎo)磁體在低溫條件下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo),勵(lì)磁成功后不再耗能,每年能夠節(jié)省大量的電力成本。

        4)超導(dǎo)磁選機(jī)在非金屬礦除鐵領(lǐng)域顯示出強(qiáng)大的分選效果,與常規(guī)磁選設(shè)備相比,展示出優(yōu)異的設(shè)備性能。

        1 夏紅峰.國(guó)內(nèi)磁選設(shè)備的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).金屬礦山,2010(9):111~114

        2 吳世清.我國(guó)磁選設(shè)備的現(xiàn)狀及發(fā)展方向.金屬礦山,2004(10):47~55

        3 趙愛武.超導(dǎo)磁選機(jī)在選煤中的應(yīng)用前景.中國(guó)煤炭,1997(2):24~25

        4 何莉娜.超導(dǎo)磁分離技術(shù)應(yīng)用研究.低溫與超導(dǎo),2014(12):55~58

        5 孫仲元,朱自安.超導(dǎo)磁選設(shè)備的發(fā)展.中國(guó)會(huì)議,2012(6):599~604

        6 王醒東.商用超導(dǎo)材料技術(shù)概括.新材料產(chǎn)業(yè),2012(2):51~55

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        8 韋獻(xiàn)鵬,莫長(zhǎng)錄.超導(dǎo)磁選機(jī)除鐵應(yīng)用研究.非金屬礦,2007(9):34~39

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        10 冉紅想.強(qiáng)磁選設(shè)備在非金屬礦除鐵中的應(yīng)用.有色金屬(選礦部分),2011(1):150~154

        11 陳劍,李曉波.高梯度磁選機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用.礦業(yè)快報(bào),2005(9):4~6

        12 陳建生,等.磁選機(jī)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)(二).礦山機(jī)械,2009(19):80~84

        13 Oder R R,Price C R.Brightness beneficiation of kaolin clays.Tech Assoc Pulp Paper Ind,1973,56:75~78

        14 劉永振.近幾年我國(guó)磁選設(shè)備的研制和應(yīng)用.有色金屬(選礦部分),2011(1):24~33

        國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃《超導(dǎo)磁選機(jī)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)》(項(xiàng)目編號(hào):2012BAF09B05)。

        李培勇,濰坊新力超導(dǎo)磁電科技有限公司常務(wù)副總,工程師;主要從事超導(dǎo)裝備關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)。*

        TQ174.5

        A

        1002-2872(2016)10-0045-04

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