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。

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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)。*

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1002-2872(2016)10-0045-04