劉 楷 李華杰 崔振紅

(贛州金環(huán)磁選設(shè)備有限公司)

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新型周期式超導(dǎo)高梯度磁選機(jī)及其試驗(yàn)

劉 楷 李華杰 崔振紅

(贛州金環(huán)磁選設(shè)備有限公司)

磁選設(shè)備較高的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度是非金屬礦提純、除鐵的必備條件。針對(duì)傳統(tǒng)高梯度磁選機(jī)背景磁感應(yīng)強(qiáng)度低于2 T的現(xiàn)狀，研制了新型周期式超導(dǎo)高梯度磁選機(jī)。該磁選機(jī)背景磁感應(yīng)強(qiáng)度高達(dá)9 T，具有勵(lì)磁功率小、磁場(chǎng)變化速率快、耗能少、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。在分析其技術(shù)指標(biāo)、工作原理、磁場(chǎng)參數(shù)和機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)某人工配礦試樣進(jìn)行試驗(yàn)，確定了超導(dǎo)磁選機(jī)適宜的工作條件，查明了超高磁感應(yīng)強(qiáng)度下，沖程、沖次、排礦水流速、磁介質(zhì)高度等參數(shù)對(duì)除鐵和選礦效果的影響規(guī)律，為今后超導(dǎo)磁選技術(shù)在國(guó)內(nèi)的工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

磁選機(jī) 超導(dǎo)磁體 非金屬礦 除鐵 沖程

超導(dǎo)體在一定的低溫條件下電阻等于零，電流通過(guò)時(shí)不發(fā)生熱損耗，可以形成強(qiáng)大的電流，從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場(chǎng)。超導(dǎo)體電阻突然消失的溫度稱(chēng)為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，外部條件維持在足夠低時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度稱(chēng)為超導(dǎo)臨界溫度。超導(dǎo)體具有完全抗磁性，在一定的外加磁場(chǎng)下，能保持超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性是超導(dǎo)體的兩個(gè)基本性質(zhì)，既相互獨(dú)立又緊密聯(lián)系[1]。

常規(guī)磁體利用增大線圈導(dǎo)體的安匝數(shù)和提升電流來(lái)增強(qiáng)磁場(chǎng)，通入電流會(huì)產(chǎn)生高溫，并放出巨大的熱量。電能不但因轉(zhuǎn)換成熱能而被浪費(fèi)，還由于線圈的磁化特性極限，工業(yè)生產(chǎn)中難以突破2 T的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度。超導(dǎo)磁體是利用NbTi或者Nb3Sn等超導(dǎo)材料繞制的線圈和長(zhǎng)時(shí)間保持低溫的容器的總稱(chēng)。相比于傳統(tǒng)高梯度磁選機(jī)使用的常規(guī)磁體，超導(dǎo)磁體具有產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度高、勵(lì)磁功率小、設(shè)備重量輕、耗能少等優(yōu)勢(shì)，超導(dǎo)磁選機(jī)就是采用超導(dǎo)磁體對(duì)礦物進(jìn)行選別的設(shè)備[2-4]。

1 超導(dǎo)磁選機(jī)概況

近十多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)超導(dǎo)磁選機(jī)的研究已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展，研制出多種類(lèi)型的超導(dǎo)磁選機(jī)，對(duì)各種礦物的選別及提純均取得了較好的效果，并已開(kāi)始在工業(yè)上應(yīng)用。國(guó)外超導(dǎo)磁選機(jī)應(yīng)用概況見(jiàn)表1。

表1 國(guó)外超導(dǎo)磁選機(jī)應(yīng)用概況

我國(guó)超導(dǎo)磁選機(jī)大多采用水平式往復(fù)串罐式運(yùn)轉(zhuǎn)，缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)復(fù)雜、處理量較低、磁介質(zhì)容易堵塞[3]。

2 新型周期式超導(dǎo)高梯度磁選機(jī)

2.1 技術(shù)指標(biāo)

針對(duì)國(guó)內(nèi)超導(dǎo)磁選機(jī)的不足，贛州金環(huán)磁選設(shè)備有限公司研制了SLon-100周期式超導(dǎo)高梯度磁選機(jī)，主要技術(shù)指標(biāo)有：

(1)背景磁感應(yīng)強(qiáng)度最高達(dá)到9 T，是常規(guī)高梯度磁選機(jī)的9倍；勵(lì)、退磁時(shí)間短，磁場(chǎng)變化速率最高可達(dá)1.1 T/min，即磁感應(yīng)強(qiáng)度由0增加到9 T或由9 T降低到0需要時(shí)間不到10 min，大大提高了選礦效率。

(2)室溫孔尺寸φ100 mm×300 mm，磁場(chǎng)為垂直方向，方便了每個(gè)周期磁介質(zhì)堆的拆卸和安裝。相比普通水平往復(fù)式運(yùn)動(dòng)的超導(dǎo)磁選機(jī)，該磁選機(jī)具有不易堵塞磁介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，延長(zhǎng)了磁介質(zhì)堆的使用壽命。

(3)超導(dǎo)磁體是無(wú)液氦超導(dǎo)磁體，靠G-M制冷機(jī)利用傳導(dǎo)制冷的方式將磁體溫度冷卻并維持在4 K，使用過(guò)程中不需使用任何制冷劑，運(yùn)行相對(duì)安全，成本較低。

(4)設(shè)置了礦漿脈動(dòng)機(jī)構(gòu)，變頻器保證沖次在0～300次/min范圍可調(diào)，偏心塊使沖程在0～30 mm可調(diào)。脈動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)分選區(qū)內(nèi)的礦漿作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，脈動(dòng)流體力使礦粒群在分選過(guò)程中始終保持松散狀態(tài)，從而有效消除了非磁性顆粒的機(jī)械夾雜，增強(qiáng)了除鐵效果。不僅提高了非金屬礦的除鐵效果，還有效防止了磁性礦堵塞脈動(dòng)裝置，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

2.2 工作原理

SLon-100周期式超導(dǎo)高梯度磁選機(jī)系統(tǒng)主要由超導(dǎo)磁選機(jī)主機(jī)、氦壓縮機(jī)、水冷機(jī)組、超導(dǎo)電源控制器、溫度監(jiān)測(cè)器、電腦監(jiān)控組成，見(jiàn)圖1。

圖1 SLon-100周期式超導(dǎo)高梯度磁選機(jī)系統(tǒng)實(shí)物

(1)超導(dǎo)磁選機(jī)主機(jī)由超導(dǎo)磁體、磁介質(zhì)、脈動(dòng)機(jī)構(gòu)、脈動(dòng)斗、給料斗、給料斗調(diào)節(jié)閥、機(jī)架等部件組成。除超導(dǎo)磁體外，大部分零部件均是由不導(dǎo)磁的不銹鋼材料制作，固定磁介質(zhì)堆的套筒選用尼龍棒材料，電動(dòng)機(jī)選用鋁殼電機(jī)，不導(dǎo)磁材料可以避免磁場(chǎng)力損壞零部件。超導(dǎo)磁體是該機(jī)最重要的部分，由冷頭、真空絕熱容器及低溫超導(dǎo)線圈組成。真空絕熱容器用分子泵抽至真空度1.5×10-4mbar時(shí)，外界傳導(dǎo)熱量至超導(dǎo)線圈的功率低至數(shù)百毫瓦，通過(guò)冷頭制冷，線圈可以達(dá)到4 K的超導(dǎo)溫度，處于超導(dǎo)態(tài)，通過(guò)超導(dǎo)電源控制器勵(lì)磁產(chǎn)生無(wú)損耗的超導(dǎo)電流，進(jìn)而產(chǎn)生9 T的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度。

選礦時(shí)，啟動(dòng)脈動(dòng)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)好流速，使超導(dǎo)電流達(dá)到所需背景磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁介質(zhì)在磁場(chǎng)中被磁化，表面形成高梯度磁場(chǎng)，將礦漿充分?jǐn)嚢杷缮⒑髲慕o礦室給入，沿上磁極頭的孔洞流入分選腔。礦漿中的磁性顆粒被吸著在磁介質(zhì)表面，非磁性顆粒沿下磁極頭的孔洞流入脈動(dòng)斗排走。每周期給礦完成后，可加入適量清水漂洗精礦，以進(jìn)一步提高磁性物純度，然后將超導(dǎo)電流降至零，用清水將磁性物沖洗出來(lái)，即完成一個(gè)周期的選礦。

當(dāng)橡膠鼓膜在脈動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，只要礦漿液面能浸沒(méi)分選室內(nèi)的磁介質(zhì)，磁介質(zhì)堆內(nèi)的礦漿便作上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。分選腔內(nèi)安裝導(dǎo)磁不銹鋼棒或?qū)Т挪讳P鋼板網(wǎng)作磁介質(zhì)，也可根據(jù)需要充填導(dǎo)磁不銹鋼毛等磁介質(zhì)。安裝鋼棒磁介質(zhì)時(shí)，應(yīng)裝入尼龍?zhí)缀笤侔惭b磁介質(zhì)，分選室的截面積是未安裝尼龍?zhí)讜r(shí)的二分之一。

(2)氦壓縮機(jī)將管道內(nèi)的氦氣壓縮至23 kg/cm2，通過(guò)冷頭將超導(dǎo)磁體溫度降低至超導(dǎo)溫度；水冷機(jī)組將循環(huán)水溫度降至設(shè)定溫度20 ℃，通過(guò)循環(huán)冷卻水冷卻氦壓縮機(jī)；超導(dǎo)電源控制器給超導(dǎo)磁體勵(lì)磁，保護(hù)超導(dǎo)磁體安全運(yùn)行。溫度監(jiān)測(cè)器通過(guò)超導(dǎo)磁體內(nèi)的溫度探頭，檢測(cè)磁體內(nèi)三級(jí)冷屏的溫度。電腦監(jiān)控和超導(dǎo)電源、溫度監(jiān)測(cè)器連接，可控制勵(lì)磁電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

(3)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)磁體由兩個(gè)同軸螺線管組成，外部使用NbTi超導(dǎo)線纏繞在鋁管上，內(nèi)部使用Nb3Sn超導(dǎo)線纏繞在不銹鋼管上。低溫恒溫器有鋁合金外部結(jié)構(gòu)搭配不銹鋼室溫孔，低溫恒溫器真空外套包含制冷機(jī)、磁體電流引線、磁體保護(hù)線、儀器儀表、抽真空和超壓等有專(zhuān)門(mén)的端口。為使加載到磁體的熱輻射最小，系統(tǒng)使用高純鋁作為防輻射屏。在防輻射屏和室外外墻之間，使用多層超絕熱材料。輻射屏貼在制冷機(jī)一級(jí)冷頭處，可以冷卻到40 K左右。二級(jí)冷頭直接附加到磁鐵，基礎(chǔ)溫度小于4.2 K。制冷機(jī)一級(jí)冷頭和二級(jí)冷頭之間，使用高溫超導(dǎo)體(HTS)電流引線熱連接在一起。從室溫到一級(jí)冷頭處的高溫超導(dǎo)體，使用普通電流引線連接。溫度傳感器遍布整個(gè)系統(tǒng)中，在系統(tǒng)冷卻和后續(xù)的操作過(guò)程中，監(jiān)控各種內(nèi)部組件。溫度計(jì)的數(shù)據(jù)會(huì)顯示在一個(gè)計(jì)算機(jī)圖形中，并存儲(chǔ)成數(shù)據(jù)文件，便于進(jìn)一步分析。

2.3 磁場(chǎng)參數(shù)

根據(jù)實(shí)測(cè)電磁性能曲線的線性關(guān)系，在理論上可以推測(cè)出當(dāng)超導(dǎo)高梯度磁選機(jī)勵(lì)磁電流達(dá)到最大值92 A時(shí)，超導(dǎo)磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度為9.218 T。不同勵(lì)磁電流時(shí)，該超導(dǎo)磁機(jī)實(shí)測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度見(jiàn)表2。

表2 SLon-100超導(dǎo)周期式磁選機(jī)場(chǎng)強(qiáng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

注：表中數(shù)據(jù)是沒(méi)有在室溫孔中加入介質(zhì)盒測(cè)得的，允許±5%的誤差。

由表2可以看出，超導(dǎo)磁體軸線中心磁感應(yīng)強(qiáng)度誤差小約±8.9%，分布均勻可靠，磁體室溫孔中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度最高，隨軸向距離的增加而遞減，隨徑向距離的增加而遞增，磁體漏磁很小。達(dá)到高場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，磁體外部周?chē)鸥袘?yīng)強(qiáng)度很低，安全可靠性高。

2.4 脈動(dòng)部分

脈動(dòng)部件包括鼓膜、偏心機(jī)構(gòu)、電機(jī)、脈動(dòng)控制箱以及其它遠(yuǎn)程終端組成，其中脈動(dòng)控制箱是控制部件，由配電箱體、變頻器、RJ45接口、控制面板、扳動(dòng)開(kāi)關(guān)等部件組成。脈動(dòng)部件結(jié)構(gòu)和電氣線路見(jiàn)圖2。通過(guò)電氣與機(jī)械技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了：①脈動(dòng)部件本地或遠(yuǎn)程(RS485)可選擇的控制模式；②通過(guò)變頻器端或遠(yuǎn)程終端對(duì)脈動(dòng)部件進(jìn)行啟停操作；③沖程電機(jī)的速度可任意調(diào)節(jié)，從而使脈動(dòng)沖次頻率隨之變化；④電機(jī)故障報(bào)警等。

圖2 脈動(dòng)部件結(jié)構(gòu)和電氣線路

沖次正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)變頻器面板控制電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)沖次。脈動(dòng)沖次與頻率的關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 脈動(dòng)沖次與頻率關(guān)系

3 試驗(yàn)應(yīng)用情況

為確定SLon-100周期式超導(dǎo)高梯度磁選機(jī)在超高磁感應(yīng)強(qiáng)度下的最佳的工作條件，并與傳統(tǒng)周期式高梯度磁選機(jī)選別效果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)其進(jìn)行選礦試驗(yàn)。

試驗(yàn)礦樣(-0.044 mm)由Fe2O3品位0.029%的純凈石英粉145 g和TFe品位66.94%的純凈鐵礦樣5 g人工配制而成。

3.1 沖次試驗(yàn)

在磁感應(yīng)強(qiáng)度1.5 T、粗網(wǎng)介質(zhì)高300 mm、排礦水流速0.15 L/s，沖程分別為5，7，9 mm條件下進(jìn)行沖次試驗(yàn)，結(jié)果分別見(jiàn)表4、表5、表6。

表4 沖程5 mm的沖次試驗(yàn)結(jié)果

表5 沖程7 mm的沖次試驗(yàn)結(jié)果

表6 沖程9 mm的沖次試驗(yàn)結(jié)果

從表4、表5、表6可以看出，試驗(yàn)礦樣在沖程分別為5，7，9 mm時(shí)，沖次越大，非磁性礦產(chǎn)率越高、鐵品位和Fe2O3品位越低，除鐵效果越好，但沖次越大對(duì)設(shè)備本身的磨損也越大。為延長(zhǎng)設(shè)備易損件的使用壽命，對(duì)相差很小的指標(biāo)，優(yōu)先選用相對(duì)較小的沖次。綜合考慮，選擇沖次200 r/min。

3.2 磁感應(yīng)強(qiáng)度試驗(yàn)

在沖程9 mm、沖次200 r/min、粗網(wǎng)介質(zhì)高300 mm、排礦水流速0.15 L/s的條件下進(jìn)行磁感應(yīng)強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 磁感應(yīng)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表7可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度越高，除鐵效果越好，但過(guò)高的磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)降低非磁性礦的產(chǎn)率，因此選擇磁感應(yīng)強(qiáng)度4.5 T。

3.3 磁性物分布試驗(yàn)

固定沖次200 r/min、沖程9 mm、磁感應(yīng)強(qiáng)度4.5 T、排礦水流速0.15 L/s，從300 mm高的粗網(wǎng)介質(zhì)頂部開(kāi)始，每50 mm為一個(gè)單位沖洗出磁性礦，分別為磁性礦1、磁性礦2、磁性礦3、磁性礦4、磁性礦5，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 磁性物分布試驗(yàn)結(jié)果 %

從表8可知，91.77%的磁性物集中在粗網(wǎng)介質(zhì)頂部100 mm及以上區(qū)域。

3.4 流速試驗(yàn)

固定沖次200 r/min、沖程9 mm、磁感應(yīng)強(qiáng)度4.5 T、粗網(wǎng)介質(zhì)高300 mm，進(jìn)行流速試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 排礦水流速試驗(yàn)結(jié)果

從表9可知，流速對(duì)除鐵效果影響顯著，流速越低，除鐵效果好，選擇流速0.15 L/s。

3.5 介質(zhì)高度試驗(yàn)

固定沖次200 r/min、沖程9 mm、磁感應(yīng)強(qiáng)度4.5 T、流速0.15 L/s，進(jìn)行介質(zhì)高度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 介質(zhì)高度試驗(yàn)結(jié)果

從表10可知，介質(zhì)高度對(duì)除鐵效果影響顯著，介質(zhì)越高，除鐵效果好，非磁性礦TFe品位可降低到0.07%。

3.6 選別指標(biāo)對(duì)比

傳統(tǒng)高梯度磁選機(jī)在沖次 100 r/min、沖程5 mm、磁感應(yīng)強(qiáng)度1.64 T、排礦水流速0.28 L/s、介質(zhì)高度100 mm的最佳工作條件下處理該試驗(yàn)礦樣，試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 傳統(tǒng)高梯度磁選試驗(yàn)機(jī)選別指標(biāo) %

從表11可知，傳統(tǒng)高梯度磁選試驗(yàn)機(jī)非磁性礦產(chǎn)品含鐵0.15%～0.17%，相比SLon-100周期式超導(dǎo)高梯度磁選機(jī)可將非磁性礦TFe含量降低到0.07%，除鐵效果一般。

4 結(jié) 論

(1)SLon-100周期式超導(dǎo)高梯度磁選機(jī)采用超導(dǎo)磁體對(duì)礦物進(jìn)行選別，具有磁感應(yīng)強(qiáng)度高、勵(lì)磁功率小、設(shè)備質(zhì)量輕、耗能少等優(yōu)勢(shì)，額定背景磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到9 T，勵(lì)、退磁時(shí)間短，磁場(chǎng)變化速率高，使用過(guò)程中不需使用任何制冷劑，成本較低，運(yùn)行安全可靠。

(2)該超導(dǎo)高梯度磁選機(jī)分選非金屬礦時(shí)，在沖程5 mm、沖次100～200 r/min條件下除鐵效果較好；分選金屬礦時(shí)，在沖程7 mm、沖次200～300 r/min條件下磁性礦品位較高，可根據(jù)原礦的性質(zhì)調(diào)整到合適的分選條件，91.77%的磁性物集中在磁介質(zhì)頂部100 mm及以上區(qū)域。

(3)對(duì)同一礦樣，SLon-100周期式超導(dǎo)高梯度磁選機(jī)非磁性礦產(chǎn)品含鐵0.10%～0.07%，比傳統(tǒng)周期式高梯度試驗(yàn)機(jī)低0.05～0.10個(gè)百分點(diǎn)，磁性礦鐵回收率高3.62～4.48個(gè)百分點(diǎn)。該超導(dǎo)磁選機(jī)大大提高了背景磁感應(yīng)強(qiáng)度，能顯著改善非金屬礦的除鐵效率和金屬礦的選礦效率，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 王秋良.高磁場(chǎng)超導(dǎo)磁體科學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[2] 南和禮.超導(dǎo)磁體設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[3] 周 廉，甘子釗.中國(guó)高溫超導(dǎo)材料及應(yīng)用發(fā)展戰(zhàn)略研究[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008

[4] 孫仲元.磁選理論及應(yīng)用[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2009.

2016-08-30)

劉 楷(1990—)，男，助理工程師，341000 江西省贛州市沙河工業(yè)園區(qū)。