劉 楷 李華杰 崔振紅

(贛州金環(huán)磁選設備有限公司)

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新型周期式超導高梯度磁選機及其試驗

劉 楷 李華杰 崔振紅

(贛州金環(huán)磁選設備有限公司)

磁選設備較高的背景磁感應強度是非金屬礦提純、除鐵的必備條件。針對傳統(tǒng)高梯度磁選機背景磁感應強度低于2 T的現(xiàn)狀，研制了新型周期式超導高梯度磁選機。該磁選機背景磁感應強度高達9 T，具有勵磁功率小、磁場變化速率快、耗能少、使用壽命長、安全可靠等優(yōu)點。在分析其技術指標、工作原理、磁場參數(shù)和機構的基礎上，對某人工配礦試樣進行試驗，確定了超導磁選機適宜的工作條件，查明了超高磁感應強度下，沖程、沖次、排礦水流速、磁介質高度等參數(shù)對除鐵和選礦效果的影響規(guī)律，為今后超導磁選技術在國內的工業(yè)化應用奠定了基礎。

磁選機 超導磁體 非金屬礦 除鐵 沖程

超導體在一定的低溫條件下電阻等于零，電流通過時不發(fā)生熱損耗，可以形成強大的電流，從而產(chǎn)生超強磁場。超導體電阻突然消失的溫度稱為超導轉變溫度，外部條件維持在足夠低時的轉變溫度稱為超導臨界溫度。超導體具有完全抗磁性，在一定的外加磁場下，能保持超導體內磁感應強度為零。零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性是超導體的兩個基本性質，既相互獨立又緊密聯(lián)系[1]。

常規(guī)磁體利用增大線圈導體的安匝數(shù)和提升電流來增強磁場，通入電流會產(chǎn)生高溫，并放出巨大的熱量。電能不但因轉換成熱能而被浪費，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的背景磁感應強度。超導磁體是利用NbTi或者Nb3Sn等超導材料繞制的線圈和長時間保持低溫的容器的總稱。相比于傳統(tǒng)高梯度磁選機使用的常規(guī)磁體，超導磁體具有產(chǎn)生的磁感應強度高、勵磁功率小、設備重量輕、耗能少等優(yōu)勢，超導磁選機就是采用超導磁體對礦物進行選別的設備[2-4]。

1 超導磁選機概況

近十多年來，國內外對超導磁選機的研究已經(jīng)取得了突破性的進展，研制出多種類型的超導磁選機，對各種礦物的選別及提純均取得了較好的效果，并已開始在工業(yè)上應用。國外超導磁選機應用概況見表1。

表1 國外超導磁選機應用概況

我國超導磁選機大多采用水平式往復串罐式運轉，缺點是控制系統(tǒng)復雜、處理量較低、磁介質容易堵塞[3]。

2 新型周期式超導高梯度磁選機

2.1 技術指標

針對國內超導磁選機的不足，贛州金環(huán)磁選設備有限公司研制了SLon-100周期式超導高梯度磁選機，主要技術指標有：

(1)背景磁感應強度最高達到9 T，是常規(guī)高梯度磁選機的9倍；勵、退磁時間短，磁場變化速率最高可達1.1 T/min，即磁感應強度由0增加到9 T或由9 T降低到0需要時間不到10 min，大大提高了選礦效率。

(2)室溫孔尺寸φ100 mm×300 mm，磁場為垂直方向，方便了每個周期磁介質堆的拆卸和安裝。相比普通水平往復式運動的超導磁選機，該磁選機具有不易堵塞磁介質的優(yōu)點，延長了磁介質堆的使用壽命。

(3)超導磁體是無液氦超導磁體，靠G-M制冷機利用傳導制冷的方式將磁體溫度冷卻并維持在4 K，使用過程中不需使用任何制冷劑，運行相對安全，成本較低。

(4)設置了礦漿脈動機構，變頻器保證沖次在0～300次/min范圍可調，偏心塊使沖程在0～30 mm可調。脈動桿驅動分選區(qū)內的礦漿作上下往復運動，脈動流體力使礦粒群在分選過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械夾雜，增強了除鐵效果。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裝置，延長了設備的使用壽命。

2.2 工作原理

SLon-100周期式超導高梯度磁選機系統(tǒng)主要由超導磁選機主機、氦壓縮機、水冷機組、超導電源控制器、溫度監(jiān)測器、電腦監(jiān)控組成，見圖1。

圖1 SLon-100周期式超導高梯度磁選機系統(tǒng)實物

(1)超導磁選機主機由超導磁體、磁介質、脈動機構、脈動斗、給料斗、給料斗調節(jié)閥、機架等部件組成。除超導磁體外，大部分零部件均是由不導磁的不銹鋼材料制作，固定磁介質堆的套筒選用尼龍棒材料，電動機選用鋁殼電機，不導磁材料可以避免磁場力損壞零部件。超導磁體是該機最重要的部分，由冷頭、真空絕熱容器及低溫超導線圈組成。真空絕熱容器用分子泵抽至真空度1.5×10-4mbar時，外界傳導熱量至超導線圈的功率低至數(shù)百毫瓦，通過冷頭制冷，線圈可以達到4 K的超導溫度，處于超導態(tài)，通過超導電源控制器勵磁產(chǎn)生無損耗的超導電流，進而產(chǎn)生9 T的背景磁感應強度。

選礦時，啟動脈動機構，調節(jié)好流速，使超導電流達到所需背景磁感應強度，磁介質在磁場中被磁化，表面形成高梯度磁場，將礦漿充分攪拌松散后從給礦室給入，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表面，非磁性顆粒沿下磁極頭的孔洞流入脈動斗排走。每周期給礦完成后，可加入適量清水漂洗精礦，以進一步提高磁性物純度，然后將超導電流降至零，用清水將磁性物沖洗出來，即完成一個周期的選礦。

當橡膠鼓膜在脈動機構驅動下往復運動時，只要礦漿液面能浸沒分選室內的磁介質，磁介質堆內的礦漿便作上、下往復運動。分選腔內安裝導磁不銹鋼棒或導磁不銹鋼板網(wǎng)作磁介質，也可根據(jù)需要充填導磁不銹鋼毛等磁介質。安裝鋼棒磁介質時，應裝入尼龍?zhí)缀笤侔惭b磁介質，分選室的截面積是未安裝尼龍?zhí)讜r的二分之一。

(2)氦壓縮機將管道內的氦氣壓縮至23 kg/cm2，通過冷頭將超導磁體溫度降低至超導溫度；水冷機組將循環(huán)水溫度降至設定溫度20 ℃，通過循環(huán)冷卻水冷卻氦壓縮機；超導電源控制器給超導磁體勵磁，保護超導磁體安全運行。溫度監(jiān)測器通過超導磁體內的溫度探頭，檢測磁體內三級冷屏的溫度。電腦監(jiān)控和超導電源、溫度監(jiān)測器連接，可控制勵磁電流和磁感應強度。

(3)超導磁體系統(tǒng)磁體由兩個同軸螺線管組成，外部使用NbTi超導線纏繞在鋁管上，內部使用Nb3Sn超導線纏繞在不銹鋼管上。低溫恒溫器有鋁合金外部結構搭配不銹鋼室溫孔，低溫恒溫器真空外套包含制冷機、磁體電流引線、磁體保護線、儀器儀表、抽真空和超壓等有專門的端口。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。輻射屏貼在制冷機一級冷頭處，可以冷卻到40 K左右。二級冷頭直接附加到磁鐵，基礎溫度小于4.2 K。制冷機一級冷頭和二級冷頭之間，使用高溫超導體(HTS)電流引線熱連接在一起。從室溫到一級冷頭處的高溫超導體，使用普通電流引線連接。溫度傳感器遍布整個系統(tǒng)中，在系統(tǒng)冷卻和后續(xù)的操作過程中，監(jiān)控各種內部組件。溫度計的數(shù)據(jù)會顯示在一個計算機圖形中，并存儲成數(shù)據(jù)文件，便于進一步分析。

2.3 磁場參數(shù)

根據(jù)實測電磁性能曲線的線性關系，在理論上可以推測出當超導高梯度磁選機勵磁電流達到最大值92 A時，超導磁體磁感應強度為9.218 T。不同勵磁電流時，該超導磁機實測磁感應強度見表2。

表2 SLon-100超導周期式磁選機場強實測數(shù)據(jù)

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

由表2可以看出，超導磁體軸線中心磁感應強度誤差小約±8.9%，分布均勻可靠，磁體室溫孔中心處的磁感應強度最高，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。達到高場強時，磁體外部周圍磁感應強度很低，安全可靠性高。

2.4 脈動部分

脈動部件包括鼓膜、偏心機構、電機、脈動控制箱以及其它遠程終端組成，其中脈動控制箱是控制部件，由配電箱體、變頻器、RJ45接口、控制面板、扳動開關等部件組成。脈動部件結構和電氣線路見圖2。通過電氣與機械技術的結合，實現(xiàn)了：①脈動部件本地或遠程(RS485)可選擇的控制模式；②通過變頻器端或遠程終端對脈動部件進行啟停操作；③沖程電機的速度可任意調節(jié)，從而使脈動沖次頻率隨之變化；④電機故障報警等。

圖2 脈動部件結構和電氣線路

沖次正比于電機轉速，通過變頻器面板控制電機轉速可調節(jié)沖次。脈動沖次與頻率的關系見表3。

表3 脈動沖次與頻率關系

3 試驗應用情況

為確定SLon-100周期式超導高梯度磁選機在超高磁感應強度下的最佳的工作條件，并與傳統(tǒng)周期式高梯度磁選機選別效果進行對比，對其進行選礦試驗。

試驗礦樣(-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

在磁感應強度1.5 T、粗網(wǎng)介質高300 mm、排礦水流速0.15 L/s，沖程分別為5，7，9 mm條件下進行沖次試驗，結果分別見表4、表5、表6。

表4 沖程5 mm的沖次試驗結果

表5 沖程7 mm的沖次試驗結果

表6 沖程9 mm的沖次試驗結果

從表4、表5、表6可以看出，試驗礦樣在沖程分別為5，7，9 mm時，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，但沖次越大對設備本身的磨損也越大。為延長設備易損件的使用壽命，對相差很小的指標，優(yōu)先選用相對較小的沖次。綜合考慮，選擇沖次200 r/min。

3.2 磁感應強度試驗

在沖程9 mm、沖次200 r/min、粗網(wǎng)介質高300 mm、排礦水流速0.15 L/s的條件下進行磁感應強度試驗，結果見表7。

表7 磁感應強度試驗結果

從表7可以看出，磁感應強度越高，除鐵效果越好，但過高的磁感應強度會降低非磁性礦的產(chǎn)率，因此選擇磁感應強度4.5 T。

3.3 磁性物分布試驗

固定沖次200 r/min、沖程9 mm、磁感應強度4.5 T、排礦水流速0.15 L/s，從300 mm高的粗網(wǎng)介質頂部開始，每50 mm為一個單位沖洗出磁性礦，分別為磁性礦1、磁性礦2、磁性礦3、磁性礦4、磁性礦5，試驗結果見表8。

表8 磁性物分布試驗結果 %

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

3.4 流速試驗

固定沖次200 r/min、沖程9 mm、磁感應強度4.5 T、粗網(wǎng)介質高300 mm，進行流速試驗，結果見表9。

表9 排礦水流速試驗結果

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

3.5 介質高度試驗

固定沖次200 r/min、沖程9 mm、磁感應強度4.5 T、流速0.15 L/s，進行介質高度試驗，結果見表10。

表10 介質高度試驗結果

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

3.6 選別指標對比

傳統(tǒng)高梯度磁選機在沖次 100 r/min、沖程5 mm、磁感應強度1.64 T、排礦水流速0.28 L/s、介質高度100 mm的最佳工作條件下處理該試驗礦樣，試驗指標結果見表11。

表11 傳統(tǒng)高梯度磁選試驗機選別指標 %

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

4 結 論

(1)SLon-100周期式超導高梯度磁選機采用超導磁體對礦物進行選別，具有磁感應強度高、勵磁功率小、設備質量輕、耗能少等優(yōu)勢，額定背景磁感應強度達到9 T，勵、退磁時間短，磁場變化速率高，使用過程中不需使用任何制冷劑，成本較低，運行安全可靠。

(2)該超導高梯度磁選機分選非金屬礦時，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，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)原礦的性質調整到合適的分選條件，91.77%的磁性物集中在磁介質頂部100 mm及以上區(qū)域。

(3)對同一礦樣，SLon-100周期式超導高梯度磁選機非磁性礦產(chǎn)品含鐵0.10%～0.07%，比傳統(tǒng)周期式高梯度試驗機低0.05～0.10個百分點，磁性礦鐵回收率高3.62～4.48個百分點。該超導磁選機大大提高了背景磁感應強度，能顯著改善非金屬礦的除鐵效率和金屬礦的選礦效率，具有較為廣闊的應用前景。

[1] 王秋良.高磁場超導磁體科學[M].北京：科學出版社，2008.

[2] 南和禮.超導磁體設計基礎[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

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

[4] 孫仲元.磁選理論及應用[M].長沙：中南大學出版社，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)。