陳 進(jìn)，曹嘉欣，易大偉，鄭 斌，鄧 軍

(西安科技大學(xué)1.材料學(xué)院；2.安全學(xué)院，陜西 西安 710056)

1 概 述

重介質(zhì)選煤是采用密度介于精煤和中煤、矸石之間的液體作為介質(zhì)進(jìn)行分選的方法，目前最常用的分選介質(zhì)是重介質(zhì)懸浮液[1，2]。重介質(zhì)懸浮液是由水、磁鐵礦粉、煤泥形成的固液三項(xiàng)分散體系，固體顆粒在重力場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生沉降，造成懸浮液的不穩(wěn)定[3]。懸浮液的穩(wěn)定性主要包含兩個(gè)方面含義：一是指各部位之間的密度在同一時(shí)間上保持相對(duì)穩(wěn)定；二是重介質(zhì)懸浮液的整體密度在時(shí)間上保持相對(duì)穩(wěn)定。懸浮液的穩(wěn)定性直接決定了選煤效率。Marval[6]等認(rèn)為重介質(zhì)懸浮液的底部和頂部密度差小于0.02 kg/L時(shí)，可以認(rèn)為該懸浮液為穩(wěn)定液，這樣的密度差別對(duì)分選過(guò)程無(wú)明顯影響，選煤效率可以達(dá)到95%以上。 提高重介質(zhì)懸浮液穩(wěn)定性的措施包括[7，8]：① 降低磁鐵礦粉粒度；② 提高懸浮液的固體體積濃度；③ 增加懸浮液中的煤泥含量；④ 添加化學(xué)穩(wěn)定劑。顯而易見(jiàn)，各種工藝條件參數(shù)的優(yōu)化，是建立在對(duì)重介質(zhì)性質(zhì)的精確認(rèn)識(shí)之上的。因此，研究磁性重介質(zhì)粉的性質(zhì)與懸浮液穩(wěn)定性之間的精確關(guān)系，明晰重介質(zhì)的性質(zhì)對(duì)懸浮液產(chǎn)生何種影響顯得尤為必要。

為了能夠?qū)Υ盆F礦粉的性質(zhì)進(jìn)行精確調(diào)控，筆者將采用磁場(chǎng)熱處理方式對(duì)選煤用磁鐵礦進(jìn)行處理，改變其磁性能及密度等參數(shù)特性，從而分析磁鐵礦粉的性質(zhì)與重介質(zhì)懸浮液穩(wěn)定性之間的關(guān)系。磁場(chǎng)熱處理是磁性材料在其居里溫度附近進(jìn)行的退火過(guò)程中加一外磁場(chǎng)，使材料內(nèi)部感生單軸各向異性，從而改變?cè)摬牧系男再|(zhì)[9]。

2 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備：磁鐵礦粉由霍州煤電選礦廠提供，磁性物含量93.2%，分別采用150目，200目和300目過(guò)篩，形成3種不同粒度的重介質(zhì)粉；磁場(chǎng)熱處理設(shè)備由西科科儀公司研制，最高溫度800 ℃，最大磁場(chǎng)強(qiáng)度15 000 Oe。

測(cè)試設(shè)備：采用日本的RIGAKU型X射線衍射儀(Cu Ka輻射)對(duì)樣品進(jìn)行物相及晶體結(jié)構(gòu)分析，掃描范圍：10°～80°，掃描速度8°/min；SEM采用FEI Inspect S50型掃描電子顯微鏡(二次電子最大分辨率3 nm，背散射電子最大分辨率4 nm，最高電壓30 kV)；靜磁性能采用美國(guó)ADE技術(shù)公司的4HF型振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)進(jìn)行表征，測(cè)試磁場(chǎng)-10 000～10 000 Oe。

重介質(zhì)懸浮液沉降穩(wěn)定性的測(cè)試采用量筒沉降法：配置密度為1.4 kg/L的重介質(zhì)懸浮液放入1 000 mL的量筒中，攪拌均勻后靜置沉降；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，上部出現(xiàn)清水層，清水層與渾濁層界面的下降速度就是重介質(zhì)的沉降速度。將自上而下的清水層高度作為縱坐標(biāo)，時(shí)間為橫坐標(biāo)，即可表示出沉降穩(wěn)定性。

為了能精確控制磁性介質(zhì)粉的相關(guān)物性參數(shù)，采用磁性介質(zhì)粉處理器對(duì)介質(zhì)粉性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控。該設(shè)備的原理為磁場(chǎng)熱處理原理：在磁場(chǎng)中于居里溫度附近將材料保溫若干時(shí)間后冷卻，或以一定的速度在磁場(chǎng)中冷卻的熱處理過(guò)程。該設(shè)備由西安科技大學(xué)科學(xué)儀器公司研制。

圖1 磁性介質(zhì)粉處理器示意

將磁鐵礦粉放入不銹鋼制成的樣品倉(cāng)內(nèi)，樣品倉(cāng)周?chē)捎秒姛岚艏訜幔?dāng)加熱至其居里溫度以上后停止加熱，然后使設(shè)備中的介質(zhì)以自然速度冷卻，冷卻過(guò)程中，啟動(dòng)磁場(chǎng)發(fā)生器，對(duì)樣品施加定向磁場(chǎng)，使磁性介質(zhì)的磁疇在定向磁場(chǎng)作用下規(guī)則排列。加熱與冷卻過(guò)程中樣品倉(cāng)采用惰性氣體保護(hù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 XRD分析

圖2是對(duì)300目磁鐵礦粉進(jìn)行處理后的XRD圖譜。由于破碎過(guò)程中磁鐵礦受到了很大的機(jī)械力作用，這種力足以使該材料局部出現(xiàn)晶格畸變，造成大量位錯(cuò)和缺陷。采用磁場(chǎng)熱處理可以將原子重新排列，有效消除缺陷。從圖2可以看出，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，磁鐵礦粉的三強(qiáng)峰(220，331和440面)得到了加強(qiáng)，說(shuō)明經(jīng)過(guò)處理后物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，而且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，衍射峰得到了增強(qiáng)，說(shuō)明其結(jié)晶性得到了提高，位錯(cuò)等缺陷得到了修正。

圖2 磁性介質(zhì)粉處理后的XRD圖譜

3.2 磁滯回線分析

圖3是利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)常溫下測(cè)得的磁鐵礦粉的磁滯回線。測(cè)試樣品分別在熱處理器處理了0 min、10 min、20 min、30 min、40 min。由圖3可以發(fā)現(xiàn)：隨著樣品處理時(shí)間的增加，磁鐵礦粉的飽和磁化強(qiáng)度、剩余磁化強(qiáng)度也逐漸增加。這正說(shuō)明碳包鐵納米粒子顯示出較好的鐵磁特性。且隨處理時(shí)間的增加，其磁性和矯頑力不斷增強(qiáng)。且在處理的前20 min其變化程度尤為顯著，這說(shuō)明了采用磁場(chǎng)處理的方式可以改變樣品的磁疇排布，進(jìn)而能夠改變樣品的磁性能。

圖3 磁性介質(zhì)粉的磁滯回線測(cè)試結(jié)果

3.3 磁鐵礦粉粒徑對(duì)懸浮液穩(wěn)定性的影響

選煤用重介質(zhì)粉一般為磁鐵礦粉、硅鐵等，本文采用磁鐵礦粉，分別經(jīng)過(guò)150目，200目和300目過(guò)篩，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。如圖4所示，在曲線上任一點(diǎn)作切線，切線與橫坐標(biāo)的夾角正切值表示該時(shí)刻的沉降速率。從圖中可以看出，開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)，斜率基本不變。后期沉降層高度逐漸穩(wěn)定，磁鐵礦粉的粒度越小，沉降速度越慢，對(duì)懸浮液的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定越有利，越有利于分選細(xì)粒度級(jí)含量高的原煤。

圖4 不同粒徑磁性介質(zhì)粉沉降速度示意

3.4 磁鐵礦粉真密度對(duì)懸浮液穩(wěn)定性的影響

為了在其他參數(shù)不變的情況下考察磁鐵礦粉密度對(duì)懸浮液穩(wěn)定性的影響，以橫坐標(biāo)為密度，采用相對(duì)密度，將起始密度定為1，處理后粉體密度相對(duì)初始密度的變化值與初始值的比值作為橫坐標(biāo)單位；為了清楚反應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用12 min(穩(wěn)定期)下降速度作為判據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制的曲線如圖5所示，從圖中可以看出，隨著介質(zhì)粉密度的增大，懸浮液下降高度增加，這說(shuō)明密度高的介質(zhì)粉不利于形成穩(wěn)定的重介質(zhì)懸浮液。

圖5 不同真密度磁性介質(zhì)粉沉降速度

3.5 磁性能對(duì)懸浮液穩(wěn)定性的影響

磁性重介質(zhì)粉的主要化學(xué)成分為Fe3O4，屬于永磁材料，描述磁性材料的主要指標(biāo)包括：矯頑力、剩磁強(qiáng)度和飽和磁強(qiáng)度。以這3種參數(shù)作為依據(jù)判斷懸浮液穩(wěn)定性，分別在其他2個(gè)參數(shù)不變的條件下，只改變其中1個(gè)參數(shù)，分析對(duì)懸浮液穩(wěn)定性的影響。為了能夠更清晰的反映變化趨勢(shì)，采用相對(duì)值作為橫坐標(biāo)。

3.5.1 矯頑力的影響

矯頑力反映了物質(zhì)內(nèi)部磁疇重排的難易程度，當(dāng)磁鐵礦粉脫離外磁場(chǎng)后，其矯頑力不能被表現(xiàn)出來(lái)，因此該參數(shù)沒(méi)有明顯改變磁鐵礦粉的聚集體，對(duì)懸浮液的穩(wěn)定性沒(méi)有產(chǎn)生明顯影響。由圖6可以看出，在其他參數(shù)不變的條件下，矯頑力的改變對(duì)分離層下降的高度沒(méi)有明顯影響，可以認(rèn)為矯頑力對(duì)懸浮液的穩(wěn)定性不產(chǎn)生明顯影響。

圖6 不同磁矯頑力對(duì)磁性介質(zhì)粉沉降速度的影響

圖7 不同剩余磁強(qiáng)度對(duì)磁性介質(zhì)粉沉降速度的影響

3.5.2 剩磁強(qiáng)度的影響

剩余磁化強(qiáng)度是指磁體經(jīng)磁化至飽和以后，撤去外磁場(chǎng)，在原來(lái)外磁場(chǎng)方向上仍能保持一定的磁化強(qiáng)度。剩磁的極限值為飽和磁化強(qiáng)度。材料的剩磁主要受材料中各個(gè)晶粒取向和磁疇結(jié)構(gòu)的影響。從圖7可以看出，隨著剩磁強(qiáng)度的增加，懸浮液下降高度增加，說(shuō)明該懸浮液的穩(wěn)定性減弱了。

3.5.3 飽和磁強(qiáng)度的影響

飽和磁化強(qiáng)度表征了材料在施加磁場(chǎng)后磁化性能的表現(xiàn)。在外磁場(chǎng)作用下，材料磁化后單位密度的磁矩增大，則飽和磁強(qiáng)度增加。從圖8可以看出，隨著剩余磁強(qiáng)度的增加，3種粒徑粉體的下降高度沒(méi)有發(fā)生明顯變化。

圖8 不同飽和磁強(qiáng)度對(duì)磁性介質(zhì)粉沉降速度的影響

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)磁場(chǎng)熱處理方式可以明顯改善磁鐵礦粉的微觀結(jié)構(gòu)，處理后的介質(zhì)粉結(jié)晶性增強(qiáng)。

(2)采用磁場(chǎng)熱處理的方式，可以在其他物性參數(shù)不變的條件下改變其中1個(gè)參數(shù)。

(3)介質(zhì)懸浮液的穩(wěn)定性與磁鐵礦粉體粒徑、粉體真密度和粉體磁性能有一定的關(guān)系。

(4)懸浮液的穩(wěn)定性與磁鐵礦的磁矯頑力和飽和磁強(qiáng)度無(wú)直接相關(guān)性；介質(zhì)粉的剩余磁強(qiáng)度增加，不利于懸浮液的穩(wěn)定。