許麗敏 陳俊明 王麗娟 鐘森林 王豐雨 吳城材

（1.廣東省資源綜合利用研究所，廣東廣州510651；2.廣州粵有研礦物資源科技有限公司，廣東廣州510651；3.稀有金屬分離與綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510651）

近幾十年來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，非金屬礦產(chǎn)的應(yīng)用范圍和用量有了大幅度的擴(kuò)大和增長。非金屬礦具有獨(dú)特的物理化學(xué)性能，在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，重要性不斷凸顯。因開發(fā)速度急劇加快，使得其資源越來越貧乏［1-3］。隨著科技進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級以及人類環(huán)保節(jié)能意識的增強(qiáng)，對非金屬礦物材料的純度要求反而越來越高［4-7］。人類生產(chǎn)生活中應(yīng)用較廣泛的非金屬礦資源主要有石英、長石、高嶺土等，這些礦物資源中因含有少量的鐵、鈦等雜質(zhì)而影響燒結(jié)白度及其它性能［8］，導(dǎo)致終端產(chǎn)品質(zhì)量不佳。因此，對相對貧乏的非金屬礦物資源進(jìn)行除雜提純是解決人類對高純非金屬礦資源需求的有效途徑。非金屬礦的提純方法主要有磁選、重選、浮選及酸洗等［9］，其中磁選是物理選礦方法，因具有成本低、無污染、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在非金屬礦提純領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［10-11］。

由于非金屬礦物中的雜質(zhì)礦物嵌布粒度細(xì)，只有經(jīng)超細(xì)粉碎才能單體解離，因此，微細(xì)粒選礦提純技術(shù)是去除這些雜質(zhì)礦物的有效方法［12］。國內(nèi)應(yīng)用的微細(xì)粒強(qiáng)磁選設(shè)備主要有立環(huán)高梯度磁選機(jī)、平環(huán)高梯度磁選機(jī)、周期式高梯度磁選機(jī)［13］。ZQS周期式高梯度磁選機(jī)是廣州粵有研礦物資源科技有限公司自主研發(fā)的產(chǎn)品［14］，近幾年才在工業(yè)上廣泛應(yīng)用，主要用于應(yīng)用立環(huán)高梯度磁選機(jī)及平環(huán)高梯度磁選機(jī)多道提純產(chǎn)品純度仍達(dá)不到要求的情況，具有背景磁感應(yīng)強(qiáng)度分布均勻、磁介質(zhì)靜態(tài)分選、礦漿流經(jīng)磁介質(zhì)路徑長等優(yōu)點(diǎn)。目前已在石英砂、長石、高嶺土礦領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，除鐵效果明顯，產(chǎn)品白度顯著提高［15］。

1 ZQS周期式高梯度磁選機(jī)的分選原理及設(shè)備特點(diǎn)

ZQS周期式高梯度磁選機(jī)為間斷式選別設(shè)備，進(jìn)漿階段與排渣階段交替進(jìn)行，循環(huán)往復(fù)，全自動(dòng)化運(yùn)行。一個(gè)選別周期分為兩個(gè)階段，第一階段為進(jìn)漿階段，第二階段為排渣階段。根據(jù)礦物性質(zhì)不同，ZQS周期式高梯度磁選機(jī)的給礦方式分為上部給礦方式和下部給礦方式。圖1為下部給礦方式的示意，以下部給礦方式為例介紹設(shè)備的結(jié)構(gòu)及分選原理。

ZQS周期式高梯度磁選機(jī)由磁系部件、分選筒體部件、線圈部件、機(jī)架及管道部件組成。進(jìn)漿階段：激磁線圈5中通入直流電，在上、下磁極之間的分選空間產(chǎn)生均勻磁場，進(jìn)漿管8的閥門開啟，礦漿中的磁性物質(zhì)流經(jīng)分選筒體1時(shí)被磁介質(zhì)4吸附，非磁性礦物從產(chǎn)品管13排出，進(jìn)漿時(shí)間可通過可視化界面手動(dòng)調(diào)節(jié)。待磁介質(zhì)4吸附接近飽和時(shí)，進(jìn)漿管8的閥門關(guān)閉，分選筒體中的礦漿經(jīng)回漿管10返回原礦池，此時(shí)關(guān)閉激磁電流，進(jìn)漿過程結(jié)束。排渣階段：待激磁電流降為零時(shí)，開啟上部給水管12的控制閥門，待分選筒體內(nèi)充滿水后，開啟振動(dòng)電機(jī)，同時(shí)開啟下部排鐵管7的控制閥門，在無磁場且大流量的沖洗水作用下，磁介質(zhì)可得到徹底清洗。采用下部給礦上部反沖洗的方式可避免磁介質(zhì)堵塞。

設(shè)備主體中激磁線圈的通磁和斷磁、各管道中閥門動(dòng)作均通過控制柜的PLC給入信號，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，工作可靠，操作維護(hù)方便。

從設(shè)備的分選原理可以看出，與立環(huán)高梯度磁選機(jī)以及平環(huán)高梯度磁選機(jī)相比，ZQS周期式高梯度磁選機(jī)有如下特點(diǎn)：①磁介質(zhì)靜態(tài)分選，整個(gè)分選腔體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻，避免吸附在磁介質(zhì)上的磁性顆粒因磁感應(yīng)強(qiáng)度降低而脫落；②ZQS周期式高梯度磁選機(jī)在水力及振動(dòng)力的雙重作用下卸礦，磁介質(zhì)不易發(fā)生堵塞；③分選路徑長，ZQS高梯度磁選機(jī)的磁介質(zhì)分選路徑長度是立環(huán)高梯度磁選機(jī)的3～5倍，可以達(dá)到平環(huán)磁選機(jī)的2～3倍，磁性顆粒被吸附的幾率成倍增加，因此通常其一道選別的分選指標(biāo)可以達(dá)到立環(huán)或平環(huán)高梯度磁選機(jī)兩道或三道的指標(biāo)?；谝陨咸攸c(diǎn)，ZQS周期式高梯度磁選機(jī)在非金屬礦提純領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2 ZQS周期式高梯度磁選機(jī)存在問題及優(yōu)化方案

目前，廣州粵有研礦物資源科技有限公司生產(chǎn)的ZQS周期式磁選機(jī)系列產(chǎn)品有ZQS-500，750，1 000，1 250，1 500，1 750等機(jī)型，該系列產(chǎn)品自2016年以來已廣泛用于石英砂、長石、高嶺土等非金屬礦物的提純，設(shè)備選別指標(biāo)穩(wěn)定，磁介質(zhì)不易發(fā)生堵塞。但在使用過程中也發(fā)現(xiàn)了一些影響設(shè)備選別性能的不利因素，因此做了相應(yīng)的改進(jìn)和優(yōu)化。

2.1 原上下磁極形狀的不足與優(yōu)化改進(jìn)

ZQS周期式高梯度磁選機(jī)的上下磁極最初設(shè)計(jì)如圖2（a）所示，上下磁極的上表面均是錐面，此設(shè)計(jì)的目的在于有利于礦漿自上而下的流動(dòng)，防止礦漿在上下磁極表面堆積，上下磁極的孔洞是礦漿的通道。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，尤其是在分選石英砂礦時(shí)，由于石英砂顆粒粗，在分選過程結(jié)束，分選筒體內(nèi)的礦漿回流至原礦池時(shí)，較粗的石英砂顆粒會(huì)殘留在上下磁極的錐面上，后續(xù)的沖洗過程中石英精砂顆粒會(huì)隨著磁性顆粒一起進(jìn)入尾礦，造成石英精砂的損失。因此，對上下磁極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的上下磁極形狀如圖2（b）所示，在保證上下磁極均有足夠大的導(dǎo)磁面積的情況下，礦漿通道由孔改為縫，上下磁極用板拼接而成，拼接板在上下磁極上表面處有大倒角，防止礦物堆積。

上下磁極形狀改進(jìn)除了可以降低精礦損失率外，還可以提高分選空間的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度，原設(shè)計(jì)的上下磁極之間的極距為L1，改進(jìn)后的上下磁極極距為L2，閉合磁系結(jié)構(gòu)應(yīng)用安培環(huán)路定理推導(dǎo)出半經(jīng)驗(yàn)公式為：

N*I=kH0L，

式中，N為環(huán)繞分選腔體的線圈匝數(shù)；I為激磁電流，A；k為漏磁系數(shù)；H0為背景場強(qiáng)，A/m，L為磁極距，m。

從圖2（a）和圖2（b）可以看出，在N、I、k保持不變的情況下，上下磁極形狀更改后其極距L2小于更改前的極距L1，相當(dāng)于公式中的L值減小，因此背景場強(qiáng)會(huì)提高。

對上下磁極改進(jìn)前后分選腔體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布做了Ansys有限元模擬，結(jié)果如圖3（a）、（b）所示。從磁場分布云圖可以看出，上下磁極形狀更改后整個(gè)分選腔體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度都有了一定的提高，整體磁感應(yīng)強(qiáng)度分布更均勻。為便于分析，選取了分選腔體中心線位置（如圖2中AB線所示）的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線做對比，如圖4所示，可以看出改進(jìn)后分選腔體中心線處的磁感應(yīng)強(qiáng)度有了明顯提高。

2.2 原振動(dòng)板結(jié)構(gòu)的不足與優(yōu)化改進(jìn)

ZQS周期式高梯度磁選機(jī)的排渣過程是在分選筒體中先充滿水，之后開啟振動(dòng)電機(jī)和排渣管閥門，卸礦水持續(xù)給入，磁性顆粒在水力和振動(dòng)力雙重作用下更容易從磁性介質(zhì)上脫落。目前國內(nèi)已有多臺ZQS周期式高梯度磁選設(shè)備應(yīng)用于廣東、福建、浙江、遼寧等地。在使用過程中，有個(gè)別設(shè)備振動(dòng)板筋板與分選筒體之間焊縫出現(xiàn)開裂情況，基于此問題，對振動(dòng)板的受力情況進(jìn)行了分析，并且對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更改。

圖5（a）為改進(jìn)前的振動(dòng)板結(jié)構(gòu)，振動(dòng)板與筒體的連接方式見圖5（a）中的B放大圖，振動(dòng)筒體靠彈簧支承在磁系上面，振動(dòng)板只在有振動(dòng)電機(jī)的位置設(shè)置了筋板，整塊振動(dòng)板面積較大，整體剛度差。振動(dòng)電機(jī)開啟時(shí)帶動(dòng)整個(gè)分選筒體振動(dòng)，因振動(dòng)板剛度差，振動(dòng)力不能均勻傳遞到整個(gè)筒體，振動(dòng)力在振動(dòng)電機(jī)所在位置最大，在應(yīng)力以及疲勞的雙重作用下，振動(dòng)板筋板處的焊縫產(chǎn)生了裂紋，如圖6所示?；诖藛栴}，對振動(dòng)板與分選筒體之間的連接結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)。

改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖5（b）中的B放大圖所示。首先，增加了振動(dòng)板下部筋板的數(shù)量，由原來的4塊增加到10塊。其次，將振動(dòng)板與上磁極固定的法蘭面上移，在振動(dòng)板與法蘭面之間也增加了筋板，這樣，振動(dòng)板上下表面均有加強(qiáng)筋板，振動(dòng)板強(qiáng)度明顯增加。第三，在振動(dòng)板與筒體固定的圓周上增加了若干個(gè)塞焊孔，增加了振動(dòng)板與筒體之間的焊接強(qiáng)度。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)用測振儀測量，在振動(dòng)板上表面的平均振幅與分選筒體下部圓周處的平均振幅基本一致，說明振動(dòng)板的剛度足夠，振動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)力完整地傳遞到了整個(gè)筒體，起到了振動(dòng)卸礦的效果。

2.3 原線圈腔內(nèi)積水問題及改進(jìn)

ZQS周期式高梯度磁選機(jī)線圈采用空心銅管繞制，水內(nèi)冷的散熱方式，激磁線圈是設(shè)備的核心部件。ZQS周期式高梯度磁選機(jī)的線圈腔體結(jié)構(gòu)如圖7所示，線圈位于上磁極板、下磁極板、側(cè)磁極板以及線圈定位筒圍成的環(huán)形空間內(nèi)，該空間在線圈裝配的過程中是嚴(yán)格密封的。在使用過程中，個(gè)別線圈腔體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，經(jīng)分析，出現(xiàn)漏水現(xiàn)象的原因有兩個(gè)：一是因?yàn)殂~管在加工及后期繞制過程中有一些缺陷，隨著使用時(shí)間的延長出現(xiàn)了裂紋；第二個(gè)原因是密封部位出現(xiàn)滲漏。當(dāng)線圈腔體內(nèi)有液體浸泡時(shí)，容易造成線圈短路以及銅管腐蝕。

為了確保線圈腔體內(nèi)不積水，對下磁極板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，改進(jìn)后的下磁極板結(jié)構(gòu)如圖8所示，在下磁極板上增加了8塊墊板，將線圈底面與下磁極板隔開，同時(shí)在下磁極板上開了4個(gè)孔，用于排水及通氣。此種情況下，因密封問題造成的滲水可以及時(shí)排出，不會(huì)對線圈造成影響；如果是線圈本身出現(xiàn)漏水，則下磁極板的孔會(huì)有持續(xù)的水流，能及時(shí)觀察到，而且短時(shí)間的漏水不會(huì)對線圈造成損壞。

3 改進(jìn)的ZQS磁選機(jī)的現(xiàn)場應(yīng)用情況

將以上三項(xiàng)改進(jìn)應(yīng)用到了一臺ZQS-1 000高梯度磁選設(shè)備上，該設(shè)備運(yùn)至廣東一石英砂礦選廠做工業(yè)試驗(yàn)，原礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

由表1可知，原礦主要化學(xué)成分為SiO2，主要雜質(zhì)成分含量為 Fe2O30.126%、TiO20.011%、Mn 0.020%、Al2O30.780%。

選廠采用圖9所示工藝流程。

ZQS-1 000周期式磁選機(jī)在入選物料含SiO299.53%、Fe2O30.018 4%，處理量為25.59 t/h的條件下，取得的石英精砂含SiO299.60%、Fe2O30.007 4%，石英精砂作業(yè)產(chǎn)率為96.17%，精礦損失率低，石英精砂質(zhì)量達(dá)到光伏玻璃石英砂原料要求。設(shè)備已在現(xiàn)場應(yīng)用兩年有余，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，指標(biāo)穩(wěn)定，故障率極低。

4 結(jié)論

（1）針對ZQS高梯度磁選機(jī)使用過程中出現(xiàn)問題所作的優(yōu)化簡單、實(shí)用，在生產(chǎn)成本相對于設(shè)備整體價(jià)值有極少量增加的情況下，解決了設(shè)備精礦損失率高、振動(dòng)板筋板開裂、以及線圈腔體內(nèi)積水的問題，有效地提高了設(shè)備的使用性能，減少了故障率。

（2）三項(xiàng)改進(jìn)應(yīng)用于ZQS-1 000磁選機(jī)的設(shè)計(jì)，在給礦礦樣含SiO299.53%、Fe2O30.018 4%，處理量為25.59 t/h的條件下，取得的石英精砂含SiO299.60%、Fe2O30.007 4%，石英精砂作業(yè)產(chǎn)率為96.17%的技術(shù)指標(biāo)，精砂損失率低，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率高。

（3）ZQS高梯度磁選機(jī)為間斷式磁選設(shè)備，不能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此未來的發(fā)展方向是設(shè)計(jì)可移動(dòng)式分選筒體，將磁介質(zhì)的沖洗過程置于設(shè)備分選腔體之外，實(shí)現(xiàn)連續(xù)分選。