李梓豪 吳俊杰 郭小飛 岳 翔 馬 陽 代淑娟

(遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,遼寧 鞍山 114051)

混合型鐵礦石約占我國鐵礦資源總量的50%以上,其中以鞍山式赤鐵礦為主要代表的混合型磁赤鐵礦主要分布在遼寧、河北、安徽、甘肅、內(nèi)蒙古、河南、湖北、山西、貴州等地,具有鐵品位低、赤鐵礦與磁鐵礦共伴生、嵌布粒度粗細不均等特點[1-4]?；旌闲痛懦噼F礦選礦主要采用“階段磨礦、粗細分級、重選—弱磁—強磁—陰離子反浮選”工藝分選,即先采用弱磁筒式磁選機分選強磁性磁鐵礦,然后采用立環(huán)脈動高梯度磁選機分選弱磁性赤鐵礦,存在工藝流程復(fù)雜、電磁強磁選設(shè)備能耗高等問題[5-8]。

近年來,隨著新型永磁材料和永磁磁系的設(shè)計方法愈發(fā)受到重視,永磁高梯度磁選機的研制也得到了飛速發(fā)展。伍喜慶等[9]采用永磁半閉合磁路磁系研制了斜環(huán)永磁高梯度磁選機,轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁處的磁感應(yīng)強度為0.55 T,磁包角為125°,分選環(huán)傾斜配置且傾斜度在0～90°、轉(zhuǎn)速在0～20 r/min 范圍內(nèi)可調(diào),處理以赤鐵礦和褐鐵礦為主的強磁選尾礦,在入選原礦TFe品位17.92%、分選環(huán)轉(zhuǎn)速20 r/min、傾斜角度10°的情況下,磁選1 次精礦品位可達33.18%、回收率為41.06%。盧東方[10]充分利用顆粒密度和比磁化系數(shù)的差異研制了旋流多梯度磁選機,背景磁感應(yīng)強度可達0.7 T,該設(shè)備同時具有離心選礦機和永磁高梯度磁選機的優(yōu)點,能夠增強對弱磁性礦物的捕捉能力。長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司和北礦機電科技有限責(zé)任公司等采用外磁系與內(nèi)選筒式結(jié)構(gòu),巧妙地利用了重力、磁力和離心力協(xié)同作用研制了外磁式筒式磁選機,最大入選粒度可達-30 mm,能夠?qū)︹C鈦磁鐵礦、混合型鐵礦、海濱砂礦等進行預(yù)選拋尾[11-14]?；旌闲丸F礦石中的磁鐵礦、赤鐵礦具有不同的磁化特征,而傳統(tǒng)的磁選工藝及設(shè)備往往將磁鐵礦和赤鐵礦分段選別,一定程度上延長了磁選流程,增加了生產(chǎn)成本。

本文首先對混合型磁赤鐵礦石的磁化特性進行了研究,分別針對磁鐵礦和赤鐵礦的選別設(shè)計了多梯度磁場,在外磁筒式磁選機的基礎(chǔ)上研制了三產(chǎn)品磁選機,能夠獲得磁鐵礦、赤鐵礦和脈石3 種產(chǎn)品,為混合型鐵礦石的短流程永磁分選提供研究基礎(chǔ)。

1 試驗原料

試驗礦樣取自遼寧鞍山某選廠混合型磁赤鐵礦,主要化學(xué)成分如表1所示,XRD 分析結(jié)果如圖1所示,粒度篩析結(jié)果如表2所示,比磁化系數(shù)測定結(jié)果如表3所示。

表1 試樣主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Main chemical composition analysis results of the sample %

表2 試樣粒度篩析結(jié)果Table 2 Results of sample particle size screening

圖1 試樣XRD 圖譜Fig.1 XRD pattern of the sample

由表1、圖1、表2 可知:試樣TFe 品位為32.89%,主要雜質(zhì)SiO2含量為52.37%,有害元素硫、磷含量較低;試樣中不僅含有赤鐵礦,還含有磁鐵礦,屬于典型的混合型磁赤鐵礦;試樣-0.074 mm 粒級占44.15%,-0.044 mm 粒級TFe 品位和分布率均最高,分別為54.07%和40.20%。

利用磁選管(磁場強度為191kA/m)和夾板式電磁高梯度磁選機(勵磁電流為700 A,背景磁感應(yīng)強度為0.7 T)將混合型磁赤鐵礦中的強磁性磁鐵礦、弱磁性赤鐵礦和非磁性脈石分離開,利用篩孔尺寸為0.15、0.074和0.037 mm 的標(biāo)準篩將所得磁鐵礦和赤鐵礦篩分為4 個粒級,利用VSM-300 振動磁強計分別測試其磁化曲線,比磁化系數(shù)計算結(jié)果如表3所示。

表3 混合型磁赤鐵礦的比磁化系數(shù)測定結(jié)果Table 3 Determination results of specific magnetization coefficient of mixed maghemite

由表3 可知,磁鐵礦的比磁化系數(shù)約為赤鐵礦的10～30 倍。隨著粒度的降低,磁鐵礦和赤鐵礦的比磁化系數(shù)逐漸減小。與+0.15 mm 粒級相比,-0.037 mm 粒級磁鐵礦和赤鐵礦的比磁化系數(shù)分別降低了40.00%和81.55%。檢測過程中還發(fā)現(xiàn),赤鐵礦各粒級在磁化磁場強度大于238.8 ～318.4 kA/m 的情況下,就能達到磁飽和,隨著粒度的降低,赤鐵礦達到磁飽和所需要的磁化強度逐漸升高。

礦物顆粒在磁選設(shè)備中所受到的磁力大小取決于礦物顆粒的比磁化系數(shù)、磁選機的磁場強度和磁場梯度。研究適宜的磁選機分選結(jié)構(gòu)和磁場強度分布,能夠?qū)旌闲痛懦噼F礦中的磁鐵礦和赤鐵礦進行針對性的分選。

2 三產(chǎn)品磁選機的工作原理

為了實現(xiàn)混合型磁赤鐵礦中磁鐵礦和赤鐵礦的同步磁選,本文采用復(fù)合型磁系設(shè)計方法和半閉合式磁系結(jié)構(gòu),結(jié)合重力、離心力和流體曳力等復(fù)合力場的應(yīng)用,研制的三產(chǎn)品磁選機如圖2所示,主要包括復(fù)合型磁系、分選圓筒、給礦及排礦裝置、卸礦水及分散水管、產(chǎn)品收集裝置以及驅(qū)動系統(tǒng)等。

圖2 三產(chǎn)品磁選機結(jié)構(gòu)原理Fig.2 Three products magnetic separator structure schematic diagram

三產(chǎn)品磁選機的分選筒體與水平方向呈一定夾角,磁系包括磁場強度不同的4 種磁極組,沿軸向方向磁場強度逐漸升高,弱磁場磁系和強磁場磁系在分選圓筒內(nèi)形成具有不同磁場強度和磁場梯度的分選空間。礦石顆粒在三產(chǎn)品磁選機中的運動包括軸向和圓周方向兩部分,當(dāng)?shù)V漿沿給礦管進入分選區(qū)域時,礦漿在重力的作用下沿軸向流動,礦漿中的強磁性磁鐵礦先被弱磁場吸附,弱磁性赤鐵礦在流經(jīng)強磁區(qū)域時再被捕獲,磁鐵礦和赤鐵礦隨著圓筒的旋轉(zhuǎn)被攜帶至磁極末端,在沖洗水的作用下分別排至精礦槽和中礦槽;而礦石顆粒中的非磁性脈石顆粒由于僅受到重力的作用,所以能夠沿軸向順流而下成為尾礦。分選過程中可通過調(diào)整筒體轉(zhuǎn)速、筒體傾角、分散水壓等解決物料分散和機械夾雜等問題。

實驗室型三產(chǎn)品磁選機的分選筒體內(nèi)徑為400 mm、長度為600 mm,每種磁極組由9 個磁極構(gòu)成,沿圓周方向分別測定每種磁極組的磁極邊緣、磁極中心及極隙中心(累計35 個點)的磁場強度,測定儀器為HT201 特斯拉計,4 種磁極表面的磁場強度測定結(jié)果如圖3所示。

圖3 表明,沿分選筒體軸向方向4 種磁極的平均磁場強度由低到高分別為200.4、449.9、529.5、643.2 kA/m,圓周方向的磁場強度均勻變化,能夠?qū)崿F(xiàn)在一臺設(shè)備中對混合型磁赤鐵礦中的磁鐵礦和赤鐵礦進行同步磁選。

圖3 4 種磁極表面的磁場強度測定結(jié)果Fig.3 Results of magnetic field strength on the surface of four magnetic poles

3 分選試驗

三產(chǎn)品磁選機的分選指標(biāo)主要受分選筒筒體轉(zhuǎn)速、筒體傾角及沖洗水壓的影響,本研究分別對上述因素進行研究,探索三產(chǎn)品磁選機在分選混合型磁赤鐵礦時,對各產(chǎn)品的TFe 品位及回收率的影響規(guī)律,獲得適宜的分選指標(biāo)。

3.1 筒體轉(zhuǎn)速對分選效果的影響

每次試驗固定給礦10 kg,給礦濃度為50%、分散水壓0.2MPa、筒體傾角為5°,在分選筒筒體轉(zhuǎn)速分別為0.1、0.3、0.4和0.6 m/s 的條件下進行分選試驗,探究分選筒筒體轉(zhuǎn)速對精礦、中礦和尾礦TFe 品位及回收率的影響,結(jié)果如圖4所示。

圖4 筒體轉(zhuǎn)速對各產(chǎn)品TFe 品位及回收率的影響Fig.4 Effect of cylinder rotation speed on TFe grade and recovery of each product

由圖4 可知:增加筒體轉(zhuǎn)速,精礦TFe 品位先提高后下降、回收率先下降后提高;中礦TFe 品位先下降后提高、回收率先提高后下降;尾礦TFe 品位先下降后提高、回收率先提高后下降。當(dāng)筒體轉(zhuǎn)速增大后,筒內(nèi)物料層變薄增大了磁鐵礦顆粒與筒壁之間接觸的概率,有利于捕獲磁鐵礦顆粒,致使精礦品位提高,但過快的筒體轉(zhuǎn)速使礦漿徑向流速增大,部分磁鐵礦顆粒未經(jīng)過弱磁區(qū)分選便流入強磁區(qū)甚至流入尾礦槽,導(dǎo)致精礦TFe 品位降低、中礦TFe 品位提高、尾礦TFe 品位提高。因此,確定適宜的筒體轉(zhuǎn)速為0.4 m/s。

3.2 筒體傾角對分選效果的影響

固定給礦濃度為50%、分散水壓為0.2 MPa、筒體轉(zhuǎn)速為0.4 m/s,在筒體傾角分別為5°、8°、10°、15°的條件下進行分選試驗,探究筒體傾角對精礦、中礦和尾礦TFe 品位及回收率的影響,結(jié)果如圖5所示。

圖5 筒體傾角對各產(chǎn)品TFe 品位及回收率的影響Fig.5 Effect of cylinder angle on TFe grade and recovery of each product

由圖5 可知:增加筒體傾角,精礦TFe 品位、回收率均有所降低;中礦TFe 品位、回收率均有所提高;尾礦TFe 品位、回收率均有所提高。隨著筒體傾角的增加,礦石顆粒沿筒壁重力的分力增大、礦漿徑向流速增大,不利于磁性礦石分選,部分原本已被弱磁區(qū)捕獲的磁鐵礦顆粒沿筒壁滑落至強磁區(qū),致使精礦TFe品位及回收率均有所降低,中礦TFe 品位及回收率均有所提高,部分原本已被強磁區(qū)捕獲的赤鐵礦顆粒沿筒壁滑落至尾礦槽,致使尾礦TFe 品位及回收率均有所提高。因此,確定適宜的筒體傾角為5°。

3.3 分散水壓對分選效果的影響

固定給礦濃度為50%、筒體轉(zhuǎn)速為0.4 m/s、筒體傾角為5°,在分散水壓分別為0.1、0.15、0.2、0.25 MPa 的條件下進行分選試驗,探究分散水壓對精礦、中礦和尾礦TFe 品位及回收率的影響,結(jié)果如圖6所示。

圖6 分散水壓對各產(chǎn)品TFe 品位及回收率的影響Fig.6 Influence of water pressure on TFe grade and recovery of each product

由圖6 可知,增加分散水壓,精礦TFe 品位提高、回收率下降,中礦TFe 品位下降、回收率提高、尾礦TFe 品位、回收率均提高。隨著分散水壓的增加,精礦機械夾雜減少,精礦TFe 品位有所提高,但部分已被捕獲的細粒級磁性顆粒從強磁區(qū)被沖落至尾礦中,導(dǎo)致中礦TFe 品位降低、尾礦TFe 品位有所提高。因此,確定適宜的分散水壓為0.2 MPa。

試驗結(jié)果表明,采用三產(chǎn)品磁選機對遼寧鞍山某選廠鐵品位為32.89%的混合型磁赤鐵礦進行分選,在給礦濃度為50%、筒體轉(zhuǎn)速為0.4 m/s、筒體傾角為5°、分散水壓為0.2 MPa 的條件下,獲得了精礦、中礦、尾礦TFe 品位分別為44.63%、26.60%、10.17%,回收率分別為72.14%、20.98%、6.88%的分選指標(biāo),證明了三產(chǎn)品磁選機用于分選混合型磁赤鐵礦的可行性。

4 結(jié) 論

(1)采用復(fù)合型磁系設(shè)計方法和半閉合式磁系結(jié)構(gòu)研制的三產(chǎn)品磁選機,分選筒體內(nèi)4 種磁極的表面平均磁場強度由低到高分別為200.4、449.9、529.5、643.2 kA/m。

(2)采用三產(chǎn)磁選機對磨礦細度-0.074 mm 占44.15%、鐵品位32.89%的混合型磁赤鐵礦進行選別,在給礦礦漿濃度為50%、筒體轉(zhuǎn)速為0.4m/s、筒體傾角為5°、分散水壓為0.2 MPa 時,獲得的精礦、中礦與尾礦TFe 品位分別為44.63%、26.60%、10.17%,回收率分別為72.14%、20.98%、6.88%的分選指標(biāo)。

(3)針對混合型磁赤鐵礦研制的三產(chǎn)品磁選機能夠在一臺設(shè)備中實現(xiàn)對強磁性磁鐵礦和弱磁性赤鐵礦的同步選別,為混合型鐵礦石的短流程磁選提供了新的技術(shù)途徑。