斜環(huán)永磁高梯度磁選機(jī)的原理及應(yīng)用

伍喜慶，米夏夏，楊斌

(中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長沙，410083)

高梯度磁選是一種處理細(xì)粒弱磁性礦物的有效分選方法。自20世紀(jì)60年代末Kolm等[1]成功研發(fā)第1臺(tái)高梯度磁選實(shí)驗(yàn)裝置以來，高梯度磁選機(jī)的研發(fā)得到了迅速發(fā)展。目前，國內(nèi)外已研制了多種高梯度磁選機(jī)，如Sala型高梯度磁選機(jī)、VMS型高梯度磁選機(jī)[2]、仿瓊斯SHP系列濕式強(qiáng)磁選機(jī)[3]、Slon型脈動(dòng)高梯度立環(huán)磁選機(jī)[4]、SSS-Ⅱ雙頻脈沖雙立環(huán)高梯度磁選機(jī)[5]、DMG型立環(huán)脈動(dòng)高梯度磁選機(jī)[6]，這些高梯度磁選機(jī)均為電磁磁系，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、能耗大。隨著高性能稀土永磁材料[7-8]的發(fā)展和超導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)步以及節(jié)能的需要，高梯度磁選機(jī)在磁系選擇上嘗試使用永磁體和超導(dǎo)體，如鐵輪式永磁高梯度磁選機(jī)[9]、CRIMM型雙箱往復(fù)式永磁高梯度磁選機(jī)[10]和超導(dǎo)高梯度磁選機(jī)[11]。此外，高梯度磁選機(jī)的分選環(huán)就配置方式而言，主要分為平環(huán)和立環(huán)配置，在這類高梯度磁選機(jī)中，礦粒所受的重力在分選過程中均為競爭力。本文作者結(jié)合高梯度磁選技術(shù)和曾經(jīng)研究過的斜面流體力磁力分選[12]的優(yōu)點(diǎn)，研制出一種新型斜環(huán)永磁高梯度磁選機(jī)[13]。在此，本文作者介紹該新型斜環(huán)永磁高梯度磁選機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，分析磁性礦粒在復(fù)合力場中的作用力和捕獲機(jī)理，并測試該設(shè)備對某鐵礦尾礦的磁選效果。

1 斜環(huán)永磁高梯度磁選機(jī)

圖1所示為斜環(huán)永磁高梯度磁選機(jī)結(jié)構(gòu)圖。斜環(huán)永磁高梯度磁選機(jī)[13](以下簡稱斜環(huán)磁選機(jī))主要由轉(zhuǎn)筒、轉(zhuǎn)環(huán)、轉(zhuǎn)筒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傾斜驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、永磁磁系、給礦斗(圖中未畫出)、精礦斗、尾礦斗、清洗水裝置和精礦沖洗水裝置、活動(dòng)機(jī)架和固定機(jī)架等部件組成。轉(zhuǎn)筒內(nèi)表面裝有轉(zhuǎn)環(huán)，轉(zhuǎn)環(huán)中固定有導(dǎo)磁不銹鋼材質(zhì)的聚磁介質(zhì)(可以是線型、網(wǎng)板型或齒板型介質(zhì)等)。

作業(yè)時(shí)，首先通過傾斜驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)環(huán)的傾斜角度和轉(zhuǎn)速，開動(dòng)轉(zhuǎn)筒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使轉(zhuǎn)筒連同轉(zhuǎn)環(huán)作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，礦漿從給礦斗經(jīng)給礦管給入到轉(zhuǎn)筒的內(nèi)上端，在重力作用下流經(jīng)轉(zhuǎn)環(huán)中的聚磁介質(zhì)，其中的磁性顆粒被聚磁介質(zhì)捕獲，部分非磁性顆粒可能會(huì)夾雜在其中。在磁系中部，有1個(gè)清洗水管，主要是防止和減少這種機(jī)械夾雜，當(dāng)磁介質(zhì)旋轉(zhuǎn)到頂部無磁場區(qū)時(shí)，磁性顆粒被沖洗水沖下到精礦斗；而非磁性顆粒則在重力和流體推動(dòng)力作用下從圓筒的下端進(jìn)入尾礦斗。

從斜環(huán)磁選機(jī)的結(jié)構(gòu)及分選過程可看出其主要應(yīng)用特點(diǎn)是：重力在傳統(tǒng)高梯度磁選機(jī)的分選過程中屬競爭力，而在斜環(huán)磁選機(jī)的分選過程中則起到了一定的分選力效果；分選時(shí)，礦漿在轉(zhuǎn)筒內(nèi)的流動(dòng)是一種曲線運(yùn)動(dòng)，從而延長了礦漿在轉(zhuǎn)筒內(nèi)的行程，增大了礦粒與聚磁介質(zhì)的接觸概率；分選環(huán)傾斜角度的調(diào)節(jié)是磁選過程中的又一重要參數(shù)，而該參數(shù)可改變礦漿流體力學(xué)和重力的作用。

圖1 斜環(huán)永磁高梯度磁選機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of high-gradient permanent magnetic separator with inclined cylinder

2 斜環(huán)磁選機(jī)中磁性礦粒的受力與捕獲

2.1 磁性礦粒在復(fù)合力場中的各種作用力分析

磁性礦粒在斜環(huán)高梯度磁選機(jī)分選過程中，受到多種力的作用，如磁力、流體推動(dòng)力、重力、摩擦力等。為了簡便，下面以球形礦粒為例，分析和估算各種作用力的大小[12-14]。

2.1.1 磁介質(zhì)對礦粒的磁力

假設(shè)磁介質(zhì)為圓柱形導(dǎo)磁不銹鋼材料的棒介質(zhì)，則1個(gè)位于磁介質(zhì)附近且半徑為R的球形礦粒所受的磁力為：

2.1.2 有效重力

半徑為R的球形礦粒在礦漿中所受的有效重力為：

2.1.3 流體推動(dòng)力

在斜環(huán)磁選機(jī)中，假設(shè)礦粒在礦漿中所受的流體推動(dòng)力服從斯托克斯公式，礦漿可近似認(rèn)為是沿傾角為θ的斜槽運(yùn)動(dòng)，其流速與傾斜角度的正弦成正比[15]，則斯托克斯阻力為：

2.1.4 摩擦力

當(dāng)斜環(huán)磁選機(jī)的傾斜角度為θ時(shí)，在磁場區(qū)礦粒與磁介質(zhì)之間的摩擦力為：

除以上4種力作用之外，礦粒還要受到其他力的作用，如離心力、礦粒之間的磁吸引力、同質(zhì)和異質(zhì)礦粒間的靜電力和范德華力等等。礦粒之間的這些力在顆粒極微細(xì)情況下才比較顯著，故在此不予考慮。

以斜環(huán)磁選機(jī)處理細(xì)粒赤鐵礦時(shí)進(jìn)行受力分析為例，為了直觀，式(1)～(4)中所有變量的物理意義、單位(SI單位制)以及選取計(jì)算值如表1所示。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)和式(1)～(4)計(jì)算各力的大小，計(jì)算結(jié)果見圖2。

從圖2可見：斜環(huán)磁選機(jī)在捕收赤鐵礦時(shí)，其傾斜角度對礦粒所受的流體推動(dòng)力影響比較顯著，而重力平行和垂直于斜面的分力組成也與傾斜角度有關(guān)。在礦粒粒級為0～100 μm時(shí)，有效重力相對于磁力來說是很小的，結(jié)合式(1)和式(4)可知：磁力不受傾斜角度的影響，故摩擦力受傾斜角度的影響較小。

表1 計(jì)算過程中的原始數(shù)據(jù)Table 1 Original data of calculation

圖2 粒徑對礦粒受力的影響Fig.2 Effects of particle size on various forces

2.2 磁性礦粒的捕獲方式及條件

在斜環(huán)磁選機(jī)中，磁性礦粒在斜環(huán)磁選機(jī)中被捕獲可分為吸引和吸住2個(gè)階段。在吸引階段，分選力為礦粒所受的磁力和有效重力垂直于斜面的分力；而當(dāng)?shù)V粒與聚磁介質(zhì)接觸后，為保持吸住狀態(tài)，分選力表現(xiàn)為摩擦力，競爭力為礦粒所受的流體推動(dòng)力和有效重力平行于斜面的分力。

2.2.1 磁性礦粒被聚磁介質(zhì)吸引

在礦漿中，設(shè)磁性礦粒與長度為l的聚磁介質(zhì)表面還未接觸且距離其表面的垂直高度為h，如圖3所示。礦粒在競爭力作用下流向尾礦斗，而在分選力作用下拉向聚磁介質(zhì)，若礦粒能與聚磁介質(zhì)表面接觸，則必須滿足：

式中：t1為磁性礦粒在分選力作用下到聚磁介質(zhì)的時(shí)間(假設(shè)磁力不變)，

t2為磁性礦粒在競爭力作用下離開聚磁介質(zhì)的時(shí)間(假設(shè)流體推動(dòng)力不變)，

將t1和t2代入式(5)可得：

圖3 礦粒在斜面受力示意圖Fig.3 Sketch of mineral particle on inclined plane

式中：l為聚磁介質(zhì)長度；h為礦粒距聚磁介質(zhì)表面垂直距離。

由式(6)可知：當(dāng)?shù)V粒的受力一定時(shí)，增長聚磁介質(zhì)和減小流膜厚度(即減小礦粒與聚磁介質(zhì)之間的距離h，如采用薄膜給礦方式)，對捕獲礦粒是有利的。

2.2.2 礦粒被聚磁介質(zhì)吸住

在斜環(huán)磁選機(jī)中，當(dāng)?shù)V粒被吸引到聚磁介質(zhì)表面后，則完成了磁性礦粒被捕獲的第一階段，而第二階段為礦粒與聚磁介質(zhì)表面接觸，且能夠被其吸住而帶至卸礦區(qū)，在這一階段分選力表現(xiàn)為摩擦力，礦粒被聚磁介質(zhì)表面捕獲方式如下。

(1) 吸住式捕獲。當(dāng)?shù)V粒被聚磁介質(zhì)吸住而不被競爭力帶走而捕獲，則需滿足條件為礦粒所受的分選力大于競爭力，即摩擦力大于流體推動(dòng)力和有效重力沿斜面的分力之和：

由圖2和式(7)可見：斜環(huán)磁選機(jī)在不同的傾斜角度下，對赤鐵礦礦粒捕收的粒級下限也不同，可捕收粒級下限隨傾斜角度的減小而減?。寒?dāng)傾斜角度為90°時(shí)，可捕收礦粒的粒級下限為35 μm；當(dāng)傾斜角度為10°時(shí)，可捕收礦粒的粒級下限為15 μm；當(dāng)傾斜角度為5°時(shí)，可捕收赤鐵礦礦粒的粒級下限為10 μm(吸住式捕獲礦粒)。

(2) 運(yùn)動(dòng)式捕獲。當(dāng)?shù)V粒與聚磁介質(zhì)表面接觸，但所受的分選力小于競爭力時(shí)，礦粒在競爭力和分選力的共同作用下向尾礦斗運(yùn)動(dòng)。設(shè)分選區(qū)的徑向夾角為β，礦粒在分選區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。當(dāng)?shù)V粒隨聚磁介質(zhì)旋轉(zhuǎn)而離開分選區(qū)時(shí)，向下運(yùn)動(dòng)的距離小于聚磁介質(zhì)長度，礦粒同樣可以被捕獲。假設(shè)礦粒與聚磁介質(zhì)接觸時(shí)沿斜面方向的初速度很小，可以忽略，則需滿足的條件為：

式中：a為礦粒在競爭力和分選力共同作用下(即在分選區(qū)內(nèi))加速度，則

t為礦粒在分選區(qū)停留的時(shí)間(s)，設(shè)分選環(huán)轉(zhuǎn)速為ωr/min，則。將a和t代入式(8)可得：

圖4 礦粒在斜面運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.4 sketch of particle trajectory on inclined plane

式中：ω為分選環(huán)轉(zhuǎn)速，r/min；β為分選區(qū)的徑向夾角，rad。

由式(9)可見：當(dāng)?shù)V粒所受競爭力大于分選力時(shí)，增大轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)速和增長聚磁介質(zhì)長度均有利于對礦粒的捕獲。顯然，運(yùn)動(dòng)式捕獲比吸住式捕獲礦粒的粒度下限要小。

在斜環(huán)高梯度磁選機(jī)中，磁力和有效重力垂直于斜面的分力均屬分選力，由式(1)和式(2)可知：磁力與礦粒半徑的平方成正比，有效重力與礦粒半徑的立方成正比；當(dāng)?shù)V粒粒級迅速增大時(shí)，磁力和有效重力也迅速增大，這對斜環(huán)磁選機(jī)提高回收率來說是有利的。

3 試驗(yàn)結(jié)果

磁選試驗(yàn)給料為某鐵礦選礦后的尾礦，其中TFe(全鐵)含量為 17.81%，主要以赤鐵礦和菱鐵礦等弱磁性礦物存在，原礦粒度中微細(xì)粒含量較高，小于0.037 mm粒級的含量為47.9%。磁選試驗(yàn)時(shí)，給礦濃度為 20%，給礦速度為 2 L/min，分選環(huán)轉(zhuǎn)速為 20 r/min，主要操作參數(shù)變量為斜環(huán)磁選機(jī)中的傾斜角度。當(dāng)傾斜角度分別為10°，20°，30°和45°時(shí)，其試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見：鐵品位隨著傾斜角度的增大而增大，而回收率隨著傾斜角度的增大而下降。這是因?yàn)樵谛杯h(huán)磁選機(jī)中，隨著傾斜角度的增大，礦粒所受的流體推動(dòng)力和有效重力平行于斜面的分力增大，即競爭力增大，則磁性較弱或連生體礦粒因受分選力較弱，被競爭力所帶走的概率增大。

圖5 傾斜角度對試驗(yàn)指標(biāo)的影響Fig.5 Effect of inclination angle on separation

4 結(jié)論

(1) 調(diào)節(jié)斜環(huán)磁選機(jī)所具特征的傾斜角度，可改變礦粒所受流體推動(dòng)力大小和有效重力的分力組成，從而可降低斜環(huán)磁選機(jī)捕獲磁性礦粒的粒度下限；此外，設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)聚磁介質(zhì)長度和操作參數(shù)轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)速和流膜厚度也是影響礦粒捕獲的重要因素。

(2) 磁選鐵精礦中的鐵品位隨著傾斜角度的增大而增大，而鐵回收率隨著傾斜角度的減小而增大，這與磁性礦粒受力分析結(jié)果一致；在給料鐵礦尾礦全鐵品位為 17.81%時(shí)，經(jīng)一次磁選可獲得全鐵品位為29.53%、回收率為65.05%的良好指標(biāo)。

(3) 斜環(huán)永磁高梯度磁選機(jī)原理新穎，結(jié)構(gòu)簡單，能源消耗低，操作維護(hù)方便，與一般磁選機(jī)相比，增加了新的可調(diào)控的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)，是有效富集和分離弱磁性物料的設(shè)備。

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