磁選環(huán)柱磁系的改進(jìn)

陳廣振 王培信 金 鎮(zhèn) 賈西寅

(遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

我國(guó)鐵礦資源中約2/3為磁鐵礦［1-3］，磁選工藝與其他選礦工藝比較，具有流程簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。鋼鐵冶金“精料方針”的提出以及礦石資源日益貧細(xì)化成了磁選設(shè)備更新和進(jìn)步的不懈動(dòng)力。

磁選環(huán)柱［4］是遼寧科技大學(xué)在磁選柱基礎(chǔ)上研制的一種新型磁選設(shè)備。該設(shè)備既吸收了磁選柱分選精度高的優(yōu)點(diǎn)，又克服了磁選柱［5］對(duì)給礦粒度要求嚴(yán)格、耗水量偏大等不足，同時(shí)突破了磁選柱僅適用于精選作業(yè)的局限性，實(shí)現(xiàn)了既可用于精選作業(yè)，又可用于粗選作業(yè)，擴(kuò)大了適用范圍。

1 問題的提出及原因分析

磁選環(huán)柱的研發(fā)和其他設(shè)備一樣有一個(gè)不斷改進(jìn)、不斷完善的過程。磁選環(huán)柱在磁選廠粗選作業(yè)最初的工業(yè)應(yīng)用表明，其粗精礦鐵品位顯著高于現(xiàn)場(chǎng)筒式磁選機(jī)的粗精礦鐵品位，但也暴露出其尾礦鐵品位高出現(xiàn)場(chǎng)筒式磁選機(jī)1個(gè)百分點(diǎn)左右的問題。

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，尾礦流周期性地呈現(xiàn)忽而土黃忽而顏色加深的變化規(guī)律。研究分析得出，尾礦周期性跑黑與磁選環(huán)柱勵(lì)磁線圈的循環(huán)周期一致。當(dāng)尾礦筒上邊緣附近的勵(lì)磁線圈斷電時(shí)，已進(jìn)入精選環(huán)腔中的細(xì)粒磁性顆粒在上升水流作用下被沖入尾礦筒，即出現(xiàn)尾礦跑黑現(xiàn)象;通電時(shí)，則尾礦跑黑現(xiàn)象消失。尾礦的這種周期性跑黑正是造成現(xiàn)場(chǎng)磁選環(huán)柱尾礦品位偏高的主要原因［6］。因此，要解決這些問題，就必須從完善磁系配置與結(jié)構(gòu)入手。

2 磁選環(huán)柱磁系的改進(jìn)

磁選環(huán)柱由給礦斗、分選筒、尾礦筒、循環(huán)通電勵(lì)磁線圈、溢流管、精礦排礦管、尾礦排礦管和電控裝置等部分組成。其中，循環(huán)通電勵(lì)磁線圈構(gòu)成磁系，在分選筒內(nèi)設(shè)有尾礦筒，尾礦筒壁和分選筒壁之間為精選環(huán)腔。在分選筒下方設(shè)有切向給水管，在精選環(huán)腔和尾礦筒的底部分別設(shè)有精礦排礦管和尾礦排礦管。磁選環(huán)柱以尾礦筒上邊緣為界分為上、下兩部分，上部稱為粗選區(qū)，下部稱為精選區(qū)。

磁系配置改進(jìn)的具體措施是在磁選環(huán)柱的尾礦筒上邊緣附近增設(shè)1個(gè)常通電勵(lì)磁線圈［7］，該線圈電流強(qiáng)度可調(diào);磁系結(jié)構(gòu)改進(jìn)的具體措施是在每個(gè)勵(lì)磁線圈的外部罩上由導(dǎo)磁材料制成的聚磁環(huán)軛［8］，其作用是將勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁力線集中在分選筒外壁周邊，提高分選區(qū)徑向磁場(chǎng)強(qiáng)度。磁系配置和結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的磁選環(huán)柱如圖1所示。

圖1 改進(jìn)后磁選環(huán)柱結(jié)構(gòu)

磁選環(huán)柱尾礦鐵品位偏高是由尾礦筒入口附近勵(lì)磁線圈的循環(huán)通斷電造成的。因此，在尾礦筒入口處增設(shè)常通電勵(lì)磁線圈，可使被上升水流從精選區(qū)沖出的磁性顆粒在尾礦筒入口附近受到不間斷的磁場(chǎng)力作用，可有效減少這些磁性顆粒進(jìn)入尾礦筒。另外，常通電勵(lì)磁線圈電流可調(diào)等同于其磁場(chǎng)可調(diào)，亦即磁性顆粒所受的磁場(chǎng)力可調(diào)，當(dāng)磁場(chǎng)力不足以捕獲某些磁性顆粒時(shí)，可通過調(diào)節(jié)電流強(qiáng)度以提供足夠大的磁場(chǎng)力，以便更有效地阻止磁性顆粒被上升水流沖入尾礦，從而解決磁選環(huán)柱尾礦周期性跑黑所引起的尾礦偏高問題。

3 磁選環(huán)柱分選原理及分選過程

3.1 分選原理

礦漿中的礦粒形狀、大小、密度、磁性率等均不相同，且以隨機(jī)狀態(tài)處于由重力、磁力、流體動(dòng)力等組成的復(fù)合力場(chǎng)中，受力情況復(fù)雜，關(guān)于其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)目前尚無定量描述。因此，本文只考慮在選別中起主要作用的徑向磁場(chǎng)力、流體動(dòng)力和有效重力，忽略其他次要作用力，據(jù)此對(duì)磁選環(huán)柱分選原理進(jìn)行定性討論。

在磁選環(huán)柱中，非磁性顆粒在粗選區(qū)主要受到有效重力和水流阻力的聯(lián)合作用;磁性顆粒在粗選區(qū)除受到上述力的作用外，還受到以徑向磁場(chǎng)力為主、軸向磁場(chǎng)力為輔的磁場(chǎng)力(由于該力相對(duì)于重力較小，因此分析時(shí)忽略)，總合力斜向下指向分選筒周壁。

非磁性顆粒和磁性顆粒在粗選區(qū)的受力分析如圖2所示。

圖2 非磁性顆粒和磁性顆粒受力分析

磁性顆粒所受到的徑向磁場(chǎng)力

式中，fm為顆粒受到的徑向磁場(chǎng)力，水平方向，N;μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π ×10－7Wb/(m·A);k0為顆粒物質(zhì)體積磁化率，無因次;V為顆粒的體積，m3;H為顆粒體積中的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m。

顆粒所受到的有效重力

式中，fg為顆粒受到的有效重力，方向向下，N;δ為顆粒密度，kg/m3;g為重力加速度，9.8 m/s2;ρ為水密度，kg/m3。

顆粒所受到的水流阻力

式中，fR為顆粒受到的水流阻力，向上，N;φ為阻力系數(shù)，與雷諾數(shù)有關(guān)的無因次參數(shù);v為顆粒與介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m/s;d為顆粒的直徑，m。

磁場(chǎng)力、有效重力和上升水流阻力是磁選環(huán)柱分選各種礦物的主要作用力。在粗選區(qū)內(nèi)，徑向磁場(chǎng)力較大，其主要作用是將大部分磁性顆粒和連生體吸引向分選筒壁，然后在有效重力和水流阻力的作用下，沿分選筒壁向下運(yùn)動(dòng)，然后進(jìn)入精選環(huán)腔;非磁性顆粒在有效重力和水流阻力的聯(lián)合作用下旋轉(zhuǎn)向下直接進(jìn)入尾礦筒成為尾礦。在精選區(qū)內(nèi)，軸向磁場(chǎng)力較大，其主要作用是使磁性顆粒沿筒壁向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生分散—團(tuán)聚—分散現(xiàn)象。上升水流動(dòng)力的主要作用是在磁鏈處于分散狀態(tài)時(shí)沖刷、淘洗出其中的非磁性顆粒和貧連生體并將其沖入尾礦筒，使磁鏈在此過程中得到精選和純化，最后由精礦排礦管排出高品位的精礦。

3.2 分選過程

磁選環(huán)柱分選過程如圖3所示。礦漿由給礦斗給入分選筒中，首先經(jīng)過粗選區(qū)，在循環(huán)往復(fù)向下的磁場(chǎng)力和有效重力作用下，磁性顆粒及富連生體形成的磁鏈向分選筒壁運(yùn)動(dòng)，然后沿筒壁向下運(yùn)動(dòng);大部分非磁性顆粒在有效重力的作用下隨水流到達(dá)分選筒中央?yún)^(qū)域，繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)入尾礦筒。沿筒壁向下運(yùn)動(dòng)的磁鏈以及夾雜的部分非磁性顆粒進(jìn)入精選區(qū)，在連續(xù)向下的磁場(chǎng)力和旋轉(zhuǎn)上升水流動(dòng)力的共同作用下向下沉降，經(jīng)過多次團(tuán)聚—分散淘洗，最后由分選筒下部精礦排礦管排出，成為高品位精礦。磁鏈中淘洗出的非磁性顆粒、貧連生體則在上升水流作用下上升，在尾礦筒入口處轉(zhuǎn)為向下運(yùn)動(dòng)，與粗選區(qū)尾礦匯合，經(jīng)尾礦口排出成為最終尾礦。

圖3 磁選環(huán)柱分選過程示意

4 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)物料

4.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)如圖4所示，主要包括80 mm磁選環(huán)柱、電源控制箱、攪拌槽、流量計(jì)、閥門等［9］。

4.2 試驗(yàn)物料

試驗(yàn)物料為鞍鋼大孤山選礦廠的一次分級(jí)溢流。大孤山鐵礦石屬典型的磁鐵礦石，具有品位低、嵌布粒度細(xì)等特點(diǎn)，主要有用礦物為磁鐵礦、次為假象赤鐵礦;脈石主要為石英、鎂鐵閃石、方解石。試驗(yàn)物料粒度篩析結(jié)果見表1。

圖4 試驗(yàn)裝置示意

表1 試樣粒度篩析結(jié)果

從表1可以看出，試驗(yàn)物料中粗粒級(jí)鐵品位明顯低于細(xì)粒級(jí)，鐵在－0.075 mm粒級(jí)明顯富集。

5 主要工藝參數(shù)的確定

為了檢驗(yàn)改進(jìn)后的設(shè)備是否能夠有效地解決尾礦跑黑問題，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)改進(jìn)前后的磁選環(huán)柱進(jìn)行了分選效果對(duì)比。試驗(yàn)前，首先對(duì)顯著影響磁選環(huán)柱分選效果的勵(lì)磁線圈電流強(qiáng)度和上升水流速度進(jìn)行了確定。

5.1 勵(lì)磁線圈的電流強(qiáng)度確定

常通電與周期性通電的線圈電流強(qiáng)度試驗(yàn)的給礦濃度為35%，勵(lì)磁線圈循環(huán)周期為2.4 s，精選區(qū)上升水流速度為3.5 cm/s，試驗(yàn)結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 勵(lì)磁線圈電流強(qiáng)度對(duì)尾礦鐵品位的影響

圖6 勵(lì)磁線圈電流強(qiáng)度對(duì)精礦鐵品位和回收率的影響

由圖5、圖6可以看出，勵(lì)磁線圈電流強(qiáng)度由0增加到3.5 A，尾礦鐵品位由29.98%先快速下降，后緩慢下降到8.08%;精礦鐵品位先由47.12%平穩(wěn)上升到53.11%，之后小幅下降;精礦鐵回收率在電流強(qiáng)度上升初期先由43.92%快速上升到91.75%，之后幾乎不再上升。結(jié)合粗選作業(yè)的主要任務(wù)是拋尾，因此，確定勵(lì)磁線圈電流強(qiáng)度為2.5 A。

5.2 上升水流的速度確定

精選區(qū)上升水流速度試驗(yàn)的電流強(qiáng)度為2.5 A，給礦濃度為35%，勵(lì)磁線圈循環(huán)周期為2.4 s，試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8。

圖7 上升水流速度對(duì)尾礦鐵品位的影響

圖8 上升水流速度對(duì)精礦鐵品位和回收率的影響

由圖7、圖8可以看出，精選區(qū)上升水流速度由1 cm/s增大到3 cm/s，尾礦鐵品位微幅上升，上升水流速度從3 cm/s增大到4 cm/s，尾礦鐵品位由8.07%升到11.33%;精礦鐵品位由1 cm/s時(shí)的47.19%上升到3 cm/s時(shí)的51.30%，之后則隨上升水流速度的增大而下降;精礦鐵回收率由1 cm/s時(shí)的93.67%下降到4 cm/s時(shí)的88.41%。綜合考慮，確定精選區(qū)上升水流速度為2.8 cm/s。

6 磁系改進(jìn)前后選別效果對(duì)比

磁系改進(jìn)前后選別效果對(duì)比試驗(yàn)的勵(lì)磁線圈電流強(qiáng)度為2.5 A，精選區(qū)上升水流速度為2.8 cm/s，勵(lì)磁線圈循環(huán)周期為2.4 s，給礦濃度為35%。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 改進(jìn)前后磁選環(huán)柱選別試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 %

由表2可以看出，磁選環(huán)柱磁系改進(jìn)前后的精礦鐵品位變化不大，但磁系改進(jìn)后的尾礦鐵品位顯著下降，降幅達(dá)2.2個(gè)百分點(diǎn)，精礦鐵回收率則從88.52%上升至91.47%，升幅達(dá)2.95個(gè)百分點(diǎn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，磁選環(huán)柱增設(shè)常通電線圈后，被上升水流從精選區(qū)沖出的磁性顆粒受到持續(xù)的磁場(chǎng)力作用而向分選筒壁運(yùn)動(dòng)，減少了其被沖入尾礦筒的概率。

7 結(jié)論

(1)針對(duì)造成磁選環(huán)柱尾礦鐵品位偏高的原因，在原磁選環(huán)柱粗、精選交界區(qū)進(jìn)行了增設(shè)常通電勵(lì)磁線圈和聚磁環(huán)軛的改造。改進(jìn)后常通電磁系的磁場(chǎng)力持續(xù)地作用于被上升水流沖出的磁性顆粒，降低了磁性顆粒進(jìn)入尾礦筒的概率。

(2)磁系改進(jìn)前后磁選環(huán)柱實(shí)驗(yàn)室對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的設(shè)備在保持精礦鐵品位基本不變的情況下，降低了尾礦鐵品位2.2個(gè)百分點(diǎn)，提高了精礦鐵回收率2.95個(gè)百分點(diǎn)。因此，磁選環(huán)柱磁系的改進(jìn)不僅有效，而且合理，優(yōu)化了設(shè)備性能，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 余永富，余侃萍，翁孝卿.我國(guó)難選鐵礦石選礦技術(shù)進(jìn)展［J］.金屬礦山，2011(9):1-4.

［2］ 陳炳炎，閆 武.鐵礦弱磁選設(shè)備的研究應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展方向［J］.礦產(chǎn)綜合利用，2007(4):32-34.

［3］ 孫仲元.我國(guó)鐵礦山磁選現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.金屬礦山，2004(10):37-46.

［4］ 馬宏勝.新型磁選環(huán)柱的研制及其試驗(yàn)研究［D］.鞍山:遼寧科技大學(xué)，2005.

［5］ 趙 輝，王玉香，劉秉裕.磁選柱的研制及應(yīng)用［J］.中國(guó)礦業(yè)，1997(10):16-22.

［6］ 陳中航.磁選環(huán)柱新型磁系的實(shí)驗(yàn)研究［D］.鞍山:遼寧科技大學(xué)，2004.

［7］ 陳廣振，陳中航，趙通林.帶常通電線圈磁系的磁選環(huán)柱:中國(guó)，201220059735.8［P］.2012-09-19.

［8］ 陳廣振.帶有聚磁環(huán)軛的勵(lì)磁線圈磁系的磁選環(huán)柱:中國(guó)，201220059759.3［P］.2012-09-19.

［9］ 陳廣振.磁選環(huán)柱的研制及其試驗(yàn)研究［D］.沈陽:東北大學(xué).2002.