弱磁性礦石高效強(qiáng)磁選關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究

饒宇歡，熊大和，2

（1．贛州金環(huán)磁選設(shè)備有限公司，江西 贛州 341000；2．贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000）

弱磁性礦石高效強(qiáng)磁選關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究

饒宇歡1，熊大和1，2

（1．贛州金環(huán)磁選設(shè)備有限公司，江西 贛州 341000；2．贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000）

針對(duì)我國弱磁性礦石選礦效率低，強(qiáng)磁選設(shè)備存在磁場強(qiáng)度低、磁介質(zhì)易堵塞、回收率低、維修難度大等重大技術(shù)難題。研究提出了微細(xì)粒弱磁性礦粒在綜合力場中的動(dòng)力學(xué)方程和影響弱磁性礦物選礦指標(biāo)的關(guān)系方程式等一系列磁選機(jī)設(shè)計(jì)方面的理論問題；在裝備設(shè)計(jì)中通過獨(dú)特的鎧裝、水內(nèi)冷磁系，減少漏磁，獲得了1．0 T以上磁場強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)磁選機(jī)節(jié)能；研發(fā)了棒狀磁介質(zhì)及其優(yōu)化排列結(jié)構(gòu)，解決了強(qiáng)磁選機(jī)易堵塞問題；發(fā)明了分選大顆粒物料（2～5 mm）的強(qiáng)磁選機(jī)，解決了濕式強(qiáng)磁選機(jī)僅能處理小于1 mm物料的難題；發(fā)明了干式振動(dòng)高梯度磁選機(jī)，使強(qiáng)磁選從濕式分選擴(kuò)大到干式分選。SLon系列強(qiáng)磁選機(jī)已有30多種型號(hào)，單臺(tái)設(shè)備日處理量可達(dá)10 000 t。研究提出了強(qiáng)磁選選礦的新工藝，實(shí)現(xiàn)了SLon系列強(qiáng)磁選機(jī)的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

立環(huán)脈動(dòng)高梯度磁選機(jī)；弱磁性礦石；強(qiáng)磁選；工業(yè)應(yīng)用；關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

我國已探明的低品位弱磁性鐵礦、鈦鐵礦、錳礦等資源量超過607億t，但97．5%為貧礦[1]。此外，需經(jīng)除鐵去雜的非金屬礦如石英、長石、高嶺土等資源量更大。由于弱磁性鐵礦具有“貧細(xì)雜”的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的選礦方法，無法獲得高質(zhì)量的合格精礦。這些年來，許多專家學(xué)者開展了“提質(zhì)降硅”的研究，使得鐵精礦質(zhì)量有了明顯提高[2]，但技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)仍不理想，鐵精礦品位一直徘徊在60%左右，回收率在50%左右。在其他礦產(chǎn)資源領(lǐng)域，選礦指標(biāo)也不理想，如微細(xì)粒鈦鐵礦回收率僅為10%左右，細(xì)粒錳礦、黑鎢細(xì)泥、赤泥等均沒有得到有效回收利用，95%以上的非金屬礦資源因弱磁性雜質(zhì)高，只能生產(chǎn)低檔產(chǎn)品或無法開發(fā)利用。

贛州有色冶金研究所、贛州金環(huán)磁選設(shè)備有限公司等單位長期以來從事弱磁性礦石的選礦研究，近年來，為解決強(qiáng)磁選存在的重大技術(shù)難題，對(duì)強(qiáng)磁選脈動(dòng)理論、強(qiáng)磁選機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)及設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，攻克了大型強(qiáng)磁選關(guān)鍵技術(shù)，在選礦廠得到大量應(yīng)用，為我國提高鐵精礦質(zhì)量或簡化工藝流程、提高經(jīng)濟(jì)效益起了重大作用。SLon系列磁選機(jī)已有3 000多臺(tái)廣泛應(yīng)用在弱磁性鐵礦、鈦礦、細(xì)粒錳礦、黑鎢細(xì)泥、稀土尾礦、赤泥、非金屬礦等回收中，顯著提高了資源綜合利用率，徹底改變了我國強(qiáng)磁選機(jī)依賴進(jìn)口的落后狀況，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的跨越式發(fā)展，顯著促進(jìn)了行業(yè)科技進(jìn)步。該項(xiàng)成果已獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 綜合力場中的微細(xì)弱磁性礦粒動(dòng)力學(xué)方程

弱磁性選礦設(shè)備的研制一直在尋求礦粒運(yùn)動(dòng)理論的指導(dǎo)，但由于復(fù)雜力場中的弱磁性礦粒運(yùn)動(dòng)涉及因素較多，此項(xiàng)研究進(jìn)展緩慢。研究將脈動(dòng)流體力與磁力結(jié)合，提出微細(xì)粒弱磁性礦粒在高梯度磁場、脈動(dòng)流體力和重力綜合力場中的動(dòng)力學(xué)方程：

Ar為礦粒相對(duì)于圓柱形磁介質(zhì)加速度的切線方向分量，Aτ為法線方向分量。式中：a為磁介質(zhì)半徑；b為礦粒半徑；δ為礦石密度；r為磁力作用半徑；V0為礦漿背景流速；Vm為脈動(dòng)速度；M為磁介質(zhì)磁化強(qiáng)度；H0為背景磁場強(qiáng)度；η為粘滯系數(shù)；θ為計(jì)算角度。

應(yīng)用該方程，可以解出微細(xì)粒弱磁性礦粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)加速度、運(yùn)動(dòng)速度及礦粒被磁介質(zhì)捕獲的時(shí)間，上述結(jié)果實(shí)際上也闡明了在綜合力場中的分選機(jī)理及規(guī)律[3]。

1.2 影響弱磁性礦物選礦指標(biāo)的關(guān)系方程式

研究通過對(duì)礦物顆粒的受力分析，推導(dǎo)出了弱磁性礦物回收率、精礦品位與脈動(dòng)高梯度磁選沖程沖次的關(guān)系方程。其中，回收率方程式為：

式中：ε為回收率；εmax理論最高回收率；k為比例常數(shù)；Fm為磁力；n為磁性礦粒穿過磁介質(zhì)的次數(shù)；Fc為促使非磁性礦粒離開捕集區(qū)的競爭力；S為沖程；N為沖次。

精礦品位方程式為：

式中：β為磁性精礦品位；βmax為理論最高品位；Gm為磁性精礦的純度；Anm為給礦中非磁性物料與磁性物料的重量比；K'比例常數(shù)；Fi為磁性礦粒與非磁性礦粒的相互作用力。

由式（3）可見：精礦品位將隨沖次的增加而增大。在適當(dāng)?shù)臎_次范圍內(nèi)，尾礦品位隨沖次的增大而略有下降。當(dāng)沖次較低時(shí)，精礦回收率隨沖次的增加而略有上升，隨著尾礦品位下降而達(dá)到最大值，當(dāng)沖次增加到一定值后，精礦品位隨沖次的增大而呈拋物線的關(guān)系增加，此時(shí)，磁性精礦回收率逐漸下降。脈動(dòng)沖次對(duì)選礦指標(biāo)的影響見圖1。

方程（1）和（2）奠定了高性能強(qiáng)磁選機(jī)設(shè)計(jì)制造理論基礎(chǔ)。

圖1 脈動(dòng)沖次對(duì)選礦指標(biāo)的影響Fig.1 Effectsofpulsespeedonthetargetedmineralprocessingindexes

1.3 弱磁性礦物強(qiáng)磁選的有效回收粒度下限

脈動(dòng)流體力的作用是能夠有效破壞礦粒團(tuán)聚體，得以有效降低回收粒度下限。根據(jù)綜合力場中弱磁性顆粒所受到的磁力、平均脈動(dòng)流體力、進(jìn)漿流體力、靜電力、范德華力、重力和慣性力的大小，可計(jì)算出不同直徑礦粒所受力的大小（表1）。據(jù)此，確定赤鐵礦等弱磁性礦物的有效回收粒度下限可達(dá)10 μm，高嶺土及其他非金屬礦物強(qiáng)磁選除弱磁性雜質(zhì)的有效回收粒度下限可達(dá)2 μm。

表1 微細(xì)粒礦粒在脈動(dòng)高梯度綜合力場中所受各種力計(jì)算值Tab.1 Force value calculation of fine-grained ore particles in the pulsating high gradient composite force field

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

2.1 大型強(qiáng)磁選機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)

在確保大型磁選機(jī)具有良好激磁性能，磁場強(qiáng)度達(dá)1．0 T以上的前提下，通過對(duì)鎧裝、水內(nèi)冷磁系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，降低了電阻，減少漏磁，提高電效率，顯著降低了能耗。研究發(fā)明了自帶夾緊式安裝結(jié)構(gòu)的大型齒輪及大型立環(huán)磁選機(jī)磁系結(jié)構(gòu)，開發(fā)了世界上最大的SLon-4000型強(qiáng)磁選機(jī)。圖2給出了設(shè)備大型化對(duì)能耗的關(guān)系，實(shí)踐表明，SLon-4000型強(qiáng)磁選機(jī)日處理量達(dá)10 000 t，其處理礦石的能耗為0．41 kW·h/t，比原來大量應(yīng)用的SLon-2000型能耗降低51．76%，耗水量減少12%，比傳統(tǒng)強(qiáng)磁選機(jī)能耗降低85%、耗水量減少65%，節(jié)能減排效果顯著[4]。

圖2 SLon各型號(hào)磁選機(jī)分選單位礦石能耗數(shù)據(jù)Fig.2 OreconsumptiondataofdifferentmodeledSLonmagneticseparator

2.2 高梯度磁場的磁介質(zhì)及其優(yōu)化排列結(jié)構(gòu)

研發(fā)了導(dǎo)磁不銹鋼棒作為磁介質(zhì)形成高梯度磁場。通過改變磁介質(zhì)直徑和多種不同優(yōu)化組合排列方式，可獲得不同寬度的過流通道，再與獨(dú)創(chuàng)的高頻數(shù)字式脈動(dòng)沖程箱匹配，可解決采用不銹鋼網(wǎng)介質(zhì)的傳統(tǒng)強(qiáng)磁選機(jī)易堵塞和維護(hù)難度大的問題，使設(shè)備作業(yè)率由原來的80%提高到98%以上，圖3給出了磁選機(jī)的防堵塞原理。從而實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)磁選技術(shù)有效回收粒度下限從30 μm的細(xì)粒級(jí)降到2～10 μm的微細(xì)粒級(jí)的技術(shù)跨越。針對(duì)入選粒度和比磁化系數(shù)不同，研發(fā)出多種規(guī)格磁介質(zhì)，有效提高了精礦品位、回收率和資源利用率。

圖3 防堵塞原理示意圖Fig.3 Diagram of jam prevention principle

2.3 大顆粒強(qiáng)磁選結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)強(qiáng)磁選機(jī)僅能處理小于1 mm的微細(xì)粒級(jí)弱磁性礦物，給料粒度大于1 mm時(shí)，易導(dǎo)致磁選機(jī)中磁介質(zhì)堆堵塞，物料在礦斗、管道中流動(dòng)不暢，使礦斗和管道磨損加快，極易磨穿，而無法正常生產(chǎn)。

研究在保留原有的磁系結(jié)構(gòu)、激磁線圈、轉(zhuǎn)環(huán)結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、脈動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過新增磁介質(zhì)堆、精礦斗、精礦收集槽、尾礦斗等部件及其優(yōu)化設(shè)計(jì)，克服了大顆粒物料流動(dòng)性差、易沉淀堆積，以及流動(dòng)中對(duì)精礦槽底壁和尾礦斗傾斜側(cè)壁沖刷磨損等嚴(yán)重問題，滿足了大顆粒物料對(duì)分選通道的要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)2～5 mm大顆粒物料的直接分選，并使強(qiáng)磁選設(shè)備可應(yīng)用于弱磁性物料的預(yù)先拋尾，節(jié)能減排效果顯著，提高了弱磁性貧礦資源的開發(fā)效率。

2.4 干式振動(dòng)結(jié)構(gòu)

通過振動(dòng)給排料方式，設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)環(huán)立式振動(dòng)的結(jié)構(gòu)模式（圖4），實(shí)現(xiàn)了在無水介質(zhì)中進(jìn)行弱磁性物料高梯度連續(xù)干式分選。在干式分選設(shè)備中磁場強(qiáng)度、振幅、振頻、轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)速等參數(shù)可調(diào)，徹底改變了高梯度磁選機(jī)濕式分選模式，去除了濃縮和干燥環(huán)節(jié)，縮短了生產(chǎn)流程，顯著提高了選礦效率[5]。

圖4 干式振動(dòng)高梯度磁選機(jī)Fig.4 Dried vibrating high gradient magnetic separator

2.5 立環(huán)脈動(dòng)高梯度磁選機(jī)的系列化、大型化

根據(jù)上述理論成果和對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的解決，研制出獨(dú)創(chuàng)的SLon系列立環(huán)脈動(dòng)高梯度磁選機(jī)，形成了從日處理量0．72 t的SLon-500型到世界上最大的日處理量10 000 t的SLon-4000型等30多種規(guī)格產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了脈動(dòng)高梯度磁選技術(shù)從理論研究到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的飛躍。

3 強(qiáng)磁選選礦新工藝

研發(fā)了弱磁性礦石的脈動(dòng)高梯度磁選新工藝，開發(fā)了高品質(zhì)長石、石英砂、鈦鐵礦、海濱砂礦高效強(qiáng)磁選設(shè)備，全面推動(dòng)了氧化鐵礦、鈦鐵礦、非金屬礦選礦工藝革新，新工藝對(duì)提高礦產(chǎn)精礦品位和回收率、提高資源綜合利用率和對(duì)二次資源的綜合利用方面均有突出的效果，解決了長期制約我國弱磁性礦物資源回收利用的技術(shù)難題。

3.1 精礦品位和回收率

我國各種弱磁性鐵礦企業(yè)應(yīng)用該成果后，均大幅度提高了鐵精礦品位、回收率和資源利用率，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。如馬鋼姑山鐵礦寧蕪式紅礦屬難選氧化鐵礦，原工藝鐵精礦品位僅55%，回收率61%；采用該成果后改為階段磨礦，一段SLon磁選機(jī)直接拋尾，二段再用SLon磁選機(jī)精選，獲得鐵精礦品位60%，提高了5%，回收率76%，提高了15%[6]，寧蕪式紅礦選礦工藝流程如圖5所示。

圖5 寧蕪式紅礦高梯度磁選新工藝Fig.5 HighgradientmagneticseparationtechnologyinNingwumine

該成果不僅在鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司、玉溪大紅山鐵礦等300多家國內(nèi)企業(yè)應(yīng)用，屢次創(chuàng)我國紅礦工業(yè)選礦歷史最高水平，使難選鐵礦鐵精礦品位和回收率大幅度上升。而且，大量出口印度、塞拉利昂等國家（圖6）。

圖6 SLon磁選機(jī)在塞拉利昂鐵礦Fig.6 SLon magnetic separator applied an iron ore of Sierra Leone

圖7 選鈦新工藝Fig.7 New technology of ilmenite separation

3.2 資源綜合利用率

鈦鐵礦、鉭鈮礦、黑鎢礦等弱磁性選礦企業(yè)采用該成果后，回收粒度下限由45 μm降至10 μm，并顯著提高了選礦回收率和產(chǎn)品質(zhì)量，大幅提高了資源綜合利用率。如攀鋼選鈦廠從弱磁選尾礦中回收-45 μm微細(xì)粒級(jí)鈦精礦，TiO2回收率提高了10～25個(gè)百分點(diǎn)，鈦精礦年產(chǎn)量從5萬t提高至現(xiàn)在的50萬t，選礦工藝流程見圖7；重鋼太和鐵礦以及攀西和承德地區(qū)的選鈦廠，每年從弱磁選尾礦中回收品位47．5%TiO2的優(yōu)質(zhì)微細(xì)粒級(jí)鈦精礦300多萬t[7]；南平鉭鈮礦10～45 μm粒級(jí)得到有效回收，鉭鈮回收率提高了4～5個(gè)百分點(diǎn)；鎢細(xì)泥中回收微細(xì)粒級(jí)黑鎢礦的作業(yè)回收率提高了35～40個(gè)百分點(diǎn)（圖8）。

圖8 SLon磁選機(jī)柿竹園分選黑鎢礦Fig.8 Wolframite separation by SLon magnetic separator

3.3 二次資源綜合利用

選鐵老尾礦、煉鋁赤泥、稀土老尾礦等均含大量有價(jià)資源，一直沒有得到有效回收。采用該成果后，提高了資源利用率，減少了尾礦對(duì)土地的占用，起到了保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用。如：昆鋼上廠鐵礦和海南鋼鐵公司老尾礦中回收鐵、中鋁山東分公司和廣西平果鋁業(yè)公司赤泥中綜合回收鐵，每年從尾礦中回收鐵精礦達(dá)50多萬t；四川冕寧、德昌稀土礦從老尾礦中回收稀土的作業(yè)回收率達(dá)到60%，富集比達(dá)5倍以上[8]。

4 結(jié)語

（1）研究建立了綜合力場下的動(dòng)力學(xué)方程和影響弱磁性礦物選礦指標(biāo)的關(guān)系方程，完善了我國強(qiáng)磁選理論和技術(shù)體系，使我國弱磁性礦石高效強(qiáng)磁選關(guān)鍵技術(shù)與裝備實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，顯著促進(jìn)了行業(yè)的科技進(jìn)步。

（2）大幅度提高了赤鐵礦、鈦鐵礦、錳礦、黑鎢礦細(xì)泥、四川稀土礦等低品位弱磁性礦產(chǎn)資源利用率，提高了戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源的自給率，為保障國家資源安全和國民經(jīng)濟(jì)健康持續(xù)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。

（3）在弱磁性礦物選礦中得到廣泛應(yīng)用，從四川稀土礦、黑鎢礦細(xì)泥、赤泥、非金屬等尾礦中回收了大量有用資源，大大減少了廢棄物排放，節(jié)能降耗效果顯著。

（4）SLon系列強(qiáng)磁選機(jī)的研制徹底改變了長期以來強(qiáng)磁選機(jī)依賴進(jìn)口或仿制局面，且產(chǎn)品出口至美國、印度、澳大利亞、巴西、俄羅斯、塞拉利昂、加拿大、秘魯、伊朗等二十多個(gè)國家，發(fā)展了民族工業(yè)。

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[2] 余永富．我國鐵礦山發(fā)展動(dòng)向、選礦技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題[J]．礦冶工程，2006，26（1）：21-25．

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Key Technologies and Equipments of High Intensity Magnetic Separation for Weakly Magnetic Minerals

RAO Yu-huan1,XIONG Da-he1,2
(1．Slon Magnetic Separator Ltd,Ganzhou 341000,Jianxi,China;2．Ganzhou Nonferrous Metallurgy Research Institute,Ganzhou 341000,Jiangxi,China)

The mineral processing equipment of weak magnetic ores has some key technological difficulties,such as low magnetic field,easily jammed magnetic media,low recovery rate and difficult maintenance．This paper discusses a series of theoretical problems in designing magnetic separator,including dynamic function of fine-grain sized ore particle in the multi-force field and relation function affecting mineral processing indexes．Magnetic field intensity (＞1．0T)is obtained by unique armor furnishing and inner cooling magnetic system to reduce magnet leakage．

vertical loop pulsating high gradient magnetic separator;weak magnetic minerals;magnetic separation; industrial application

TD457

A

2014-01-23

國家科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（01C26213600529）

饒宇歡（1976-），男，江西九江人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事磁選機(jī)和礦山設(shè)備研究。

熊大和（1952-），男，江西宜豐人，教授級(jí)高工，博士，本刊編委，2014年度國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)獲得者，主要從事磁選機(jī)研究。

10．3969/j．issn．1009-0622．2015．01．014

Easy jamming problem of magnetic separator is solved by bar-shaped magnetic media with optimized structure．The former hydraulic magnetic separator can only process small particle size crude ores(＜1 mm)．However,the newlyinvented magnetic separator has the capacity to separate crude ores with large particle size（2～5 mm）．The invention of dry vibrating high gradient magnetic separator expands the magnetic separation from hydraulic to dried technologies．The daily processing capacity of a single SLon magnetic separator reaches 10,000t．The industrial application of SLon magnetic separators,with more than 30 models,has been practiced．