三產(chǎn)品磁選柱的研制與應(yīng)用

任偉杰 郭小飛 張洺睿 代淑娟

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

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家對鋼鐵的需求量越來越大[1-3]。對于鐵礦資源量大但稟賦較差的我國來說，高效開發(fā)利用具有十分重要的意義[4-6]。隨著鋼鐵行業(yè)對鐵礦品質(zhì)要求的提高，在倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保的背景下提升鐵礦石選礦工藝技術(shù)及裝備水平成為必然的選擇[7-9]。

遼寧朝陽某選礦廠磁鐵礦粗選設(shè)備為CTB1030型永磁筒式磁選機，精選設(shè)備為磁選柱。鐵品位61.43%的原礦經(jīng)筒式磁選機粗選獲得TFe品位64.15%的粗精礦，磁選柱精礦TFe品位達(dá)67.36%。為簡化現(xiàn)場工藝流程，研制了一種三產(chǎn)品磁選柱，在傳統(tǒng)磁選柱的基礎(chǔ)上新磁選柱設(shè)置了粗選區(qū)與精選區(qū)，粗選區(qū)主要拋除脈石及貧連生體顆粒，精選區(qū)用于分離磁鐵礦單體與富連生體，將磁鐵礦單體、連生體和脈石礦物顆粒在一定程度上實現(xiàn)同步分離，一體化的設(shè)計可縮短分選工藝流程、提高生產(chǎn)效率。

1 三產(chǎn)品磁選柱的工作原理

三產(chǎn)品磁選柱的結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)備主要由機架與外筒、設(shè)在外筒內(nèi)的分選裝置、勵磁線圈、尾礦溢流槽、給礦裝置、給水裝置以及電控裝置等組成。設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)參數(shù):上下分選筒直徑均為115 mm、粗選區(qū)與精選區(qū)高度分別為600 mm與650 mm、中間緩沖段的高度為30 mm。

圖1 三產(chǎn)品磁選柱結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic structure of the three-products magnetic separation column

三產(chǎn)品磁選柱分選磁鐵礦的實質(zhì)是根據(jù)礦石顆粒之間的磁性差異，利用強磁性礦物的磁團(tuán)聚現(xiàn)象并控制受力條件形成高選擇性的磁團(tuán)聚體，從而實現(xiàn)強磁性礦物的高效精選[10-12];在粗選區(qū)設(shè)置一組恒定勵磁線圈，用于向下拖拽部分被水流沖到上部的磁性顆粒;在粗選區(qū)與精選區(qū)均設(shè)置4組周期勵磁線圈用于打散—聚合—打散磁團(tuán)，一體化的分選方式可有效緩解耗水量大、分選工藝復(fù)雜等問題。粗選和精選過程中，分別運用具有不同磁感應(yīng)強度的螺線管線圈、粗選區(qū)與精選區(qū)不同的上升水流流速，實現(xiàn)磁鐵礦單體顆粒、連生體和脈石礦物顆粒的精確分離。

入選礦漿經(jīng)給礦管給入粗選區(qū)，脈石顆粒以及貧連生體的比磁化系數(shù)小，所受磁力較弱，受流體曳力向上運動，從溢流槽排出成為尾礦;磁鐵礦單體顆粒及富連生體在磁場及磁化磁團(tuán)聚的作用下，迅速沿磁力線方向形成磁鏈，在周期磁場的作用下做團(tuán)聚—分散—團(tuán)聚的周期運動并進(jìn)入精選區(qū);在精選區(qū)，富連生體的比磁化系數(shù)小于磁鐵礦單體，且在較低的磁化磁場中，二者之間磁團(tuán)聚力的差異相對較大[13-15]，在弱磁場與上升水流作用下，比磁化系數(shù)較小的富連生體會向上運動，經(jīng)由導(dǎo)流管進(jìn)入中礦管成為中礦，磁鐵礦單體顆粒順流而下進(jìn)入精礦槽，成為精礦。

2 分選試驗

三產(chǎn)品磁選柱的分選過程主要由粗選和精選2部分組成，影響磁鐵礦分選效果的主要因素包括粗選區(qū)與精選區(qū)的磁感應(yīng)強度(勵磁電流)、勵磁周期、上升水流速度等，本研究分別考察以上因素對精礦、中礦以及尾礦TFe品位及回收率的影響規(guī)律，獲得適宜分選指標(biāo)。

2.1 試樣性質(zhì)

試驗礦樣取自遼寧朝陽某選礦廠，細(xì)度為-0.074 mm占64.58%，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，XRD分析結(jié)果見圖2。

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

圖2 試樣XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of the sample

由表1、圖2可知，試樣TFe品位為61.43%，SiO2含量達(dá)到13.90%;磁鐵礦為主要含鐵礦物，同時伴有少量赤鐵礦，石英為主要的脈石礦物。

2.2 勵磁電流大小對分選效果的影響

2.2.1 粗選區(qū)勵磁電流

設(shè)定每次試驗物料量500 g、給礦礦漿濃度50%、給礦速度50 g/s、恒定磁場勵磁電流6 A、粗選周期1 s、精選電流2 A、精選周期1 s、粗選區(qū)上升水流速度1.64 cm/s、精選區(qū)上升水流速度0.15 cm/s，考察粗選區(qū)勵磁電流對精礦、中礦和尾礦TFe品位及回收率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 粗選區(qū)勵磁電流對各產(chǎn)品TFe品位及回收率的影響Fig.3 Influence of excitation current in coarse area on grade and recovery of each product

由圖3可知，隨著粗選區(qū)勵磁電流的增大，精礦TFe品位下降、回收率升高;中礦TFe品位及回收率均增大;尾礦TFe品位及回收率均下降。圖3(a)中，精礦TFe品位由64.64%下降至63.52%，回收率提升了0.42個百分點;圖3(b)中，中礦TFe品位由39.13%提升至41.26%，回收率提升了0.19個百分點;圖3(c)中，尾礦 TFe品位由 19.58%下降至16.56%，回收率下降了0.62個百分點。當(dāng)電流增大后，磁鐵礦單體與連生體顆粒受磁力作用增強，更多的連生體顆粒混入精礦中，導(dǎo)致精礦TFe品位降低、回收率有所上升，尾礦TFe品位及回收率均下降。由于精選區(qū)分選條件不變，中礦TFe品位及回收率波動較小。因此，確定適宜的粗選區(qū)勵磁電流為6 A。

2.2.2 精選區(qū)勵磁電流

設(shè)定每次試驗物料量500 g、給礦礦漿濃度50%、給礦速度50 g/s、恒定磁場勵磁電流6 A、粗選電流6 A、粗選周期1 s、精選周期1 s、粗選區(qū)上升水流速度為1.64 cm/s、精選區(qū)上升水流速度為0.15 cm/s，考察精選區(qū)勵磁電流對精礦、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 精選區(qū)勵磁電流對各產(chǎn)品品位和回收率的影響Fig.4 Influence of excitation current in cleaning area on grade and recovery of each product

由圖4可知，隨著精選區(qū)電流的增大，精礦TFe品位降低、回收率上升;中礦TFe品位及回收率均下降;尾礦TFe品位及回收率均上升。圖4(a)中，精礦TFe品位由64.67%下降至63.79%，回收率提升了1.39個百分點;圖4(b)中，中礦TFe品位由42.40%下降至38.12%，回收率下降了1.36個百分點;圖4(c)中，尾礦TFe品位由17.59%上升至17.98%，回收率上升了0.05個百分點。在精選區(qū)中，持續(xù)增大的磁場力會將部分連生體顆粒向下拖拽，連同磁鐵礦單體沉降至精礦槽中，導(dǎo)致精礦TFe品位下降、回收率上升，中礦TFe品位及回收率均下降;由于尾礦的分離發(fā)生在粗選區(qū)，精選區(qū)勵磁電流的大小對尾礦品位及回收率影響較小。因此，確定適宜的精選區(qū)勵磁電流為0.8 A。

2.3 勵磁周期對分選效果的影響

2.3.1 粗選區(qū)勵磁周期

設(shè)定每次試驗物料量500 g、給礦礦漿濃度50%、給礦速度50 g/s、恒定磁場勵磁電流6 A、粗選電流6 A、精選勵磁電流0.8 A、精選周期1 s、粗選區(qū)上升水流速度為1.64 cm/s、精選區(qū)上升水流速度為0.15 cm/s，考察粗選區(qū)勵磁周期對精礦、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 粗選區(qū)勵磁周期對各產(chǎn)品品位和回收率的影響Fig.5 Influence of excitation period in coarse area on grade and recovery of each product

由圖5可知，延長粗選區(qū)勵磁周期，精礦TFe品位得到提升、回收率有所下降;中礦TFe品位下降、回收率上升;尾礦TFe品位及回收率均上升。圖5(a)中，精礦TFe品位由63.56%下降至64.36%，回收率下降了0.50個百分點;圖5(b)中，中礦TFe品位由41.17%下降至38.29%，回收率上升了0.40個百分點;圖5(c)中，尾礦 TFe品位由 16.99%上升至19.58%，回收率上升了0.33個百分點。當(dāng)粗選區(qū)勵磁周期增大后，夾雜在磁團(tuán)內(nèi)的脈石及部分弱磁性連生體被充分沖洗，使得精礦品位得到提升，由于有部分連生體隨脈石混入尾礦中，導(dǎo)致尾礦TFe品位上升、中礦品位下降。因此，確定適宜的粗選磁場勵磁周期為1 s。

2.3.2 精選區(qū)勵磁周期

設(shè)定每次試驗物料量500 g、給礦礦漿濃度50%、給礦速度50 g/s、恒定磁場勵磁電流6 A、粗選電流6 A、粗選周期1 s、精選電流0.8 A、粗選區(qū)上升水流速度為 1.64 cm/s、精選區(qū)上升水流速度為0.15 cm/s，考察精選區(qū)勵磁周期對精礦、中礦和尾礦TFe品位及回收率的變化關(guān)系影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 精選區(qū)勵磁周期對各產(chǎn)品品位和回收率的影響Fig.6 Influence of excitation period in cleaning area on grade and recovery of each product

由圖6可知，當(dāng)精選區(qū)勵磁周期延長后，精礦TFe品位提升、回收率下降;中礦TFe品位及回收率提升幅度較大;尾礦TFe品位及回收率變化較小。圖6(a)中，精礦TFe品位由63.93%上升至65.54%，回收率下降了3.74個百分點;圖6(b)中，中礦TFe品位由40.82%上升至44.99%，回收率上升了2.96個百分點;圖6(c)中，尾礦TFe品位由18.32%上升至19.01%，回收率上升了0.37個百分點。隨著精選勵磁周期的延長，磁團(tuán)發(fā)生團(tuán)聚—分散—團(tuán)聚的時間變長，夾雜在磁團(tuán)中的連生體顆粒經(jīng)過充分沖洗后被有效剔除，使得精礦TFe品位提升、回收率下降，剔除出的連生體顆粒進(jìn)入中礦管，使得中礦品位及回收率均有所升高。因此，確定適宜的精選磁場勵磁周期為2.5 s。

2.4 上升水流速度對分選效果的影響

2.4.1 粗選區(qū)上升水流速度

設(shè)定每次試驗物料量500 g、給礦礦漿濃度50%、給礦速度50 g/s、精選區(qū)上升水流速度為0.96 cm/s、恒定磁場電流6 A、粗選電流6 A、粗選周期1 s、精選電流0.8 A、精選周期2.5 s，考察粗選區(qū)上升水流速度對精礦、中礦和尾礦TFe品位及回收率的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7 粗選區(qū)水流速度對各產(chǎn)品品位和回收率的影響Fig.7 Influence of water flow velocity in coarse area on grade and recovery of each product

由圖7可知，隨著粗選區(qū)上升水流速度的增加，精礦TFe品位升高、回收率下降;中礦、尾礦TFe品位及回收率均升高。圖 7(a)中，精礦 TFe品位由62.55%提升至67.93%，回收率下降5.91個百分點;圖7(b)中，中礦TFe品位由35.52%提升至54.67%，回收率提升4.75個百分點;圖7(c)中，尾礦TFe品位由15.95%提升至21.52%，回收率上升1.17個百分點。粗選區(qū)上升水流速度的增加，使大部分脈石顆粒進(jìn)入尾礦槽，使得精礦、中礦品位有所提升。與此同時，在較大的流體曳力作用下，少部分微細(xì)粒磁鐵礦單體也會進(jìn)入尾礦槽，導(dǎo)致精礦TFe回收率降低，尾礦TFe回收率提升。因此，確定適宜的粗選區(qū)上升水流速度為3.9 cm/s。

2.4.2 精選區(qū)上升水流速度

設(shè)定每次試驗物料量500 g、給礦礦漿濃度50%、給礦速度50 g/s、粗選區(qū)上升水流速度為3.9 cm/s、恒定磁場電流6 A、粗選電流6 A、粗選周期1 s、精選電流0.8 A、精選周期2.5 s，考察精選區(qū)上升水流速度對精礦、中礦和尾礦TFe品位及回收率的影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8 精選區(qū)水流速度對各產(chǎn)品品位和回收率的影響Fig.8 Influence of water flow velocity in cleaning area on grade and recovery of each product

由圖8可知，隨精選區(qū)上升水流速度的增加，精礦及中礦TFe品位均得到提升，但精礦回收率有所下降，中礦回收率有所上升。圖8(a)中，精礦TFe品位由64.94%提升至65.65%，回收率下降1.78個百分點;圖8(b)中，中礦TFe品位由41.99%提升至44.30%，回收率提升1.55個百分點;圖8(c)中，尾礦TFe品位由19.49%提升至21.15%，回收率上升0.23個百分點。在精選區(qū)中，上升水流的增大會使一部分微細(xì)粒磁鐵礦單體在緩沖區(qū)域被重新沖回粗選區(qū)，導(dǎo)致尾礦品位略有提升;另一部分會經(jīng)由導(dǎo)流管混入中礦中，使中礦品位及回收率升高，導(dǎo)致鐵精礦品位的提升受到了阻礙，精選區(qū)上升水流速度的升高會影響精礦品位的提升。因此，確定適宜的精選區(qū)上升水流速度為0.96 cm/s。

試驗結(jié)果表明，采用三產(chǎn)品磁選柱對遼寧朝陽某選礦廠品位為61.43%的磁鐵礦進(jìn)行選別，在給礦礦漿濃度50%、恒定磁場勵磁電流為6 A、粗選磁場勵磁電流 6 A、粗選周期 1 s、粗選區(qū)上升水流速度3.9 cm/s、精選磁場勵磁電流0.8 A、精選周期2.5 s、精選區(qū)上升水流速度0.96 cm/s時，得到最終鐵精礦、中礦、尾礦 TFe品位分別為 67.93%、54.67%、21.25%，回收率分別為 92.9%、5.71%、1.39%。與選礦廠分選指標(biāo)相比，三產(chǎn)品磁選柱在達(dá)到了該選礦廠兩段選別分選指標(biāo)基礎(chǔ)上，使最終鐵精礦TFe品位提升0.57個百分點，品位得到提升的同時，有效縮短了選別流程，證明了三產(chǎn)品磁選柱優(yōu)異的分選性能。三產(chǎn)品磁選柱有效提高了磁鐵礦的分選效率，能夠為該選礦廠后續(xù)的磁選工藝流程改進(jìn)提供理論指導(dǎo)。

3 結(jié) 論

(1)三產(chǎn)品磁選柱是集粗選與精選為一體的磁鐵礦分選設(shè)備，粗選區(qū)域用于剔除夾雜的脈石礦物、貧連生體顆粒，精選區(qū)域用于分離磁鐵礦單體與富連生體。

(2)采用三產(chǎn)品磁選柱對細(xì)度為-0.074 mm占64.58%、原礦品位61.43%的磁鐵礦進(jìn)行選別，在給礦礦漿濃度50%、恒定磁場勵磁電流為6 A、粗選磁場勵磁電流6 A、粗選周期1 s、粗選區(qū)上升水流速度3.9 cm/s、精選磁場勵磁電流0.8 A、精選周期2.5 s、精選區(qū)上升水流速度0.96 cm/s時，獲得精礦、中礦與尾礦TFe品位分別為67.93%、54.67%、21.52%，回收率分別為92.90%、5.71%、1.39%。

(3)采用三產(chǎn)品磁選柱對遼寧朝陽某選礦廠磁鐵礦進(jìn)行選別，三產(chǎn)品磁選柱在達(dá)到了該選礦廠兩段選別分選指標(biāo)基礎(chǔ)上，最終鐵精礦TFe品位提升0.57個百分點，有效縮短選別流程，對該選礦廠磁選工藝流程的改進(jìn)具有重要意義。