周向擠壓磁系磁選機(jī)的研究與應(yīng)用

馮麗麗 成 磊 王天歌 鄭詔星 劉之能

（北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司）

弱磁性鐵礦石（赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦等）資源占我國鐵礦石資源的約1/3，保有儲量超過200億t［1］，屬于國家重大戰(zhàn)略資源。弱磁性鐵礦石比磁化系數(shù)極低，工業(yè)選礦技術(shù)處理難度較大。目前，雖然可通過連續(xù)細(xì)磨—強(qiáng)磁選—浮選流程或焙燒—弱磁選流程進(jìn)行開發(fā)［2-3］，但開發(fā)利用成本較高，經(jīng)濟(jì)效益往往不理想，因而有大量的資源待開發(fā)。

在國內(nèi)外現(xiàn)有弱磁性礦物分選技術(shù)和裝備方面，高梯度強(qiáng)磁選機(jī)主要用于分選粒度不超過1 mm的磨礦產(chǎn)品，少有理想的與細(xì)碎產(chǎn)品匹配的強(qiáng)磁預(yù)富集設(shè)備，同時由于采用聚磁介質(zhì)直接吸附弱磁性礦粒，吸附的磁性物料容易夾雜脈石顆粒，精礦品位往往不高。

可用于寬粒級弱磁性礦石分選的輥式強(qiáng)磁選機(jī)磁力作用淺、分選精度低，沿分選輥的圓周方向無法實(shí)現(xiàn)物料磁翻轉(zhuǎn)脫雜，難以實(shí)現(xiàn)細(xì)粒級弱磁性礦石的高精度分選，因而預(yù)富集精礦品位較低。

國內(nèi)外雖然針對寬粒級弱磁性礦物預(yù)富集研發(fā)了永磁輥式強(qiáng)磁選機(jī)、永磁筒式擠壓磁系強(qiáng)磁選機(jī)，如美國的ERIEZ 磁選機(jī)［4-6］，但總體上這些設(shè)備在兼顧弱磁性礦物高精度分選和充分回收方面仍存在明顯不足，亟待開發(fā)具有高磁場力、可形成高效磁翻轉(zhuǎn)、保證弱磁性礦物良好回收的分選寬粒級的強(qiáng)磁選機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)弱磁性礦物的經(jīng)濟(jì)、高效預(yù)富集。

通過研究圓周交替磁極磁路中磁力關(guān)系模型，將三面軸向擠壓磁路擴(kuò)展至圓周擠壓磁路，建立高磁力、可實(shí)現(xiàn)高速磁翻轉(zhuǎn)的周向擠壓磁路模型，開發(fā)周向擠壓磁路的永磁強(qiáng)磁選機(jī)，為實(shí)現(xiàn)弱磁性礦物的高精度分選奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 周向擠壓磁系的結(jié)構(gòu)研發(fā)

周向擠壓磁路磁系的研究開發(fā)，關(guān)鍵在于通過創(chuàng)建周向磁極交替磁路，實(shí)現(xiàn)永磁磁系表面分選區(qū)內(nèi)的磁場力大幅提升，以便用于弱磁性礦物的分選，同時由于具備周向磁極方向交變，可實(shí)現(xiàn)磁翻轉(zhuǎn)，以提升分選精度，拋出夾雜脈石。

常見永磁磁選機(jī)開放磁路結(jié)構(gòu)見圖1，為提高磁場強(qiáng)度在相鄰2 個異極主磁極a和b 之間增加輔助磁極c，輔助磁極c與相鄰的主磁極呈排斥狀態(tài)，輔助磁極磁化場和a 與b 之間構(gòu)成的磁路磁化場相疊加，構(gòu)成外部開放空間的磁選力場。根據(jù)基爾霍夫磁場定律，永磁靜態(tài)磁路的基本方程為［7］

式中，φ 為總磁通量，Wb；F 為總磁動勢，At；Kf為漏磁系數(shù)；Kf為磁阻系數(shù)，一般變化很小，取1.2～1.3；Bm為永磁體磁通密度，Wb/m2；Hm為永磁體磁場強(qiáng)度，A/m；Am為永磁體沿磁路方向橫截面積，m2；Lm為永磁體沿磁路方向高度，m；Bg為工作氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；Hg為工作氣隙的磁場強(qiáng)度，A/m；Ag為工作氣隙的橫截面積，m2；Lg為工作氣隙的長度，m。

由式（1）和式（2）得，永磁磁路工作空間的磁感應(yīng)強(qiáng)度為［8］

式中，HmBm為永磁體磁能積，J/m3。

由式（3）得出，開放磁路在工作空間磁場特性分布與磁極距、磁極高度、磁材物性等有關(guān)。根據(jù)式（3）可以推斷，在永磁體磁能積、永磁體截面積Am×高度Lm不變的前提下，工作氣隙的橫截面積越小、長度越短，磁感應(yīng)強(qiáng)度越高。因此，當(dāng)磁路中磁極極面寬度及極距越小，磁路路徑和橫截面積越小，近磁系表面處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度越高，特別是主磁極極面寬度越小，磁力線路徑短，磁力線分布變化情況更急劇，磁場梯度更大，因此，磁場力更高，但磁場深度減小。傳統(tǒng)開放磁路為了保證較大的磁場作用深度，以保證足夠的分選間隙，磁極距一般≥65 mm，分選表面磁場力低，特別是主磁極中心存在弱磁場空洞區(qū)，如圖2所示，易造成磁性物丟失。

為了有效提高周向磁極交變磁路在分選區(qū)產(chǎn)生的磁場力，在COMSOL 仿真中研究磁系表面5 mm 工作空間平均磁場力與磁極距的影響關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，隨著磁極距減小，磁系表面5 mm 位置磁場力逐漸升高，即為了使近磁系表面工作空間具有高磁場力以實(shí)現(xiàn)弱磁性礦物捕收，應(yīng)采用較小的磁極距結(jié)構(gòu)。

在COMSOL 中建立了不同磁極距和磁路參數(shù)的磁場特性分布情況，得到2種小極面磁路結(jié)構(gòu)，如圖3和圖4 所示。由于相鄰輔助磁極與主磁極間的排斥力較大，相鄰磁極裝配時呈現(xiàn)磁場擠壓狀態(tài)，因此稱為“周向擠壓磁路結(jié)構(gòu)”。

圖3 所示磁路模型，從磁場強(qiáng)度分布可以看出，磁系表面5 mm分選空間處沿圓周方向磁場強(qiáng)度變化較劇烈，導(dǎo)致磁場梯度沿圓周方向的分量大，同時強(qiáng)磁捕收區(qū)（磁場峰值區(qū)）集中于主磁極和輔助磁極的邊緣，可吸附面積極小，在主磁極中心和輔助磁極中心弱磁性礦物均易脫落，不利于磁性物料的運(yùn)輸和吸附。圖4所示的磁路模型，高磁場區(qū)覆蓋整個主磁極附近處的分選空間，易于吸附和運(yùn)輸弱磁性顆粒，同時從磁力線圖看到，磁力線沿圓周方向不斷閉合，形成圓周方向磁極快速多次交替，便于形成分選過程吸附物料的磁翻轉(zhuǎn)。

在圖4所示的磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了磁路參數(shù)對于分選區(qū)磁場特性的影響研究，結(jié)果見圖5～圖8。圖8 與圖5 對比看，繼續(xù)減小主磁極寬度，分選區(qū)峰值磁場力提高，但強(qiáng)磁吸附區(qū)明顯減小，不易于吸附磁性物。

根據(jù)周向擠壓磁路模型的仿真分析，在大量COMSOL優(yōu)化基礎(chǔ)上，建立了基于排斥磁極布置的周向擠壓磁路結(jié)構(gòu)見圖9，相鄰主、輔助磁極間呈周向擠壓聚磁狀態(tài)，輔助磁極與主磁極采用N極對N極、S極對S 極的布置形式（排斥磁極布置）。該磁系分選區(qū)形成的磁場強(qiáng)度分布和磁場力H·gradH 分布見圖10，磁場強(qiáng)度≥850 mT，磁場力峰值＞4×1013A2/m3，可實(shí)現(xiàn)細(xì)粒弱磁性礦物的高磁力捕收，同時具備圓周方向磁極交變特性，可實(shí)現(xiàn)吸附磁性物料的高效磁翻轉(zhuǎn)，磁翻轉(zhuǎn)次數(shù)可達(dá)20次以上，實(shí)現(xiàn)夾雜脈石的有效脫離。

從圖6 與圖5 對比來看，增加主磁極高度后，分選區(qū)磁場強(qiáng)度變化不大，而磁軛內(nèi)部磁通密度增大，對分選意義不大，而且容易磁飽和后漏磁至磁軛外部，影響設(shè)備運(yùn)行可靠性；從圖7 與圖5 對比得知，增加輔助磁極高度后，分選區(qū)內(nèi)磁場強(qiáng)度增加不大；從

2 周向擠壓磁系的試制和磁場測試

周向擠壓磁系制造時，由于巨大的排斥力作用，與常規(guī)開放磁系安裝順序不同，首先把輔助磁極固定住，然后逐步安裝主磁極。

采用特斯拉計對磁系表面附近的磁場進(jìn)行測量，和磁場仿真結(jié)果相比，誤差在5%范圍內(nèi)。根據(jù)不同徑向深度的磁場強(qiáng)度，回歸出磁場梯度曲線，從而得到磁場力擬合曲線（圖11）。

根據(jù)圖11的周向擠壓磁系工作表面磁場力擬合曲線，設(shè)計制造的周向擠壓磁系工作區(qū)域磁場力≥1.5×1013A2/m3，高點(diǎn)可達(dá)4.3×1013A2/m3，具有很高的磁場力，可實(shí)現(xiàn)細(xì)粒弱磁性礦物顆粒的良好捕收，沿圓周方向周期變化的磁場力和磁場方向更加有利于實(shí)現(xiàn)弱磁性礦粒中夾雜脈石的暴露和分離。

3 周向擠壓磁系磁選機(jī)分選過程測試

利用試制完成的周向擠壓磁系結(jié)構(gòu)磁選機(jī)，進(jìn)行分選細(xì)粒弱磁性礦粒試驗(yàn)，見圖12，采用磁性物料和非磁性物料顏色區(qū)別明顯的石榴石與綠輝石的混合物料進(jìn)行試驗(yàn)，可以看到，分選過程中由于產(chǎn)生快速磁翻轉(zhuǎn)，物料分選時呈現(xiàn)“沸騰”狀態(tài)，非磁性的綠輝石從吸附的磁性物料石榴石中充分暴露和被拋出，二者分離路徑和界限區(qū)分明顯，極大地提高了石榴石的純度，實(shí)現(xiàn)了高精度分選，滿足技術(shù)開發(fā)目標(biāo)要求。

4 工業(yè)應(yīng)用

四川某鮞狀赤鐵礦石鮞粒較大，TFe品位約40%，硫、磷含量較低，工藝礦物學(xué)顯示，該礦石以脈石雜質(zhì)為鮞粒核心，以赤鐵礦與脈石相間或混雜組成鮞粒，赤鐵礦和脈石界限不分明，分離較困難，屬易破易磨極難選鐵礦石。由于TFe品位低，同時選礦難度大，焙燒成本高等原因，一直未能作為鐵礦資源有效開發(fā)利用，只能作為低價值的水泥鐵質(zhì)校正劑銷售，造成鐵礦資源的重大浪費(fèi)。開發(fā)方希望通過應(yīng)用強(qiáng)磁干選技術(shù)，使預(yù)富集精礦TFe 品位達(dá)到48%以上，可直接作為冶煉配料銷售，經(jīng)濟(jì)價值可大幅提升。

在實(shí)驗(yàn)室對該赤鐵礦進(jìn)行了強(qiáng)磁干選試驗(yàn)，根據(jù)分選目標(biāo)，選擇分選粒級為-3 mm，采用本項(xiàng)目的周向擠壓磁路磁選機(jī)進(jìn)行選別，工藝流程為1 粗1掃，最佳工藝技術(shù)參數(shù)情況下的分選指標(biāo)見表1。

?

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室分選指標(biāo)，鮞狀赤鐵礦經(jīng)過強(qiáng)磁干式分選，可獲得產(chǎn)率為30.99%、TFe 品位48.70%、TFe 回收率36.42%的預(yù)富集精礦，可直接作為冶煉配料使用；同時可回收產(chǎn)率50.50%、TFe 品位42.12%、TFe 回收率51.33%的中礦，由于品位達(dá)到40%以上，可繼續(xù)作為水泥輔料銷售，整體經(jīng)濟(jì)價值和資源利用率大幅提升。

采用傳統(tǒng)強(qiáng)磁輥式磁選機(jī)分選，精礦TFe品位難以達(dá)到45%，可見，本項(xiàng)目研制的周向擠壓磁路磁選機(jī)比傳統(tǒng)強(qiáng)磁選機(jī)分選精度高，脈石夾雜問題得到了較好的解決。

5 結(jié) 論

周向擠壓磁路磁選機(jī)的研發(fā)，關(guān)鍵在于通過創(chuàng)建周向磁極交替磁路，實(shí)現(xiàn)永磁磁系表面分選區(qū)內(nèi)的磁場力的大幅提升，以便強(qiáng)化弱磁性礦物的回收，同時由于具備周向磁極方向交變，可實(shí)現(xiàn)磁翻轉(zhuǎn)以提升分選精度，拋出夾雜脈石，實(shí)現(xiàn)精礦品位的有效提升。