電磁柱式精選機(jī)磁場特性對鐵礦提精優(yōu)勢分析及工業(yè)應(yīng)用

歷 平，徐銅林，魏紅港

1建昌馬道礦業(yè)有限責(zé)任公司 遼寧葫蘆島 125315

2礦冶科技集團(tuán)有限公司 北京 100160

我國鐵礦石資源儲量居世界第四位，但是鐵礦石資源整體稟賦較差，“貧、細(xì)、雜”問題突出，導(dǎo)致我國絕大部分鐵礦石都需要進(jìn)行多次磨選作業(yè)，才能獲得合格品位鐵精礦[1-3]。高品質(zhì)鐵精礦對高爐煉鐵意義重大，有研究表明：鐵精礦品位、回收率與煉鐵經(jīng)濟(jì)效益直接相關(guān)，煉鐵總利潤隨鐵精礦品位提高而增加?？梢妼嵭芯戏结樖翘岣咪撹F企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑[4-5]。

目前提高鐵精礦品位常采用多次磁選、細(xì)篩再磨、精礦反浮選等工藝[6-10]。磁選機(jī)是生產(chǎn)鐵精礦的關(guān)鍵設(shè)備，常用的鐵礦精選磁選設(shè)備是永磁筒式磁選機(jī)；也有小部分選廠根據(jù)自身礦物性質(zhì)，采用改進(jìn)型永磁筒式磁選機(jī)進(jìn)行精選作業(yè)[11]。永磁筒式磁選機(jī)的磁場恒定不變，磁鐵礦顆粒在恒定磁場中形成不可打破的大體積強(qiáng)磁團(tuán)聚體，其內(nèi)部夾雜有大量的脈石和貧連生體，即使經(jīng)過多次翻轉(zhuǎn)或者漂洗，精礦品位仍然得不到有效地提高；究其原因，是永磁設(shè)備不能從根本上解決強(qiáng)磁團(tuán)聚導(dǎo)致的夾雜問題。

為了解決筒式磁選機(jī)強(qiáng)磁團(tuán)聚引起的夾雜問題，20 世紀(jì)八十年代，選礦工作者將重力和磁力相結(jié)合，研制成功一種電磁低弱磁場柱式磁重選礦設(shè)備。后經(jīng)過幾代人的努力，逐漸形成磁選柱、淘洗磁選機(jī)和柱式精選機(jī)等多種類型鐵礦精選用電磁柱式精選設(shè)備，成功解決了永磁設(shè)備磁團(tuán)聚夾雜的脈石和貧連生體不能充分剝離的問題，最大限度地提高了磁鐵礦的精礦品位，電磁柱式精選機(jī)目前已經(jīng)成為鐵礦山應(yīng)用最廣泛的提精設(shè)備[12-14]。

筆者在 BGRIMM 大型智能旋流精選機(jī)工業(yè)應(yīng)用過程中，結(jié)合對鐵礦石顆粒分選微觀過程的思考和對磁選設(shè)備性能的理解，將大型電磁柱式和永磁筒式磁選機(jī)在磁場特性及工業(yè)應(yīng)用效果方面進(jìn)行對比分析，以闡明電磁柱式精選機(jī)能取得良好分選指標(biāo)的內(nèi)在原因。

1 結(jié)構(gòu)及分選原理

電磁柱式精選機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括給礦管、溢流槽、柱體、線圈、給水器和精礦口等部件。給礦方式為自上而下給礦，給水方式為自下而上給水，給水器連接柱體內(nèi)外，在內(nèi)部分選空間有分水盤，可以將給水器中的水旋切給到分選空間，對鐵礦起到漂洗提精作用。

圖1 電磁柱式精選機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of electromagnetic column separator

電磁柱式精選機(jī)的磁系是由自上而下設(shè)置的多組激磁線圈組成，根據(jù)作用的不同，最上部的線圈接通較大的恒穩(wěn)直流電，以在分選空間產(chǎn)生較大的磁場，可以起到控尾的作用，防止微細(xì)粒鐵礦顆粒的流失；其余線圈自上而下，以一定的邏輯時序順序循環(huán)通斷電，且通電時的電流較小，可以在分選空間內(nèi)產(chǎn)生通斷交替的弱磁場。通電時，磁性顆粒團(tuán)聚；斷電時，磁性顆粒分散。下部給水器的漂洗水可在磁性顆粒分散過程中，最大限度地沖洗出磁團(tuán)聚中的脈石和貧連生體，并帶到上部尾礦口排出；磁性顆粒在聚散交替向下運動的過程中，持續(xù)被漂洗水沖刷，鐵精礦品位越來越高，最終從下部精礦口排出。

2 磁場提精優(yōu)勢分析

磁場是鐵礦石分選最主要作用力，電磁柱式精選機(jī)和永磁筒式磁選機(jī)的磁場強(qiáng)度、磁場形態(tài)和磁場工作方式不同，導(dǎo)致磁性顆粒分布、磁鏈強(qiáng)度、磁鏈形態(tài)及磁性顆粒的運動狀態(tài)不同，影響最終鐵礦提品效果。

2.1 低弱磁場

永磁筒式磁選機(jī)應(yīng)用在不同的選礦流程工藝段時，其磁場強(qiáng)度也不相同。預(yù)選回收用磁選機(jī)主要作用是回收和拋廢，因而需要其磁場強(qiáng)度較高，筒表磁場強(qiáng)度一般在 3 500 GS 以上；二磨后精選用筒式磁選機(jī)一般以提高鐵精礦品位為主，因而需要其磁場強(qiáng)度較低，磁筒表面磁場強(qiáng)度一般為 1 500～2 000 GS。

某鐵礦二磨后精選用筒式磁選機(jī)磁場強(qiáng)度分布如圖2 所示。可見，磁筒表面平均磁場強(qiáng)度為 1 800 GS，距離筒表50 mm 處仍在 800 GS 以上。作為鐵礦精選用磁場，筒式磁選機(jī)的這種所謂的“弱磁場”對提精而言，磁場強(qiáng)度仍然較高，這種高磁場強(qiáng)度會形成難以打散的高強(qiáng)度磁團(tuán)聚體。另外，如果嘗試進(jìn)一步大幅降低筒式磁選機(jī)的磁場，也不存在實際操作的可能性，一方面，筒式磁選機(jī)的N-S極交替的磁路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更低的磁場難度較大；另一方面，雖然可以通過減小磁性材料用量來獲得更低磁場，但是這樣會使得磁選機(jī)遠(yuǎn)離筒表的槽體底部處的磁場強(qiáng)度更弱，造成該處磁性顆粒被水沖刷至尾礦口，引起精礦的損失。

圖2 永磁筒式磁選機(jī)的磁場分布Fig.2 Magnetic field distribution of drum permanent magnetic separator

旋流柱式精選機(jī)屬于低弱磁場，磁場強(qiáng)度要遠(yuǎn)低于永磁筒式磁選機(jī)。圖3 所示為激磁線圈中心平面不同位置磁場強(qiáng)度分布。精選作業(yè)時，線圈激磁電流一般為 4 A，此時線圈中心面平均磁場強(qiáng)度約 100 GS。這一數(shù)據(jù)僅為筒式精選機(jī)磁場強(qiáng)度的 5% 左右，且距離中心面越遠(yuǎn)，磁場強(qiáng)度越低。

圖3 電磁柱式精選機(jī)的磁場強(qiáng)度Fig.3 Magnetic field intensity of electromagnetic column separator

對比圖2 和圖3 可知，電磁柱式精選機(jī)的磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)低于筒式磁選機(jī)。磁場強(qiáng)度越大，磁團(tuán)聚的體積越大，磁團(tuán)聚的強(qiáng)度越大，其內(nèi)部越容易緊密包裹更多的脈石和貧連生體，并且更難剝離團(tuán)聚體內(nèi)部的夾雜，故而電磁柱式精選機(jī)的低弱磁場更有利于鐵礦石的提精。

2.2 間歇交變磁場

圖4 所示為永磁筒式磁選機(jī)和電磁柱式磁選機(jī)分選空間某一特定位置的磁場隨時間變化的對比情況。可見，永磁筒式磁選機(jī)的磁場是不隨時間變化的恒定磁場，而電磁柱式磁選機(jī)的磁場則為隨著時間變化而交替通斷的間歇交變磁場。

圖4 磁場方式對比Fig.4 Comparison of magnetic field modes

電磁柱式精選機(jī)通電方式中，由于存在下部線圈通電時刻滯后于其緊鄰的上部線圈的內(nèi)在邏輯，導(dǎo)致鐵礦顆粒運動方向向下。如圖5 所示，當(dāng)線圈通電時，磁性顆粒在磁場作用下逐漸團(tuán)聚，并在團(tuán)聚過程中向下運動；線圈斷電時，磁團(tuán)聚分散為顆?；蚋?xì)小的磁鏈，且在分散過程中，能比較充分地依靠水流的沖刷作用分離出更多的脈石和貧連生體。在電磁柱式精選機(jī)中，磁團(tuán)聚自上而下經(jīng)歷過多次“團(tuán)聚—分散”過程，精礦品位不斷提升，最終從下部精礦口排出。

圖5 電磁柱式精選機(jī)分選過程Fig.5 Separation process of electromagnetic column separator

電磁柱式精選機(jī)多次通斷磁場，克服了永磁筒式磁選機(jī)恒定磁場帶來的磁團(tuán)聚難打散、夾雜脈石和貧連生體不能充分剝離的問題，有利于鐵礦石的提鐵降硅。

2.3 相對均勻磁場

由文獻(xiàn) [15]可知，在僅受磁場力條件下，磁鏈在磁場中沿磁力線分布。如圖6 所示，均勻磁場中，沿磁力線分布的 2 條磁鏈之間的作用力為排斥力，故而磁場越均勻。磁鏈之間的排斥作用越明顯，磁鏈也就越分散，越不容易形成大體積磁團(tuán)聚。

圖6 均勻磁場磁鏈相互排斥示意Fig.6 Diagram of mutual repulsion of uniform magnetic flux linkages

在相同顏色范圍內(nèi)，筒式磁選機(jī)和旋流柱式精選機(jī)磁場云圖對比如圖7 所示?？梢姡彩酱胚x機(jī)分選空間磁場均勻性較差，尤其是在筒表附近磁場極度不均勻；相比而言，電磁柱式精選機(jī)磁場均勻性明顯較好，可抑制大體積磁團(tuán)聚體的形成。

圖7 磁場云圖對比Fig.7 Comparison of magnetic field contours

電磁柱式磁選機(jī)和永磁筒式磁選機(jī)的磁團(tuán)聚形態(tài)對比如圖8 所示?？梢?，筒式磁選機(jī)磁團(tuán)聚以粗大磁束為主，磁束全部密集地聚集在筒表附近，不同磁束之間在筒表面也彼此交互連接；相比而言，電磁柱式磁選機(jī)分選區(qū)磁團(tuán)聚以磁鏈為主，且磁鏈較短、較細(xì)，磁鏈與磁鏈之間保持一定的間隙，相對均勻地分布在整個分選空間。電磁柱式磁選機(jī)磁鏈細(xì)小及均布分散的特點，使其不容易夾雜脈石和貧連生體，有利于礦石提精。

圖8 磁團(tuán)聚形態(tài)對比Fig.8 Comparison of magnetic agglomeration morphology

3 工業(yè)應(yīng)用

遼寧某選廠鐵礦生產(chǎn)改造前的工藝流程如圖9 所示。該選廠現(xiàn)運行兩個系列完全一致的鐵礦生產(chǎn)流程，單個流程鐵精礦產(chǎn)量約 25 t/h；現(xiàn)有二磨后精選設(shè)備為筒式磁選機(jī)和淘洗磁選機(jī)，二者聯(lián)合作業(yè)，最終鐵精礦品位 65.5%。

圖9 改造前的選礦工藝流程Fig.9 Beneficiation process flow before transformation

為了進(jìn)一步提高鐵精礦品位，該選廠結(jié)合生產(chǎn)實際需求和前期的提精試驗結(jié)果，對現(xiàn)有精選工藝流程進(jìn)行改造。將雙系列二磨后篩下產(chǎn)品全部直接引入BGRIMMφ2 m 大型智能旋流電磁精選機(jī)進(jìn)行精選作業(yè)，電磁精選機(jī)的尾礦再經(jīng)過筒式磁選機(jī)進(jìn)行回收，回收精礦返回二段磨礦再磨。設(shè)備穩(wěn)定運行后，對電磁柱式精選機(jī)給礦、精礦及尾礦進(jìn)行了為期 10 d 的取樣考察，考察結(jié)果如表1 所列。

表1 給礦、精礦及尾礦取樣考察結(jié)果Tab.1 Sampling results of ore feeding,ore concentrate and ore tailing %

通過表1 可見，φ2 m 大型智能旋流電磁精選機(jī)提精效果較好，并且生產(chǎn)指標(biāo)穩(wěn)定；在平均給礦品位為 58.52% 的條件下，平均精礦品位達(dá)到 66.3%，比改造前的“淘洗—筒式—淘洗”4 次提精流程，精礦品位高 0.8 個百分點。雖然電磁柱式精選機(jī)尾礦品位高達(dá) 20.7%，但是這部分尾礦還經(jīng)過 5 500 GS 磁選機(jī)回收后返回再磨，重新進(jìn)入磁選流程，流程作業(yè)依然可獲得合格的尾礦品位。

4 結(jié)論

(1) 電磁柱式精選機(jī)磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)低于精選用永磁筒式磁選機(jī)，其分選區(qū)內(nèi)磁團(tuán)聚的結(jié)鏈強(qiáng)度低，磁團(tuán)聚更容易打散，包裹在磁團(tuán)聚中的脈石和貧連生體更容易被剝離；因此，電磁柱式精選機(jī)的低弱磁場，更有利于鐵礦石的提精。

(2) 電磁柱式精選機(jī)磁場是按照一定的邏輯順序循環(huán)交變的間歇磁場，當(dāng)線圈斷電時，磁團(tuán)聚存在充分分散的過程，夾雜在磁團(tuán)聚體中的脈石和貧連生體可充分地暴露和剝離；因此，電磁柱式精選機(jī)的間歇交變磁場，有利于鐵礦石的提鐵降硅。

(3) 電磁柱式精選機(jī)磁場具有相對均勻的特點，在磁場中磁團(tuán)聚呈細(xì)短磁鏈狀態(tài)，并保持一定的間隙，相對均勻地分散在整個分選空間；短小磁鏈中夾雜量較少，即使有少量夾雜，也比較容易打散并剝離；因此，電磁柱式精選機(jī)的相對均勻磁場，有利于鐵礦石的提質(zhì)降雜。

(4) 在遼寧某鐵礦工業(yè)應(yīng)用表明：一方面，大型智能旋流精選機(jī)可獲得 66.3% 的鐵精礦品位，比原流程精礦品位提高 0.8 個百分點；另一方面，大型智能旋流精選機(jī)取代了 2 個系列選鐵流程中的 1 號和 2 號淘洗磁選機(jī)、1 號和 2 號筒式磁選機(jī)，總計 16 臺磁選設(shè)備，簡化了鐵精礦磁選工藝流程，減少了設(shè)備的占地面積。