磁流體強(qiáng)化弱磁性礦物按磁化率高效分選及其機(jī)理

荊子航，茍雅思，杜力，王毓華，盧東方，鄭霞裕

(中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

礦產(chǎn)資源為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供必要的原料保障，其中赤鐵礦、鏡鐵礦、褐鐵礦、鈦鐵礦、錳礦等弱磁性礦產(chǎn)資源發(fā)揮著重要作用[1]。我國(guó)弱磁性礦產(chǎn)資源具有以下特點(diǎn)：1) 原礦品位低，鐵礦平均鐵品位低于30%，錳礦平均錳品位約20%，比世界平均品位低[2]；2) 礦石成分復(fù)雜，不同礦物之間關(guān)系緊密，較為典型的有白云鄂博稀土型鐵礦、攀枝花釩鈦磁鐵礦等[3]；3) 礦物嵌布粒度細(xì)，嵌布粒度不均勻，如鄂西鮞狀赤鐵礦即使細(xì)磨也難以有效解離[4]。由于資源稟賦差，加工利用流程復(fù)雜，成本高，與進(jìn)口礦相比沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，因此，我國(guó)弱磁性礦物利用率低，對(duì)外依存度居高不下。

高梯度磁選是一種綠色經(jīng)濟(jì)的回收弱磁性礦物手段，而常規(guī)高梯度磁選由于選擇性較低，多用于弱磁性礦物的粗選，得到粗精礦后再采用離心(重選)、浮選或磁化焙燒等方法進(jìn)行精選，形成高梯度磁選-重選[5]、高梯度磁選-浮選[6]或高梯度磁選-磁化焙燒[7]等聯(lián)合分選工藝。聯(lián)合分選工藝雖實(shí)現(xiàn)了部分難選弱磁性礦物的回收利用，但也存在流程復(fù)雜及成本高等缺陷，且高梯度磁選仍是其中不可或缺的重要工序，提高高梯度磁選的選擇性對(duì)于簡(jiǎn)化分選流程、降低分選成本或?qū)崿F(xiàn)弱磁性礦物全磁分選流程至關(guān)重要。

脈動(dòng)流的引入使得非磁性顆粒的機(jī)械夾雜得到了有效消除，脈動(dòng)高梯度磁選開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用于弱磁性礦物的粗選中[8]，主要原因是大多數(shù)弱磁性礦石除有用磁性礦物外，還含有一定量的磁性脈石礦物，如攀西鈦鐵礦中的鈦輝石[9]、鏡鐵山式鐵礦中的白云石和碧玉[10]以及湖南祁東鐵礦中的綠泥石[11]等。在弱磁性礦物高梯度磁選中，磁化率小、粒度大的弱磁性脈石顆粒和磁化率大、粒度小的有用磁性顆粒因受到相同大小的磁力產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)捕集作用，結(jié)果就是二者同時(shí)在高磁場(chǎng)力下被捕獲進(jìn)入精礦或是在低磁場(chǎng)力下流失進(jìn)入尾礦中，宏觀上表現(xiàn)為難以兼顧品位和回收率。解決弱磁性礦物分選中磁性脈石礦物的競(jìng)爭(zhēng)捕集問(wèn)題是提高高梯度磁選選擇性和實(shí)現(xiàn)弱磁性礦物高效利用的關(guān)鍵。

受磁流體靜力分選和磁懸浮分離[12-13]相關(guān)原理啟發(fā)，本文提出一種新的高梯度磁選方法—磁流體耦合高梯度磁選[14]，該方法將順磁性離子型磁流體引入到高梯度磁選系統(tǒng)中，利用磁流體對(duì)處于其中顆粒產(chǎn)生的磁排斥力來(lái)擴(kuò)大有用磁性礦物顆粒和磁性脈石礦物顆粒的受力差異，削弱進(jìn)而消除二者之間的競(jìng)爭(zhēng)捕集作用，顯著提高高梯度磁選的選擇性，實(shí)現(xiàn)弱磁性礦物按磁化率精細(xì)分離，突破傳統(tǒng)高梯度磁選按磁力分離的壁壘，解決弱磁性礦物分選難以兼顧品位和回收率的問(wèn)題。為驗(yàn)證該方法的分選效果，選取攀西鈦鐵礦(鈦鐵礦和鈦輝石的典型競(jìng)爭(zhēng)捕集體系)開(kāi)展了磁流體耦合高梯度磁選試驗(yàn)，并對(duì)相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究和分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料選用攀西密地釩鈦磁鐵礦選鐵尾礦，其XRD圖譜和粒度組成分別如圖1和表1所示，有用礦物為鈦鐵礦，脈石礦物有鈦輝石、長(zhǎng)石、綠泥石，各粒級(jí)TiO2平均品位為9.34%。該物料中回收鈦鐵礦的主要難點(diǎn)是鈦鐵礦和鈦輝石的分離，原因是二者都屬于弱磁性礦物且磁化率相差不大[15]，如表2所示。工業(yè)上一般采用兩段高梯度磁選先得到TiO2品位為20%左右的粗精礦，然后再采用多段浮選得到TiO2品位為47%左右的鈦精礦[16]，流程復(fù)雜，且由于細(xì)粒級(jí)礦物會(huì)惡化浮選環(huán)境，<20 μm 粒級(jí)的鈦鐵礦未進(jìn)行回收，整體TiO2回收率很低。該物料中鈦鐵礦和鈦輝石在高梯度磁選中會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的競(jìng)爭(zhēng)捕集現(xiàn)象，是研究高梯度磁選中有用磁性礦物顆粒和磁性脈石礦物顆粒競(jìng)爭(zhēng)捕集的理想試驗(yàn)原料。

表1 試驗(yàn)原料粒度分析Table 1 Particle size analyses of test sample

表2 鈦鐵礦和鈦輝石的磁化率Table 2 Susceptibility of ilmenite and titanaugite

圖1 試驗(yàn)原料XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of experimental sample

1.2 試驗(yàn)試劑

磁流體耦合高梯度磁選是將順磁性磁流體(順磁性溶液)代替水作為物料的分散介質(zhì)，順磁性溶液主要是鐵、錳、鎳等金屬的氯化鹽、硫酸鹽等。由于錳鹽溶液無(wú)毒，易配制，磁化系數(shù)高且來(lái)源廣泛[17]，本研究選用不同MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0、10%、20%、30%和40%)的MnCl2溶液(飽和質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為43%)作為弱磁性礦物的分散介質(zhì)，開(kāi)展磁流體耦合高梯度磁選試驗(yàn)。圖2所示為采用磁力天平測(cè)得的MnCl2溶液的體積磁化率，隨著MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，磁化率呈線(xiàn)性增大。

圖2 MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)與磁化率的關(guān)系Fig. 2 Relationship between mass fraction of MnCl2 solution and susceptibility

1.3 試驗(yàn)設(shè)備和方法

試驗(yàn)所用設(shè)備為自制垂直與水平磁系高梯度磁選機(jī)[18]，主要由線(xiàn)圈、磁軛及支撐機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，兩個(gè)磁極(直徑120 mm)間距80 mm，磁極之間的區(qū)域?yàn)榇艌?chǎng)區(qū)和物料分選區(qū)。線(xiàn)圈鐵芯軸線(xiàn)有1個(gè)直徑30 mm的孔，采用亞克力板制作的方形空心管(內(nèi)部邊長(zhǎng)20 mm)自上而下穿過(guò)鐵芯孔作為礦漿通道。磁介質(zhì)盒固定于磁場(chǎng)區(qū)的方形空心管中間，介質(zhì)盒內(nèi)安裝磁介質(zhì)用于捕集弱磁性礦物，方形空心管頂端安裝漏斗便于給礦，并通過(guò)軟管與物料攪拌槽連接，軟管上安裝蠕動(dòng)泵用于控制給料流速。亞克力管底部安裝了脈動(dòng)系統(tǒng)，脈動(dòng)裝置使脈動(dòng)腔的鼓膜往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)分選區(qū)的流體上下脈動(dòng)，整體設(shè)備連接如圖4所示。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Structure of experimental equipment

圖4 試驗(yàn)設(shè)備連接示意圖Fig. 4 Schematic diagram of experimental device connection

試驗(yàn)原料磨至粒徑<0.074 mm 的顆粒占88%，每組試驗(yàn)用量為25 g。試驗(yàn)主要過(guò)程如下：將5根磁介質(zhì)安裝在介質(zhì)盒上，開(kāi)啟蠕動(dòng)泵以流速0.06 m/s 向空心管中加水，液面接近給料漏斗下部時(shí)調(diào)節(jié)尾礦管閥門(mén)，讓液位停留在給料漏斗錐角處保持穩(wěn)定，此時(shí)蠕動(dòng)泵給礦流速和尾部閥門(mén)流出流速達(dá)到平衡狀態(tài)，在此平衡狀態(tài)下開(kāi)展磁流體耦合高梯度磁選試驗(yàn)。給料前，配制500 mL 一定濃度的MnCl2溶液，關(guān)閉底部鋼夾，將MnCl2溶液通過(guò)給料漏斗給入系統(tǒng)中，讓液位沒(méi)過(guò)磁介質(zhì)絲到達(dá)漏斗錐角處。剩余量的溶液與鈦鐵礦混合調(diào)漿后一起加入攪拌槽中，調(diào)節(jié)電流使分選空間磁場(chǎng)達(dá)到一定場(chǎng)強(qiáng)后開(kāi)啟蠕動(dòng)泵給入礦漿，同時(shí)去掉鋼夾以打開(kāi)尾礦口，攪拌槽中礦漿均勻給入到高梯度磁選系統(tǒng)中，磁介質(zhì)開(kāi)始捕集礦漿中的弱磁性礦物。給礦結(jié)束后，取出磁介質(zhì)將磁性顆粒累積物沖洗下來(lái)。對(duì)每組磁性產(chǎn)物進(jìn)行2次稀釋沖洗去除殘留的MnCl2，而后進(jìn)行稱(chēng)質(zhì)量和化驗(yàn)分析，考察不同條件下磁性產(chǎn)物中TiO2的品位和捕集量，每組試驗(yàn)重復(fù)2 次并選取平均值為最終結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 MnCl2溶液濃度的影響

磁流體的磁化率是最重要的參數(shù)，而順磁性溶液的磁化率取決于溶液中金屬離子濃度，故首先研究MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鈦鐵礦分選效果的影響，設(shè)置背景磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.5 T，脈動(dòng)頻率為2 r/s，磁流體中MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0(常規(guī)高梯度磁選)、10%、20%、30%和40%，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)高梯度磁選效果的影響Fig. 5 Effect of MnCl2 mass fraction on high gradient magnetic separation

由圖5可知，隨著MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，磁性產(chǎn)物TiO2品位顯著上升，TiO2捕集量基本趨于穩(wěn)定或略微下降。當(dāng)MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí)，磁性產(chǎn)物中TiO2品位約為20%，與工業(yè)上采用立環(huán)脈動(dòng)高梯度磁選機(jī)分選獲得的磁性產(chǎn)物品位非常接近[16]，表明了本試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性和試驗(yàn)結(jié)果的正確性。當(dāng)MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、20%、30%和40% 時(shí)，磁性產(chǎn)物中TiO2品位分別為21.7%、24.32%、26.83%和30.93%，均高于常規(guī)高梯度磁選獲得的TiO2品位，表明磁流體耦合高梯度磁選能夠在保證回收率基本不變的前提下，顯著提高弱磁性礦物分選的選擇性。通過(guò)調(diào)節(jié)磁流體的磁化率，能夠調(diào)控弱磁性礦物在高梯度磁選中有用磁性礦物和磁性脈石礦物的競(jìng)爭(zhēng)捕集行為，提高分選效率。

2.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響

磁場(chǎng)強(qiáng)度是高梯度磁選的另一個(gè)重要參數(shù)。常規(guī)高梯度磁選中，提高磁場(chǎng)強(qiáng)度雖然可以提高磁性礦物的回收率，但磁性脈石礦物受到的磁力也會(huì)增大而被大量捕集，導(dǎo)致精礦品位下降。為探究磁流體耦合高梯度磁選中磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)弱磁性礦物分選效果的影響，開(kāi)展磁場(chǎng)強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)TiO2品位和捕集量的影響Fig. 6 Effect of magnetic induction on TiO2 grade and captured mass

從圖6 可見(jiàn)：當(dāng)MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 時(shí)，隨著背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，TiO2品位下降，TiO2捕集量上升。而MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～40%時(shí)，隨著背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，磁性產(chǎn)物中TiO2品位和捕集量同時(shí)增大，這與常規(guī)高梯度磁選不同，即磁流體耦合高梯度磁選能夠?qū)崿F(xiàn)品位和回收率的同步增大，在弱磁性礦物分選中較常規(guī)高梯度磁選表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。

另外，在相同磁感應(yīng)強(qiáng)度下，TiO2品位隨著MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，而TiO2捕集量的變化相對(duì)復(fù)雜。隨著MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，TiO2捕集量先增大后減小，當(dāng)MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，在較大的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)TiO2捕集量都是最大的，而MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，磁性產(chǎn)物中TiO2的捕集量都是最小的，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.6 T時(shí)的捕集量接近常規(guī)高梯度磁選。綜上可知，適宜的MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%。因此，提高磁流體磁化率能夠顯著提高分選過(guò)程的選擇性，但磁化率也并非是越高越好，磁化率過(guò)高雖然能夠得到高品位的精礦產(chǎn)品，但是磁性礦物捕集量(回收率)也會(huì)急劇下降，需要大幅提高磁感應(yīng)強(qiáng)度以獲得較高回收率，存在一個(gè)適宜的磁化率范圍，使得弱磁性礦物的分選效果最佳。

2.3 磁介質(zhì)形狀的影響

磁介質(zhì)形狀影響其磁場(chǎng)特性，進(jìn)而影響弱磁性礦物的分選效果。橢圓截面介質(zhì)具有較好的磁場(chǎng)特性，且存在達(dá)到最大顆粒捕集效率的最佳介質(zhì)形狀系數(shù)[19-20]。為研究磁流體耦合高梯度磁選對(duì)磁介質(zhì)類(lèi)型的適應(yīng)性，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.6 T 下，研究磁流體耦合高梯度磁選體系中橢圓截面介質(zhì)長(zhǎng)短軸之比對(duì)弱磁性礦物分選效果的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7 介質(zhì)長(zhǎng)短軸之比對(duì)鈦鐵礦磁流體耦合高梯度磁選的影響Fig. 7 Effect of matrix aspect ratio on separation of ilmenite with high gradient magnetic separation coupling with magnetic fluid (HGMSCMF)

由圖7可知，隨著橢圓截面介質(zhì)長(zhǎng)短軸之比增加，磁性產(chǎn)物中TiO2品位和捕集量呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，長(zhǎng)短軸之比為2:1時(shí)，不論是水介質(zhì)體系還是磁流體耦合高梯度磁選體系得到的磁性產(chǎn)物中TiO2品位和捕集量均達(dá)到最大值，驗(yàn)證了獲得最大顆粒捕集效率的橢圓截面介質(zhì)形狀系數(shù)與背景磁感應(yīng)強(qiáng)度匹配關(guān)系的正確性[19-20]。對(duì)于所有考慮的介質(zhì)長(zhǎng)短軸之比，磁性產(chǎn)物中TiO2品位和捕集量的變化規(guī)律基本一致，即隨MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，TiO2品位顯著增大，捕集量先增大后減小，表明磁流體耦合高梯度磁選對(duì)磁介質(zhì)形狀的適應(yīng)性，可應(yīng)用多種類(lèi)型的磁介質(zhì)。

2.4 脈動(dòng)頻率的影響

脈動(dòng)流驅(qū)動(dòng)礦漿作垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化礦物顆粒松散，能夠有效減少非磁性礦物的機(jī)械夾雜，提高弱磁性礦物高梯度磁選的選擇性，但是對(duì)消除磁性脈石礦物競(jìng)爭(zhēng)捕集的作用較為有限。在磁流體耦合高梯度磁選中，磁性脈石礦物和有用磁性礦物的受力因磁流體的引入發(fā)生了較大變化，因此脈動(dòng)流對(duì)磁性脈石礦物競(jìng)爭(zhēng)捕集作用的影響也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。在磁感應(yīng)強(qiáng)度0.6 T、介質(zhì)長(zhǎng)短軸之比2:1的條件下，研究脈動(dòng)頻率對(duì)磁流體耦合高梯度磁選的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8?？梢?jiàn)：隨著脈動(dòng)頻率增大，對(duì)于常規(guī)高梯度磁選和磁流體耦合高梯度磁選，磁性產(chǎn)物中TiO2品位都增大，但捕集量降低。當(dāng)脈動(dòng)頻率為4 r/s 和5 r/s 時(shí)，經(jīng)一次磁流體耦合高梯度磁選，磁性產(chǎn)物TiO2品位分別達(dá)到34.80%和39.70%，已較為接近工業(yè)生產(chǎn)上的TiO2品位[16]。雖然在高脈動(dòng)頻率下，磁性產(chǎn)物捕集量下降，但是從前面磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響結(jié)果中可以看出，這種下降可以通過(guò)增大磁場(chǎng)力來(lái)進(jìn)行提高，同時(shí)不影響分選過(guò)程的選擇性，磁流體耦合高梯度磁選在弱磁性礦物的分選中表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

圖8 脈動(dòng)頻率對(duì)鈦鐵礦磁流體耦合高梯度磁選的影響Fig. 8 Effect of pulsating frequency on separation of ilmenite with high gradient magnetic separation coupling with magnetic fluid (HGMSCMF)

3 磁流體強(qiáng)化弱磁性礦物按磁化率分選機(jī)理

引入磁流體能夠突破傳統(tǒng)高梯度磁選難以兼顧品位和回收率的技術(shù)瓶頸，其主要原因是擴(kuò)大了有用磁性礦物和磁性脈石礦物的受力差異。現(xiàn)結(jié)合常規(guī)高梯度磁選和磁流體耦合高梯度磁選中不同性質(zhì)顆粒的受力情況，分析磁流體強(qiáng)化弱磁性礦物按磁化率分選的機(jī)理。

圖9所示為常規(guī)高梯度磁選和磁流體耦合高梯度磁選中不同性質(zhì)顆粒的受力示意圖。因礦漿做垂直往復(fù)脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)，流體黏性力方向是變化的，故圖中未標(biāo)出，以下分析均以磁場(chǎng)梯度方向?yàn)檎?，磁力方向與磁場(chǎng)梯度方向一致。

圖9 常規(guī)高梯度磁選和磁流體耦合高梯度磁選中顆粒受力情況Fig. 9 Forces acting on particles in conventional HGMS and HGMSCMF

常規(guī)高梯度磁選中，在磁介質(zhì)上游，磁場(chǎng)梯度向下，非磁性顆粒(密度ρ1，體積V1)受到向下的重力Fg1和向上水(密度ρ0)的浮力Ff1分別為：

所受合力：

對(duì)于磁性顆粒(密度ρ2，體積V2，磁化率kp)，磁場(chǎng)梯度向下，受到向下的重力Fg2、向上水的浮力Ff2和向下的磁力Fm分別為：

顆粒的重力和磁力方向一致，磁性顆粒所受合力為：

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；HgradH為磁場(chǎng)力。

在磁介質(zhì)下游，非磁性顆粒所受合力只是方向不同，大小不變，如式(8)所示。

對(duì)于磁性顆粒，磁場(chǎng)梯度向上，受到向下的重力Fg2，向上水的浮力Ff2和向上的磁力Fm分別為：

所受合力為：

由式(6)可知，磁化率小、粒度大的磁性脈石顆粒(磁化率kp1，體積V1)和磁化率大、粒度小的有用磁性礦物顆粒(磁化率kp2，體積V2)會(huì)受到相同大小的磁力而產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)捕集作用，在低磁場(chǎng)力下都不被捕集進(jìn)入尾礦導(dǎo)致回收率降低，而在高磁場(chǎng)力下同時(shí)被捕集進(jìn)入精礦導(dǎo)致精礦品位降低，宏觀上表現(xiàn)為難以兼顧品位和回收率。

磁流體耦合高梯度磁選中，物料分散介質(zhì)由水變?yōu)轫槾判源帕黧w(密度ρm，磁化率km)，與磁流體靜力分選相似，磁流體對(duì)其中的顆粒產(chǎn)生一個(gè)與磁場(chǎng)梯度方向始終相反的磁排斥力Ffm(類(lèi)似磁流體靜力分選中的磁浮力)作用：

對(duì)于非磁性顆粒，在磁介質(zhì)上游，磁場(chǎng)梯度向下，磁排斥力方向向上，所受合力為：

在磁介質(zhì)下游，磁場(chǎng)梯度向上，磁排斥力方向向下，所受合力為：

對(duì)于磁性顆粒，在磁介質(zhì)上游，磁場(chǎng)梯度向下，磁排斥力方向向上，所受合力為：

在磁介質(zhì)下游，磁場(chǎng)梯度向上，磁排斥力方向向下，所受合力為：

根據(jù)以上受力分析可知，無(wú)論是磁介質(zhì)上游還是下游，顆粒所受磁排斥力方向始終與磁力方向(磁場(chǎng)梯度方向)相反。與常規(guī)高梯度磁選相比，磁流體耦合高梯度磁選引入了一個(gè)新的與磁力方向始終相反的競(jìng)爭(zhēng)力，且該競(jìng)爭(zhēng)力可以通過(guò)調(diào)節(jié)磁流體磁化率來(lái)改變。

由式(14)和(15)可知，非磁性顆粒始終會(huì)受到一個(gè)與磁場(chǎng)梯度方向相反的磁排斥作用，使其脫離磁性顆粒捕集區(qū)，且這種作用隨著磁流體的磁化率和磁場(chǎng)力的增大而增強(qiáng)，因此，采用高磁化率的磁流體和高磁場(chǎng)力也有利于減少非磁性顆粒的機(jī)械夾雜。

由式(16)和(17)可知，引入磁流體主要影響顆粒所受磁力，通過(guò)調(diào)節(jié)磁流體磁化率km可以調(diào)控有用磁性顆粒與磁性脈石顆粒所受磁力的相對(duì)大小。假設(shè)磁性脈石顆粒P1 磁化率kp1=a，體積Vp1=4b，有用磁性顆粒P2 磁化率kp2=4a，體積Vp2=b，采用比磁力f來(lái)表征磁流體耦合高梯度磁選中磁性脈石顆粒和有用磁性顆粒所受磁力的相對(duì)大?。?/p>

由式(18)可以得到比磁力f隨磁流體磁化率km變化關(guān)系圖，如圖10所示。

圖10 比磁力f與磁流體磁化率km的關(guān)系Fig.10 Relationship between specific magnetic force f and magnetic fluid susceptibility Km

可根據(jù)顆粒受力情況將整個(gè)區(qū)域按照磁流體磁化率分為3 個(gè)部分，如圖10 中紅色虛線(xiàn)所示。當(dāng)km4a時(shí)，磁性脈石顆粒和有用磁性礦物顆粒都受到磁排斥作用，且二者的比磁力f趨近于0。綜合來(lái)看，當(dāng)有用磁性礦物顆粒和磁性脈石顆粒的比磁力f越大時(shí)，越有利于克服二者之間的競(jìng)爭(zhēng)捕集作用并促進(jìn)有用礦物顆粒的捕集，即最佳的磁流體磁化率應(yīng)接近待分選物料中磁化率較低的礦物的磁化率，如圖10 中的綠色虛線(xiàn)框所示，在本文中為磁性脈石礦物(鈦輝石)的磁化率。當(dāng)有用礦物磁化率低于脈石礦物磁化率時(shí)，適宜的磁流體磁化率應(yīng)接近有用礦物磁化率，此時(shí)非磁性產(chǎn)物為有用礦物。磁化率過(guò)低，克服競(jìng)爭(zhēng)捕集的作用有限，磁化率過(guò)高，有用磁性礦物和磁性脈石礦物都難以被捕集，分選效果都差。

此外，由式(18)可以看出，有用礦物和脈石礦物的比磁力只與礦物和磁流體的磁化率有關(guān)，與磁場(chǎng)力無(wú)關(guān)，即通過(guò)調(diào)節(jié)磁流體磁化率來(lái)提高選擇性(品位)和通過(guò)提高磁場(chǎng)力來(lái)提高捕集效率(回收率)是相互獨(dú)立的，能夠?qū)崿F(xiàn)二者的雙向同步強(qiáng)化。這與在高梯度磁選中引入其他機(jī)械力不同，通過(guò)引入或強(qiáng)化其他機(jī)械力(如重力、離心力等)能夠在一定程度上提高選擇性，但是有用磁性礦物的捕集效率會(huì)下降；增大場(chǎng)強(qiáng)可以提高回收率，但會(huì)弱化機(jī)械力提高選擇性的作用，無(wú)法兼顧品位和回收率。而磁流體耦合高梯度磁選能夠?qū)崿F(xiàn)提高品位和回收率的雙向強(qiáng)化，是相比于其他高梯度磁選方法的最大不同和優(yōu)勢(shì)之處。

從表2 可知：鈦輝石和鈦鐵礦磁化率范圍分別為286.9×10-6～483×10-6和880×10-6～5 000×10-6。MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、20%、30%和40%的溶液的磁化率分別為185.34×10-6、348.2×10-6、565.34×10-6、835.12×10-6。可見(jiàn)，MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和20%時(shí)，MnCl2溶液磁化率小于鈦輝石磁化率，促進(jìn)二者競(jìng)爭(zhēng)捕集的作用有限，磁性產(chǎn)物TiO2品位提升幅度不大。MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，MnCl2溶液磁化率最接近鈦輝石磁化率，能夠有效消除鈦輝石顆粒的競(jìng)爭(zhēng)捕集作用，同時(shí)促進(jìn)鈦鐵礦顆粒的捕集，獲得的磁性產(chǎn)物中TiO2品位和回收率都處于較高水平。而MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，MnCl2溶液磁化率過(guò)大，雖然磁性產(chǎn)物中TiO2品位更高，但是TiO2捕集量明顯下降，提高捕集量需要大幅增大背景場(chǎng)強(qiáng)，但同時(shí)會(huì)造成能耗大幅增加。因此，鈦鐵礦和鈦輝石分離較為適宜的MnCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該控制在30%左右，接近鈦輝石磁化率，與以上理論分析的結(jié)果相一致。另外，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的提高，磁性產(chǎn)物中TiO2品位和回收率能夠同步提高，這也與以上理論分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)。由于磁流體產(chǎn)生的磁排斥力(競(jìng)爭(zhēng)力)方向始終與磁場(chǎng)梯度方向相反，與磁介質(zhì)的形狀和大小無(wú)關(guān)，此方法能夠適用于多種類(lèi)型的磁介質(zhì)和各種結(jié)構(gòu)的高梯度磁選機(jī)，在復(fù)雜弱磁性礦物的分選中有巨大應(yīng)用前景。因篇幅有限，本文提出磁流體耦合高梯度磁選并對(duì)其強(qiáng)化弱磁性礦物分選的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行闡述，后續(xù)將開(kāi)展更加系統(tǒng)詳細(xì)的弱磁性礦物磁流體耦合高梯度磁選流程試驗(yàn)和更深層次的理論研究。

4 結(jié)論

1) 磁流體耦合高梯度磁選中引入磁排斥力，通過(guò)調(diào)節(jié)磁流體磁化率擴(kuò)大脈石磁性顆粒與有用磁性顆粒的受力差異，能夠減少進(jìn)而消除二者之間的競(jìng)爭(zhēng)捕集，大幅提高選擇性。

2) 磁流體產(chǎn)生的磁排斥力始終與磁場(chǎng)梯度方向和磁力方向相反，磁流體耦合高梯度磁選能夠適用于多種類(lèi)型的磁介質(zhì)或高梯度磁選機(jī)。

3) 當(dāng)磁流體磁化率接近待分選物料中磁化率較小的物料的磁化率時(shí)，有用磁性顆粒和磁性脈石顆粒的受力差異達(dá)到最大。

4) 磁流體耦合高梯度磁選能夠?qū)崿F(xiàn)提高品位和回收率的雙向同步強(qiáng)化，突破傳統(tǒng)高梯度磁選無(wú)法兼顧品位和回收率的技術(shù)瓶頸，在復(fù)雜弱磁性礦物分選中具有廣闊應(yīng)用前景。