郭小飛 于笑龍 鄭麗娟

(1.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山114051;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽110819)

傳統(tǒng)的濕式弱磁選機(jī)分選效率不高，其不可避免的磁性夾雜和機(jī)械夾雜現(xiàn)象造成部分磁鐵礦與脈石礦物的連生體既有可能進(jìn)入精礦影響精礦品位，又有可能進(jìn)入尾礦導(dǎo)致鐵損失增大。此外，夾雜還會(huì)引起再磨再選時(shí)作業(yè)負(fù)荷的增加以及已單體解離礦物的過磨［1-3］。針對這些問題，作者研制了一種能夠?qū)误w磁鐵礦、單體脈石礦物以及連生體同時(shí)加以分離的三產(chǎn)品永磁立式精選機(jī)，并通過試驗(yàn)證明了該精選機(jī)具有較好的分選效果。

1 三產(chǎn)品永磁立式精選機(jī)的研制

1.1 設(shè)備主要組成及工作原理

三產(chǎn)品永磁立式精選機(jī)是利用磁力、離心力、機(jī)械打散力以及上升水流動(dòng)力的作用，使強(qiáng)磁性礦物、連生體和脈石礦物在復(fù)合力場中的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變，從而達(dá)到精選的目的［4-5］。該機(jī)主要由上部給礦系統(tǒng)，直徑為600 mm 的立式外筒，直徑為500 mm 的立式弱磁內(nèi)筒(筒固定，磁系旋轉(zhuǎn))，立于內(nèi)外筒之間、篩面垂直于圓筒表面的磁團(tuán)聚打散格篩(12 片，沿圓筒周向等間隔布置)，位于外筒上部的溢流槽，位于外筒下部的反沖洗水管、中礦排放口、精礦排放口，機(jī)架，傳動(dòng)與控制系統(tǒng)等組成，其分選過程如圖1 所示。

圖1 分選過程示意Fig.1 Schematic diagram of separation process

一定濃度的物料經(jīng)給料系統(tǒng)均勻給到內(nèi)外筒之間的分選區(qū)，在旋轉(zhuǎn)磁系的作用下，物料將進(jìn)行離心圓周運(yùn)動(dòng)，磁性夾雜和機(jī)械夾雜的聚團(tuán)在撞擊格篩時(shí)被打散，密度較大、磁性較強(qiáng)的磁鐵礦單體顆粒在磁力和重力的作用下朝磁系方向運(yùn)動(dòng)并逐漸進(jìn)入精礦槽，密度較小、磁性較弱的連生體在離心力和重力的作用下背離磁系方向運(yùn)動(dòng)并逐漸進(jìn)入中礦槽，密度最小的非磁性脈石顆粒在反沖洗水的作用下進(jìn)入溢流槽成為尾礦。

磁選過程中造成磁團(tuán)聚現(xiàn)象的根源是磁性顆粒之間的磁鏈力，在磁性顆粒相互接觸時(shí)會(huì)無選擇性地出現(xiàn)，屬于近距離作用力。決定選別過程選擇性的是磁場力，它在比較大的范圍內(nèi)起作用，主要影響磁性礦物與非磁性礦物的分離效果。旋轉(zhuǎn)磁場可使磁性顆粒作離心運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的速度與礦石的粒度及磁聚團(tuán)的尺寸有關(guān)。

1.2 磁系結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，永磁立式精選機(jī)采用開放型曲面磁系，N、S 極沿圓周方向交替排列，兩組磁系對稱布置，磁系包角均為90°，磁性材料選用型號為Y30BH 的鐵氧體。磁場測試結(jié)果表明:磁場強(qiáng)度在分選區(qū)間內(nèi)沿背離圓筒方向逐漸降低，沿圓周方向的變化不大。距離磁系表面20 mm 處，最高磁場強(qiáng)度為43.5 kA/m;距離磁系表面40 mm 處，最高磁場強(qiáng)度為30 kA/m;距離磁系表面60 mm 處(分選區(qū)域最外側(cè))，最高磁場強(qiáng)度為16 kA/m。

圖2 磁系結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of magnetic system

永磁磁系主要是為強(qiáng)磁性礦石顆粒的分選提供磁力，而磁系的旋轉(zhuǎn)為礦石顆粒在分選區(qū)內(nèi)的離心運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。旋轉(zhuǎn)速度越快，礦石所受的離心力越大，磁翻滾次數(shù)越多，磁聚團(tuán)被格篩打散的機(jī)率越大，脈石或貧連生體被上升水流帶入溢流槽的機(jī)率也越大，但旋轉(zhuǎn)速度過快也容易導(dǎo)致精礦的回收率下降。

1.3 格篩在分選過程中的作用

磁鐵礦的物理性質(zhì)和弱磁選機(jī)的設(shè)備特性導(dǎo)致磨礦和弱磁選過程中會(huì)產(chǎn)生大量的磁聚團(tuán)，現(xiàn)有技術(shù)中主要采用電磁振蕩磁路和反沖洗水解決該問題。三產(chǎn)品永磁立式精選機(jī)一方面憑借旋轉(zhuǎn)磁場引起的離心力促進(jìn)磁聚團(tuán)的破碎;另一方面通過設(shè)置格篩使磁聚團(tuán)在運(yùn)動(dòng)過程中受到機(jī)械沖擊的作用，從而破壞聚團(tuán)的形成條件，最終導(dǎo)致聚團(tuán)破碎，而礦石顆粒所受磁場力的選擇性要比磁鏈作用力的高，因此僅能選擇性地使單體解離的磁鐵礦和富連生體通過格篩(如圖3 所示)，脈石顆粒和貧連生體由于僅受離心力和上升水流動(dòng)力的作用則不易通過。同時(shí)，磁鐵礦單體顆粒和連生體在徑向所受離心力和磁場力的不同，導(dǎo)致它們沿徑向分離，而品位較低的貧連生體和脈石礦物所受上升水流動(dòng)力的影響更大，沿軸向與磁鐵礦顆粒和富連生體發(fā)生分離。

圖3 格篩作用示意Fig.3 Schematic diagram of the role of grizzly

格篩在精選機(jī)內(nèi)的排布、篩孔的形狀及尺寸對磁聚團(tuán)的分散效果具有直接影響。盡管磁聚團(tuán)在旋轉(zhuǎn)磁場和格篩的作用下遭受破壞，但并非以單個(gè)礦粒的形式出現(xiàn)，而是將原來的大聚團(tuán)破壞成小聚團(tuán)。聚團(tuán)在運(yùn)動(dòng)中相互排斥、吸引、碰撞、沖擊，在破壞后又重新組合，不斷更新，拋棄弱磁性雜質(zhì)，最大程度提高精礦品位。

1.4 礦石顆粒在分選區(qū)的受力分析

在三產(chǎn)品永磁立式精選機(jī)的分選區(qū)內(nèi)，非磁性顆粒主要受到有效重力(重力與浮力之差)、上升水流動(dòng)力、離心力、水流阻力以及顆粒間摩擦力等的作用，而磁性顆粒除受到上述各種力的作用外，還受到磁力及顆粒間相互作用力的作用［6-8］。設(shè)弱磁圓筒的分選半徑為R、磁系表面旋轉(zhuǎn)線速度為v，在慣性系(以地面為參考)中，忽略顆粒之間的相互作用力，主要考慮礦石顆粒所受到的有效重力G'、上升水流動(dòng)力F水、磁力F磁以及離心力F離，受力分析如圖4 所示。

圖4 礦石顆粒在分選區(qū)內(nèi)的受力分析Fig.4 Force diagram of particles in separating area

礦石顆粒在分選區(qū)所受磁力為

F磁= μ0κVHgradH.

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率，4π×10－7H/m;κ 為顆粒的體積磁化率;V 為顆粒的體積，m3;H 為磁場強(qiáng)度，A/m;HgragH 為磁場力，A2/m3。

假設(shè)分選區(qū)內(nèi)的礦石顆粒隨內(nèi)筒的旋轉(zhuǎn)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則其所受離心力為

式中，m 為顆粒的質(zhì)量，kg;r 為顆粒到內(nèi)筒中心的距離，m;ρ礦為顆粒的密度，kg/m3;d 為顆粒的直徑，m;l為顆粒與弱磁圓筒筒皮的距離，m。

礦石顆粒在分選區(qū)受到的有效重力為

式中，ρ水為水的密度，kg/m3;g 為重力加速度，9.8 m/s2。

礦石顆粒在分選區(qū)受到的上升水流動(dòng)力為

式中，k 為與顆?；蚓蹐F(tuán)和水流流態(tài)有關(guān)的系數(shù);λ為礦漿的體積濃度，%;U 為顆?；蚓蹐F(tuán)的沉降速度，m/s;Ua為上升水流的流速，m/s。

礦石顆粒在分選區(qū)內(nèi)由于受力的不同而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)軌跡不同，這是三產(chǎn)品永磁立式精選機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)礦物分離的核心因素。

在分選區(qū)間內(nèi)，礦石顆粒在徑向主要受到磁力和離心力的作用，其合力為

式中，χ 為顆粒的比磁化率，χ = κ/ρ礦，m3/kg。

當(dāng)?shù)V石顆粒位于分選區(qū)內(nèi)的某個(gè)位置時(shí)，所受離心力一定，故顆粒的比磁化率越大越容易被磁場吸附，即磁鐵礦顆粒最易被吸附，連生體顆粒次之，脈石顆粒最難。

礦石顆粒在軸向主要受到有效重力和上升水流動(dòng)力的作用，顆?；蚓蹐F(tuán)在分選空間運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程可寫成(受力方向以向下為正，向上為負(fù))

受力平衡時(shí)，dU/dt=0，整理得到顆粒的沉降速度為

在礦石顆粒體積相近時(shí)，磁鐵礦顆粒的沉降速度最大，連生體顆粒的沉降速度次之，脈石顆粒的沉降速度最小，因此可以通過控制上升水的流速，使脈石和貧連生體顆粒向下運(yùn)動(dòng)的速度小于上升水流速，而磁鐵礦和富連生體顆粒的沉降速度大于上升水流速，在磁聚團(tuán)被打散的情況下，脈石或貧連生體顆粒會(huì)隨上升水流進(jìn)入溢流槽，磁鐵礦顆粒和富連生體則會(huì)在磁力和離心力的作用下分別沉降入精礦槽和中礦槽。

2 應(yīng)用試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)礦樣

本溪鋼鐵集團(tuán)南芬選礦廠采用圖5 所示單一磁選工藝處理鞍山式磁鐵石英巖，最終鐵精礦鐵品位在68.5%左右。礦石中鐵礦物主要為磁鐵礦，有少量赤鐵礦;脈石礦物主要為石英巖，有少量角閃石、綠泥石、透閃石、方解石等。根據(jù)三產(chǎn)品永磁立式精選機(jī)的特點(diǎn)，以南芬選礦廠的磁選柱給礦為礦樣進(jìn)行了精選試驗(yàn)，礦樣的鐵品位為65.35%，－0.074 mm 粒級含量為74.22%，單體解離度為93.06%。

圖5 南芬選礦廠工藝流程Fig.5 Flowsheet of separation in Nanfen concentrator

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

在給礦量為3 kg/min、給礦濃度為40%、磁系轉(zhuǎn)速為40 r/min、上升水流速為2.5 cm/s、格篩篩孔為0.2 mm 菱形篩孔的條件下，用三產(chǎn)品永磁立式精選機(jī)對礦樣進(jìn)行1 次精選，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 立式精選機(jī)精選試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of vertical permanent magnetic separator for cleaning %

由表1 可以看出，南芬選礦廠磁選柱給礦經(jīng)三產(chǎn)品永磁立式精選機(jī)1 次精選，所獲鐵精礦的鐵品位達(dá)68.78%，與現(xiàn)場所用磁選柱所獲鐵精礦的鐵品位相當(dāng)，同時(shí)可獲得作業(yè)產(chǎn)率為10.89%、鐵品位為49.08%的中礦和作業(yè)產(chǎn)率為2.97%、鐵品位為25.54%的尾礦，說明三產(chǎn)品永磁立式精選機(jī)的設(shè)計(jì)思路是可行的。但尾礦鐵品位偏高，需要通過進(jìn)一步研究加以改進(jìn)。

3 結(jié) 論

(1)永磁立式精選機(jī)實(shí)現(xiàn)三產(chǎn)品分離的機(jī)理，是利用磁力、離心力、機(jī)械打散力以及上升水流動(dòng)力的作用，使強(qiáng)磁性礦物、連生體和脈石礦物在復(fù)合力場中的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變。

(2)格篩的排布、篩孔的形狀及尺寸對磁聚團(tuán)的分散效果具有直接影響。磁系轉(zhuǎn)速和上升水流速的變化則會(huì)直接導(dǎo)致礦石顆粒在分選區(qū)內(nèi)受力特性的變化。

(3)對南芬選礦廠磁選柱給礦的精選試驗(yàn)結(jié)果表明，三產(chǎn)品永磁立式精選機(jī)的設(shè)計(jì)思路是可行的，下一步的研究方向是如何完善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并降低尾礦鐵品位。

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