許麗敏 陳俊明 王麗娟 鐘森林 王豐雨 吳城材

（1.廣東省資源綜合利用研究所，廣東廣州510651；2.廣州粵有研礦物資源科技有限公司，廣東廣州510651；3.稀有金屬分離與綜合利用國家重點實驗室，廣東廣州510651）

近幾十年來，隨著現代科學技術的進步和國民經濟的發(fā)展，非金屬礦產的應用范圍和用量有了大幅度的擴大和增長。非金屬礦具有獨特的物理化學性能，在國民經濟各個行業(yè)得到了廣泛的應用，重要性不斷凸顯。因開發(fā)速度急劇加快，使得其資源越來越貧乏［1-3］。隨著科技進步、產業(yè)結構升級以及人類環(huán)保節(jié)能意識的增強，對非金屬礦物材料的純度要求反而越來越高［4-7］。人類生產生活中應用較廣泛的非金屬礦資源主要有石英、長石、高嶺土等，這些礦物資源中因含有少量的鐵、鈦等雜質而影響燒結白度及其它性能［8］，導致終端產品質量不佳。因此，對相對貧乏的非金屬礦物資源進行除雜提純是解決人類對高純非金屬礦資源需求的有效途徑。非金屬礦的提純方法主要有磁選、重選、浮選及酸洗等［9］，其中磁選是物理選礦方法，因具有成本低、無污染、效率高等優(yōu)點，在非金屬礦提純領域得到了廣泛應用［10-11］。

由于非金屬礦物中的雜質礦物嵌布粒度細，只有經超細粉碎才能單體解離，因此，微細粒選礦提純技術是去除這些雜質礦物的有效方法［12］。國內應用的微細粒強磁選設備主要有立環(huán)高梯度磁選機、平環(huán)高梯度磁選機、周期式高梯度磁選機［13］。ZQS周期式高梯度磁選機是廣州粵有研礦物資源科技有限公司自主研發(fā)的產品［14］，近幾年才在工業(yè)上廣泛應用，主要用于應用立環(huán)高梯度磁選機及平環(huán)高梯度磁選機多道提純產品純度仍達不到要求的情況，具有背景磁感應強度分布均勻、磁介質靜態(tài)分選、礦漿流經磁介質路徑長等優(yōu)點。目前已在石英砂、長石、高嶺土礦領域有了廣泛的應用，除鐵效果明顯，產品白度顯著提高［15］。

1 ZQS周期式高梯度磁選機的分選原理及設備特點

ZQS周期式高梯度磁選機為間斷式選別設備，進漿階段與排渣階段交替進行，循環(huán)往復，全自動化運行。一個選別周期分為兩個階段，第一階段為進漿階段，第二階段為排渣階段。根據礦物性質不同，ZQS周期式高梯度磁選機的給礦方式分為上部給礦方式和下部給礦方式。圖1為下部給礦方式的示意，以下部給礦方式為例介紹設備的結構及分選原理。

ZQS周期式高梯度磁選機由磁系部件、分選筒體部件、線圈部件、機架及管道部件組成。進漿階段：激磁線圈5中通入直流電，在上、下磁極之間的分選空間產生均勻磁場，進漿管8的閥門開啟，礦漿中的磁性物質流經分選筒體1時被磁介質4吸附，非磁性礦物從產品管13排出，進漿時間可通過可視化界面手動調節(jié)。待磁介質4吸附接近飽和時，進漿管8的閥門關閉，分選筒體中的礦漿經回漿管10返回原礦池，此時關閉激磁電流，進漿過程結束。排渣階段：待激磁電流降為零時，開啟上部給水管12的控制閥門，待分選筒體內充滿水后，開啟振動電機，同時開啟下部排鐵管7的控制閥門，在無磁場且大流量的沖洗水作用下，磁介質可得到徹底清洗。采用下部給礦上部反沖洗的方式可避免磁介質堵塞。

設備主體中激磁線圈的通磁和斷磁、各管道中閥門動作均通過控制柜的PLC給入信號，實現自動控制，工作可靠，操作維護方便。

從設備的分選原理可以看出，與立環(huán)高梯度磁選機以及平環(huán)高梯度磁選機相比，ZQS周期式高梯度磁選機有如下特點：①磁介質靜態(tài)分選，整個分選腔體內的磁感應強度均勻，避免吸附在磁介質上的磁性顆粒因磁感應強度降低而脫落；②ZQS周期式高梯度磁選機在水力及振動力的雙重作用下卸礦，磁介質不易發(fā)生堵塞；③分選路徑長，ZQS高梯度磁選機的磁介質分選路徑長度是立環(huán)高梯度磁選機的3～5倍，可以達到平環(huán)磁選機的2～3倍，磁性顆粒被吸附的幾率成倍增加，因此通常其一道選別的分選指標可以達到立環(huán)或平環(huán)高梯度磁選機兩道或三道的指標?；谝陨咸攸c，ZQS周期式高梯度磁選機在非金屬礦提純領域得到了廣泛的應用。

2 ZQS周期式高梯度磁選機存在問題及優(yōu)化方案

目前，廣州粵有研礦物資源科技有限公司生產的ZQS周期式磁選機系列產品有ZQS-500，750，1 000，1 250，1 500，1 750等機型，該系列產品自2016年以來已廣泛用于石英砂、長石、高嶺土等非金屬礦物的提純，設備選別指標穩(wěn)定，磁介質不易發(fā)生堵塞。但在使用過程中也發(fā)現了一些影響設備選別性能的不利因素，因此做了相應的改進和優(yōu)化。

2.1 原上下磁極形狀的不足與優(yōu)化改進

ZQS周期式高梯度磁選機的上下磁極最初設計如圖2（a）所示，上下磁極的上表面均是錐面，此設計的目的在于有利于礦漿自上而下的流動，防止礦漿在上下磁極表面堆積，上下磁極的孔洞是礦漿的通道。在實際應用中發(fā)現，尤其是在分選石英砂礦時，由于石英砂顆粒粗，在分選過程結束，分選筒體內的礦漿回流至原礦池時，較粗的石英砂顆粒會殘留在上下磁極的錐面上，后續(xù)的沖洗過程中石英精砂顆粒會隨著磁性顆粒一起進入尾礦，造成石英精砂的損失。因此，對上下磁極的結構進行了改進。改進后的上下磁極形狀如圖2（b）所示，在保證上下磁極均有足夠大的導磁面積的情況下，礦漿通道由孔改為縫，上下磁極用板拼接而成，拼接板在上下磁極上表面處有大倒角，防止礦物堆積。

上下磁極形狀改進除了可以降低精礦損失率外，還可以提高分選空間的背景磁感應強度，原設計的上下磁極之間的極距為L1，改進后的上下磁極極距為L2，閉合磁系結構應用安培環(huán)路定理推導出半經驗公式為：

N*I=kH0L，

式中，N為環(huán)繞分選腔體的線圈匝數；I為激磁電流，A；k為漏磁系數；H0為背景場強，A/m，L為磁極距，m。

從圖2（a）和圖2（b）可以看出，在N、I、k保持不變的情況下，上下磁極形狀更改后其極距L2小于更改前的極距L1，相當于公式中的L值減小，因此背景場強會提高。

對上下磁極改進前后分選腔體內的磁感應強度分布做了Ansys有限元模擬，結果如圖3（a）、（b）所示。從磁場分布云圖可以看出，上下磁極形狀更改后整個分選腔體內的磁感應強度都有了一定的提高，整體磁感應強度分布更均勻。為便于分析，選取了分選腔體中心線位置（如圖2中AB線所示）的磁感應強度分布曲線做對比，如圖4所示，可以看出改進后分選腔體中心線處的磁感應強度有了明顯提高。

2.2 原振動板結構的不足與優(yōu)化改進

ZQS周期式高梯度磁選機的排渣過程是在分選筒體中先充滿水，之后開啟振動電機和排渣管閥門，卸礦水持續(xù)給入，磁性顆粒在水力和振動力雙重作用下更容易從磁性介質上脫落。目前國內已有多臺ZQS周期式高梯度磁選設備應用于廣東、福建、浙江、遼寧等地。在使用過程中，有個別設備振動板筋板與分選筒體之間焊縫出現開裂情況，基于此問題，對振動板的受力情況進行了分析，并且對其結構進行了更改。

圖5（a）為改進前的振動板結構，振動板與筒體的連接方式見圖5（a）中的B放大圖，振動筒體靠彈簧支承在磁系上面，振動板只在有振動電機的位置設置了筋板，整塊振動板面積較大，整體剛度差。振動電機開啟時帶動整個分選筒體振動，因振動板剛度差，振動力不能均勻傳遞到整個筒體，振動力在振動電機所在位置最大，在應力以及疲勞的雙重作用下，振動板筋板處的焊縫產生了裂紋，如圖6所示?；诖藛栴}，對振動板與分選筒體之間的連接結構做了改進。

改進后的結構如圖5（b）中的B放大圖所示。首先，增加了振動板下部筋板的數量，由原來的4塊增加到10塊。其次，將振動板與上磁極固定的法蘭面上移，在振動板與法蘭面之間也增加了筋板，這樣，振動板上下表面均有加強筋板，振動板強度明顯增加。第三，在振動板與筒體固定的圓周上增加了若干個塞焊孔，增加了振動板與筒體之間的焊接強度。改進后的結構用測振儀測量，在振動板上表面的平均振幅與分選筒體下部圓周處的平均振幅基本一致，說明振動板的剛度足夠，振動電機的振動力完整地傳遞到了整個筒體，起到了振動卸礦的效果。

2.3 原線圈腔內積水問題及改進

ZQS周期式高梯度磁選機線圈采用空心銅管繞制，水內冷的散熱方式，激磁線圈是設備的核心部件。ZQS周期式高梯度磁選機的線圈腔體結構如圖7所示，線圈位于上磁極板、下磁極板、側磁極板以及線圈定位筒圍成的環(huán)形空間內，該空間在線圈裝配的過程中是嚴格密封的。在使用過程中，個別線圈腔體內會出現漏水現象，經分析，出現漏水現象的原因有兩個：一是因為銅管在加工及后期繞制過程中有一些缺陷，隨著使用時間的延長出現了裂紋；第二個原因是密封部位出現滲漏。當線圈腔體內有液體浸泡時，容易造成線圈短路以及銅管腐蝕。

為了確保線圈腔體內不積水，對下磁極板的結構進行了修改，改進后的下磁極板結構如圖8所示，在下磁極板上增加了8塊墊板，將線圈底面與下磁極板隔開，同時在下磁極板上開了4個孔，用于排水及通氣。此種情況下，因密封問題造成的滲水可以及時排出，不會對線圈造成影響；如果是線圈本身出現漏水，則下磁極板的孔會有持續(xù)的水流，能及時觀察到，而且短時間的漏水不會對線圈造成損壞。

3 改進的ZQS磁選機的現場應用情況

將以上三項改進應用到了一臺ZQS-1 000高梯度磁選設備上，該設備運至廣東一石英砂礦選廠做工業(yè)試驗，原礦主要化學成分分析結果見表1。

由表1可知，原礦主要化學成分為SiO2，主要雜質成分含量為 Fe2O30.126%、TiO20.011%、Mn 0.020%、Al2O30.780%。

選廠采用圖9所示工藝流程。

ZQS-1 000周期式磁選機在入選物料含SiO299.53%、Fe2O30.018 4%，處理量為25.59 t/h的條件下，取得的石英精砂含SiO299.60%、Fe2O30.007 4%，石英精砂作業(yè)產率為96.17%，精礦損失率低，石英精砂質量達到光伏玻璃石英砂原料要求。設備已在現場應用兩年有余，運轉平穩(wěn)，指標穩(wěn)定，故障率極低。

4 結論

（1）針對ZQS高梯度磁選機使用過程中出現問題所作的優(yōu)化簡單、實用，在生產成本相對于設備整體價值有極少量增加的情況下，解決了設備精礦損失率高、振動板筋板開裂、以及線圈腔體內積水的問題，有效地提高了設備的使用性能，減少了故障率。

（2）三項改進應用于ZQS-1 000磁選機的設計，在給礦礦樣含SiO299.53%、Fe2O30.018 4%，處理量為25.59 t/h的條件下，取得的石英精砂含SiO299.60%、Fe2O30.007 4%，石英精砂作業(yè)產率為96.17%的技術指標，精砂損失率低，設備運轉率高。

（3）ZQS高梯度磁選機為間斷式磁選設備，不能連續(xù)運轉，因此未來的發(fā)展方向是設計可移動式分選筒體，將磁介質的沖洗過程置于設備分選腔體之外，實現連續(xù)分選。