郭小飛，任偉杰1，張洺睿1，代淑娟，趙通林，朱巨建

(1.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧鞍山，114051；2.遼寧省金屬礦產(chǎn)資源高效采選與利用工程技術(shù)研究中心，遼寧鞍山，114051)

磁鐵礦是最典型的強(qiáng)磁性礦物，影響其磁性的主要因素包括氧化程度、粒度、溫度和顆粒形狀，其中粒度的變化對(duì)其磁性特征有顯著影響[1-2]。研究表明，當(dāng)磁鐵礦粒度較大時(shí)，磁化時(shí)磁疇壁的移動(dòng)占主導(dǎo)地位。隨著粒度的減小，每個(gè)顆粒中包含的磁疇數(shù)目減少，磁化時(shí)磁疇壁的移動(dòng)相對(duì)減少，磁疇的轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸占主導(dǎo)地位，但磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)所需的能量比磁疇壁移動(dòng)所需的能量大得多。當(dāng)磁鐵礦的粒度降到單磁疇狀態(tài)時(shí)，磁疇壁的移動(dòng)將隨之消失，此時(shí)，顆粒的磁性完全來(lái)自于磁疇的轉(zhuǎn)動(dòng)[3-4]。由于磁疇的變化具有不完全可逆性，磁鐵礦被磁化后因具有剩磁作用而產(chǎn)生團(tuán)聚[2-4]。針對(duì)強(qiáng)磁性礦粒形成磁團(tuán)聚的機(jī)理及影響因素，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。EYSSA等[5]推導(dǎo)出懸浮液中2個(gè)強(qiáng)磁性顆粒之間的相互作用力與磁化磁場(chǎng)的平方以及顆粒半徑的平方呈正比例關(guān)系；魏以和等[6]的研究結(jié)果表明：磁鐵礦粒度越小，磁選分離所需的外部磁場(chǎng)強(qiáng)度更高，粗顆粒磁鐵礦能夠強(qiáng)化磁團(tuán)聚效果；儲(chǔ)德應(yīng)等[7]根據(jù)磁團(tuán)聚的形成和破壞機(jī)理，推導(dǎo)出磁團(tuán)聚體的粒度與顆粒直徑的1.5 次方呈正比例關(guān)系；林潮等[8]利用磁化介質(zhì)表面電流的概念及電磁場(chǎng)理論，推導(dǎo)出適用于計(jì)算有(無(wú))外加磁場(chǎng)時(shí)強(qiáng)磁性礦粒間的磁團(tuán)聚力的公式，且該公式經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q就與磁選理論中磁力的計(jì)算公式一致；SMOLKIN 等[9-13]對(duì)磁性顆粒間的磁作用公式進(jìn)行了研究；庫(kù)建剛等[14-15]在傳統(tǒng)磁分離理論基礎(chǔ)上引入了磁偶極子模型，根據(jù)磁偶極子之間磁場(chǎng)的相互作用，模擬了其在不同角度下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，推導(dǎo)了一種在均勻磁場(chǎng)中2個(gè)磁偶極子間相互作用的新公式，證明了磁偶極子力是微細(xì)粒磁鐵礦磁選過(guò)程中受到的最主要的力。以上研究主要用于指導(dǎo)磁選理論及設(shè)備的研究，均未涉及磁鐵礦磁性特征變化對(duì)磁團(tuán)聚的影響。若部分粗粒嵌布的磁鐵礦顆粒在粗磨階段已經(jīng)單體解離，則利用磁鐵礦磁性特征的變化及其對(duì)磁團(tuán)聚的影響規(guī)律，從一段球磨排礦(分級(jí)溢流)或者一段濕式磁選精礦中分離出磁鐵礦單體顆粒，并拋除非磁性的脈石，將會(huì)促進(jìn)磁鐵礦生產(chǎn)效率的提高。本文作者以磁鐵礦磨礦粒度對(duì)其磁性特征的影響為基礎(chǔ)，分析粒度變化對(duì)磁鐵礦顆粒間磁團(tuán)聚力的影響規(guī)律，為磁鐵礦選礦技術(shù)的改進(jìn)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)礦樣為鞍本地區(qū)典型的磁鐵石英巖，含鐵礦物主要為磁鐵礦和少量赤鐵礦。脈石礦物主要為石英，并含有少量角閃石、綠泥石、透閃石、方解石等。原礦中總鐵(TFe)品位為30.31%，F(xiàn)eO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.95%。選礦廠普遍采用“階段磨礦、多段弱磁選—細(xì)篩自循環(huán)—磁選柱精選”的工藝流程，最終平均磨礦細(xì)度為小于74 μm的顆粒負(fù)累積產(chǎn)率為80%，細(xì)篩的篩孔為0.125 mm，精礦TFe品位為67.5%、回收率為80%。

試驗(yàn)礦樣中負(fù)累積產(chǎn)率為90%時(shí)的粒度為12 mm，采用實(shí)驗(yàn)室型顎式破碎機(jī)和對(duì)輥破碎機(jī)閉路粉碎至小于2 mm，再采用Φ240×90 錐形球磨機(jī)進(jìn)行磨礦試驗(yàn)，磨礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%。采用Φ50×900 磁選管和Φ80×260 數(shù)字脈沖脫磁器進(jìn)行“階段弱磁選”，試驗(yàn)流程如圖1所示，將分選產(chǎn)品分別標(biāo)記為精礦A(磁鐵礦單體)、精礦B(富連生體)、精礦C(貧連生體)和尾礦D(脈石)。

采用MLA-650自動(dòng)礦物分析儀對(duì)試驗(yàn)中重要產(chǎn)品的單體解離度進(jìn)行測(cè)定，礦石磁化特性的測(cè)定設(shè)備為VSM-7404振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)[16-18]。

圖1 階段弱磁選試驗(yàn)流程Fig.1 Flow-sheet of weak magnetic separation stage by stage

2 結(jié)果與討論

2.1 分選試驗(yàn)

對(duì)粒度小于74 μm 的顆粒負(fù)累積產(chǎn)率分別為40%～85%的磁鐵礦球磨產(chǎn)品，采用MLA-650自動(dòng)礦物分析儀進(jìn)行單體解離度測(cè)定，結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出：當(dāng)磨礦產(chǎn)品中粒度d小于74 μm的顆粒負(fù)累積產(chǎn)率為40%時(shí)，磁鐵礦的單體解離度為57.72%，其中，130≤d＜170 μm 粒級(jí)中鐵氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43.05%；當(dāng)磨礦產(chǎn)品中粒度小于74 μm的顆粒負(fù)累積產(chǎn)率由55%增加至85%時(shí)，磁鐵礦的單體解離度逐漸由73.26%增加至94.13%。若磁鐵礦顆粒在磨礦過(guò)程中已經(jīng)發(fā)生單體解離，則預(yù)先將其分選出來(lái)作為鐵精礦并拋除非磁性脈石，能夠大幅度減少后續(xù)磨礦和選別作業(yè)的負(fù)荷[19]。

采用“階段弱磁選”(如圖1所示)對(duì)以上磨礦細(xì)度的磁鐵礦進(jìn)行弱磁選別，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 磨礦細(xì)度對(duì)磁鐵礦階段磁選實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響Fig.2 Effect of grinding fineness on the stage magnetic separation indexes for magnetite ores

由圖2可以看出：當(dāng)磁鐵礦磨礦產(chǎn)品中粒度小于74 μm的顆粒負(fù)累積產(chǎn)率為40%時(shí)，一段弱磁選精礦A 的TFe 品位和回收率分別為65.49% 和30.31%，尾礦D的TFe品位和產(chǎn)率分別為5.06%和20.47%；當(dāng)磨礦產(chǎn)品粒度逐漸降低至小于74 μm的顆粒負(fù)累積產(chǎn)率為85%時(shí)，3種分選精礦的TFe品位逐漸上升，而尾礦D的TFe品位逐漸下降，增加趨勢(shì)在70%時(shí)變慢；隨著磨礦細(xì)度的降低，精礦A和尾礦D的回收率逐漸升高，而精礦B和精礦C的回收率則逐漸降低。

表1 不同磨礦細(xì)度磁鐵礦的單體解離度Table1 Liberation degree of magnetite at different grinding fineness

在相同條件下不同分選產(chǎn)品的TFe品位和回收率是由磁鐵礦的單體解離度決定的。試驗(yàn)結(jié)果表明：在粗磨產(chǎn)品中已經(jīng)存在TFe品位大于65%、回收率大于30%的合格鐵精礦，同時(shí)含有產(chǎn)率超過(guò)20%的非磁性脈石，而這部分產(chǎn)品可以通過(guò)弱磁選的方法提前分離出來(lái)。磁鐵礦中不同組分磁化特征及其在磁選過(guò)程中受力特性的變化對(duì)分選效果具有直接影響。

2.2 磁鐵礦不同組分的磁化特性分析

對(duì)不同磨礦粒度條件下“階段弱磁選”的4種分選產(chǎn)品，采用Modl-7404 振動(dòng)磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行磁化曲線測(cè)定，其中，比磁化系數(shù)和矯頑力的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3(a)可以看出：隨著磨礦粒度降低，精礦A的比磁化系數(shù)逐漸減小，矯頑力卻逐漸增加；當(dāng)磨礦粒度小于74 μm的顆粒負(fù)累積產(chǎn)率由40%增加至85%時(shí)，精礦A 的比磁化系數(shù)降低了29.71%，矯頑力增大了168%。說(shuō)明磁鐵礦的粒度越小，磁化所需的外磁場(chǎng)強(qiáng)度越高，磁化后也越不容易退磁。研究表明[1-2]，磁鐵礦的比磁化系數(shù)越大，更容易通過(guò)磁選的方法實(shí)現(xiàn)分離。磁鐵礦的矯頑力越大，造成的磁團(tuán)聚會(huì)對(duì)磁選過(guò)程產(chǎn)生不利影響。

隨著磨礦粒度降低，精礦B的比磁化系數(shù)和矯頑力均逐漸增大(圖3(b))，這主要是由精礦B 的TFe品位逐漸升高造成的。精礦C比磁化系數(shù)和矯頑力的變化趨勢(shì)(圖3(c))與精礦B 的相似，但由于精礦C的TFe品位較低，其總體增加幅度較小。尾礦D 的比磁化系數(shù)和矯頑力隨磨礦細(xì)度的降低均逐漸降低(圖3(d))，但由于尾礦D 中含有極少量的鐵礦物，變化幅度較小。

在磁選過(guò)程中，磁鐵礦單體與富連生體的分離是影響分選效果的關(guān)鍵。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磨礦粒度小于74 μm的顆粒負(fù)累積產(chǎn)率由40%增加至85%時(shí)，精礦A和精礦B比磁化系數(shù)之間的差異由62.64%逐漸降低至10.91%。因此，較粗的磨礦細(xì)度對(duì)實(shí)現(xiàn)磁鐵礦單體和富連生體的分離更加有利。

2.3 磁鐵礦顆粒在磁選過(guò)程中的磁團(tuán)聚力

磁選的實(shí)質(zhì)是利用磁力和機(jī)械力對(duì)不同磁性顆粒的不同作用而實(shí)現(xiàn)的[2,4]。傳統(tǒng)磁選過(guò)程中磁鐵礦單體與富連生體難以高效分離的主要原因在于：磁鐵礦單體與連生體之間的磁性差異遠(yuǎn)小于磁鐵礦和脈石之間的磁性差異；磁力分選區(qū)域內(nèi)較強(qiáng)的磁場(chǎng)不僅使磁鐵礦單體極易形成磁團(tuán)聚，還使連生體和脈石夾雜進(jìn)入團(tuán)聚體中。

圖3 4種分選產(chǎn)品的比磁化系數(shù)和矯頑力Fig.3 Specific susceptibility and coercivity of four separation products

磁鐵礦顆粒間的磁團(tuán)聚力在促使礦粒形成聚團(tuán)或者磁鏈的過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，受到磁化磁場(chǎng)、顆粒的比磁化系數(shù)以及粒度的影響，可采用如下公式進(jìn)行計(jì)算[8]：

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；M為磁鐵礦顆粒在外磁場(chǎng)中的磁化強(qiáng)度；R1和R2為球形顆粒半徑；R為兩球形顆粒圓心距離。

“階段弱磁選”的試驗(yàn)結(jié)果表明，磁鐵礦單體(精礦A)和富連生體(精礦B)最易聚團(tuán)或形成磁鏈。采用式(1)對(duì)4種分選產(chǎn)品在磁選過(guò)程中的磁團(tuán)聚力進(jìn)行計(jì)算，其中不同磨礦粒度條件下精礦A(磁鐵礦單體)和精礦B(富連生體)的磁團(tuán)聚力(FAB)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 磁鐵礦單體和富連生體間磁團(tuán)聚力的計(jì)算結(jié)果Fig.4 Magnetic agglomeration force between magnetite grain and rich inter-locking particle

由圖4可以看出：在相同外磁場(chǎng)條件下，磁鐵礦單體和富連生體之間的磁團(tuán)聚力隨著磨礦粒度的降低逐漸降低，當(dāng)磨礦粒度小于74 μm的顆粒負(fù)累積產(chǎn)率由40%(負(fù)累積產(chǎn)率為50%時(shí)的粒度為90 μm)增加至85%(負(fù)累積產(chǎn)率為50%時(shí)的粒度為30 μm)時(shí)，磁團(tuán)聚力降低了83.46%；在相同磨礦粒度條件下，磁鐵礦單體和富連生體之間的磁團(tuán)聚力隨著磁化磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加迅速增加，當(dāng)磁化磁場(chǎng)強(qiáng)度由31.8 kA/m 增加至159.2 kA/m時(shí)，磁團(tuán)聚力增加了25.06倍。

計(jì)算結(jié)果還表明，當(dāng)磨礦粒度小于74 μm的顆粒負(fù)累積產(chǎn)率由40%增加至85%時(shí)，磁鐵礦單體之間的磁團(tuán)聚力(FAA)與磁鐵礦單體和富連生體之間的磁團(tuán)聚力(FAB)的比值由3.46降低至1.19，與磁鐵礦單體和脈石之間的磁團(tuán)聚力(FAD)的比值由44.47降低至34.68。

當(dāng)磨礦粒度較大時(shí)，磁鐵礦單體和連生體之間磁團(tuán)聚力的差異在較低的磁化磁場(chǎng)中相對(duì)較大，而磁鐵礦單體和非磁性脈石的團(tuán)聚則主要由機(jī)械夾雜引起，因此，采用較弱的磁場(chǎng)對(duì)磁鐵礦不同組分進(jìn)行分離是比較有利的。但在磁鐵礦的一段粗選中，為了提高強(qiáng)磁性礦物的回收率，所采用的磁場(chǎng)強(qiáng)度(95.5～159.2 kA/m)均較高[2,4]，磁鐵礦單體與強(qiáng)磁性連生體之間的磁團(tuán)聚力較大，易形成選擇性低的磁團(tuán)聚體，使得磁選的精度受到影響。

3 結(jié)論

1)鞍本地區(qū)某磁鐵礦的一段磨礦產(chǎn)品中，已經(jīng)存在約30%的磁鐵礦單體和超過(guò)20%的非磁性脈石，可通過(guò)弱磁選的方法實(shí)現(xiàn)預(yù)先分離。

2)當(dāng)試驗(yàn)礦樣磨礦粒度小于74 μm的顆粒負(fù)累積產(chǎn)率由40%增加至85%時(shí)，磁鐵礦單體的比磁化系數(shù)降低了29.71%，矯頑力增加了168%。磁鐵礦單體與富連生體比磁化系數(shù)的相對(duì)差由62.64%降低至10.91%。磁鐵礦的粒度越小，磁化所需的外磁場(chǎng)強(qiáng)度越高，磁化后也越不容易退磁。

3)磁鐵礦單體和富連生體之間的磁團(tuán)聚力隨著磨礦粒度的降低逐漸減小，隨著磁化磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加迅速增大。隨著磨礦粒度降低，磁鐵礦單體之間與磁鐵礦單體和富連生體之間的磁團(tuán)聚力差異逐漸減小，磁鐵礦單體和連生體之間分離難度增大。

4)磁鐵礦單體和富連生體的分離是磁選精度提高的關(guān)鍵。較大的磨礦粒度對(duì)于磁鐵礦不同組分的弱磁選分離更加有利，預(yù)先分離出TFe品位滿足要求的磁鐵礦精礦和尾礦，能夠提高磁鐵礦的分選效率。