馮麗麗 成 磊 王天歌 鄭詔星 劉之能

（北礦機電科技有限責任公司）

弱磁性鐵礦石（赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦等）資源占我國鐵礦石資源的約1/3，保有儲量超過200億t［1］，屬于國家重大戰(zhàn)略資源。弱磁性鐵礦石比磁化系數(shù)極低，工業(yè)選礦技術處理難度較大。目前，雖然可通過連續(xù)細磨—強磁選—浮選流程或焙燒—弱磁選流程進行開發(fā)［2-3］，但開發(fā)利用成本較高，經(jīng)濟效益往往不理想，因而有大量的資源待開發(fā)。

在國內(nèi)外現(xiàn)有弱磁性礦物分選技術和裝備方面，高梯度強磁選機主要用于分選粒度不超過1 mm的磨礦產(chǎn)品，少有理想的與細碎產(chǎn)品匹配的強磁預富集設備，同時由于采用聚磁介質(zhì)直接吸附弱磁性礦粒，吸附的磁性物料容易夾雜脈石顆粒，精礦品位往往不高。

可用于寬粒級弱磁性礦石分選的輥式強磁選機磁力作用淺、分選精度低，沿分選輥的圓周方向無法實現(xiàn)物料磁翻轉(zhuǎn)脫雜，難以實現(xiàn)細粒級弱磁性礦石的高精度分選，因而預富集精礦品位較低。

國內(nèi)外雖然針對寬粒級弱磁性礦物預富集研發(fā)了永磁輥式強磁選機、永磁筒式擠壓磁系強磁選機，如美國的ERIEZ 磁選機［4-6］，但總體上這些設備在兼顧弱磁性礦物高精度分選和充分回收方面仍存在明顯不足，亟待開發(fā)具有高磁場力、可形成高效磁翻轉(zhuǎn)、保證弱磁性礦物良好回收的分選寬粒級的強磁選機，從而實現(xiàn)弱磁性礦物的經(jīng)濟、高效預富集。

通過研究圓周交替磁極磁路中磁力關系模型，將三面軸向擠壓磁路擴展至圓周擠壓磁路，建立高磁力、可實現(xiàn)高速磁翻轉(zhuǎn)的周向擠壓磁路模型，開發(fā)周向擠壓磁路的永磁強磁選機，為實現(xiàn)弱磁性礦物的高精度分選奠定技術基礎。

1 周向擠壓磁系的結(jié)構(gòu)研發(fā)

周向擠壓磁路磁系的研究開發(fā)，關鍵在于通過創(chuàng)建周向磁極交替磁路，實現(xiàn)永磁磁系表面分選區(qū)內(nèi)的磁場力大幅提升，以便用于弱磁性礦物的分選，同時由于具備周向磁極方向交變，可實現(xiàn)磁翻轉(zhuǎn)，以提升分選精度，拋出夾雜脈石。

常見永磁磁選機開放磁路結(jié)構(gòu)見圖1，為提高磁場強度在相鄰2 個異極主磁極a和b 之間增加輔助磁極c，輔助磁極c與相鄰的主磁極呈排斥狀態(tài)，輔助磁極磁化場和a 與b 之間構(gòu)成的磁路磁化場相疊加，構(gòu)成外部開放空間的磁選力場。根據(jù)基爾霍夫磁場定律，永磁靜態(tài)磁路的基本方程為［7］

式中，φ 為總磁通量，Wb；F 為總磁動勢，At；Kf為漏磁系數(shù)；Kf為磁阻系數(shù)，一般變化很小，取1.2～1.3；Bm為永磁體磁通密度，Wb/m2；Hm為永磁體磁場強度，A/m；Am為永磁體沿磁路方向橫截面積，m2；Lm為永磁體沿磁路方向高度，m；Bg為工作氣隙的磁感應強度，T；Hg為工作氣隙的磁場強度，A/m；Ag為工作氣隙的橫截面積，m2；Lg為工作氣隙的長度，m。

由式（1）和式（2）得，永磁磁路工作空間的磁感應強度為［8］

式中，HmBm為永磁體磁能積，J/m3。

由式（3）得出，開放磁路在工作空間磁場特性分布與磁極距、磁極高度、磁材物性等有關。根據(jù)式（3）可以推斷，在永磁體磁能積、永磁體截面積Am×高度Lm不變的前提下，工作氣隙的橫截面積越小、長度越短，磁感應強度越高。因此，當磁路中磁極極面寬度及極距越小，磁路路徑和橫截面積越小，近磁系表面處產(chǎn)生的磁感應強度越高，特別是主磁極極面寬度越小，磁力線路徑短，磁力線分布變化情況更急劇，磁場梯度更大，因此，磁場力更高，但磁場深度減小。傳統(tǒng)開放磁路為了保證較大的磁場作用深度，以保證足夠的分選間隙，磁極距一般≥65 mm，分選表面磁場力低，特別是主磁極中心存在弱磁場空洞區(qū)，如圖2所示，易造成磁性物丟失。

為了有效提高周向磁極交變磁路在分選區(qū)產(chǎn)生的磁場力，在COMSOL 仿真中研究磁系表面5 mm 工作空間平均磁場力與磁極距的影響關系。研究發(fā)現(xiàn)，隨著磁極距減小，磁系表面5 mm 位置磁場力逐漸升高，即為了使近磁系表面工作空間具有高磁場力以實現(xiàn)弱磁性礦物捕收，應采用較小的磁極距結(jié)構(gòu)。

在COMSOL 中建立了不同磁極距和磁路參數(shù)的磁場特性分布情況，得到2種小極面磁路結(jié)構(gòu)，如圖3和圖4 所示。由于相鄰輔助磁極與主磁極間的排斥力較大，相鄰磁極裝配時呈現(xiàn)磁場擠壓狀態(tài)，因此稱為“周向擠壓磁路結(jié)構(gòu)”。

圖3 所示磁路模型，從磁場強度分布可以看出，磁系表面5 mm分選空間處沿圓周方向磁場強度變化較劇烈，導致磁場梯度沿圓周方向的分量大，同時強磁捕收區(qū)（磁場峰值區(qū)）集中于主磁極和輔助磁極的邊緣，可吸附面積極小，在主磁極中心和輔助磁極中心弱磁性礦物均易脫落，不利于磁性物料的運輸和吸附。圖4所示的磁路模型，高磁場區(qū)覆蓋整個主磁極附近處的分選空間，易于吸附和運輸弱磁性顆粒，同時從磁力線圖看到，磁力線沿圓周方向不斷閉合，形成圓周方向磁極快速多次交替，便于形成分選過程吸附物料的磁翻轉(zhuǎn)。

在圖4所示的磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎上，進行了磁路參數(shù)對于分選區(qū)磁場特性的影響研究，結(jié)果見圖5～圖8。圖8 與圖5 對比看，繼續(xù)減小主磁極寬度，分選區(qū)峰值磁場力提高，但強磁吸附區(qū)明顯減小，不易于吸附磁性物。

根據(jù)周向擠壓磁路模型的仿真分析，在大量COMSOL優(yōu)化基礎上，建立了基于排斥磁極布置的周向擠壓磁路結(jié)構(gòu)見圖9，相鄰主、輔助磁極間呈周向擠壓聚磁狀態(tài)，輔助磁極與主磁極采用N極對N極、S極對S 極的布置形式（排斥磁極布置）。該磁系分選區(qū)形成的磁場強度分布和磁場力H·gradH 分布見圖10，磁場強度≥850 mT，磁場力峰值＞4×1013A2/m3，可實現(xiàn)細粒弱磁性礦物的高磁力捕收，同時具備圓周方向磁極交變特性，可實現(xiàn)吸附磁性物料的高效磁翻轉(zhuǎn)，磁翻轉(zhuǎn)次數(shù)可達20次以上，實現(xiàn)夾雜脈石的有效脫離。

從圖6 與圖5 對比來看，增加主磁極高度后，分選區(qū)磁場強度變化不大，而磁軛內(nèi)部磁通密度增大，對分選意義不大，而且容易磁飽和后漏磁至磁軛外部，影響設備運行可靠性；從圖7 與圖5 對比得知，增加輔助磁極高度后，分選區(qū)內(nèi)磁場強度增加不大；從

2 周向擠壓磁系的試制和磁場測試

周向擠壓磁系制造時，由于巨大的排斥力作用，與常規(guī)開放磁系安裝順序不同，首先把輔助磁極固定住，然后逐步安裝主磁極。

采用特斯拉計對磁系表面附近的磁場進行測量，和磁場仿真結(jié)果相比，誤差在5%范圍內(nèi)。根據(jù)不同徑向深度的磁場強度，回歸出磁場梯度曲線，從而得到磁場力擬合曲線（圖11）。

根據(jù)圖11的周向擠壓磁系工作表面磁場力擬合曲線，設計制造的周向擠壓磁系工作區(qū)域磁場力≥1.5×1013A2/m3，高點可達4.3×1013A2/m3，具有很高的磁場力，可實現(xiàn)細粒弱磁性礦物顆粒的良好捕收，沿圓周方向周期變化的磁場力和磁場方向更加有利于實現(xiàn)弱磁性礦粒中夾雜脈石的暴露和分離。

3 周向擠壓磁系磁選機分選過程測試

利用試制完成的周向擠壓磁系結(jié)構(gòu)磁選機，進行分選細粒弱磁性礦粒試驗，見圖12，采用磁性物料和非磁性物料顏色區(qū)別明顯的石榴石與綠輝石的混合物料進行試驗，可以看到，分選過程中由于產(chǎn)生快速磁翻轉(zhuǎn)，物料分選時呈現(xiàn)“沸騰”狀態(tài)，非磁性的綠輝石從吸附的磁性物料石榴石中充分暴露和被拋出，二者分離路徑和界限區(qū)分明顯，極大地提高了石榴石的純度，實現(xiàn)了高精度分選，滿足技術開發(fā)目標要求。

4 工業(yè)應用

四川某鮞狀赤鐵礦石鮞粒較大，TFe品位約40%，硫、磷含量較低，工藝礦物學顯示，該礦石以脈石雜質(zhì)為鮞粒核心，以赤鐵礦與脈石相間或混雜組成鮞粒，赤鐵礦和脈石界限不分明，分離較困難，屬易破易磨極難選鐵礦石。由于TFe品位低，同時選礦難度大，焙燒成本高等原因，一直未能作為鐵礦資源有效開發(fā)利用，只能作為低價值的水泥鐵質(zhì)校正劑銷售，造成鐵礦資源的重大浪費。開發(fā)方希望通過應用強磁干選技術，使預富集精礦TFe 品位達到48%以上，可直接作為冶煉配料銷售，經(jīng)濟價值可大幅提升。

在實驗室對該赤鐵礦進行了強磁干選試驗，根據(jù)分選目標，選擇分選粒級為-3 mm，采用本項目的周向擠壓磁路磁選機進行選別，工藝流程為1 粗1掃，最佳工藝技術參數(shù)情況下的分選指標見表1。

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根據(jù)實驗室分選指標，鮞狀赤鐵礦經(jīng)過強磁干式分選，可獲得產(chǎn)率為30.99%、TFe 品位48.70%、TFe 回收率36.42%的預富集精礦，可直接作為冶煉配料使用；同時可回收產(chǎn)率50.50%、TFe 品位42.12%、TFe 回收率51.33%的中礦，由于品位達到40%以上，可繼續(xù)作為水泥輔料銷售，整體經(jīng)濟價值和資源利用率大幅提升。

采用傳統(tǒng)強磁輥式磁選機分選，精礦TFe品位難以達到45%，可見，本項目研制的周向擠壓磁路磁選機比傳統(tǒng)強磁選機分選精度高，脈石夾雜問題得到了較好的解決。

5 結(jié) 論

周向擠壓磁路磁選機的研發(fā)，關鍵在于通過創(chuàng)建周向磁極交替磁路，實現(xiàn)永磁磁系表面分選區(qū)內(nèi)的磁場力的大幅提升，以便強化弱磁性礦物的回收，同時由于具備周向磁極方向交變，可實現(xiàn)磁翻轉(zhuǎn)以提升分選精度，拋出夾雜脈石，實現(xiàn)精礦品位的有效提升。