陶瓷漿料除鐵器的技術分析及發展趨勢

摘要 本文詳細介紹了應用于陶瓷漿料除鐵中的各種類型除鐵器的原理、結構、優缺點以及目前市場的使用情況，并指出了陶瓷漿料除鐵器今后的發展趨勢。

關鍵詞 陶瓷漿料，除鐵器，磁棒，電磁感應，感應磁場

1引言

隨著經濟的飛速發展，人們的生活質量和審美觀在不斷提高，對陶瓷建材等裝飾產品的質量要求也日益嚴格，尤其是在發達及發展中國家，對高端產品的需求越發突出。

在陶瓷原料的運輸和粉碎過程中，由于機械設備的磨損，往往會混入若干細小的鐵粉或含鐵化合物，這些含鐵雜質經高溫焙燒后，一般呈現黃色，會降低制品的白度和透明度，特別是比較粗的顆粒，燒后往往成為從褐色到黑色不等的斑點，嚴重影響制品的外觀質量，對特殊用途的制品（如電瓷）來說還會降低電氣性能；然而隨著不可再生資源的日益消耗，高品位礦源日趨枯竭，含鐵雜質較多的中低檔礦源已慢慢被利用。因此，把原料中含鐵雜質除去對于提高陶瓷制品的質量具有重要意義。

目前我國市場上廣泛使用的陶瓷漿料除鐵器的種類有磁棒式、電磁式、永磁式，這些除鐵器的除鐵原理是利用物料含鐵雜質所具有的磁性受到磁極磁化后被吸引，從而達到除鐵的目的。

2陶瓷漿料除鐵器介紹

一般陶瓷漿料是由粘土、長石、石英等主要礦物成分組成，它們都帶有含量不等的鐵（如Fe2O3等）磁性物質，按其比磁化系數k的大小可分為：

（1） 強磁性物質：k大于38×10-6m3/kg，如金屬鐵、磁鐵礦、Fe3O4等。

（2） 中磁性物質：k為3.8×10-6～38×10-6m3/kg，如赤鐵礦、鈦鐵礦等。

（3） 弱磁性物質：k為0.3×10-6～3.8×10-6m3/kg，如褐鐵礦、Fe2O3等。

（4） 非磁性物質：k小于0.3×10-6m3/kg，如長石、石英等。

2.1 除鐵器所使用磁性物質的特性和分類

磁性材料有Fe、Co、Ni等，通常所用的鐵磁性材料多是鐵和其它金屬或非金屬組成的合金。磁性材料通常用作磁導體、永久磁鐵和特殊磁性元件，根據材料的基本磁特性參數又把它們分成兩大類：軟磁材料和硬磁材料。

鐵磁性物質磁化時，具有磁滯回線的特性，如圖1所示。在外磁場H的作用下，物質被充磁顯磁性，產生磁感應強度B；B值隨H值變化，既有同步又有滯后。當磁化場H在正負兩個方向上往復變化時，材料的磁化過程也將經歷循環往復的過程。此曲線存在以下幾個特點：

（1） 充磁之初，B與H同步上升；

（2） 飽和點以后，B不隨H增大而上升；

（3） 外磁場H消失（O點處）后，B不隨H減小回到O，而只能回到Br點，稱為剩余感應強度。

軟磁材料的基本特性是磁導率高（在相同幾何尺寸條件下磁阻小），它的矯頑力（Hc絕對值）較小，磁滯回線狹長，回線包圍的“面積”小。磁選設備上所用的軟磁材料有工程純鐵、導磁不銹鋼和低碳鋼等，一般強磁選設備經常選用工程純鐵作鐵芯、磁軛或磁極頭，導磁不銹鋼可作感應磁介質用。

硬磁材料的基本特征在于它的矯頑力（Hc）一般都很大，磁能HcBr也很大，能在工作空間中產生很大的磁場能。一般硬磁材料用作磁選設備的磁源以產生磁場。

與此同時，鐵磁性物質隨著使用環境溫度的升高，磁化率隨之下降；變化曲線如圖2所示。

鐵磁性物質充磁后，若溫度升高，磁感應強度B則會隨之降低；當溫升達到臨界溫度（如鐵為Tc＝357℃）后磁化率將迅速下降，以至喪失磁性；不同的材料、不同的處理方法，都可以影響溫度的變化曲線，即有不同的使用溫度。一般硬磁材料（如釹鐵硼）臨界溫度Tc較低，在80～120℃之間，表磁B可下降5%以上；當實際溫度接近Tc點，表磁B很容易下降到原來的30～50%之間，且溫度降下來后，表磁B不能恢復到原有的強度。故使用永久磁鐵除鐵應在60～80℃以下較為理想。

2.2 陶瓷漿料除鐵器的基本原理

2.2.1 磁場力

利用磁場對磁性物質的吸引力，將鐵質礦物從漿料中分選出來并將其除掉的設備叫做磁選機，通常稱為除鐵機。達到分選的基本條件是，磁場對鐵磁物質的吸引力（F）要大于阻止磁性顆粒被分離出去的合力或競爭力（FC），它包括鐵磁性顆粒的重力、離心力、慣性力和流體阻力等。

漿料除鐵時，慣性力和流體阻力是競爭力的主要部分，此時流體阻力具有以下關系：

FC=3πηdν

式中：

η——料漿粘度

d——礦物顆粒直徑

ν——料漿流速

由上式可知：料漿粘度、鐵質礦物顆粒的大小和泥漿的流速都直接影響著競爭力的大小，即會影響除鐵效果。因此在使用除鐵機時，要認真掌握料漿的“四度”（濃度、粘度、速度、粒度）：顆粒度應根據振篩網目的孔徑選擇來決定；速度與流量直接相關；粘度與漿料的濃度、性質及添加劑有關；濃度由水分比例決定。

磁場對單位質量磁性吸引力的計算公式為：

F=kH(dH/dh)

式中：

k——物質的比磁化系數（m3/kg）

H——磁場強度（A/m）

dH/dh——磁場分布梯度（A/m2）

要使上述磁選過程能有效地進行，必須具備以下條件：

（1） 有磁場存在。磁感應（或磁場）強度愈大，對磁性顆粒的吸引力愈大。

（2） 磁場應該是不均勻的。對于均勻磁場，磁場梯度為零，不能分選磁性物料，因此必須增大磁場的不均勻性。通常在磁極和磁路中導磁介質的銳棱尖角處，會形成磁力線的局部集中，使磁場變得不均勻，磁場梯度增大。

（3） 被分選的物料應有一定磁性。物料的磁性越強，顆粒愈重，吸力也愈大，在相同要求的條件下對磁感應強度要求可降低，設備制作成本也低。

2.2.2 磁感應原理

磁感應原理是利用軟磁材料在外加磁場中產生較高于磁場強度的感應磁場，并利用此感應場強進行吸鐵，我們稱為工作場強。從圖3可清楚知道，軟磁材料在背景磁場H中可在其表面產生很高的工作場強Bin， Bin跟軟磁材料的導磁率μ有關， 一般Bin可達2～3倍的背景場強B。軟磁材料在磁場中表現出高感應磁場狀態，在退磁狀態下表現為零磁性狀態。

2.3 幾種料漿除鐵器的介紹

2.3.1 除鐵磁棒在漿料除鐵中的應用

磁棒除鐵是磁棒直接和漿料接觸從而達到除鐵效果的一種最簡單的方法。漿料中的磁性雜質直接接觸磁棒表面，充分利用了磁棒的有效磁能，且除鐵磁棒結構簡單，使用方便。足夠數量的磁棒如果能夠優化排列，除鐵效果也相當不錯。磁棒為陶瓷企業最早使用的除鐵器件，通過增加數量，勤快清洗等補足方法，基本能保證陶瓷產品的品質，故在陶瓷生產中仍被廣泛使用。目前出現了不少全自動磁棒式除鐵機，可解決清洗困難和漿料品質波動等問題。除鐵磁棒的結構如圖4所示。

根據磁棒的結構和陶瓷廠實際使用的情況可知，它的推廣使用存在以下困難：

（1） 磁棒投入量大。現有的磁棒除鐵生產線上多采用漿槽截流式、漿槽沉降式除鐵槽，磁棒使用越來越多，動輒上千支，投資達十多萬。隨之而來的清潔工人也在增加，使用成本更高。

（2） 磁棒除鐵環境惡劣。由于除鐵槽為敞開式， 在球磨機出來后溫度達60～80℃的料中含有磷化物和硫化物，并且在除鐵過程中與空氣充分接觸， 磷化物和硫化物就會擴散到空氣中，散發出極為難聞的氣味。工人在除鐵清洗中也很容易造成部分漿料外濺，進一步造成除鐵環境的惡劣。

（3） 磁感應強度徑向衰減快，除鐵的有效區域非常窄，因此直接降低了除鐵效率。

（4） 磁棒使用壽命短。磁棒直接與漿料接觸，長時間受溫度的反復影響，磁棒很容易因表磁下降而失效，因此磁棒只能使用在60℃以下。磁棒在清洗過程中容易受到敲打或碰擊，也會影響其使用壽命。

（5） 清洗難度大。磁棒清洗都是在帶磁狀態下清洗，清洗難度大。對于一般的陶瓷廠來說，磁棒的數量多，人工清洗勞動強度大。

（6） 自動化程度低。清洗工人一般在溫度高、氣味重的環境下工作，因所從事的是繁重而又重復的體力勞動，很容易疲勞和情緒波動，容易發生不按規定、規程作業，導致磁棒除鐵效率不穩定，影響產品的品質，容易出現不安全事故。

2.3.2電磁除鐵機

（1） 電磁除鐵機的工作原理

漿料中顆粒的磁性質是電選的依據。有兩種顆粒的磁性質（即導磁性能的差別）不同，才有可能進行電選。

這種機械由直流勵磁電源往線圈供電。通電后，在線圈包圍的工作腔內產生電流磁場，對工作腔中的蜂房式濾片進行磁化，產生工作磁場。料漿通過磁化濾片時，鐵、鈷、鎳等金屬粉末及其氧化物就會被吸附在濾片上。電磁除鐵機簡圖如圖5所示。

（2） 電磁除鐵機的特性

1） 能夠產生比較高的工作磁場，最高在2～3×104Gs。

2） 能耗大，成本高。在工作中消耗的電能很大，且每增加一倍磁強，需增加幾倍以至幾十倍的成本。

3） 自動化程度低。間歇式工作，人工清洗，一般采用多臺串聯或并聯使用。

2.3.3感應式永磁除鐵機

感應式永磁全自動除鐵機是利用永磁代替電磁，以減少電耗，方便清洗，達到更好的使用效果。

（1） 吸鐵介質的結構原理

永磁除鐵機的吸鐵介質是通過以永久磁塊組成的磁極產生的磁場作為背景磁場，利用磁感應原理，在吸鐵介質表面產生表磁很高、梯度很大的工作場強，可達15000～18000Gs。其工作示意圖如圖6所示。

（2） 濕式永磁全自動除鐵機的使用性能

1） 實現全自動控制。通過電氣系統控制，除鐵、清洗作業全自動化，不須人工參與。

2） 高梯度、高場強，除鐵效率高。吸鐵介質場強可達15000～18000Gs，對中弱磁性雜質都有較好的吸附效果，除鐵率達80%以上。

3） 清洗徹底。使用高壓水直接噴射清洗吸鐵介質，清洗徹底。

4） 節能，環保。除鐵機使用全密封漿料通道，并使用永磁為磁源，能耗不大，達到較好的環保節能目的。

5） 磁材使用壽命長。由于磁鐵跟漿料不直接接觸(有一定的間隙)，高溫漿料很難影響永久磁塊的溫升，況且除鐵機使用常溫水清洗，可降低腔內溫度。由于磁材使用耐高溫等級(H級，耐溫120℃)，故該類型的除鐵設備的使用壽命較長。

2.3.4三種代表性除鐵設備的綜合性能參數對比（見表）

3陶瓷料漿除鐵器的發展趨勢

目前我國漿料除鐵器還存在以下幾個問題：

（1） 磁材綜合性能不佳。根據目前我國硬質磁材的發展水平，磁棒的最高表面磁場小于1萬Gs，磁塊更小；且溫度對磁性的影響很大，一般從球磨機中出來的漿料在80℃左右，長期在這種溫度狀態下使用的磁材，磁性容易退化，使用壽命2～3年左右；硬質磁材的價格居高不下，這給除鐵機技術的發展帶來了不少困難。

（2） 高效、節能、環保跟不上。陶瓷行業是一個高耗能、高污染的產業，隨著地球溫室效應的日益嚴重，國家對能源采取緊縮政策，對陶瓷機械的環保問題提出了新一輪的挑戰，而陶瓷料漿除鐵器清洗消耗所產生的大量水是一個有待解決的問題。電磁式除鐵器還有高耗電的問題，雖然磁棒清洗時耗水較小，但磁棒清洗消耗的人力卻不可估量，安全隱患多。

4結 語

由于國家對節能、環保問題的重視，佛山陶瓷廠面臨前所未有的環保壓力，這給漿料除鐵機市場帶來了新的契機，一款節能高效、除鐵效果好、自動化程度高的除鐵機已成眾多陶瓷廠家的迫切需求。隨著市場的發展，相信不久之后陶瓷漿料除鐵器技術將有新的突破。

參考文獻

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