介質棒排布對細粒高梯度磁選指標的影響

劉 磊，岳鐵兵，郭珍旭，呂 良，曹 飛

（1.中國地質科學院鄭州礦產綜合利用研究所，河南 鄭州450006；2.國土資源部多金屬礦評價與綜合利用重點實驗室，河南 鄭州450006）

高梯度磁選是分選細粒弱磁性顆粒的有效方法，而圓柱形磁介質（或稱棒介質）由于具有工作可靠性高、易于實現優化組合排布和不易堵塞的優點而被廣泛應用在高梯度磁選機中[1－2]。在單根棒介質高梯度磁場中，當棒介質的半徑與給料顆粒半徑存在有合適的比值時，介質棒作用在鄰近磁性顆粒上的磁力最大，這種合適的比例關系稱為梯度匹配。合適的比值可由磁性顆粒在高梯度磁場中所受的磁力（式1）確定，理論計算，梯度匹配為2.69[3]。

式中：Fm為弱磁性顆粒所受磁力；a為介質棒半徑；b為顆粒半徑；r為離介質棒中心距離。

從式（1）還可以看出，單根介質棒外任一點磁場力Fm至少與r3成反比，隨著r的增加而迅速減小，當r＝2a時，磁力小于或等于r＝a時的1／8，可以認為有效磁力的作用范圍為a＜r＜2a。有效磁力的作用范圍決定了棒介質排列中相鄰兩棒的間隙不宜太大[4－5]，兩棒間隙為2a時，捕收效果較為理想，此時的介質充填率為19.63%，介質棒間隙與介質棒直徑相同。

事實上，高梯度磁選給礦的粒度范圍比較寬，很難實現介質棒直徑與顆粒直徑的梯度匹配。為了提高細粒弱磁性顆粒的捕收磁力，目前通常采用直徑較小的棒介質（一般為1.5～2mm）。

本文對鞍山式貧赤鐵礦石進行高梯度強磁分選試驗研究，在介質棒間隙與直徑相同的組合排列下，分析介質棒直徑大小對細粒級分選指標的影響。研究結果對高梯度磁選機棒介質組合排列的選擇具有一定的指導意義。

1 試驗樣品與試驗設備

試驗樣品取自鞍鋼集團齊大山鐵礦選礦分廠，有用礦物主要是赤鐵礦，TFe品位為25.32%；脈石礦物主要為石英，其次為黑云母、綠泥石、橄欖石等含鐵鋁硅酸鹽礦物。

采用XCQS型順控濕式強磁選機對不同磨礦細度的赤鐵礦石進行強磁選試驗，每次試驗礦樣為100g。強磁選機磁系為電磁磁系，由激磁線圈和鐵軛組成，激磁電流0～20A，對應背景磁場強度0～864kA／m，介質為圓柱棒狀磁介質，其排列類型如圖1所示，介質組合排布如表1所示。

圖1 分選磁介質排布形式

表1 介質組合排布

2 赤鐵礦高梯度強磁選試驗研究

2.1 介質棒直徑對強磁選指標的影響

在背景磁場強度為358kA／m、給礦粒度為－0.074mm 55%條件下進行不同介質組合排布（表1）的高梯度強磁選試驗，介質棒直徑對精礦指標（C）和尾礦指標（T）的影響如圖2所示。

圖2 介質棒直徑對分選指標的影響

隨著介質棒直徑的增加，精礦品位和回收率均提高；尾礦的品位降低，尾礦的產率提高，但提高的幅度不明顯。試驗結果表明，隨著介質棒直徑的增加，高梯度磁選機的分選指標得到改善。

為了繼續驗證上述結論，選用介質組合排布Ⅱ和Ⅳ進行后續的對比試驗。

2.2 背景磁場強度對強磁選指標的影響

在給礦粒度為－0.074mm 55%的條件下進行不同背景磁場強度的高梯度強磁選試驗，背景磁場強 度 分 別 為 358kA／m、454kA／m、549kA／m、645kA／m。背景磁場強度對精礦指標（C）和尾礦指標（T）的影響如圖3所示。

圖3 背景磁場強度對分選指標的影響

隨著背景磁場強度的增加，精礦品位降低，回收率提高，背景磁場強度增加到549kA／m后回收率升高的速度變緩；尾礦品位和產率均降低，背景磁場強度增加到549kA／m后回收率降低的速度變緩。為降低尾礦品位，獲得較高的精礦回收率，后續試驗中的背景磁場強度為645kA／m。

與組合排布Ⅱ分選效果相比，在同一背景磁場強度下，組合排布Ⅳ的精礦品位和回收率均明顯提高，但是產率的變化不明顯。組合排布Ⅳ的分選效果優于組合排布Ⅱ。

2.3 給料粒度對強磁選效果的影響

在背景磁場強度為645kA／m的條件下進行不同給料粒度的高梯度強磁選試驗，給礦－0.074mm含量分別是55%、70%、85%、98%。給礦粒度對精礦指標（C）和尾礦指標（T）的影響如圖4所示。

圖4 給礦粒度對分選指標的影響

隨著給礦中－0.074mm含量增加，精礦品位和回收率均提高，－0.074mm含量增加到85%后回收率降低；尾礦產率提高，尾礦品位降低，－0.074mm含量增加到85%后尾礦品位升高。這表明，給礦中－0.074mm含量達到98%時，尾礦中金屬量流失嚴重，分選指標下降。

與組合排布Ⅱ分選指標相比，當給礦中－0.074mm含量小于85%時，組合排布Ⅳ的分選指標較好，精礦品位提高1.2%～1.6%，精礦回收率提高1.6%～2.5%。當給礦中－0.074mm含量達到98%時，組合排列Ⅳ的分選效果差，尾礦品位提高，精礦回收率降低。

對于齊大山選廠鐵礦石，采用直徑為4mm、間隙為4mm的棒介質組合排布在－0.074mm占85%的給礦細度、645kA／m的背景磁場強度下的高梯度強磁選的分選指標最好，當原礦品位25.32%時，強磁選精礦TFe品位為60.42%，回收率為83.12%。

3 顆粒在分選空間的受力分析

磁場力切向分量（H·gradH）θ是使一個磁性顆粒向圓柱形介質棒表面（θ＝0°和θ＝180°的位置）移動的磁場力，磁場力徑向分量（H·gradH）r是使磁性顆粒吸附在介質棒上的磁場力。假定一個純赤鐵礦顆粒（理想化為球形顆粒，直徑為b）最終吸附到介質棒上，受力分析如圖5所示。忽略顆粒之間的摩擦力和壓力以后，作用在磁性顆粒上的力有：重力G，介質棒對顆粒的磁力Fm和摩擦力f，顆粒所受的粘滯阻力[4]。

磁性顆粒能夠吸附在介質棒上所必須滿足的條件為式（2）、式（3）。

圖5 單個顆粒在介質棒表面受力分析

即

當θ＝0°時，顆粒中心處切向磁場強度分量Hθ為0，介質棒對顆粒的磁力和摩擦力如式（4）式（5）所示，顆粒重力如式（6）所示，顆粒所受的粘滯阻力如式（7）所示。

式中：μ0為真空中的磁導率，μ0＝4π×10－7H／m；Ρ為顆粒密度，ρ赤鐵礦＝5.0×103kg／m3；χ0為赤鐵礦的比磁化率，χ0＝12.7×10－7m3／kg；H0為背景磁場強度，A／m；Η為礦漿流動粘滯系數，η＝1.25×10－6m2／s（礦漿濃度為20%）；v0為礦漿流速，v0＝0.01m／s；g為重力加速度，g＝9.8m／s2；μ為動摩擦系數；α為赤鐵礦的動摩擦角，α＝30°，tanα＝0.58；γ為連生體顆粒中弱磁性礦物的體積百分數，%。

磁力Fm中的“—”表示其方向與背景磁場強度方向相反，Fm與弱磁性礦物的比磁化率χ0和背景磁場強度的平方H02成正比。根據公式（4）～（7）計算出不同直徑顆粒在背景磁場強度為H0＝645kA／m下受力情況如表2所示。

從表2可以看出，隨著介質棒直徑的增加，（G＋Fd）／f增大。當顆粒直徑＞0.010mm 時，（G＋Fd）／f為10－2數量級。與2mm 介質棒相比，4mm介質棒對顆粒的捕收磁力雖然降低，但（G＋Fd）?f，其捕集能力并不會減弱。當顆粒直徑＜0.010mm時，（G＋Fd）為f的10－1數量級，赤鐵礦顆粒不能被介質棒牢牢捕獲甚至不能被捕獲。與2mm介質棒相比，4mm介質棒對顆粒的捕收磁力顯著降低，其捕集能力明顯減弱。因此，當磨礦細度達到－0.074mm 98%時，尾礦中－0.010mm含量較多，導致金屬量流失嚴重，尾礦品位提高，這在4mm介質棒下更為明顯。

表2 不同顆粒在不同介質棒直徑下的受力情況

然而，在棒介質高梯度磁場中分選實際礦石顆粒的過程中，非磁性礦物的機械夾雜現象不可避免[6－7]。機械夾雜可通過圖6進行解釋，當進入介質盒的礦漿通過介質棒時，磁性顆粒首先被吸附到介質棒上，在朝向礦漿流方向上形成一個凹面（圖6（a）），凹面的存在阻礙非磁性顆粒的通過，并使得一些非磁性顆粒在凹面上聚集。在礦漿水流的作用下，凹面上部分非磁性顆粒被沖洗掉，但另一部分卻被后續的磁性顆粒所覆蓋。顆粒聚集層越厚，非磁性顆粒被越不容易被沖洗掉。當顆粒聚集層外層顆粒所受的磁捕收力與礦漿流體動力達到動態平衡后，介質棒停止對顆粒的捕收，如圖6（b）所示。介質組合排布Ⅳ與Ⅱ相比，兩棒間的分選空間增大，礦漿在向下流動的過程中，顆粒群的分散效果較好。此外，隨著介質棒直徑的增大，顆粒所受的磁力減小，有效磁力的作用范圍也相應的縮小，顆粒聚集層的體積減小。因此，選用介質組合排布Ⅳ時非磁性礦物的機械夾雜現象減弱，精礦的品位和回收率增高。然而，由于介質充填率相同，介質棒有效捕收點數量大致相同，使得兩種組合排布下的精礦和尾礦的產率并沒有明顯的變化。

圖6 棒介質高梯度磁場分選過程機械夾雜示意圖

4 結論

本文對鞍山式貧赤鐵礦石進行高梯度強磁分選試驗研究，采用XCQS型順控濕式強磁選機對不同磨礦細度的赤鐵礦石進行強磁選試驗。在介質棒間隙與直徑相同的組合排列下，分析介質棒直徑大小對細粒級分選指標的影響。

1）選用直徑與間隙相同的棒狀介質組合對細粒赤鐵礦石進行高梯度磁選試驗，在相同的背景磁場強度下，當給礦粒度－0.074mm≤85%時，相對于小直徑（例如：2mm）介質組合下的分選效果，大直徑（例如：4mm）介質組合下的精礦品位和回收率均提高。在背景磁場強度為645kA／m的條件下，精礦品位提高1.2%～1.6%，精礦回收率提高1.6%～2.5%，分選效果得到改善。當給礦粒度－0.074mm＞85%后，高梯度磁選尾礦中存在金屬量流失，這在大直徑的介質組合下更為明顯。

2）對于齊大山選廠鐵礦石，采用直徑為4mm、間隙為4mm的棒介質組合排布在－0.074mm占85%的給礦細度、645kA／m的背景磁場強度下的高梯度強磁選的分選指標最好，當原礦品位25.32%時，強磁選精礦TFe品位為60.42%，回收率為83.12%。

3）對單根棒介質外高梯度磁場中弱磁性礦物顆粒的受力分析研究表明，對于－0.010mm的顆粒，（G＋Fd）接近f，赤鐵礦顆粒不能被介質棒牢牢捕獲甚至不能被捕獲，造成金屬量流失。對于－0.15＋0.010mm 的顆粒，（G＋Fd）／f為10－2數量級，介質棒的捕集能力強。隨著介質棒直徑的增加，介質棒對細顆粒的捕收磁力減小，兩棒間顆粒群的分散效果變好，顆粒聚集層的體積減小，使得非磁性礦物顆粒的機械夾雜減弱，精礦的品位和回收率得到提高。

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