棒介質組合方式對脈動高梯度磁選效果的影響

曾劍武 陳祿政 丁 利 張惠芬

(1.復雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，云南 昆明 650093；2.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093；3.云南錫業職業技術學院國土資源系，云南 個舊 661000)

棒介質組合方式對脈動高梯度磁選效果的影響

曾劍武1，2陳祿政1，2丁 利1，2張惠芬3

(1.復雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，云南 昆明 650093；2.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093；3.云南錫業職業技術學院國土資源系，云南 個舊 661000)

為了客觀、全面、準確了解不同直徑棒介質絲組合而成的組合式棒介質及單一直徑棒介質對高梯度磁選效果的影響，基于“單元介質”分析法，采用SLon-100周期式脈動高梯度磁選機對鐵品位為38.10%的赤鐵礦石進行了選礦試驗。結果表明，3+2 mm組合棒介質(上8層φ3 mm棒介質+下8層φ2 mm棒介質)既有利于對粗粒級的回收，對細粒級的回收效果也不錯，因而對全粒級的回收效果較理想；相同類型棒介質絲的組成方式不同分選效果差異較大，因此，最佳排列組合方式應通過試驗確定。

脈動高梯度磁選 組合式棒介質 排列組合優化 赤鐵礦

磁介質作為高梯度磁選過程的載體，對高梯度強磁選的效能具有決定性的影響[1-2]。圓柱形棒介質工作可靠性高，易于優化排列組合，不易堵塞，因而在脈動高梯度磁選機中應用廣泛[3-4]。由于棒介質在高梯度強磁選過程中的重要地位和作用，因此，關于棒介質磁力捕獲的研究就成為了高梯度強磁選研究領域的一個重點。然而，迄今為止，有關棒介質捕獲方面的研究還主要局限于對棒介質“單絲磁力捕獲”理論的研究。實際上，棒介質內介質絲間存在磁場相互作用，磁場分布復雜，根據“單絲磁力捕獲”理論建立的磁捕獲動力學等理論模型與實際結果相差較大[5-6]；偶見的一些有關棒介質多絲的研究也僅是將棒介質看作多個單絲的簡單疊加，或忽略介質絲間的相互作用，或僅局限于理論和模擬分析研究，對實際高梯度磁選過程的指導作用有限[7]。

近年，Chen Luzheng等[8]提出一種“單元介質”分析法，通過試驗研究確定棒介質絲排列組合對高梯度強磁選效能的影響。結果表明，棒介質絲的直徑、間距、層數等對高梯度強磁選的效能具有明顯影響。但已有的研究內容，主要針對單一直徑棒介質，沒有報道過由不同直徑棒介質絲組合而成棒介質(組合式棒介質)對高梯度強磁選性能的影響。

棒介質高梯度磁場中，棒介質絲表面的磁場梯度隨絲徑的減小而增大，對磁性礦粒的磁力捕獲作用增強，但作用深度減小。理論上，處理細粒物料宜采用直徑小的棒介質，而粗粒物料宜采用直徑大的棒介質；因此，對于寬粒級物料，采用組合式棒介質，有利于實現不同粒級磁性礦粒的同步選擇性捕獲，可以提升脈動高梯度磁選的分選效能。基于這一分析，本研究應用“單元介質”分析法，進行組合式棒介質脈動高梯度強磁選赤鐵礦的試驗研究，以期證實這一理論分析。

1 組合式棒介質設計的理論基礎

在圖1所示圓柱體棒介質磁場中，磁性礦粒受到的磁力可以表示為[3-4]

(1)

(2)

(3)

式中，Fc、Fτ為礦粒受磁力Fm的徑向和切向分力，μ0為真空磁導率，Vp、Kp為礦粒的體積和體積磁化率，M為礦粒的磁化強度，H為背景磁場強度，a為棒介質絲的半徑，r為棒介質絲的磁力捕獲半徑，θ為礦粒與棒介質中心連線與x軸的夾角。

圖1 圓柱形棒介質絲的磁力捕獲半徑

根據赤鐵礦粒的感應磁化強度與背景磁場強度的關系曲線圖[9]，不同直徑棒介質絲磁場中，推導的礦粒受到的磁力大小比值(以下簡稱磁力比)為

(4)

其中，Rm為磁力比，即在相同磁力捕獲距離時，礦粒受到不同直徑棒介質絲的磁力的大小比值;FmD、FmN分別為半徑為D和N的棒介質絲作用于礦粒的磁力;d為磁力捕獲距離，即棒介質絲表面到礦粒中心的距離。

根據式(4)，不同磁力捕獲距離d條件下，赤鐵礦粒受到1 mm棒介質絲與2、3和4 mm棒介質絲的磁力比見圖2。

圖2 赤鐵礦粒受到1 mm與2、3和4 mm棒介質絲的磁力比

由圖2可見，在與1mm棒介質等磁力捕獲距離(即Rm=1.0)以內，與2、3和4mm棒介質絲比較，1mm棒介質絲作用于礦粒的磁力更強；這一等磁力捕獲距離隨棒介質絲徑的增大而增大，對2、3和4mm棒介質絲而言，它們與1mm棒介質絲比較的等磁力捕獲距離分別為0.70、0.85和0.97mm。這說明，在一個組合式棒介質中，只要不同直徑棒介質絲間距取值合適，可以使礦粒受到的磁捕獲力相同，這即是組合式棒介質設計的理論基礎。

2 試驗方法與試樣性質

2.1 單元介質分析法

采用“單元介質”分析法(SMA)進行組合式棒介質脈動高梯度強磁選赤鐵礦的試驗研究。該分析法的核心是將棒介質堆看作多個單元介質模塊的有機組合，從而實現對棒介質堆內部磁性礦粒捕獲行為的定性分析和定量測定。如圖3，首先制作一系列單層或多層棒介質單絲排列的單元介質模塊，然后選擇若干個單元介質模塊進行有機排列組合，得到不同排列組合的棒介質堆。

圖3 單元介質分析法示意

應用SLon-100周期式脈動高梯度磁選機[1]，開展組合式棒介質脈動高梯度磁選赤鐵礦的試驗研究。試驗完成后，將磁性產品分成+400目和-400目2個粒級，分別過濾、烘干、稱重、化驗，計算粒級回收率和全粒級回收率。

試驗的SLon-100磁選機的脈動沖程和沖次分別為6 mm和180 r/min、給礦量為120 g、礦漿流速和濃度分別為14 L/min和10%，對比試驗的棒介質絲層數均為16層，4類棒介質堆分別為單一φ2 mm和單一φ3 mm棒介質堆、上8層φ2 mm+下8層φ3 mm棒介質堆(簡稱2+3組合)以及上8層φ3 mm+下8層φ2 mm棒介質堆(簡稱3+2 mm組合)。

2.2 試樣性質

赤鐵礦試樣的主要鐵礦物為赤鐵礦，脈石礦物主要為石英和長石，鐵品位為38.10%，試樣篩析結果見表1。

表1 試樣篩析結果

從表1可見，試樣粒度粗細不均，鐵在細粒級有明顯的富集現象。其中+200目粒級產率19.80%，鐵品位為28.05%；-400目粒級產率占54.45%，鐵品位為41.36%。

3 試驗結果與討論

3.1 不同組合棒介質分選效果對比

不同組合棒介質分選效果對比試驗的背景磁感應強度為1.0 T，試驗結果見表2，各精礦篩析結果見表3。

表2 不同組合棒介質對比試驗鐵精礦指標

表3 各精礦篩析結果

從表2可見，4種棒介質獲得精礦鐵品位接近，相比較而言，φ2 mm棒介質堆的分選效果好于φ3 mm棒介質堆，3+2組合棒介質堆的分選效果好于2+3組合棒介質堆；φ3 mm棒介質堆取得的精礦鐵品位較高，但回收率顯著低于其他3種介質；3+2組合棒介質堆的精礦鐵回收率最高；有φ2 mm棒的介質堆均有較高的鐵回收率；不同的組合方式分選效果差異較大，尤其是對精礦回收率的影響。

從表3可見，φ2 mm棒介質堆更有利于對微細粒級的回收，而3+2組合棒介質堆更有利于對粗粒級的回收，對細粒級的回收效果也不錯；φ3 mm棒介質堆具有提高精礦品位的效果同時體現在粗粒級和細粒級上。

3+2 mm組合棒介質堆分選效果優于2+3組合棒介質堆，這主要是由于物料通過3+2組合棒介質堆時，先通過上部粗介質，棒介質絲以捕獲粗粒級鐵礦物為主，同時捕獲易選的細粒級，通過粗介質的物料進入下部細棒介質區時，試樣中鐵礦物數量大大減少，從而有利于棒介質絲捕獲細粒級鐵礦物，因而鐵礦物回收最充分；而當物料通過2+3組合棒介質堆時，試樣先通過上部細棒介質，棒介質絲對粗、細鐵礦物均可有效捕獲，但在此區域鐵礦物數量較多，捕獲概率下降，-400目細粒級鐵回收率較低，試樣進入下部粗棒介質后，棒介質表面磁場梯度變小，進一步惡化對-400目細粒級鐵礦物的回收，因而鐵礦物回收效果不理想。

綜上所述，在對粒度范圍較寬的物料分選上，3+2組合棒介質堆具有兼顧粗、細粒級回收的效果。

3.2 背景磁感應強度對組合式棒介質脈動高梯度強磁選的影響

由于單一棒介質情況下磁感應強度變化對選別效果影響的研究較為充分[10]，因此，對分選效果較好的3+2組合棒介質堆進行背景磁感應強度對脈動高梯度磁選精礦指標的影響試驗，結果見圖4。

從圖4可見：①隨著背景磁感應強度的提高，精礦鐵品位下降、鐵回收率上升，至0.8 T后精礦鐵品位趨于穩定，至0.8 T后，-400目粒級和全粒級鐵回收率趨于穩定，而+400目粒級則在1.0 T后趨于穩定。②-400目粒級鐵品位均高于+400目粒級，這與試樣中-400目粒級鐵礦物的解離度和鐵品位高于+400目粒級有關；-400目粒級鐵回收率低于+400粒級與棒介質絲磁力捕獲試樣中-400目粒級細鐵礦物的能力弱于+400目粒級的粗鐵礦物有關。

圖4 磁感應強度對3+2組合棒介質堆高梯度磁選指標的影響

Chen Luzheng等的研究表明，組合式棒介質的鐵回收率指標與單一直徑棒介質有所不同，前者隨背景磁感應強度提高而快速提高，后者提高則較為平緩[10]。

4 結 論

(1)組合式棒介質設計的理論基礎是，在一個組合式棒介質中，只要不同直徑棒介質絲的絲間距取值合適，可以使各棒介質絲作用于礦粒的磁捕獲力大小相等。

(2)3+2 mm組合棒介質堆既有利于對粗粒級的回收，對細粒級的回收效果也不錯，因而對全粒級的回收效果較理想。

(3)相同類型棒介質絲的組成方式不同分選效果差異也較大，因此最佳排列組合方式應通過試驗確定。

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(責任編輯 羅主平)

Effect of Rod Matrix Arrangement on Pulsating High Gradient Magnetic Separation Performance

Zeng Jianwu1,2Chen Luzheng1,2Ding Li1,2Zhang Huifen3

(1.StateKeyLaboratoryofComplexNonferrousMetalResourcesCleanUtilization，Kunming650093，China；2.FacultyofLandResourcesEngineering，KunmingUniversityofScienceandTechnology，Kunming650093，China；3.FacultyofLandResources，YunnanTinCollegeofVocationalandTechnical，Gejiu661000，China)

Beneficiation experiments were conducted on a hematite ore with 38.10% Fe by SLon-100 Cycle Type Pulsating High Gradient Magnetic Separator based on "unit medium" analysis method so as to objectively，comprehensively and accurately understand both the combined rod medium of various diameters and the rod medium of single diameter affecting high gradient magnetic separation.The results indicated that 3+2 mm combined rod medium (upper eight layers withφ3 mm rod medium,under eight layers withφ2 mm rod medium) can recover the coarse magnetic particles，and also the fine particles.It can get well recovery index for the whole particles.With the same type of rod matrix，there will a large different separation performance for various arrangements.Thus，the optimum arrangement should be determined by experiments.

Pulsating high gradient magnetic separation，Combinative rod matrix，Arrangement and combination optimization，Hematite ore

2014-11-07

國家自然科學基金項目(編號：51104076)，云南省教育廳重點項目(編號：2014C009Z)，教育部博士點基金項目(編號：20115314120006)。

曾劍武(1990—)，男，碩士研究生。通訊作者 陳祿政(1978—)，男，博士，教授。

TD457

A

1001-1250(2015)-03-161-04