CTDG系列永磁大塊干式磁選機磁系構造與優化設計

馬 超 田 震 桂致成 申法政 闞延松

(1.中鋼集團安徽天源科技股份有限公司；2.沈陽市興中工礦電子設備廠；3.上海申阜環保科技有限公司)

CTDG系列永磁大塊干式磁選機以永磁體作為磁場源，在特定的區域內形成非均勻磁場。這種非均勻磁場對于磁性礦物的驅動會帶來與非磁性物料相異的運動趨勢，從而獲得磁性礦物的分離效果。該磁選機筒體內部固定的磁系可以實現磁性物料在非均勻磁場中的移動，磁性礦物在磁場作用下將受到筒體的承托而聚集在筒體外表面，在摩擦力的作用下，通過筒體轉動將吸附于筒壁上的礦物帶至卸礦區域脫離。磁性礦物能否獲得良好的分離效果，主要取決于磁系的結構特性。由于礦物性質差異較大，磁系結構特性應該與礦石性質匹配才能取得較好的使用效果[2]。本文借助于Maxwell電磁有限元分析軟件，主要對CTDG系列永磁大塊干式磁選機磁系結構的不同設計方案與相適應的工藝特性進行探索研究，為實際磁路設計提供參考。

1 永磁筒式磁選機磁系結構特性

CTDG系列永磁大塊干式磁選機磁系結構為開放型磁系，特點是磁系中的磁極在同一側做相鄰配置，且磁極采用無感應鐵介質。磁通通過磁極間的空氣隙路更長，磁路的磁阻大，漏磁通多，因而這類磁系的磁場強度相對較低，一般用于分選強磁性礦物。

開放型磁系的磁場分布為非均勻磁場，磁極間的磁力線呈散射狀分布，在距離磁系表面一定區域內存在較強的磁場，形成較大的磁力分選區域，比較適用于處理量較大的強磁性礦物的選別。

根據磁場的基本特性可知，開放磁系磁場中任意一點(x，y)的磁場強度為

式中，H0為極面或極隙面上的磁場強度(此時y=0)，A/m；c為磁場的非均勻系數，m-1；l為極距，m；x為距磁極對稱面的距離(-l/2≤x≤l/2)，m；單位質量礦粒上的磁力稱為比磁力，以F磁表示，N/kg。

作用在礦物顆粒上的比磁力大小取決于反映礦物磁性的比磁化率x和反映磁場特性的磁力H·gradH。因此分選強磁性礦物時，礦物比磁化率較大，磁場力可相應降低；反之，弱磁性礦物的比磁化率較小，需要采用較大的磁場力，即采用高場強或高梯度來實現[3]。

CTDG系列永磁大塊干式磁選機磁極可分為軸向交變和徑向交變兩種，軸向交變的磁系特點為異性磁極沿軸向分布，徑向為同極性。鐵磁性礦物被吸附在筒體表面后，隨著筒體旋轉而移動，但在筒體表面并不翻轉，這樣可以避免礦物顆粒在翻轉的過程中被甩下。但由于在磁場區域內沒有翻轉過程，因而會夾雜一部分非磁性脈石，影響磁選精礦品位。同時由于吸附過程中沒有擾動，精礦回收率較高。

徑向交變的磁系特點為異性磁極沿徑向分布，徑向為異極性，鐵磁性礦物被吸附在筒體表面后，隨著筒體旋轉而移動，在筒體表面沿磁力線進行翻轉。在翻轉過程中，由于離心力、重力和水沖擊力等外力作用，非磁性脈石和部分沒有完全解離的連生體會被甩出，不再吸附于筒壁。因而磁選產品的品位通常較高，精礦回收率較低。此種結構是目前應用最廣泛的磁系結構，本文主要針對此結構的磁系進行研究。

2 磁滾筒尺寸與磁性材料

2.1 磁滾筒尺寸

磁滾筒長度與磁選機處理量基本上呈線性相關，嚴格意義上是與磁滾筒內部的磁系軸向長度有關。磁滾筒主要由磁系、筒皮、端蓋組成，由于一般筒式磁選機磁系的磁感應強度在軸向上沒有變化，因此磁滾筒越長，磁系在軸向上的作用區域就越大，對礦物的磁選能力也增大。磁滾筒的直徑與磁選機處理量則呈非線性相關關系，主要是由于筒體直徑增大后，內部磁系尺寸隨之增大。主要是在徑向上對處理量有影響，也即受磁場深度的影響。磁場深度主要由磁系的厚度、材質和結構決定，同類型磁系在只增加厚度的情況下，很難獲得與厚度、尺寸線性相關的磁場深度變化量[4]。

2.2 磁性材料

目前磁選機磁系主要采用鐵氧體和釹鐵硼這兩種磁性材料作為磁源，鐵氧體材料價格較低，而釹鐵硼材料中稀土含量較多，價格較高。一般情況下筒表平均磁感應強度較低時，全部采用鐵氧體制造磁系，并可通過增加釹鐵硼材料的用量來提高磁場性能。由于鐵氧體和釹鐵硼的材料價格差距較大，因此在磁系設計時也要充分考慮制造成本，在磁系結構上進行優化。

3 磁極極距對磁場特性的影響

磁極極距是磁選機磁系中各磁極間的距離，相同尺寸磁極在不同極距下，磁感應強度曲線在深度方向上不同。極距越小，筒表磁感應強度曲線峰值越高，但作用深度越淺；反之磁感應強度峰值較低，但作用深度較大。

假定有兩個平面磁系，磁極表面中心處的磁場強度H=80 kA/m，極面寬150 mm，在極距0，60，120 mm時分別在距離磁極表面6 mm處測定磁感應強度曲線，見圖1，磁感應強度峰值與距離磁極表面距離的關系見圖2。

圖1 磁極極距變化對磁感應強度的影響1—極距0 mm；2—極距60 mm；3—極距120 mm

圖2 磁感應強度與磁極表面距離關系曲線1—極距0 mm；2—極距60 mm；3—極距120 mm

由圖1、圖2 可知，在距離磁極表面60 mm處，磁極極距越大，磁感應強度峰值越小；離開極面距離的方向上，磁極極距越大，磁感應強度峰值衰減越小。

筒式磁選機磁系屬開放式磁系，磁極極距直接決定了分選礦石的粒度和層厚。礦石層厚較小時，礦粒靠近磁系表面移動，可以采用較小極距的磁系；當礦石層厚較大時，可以采用大極距的磁系，從而保證待分選礦石都處于有效磁場區域中。當磁系最大角度即有效分選區長度相同時，極距越小，磁極極數越多，磁鏈(被吸附礦石)的翻轉次數增加，有利于提高磁精礦質量。但由于增加了翻轉次數，可能會造成部分礦石連生體被拋離進入尾礦，造成尾礦磁性鐵含量升高[1]。

因此，磁精礦回收率和品位是相互矛盾的，提高產品質量的同時往往會降低回收率；反之，提高磁精礦回收率則往往會降低產品質量。因此在設計時，如何取得兩項指標的平衡點是磁系設計工作中的一項重要任務。

4 磁系優化設計實踐

4.1 粗粒磁選機磁系優化

為進一步節能減排，選礦廠通常對鐵礦采場原礦粗碎后的大塊礦石在入磨前進行干式就地拋尾，以減輕運輸系統壓力和后續工藝處理負荷，同時降低大量細粒尾礦的處理成本和尾礦堆積對環境造成的不利影響。

遼寧某礦業公司選礦廠原礦鐵品位偏低，主要鐵礦物為磁鐵礦。為降低選礦生產成本，解決大量低品位礦石造成的選礦指標不良問題，在磨選系統前進行干式拋尾，以拋除脈石和合格的低品位礦石。原礦粗破后，最大粒度可達350 mm，大部分粒度集中在30～200 mm。粗粒礦石受自身重量和運動慣性的影響，需要在輸送帶頭輪末端施加足以改變其拋物線軌跡的磁場強度才能有效回收磁性鐵含量較高的礦粒。

目前現場已有1臺CTDG1416大塊干式磁選機進行拋尾作業，但生產指標經常出現尾礦磁性鐵含量過高、精礦回收率偏低的問題，造成資源浪費，從源頭上影響最終鐵精礦產量，因此需對該設備進行改造。

對CTDG1416大塊干式磁選機現有磁系進行分析，距離筒表不同距離處的磁感應強度見圖3。

圖3 距筒表不同距離處的磁感應強度1—筒表磁感應強度；2—距離筒表70 mm處磁感應強度； 3—距離筒表100 mm處磁感應強度

從圖3可以看出，磁選機筒表平均磁感應強度達到400 mT時，距離筒體表面70 mm處的平均磁感應強度僅130 mT，距離筒表100 mm處的平均磁感應強度僅約90 mT。該磁選機磁系特點是筒表磁感應強度較高，但是在垂直筒表的深度方向上衰減較快，導致使用中遇到粗粒礦石或礦石層厚較大的情況時，無法完全覆蓋筒表礦石，造成一部分鐵礦石在較弱的磁場中被拋離。因此在最大粒度300 mm礦石的干選工藝中生產指標較差，回收率較低。

從提高磁場作用深度角度出發對磁系進行優化設計，使筒體表面平均磁感應強度達到400 mT時，在距離筒表70 mm處的平均磁感應強度達到220 mT，距離筒表100 mm處達到160 mT。改造后，該磁選機磁系的磁感應強度在深度方向上的衰減較低，可以產生足夠大的有效磁場范圍，從而適應粗粒礦石和較厚的礦石層。距筒表不同距離處的磁感應強度見圖4，磁系優化前后生產指標見表1。

圖4 距筒表不同距離處的磁感應強度1—筒表磁感應強度；2—距離筒表70 mm處磁感應強度； 3—距離筒表100 mm處磁感應強度表1 磁系優化前后鐵精礦生產指標%

從表1可看出，磁系優化后，在鐵精礦品位相差不大的情況下，產率大幅提升，尾礦鐵品位明顯下降，降低了鐵的損失。

4.2 細粒磁選機磁系優化

采用干式磁選預先富集細粒鐵礦(-10 mm)鐵品位，可用于缺水地區的鐵礦選礦，同時避免選礦過程中對水的依賴，降低后段球磨能耗，減少細粒尾礦產率，實際生產應用中也可以采用全流程干式磁選。

隨著目前環保整治力度的加大，采石場產量大幅縮減，建筑企業開始從鐵礦企業大量采購-10 mm的細碎尾礦作為建材骨料使用，使得干選尾礦具有價值優勢。出于經濟效益考慮，選礦廠在處理細粒鐵礦時，重點考慮提高細碎精礦產品品位，從而降低鐵精礦生產成本。

安徽某礦業公司選礦廠因建筑骨料銷售業務量增大，需要調整干選工藝。通過增大細碎尾礦產率、提高干選品位來降低后段入磨礦石量，減少磨礦能耗，降低生產總能耗，獲得更多的細尾礦作為建筑骨料出售。從經濟方面考慮，該方案的實施可提高選礦廠的整體效益。

該選礦廠現有干式磁選機生產指標中，精礦回收率較高，為實現技改方案，需要對原干選機磁系進行優化改造。現有磁系在距筒表不同距離處的平均磁感應強度見圖5。

圖5 現有磁系在距筒表不同距離處的磁感應強度1—筒表磁感應強度；2—距離筒表50 mm處磁感應強度

由圖5可知，現有干式磁選機筒表平均磁感應強度300 mT，峰值450 mT，有3個磁極，礦石翻轉次數較少，作用深度較深，保證了較高的磁性鐵回收率，也造成了大量的連生體進入精礦，影響鐵精礦品位。

為滿足工藝變更需求，根據磁系優化設計方案制造了1臺同尺寸的干選機用于現場生產。首先考慮提高干選鐵精礦品位，可降低鐵精礦回收率，增加細碎尾礦產品產率。因此需要增加礦石在筒體表面的翻轉次數，也即增加磁極數量。優化設計后的磁系距筒表不同距離處的平均磁感應強度見圖6。

圖6表明，優化后干式磁選機磁系增加到7個，筒體表面平均磁感應強度達到400 mT，平均峰值為500 mT。應用后，實際生產指標與原生產指標對比見表2。

由表2可看出，磁系優化后，干式磁選機精礦鐵品位提高了 10.00個百分點，尾礦產率提高了 34.10個百分點，滿足工藝改造的要求，帶來了較好的經濟效益。

圖6 磁系優化后，距筒表不同距離處的磁感應強度1—筒表磁感應強度；2—距離筒表50 mm處磁感應強度

表2 磁系優化前后生產指標對比 %

5 結 語

干式磁選機筒表磁感應強度并不能真實反映磁選機實際使用性能。磁選機磁系設計需要與磁選工藝需求相結合，以工藝訴求來引導磁系設計方向，對設備與工藝匹配度要求較高。

對粗粒礦石，如果要提高磁選精礦回收率，磁場作用深度是磁系設計中較為重要的影響因素，需要采用作用深度大、磁感應強度梯度低的磁系結構；對于需要提高磁選精礦鐵品位、降低精礦回收率的磁選工藝，在磁系設計中應重點關注磁鐵礦在磁場作用下的運動狀態，即提高單位區域內外力作用導致的加速度矢量變化和位移量，盡可能提高細碎尾礦產率，改善選礦廠整體經濟效益。