難選弱磁性礦物磁選技術現狀

曹昆

摘要：在磁性礦物資源的開發利用過程中，弱磁性礦物一直占據著巨大比重。因弱磁性礦物相對難選，對分選技術要求較高，與弱磁性礦物磁選相關的設備、工藝和理論的研究也在持續不斷的更新。本文凝煉了弱磁性礦物磁選過程中采用的設備、工藝和理論的研究現狀，并展望了未來弱磁性礦物磁選的發展方向，以期對弱磁性礦物高效率分選提供基礎指導。

Abstract： In the development and utilization of magnetic mineral resources， weak magnetic mineral always occupies a large proportion. Because weakly magnetic minerals are relatively difficult to be selected and have high requirements for separation technology， the research on equipment， technology and theory related to magnetic separation of weakly magnetic minerals is constantly updated. In this paper， the equipment， technology and theory used in magnetic separation of weak magnetic minerals are condensed， and the development direction of magnetic separation of weak magnetic minerals in the future is prospected， so as to provide basic guidance for efficient separation of weak magnetic minerals.

關鍵詞：弱磁性礦物；高梯度磁選；磁選設備；磁選工藝；磁選理論

Key words： weakly magnetic mineral；high-gradient magnetic separation；magnetic separation equipment；magnetic separation process； magnetic separation theory

中圖分類號：TD92 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2019）02-0188-04

0 引言

近年來，弱磁性礦物的磁選一直是磁選領域的熱點和難點問題，因其磁化率或磁場磁感強度不能滿足要求，致使磁選回收率較低（在強磁場磁選機中分選時）。高梯度磁選機的出現，雖然較大幅度地提高了弱磁性礦物的回收率[1]，但是又出現粉體夾雜、介質堵塞等問題，這導致分選后礦物品位降低。國內外學者持續研究弱磁性礦物磁選過程中，有些對強磁選設備進行了優化，有些嘗試通過實驗得到最佳工藝參數從而指導某種弱磁性礦物的分選工作，還有些對磁選過程中礦粒的動力學方程、運動速度、運動軌跡等做出了合理的理論分析。這些學者的研究對弱磁性礦物的磁選回收率和品位的提高都起到了一定的推動作用。

1 磁選設備

本部分重點總結了在解決弱磁性礦物回收率低這一現狀中，磁選設備經歷的典型換代。其中強磁場磁選機是分選弱磁性礦物的關鍵設備，具體可分為干式強磁場磁選機、濕式強磁場磁選機和高梯度磁選機。

1.1 干式強磁選機 干式強磁選機可分為盤式、輥式、筒式，其中，較為廣泛使用的是輥式。鄭州綜合所研發了一種往復干式永磁高梯度磁選機，采用閉路磁系設計，無漏磁，分選空間的梯度磁感應強度可達1.5T及以上，具有磁場作用深度大、分選作業連續、能耗低、背景場強高、結構簡單和操作維護方便等優點，適用于弱磁性礦物的分選和非金屬礦物的提純[2]。

1.2 濕式強磁選機 濕式強磁場磁選機可分為永磁濕式強磁場磁選機和電磁濕式強磁場磁選機。其中，瓊斯型強磁選機作為一種濕式強磁場磁選機，首次使用聚磁介質，是強磁場磁選機中的一個重大突破。

劉石梅[3]針對傳統閉合磁系電磁強磁選機存在的高能耗問題，研發了一種開放磁系圓筒型濕式強磁選機，其強磁力捕收線分布密度高達125m/m2，分選筒表面峰值磁場強度可達1.030T。通過對鈦鐵礦的磁選試驗研究，驗證了開放磁系結構有效分選微細粒級弱磁性礦物的可行性。

1.3 高梯度磁選機 高梯度磁選機有周期式高梯度磁選機、連續式高梯度磁選機、Slon型立環脈動高梯度磁選機、雙立環式磁選機、氣水聯合卸礦雙立環高梯度磁選機等。

Johannes Lindner等[4]在高梯度磁選機的基礎上研發了一種新設備，該設備將高梯度磁選和沉降離心結合在一起，有效克服了傳統高梯度磁選機不能連續分選的缺點，在磁場強度合適的情況下，該設備的分選效率可達99.9%。預示未來可以通過將永磁磁鐵和MEC原則組合使用的方法降低該設備運行成本和能耗。

許麗敏等[5]對立環高梯度磁選機的磁系結構設計進行了優化，即將原立環高梯度磁選機中的對稱磁系結構改為非對稱結構磁系，從而有效提高了溢流出口處的背景磁感應強度，減少了弱磁性礦物在溢流出口處的脫落。此次改進對設備的性能和選礦指標都有了明顯的改善，以至于這種非對稱磁系結構已在工業上大規模應用。饒宇歡等[6]研制出了系列化和大型化的立環脈動高梯度磁選機，在工業上被大規模地應用。

曹志良等[7]針對單一種類的磁選機分選粒度范圍較窄導致的對弱磁性礦物分選不夠高效的問題，研制了新型自助式干法永磁強磁選機、自助式濕法永磁強磁選機以及寬粒度立環強磁選機，通過強磁選組合設備對不同粒級的礦物進行分級磁選，工業試驗結果驗證了該強磁選組合設備能夠有效擴大弱磁性礦物的分選粒級范圍，具有較高的應用推廣價值。

焦紅光等[8]針對現有技術中所存在的不足之處研制了一種盤式結構永磁高梯度綜合力場分選機，具體指的是在分選過程中設有促使物料松散并依循磁力方向運動的機械振動盤式永磁高梯度磁選機。可適用于高嶺土、蒙脫石、鉀長石等非金屬礦磁性物選別以及高爐噴吹煤粉磁選脫硫等領域。該分選機可實現跳躍性給料，消除物料夾雜現象，滿足高品位分選的要求。同時，在綜合力場中加大了磁性物料被聚磁介質捕捉的可能性，使分選更徹底。

史長亮等[9]發明公開了一種實現高背景場強的永磁閉合磁系結構，可應用于極弱磁性粉體干法或濕法提純領域。該永磁閉合磁系結構包括采用對極式布置結構相同的N、S極磁源，其中，所述N極磁源是由兩塊矩形結構的磁軛、八塊規格尺寸相同的矩形結構的永磁磁鋼、一塊梯形結構的導磁磁極頭組成；所述S極磁源與所述N極磁源結構相同，布置方式與N極磁源對稱，可以減少漏磁、提高背景磁感應強度。

2 磁選工藝

為了進一步提高弱磁性礦物品位，解決回收率低的問題，磁選工藝得到了發展進步。

2.1 破磨-分級-高梯度磁選 目前，國內外對于弱磁性礦物的分選大都采用的是磁選工藝。

其中，水鋼某礦山礦石解離度較好，在-1mm以下即已解離，很好的達到分選效果，但礦石必須經過球磨，生產成本高；貴州某褐鐵礦選廠考慮到該礦石解離度較好，首先采用-5mm粒級礦石破碎后直接進入SLon磁選機磁選工藝，當精礦品位達到53%左右時，-1mm時的鐵回收率為23.26%、產率為13.09%，-5mm時的鐵回收率為35.63%、產率為18.94%，說明-5mm粒級礦石破碎后直接進人Slon磁選機比-1mm粒級礦石經過磨礦后進入Slon磁選機分選效果更好，主要原因就是-5mm礦石未經磨礦，沒有泥化，回收率高。該工藝生產流程簡單，而且節約了磨礦成本[10]；云南某赤鐵礦選礦廠采用破碎后-5mm粒級礦石進入SLon磁選機磁選，即在磨礦前分選出合格鐵精礦，符合“能拿早拿”的選礦原則，減少了后續磨礦量，提高了球磨后選礦廠的處理能力，有效降低了生產成本，并防止有用礦物的過磨從而提高了精礦回收率[10]。

2.2 原礦改性-磁選工藝 徐淑安等[11]針對云南文山鋁業所產生的赤泥中的鐵難以用常規磁選方法有效回收的問題，進行了一種疏水團聚-磁種法回收赤泥中微細粒鐵礦的試驗。在優化條件下，疏水團聚-磁種法與直接磁選相比，鐵品位提高了14.67%，回收率提高了18.9%；疏水團聚-磁種法-1粗1精磁選與直接磁選相比，品位提高19.87%，回收率提高9.6%。

喬吉波等[12]針對彝良鮞狀齒褐鐵礦的提鐵降磷采用強磁選-反浮選工藝，可以達到較好的分選效果。分選指標如下：鐵品位為54.70%；回收率為79.44%；含磷量為：0.17%。

李廣濤等[13]對鐵品位為38%左右的四川某高磷鮞狀赤褐鐵礦進行了磁化焙燒-磁選方法試驗研究，研究得到品位60%以上、回收率70%以上、含磷量0.3%的鐵精礦，有效解決了該礦磷含量高、無法利用的問題。

3 磁選理論

隨著科技的進步和多學科相互交融的結果，數學方法、物理模型法、計算機軟件模擬等算法相結合共同促進了磁選理論的發展。

3.1 礦粒運動速度 翟宏新[14]簡化了磁選機物理模型，建立了單一礦粒的運動微分方程，求解后得到礦粒沿工作間隙運動的速度，根據礦粒速度與極角的關系曲線，得到機械力的分布曲線，根據計算結果，繪制了合力、分力與速度的曲線。熊大和[15]利用計算機輔助計算了弱磁性礦粒在磁粒捕獲區的運動速度、加速度和捕獲時間。劉鵬等[16]對磁場分選空間中的單顆粒微粒進行了動力學分析，通過對顆粒的受力分析和運動分析建立了HGMS分選過程中礦粒的運動模型以及單顆粒礦粒被捕獲時聚磁介質的當量直徑模型，并考慮了微粒被捕獲在聚磁介質上時的幾種極端情況。Anna Sandulyak等[17]通過測量磁力并進行適當的積分，得到干式磁選的一個關鍵參數—鐵粒子終端速度，即保證捕獲粒子的速度。

3.2 礦粒運動軌跡 翟宏新[14]利用連續照相機拍攝了實驗室型強磁場磁選機中順磁礦粒的運動軌跡，驗證了強磁選機分選過程的理論模型。熊大和[15]利用計算機輔助繪出了弱磁性礦粒在捕獲區的運動軌跡圖，可以幫助我們更加深入了解高梯度磁選捕收機理。

Olayinka Oduwole等[18]用視頻記錄磁珠的軌跡，用離焦圖像記錄磁珠的相對軸向位移，用MATLAB建立了三維數值模型比較二者關系，該模型有效預測了懸浮在均勻磁場、靜態流體中的三個超順磁性磁珠的軌跡模式和相互作用，有利于減少磁選過程中結塊行為。

魏紅港等[19]針對弱磁性礦粒在高梯度磁場GCG型強磁選機中的運動進行動力學分析，建立了關于運動軌跡的數學模型，得到了一種可以控制分選效果的方法，即控制輥的轉速和磁場強度。

張義順等[20]基于二維離散元軟件PFC2D，研究了干式磁分離過程磁性顆粒運動行為，考察了磁場強度、極距、比磁化率、錐角對顆粒運動軌跡中位移、速度、平均不平衡力的影響。結果表明：磁場強度、比磁化率越大，顆粒在磁場中受力越大，位移、速度變化越明顯，有益于顆粒的磁力捕集；保持顆粒距錐尖相對距離l/2，極距越小，位移、速度變化趨勢越大，越有利于磁性顆粒的吸附、系統的穩定；錐角為π/3時，顆粒所受磁場力最大，系統易達到平衡狀態；錐角對系統影響最弱，比磁化率較極距、磁場強度對系統影響大。

3.3 動力學方程 熊大和[15]推導了弱磁性礦粒在單根棒介質高梯度磁場中的動力學方程。Anna Sandulyak等[17]重視鐵粒子運動方程中參數的真實數據，將動力學方程適當地調整到分離過程的適當條件。劉佳庚[21]針對懸浮式干式磁選機分選過程建立了礦物顆粒的動力學預測模型，通過滾動優化的方式對磁選過程進行優化控制，解決了分選過程實時控制的問題，提升了懸浮式干式磁選機的精礦回收率。

3.4 其他方面研究 Kanok Hournkumnuar等[22]利用基于MPI的并行算法，對弱磁性納米粒子在HGMS中的濃度動態進行模擬；利用有限差分法和計算機仿真方法對系統中描述濃度動態的連續性方程進行求解，仿真結果顯示了該系統在順磁和反磁兩種模式下的濃度分布；瞬態結果描述了由于磁場和擴散效應之間的競爭而導致顆粒運輸的特征，顯示了飽和、聚集和損耗的區域。穩態結果為磁場強度的試驗調整提供了基本指導，以達到所需的捕獲效率和保持磁場所需的最短時間。

Jinli Zhang等[23]通過研究利用HGMS從FTS催化劑蠟混合物中分離磁性催化粒子的有效性，建立了三維多線數學模型，利用建立的模型研究了影響HGMS分離效率的四個主要因素：導線間距、基體間的軸向距離、基體間的排列角和外磁場強度。在試驗優化的基礎上，通過HGMS可將催化劑/蠟混合物的磁性鐵含量降低到30ppm以下，對鐵顆粒的分離效率可達99.77%。

T. Leiner等[24]對入料和產品進行礦物釋放分析，把從純礦物測量和從文獻獲得的磁化率數據與釋放分析中的粒子組成數據結合在一起，計算繪制磁選分配曲線；討論了立體校正、磁化率等級的寬度以及計算中所使用的礦物磁化率的影響；可以根據少量的樣品研究分離效果的參數。

Anders Sand等[25]和Xiayu Zheng等[26]得到了相似的研究結果，即通過橫向HGMS圓形和橢圓形矩陣實驗證明了橢圓矩陣的短軸與圓形矩陣的直徑相等；通過改進的粒子捕獲模型分析得到結論：隨著磁感應強度的增加，橢圓形矩陣粒子捕獲半徑與圓形矩陣粒子捕獲半徑的比值減小；且在較低磁感應強度中，橢圓形矩陣具有較高的粒子捕獲效率；兩個研究不同之處在于前者考慮了斯托克斯動力學，利用了磁相互作用和算法技術，而后者推導了不飽和圓形和橢圓形矩陣周圍的磁場和在橫向HGMS中圓形和橢圓形矩陣周圍粒子的一般運動方程。

Xiayu Zheng等[27]對軸向HGMS圓形和橢圓形矩陣性能進行了比較研究。結果表明：圓形和橢圓形矩陣之間的捕獲截面面積絕對差異隨著磁感應強度（0.1-0.8T）的增加先增大后減少；在中等磁感應強度范圍內，橢圓矩陣的捕獲截面面積比圓形矩陣的捕獲截面面積大1.25-1.6T倍；在高磁感應強度下，橢圓形矩陣和圓形矩陣的捕獲截面面積幾乎相同。綜合比較之下，橢圓形矩陣更能夠捕獲細微的弱磁性粒子，并且，橢圓形矩陣具有較好的磁特性，所以在HGMS中具有較為廣闊的應用前景。

Noriyuki Hirota等[28]在高磁場下對HGMS鐵磁過濾器上的磁性顆粒沉積過程進行了原位觀察，發現在過濾器上游形成尖狀沉積結構，這與順磁性顆粒情況下的常規沉積模型不同；除此之外，在施加低磁場和低流量的條件下，通向過濾器的路徑上形成鏈條結構和束狀的鏈條；并且以往在計算機模擬中為了簡化計算過程而被忽略的沉積在濾波器表面上的顆粒是形成尖狀結構的主要原因。所以，在計算機模擬中，沉積顆粒導致的磁化效應和流體動力學效應對磁場空間分布的影響是不可忽視的，這對于優化HGMS分選過程十分重要。

4 結語

本文主要總結了現有弱磁性礦物磁選過程中涉及到的設備、工藝和理論這一研究現狀，對解決弱磁性礦物分選作業有一定的借鑒意義。

由綜述可得，弱磁性礦物磁選技術正處于不斷更新進步的過程，很多專家學者對這項技術的發展起到了推動作用。但是現階段解決弱磁性礦物的分選問題更傾向于基礎階段的研究，未來弱磁性礦物的高效分選，必定要在研究礦物本身特性和磁場特性的巧妙結合下實現最大效率、最低成本、最高品位分選。

以下對難選弱磁性礦物發展做出展望：磁場設計方面，聚磁介質的布置、結構匹配、充填數量上還需重點研究；排料方式趨于沖水和加氣的雙重結合；分選工藝趨于短流程的高效率分選，如對赤鐵礦的分選可發展為以干法為主的破-磨-改性-磁選技術工藝；分選理論趨于研究形象化的更直觀理論模式；物料本身方面，可通過流態化、微波焙燒等方式增強磁性。

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