三產品磁選機的研制與試驗

李梓豪 吳俊杰 郭小飛 岳 翔 馬 陽 代淑娟

(遼寧科技大學礦業工程學院,遼寧 鞍山 114051)

混合型鐵礦石約占我國鐵礦資源總量的50%以上,其中以鞍山式赤鐵礦為主要代表的混合型磁赤鐵礦主要分布在遼寧、河北、安徽、甘肅、內蒙古、河南、湖北、山西、貴州等地,具有鐵品位低、赤鐵礦與磁鐵礦共伴生、嵌布粒度粗細不均等特點[1-4]?；旌闲痛懦噼F礦選礦主要采用“階段磨礦、粗細分級、重選—弱磁—強磁—陰離子反浮選”工藝分選,即先采用弱磁筒式磁選機分選強磁性磁鐵礦,然后采用立環脈動高梯度磁選機分選弱磁性赤鐵礦,存在工藝流程復雜、電磁強磁選設備能耗高等問題[5-8]。

近年來,隨著新型永磁材料和永磁磁系的設計方法愈發受到重視,永磁高梯度磁選機的研制也得到了飛速發展。伍喜慶等[9]采用永磁半閉合磁路磁系研制了斜環永磁高梯度磁選機,轉筒內壁處的磁感應強度為0.55 T,磁包角為125°,分選環傾斜配置且傾斜度在0～90°、轉速在0～20 r/min 范圍內可調,處理以赤鐵礦和褐鐵礦為主的強磁選尾礦,在入選原礦TFe品位17.92%、分選環轉速20 r/min、傾斜角度10°的情況下,磁選1 次精礦品位可達33.18%、回收率為41.06%。盧東方[10]充分利用顆粒密度和比磁化系數的差異研制了旋流多梯度磁選機,背景磁感應強度可達0.7 T,該設備同時具有離心選礦機和永磁高梯度磁選機的優點,能夠增強對弱磁性礦物的捕捉能力。長沙礦冶研究院有限責任公司和北礦機電科技有限責任公司等采用外磁系與內選筒式結構,巧妙地利用了重力、磁力和離心力協同作用研制了外磁式筒式磁選機,最大入選粒度可達-30 mm,能夠對釩鈦磁鐵礦、混合型鐵礦、海濱砂礦等進行預選拋尾[11-14]?；旌闲丸F礦石中的磁鐵礦、赤鐵礦具有不同的磁化特征,而傳統的磁選工藝及設備往往將磁鐵礦和赤鐵礦分段選別,一定程度上延長了磁選流程,增加了生產成本。

本文首先對混合型磁赤鐵礦石的磁化特性進行了研究,分別針對磁鐵礦和赤鐵礦的選別設計了多梯度磁場,在外磁筒式磁選機的基礎上研制了三產品磁選機,能夠獲得磁鐵礦、赤鐵礦和脈石3 種產品,為混合型鐵礦石的短流程永磁分選提供研究基礎。

1 試驗原料

試驗礦樣取自遼寧鞍山某選廠混合型磁赤鐵礦,主要化學成分如表1所示,XRD 分析結果如圖1所示,粒度篩析結果如表2所示,比磁化系數測定結果如表3所示。

表1 試樣主要化學成分分析結果Table 1 Main chemical composition analysis results of the sample %

表2 試樣粒度篩析結果Table 2 Results of sample particle size screening

圖1 試樣XRD 圖譜Fig.1 XRD pattern of the sample

由表1、圖1、表2 可知:試樣TFe 品位為32.89%,主要雜質SiO2含量為52.37%,有害元素硫、磷含量較低;試樣中不僅含有赤鐵礦,還含有磁鐵礦,屬于典型的混合型磁赤鐵礦;試樣-0.074 mm 粒級占44.15%,-0.044 mm 粒級TFe 品位和分布率均最高,分別為54.07%和40.20%。

利用磁選管(磁場強度為191kA/m)和夾板式電磁高梯度磁選機(勵磁電流為700 A,背景磁感應強度為0.7 T)將混合型磁赤鐵礦中的強磁性磁鐵礦、弱磁性赤鐵礦和非磁性脈石分離開,利用篩孔尺寸為0.15、0.074和0.037 mm 的標準篩將所得磁鐵礦和赤鐵礦篩分為4 個粒級,利用VSM-300 振動磁強計分別測試其磁化曲線,比磁化系數計算結果如表3所示。

表3 混合型磁赤鐵礦的比磁化系數測定結果Table 3 Determination results of specific magnetization coefficient of mixed maghemite

由表3 可知,磁鐵礦的比磁化系數約為赤鐵礦的10～30 倍。隨著粒度的降低,磁鐵礦和赤鐵礦的比磁化系數逐漸減小。與+0.15 mm 粒級相比,-0.037 mm 粒級磁鐵礦和赤鐵礦的比磁化系數分別降低了40.00%和81.55%。檢測過程中還發現,赤鐵礦各粒級在磁化磁場強度大于238.8 ～318.4 kA/m 的情況下,就能達到磁飽和,隨著粒度的降低,赤鐵礦達到磁飽和所需要的磁化強度逐漸升高。

礦物顆粒在磁選設備中所受到的磁力大小取決于礦物顆粒的比磁化系數、磁選機的磁場強度和磁場梯度。研究適宜的磁選機分選結構和磁場強度分布,能夠對混合型磁赤鐵礦中的磁鐵礦和赤鐵礦進行針對性的分選。

2 三產品磁選機的工作原理

為了實現混合型磁赤鐵礦中磁鐵礦和赤鐵礦的同步磁選,本文采用復合型磁系設計方法和半閉合式磁系結構,結合重力、離心力和流體曳力等復合力場的應用,研制的三產品磁選機如圖2所示,主要包括復合型磁系、分選圓筒、給礦及排礦裝置、卸礦水及分散水管、產品收集裝置以及驅動系統等。

圖2 三產品磁選機結構原理Fig.2 Three products magnetic separator structure schematic diagram

三產品磁選機的分選筒體與水平方向呈一定夾角,磁系包括磁場強度不同的4 種磁極組,沿軸向方向磁場強度逐漸升高,弱磁場磁系和強磁場磁系在分選圓筒內形成具有不同磁場強度和磁場梯度的分選空間。礦石顆粒在三產品磁選機中的運動包括軸向和圓周方向兩部分,當礦漿沿給礦管進入分選區域時,礦漿在重力的作用下沿軸向流動,礦漿中的強磁性磁鐵礦先被弱磁場吸附,弱磁性赤鐵礦在流經強磁區域時再被捕獲,磁鐵礦和赤鐵礦隨著圓筒的旋轉被攜帶至磁極末端,在沖洗水的作用下分別排至精礦槽和中礦槽;而礦石顆粒中的非磁性脈石顆粒由于僅受到重力的作用,所以能夠沿軸向順流而下成為尾礦。分選過程中可通過調整筒體轉速、筒體傾角、分散水壓等解決物料分散和機械夾雜等問題。

實驗室型三產品磁選機的分選筒體內徑為400 mm、長度為600 mm,每種磁極組由9 個磁極構成,沿圓周方向分別測定每種磁極組的磁極邊緣、磁極中心及極隙中心(累計35 個點)的磁場強度,測定儀器為HT201 特斯拉計,4 種磁極表面的磁場強度測定結果如圖3所示。

圖3 表明,沿分選筒體軸向方向4 種磁極的平均磁場強度由低到高分別為200.4、449.9、529.5、643.2 kA/m,圓周方向的磁場強度均勻變化,能夠實現在一臺設備中對混合型磁赤鐵礦中的磁鐵礦和赤鐵礦進行同步磁選。

圖3 4 種磁極表面的磁場強度測定結果Fig.3 Results of magnetic field strength on the surface of four magnetic poles

3 分選試驗

三產品磁選機的分選指標主要受分選筒筒體轉速、筒體傾角及沖洗水壓的影響,本研究分別對上述因素進行研究,探索三產品磁選機在分選混合型磁赤鐵礦時,對各產品的TFe 品位及回收率的影響規律,獲得適宜的分選指標。

3.1 筒體轉速對分選效果的影響

每次試驗固定給礦10 kg,給礦濃度為50%、分散水壓0.2MPa、筒體傾角為5°,在分選筒筒體轉速分別為0.1、0.3、0.4和0.6 m/s 的條件下進行分選試驗,探究分選筒筒體轉速對精礦、中礦和尾礦TFe 品位及回收率的影響,結果如圖4所示。

圖4 筒體轉速對各產品TFe 品位及回收率的影響Fig.4 Effect of cylinder rotation speed on TFe grade and recovery of each product

由圖4 可知:增加筒體轉速,精礦TFe 品位先提高后下降、回收率先下降后提高;中礦TFe 品位先下降后提高、回收率先提高后下降;尾礦TFe 品位先下降后提高、回收率先提高后下降。當筒體轉速增大后,筒內物料層變薄增大了磁鐵礦顆粒與筒壁之間接觸的概率,有利于捕獲磁鐵礦顆粒,致使精礦品位提高,但過快的筒體轉速使礦漿徑向流速增大,部分磁鐵礦顆粒未經過弱磁區分選便流入強磁區甚至流入尾礦槽,導致精礦TFe 品位降低、中礦TFe 品位提高、尾礦TFe 品位提高。因此,確定適宜的筒體轉速為0.4 m/s。

3.2 筒體傾角對分選效果的影響

固定給礦濃度為50%、分散水壓為0.2 MPa、筒體轉速為0.4 m/s,在筒體傾角分別為5°、8°、10°、15°的條件下進行分選試驗,探究筒體傾角對精礦、中礦和尾礦TFe 品位及回收率的影響,結果如圖5所示。

圖5 筒體傾角對各產品TFe 品位及回收率的影響Fig.5 Effect of cylinder angle on TFe grade and recovery of each product

由圖5 可知:增加筒體傾角,精礦TFe 品位、回收率均有所降低;中礦TFe 品位、回收率均有所提高;尾礦TFe 品位、回收率均有所提高。隨著筒體傾角的增加,礦石顆粒沿筒壁重力的分力增大、礦漿徑向流速增大,不利于磁性礦石分選,部分原本已被弱磁區捕獲的磁鐵礦顆粒沿筒壁滑落至強磁區,致使精礦TFe品位及回收率均有所降低,中礦TFe 品位及回收率均有所提高,部分原本已被強磁區捕獲的赤鐵礦顆粒沿筒壁滑落至尾礦槽,致使尾礦TFe 品位及回收率均有所提高。因此,確定適宜的筒體傾角為5°。

3.3 分散水壓對分選效果的影響

固定給礦濃度為50%、筒體轉速為0.4 m/s、筒體傾角為5°,在分散水壓分別為0.1、0.15、0.2、0.25 MPa 的條件下進行分選試驗,探究分散水壓對精礦、中礦和尾礦TFe 品位及回收率的影響,結果如圖6所示。

圖6 分散水壓對各產品TFe 品位及回收率的影響Fig.6 Influence of water pressure on TFe grade and recovery of each product

由圖6 可知,增加分散水壓,精礦TFe 品位提高、回收率下降,中礦TFe 品位下降、回收率提高、尾礦TFe 品位、回收率均提高。隨著分散水壓的增加,精礦機械夾雜減少,精礦TFe 品位有所提高,但部分已被捕獲的細粒級磁性顆粒從強磁區被沖落至尾礦中,導致中礦TFe 品位降低、尾礦TFe 品位有所提高。因此,確定適宜的分散水壓為0.2 MPa。

試驗結果表明,采用三產品磁選機對遼寧鞍山某選廠鐵品位為32.89%的混合型磁赤鐵礦進行分選,在給礦濃度為50%、筒體轉速為0.4 m/s、筒體傾角為5°、分散水壓為0.2 MPa 的條件下,獲得了精礦、中礦、尾礦TFe 品位分別為44.63%、26.60%、10.17%,回收率分別為72.14%、20.98%、6.88%的分選指標,證明了三產品磁選機用于分選混合型磁赤鐵礦的可行性。

4 結 論

(1)采用復合型磁系設計方法和半閉合式磁系結構研制的三產品磁選機,分選筒體內4 種磁極的表面平均磁場強度由低到高分別為200.4、449.9、529.5、643.2 kA/m。

(2)采用三產磁選機對磨礦細度-0.074 mm 占44.15%、鐵品位32.89%的混合型磁赤鐵礦進行選別,在給礦礦漿濃度為50%、筒體轉速為0.4m/s、筒體傾角為5°、分散水壓為0.2 MPa 時,獲得的精礦、中礦與尾礦TFe 品位分別為44.63%、26.60%、10.17%,回收率分別為72.14%、20.98%、6.88%的分選指標。

(3)針對混合型磁赤鐵礦研制的三產品磁選機能夠在一臺設備中實現對強磁性磁鐵礦和弱磁性赤鐵礦的同步選別,為混合型鐵礦石的短流程磁選提供了新的技術途徑。