三產品磁選柱的研制與應用

任偉杰 郭小飛 張洺睿 代淑娟

(遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧 鞍山 114051)

隨著我國經濟的快速發展，國家對鋼鐵的需求量越來越大[1-3]。對于鐵礦資源量大但稟賦較差的我國來說，高效開發利用具有十分重要的意義[4-6]。隨著鋼鐵行業對鐵礦品質要求的提高，在倡導節能環保的背景下提升鐵礦石選礦工藝技術及裝備水平成為必然的選擇[7-9]。

遼寧朝陽某選礦廠磁鐵礦粗選設備為CTB1030型永磁筒式磁選機，精選設備為磁選柱。鐵品位61.43%的原礦經筒式磁選機粗選獲得TFe品位64.15%的粗精礦，磁選柱精礦TFe品位達67.36%。為簡化現場工藝流程，研制了一種三產品磁選柱，在傳統磁選柱的基礎上新磁選柱設置了粗選區與精選區，粗選區主要拋除脈石及貧連生體顆粒，精選區用于分離磁鐵礦單體與富連生體，將磁鐵礦單體、連生體和脈石礦物顆粒在一定程度上實現同步分離，一體化的設計可縮短分選工藝流程、提高生產效率。

1 三產品磁選柱的工作原理

三產品磁選柱的結構如圖1所示，設備主要由機架與外筒、設在外筒內的分選裝置、勵磁線圈、尾礦溢流槽、給礦裝置、給水裝置以及電控裝置等組成。設備的主要結構參數:上下分選筒直徑均為115 mm、粗選區與精選區高度分別為600 mm與650 mm、中間緩沖段的高度為30 mm。

圖1 三產品磁選柱結構示意Fig.1 Schematic structure of the three-products magnetic separation column

三產品磁選柱分選磁鐵礦的實質是根據礦石顆粒之間的磁性差異，利用強磁性礦物的磁團聚現象并控制受力條件形成高選擇性的磁團聚體，從而實現強磁性礦物的高效精選[10-12];在粗選區設置一組恒定勵磁線圈，用于向下拖拽部分被水流沖到上部的磁性顆粒;在粗選區與精選區均設置4組周期勵磁線圈用于打散—聚合—打散磁團，一體化的分選方式可有效緩解耗水量大、分選工藝復雜等問題。粗選和精選過程中，分別運用具有不同磁感應強度的螺線管線圈、粗選區與精選區不同的上升水流流速，實現磁鐵礦單體顆粒、連生體和脈石礦物顆粒的精確分離。

入選礦漿經給礦管給入粗選區，脈石顆粒以及貧連生體的比磁化系數小，所受磁力較弱，受流體曳力向上運動，從溢流槽排出成為尾礦;磁鐵礦單體顆粒及富連生體在磁場及磁化磁團聚的作用下，迅速沿磁力線方向形成磁鏈，在周期磁場的作用下做團聚—分散—團聚的周期運動并進入精選區;在精選區，富連生體的比磁化系數小于磁鐵礦單體，且在較低的磁化磁場中，二者之間磁團聚力的差異相對較大[13-15]，在弱磁場與上升水流作用下，比磁化系數較小的富連生體會向上運動，經由導流管進入中礦管成為中礦，磁鐵礦單體顆粒順流而下進入精礦槽，成為精礦。

2 分選試驗

三產品磁選柱的分選過程主要由粗選和精選2部分組成，影響磁鐵礦分選效果的主要因素包括粗選區與精選區的磁感應強度(勵磁電流)、勵磁周期、上升水流速度等，本研究分別考察以上因素對精礦、中礦以及尾礦TFe品位及回收率的影響規律，獲得適宜分選指標。

2.1 試樣性質

試驗礦樣取自遼寧朝陽某選礦廠，細度為-0.074 mm占64.58%，主要化學成分分析結果見表1，XRD分析結果見圖2。

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

圖2 試樣XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of the sample

由表1、圖2可知，試樣TFe品位為61.43%，SiO2含量達到13.90%;磁鐵礦為主要含鐵礦物，同時伴有少量赤鐵礦，石英為主要的脈石礦物。

2.2 勵磁電流大小對分選效果的影響

2.2.1 粗選區勵磁電流

設定每次試驗物料量500 g、給礦礦漿濃度50%、給礦速度50 g/s、恒定磁場勵磁電流6 A、粗選周期1 s、精選電流2 A、精選周期1 s、粗選區上升水流速度1.64 cm/s、精選區上升水流速度0.15 cm/s，考察粗選區勵磁電流對精礦、中礦和尾礦TFe品位及回收率的影響，結果如圖3所示。

圖3 粗選區勵磁電流對各產品TFe品位及回收率的影響Fig.3 Influence of excitation current in coarse area on grade and recovery of each product

由圖3可知，隨著粗選區勵磁電流的增大，精礦TFe品位下降、回收率升高;中礦TFe品位及回收率均增大;尾礦TFe品位及回收率均下降。圖3(a)中，精礦TFe品位由64.64%下降至63.52%，回收率提升了0.42個百分點;圖3(b)中，中礦TFe品位由39.13%提升至41.26%，回收率提升了0.19個百分點;圖3(c)中，尾礦 TFe品位由 19.58%下降至16.56%，回收率下降了0.62個百分點。當電流增大后，磁鐵礦單體與連生體顆粒受磁力作用增強，更多的連生體顆粒混入精礦中，導致精礦TFe品位降低、回收率有所上升，尾礦TFe品位及回收率均下降。由于精選區分選條件不變，中礦TFe品位及回收率波動較小。因此，確定適宜的粗選區勵磁電流為6 A。

2.2.2 精選區勵磁電流

設定每次試驗物料量500 g、給礦礦漿濃度50%、給礦速度50 g/s、恒定磁場勵磁電流6 A、粗選電流6 A、粗選周期1 s、精選周期1 s、粗選區上升水流速度為1.64 cm/s、精選區上升水流速度為0.15 cm/s，考察精選區勵磁電流對精礦、中礦和尾礦TFe品位及回收率的影響，結果如圖4所示。

圖4 精選區勵磁電流對各產品品位和回收率的影響Fig.4 Influence of excitation current in cleaning area on grade and recovery of each product

由圖4可知，隨著精選區電流的增大，精礦TFe品位降低、回收率上升;中礦TFe品位及回收率均下降;尾礦TFe品位及回收率均上升。圖4(a)中，精礦TFe品位由64.67%下降至63.79%，回收率提升了1.39個百分點;圖4(b)中，中礦TFe品位由42.40%下降至38.12%，回收率下降了1.36個百分點;圖4(c)中，尾礦TFe品位由17.59%上升至17.98%，回收率上升了0.05個百分點。在精選區中，持續增大的磁場力會將部分連生體顆粒向下拖拽，連同磁鐵礦單體沉降至精礦槽中，導致精礦TFe品位下降、回收率上升，中礦TFe品位及回收率均下降;由于尾礦的分離發生在粗選區，精選區勵磁電流的大小對尾礦品位及回收率影響較小。因此，確定適宜的精選區勵磁電流為0.8 A。

2.3 勵磁周期對分選效果的影響

2.3.1 粗選區勵磁周期

設定每次試驗物料量500 g、給礦礦漿濃度50%、給礦速度50 g/s、恒定磁場勵磁電流6 A、粗選電流6 A、精選勵磁電流0.8 A、精選周期1 s、粗選區上升水流速度為1.64 cm/s、精選區上升水流速度為0.15 cm/s，考察粗選區勵磁周期對精礦、中礦和尾礦TFe品位及回收率的影響，結果如圖5所示。

圖5 粗選區勵磁周期對各產品品位和回收率的影響Fig.5 Influence of excitation period in coarse area on grade and recovery of each product

由圖5可知，延長粗選區勵磁周期，精礦TFe品位得到提升、回收率有所下降;中礦TFe品位下降、回收率上升;尾礦TFe品位及回收率均上升。圖5(a)中，精礦TFe品位由63.56%下降至64.36%，回收率下降了0.50個百分點;圖5(b)中，中礦TFe品位由41.17%下降至38.29%，回收率上升了0.40個百分點;圖5(c)中，尾礦 TFe品位由 16.99%上升至19.58%，回收率上升了0.33個百分點。當粗選區勵磁周期增大后，夾雜在磁團內的脈石及部分弱磁性連生體被充分沖洗，使得精礦品位得到提升，由于有部分連生體隨脈石混入尾礦中，導致尾礦TFe品位上升、中礦品位下降。因此，確定適宜的粗選磁場勵磁周期為1 s。

2.3.2 精選區勵磁周期

設定每次試驗物料量500 g、給礦礦漿濃度50%、給礦速度50 g/s、恒定磁場勵磁電流6 A、粗選電流6 A、粗選周期1 s、精選電流0.8 A、粗選區上升水流速度為 1.64 cm/s、精選區上升水流速度為0.15 cm/s，考察精選區勵磁周期對精礦、中礦和尾礦TFe品位及回收率的變化關系影響，結果如圖6所示。

圖6 精選區勵磁周期對各產品品位和回收率的影響Fig.6 Influence of excitation period in cleaning area on grade and recovery of each product

由圖6可知，當精選區勵磁周期延長后，精礦TFe品位提升、回收率下降;中礦TFe品位及回收率提升幅度較大;尾礦TFe品位及回收率變化較小。圖6(a)中，精礦TFe品位由63.93%上升至65.54%，回收率下降了3.74個百分點;圖6(b)中，中礦TFe品位由40.82%上升至44.99%，回收率上升了2.96個百分點;圖6(c)中，尾礦TFe品位由18.32%上升至19.01%，回收率上升了0.37個百分點。隨著精選勵磁周期的延長，磁團發生團聚—分散—團聚的時間變長，夾雜在磁團中的連生體顆粒經過充分沖洗后被有效剔除，使得精礦TFe品位提升、回收率下降，剔除出的連生體顆粒進入中礦管，使得中礦品位及回收率均有所升高。因此，確定適宜的精選磁場勵磁周期為2.5 s。

2.4 上升水流速度對分選效果的影響

2.4.1 粗選區上升水流速度

設定每次試驗物料量500 g、給礦礦漿濃度50%、給礦速度50 g/s、精選區上升水流速度為0.96 cm/s、恒定磁場電流6 A、粗選電流6 A、粗選周期1 s、精選電流0.8 A、精選周期2.5 s，考察粗選區上升水流速度對精礦、中礦和尾礦TFe品位及回收率的影響，結果如圖7所示。

圖7 粗選區水流速度對各產品品位和回收率的影響Fig.7 Influence of water flow velocity in coarse area on grade and recovery of each product

由圖7可知，隨著粗選區上升水流速度的增加，精礦TFe品位升高、回收率下降;中礦、尾礦TFe品位及回收率均升高。圖 7(a)中，精礦 TFe品位由62.55%提升至67.93%，回收率下降5.91個百分點;圖7(b)中，中礦TFe品位由35.52%提升至54.67%，回收率提升4.75個百分點;圖7(c)中，尾礦TFe品位由15.95%提升至21.52%，回收率上升1.17個百分點。粗選區上升水流速度的增加，使大部分脈石顆粒進入尾礦槽，使得精礦、中礦品位有所提升。與此同時，在較大的流體曳力作用下，少部分微細粒磁鐵礦單體也會進入尾礦槽，導致精礦TFe回收率降低，尾礦TFe回收率提升。因此，確定適宜的粗選區上升水流速度為3.9 cm/s。

2.4.2 精選區上升水流速度

設定每次試驗物料量500 g、給礦礦漿濃度50%、給礦速度50 g/s、粗選區上升水流速度為3.9 cm/s、恒定磁場電流6 A、粗選電流6 A、粗選周期1 s、精選電流0.8 A、精選周期2.5 s，考察精選區上升水流速度對精礦、中礦和尾礦TFe品位及回收率的影響，結果如圖8所示。

圖8 精選區水流速度對各產品品位和回收率的影響Fig.8 Influence of water flow velocity in cleaning area on grade and recovery of each product

由圖8可知，隨精選區上升水流速度的增加，精礦及中礦TFe品位均得到提升，但精礦回收率有所下降，中礦回收率有所上升。圖8(a)中，精礦TFe品位由64.94%提升至65.65%，回收率下降1.78個百分點;圖8(b)中，中礦TFe品位由41.99%提升至44.30%，回收率提升1.55個百分點;圖8(c)中，尾礦TFe品位由19.49%提升至21.15%，回收率上升0.23個百分點。在精選區中，上升水流的增大會使一部分微細粒磁鐵礦單體在緩沖區域被重新沖回粗選區，導致尾礦品位略有提升;另一部分會經由導流管混入中礦中，使中礦品位及回收率升高，導致鐵精礦品位的提升受到了阻礙，精選區上升水流速度的升高會影響精礦品位的提升。因此，確定適宜的精選區上升水流速度為0.96 cm/s。

試驗結果表明，采用三產品磁選柱對遼寧朝陽某選礦廠品位為61.43%的磁鐵礦進行選別，在給礦礦漿濃度50%、恒定磁場勵磁電流為6 A、粗選磁場勵磁電流 6 A、粗選周期 1 s、粗選區上升水流速度3.9 cm/s、精選磁場勵磁電流0.8 A、精選周期2.5 s、精選區上升水流速度0.96 cm/s時，得到最終鐵精礦、中礦、尾礦 TFe品位分別為 67.93%、54.67%、21.25%，回收率分別為 92.9%、5.71%、1.39%。與選礦廠分選指標相比，三產品磁選柱在達到了該選礦廠兩段選別分選指標基礎上，使最終鐵精礦TFe品位提升0.57個百分點，品位得到提升的同時，有效縮短了選別流程，證明了三產品磁選柱優異的分選性能。三產品磁選柱有效提高了磁鐵礦的分選效率，能夠為該選礦廠后續的磁選工藝流程改進提供理論指導。

3 結 論

(1)三產品磁選柱是集粗選與精選為一體的磁鐵礦分選設備，粗選區域用于剔除夾雜的脈石礦物、貧連生體顆粒，精選區域用于分離磁鐵礦單體與富連生體。

(2)采用三產品磁選柱對細度為-0.074 mm占64.58%、原礦品位61.43%的磁鐵礦進行選別，在給礦礦漿濃度50%、恒定磁場勵磁電流為6 A、粗選磁場勵磁電流6 A、粗選周期1 s、粗選區上升水流速度3.9 cm/s、精選磁場勵磁電流0.8 A、精選周期2.5 s、精選區上升水流速度0.96 cm/s時，獲得精礦、中礦與尾礦TFe品位分別為67.93%、54.67%、21.52%，回收率分別為92.90%、5.71%、1.39%。

(3)采用三產品磁選柱對遼寧朝陽某選礦廠磁鐵礦進行選別，三產品磁選柱在達到了該選礦廠兩段選別分選指標基礎上，最終鐵精礦TFe品位提升0.57個百分點，有效縮短選別流程，對該選礦廠磁選工藝流程的改進具有重要意義。