干式振動高梯度磁選機的分選機理與試驗研究

許金越 王伊琳 宋少先

(1.武漢理工大學資源與環境工程學院,湖北 武漢 430070;2.贛州金環磁選科技裝備股份有限公司,江西 贛州 341000;3.武漢理工大學自動化學院,湖北 武漢 430070)

我國西北部礦產資源豐富,開發潛力巨大,如新疆維吾爾自治區、陜西省、青海省、甘肅省、寧夏回族自治區五省份地區的鐵礦石資源儲量較大,預測鐵礦資源總量達到57.03 億t,占全國總儲量的47%左右;西北部地區的非金屬礦產資源更為豐富,鹽類礦、白云母、石棉、長石和重晶石5 種礦產的探明儲量均占全國總儲量60%以上,石英儲量占全國總儲量的39%左右[1-2]。

然而,西北部地區生態環境脆弱且水資源短缺,致使該地區對節水的干法選礦技術有迫切需求,干式磁選技術為開發利用缺水地區的礦產資源提供了新途徑。當前,強磁性的磁鐵礦及粗粒易選的弱磁性礦的干式磁選技術應用較成熟。而針對細粒弱磁性(非)金屬礦的干式高梯度磁選仍處于研究階段,鮮有成功的應用報道。現有干式高梯度磁選機主要存在對細粒弱磁性礦物分選選擇性差、物料易聚團堵塞磁介質和分選通道等缺點[3],這限制了我國干旱和寒冷缺水地區大量弱磁性(非)金屬礦的高效開發利用。

本文基于高梯度磁場-振動力場復合力場,研制出DVS 型磁選機,解決了細顆粒礦物聚團堵塞磁介質、捕獲效率低和分選選擇性差等問題。同時,進行了干式磁選機理分析,開展了分選細粒弱磁性鏡鐵礦的試驗研究,驗證干式振動高梯度磁選機的分選性能,為綠色高效開發我國干旱或缺水地區的細粒弱磁性(非)金屬礦產資源提供了新的技術思路。

1 整機結構及分選過程

1.1 整機結構

如圖1 所示,DVS-100 磁選機主要由電控柜、勵磁線圈、偏心機構、驅動電機、鐵軛、板式熱交換器、振動系統和機架等組成。其中,振動系統由磁介質、磁介質頂頭、彈簧座、緊固螺栓和彈簧等構成。磁選機的主要技術參數列于下表1。

表1 DVS-100 磁選機主要性能參數Table 1 Main technical parameters of DVS-100 magnetic separator

圖1 DVS-100 周期式磁選機結構Fig.1 Cyclic pilot-scale DVS-100 magnetic separator

1.2 分選過程

選礦時,將磁介質盒的振動桿用緊固螺栓固定在磁介質頂頭上,采用電機帶動偏心機構后產生偏心距,通過滾動軸承驅動磁介質頂頭及彈簧,迫使磁介質盒做上下的簡諧振動。通過調整偏心機構的偏心距和電機的變頻器,可將分選磁介質盒的上下振動幅度控制在0～2.0 mm,振動次數0～2 820 次/min。調節勵磁電流至所需要的背景磁感應強度,磁介質在分選區作往復垂直上下簡諧振動的同時,在磁場中被磁化,表面形成高梯度磁場;將充分干燥分散的物料從給礦斗給入,礦粒沿著給礦斗中的導料條均勻進入分選腔中,給料中的磁性顆粒被捕獲在磁介質表面,非磁性顆粒穿過磁介質堆排走。每周期給礦完成后,切斷勵磁電源,磁介質保持振動,將磁性礦物完全排出,即完成一個周期的選礦。在分選腔內,安裝導磁不銹鋼棒或導磁不銹鋼板網制作的磁介質,還可以根據需要充填導磁不銹鋼毛。當磁介質在分選腔內振動時,振動力使礦粒群在分選過程中始終保持松散狀態,減少非磁性顆粒和連生體的機械夾雜和夾帶現象,提升干式高梯度磁選的分選選擇性;此外,分選時振動還可以有效防止磁介質的堵塞。

2 分選機理

在干式振動高梯度磁選過程中,礦粒主要受磁場力、振動慣性力、流體力、重力、摩擦力、范德華力和異質礦粒間的凝聚力作用。如圖2 所示,將直徑為3.0 mm 的棒介質水平放置于垂直均勻磁場中,背景磁感應強度為B0。磁介質絲在分選區域內進行垂直上下簡諧振動,其每分鐘振動次數為f和振動幅度為A。采用COMSOL Multiphysics 模擬軟件,對垂直均勻磁場中作簡諧振動磁介質的磁場特性及分選腔內的流場特性進行模擬仿真分析。

圖2 簡諧振動磁介質在垂直均勻磁場中的捕獲模型Fig.2 Magnetic capture model of a harmonic vibrating cylindrical wire in uniform magnetic field

根據簡諧振動的特征分析,磁介質絲在前半周期即A至-A時,聚集在介質絲表面的礦粒在向上振動慣性力的作用下,具有向上脫離其表面的趨勢;當磁介質在平衡位置O時,磁介質絲加速度為零,聚集在其表面礦粒的振動慣性力也為零,但此時礦粒受到的流體力最大,使礦粒群仍保持松散狀態。磁介質絲在后半周期即-A至A時,聚集在介質絲表面的礦粒在向下振動慣性力和重力的作用下,具有向下脫離其表面的趨勢。因此,磁介質絲與聚集在其表面的礦粒在每個運動周期內均有較大的相對運動,對磁介質絲表面的礦粒群產生較強的松散作用。當振動慣性力足夠大時,能使礦粒克服磁場力、顆粒間的作用力和摩擦力等作用,析離至磁介質礦粒捕獲層的表面,最后進入非磁性產品。顯然,這能將磁介質捕獲層中的脈石和連生體及時排出,減少夾雜夾帶現象,從而提高分選的選擇性。為簡便計算,設磁介質為圓柱形磁介質,礦粒為球狀顆粒。

2.1 磁場力

在磁介質振動時,礦粒受到的磁場力與靜態磁介質捕獲一樣,其公式為[4]:

式中,μ0為真空磁導率;b為礦粒直徑;K為體積比磁化率;B為磁感應強度。

2.2 振動慣性力

礦粒受到的振動慣性力[5]:

式中,t為時間;a(t) 為礦粒的加速度,負號表示與磁介質運動方向相反;A為磁介質的振動幅度;ω為磁介質的角速度;m為礦粒的質量。

一個周期內礦粒的振動慣性力大小變化如圖3所示。振動慣性力大小和方向是隨時間周期性變化的,且其方向在每個運動的前后半周期內相反。當磁介質在最高點和最低點時,振動慣性力最大。當磁介質在平衡位置時,振動慣性力為零。

圖3 振動慣性力曲線示意Fig.3 Schematic diagram of vibration inertia force curve

2.3 流體力

對礦粒進行流體力分析時,主要是其在磁介質切向方向的流體力[6]:

式中,Re為雷諾數;η為流體黏度;υc為相對速度;ρf為流體密度。

2.4 重 力

磁介質表面的礦粒受到重力作用,其大小主要與顆粒的大小有關系:

式中:ρp為礦粒密度;b為礦粒直徑。

2.5 摩擦力

礦粒的摩擦力隨著磁介質位置的不同而變化,磁介質絲在最高點A時:

磁介質絲在平衡位置點O時:

磁介質絲在最低位置點-A時:

式中,μ為摩擦系數;α為礦粒相對于磁介質絲垂直振動路線的夾角;φ為礦粒相對于磁介質絲的方位角。

2.6 范德華力

礦粒受到磁介質的范德華力為[7]:

式中,H為哈馬克常數。

式中:x為表面間離(異質礦粒之間或者礦粒與磁介質之間)。

2.7 有效捕獲所需磁場力

在理想條件下,礦粒所受的范德華力和異質礦粒之間的凝聚力不予考慮。磁性礦粒被有效捕獲需要滿足一定條件,也就是在磁介質的徑向和切向均不存在相對運動,結合圖2 進行以下分析:

(1)礦粒隨著介質絲從A移動至-A的過程中,礦粒在最高點A位置受到的振動慣性力最大,流體力最小,可忽略。在磁介質切向方向,磁性礦粒被捕獲應滿足以下關系:

在磁介質的上下表面位置磁感應強度最大,磁介質最容易捕獲磁性礦粒,結合公式(5),式(10)簡化為:

在磁介質徑向方向,應滿足:

由于細粒礦粒的重力很小,若礦粒的受力符合式(11),則可判斷出式(12)成立;因此,礦粒被有效捕獲的條件是其受力可基于式(13)進行描述。結合以上的分析結果,礦粒被捕獲時,要達到的最小磁場力為:

可見,在最高點A位置的礦粒被有效捕獲所需最小磁場力與磁介質振動幅度、振動次數和礦粒的粒度等密切相關,而振動次數對其影響較大。

(2)磁性礦粒在平衡點O的位置受到的流體力最大,振動慣性力為零。在磁介質切向方向,磁性礦粒被捕獲應滿足:

同理,式(14)可化簡為:

在磁介質徑向方向,要滿足以下關系:

同理分析,磁介質在平衡點O的位置時,磁性礦粒被捕獲時,要達到的最小磁場力為:

可見,在平衡點O的位置,礦粒被有效捕獲在磁介質表面所需最小磁場力與磁介質周圍流體速度及礦粒的粒度等密切相關。

(3)礦粒隨著介質絲從-A移動至A的過程中,礦粒在-A的位置受到的振動慣性力最大,流體力最小,可忽略。在磁介質切向方向,磁性礦粒被捕獲應滿足:

同理,式(18)可簡化為:

在磁介質徑向方向,要滿足以下關系:

同理,可得到磁性礦粒被捕獲時,要達到的最小磁場力為:

可見,在最低點-A的位置最小磁場力與磁介質振動幅度、振動次數及礦粒粒度等密切相關,振動次數對其影響較大;同時可知,捕獲粗顆粒所需磁場力明顯大于捕獲細顆粒所需磁場力。在最低點-A位置,礦粒所需的最小磁場力大于最高點的位置。

3 干式振動高梯度磁選預選試驗

3.1 試驗礦樣及性質

鏡鐵礦是典型的弱磁性氧化鐵礦,是赤鐵礦的亞種,化學式為Fe2O3,多呈鱗片狀,是鋼鐵的主要原料。我國鏡鐵礦主要分布于安徽霍邱、山西袁家村、甘肅鏡鐵山等礦區。霍邱李樓鐵礦資源儲量2.78億t,其中鏡鐵礦資源儲量2.44 億t,屬沉積變質型大型鐵礦床[8]。本次試驗鏡鐵礦樣品,取自李樓鐵礦鏡鐵礦濕法生產流程中的一段強磁粗選給礦,該選礦廠處理量為750 萬t/a,其中鏡鐵礦系統為500萬t/a,選別流程為:階段磨礦—弱磁—強磁—重選—反浮選工藝流程[9]。

試樣XRD 分析結果如圖4 所示,試樣的組成礦物種類較簡單,鐵礦物以鏡鐵礦為主;脈石礦物主要是石英,次為鐵白云石、綠泥石等。

圖4 試樣的XRD 圖譜Fig.4 XRD diffraction of the sample

試樣化學成分分析結果見表2,試樣全鐵含量為30.68%,FeO 的含量為0.56%,m(TFe)/m(FeO)=54.79,試樣堿性系數為0.06,主要的雜質是SiO2,含量高達48.87%,有害雜質磷和硫的含量都較低。

表2 試樣化學多元素分析結果Table 2 Chemical composition analysis results of the sample %

從試樣鐵物相分析結果(表3)可知,試樣中鐵的賦存狀態較為簡單,主要分布在赤(褐)鐵礦中的鐵,以及在磁鐵礦中的鐵,合計分布率為96.64%;磁鐵礦含量很低,硅酸鐵中鐵占有率為2.51%。

表3 試樣鐵物相分析結果Table 3 Iron phase analysis results of the sample %

試樣篩析結果見表4。試樣中-0.074 mm 含量為47.01%;鐵主要分布于-0.045 mm 細粒級中,鐵在該粒級的分布率為33.20%。

表4 試樣粒度分布結果Table 4 Particle size distribution of the sample %

條件試驗均為一次分選,試樣中的磁鐵礦含量低,不需預選除去強磁性礦物,試驗給礦量為60 g/次,給礦時間30 s/次。經過烘箱充分烘干后,通過給礦斗均勻給入。

3.2 試驗結果及分析

3.2.1 磁感應強度的影響

固定磁介質盒高度120 mm,棒介質直徑3.0 mm,振幅2.0 mm,振動次數1 128 次/min,考察磁感應強度對分選效果的影響,結果如圖5 所示。

從圖5 可以看出:隨著磁感應強度的上升,鐵精礦回收率逐漸提高,當磁感應強度高于0.6 T 時,精礦鐵回收率趨于平穩;精礦品位和選礦效率均隨著磁感應強度上升逐漸降低;磁感應強度高于0.6 T 時,精礦品位和選礦效率均較低,說明當磁感應強度高于0.6 T 時,干式振動磁選的分選精度差;隨著磁感應強度增加,礦粒受到的磁場力急劇增大,磁介質絲表面捕獲礦粒層將愈加緊密[11],礦粒受到的磁場力遠大于其振動慣性力,磁介質表面出現嚴重的非磁性礦粒的夾帶和夾雜現象,從而降低了分選精度。

圖5 磁感應強度對分選效果的影響Fig.5 Effect of magnetic induction on the separation performances

3.2.2 磁介質振動次數的影響

固定磁介質盒高度120 mm,棒介質直徑3.0

mm,振幅2.0 mm,在磁感應強度0.2 T、0.4 T 和0.6 T 的條件下,改變磁介質的振動次數,考察不同的振動次數對分選效果的影響,結果如圖6～圖8 所示。

圖6 磁介質振動次數對分選效果的影響(0.2 T)Fig.6 Effect of vibrating frequency of matrix on the separation performances (0.2 T)

由圖6 可知:在振動次數為0 時,即磁介質靜止的情況下,選礦效率最低,精礦品位最小;隨著磁介質的振動,精礦回收率在振動次數為550 次/min 時達到最大值,適合的振動強度可以增加礦粒與磁介質的碰撞概率;而精礦品位隨著振動次數的增加一直升高,初始上升較快,之后較為平穩;選礦效率隨振動次數增加呈先升高后降低的趨勢。

從圖7 可以看出,磁感應強度為0.4 T 時,精礦指標變化規律與0.2 T 試驗條件時相似,但極值點有差異,其極值點出現在振動次數為1 650 次/min。

圖7 磁介質振動次數對分選效果的影響(0.4 T)Fig.7 Effect of vibrating frequency of matrix on the separation performances (0.4 T)

由圖8 知,磁感應強度為0.6 T 時,精礦指標變化規律與0.2 T 和0.4 T 試驗條件時相似,但極值點也有差異,其極值點出現在振動次數為2 200 次/min的條件下。

圖8 磁介質振動次數對分選效果的影響(0.6 T)Fig.8 Effect of vibrating frequency of matrix on the separation performances (0.6 T)

3.2.3 選礦效率與磁感應強度及振動次數的關系

磁介質的振動次數和磁感應強度是影響分選指標的兩個主要參數,他們之間存在著相互制約的關系。圖9 為磁感應強度分別為0.2 T、0.4 T 和0.6 T 時,不同振動次數條件下得到的選礦效率曲線。

圖9 選礦效率與磁感應強度及振動次數的關系Fig.9 The relationship of separation efficiency,magnetic induction and vibrating frequency

由圖9 可知:①每一條曲線都是規律性地先上升后下降,均存在極大值;磁感應強度為0.2 T 時,最大選礦效率是振動次數為零時的5.62 倍;磁感應強度為0.4 T 時,最大選礦效率是振動次數為零時的13.57 倍;磁感應強度為0.6 T 時,最大選礦效率是振動次數為零時的10.94 倍。這充分說明,磁介質振動對干式磁選的選擇性具有顯著影響,磁介質振動可以顯著提升分選效率;② 振動次數為零時,磁感應強度對分選指標的影響不大,分選效率很低;磁介質不振動時,礦粒會滯留、黏附于磁介質表面,從而降低了磁介質的有效吸附面積,嚴重時造成磁介質堵塞,物料無法順暢地給入。說明磁介質不振動時,欲通過提高磁感應強度來提升分選效率是不可行的;③較高的磁感應強度獲得的最大選礦效率大于較低磁感應強度的最大選礦效率,但前者在振動次數較高時出現。如磁感應強度為0.6 T 時,最大選礦效率出現在2 200 次/min;磁感應強度為0.4 T 時,最大選礦效率出現在1 650 次/min;磁感應強度為0.2 T 時,最大選礦效率出現在1 100 次/min。

3.2.4 分選性能評價

為準確評價DVS 磁選機的分選性能,在最佳分選條件下,將分選指標與濕式SLon-100 以及SLon-2000 磁選機現場工業生產指標進行比較。對比試驗的給礦細度相同,DVS 磁選機試驗條件為:給礦量60 g,磁感應強度0.6 T,磁介質直徑3.0 mm,振動幅度2.0 mm,振動次數2 200 次/min;SLon-100 周期式磁選機試驗條件為:給礦量200 g,磁感應強度1.0 T,磁介質直徑2.0 mm,脈動沖次120 次/min,礦漿流速5.6 cm/s;工業生產中SLon-2000 濕式磁選機的操作參數為:給礦量(干礦)60 t/h,磁感應強度1.0 T,磁介質直徑3.0 mm,脈動沖次120 次/min。對比試驗結果如表5 所示。經1 次干式振動高梯度磁選,鐵品位從30.54%提升至45.28%,鐵回收率87.67%,該分選指標與SLon-100 周期式和SLon-2000 工業生產指標相近,充分說明干式振動高梯度磁選的有效性。另一方面,干式振動高梯度磁選采用的磁感應強度為0.6 T,低于SLon-100 和SLon-2000 濕式磁選機的磁感應強度(1.0 T),這說明干式振動高梯度磁選具有節能優勢。對比試驗結果說明,DVS 磁選機在分選細粒鏡鐵礦時可以獲得良好的分選效能,其分選指標與濕式脈動高梯度磁選機相接近。

表5 最佳條件下干式振動與濕法脈動高梯度磁選的結果對比Table 5 Performance comparison between dry vibrating and wet pulsating HGMS under optimum conditions %

4 結論

(1)基于垂直均勻磁場—磁介質簡諧振動模式,建立了干式振動的磁介質捕獲模型。礦粒的振動慣性力、流體力、摩擦力的大小及方向隨著磁介質絲的簡諧振動產生規律性變化,使得磁介質絲與聚集在其表面的礦粒在每個運動周期內均有較大的相對運動,吸附在磁介質上的礦粒在每個振動周期內,都有產生脫離磁介質的趨勢,減少了夾雜和夾帶現象,從而提高了分選選擇性。磁介質表面的礦粒群的松散度增加,是振動磁介質捕獲選擇性提升的主要原因;同時振動也使磁性礦粒的有效捕集點增多,有利于提高對磁性礦粒的捕收率。

(2)對李樓鏡鐵礦試驗表明,DVS-100 磁選機具有較好的分選性能,在較高的磁感應強度時得到的最大選礦效率大于較低磁感應強度的最大選礦效率,但前者在振動次數較高時出現。因此,適當地提高磁感應強度和振動次數對磁性礦粒和連生體或非磁性礦粒的分離是有利的。當磁感應強度0.6 T,振動次數2 200 次/min 的條件下,選礦效率最大值為26.09%,此時,精礦品位45.28%、尾礦品位9.21%。一方面,干式振動高梯度磁選分選指標與SLon-100 和SLon-2000 濕式磁選機的指標相近,表明干式振動高梯度磁選具有較高的選擇性。另一方面,干式振動高梯度磁選采用的磁感應強度為0.6 T,低于SLon-100 和SLon-2000 濕式磁選機的磁感應強度(1.0 T),說明DVS-100 磁選機具有節能優勢。

(3)試驗結果為綠色高效分選干旱或缺水地區的細粒弱磁性(非)金屬礦產資源提供了新的技術思路,也為替代現有的濕式高梯度磁選技術提供了一種潛在的技術解決方案。