電磁柱式精選機磁場特性對鐵礦提精優(yōu)勢分析及工業(yè)應(yīng)用

歷 平，徐銅林，魏紅港

1建昌馬道礦業(yè)有限責任公司 遼寧葫蘆島 125315

2礦冶科技集團有限公司 北京 100160

我國鐵礦石資源儲量居世界第四位，但是鐵礦石資源整體稟賦較差，“貧、細、雜”問題突出，導(dǎo)致我國絕大部分鐵礦石都需要進行多次磨選作業(yè)，才能獲得合格品位鐵精礦[1-3]。高品質(zhì)鐵精礦對高爐煉鐵意義重大，有研究表明：鐵精礦品位、回收率與煉鐵經(jīng)濟效益直接相關(guān)，煉鐵總利潤隨鐵精礦品位提高而增加。可見實行精料方針是提高鋼鐵企業(yè)經(jīng)濟效益的重要途徑[4-5]。

目前提高鐵精礦品位常采用多次磁選、細篩再磨、精礦反浮選等工藝[6-10]。磁選機是生產(chǎn)鐵精礦的關(guān)鍵設(shè)備，常用的鐵礦精選磁選設(shè)備是永磁筒式磁選機；也有小部分選廠根據(jù)自身礦物性質(zhì)，采用改進型永磁筒式磁選機進行精選作業(yè)[11]。永磁筒式磁選機的磁場恒定不變，磁鐵礦顆粒在恒定磁場中形成不可打破的大體積強磁團聚體，其內(nèi)部夾雜有大量的脈石和貧連生體，即使經(jīng)過多次翻轉(zhuǎn)或者漂洗，精礦品位仍然得不到有效地提高；究其原因，是永磁設(shè)備不能從根本上解決強磁團聚導(dǎo)致的夾雜問題。

為了解決筒式磁選機強磁團聚引起的夾雜問題，20 世紀八十年代，選礦工作者將重力和磁力相結(jié)合，研制成功一種電磁低弱磁場柱式磁重選礦設(shè)備。后經(jīng)過幾代人的努力，逐漸形成磁選柱、淘洗磁選機和柱式精選機等多種類型鐵礦精選用電磁柱式精選設(shè)備，成功解決了永磁設(shè)備磁團聚夾雜的脈石和貧連生體不能充分剝離的問題，最大限度地提高了磁鐵礦的精礦品位，電磁柱式精選機目前已經(jīng)成為鐵礦山應(yīng)用最廣泛的提精設(shè)備[12-14]。

筆者在 BGRIMM 大型智能旋流精選機工業(yè)應(yīng)用過程中，結(jié)合對鐵礦石顆粒分選微觀過程的思考和對磁選設(shè)備性能的理解，將大型電磁柱式和永磁筒式磁選機在磁場特性及工業(yè)應(yīng)用效果方面進行對比分析，以闡明電磁柱式精選機能取得良好分選指標的內(nèi)在原因。

1 結(jié)構(gòu)及分選原理

電磁柱式精選機的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括給礦管、溢流槽、柱體、線圈、給水器和精礦口等部件。給礦方式為自上而下給礦，給水方式為自下而上給水，給水器連接柱體內(nèi)外，在內(nèi)部分選空間有分水盤，可以將給水器中的水旋切給到分選空間，對鐵礦起到漂洗提精作用。

圖1 電磁柱式精選機的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of electromagnetic column separator

電磁柱式精選機的磁系是由自上而下設(shè)置的多組激磁線圈組成，根據(jù)作用的不同，最上部的線圈接通較大的恒穩(wěn)直流電，以在分選空間產(chǎn)生較大的磁場，可以起到控尾的作用，防止微細粒鐵礦顆粒的流失；其余線圈自上而下，以一定的邏輯時序順序循環(huán)通斷電，且通電時的電流較小，可以在分選空間內(nèi)產(chǎn)生通斷交替的弱磁場。通電時，磁性顆粒團聚；斷電時，磁性顆粒分散。下部給水器的漂洗水可在磁性顆粒分散過程中，最大限度地沖洗出磁團聚中的脈石和貧連生體，并帶到上部尾礦口排出；磁性顆粒在聚散交替向下運動的過程中，持續(xù)被漂洗水沖刷，鐵精礦品位越來越高，最終從下部精礦口排出。

2 磁場提精優(yōu)勢分析

磁場是鐵礦石分選最主要作用力，電磁柱式精選機和永磁筒式磁選機的磁場強度、磁場形態(tài)和磁場工作方式不同，導(dǎo)致磁性顆粒分布、磁鏈強度、磁鏈形態(tài)及磁性顆粒的運動狀態(tài)不同，影響最終鐵礦提品效果。

2.1 低弱磁場

永磁筒式磁選機應(yīng)用在不同的選礦流程工藝段時，其磁場強度也不相同。預(yù)選回收用磁選機主要作用是回收和拋廢，因而需要其磁場強度較高，筒表磁場強度一般在 3 500 GS 以上；二磨后精選用筒式磁選機一般以提高鐵精礦品位為主，因而需要其磁場強度較低，磁筒表面磁場強度一般為 1 500～2 000 GS。

某鐵礦二磨后精選用筒式磁選機磁場強度分布如圖2 所示。可見，磁筒表面平均磁場強度為 1 800 GS，距離筒表50 mm 處仍在 800 GS 以上。作為鐵礦精選用磁場，筒式磁選機的這種所謂的“弱磁場”對提精而言，磁場強度仍然較高，這種高磁場強度會形成難以打散的高強度磁團聚體。另外，如果嘗試進一步大幅降低筒式磁選機的磁場，也不存在實際操作的可能性，一方面，筒式磁選機的N-S極交替的磁路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更低的磁場難度較大；另一方面，雖然可以通過減小磁性材料用量來獲得更低磁場，但是這樣會使得磁選機遠離筒表的槽體底部處的磁場強度更弱，造成該處磁性顆粒被水沖刷至尾礦口，引起精礦的損失。

圖2 永磁筒式磁選機的磁場分布Fig.2 Magnetic field distribution of drum permanent magnetic separator

旋流柱式精選機屬于低弱磁場，磁場強度要遠低于永磁筒式磁選機。圖3 所示為激磁線圈中心平面不同位置磁場強度分布。精選作業(yè)時，線圈激磁電流一般為 4 A，此時線圈中心面平均磁場強度約 100 GS。這一數(shù)據(jù)僅為筒式精選機磁場強度的 5% 左右，且距離中心面越遠，磁場強度越低。

圖3 電磁柱式精選機的磁場強度Fig.3 Magnetic field intensity of electromagnetic column separator

對比圖2 和圖3 可知，電磁柱式精選機的磁場強度遠低于筒式磁選機。磁場強度越大，磁團聚的體積越大，磁團聚的強度越大，其內(nèi)部越容易緊密包裹更多的脈石和貧連生體，并且更難剝離團聚體內(nèi)部的夾雜，故而電磁柱式精選機的低弱磁場更有利于鐵礦石的提精。

2.2 間歇交變磁場

圖4 所示為永磁筒式磁選機和電磁柱式磁選機分選空間某一特定位置的磁場隨時間變化的對比情況。可見，永磁筒式磁選機的磁場是不隨時間變化的恒定磁場，而電磁柱式磁選機的磁場則為隨著時間變化而交替通斷的間歇交變磁場。

圖4 磁場方式對比Fig.4 Comparison of magnetic field modes

電磁柱式精選機通電方式中，由于存在下部線圈通電時刻滯后于其緊鄰的上部線圈的內(nèi)在邏輯，導(dǎo)致鐵礦顆粒運動方向向下。如圖5 所示，當線圈通電時，磁性顆粒在磁場作用下逐漸團聚，并在團聚過程中向下運動；線圈斷電時，磁團聚分散為顆粒或更細小的磁鏈，且在分散過程中，能比較充分地依靠水流的沖刷作用分離出更多的脈石和貧連生體。在電磁柱式精選機中，磁團聚自上而下經(jīng)歷過多次“團聚—分散”過程，精礦品位不斷提升，最終從下部精礦口排出。

圖5 電磁柱式精選機分選過程Fig.5 Separation process of electromagnetic column separator

電磁柱式精選機多次通斷磁場，克服了永磁筒式磁選機恒定磁場帶來的磁團聚難打散、夾雜脈石和貧連生體不能充分剝離的問題，有利于鐵礦石的提鐵降硅。

2.3 相對均勻磁場

由文獻 [15]可知，在僅受磁場力條件下，磁鏈在磁場中沿磁力線分布。如圖6 所示，均勻磁場中，沿磁力線分布的 2 條磁鏈之間的作用力為排斥力，故而磁場越均勻。磁鏈之間的排斥作用越明顯，磁鏈也就越分散，越不容易形成大體積磁團聚。

圖6 均勻磁場磁鏈相互排斥示意Fig.6 Diagram of mutual repulsion of uniform magnetic flux linkages

在相同顏色范圍內(nèi)，筒式磁選機和旋流柱式精選機磁場云圖對比如圖7 所示。可見，筒式磁選機分選空間磁場均勻性較差，尤其是在筒表附近磁場極度不均勻；相比而言，電磁柱式精選機磁場均勻性明顯較好，可抑制大體積磁團聚體的形成。

圖7 磁場云圖對比Fig.7 Comparison of magnetic field contours

電磁柱式磁選機和永磁筒式磁選機的磁團聚形態(tài)對比如圖8 所示。可見，筒式磁選機磁團聚以粗大磁束為主，磁束全部密集地聚集在筒表附近，不同磁束之間在筒表面也彼此交互連接；相比而言，電磁柱式磁選機分選區(qū)磁團聚以磁鏈為主，且磁鏈較短、較細，磁鏈與磁鏈之間保持一定的間隙，相對均勻地分布在整個分選空間。電磁柱式磁選機磁鏈細小及均布分散的特點，使其不容易夾雜脈石和貧連生體，有利于礦石提精。

圖8 磁團聚形態(tài)對比Fig.8 Comparison of magnetic agglomeration morphology

3 工業(yè)應(yīng)用

遼寧某選廠鐵礦生產(chǎn)改造前的工藝流程如圖9 所示。該選廠現(xiàn)運行兩個系列完全一致的鐵礦生產(chǎn)流程，單個流程鐵精礦產(chǎn)量約 25 t/h；現(xiàn)有二磨后精選設(shè)備為筒式磁選機和淘洗磁選機，二者聯(lián)合作業(yè)，最終鐵精礦品位 65.5%。

圖9 改造前的選礦工藝流程Fig.9 Beneficiation process flow before transformation

為了進一步提高鐵精礦品位，該選廠結(jié)合生產(chǎn)實際需求和前期的提精試驗結(jié)果，對現(xiàn)有精選工藝流程進行改造。將雙系列二磨后篩下產(chǎn)品全部直接引入BGRIMMφ2 m 大型智能旋流電磁精選機進行精選作業(yè)，電磁精選機的尾礦再經(jīng)過筒式磁選機進行回收，回收精礦返回二段磨礦再磨。設(shè)備穩(wěn)定運行后，對電磁柱式精選機給礦、精礦及尾礦進行了為期 10 d 的取樣考察，考察結(jié)果如表1 所列。

表1 給礦、精礦及尾礦取樣考察結(jié)果Tab.1 Sampling results of ore feeding,ore concentrate and ore tailing %

通過表1 可見，φ2 m 大型智能旋流電磁精選機提精效果較好，并且生產(chǎn)指標穩(wěn)定；在平均給礦品位為 58.52% 的條件下，平均精礦品位達到 66.3%，比改造前的“淘洗—筒式—淘洗”4 次提精流程，精礦品位高 0.8 個百分點。雖然電磁柱式精選機尾礦品位高達 20.7%，但是這部分尾礦還經(jīng)過 5 500 GS 磁選機回收后返回再磨，重新進入磁選流程，流程作業(yè)依然可獲得合格的尾礦品位。

4 結(jié)論

(1) 電磁柱式精選機磁場強度遠低于精選用永磁筒式磁選機，其分選區(qū)內(nèi)磁團聚的結(jié)鏈強度低，磁團聚更容易打散，包裹在磁團聚中的脈石和貧連生體更容易被剝離；因此，電磁柱式精選機的低弱磁場，更有利于鐵礦石的提精。

(2) 電磁柱式精選機磁場是按照一定的邏輯順序循環(huán)交變的間歇磁場，當線圈斷電時，磁團聚存在充分分散的過程，夾雜在磁團聚體中的脈石和貧連生體可充分地暴露和剝離；因此，電磁柱式精選機的間歇交變磁場，有利于鐵礦石的提鐵降硅。

(3) 電磁柱式精選機磁場具有相對均勻的特點，在磁場中磁團聚呈細短磁鏈狀態(tài)，并保持一定的間隙，相對均勻地分散在整個分選空間；短小磁鏈中夾雜量較少，即使有少量夾雜，也比較容易打散并剝離；因此，電磁柱式精選機的相對均勻磁場，有利于鐵礦石的提質(zhì)降雜。

(4) 在遼寧某鐵礦工業(yè)應(yīng)用表明：一方面，大型智能旋流精選機可獲得 66.3% 的鐵精礦品位，比原流程精礦品位提高 0.8 個百分點；另一方面，大型智能旋流精選機取代了 2 個系列選鐵流程中的 1 號和 2 號淘洗磁選機、1 號和 2 號筒式磁選機，總計 16 臺磁選設(shè)備，簡化了鐵精礦磁選工藝流程，減少了設(shè)備的占地面積。