磁选环柱磁系的改进

时间：2024-07-28

陈广振王培信金镇贾西寅

(辽宁科技大学矿业工程学院)

我国铁矿资源中约2/3为磁铁矿［1-3］，磁选工艺与其他选矿工艺比较，具有流程简单、生产成本低等优点。钢铁冶金“精料方针”的提出以及矿石资源日益贫细化成了磁选设备更新和进步的不懈动力。

磁选环柱［4］是辽宁科技大学在磁选柱基础上研制的一种新型磁选设备。该设备既吸收了磁选柱分选精度高的优点，又克服了磁选柱［5］对给矿粒度要求严格、耗水量偏大等不足，同时突破了磁选柱仅适用于精选作业的局限性，实现了既可用于精选作业，又可用于粗选作业，扩大了适用范围。

1 问题的提出及原因分析

磁选环柱的研发和其他设备一样有一个不断改进、不断完善的过程。磁选环柱在磁选厂粗选作业最初的工业应用表明，其粗精矿铁品位显著高于现场筒式磁选机的粗精矿铁品位，但也暴露出其尾矿铁品位高出现场筒式磁选机1个百分点左右的问题。

试验过程中发现，尾矿流周期性地呈现忽而土黄忽而颜色加深的变化规律。研究分析得出，尾矿周期性跑黑与磁选环柱励磁线圈的循环周期一致。当尾矿筒上边缘附近的励磁线圈断电时，已进入精选环腔中的细粒磁性颗粒在上升水流作用下被冲入尾矿筒，即出现尾矿跑黑现象;通电时，则尾矿跑黑现象消失。尾矿的这种周期性跑黑正是造成现场磁选环柱尾矿品位偏高的主要原因［6］。因此，要解决这些问题，就必须从完善磁系配置与结构入手。

2 磁选环柱磁系的改进

磁选环柱由给矿斗、分选筒、尾矿筒、循环通电励磁线圈、溢流管、精矿排矿管、尾矿排矿管和电控装置等部分组成。其中，循环通电励磁线圈构成磁系，在分选筒内设有尾矿筒，尾矿筒壁和分选筒壁之间为精选环腔。在分选筒下方设有切向给水管，在精选环腔和尾矿筒的底部分别设有精矿排矿管和尾矿排矿管。磁选环柱以尾矿筒上边缘为界分为上、下两部分，上部称为粗选区，下部称为精选区。

磁系配置改进的具体措施是在磁选环柱的尾矿筒上边缘附近增设1个常通电励磁线圈［7］，该线圈电流强度可调;磁系结构改进的具体措施是在每个励磁线圈的外部罩上由导磁材料制成的聚磁环轭［8］，其作用是将励磁线圈产生的磁力线集中在分选筒外壁周边，提高分选区径向磁场强度。磁系配置和结构改进后的磁选环柱如图1所示。

图1 改进后磁选环柱结构

磁选环柱尾矿铁品位偏高是由尾矿筒入口附近励磁线圈的循环通断电造成的。因此，在尾矿筒入口处增设常通电励磁线圈，可使被上升水流从精选区冲出的磁性颗粒在尾矿筒入口附近受到不间断的磁场力作用，可有效减少这些磁性颗粒进入尾矿筒。另外，常通电励磁线圈电流可调等同于其磁场可调，亦即磁性颗粒所受的磁场力可调，当磁场力不足以捕获某些磁性颗粒时，可通过调节电流强度以提供足够大的磁场力，以便更有效地阻止磁性颗粒被上升水流冲入尾矿，从而解决磁选环柱尾矿周期性跑黑所引起的尾矿偏高问题。

3 磁选环柱分选原理及分选过程

3.1 分选原理

矿浆中的矿粒形状、大小、密度、磁性率等均不相同，且以随机状态处于由重力、磁力、流体动力等组成的复合力场中，受力情况复杂，关于其运动状态目前尚无定量描述。因此，本文只考虑在选别中起主要作用的径向磁场力、流体动力和有效重力，忽略其他次要作用力，据此对磁选环柱分选原理进行定性讨论。

在磁选环柱中，非磁性颗粒在粗选区主要受到有效重力和水流阻力的联合作用;磁性颗粒在粗选区除受到上述力的作用外，还受到以径向磁场力为主、轴向磁场力为辅的磁场力(由于该力相对于重力较小，因此分析时忽略)，总合力斜向下指向分选筒周壁。

非磁性颗粒和磁性颗粒在粗选区的受力分析如图2所示。

图2 非磁性颗粒和磁性颗粒受力分析

磁性颗粒所受到的径向磁场力

式中，fm为颗粒受到的径向磁场力，水平方向，N;μ0为真空磁导率，μ0=4π ×10－7Wb/(m·A);k0为颗粒物质体积磁化率，无因次;V为颗粒的体积，m3;H为颗粒体积中的磁场强度，A/m。

颗粒所受到的有效重力

式中，fg为颗粒受到的有效重力，方向向下，N;δ为颗粒密度，kg/m3;g为重力加速度，9.8 m/s2;ρ为水密度，kg/m3。

颗粒所受到的水流阻力

式中，fR为颗粒受到的水流阻力，向上，N;φ为阻力系数，与雷诺数有关的无因次参数;v为颗粒与介质的相对运动速度，m/s;d为颗粒的直径，m。

磁场力、有效重力和上升水流阻力是磁选环柱分选各种矿物的主要作用力。在粗选区内，径向磁场力较大，其主要作用是将大部分磁性颗粒和连生体吸引向分选筒壁，然后在有效重力和水流阻力的作用下，沿分选筒壁向下运动，然后进入精选环腔;非磁性颗粒在有效重力和水流阻力的联合作用下旋转向下直接进入尾矿筒成为尾矿。在精选区内，轴向磁场力较大，其主要作用是使磁性颗粒沿筒壁向下运动，同时在运动过程中产生分散—团聚—分散现象。上升水流动力的主要作用是在磁链处于分散状态时冲刷、淘洗出其中的非磁性颗粒和贫连生体并将其冲入尾矿筒，使磁链在此过程中得到精选和纯化，最后由精矿排矿管排出高品位的精矿。

3.2 分选过程

磁选环柱分选过程如图3所示。矿浆由给矿斗给入分选筒中，首先经过粗选区，在循环往复向下的磁场力和有效重力作用下，磁性颗粒及富连生体形成的磁链向分选筒壁运动，然后沿筒壁向下运动;大部分非磁性颗粒在有效重力的作用下随水流到达分选筒中央区域，继续向下运动进入尾矿筒。沿筒壁向下运动的磁链以及夹杂的部分非磁性颗粒进入精选区，在连续向下的磁场力和旋转上升水流动力的共同作用下向下沉降，经过多次团聚—分散淘洗，最后由分选筒下部精矿排矿管排出，成为高品位精矿。磁链中淘洗出的非磁性颗粒、贫连生体则在上升水流作用下上升，在尾矿筒入口处转为向下运动，与粗选区尾矿汇合，经尾矿口排出成为最终尾矿。

图3 磁选环柱分选过程示意

4 试验装置与试验物料

4.1 试验装置

试验如图4所示，主要包括80 mm磁选环柱、电源控制箱、搅拌槽、流量计、阀门等［9］。

4.2 试验物料

试验物料为鞍钢大孤山选矿厂的一次分级溢流。大孤山铁矿石属典型的磁铁矿石，具有品位低、嵌布粒度细等特点，主要有用矿物为磁铁矿、次为假象赤铁矿;脉石主要为石英、镁铁闪石、方解石。试验物料粒度筛析结果见表1。

图4 试验装置示意

表1 试样粒度筛析结果

从表1可以看出，试验物料中粗粒级铁品位明显低于细粒级，铁在－0.075 mm粒级明显富集。

5 主要工艺参数的确定

为了检验改进后的设备是否能够有效地解决尾矿跑黑问题，在实验室对改进前后的磁选环柱进行了分选效果对比。试验前，首先对显著影响磁选环柱分选效果的励磁线圈电流强度和上升水流速度进行了确定。

5.1 励磁线圈的电流强度确定

常通电与周期性通电的线圈电流强度试验的给矿浓度为35%，励磁线圈循环周期为2.4 s，精选区上升水流速度为3.5 cm/s，试验结果见图5、图6。

图5 励磁线圈电流强度对尾矿铁品位的影响

图6 励磁线圈电流强度对精矿铁品位和回收率的影响

由图5、图6可以看出，励磁线圈电流强度由0增加到3.5 A，尾矿铁品位由29.98%先快速下降，后缓慢下降到8.08%;精矿铁品位先由47.12%平稳上升到53.11%，之后小幅下降;精矿铁回收率在电流强度上升初期先由43.92%快速上升到91.75%，之后几乎不再上升。结合粗选作业的主要任务是抛尾，因此，确定励磁线圈电流强度为2.5 A。

5.2 上升水流的速度确定

精选区上升水流速度试验的电流强度为2.5 A，给矿浓度为35%，励磁线圈循环周期为2.4 s，试验结果如图7、图8。

图7 上升水流速度对尾矿铁品位的影响

图8 上升水流速度对精矿铁品位和回收率的影响

由图7、图8可以看出，精选区上升水流速度由1 cm/s增大到3 cm/s，尾矿铁品位微幅上升，上升水流速度从3 cm/s增大到4 cm/s，尾矿铁品位由8.07%升到11.33%;精矿铁品位由1 cm/s时的47.19%上升到3 cm/s时的51.30%，之后则随上升水流速度的增大而下降;精矿铁回收率由1 cm/s时的93.67%下降到4 cm/s时的88.41%。综合考虑，确定精选区上升水流速度为2.8 cm/s。