斜环永磁高梯度磁选机的原理及应用
伍喜庆，米夏夏，杨斌
(中南大学 资源加工与生物工程学院，湖南 长沙，410083)
摘要：介绍新型斜环永磁高梯度磁选机的基本结构，分析磁性矿粒在复合力场中的受力和捕获机理，测试该设备对某铁矿尾矿的磁选效果。该磁选机为永磁磁系，分选环为倾斜配置且分选环倾斜角度和转速可调；分选时，磁介质在底部磁场区捕收磁性矿粒，旋转到顶部非磁场区冲洗卸矿。研究结果表明：调节分选环的倾斜角度可改变磁性矿粒所受各作用力的大小，从而调节磁选粒度的下限和磁选作业的回收率；当原矿铁品位为17.81%时，经一次磁选可获得回收率为65.05%、全铁品位为29.53%的磁选精矿。该磁选机设计合理、节能，可实现连续给矿、分选和排矿。
关键词：
中图分类号：TD457 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)09-2537-06
High-gradient permanent magnetic separator with
inclined cylinder and its application
WU Xi-qing, MI Xia-xia, YANG Bin
(School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The structure of a high-gradient permanent magnetic separator with inclined cylinder (HGPMSIC) was described, the load conditions and capture mechanism of mineral particles in a compound force field were analyzed, and magnetic separation effect of tailings containing iron by the HGPMSIC was tested. The inclination angle and rotational speed of separation cylinder, which was attached to the HGPMSIC, were adjustable. Magnetic particles were attracted by magnetic media in the inner bottom of the cylinder due to the presence of magnetic field and then washed down by pressured water after rotation into the inner top wall with nearly non-magnetic field. The mechanics analysis of mineral particles in the compound force field indicates that the lower limit of particle size (i.e. finest particle) recoverable by the HGPMSIC is controllable by adjusting the inclination of the separation cylinder. The test results of reclaiming iron minerals from a tailings containing iron by the HGPMSIC show that for a tailings with a content of 17.81% iron as feed, a magnetic concentrate with TFe grade of 29.53% and recovery of 65.05% are obtained after one time magnetic separation. The design of the magnetic separator is reasonable, and it operates well continuously through feeding, separating and discharge sub-processes.
Key words: inclined cylinder; magnetic separation; high-gradient permanent magnetic separator; weekly magnetic minerals; reclaiming tailings
高梯度磁选是一种处理细粒弱磁性矿物的有效分选方法。自20世纪60年代末Kolm等[1]成功研发第1台高梯度磁选实验装置以来，高梯度磁选机的研发得到了迅速发展。目前，国内外已研制了多种高梯度磁选机，如Sala型高梯度磁选机、VMS型高梯度磁选机[2]、仿琼斯SHP系列湿式强磁选机[3]、Slon型脉动高梯度立环磁选机[4]、SSS-Ⅱ双频脉冲双立环高梯度磁选机[5]、DMG型立环脉动高梯度磁选机[6]，这些高梯度磁选机均为电磁磁系，因而结构复杂、造价高、能耗大。随着高性能稀土永磁材料[7-8]的发展和超导技术的进步以及节能的需要，高梯度磁选机在磁系选择上尝试使用永磁体和超导体，如铁轮式永磁高梯度磁选机[9] 、CRIMM型双箱往复式永磁高梯度磁选机[10]和超导高梯度磁选机[11]。此外，高梯度磁选机的分选环就配置方式而言，主要分为平环和立环配置，在这类高梯度磁选机中，矿粒所受的重力在分选过程中均为竞争力。本文作者结合高梯度磁选技术和曾经研究过的斜面流体力磁力分选[12]的优点，研制出一种新型斜环永磁高梯度磁选机[13]。在此，本文作者介绍该新型斜环永磁高梯度磁选机的基本结构，分析磁性矿粒在复合力场中的作用力和捕获机理，并测试该设备对某铁矿尾矿的磁选效果。
1 斜环永磁高梯度磁选机
图1所示为斜环永磁高梯度磁选机结构图。斜环永磁高梯度磁选机[13](以下简称斜环磁选机)主要由转筒、转环、转筒驱动机构、倾斜驱动机构、永磁磁系、给矿斗(图中未画出)、精矿斗、尾矿斗、清洗水装置和精矿冲洗水装置、活动机架和固定机架等部件组成。转筒内表面装有转环，转环中固定有导磁不锈钢材质的聚磁介质(可以是线型、网板型或齿板型介质等)。
作业时，首先通过倾斜驱动机构和变频调速器调节转环的倾斜角度和转速，开动转筒驱动机构，使转筒连同转环作顺时针旋转，矿浆从给矿斗经给矿管给入到转筒的内上端，在重力作用下流经转环中的聚磁介质，其中的磁性颗粒被聚磁介质捕获，部分非磁性颗粒可能会夹杂在其中。在磁系中部，有1个清洗水管，主要是防止和减少这种机械夹杂，当磁介质旋转到顶部无磁场区时，磁性颗粒被冲洗水冲下到精矿斗；而非磁性颗粒则在重力和流体推动力作用下从圆筒的下端进入尾矿斗。
从斜环磁选机的结构及分选过程可看出其主要应用特点是：重力在传统高梯度磁选机的分选过程中属竞争力，而在斜环磁选机的分选过程中则起到了一定的分选力效果；分选时，矿浆在转筒内的流动是一种曲线运动，从而延长了矿浆在转筒内的行程，增大了矿粒与聚磁介质的接触概率；分选环倾斜角度的调节是磁选过程中的又一重要参数，而该参数可改变矿浆流体力学和重力的作用。
图1 斜环永磁高梯度磁选机结构图
Fig.1 Structure of high-gradient permanent magnetic separator with inclined cylinder
2 斜环磁选机中磁性矿粒的受力与捕获
2.1 磁性矿粒在复合力场中的各种作用力分析
磁性矿粒在斜环高梯度磁选机分选过程中，受到多种力的作用，如磁力、流体推动力、重力、摩擦力等。为了简便，下面以球形矿粒为例，分析和估算各种作用力的大小[12-14]。
2.1.1 磁介质对矿粒的磁力
假设磁介质为圆柱形导磁不锈钢材料的棒介质，则1个位于磁介质附近且半径为R的球形矿粒所受的磁力为：
(1)
2.1.2 有效重力
半径为R的球形矿粒在矿浆中所受的有效重力为：
(2)
2.1.3 流体推动力
在斜环磁选机中，假设矿粒在矿浆中所受的流体推动力服从斯托克斯公式，矿浆可近似认为是沿倾角为θ的斜槽运动，其流速与倾斜角度的正弦成正比[15]，则斯托克斯阻力为：
(3)
2.1.4 摩擦力
当斜环磁选机的倾斜角度为θ时，在磁场区矿粒与磁介质之间的摩擦力为：
(4)
除以上4种力作用之外，矿粒还要受到其他力的作用，如离心力、矿粒之间的磁吸引力、同质和异质矿粒间的静电力和范德华力等等。矿粒之间的这些力在颗粒极微细情况下才比较显著，故在此不予考虑。
以斜环磁选机处理细粒赤铁矿时进行受力分析为例，为了直观，式(1)~(4)中所有变量的物理意义、单位(SI单位制)以及选取计算值如表1所示。根据表1中的数据和式(1)~(4)计算各力的大小，计算结果见 图2。
从图2可见：斜环磁选机在捕收赤铁矿时，其倾斜角度对矿粒所受的流体推动力影响比较显著，而重力平行和垂直于斜面的分力组成也与倾斜角度有关。在矿粒粒级为0~100 μm时，有效重力相对于磁力来说是很小的，结合式(1)和式(4)可知：磁力不受倾斜角度的影响，故摩擦力受倾斜角度的影响较小。
表1 计算过程中的原始数据
Table 1 Original data of calculation
图2 粒径对矿粒受力的影响
Fig.2 Effects of particle size on various forces
2.2 磁性矿粒的捕获方式及条件
在斜环磁选机中，磁性矿粒在斜环磁选机中被捕获可分为吸引和吸住2个阶段。在吸引阶段，分选力为矿粒所受的磁力和有效重力垂直于斜面的分力；而当矿粒与聚磁介质接触后，为保持吸住状态，分选力表现为摩擦力，竞争力为矿粒所受的流体推动力和有效重力平行于斜面的分力。
2.2.1 磁性矿粒被聚磁介质吸引
在矿浆中，设磁性矿粒与长度为l的聚磁介质表面还未接触且距离其表面的垂直高度为h，如图3所示。矿粒在竞争力作用下流向尾矿斗，而在分选力作用下拉向聚磁介质，若矿粒能与聚磁介质表面接触，则必须满足：
t1＜t2 (5)
式中：t1为磁性矿粒在分选力作用下到聚磁介质的时间(假设磁力不变)，
t2为磁性矿粒在竞争力作用下离开聚磁介质的时间(假设流体推动力不变)，
将t1和t2代入式(5)可得：
(6)
式中：l为聚磁介质长度；h为矿粒距聚磁介质表面垂直距离。
图3 矿粒在斜面受力示意图
Fig.3 Sketch of mineral particle on inclined plane
由式(6)可知：当矿粒的受力一定时，增长聚磁介质和减小流膜厚度(即减小矿粒与聚磁介质之间的距离h，如采用薄膜给矿方式)，对捕获矿粒是有利的。
2.2.2 矿粒被聚磁介质吸住
在斜环磁选机中，当矿粒被吸引到聚磁介质表面后，则完成了磁性矿粒被捕获的第一阶段，而第二阶段为矿粒与聚磁介质表面接触，且能够被其吸住而带至卸矿区，在这一阶段分选力表现为摩擦力，矿粒被聚磁介质表面捕获方式如下。
(1) 吸住式捕获。当矿粒被聚磁介质吸住而不被竞争力带走而捕获，则需满足条件为矿粒所受的分选力大于竞争力，即摩擦力大于流体推动力和有效重力沿斜面的分力之和：
(7)
由图2和式(7)可见：斜环磁选机在不同的倾斜角度下，对赤铁矿矿粒捕收的粒级下限也不同，可捕收粒级下限随倾斜角度的减小而减小：当倾斜角度为90°时，可捕收矿粒的粒级下限为35 μm；当倾斜角度为10°时，可捕收矿粒的粒级下限为15 μm；当倾斜角度为5°时，可捕收赤铁矿矿粒的粒级下限为10 μm(吸住式捕获矿粒)。
(2) 运动式捕获。当矿粒与聚磁介质表面接触，但所受的分选力小于竞争力时，矿粒在竞争力和分选力的共同作用下向尾矿斗运动。设分选区的径向夹角为β，矿粒在分选区内运动轨迹如图4所示。当矿粒随聚磁介质旋转而离开分选区时，向下运动的距离小于聚磁介质长度，矿粒同样可以被捕获。假设矿粒与聚磁介质接触时沿斜面方向的初速度很小，可以忽略，则需满足的条件为：
(8)
式中：a为矿粒在竞争力和分选力共同作用下(即在分选区内)加速度，则
t为矿粒在分选区停留的时间(s)，设分选环转速为ωr/min，则
。将a和t代入式(8)可得：
(9)
式中：
为分选环转速，r/min；
为分选区的径向夹角，rad。
图4 矿粒在斜面运动轨迹示意图
Fig.4 Sketch of particle trajectory on inclined plane
由式(9)可见：当矿粒所受竞争力大于分选力时，增大转环转速和增长聚磁介质长度均有利于对矿粒的捕获。显然，运动式捕获比吸住式捕获矿粒的粒度下限要小。
在斜环高梯度磁选机中，磁力和有效重力垂直于斜面的分力均属分选力，由式(1)和式(2)可知：磁力与矿粒半径的平方成正比，有效重力与矿粒半径的立方成正比；当矿粒粒级迅速增大时，磁力和有效重力也迅速增大，这对斜环磁选机提高回收率来说是有利的。
3 试验结果
磁选试验给料为某铁矿选矿后的尾矿，其中TFe(全铁)含量为17.81%，主要以赤铁矿和菱铁矿等弱磁性矿物存在，原矿粒度中微细粒含量较高，小于0.037 mm粒级的含量为47.9%。磁选试验时，给矿浓度为20%，给矿速度为2 L/min，分选环转速为20 r/min，主要操作参数变量为斜环磁选机中的倾斜角度。当倾斜角度分别为10°，20°，30°和45°时，其试验结果如图5所示。
由图5可见：铁品位随着倾斜角度的增大而增大，而回收率随着倾斜角度的增大而下降。这是因为在斜环磁选机中，随着倾斜角度的增大，矿粒所受的流体推动力和有效重力平行于斜面的分力增大，即竞争力增大，则磁性较弱或连生体矿粒因受分选力较弱，被竞争力所带走的概率增大。
图5 倾斜角度对试验指标的影响
Fig.5 Effect of inclination angle on separation
4 结论
(1) 调节斜环磁选机所具特征的倾斜角度，可改变矿粒所受流体推动力大小和有效重力的分力组成，从而可降低斜环磁选机捕获磁性矿粒的粒度下限；此外，设备的结构参数聚磁介质长度和操作参数转环转速和流膜厚度也是影响矿粒捕获的重要因素。
(2) 磁选铁精矿中的铁品位随着倾斜角度的增大而增大，而铁回收率随着倾斜角度的减小而增大，这与磁性矿粒受力分析结果一致；在给料铁矿尾矿全铁品位为17.81%时，经一次磁选可获得全铁品位为29.53%、回收率为65.05%的良好指标。
(3) 斜环永磁高梯度磁选机原理新颖，结构简单，能源消耗低，操作维护方便，与一般磁选机相比，增加了新的可调控的结构和操作参数，是有效富集和分离弱磁性物料的设备。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2010-08-04；修回日期：2010-11-13
基金项目：教育部留学回国人员基金资助项目(2005)
通信作者：伍喜庆(1962-)，男，湖南新邵人，博士，副教授，从事矿物资源加工研究；电话：0731-88830548；E-mail: xiqingwu@hotmail.com
