我国周期式高梯度磁分离设备研究现状与展望

刘兴美，李小静，周岳远，刘石梅，曹传辉（长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南　长沙　410012）



【矿产资源】

我国周期式高梯度磁分离设备研究现状与展望

刘兴美，李小静，周岳远，刘石梅，曹传辉
（长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙410012）

【摘 要】本文介绍了周期式高梯度磁分离设备的研发背景与发展概况，主体结构与分离机理；简述了我国周期式高梯度磁分离设备的研究现状；探讨了周期式高梯度磁分离设备的大型化及运用数值模拟分析软件在周期式高梯度磁分离设备磁场与流场研究领域的重要性。

【关键词】高梯度磁分离；磁介质；大型化；数值分析

近几十年来我国经济快速发展，催生了对矿产资源的巨大需求。除了大量进口之外，我国对本土资源的开发力度也逐年加大。一些易开采、品位高的矿产资源经过几十年的开发利用已逐步消耗殆尽。为了保持经济发展又不至于过高的对外依存度，我国正处于需要大量开发利用具有“贫、细、杂”特点的难选矿产资源的阶段。周期式高梯度磁分离设备以其所具有高背景磁场强度、高磁场梯度、较大分选空间的优势，适合处理微细粒弱磁性物料，广泛应用于多个行业。由于我国高梯度磁分离设备的研究工作起步相对较晚，理论研究基于解决工程生产实践问题。经过几十年的发展，虽有一定的工业化应用，但相对国外而言设备的单位能耗较高。设备大型化是解决这一问题的有效途径，更有助于工业化推广应用。

1　高梯度磁分离设备的研发背景与发展概况

1.1研发背景

针对弱磁性矿物开发利用而研制的强磁场磁选设备的发展经历了几个重大发展阶段。第一代强磁场磁选设备主要依靠特殊结构的电磁磁系与导磁圆盘、辊等组成闭合磁路，从而提高磁场强度。磁极头与圆盘、感应辊等的间隙即为分选区。设备结构虽各不相同，但分选区具有一个共同点，即每个工作间隙只有一个分选面，称为“单层分选空间”。这种强磁场磁选设备解决了粗粒级弱磁性矿物的开发利用。20世纪60年代来，世界多国成功研制大量新型的第二代湿式强磁场磁选设备，其中琼斯型湿式强磁选机作为典型代表。第二代湿式强磁场磁选设备使分选区从单层分选空间进入到多层面多梯度分选空间。这种基于聚磁介质而提出的“多层感应磁极”设计的磁路，原则上均是以铁芯构成磁路的空气隙作为工作间隙。在保证有较高的磁场强度与磁场梯度的前提下，增加分选区间的有效作用面积，较大地提高了设备的处理能力。第二代湿式强磁场磁选设备解决了细粒级弱磁性矿物的开发利用。Marston利用螺线管线圈内腔作为分选空间，将轭铁包在线圈外部形成磁路，分选腔磁场可达到1.59×106A/m以上，并且较琼斯型磁选机可以有大得多的分选空间。金属齿板、球、网板等聚磁介质虽能形成较高的磁场梯度，但对一些微细粒弱磁性矿物的分选仍然不够，且球介质易造成磁通短路［1］。Kolm将纤维状导磁不锈钢毛作为聚磁介质，从而在微小区域形成很高的磁场梯度，较琼斯型磁选机提高了1～2个数量级。新型聚磁介质的发现推动了高梯度磁选领域的研究［2］。60年代末，Marston新磁路与钢毛聚磁介质的结合，产生了科姆—马斯顿铠装螺线管磁系、钢毛聚磁介质高梯度磁选机。

1.2发展概况

周期式高梯度磁分离设备以铠装螺线管磁系，分选腔填充导磁介质形成封闭、半封闭的磁路系统。具有漏磁少、分选腔背景磁选均匀、磁场梯度达到104～108T/m、介质填充率低（4%～14%）、设备可模拟放大、有利于大型化等优点，它更适合于微细粒弱磁性物料的磁分离作业。第一台周期式高梯度磁分离设备于1968年在美国研制成功，用于除去高岭土中＜2μm的弱磁性颗粒。此后，英国、日本等也开始高梯度磁选的研究。

国外完成了高梯度磁分离设备的设计定型与推广应用，理论研究上主要侧重于捕收机理研究、建立高梯度磁分离的数学模型，并提出多种经验模型（力平衡模型、运动轨迹模型、载荷聚集模型、DLVO理论模型等），目的在于通过一些基本参数的研究测定得到最佳的分选条件。

我国于70年代开始高梯度磁选的研究。1978年长沙矿冶研究院在国内率先完成聚磁介质钢毛与钢板网的研制，随之国内相关科研院所也开展了大量的研究工作。针对介质堵塞问题中南大学科研团队研制振动与脉动周期式高梯度磁分离机；稀土永磁材料的发展，带动了周期式高梯度磁分离设备磁系永磁化研究。目前国内外高梯度磁分离技术与设备广泛应用于微细粒弱磁性金属矿选矿、非金属矿除杂提纯、工业“三废”处理，尤其在长石和高岭土除铁（钛）领域应用更为广泛。然而，我国高梯度磁分离设备工业化推广应用仍然面临着诸多挑战。

2　周期式高梯度磁分离设备的结构与分离机理

2.1设备结构

周期式高梯度磁分离设备针对不同的处理对象结构也有所不同。按用途主要分为两种类型，分别为周期式高梯度磁选机与周期式高梯度磁过滤器。周期式高梯度磁选机主要用来对含微细粒弱磁性颗粒的精矿提纯、非金属矿除杂。矿浆经过调浆、分散具有较高的固液比，为使聚磁介质能够有效地捕集弱磁性微粒，要求矿浆流经聚磁介质有较长的滞留时间，即流体具有较低的流速（约7mm/s）［3］。而周期式高梯度磁过滤器处理对象一般为工业废水、废气，其中磁性颗粒含量低或极低，并且磁场力对竞争力具有较明显的优势，磁性颗粒较易被捕获，所以一般流经分选腔的流体具有较高的流速（27～137mm/s）［4］。流体介质根据处理对象一般又分为水介质与空气介质，工业应用还是以水介质居多。周期式高梯度磁分离设备虽然形式多样，但主体结构基本相同，见下图。

周期式高梯度磁分离设备的主体结构

2.2工作机理

2.2.1磁性颗粒的捕获机理

周期式高梯度磁分离设备捕获磁性微粒是通过磁介质作用的，磁介质在磁场中被磁化形成较高的磁场梯度，极大地提高了对磁性微粒的磁力作用。而能否捕获磁性微粒是其所受力的综合作用的结果，当磁力占据明显优势时磁性微粒被磁介质吸引靠近磁介质至被其吸住。磁性微粒在分选腔中受力情况十分复杂，除磁力外还有流体作用力、重力、颗粒间的相互作用力等。有研究表明：当磁性微粒粒度＞10μm时，其重力较磁力小1～2个数量级；当粒度更小时虽然磁力与重力均有所减小，但颗粒受流体作用力影响却更加明显［5］。故磁性微粒的重力、颗粒间的相互作用力较磁力、流体作用力而言几乎可以忽略。尽管分选腔内流体流速较小，但由于是固—液、气—固两相流，且是扩散系统并有磁介质的扰动，所以内部流场十分复杂，尤其是靠近聚磁介质更是如此，而鲜有文献对此进行阐述。目前处理流体作用力是建立在理想流体、聚磁介质附近层流分选基础之上，并对复杂因素做近似或理想化假设。磁性微粒被捕获的必要条件是磁阻比R=FM/FD≥1（式中：FM为微粒的磁力作用、FD为微粒的流体作用）。故研究磁性微粒的捕获机理，流体作用是一个值得关注的方向。

2.2.2磁性微粒与非磁性微粒分离

尽管磁性微粒具备被捕获条件，但也未必能够与非磁性颗粒分离，有很多因素影响这一过程。从分选物料而言，若矿浆中含强磁性矿物或磁性微粒含量较高，由于较易被聚磁介质捕获且易形成磁链，故会造成磁介质的堵塞而中断分选过程或因为机械夹杂而使磁性物与非磁性物不能够充分分离。为解决该问题一般增加一段预磁选工艺，也有采用振动或脉动结构来防止堵塞。从控制条件上来说，主要是创造分选腔适宜的分选环境，使矿浆以层流的形式流经磁介质，确保磁性微粒与聚磁介质有足够的作用时间。而影响这一过程的因素较多，包括给矿浓度、分选罐结构、给矿压力、非磁性产品排出速率、介质形状与填充率等。从周期式高梯度磁分离的操作流程来说，磁性微粒需要经过反冲—正冲才能排出分选腔，然而排出程度却极大的受分选罐结构的影响，给料方式抑或也有一定的影响，但却未见有相关的文献报道。而磁性微粒排出不彻底必然会影响下一周期作业磁性物与非磁性物的分离。

3　我国周期式高梯度磁分离设备的研究现状

3.1磁路设计

磁路设计是磁分离设备最关键的部分之一，合理的磁路设计不仅能保证分选腔必要的背景磁场，而且还能优化设备结构、节约磁系材料、节能降耗。良好的磁场分布作为磁路设计的目的与检验，它的试验研究对磁路设计十分重要。而作为磁场的最终来源与磁路的重要组成部分的磁系又是重中之重。

3.1.1磁系

按照励磁方式周期式高梯度磁分离设备磁系分为电磁系与永磁系。随着稀土永磁材料的发展与设备结构的优化，永磁系具有较好的应用前景。长沙矿冶研究院研制成功的CRIMM型双箱往复式永磁高梯度磁选机已在长石、高岭土等非金属矿选矿提纯产业中得到应用并且效果较好［6］。尽管永磁系具有节能的优势，但分选空间小，单体设备处理能力低，故目前仍以电磁系为主。电磁系周期式高梯度磁分离设备的主要成本与功率消耗在于激磁线圈。赖卫平［7］提出在具有综合力场作用的周期式高梯度磁分离设备磁系设计中，以矿浆在分选腔停留时间及磁介质捕集负荷为基本条件确定分选腔尺寸，通过矮线圈设计获得磁系结构参数的优化值，较优化前，线圈的材料大为减少，功率消耗也得到较大降低，为电磁系的优化设计提供了较好的参考。超导磁体工业化应用技术的日趋成熟，推动了超导磁分离设备的研究。用超导材料替代常规电磁系不仅能够极大地提高磁场强度，还能达到节能降耗的目的，国外已有相关研究的专利产生［8-9］并且相关设备已应用于工业化生产。近年来，国内也已开始研制工业型超导磁分离设备［10］。

3.1.2磁场分布研究

磁场分布是评估设备性能的重要参数，分选腔里磁场的分布均匀程度与强度直接影响矿物的分选效果，也为判断磁路设计是否合理、优化磁系与磁极头的结构提供参考依据，所以对磁场分布的准确分析与计算必不可少。总结前人的研究方法主要分两大类：试验研究、场论研究。而这两类方法在实践中又相辅相成，试验研究中一般采用实测法与模拟法。实测法是利用高斯计、霍耳元件等直接检测磁选设备的磁选分布，但对于较小分选空间的设备尚无法检测；模拟法通过测得分选空间的电位分布，间接地反映磁场分布，适用于较小分选空间的设备。场论研究是建立在磁路定律与数值计算的基础之上，对具体的问题进行抽象化、模型化，并作理想化的假设，进而对磁场分布做理论计算与近似估计。主要有线性积分法、回路磁通法、并联磁路法、经验计算法等研究方法。而这些研究方法不仅要求研究者具备丰富的设计经验，而且局限于一些特定的情况，并存在计算结果与实际值间的偏差难以估计、某些关键参数难以确定等问题。随着计算机技术的发展，数值模拟理论与软件的开发对电磁场分布研究提供了极大的帮助。近年来，愈来愈多的研究者利用ANSYS、MATLAB等有限差分、有限元、边界元等分析软件对磁选设备的磁场进行数值分析，从而优化或设计性能更佳的磁选设备。程常松等［11］曾利用ANSYS软件对CRIMM型双箱往复式永磁高梯度磁选机磁系进行分析，并提出改进方案，较之前设计方案背景磁场提高了0.1T以上。可见计算机数值模拟对于磁场分布研究确实是一行之有效的途径。

3.2聚磁介质研究

聚磁介质在高梯度磁分离中是高磁场梯度产生的基础，也是捕获弱磁性微细粒的载体。其物理参数对设备性能有至关重要的影响。这些参数主要有材质、形状、尺寸、组合方式、填充率等。我国在聚磁介质方面进行了大量的研究工作。新聚磁介质的研究基本以铁基材料为基体，添加特定元素并调控比例，从而具有导磁性能好、矫顽力小、易加工、韧性高等优点。聚磁介质的形状与尺寸因高梯度磁分离的用途不同而多样化，周期式高梯度磁分离设备一般处理微细粒物料，需要较高的磁场梯度，故常采用丝状或网状介质。基于丝状与网状周围磁场分布的复杂性，介质组合方式的研究基本建立在棒状介质的基础上，理论上仍以单丝磁力捕获理论为主。近年来，基于ANSYS等数值模拟软件的运用，磁场分布以云图、等值线等可视化形式体现，对于研究介质组合方式提供了极大的帮助。郑霞裕等［12］做了基于ANSYS探讨高梯度磁场特性的研究工作，得到磁介质上下交替排列，分选腔中磁场与磁场梯度分布更均匀的结论。介质填充率影响着设备的处理量、磁性微粒的捕集。周期式高梯度磁分离理论上介质填充率5%～14%，过低不能够充分的利用分选空间、影响产品质量；过高易阻碍流体流动，造成夹杂或阻塞。所以合适的填充率不仅需要理论上的指导，更需要试验验证。

3.3大型化研究

我国周期式高梯度磁分离设备经过几十年的发展，已有部分机型用于工业化生产，磁过滤器得到较好的推广，而高梯度磁选机却面临诸多难题。实践表明大型设备的单位处理成本较低，然而设备大型化仍存在给矿不均匀、介质冲洗不干净、分选指标不稳定等问题。这些问题是设备模拟放大产生的，受设备结构影响较大。长沙矿冶研究院在历经几十年的设计、生产实践的基础上对不同尺寸分选腔结构给出经验化的设计方案，其中Φ1 000mm分选腔设计经过工业生产的实践验证取得了比较稳定的分选效果。近年来，随着计算流体力学（CFD）理论体系的建立与完善，以及流体仿真模拟软件的开发应用，推动了探究复杂结构内部流场分布研究。选矿科研人员也运用它来分析设备的流场分布情况，优化设备结构。在浮选机、旋流器、搅拌槽等设备的优化中已得到较多的应用。卢东方等［13］在研发旋流高梯度磁选机时运用FLUENT流体分析软件分析矿浆流场分布、优化设备结构，并取得理想的效果。

4　结论与展望

（1） 我国周期式高梯度磁分离技术已有广泛的应用领域，设备趋于多样化发展，但主体结构仍具有一致性。深入研究周期式高梯度磁选机的结构参数、条件参数对优化设备结构、提高分选指标具有重要价值，也有利于周期式高梯度磁分离设备的工业化推广。

（2） 磁介质对弱磁性微粒的捕集主要受磁力、流体作用力的影响，深入研究聚磁介质附近的磁场、流场规律对分析微粒的捕获机理十分必要。基于ANSYS、FLUENT等分析软件的数值模拟能够将磁场、流场以云图、等值线的方式可视化显示，故借助此类分析软件研究高梯度磁分离机理、磁系设计与磁介质具有较好的前景。

（3） 周期式高梯度磁分离设备大型化是其推广应用的必然趋势，然而大型化存在的给矿不均匀、分选指标不稳定等技术瓶颈必须要得到适当的解决。基于CAD/CAE进行合理的结构设计为大型化提供了可靠的途径。

【参考文献】

［1］PARKER M R. The physics of magnetic separation［J］. Contemp. Phys， 1977， 18（3）: 279-306.

［2］BIRSS R R， GERBER R， PARKER M R. Analysis of matrix systems in high intensity magnetic separation［J］. Filtration and Separation， 1977， 14（4）: 339-342.

［3］李小静，徐星佩，周岳远，等.CRIMM型高梯度磁选机在高岭土精制中的应用［J］.矿产保护与利用，2005（6）：25-27.

［4］沈晓理.高梯度电磁过滤处理钢铁废水的研究［J］.湖北环境保护，1980（3）：139-143.

［5］吴喜庆，米夏夏，杨斌.斜环永磁高梯度磁选机的原理及应用［J］.中南大学学报（自然科学版），2011（9）：2537-2542.

［6］李小静，周岳远，曹传辉，等.CRIMM型双箱往复式永磁高梯度磁选机研制及应用［J］.金属矿山，2008（1）：47-48.

［7］赖卫平.周期式高梯度磁选机磁系设计探讨［J］.有色设备，1990 （1）：14-18.

［8］ADAM A S. Superconducting magnetic separator: US， 5743410 ［P］. 1998-04-28.

［9］JOHN D B. Superconductive magnetic separator: US， 3503504 ［P］. 1970-03-01.

［10］孙仲元，朱自安，王美芬.超导磁选设备的发展［C］//中国采选技术十年回顾与展望——第三届中国矿业科技大会论文集，机电与自动化技术，2012：599-604.

［11］程常松，周岳远，李小静.CRIMM永磁高梯度磁选机磁系改进研究［J］.矿冶工程，2013（8）：78-80.

［12］郑霞裕，李茂林，崔瑞，等.基于ANSYS的高梯度磁选机磁场特性影响因素分析［J］.金属矿山，2013（7）：139-143.

［13］卢东方，王毓华，何平波，等.旋流高梯度磁选机的原理及分选性能预测［J］.中南大学学报（自然科学版），2014（1）：1-7.

【中图分类号】TD924.11

【文献标识码】A

【文章编号】1007-9386（2016）01-0037-04

【收稿日期】2015-10-15

Research Status and Prospect of Cycle-type High Gradient Magnetic Separators in China

LIU Xing-mei， LI Xiao-jing， ZHOU Yue-yuan， LIU Shi-mei， CAO Chuan-hui
（Changsha Research Institute of Mining & Metallurgy Co. Ltd.， Changsha 410012， China）

Abstract:This paper describes the research and development background and general situation of the cycle-type high gradient magnetic separator， introduces the main structure， separation mechanism and the current state of China's cycle-type high gradient magnetic separators research. Then， it also discusses that the inevitable trend of large scaling of the equipment. Last， which illuminates the important of using numerical simulation software to research magnetic field and flow field in the research of high gradient magnetic separators.

Key words:high gradient magnetic separator； matrices； larger-scale unit； numerical simulation