我国高梯度超导磁分离装备在非金属矿选矿中的应用*

李培勇 付贵泰 张义廷 王兆连 李运强

(潍坊新力超导磁电科技有限公司 山东 潍坊 261205)



我国高梯度超导磁分离装备在非金属矿选矿中的应用*

李培勇 付贵泰 张义廷 王兆连 李运强

(潍坊新力超导磁电科技有限公司 山东 潍坊 261205)

介绍了国内磁选设备的研究现状，对目前国内高梯度超导磁分离装备的结构原理、分选方式以及选矿特性进行了分析，并通过大量磁选试验验证了高梯度超导磁分离装备在我国非金属矿选矿领域中高效、节能等方面的优势，建议大力发展节能、高效磁选技术。

超导磁体 背景磁场 非金属矿 零电阻 磁选装备

磁选是一种无污染或者少污染的环保洁净磁分离技术[1]，是一种通过改变矿粒周围磁场环境将其分离的一种选矿技术，在很多领域都得到了广泛的应用。在我国非金属矿矿物加工领域，磁选技术有了很大的提升，被广泛应用于高岭土、钾钠长石、高纯石英等非金属矿的除铁提纯。近年来，我国磁选设备研制进展很快，先后取得了一系列水平很高、适合我国矿山情况的研究成果[2]，如永磁筒式磁选机、干式磁选机、电磁感应辊式强磁选机；Shp系列强磁选机，SLon立环脉动高梯度磁选机及我公司研制的强制油水复合冷却电磁高梯度磁选机等。这些研究成果目前都已在工业生产中得到了广泛的应用，并取得了较好的经济效益。然而，近年来随着我国优质矿产资源的过度开发，非金属矿中一些难选矿产的开发迫在眉睫，常规磁选设备对非金属矿中嵌布粒度较细、比磁化系数较低、共生现象严重的铁磁性矿物的去除效果不理想，而且大都采用电磁铁或者螺线管作为磁体，其激磁功率和磁场强度的平方成正比，因此磁选机运转时耗电量很大[3]，加剧了矿山企业的负担。同时常规磁体受到铁芯磁饱和以及线圈发热需强制冷却的限制[4]，产生的最大磁场强度一般不会超过1 600 kA/m(20 000 Oe)。针对以上问题，我公司同中国科学院高能物理研究所合作研制了具有高场强、低能耗、处理量大且操作简单的高梯度超导磁选机[5]。该磁选机采用低温超导技术针对以上问题有了技术上的突破，打破了常规电磁场强最高2.0T的限制，为我国选矿装备的创新发展指引了新的方向。

1 高梯度超导磁选设备的工作原理及性能优势

1.1 高梯度超导磁选机工作原理

超导磁选机作为国内磁选装备中的高端选矿装备，其关键技术在于通过低温技术来处理线圈，使线圈达到超导状态，以提高磁体所产生的背景场强，其结构如图1所示。利用钛、铌三锡等超导材料制作的超导线[6]，通过后期加工，将超导线环绕成特种线圈置于密闭良好的低温杜瓦中。采用液氦浸泡及制冷系统传导冷却的方式[7]，使超导线圈工作环境温度维持在-268.8 ℃左右，此时超导线圈电阻为零。由于缠绕线圈电阻为零，电导率为无穷大，可以承载更大的电流，增加超导线圈匝数，以螺旋管的方式进行绕制，最终可获得超高的背景磁场。

图1 超导磁体简图

该磁选机能够接近连续地处理物料。这是利用设备内交替地位于磁场内的两个分选腔段实现的。当一个分选腔段用于分选矿浆时，另一个被清洗并为其下一个工作周期做准备。分选腔系统主要由5组分选腔组成(如图2所示)，其中2个无效分选腔、2个有效分选腔以及1个磁力平衡腔。磁力平衡腔位于中间，平衡了分选腔出入磁体时所受的磁力，使整个系统运动时轴向力较小，2个无效分选腔位于两侧，起到连接支撑作用，保证2个有效分选腔交替地进入磁场[8]。

图2 分选腔结构示意图

1.2 超导磁选设备的性能优势

1.2.1 极高的背景场强可获得更高的磁力

超导磁体所用线圈采用Nb-Ti超导材料制作，在低温下电阻为零，能够通过更大的电流却不会产生太大的热量，因此可以使线圈产生更大的背景磁场，目前最高可达7.0 T。根据下面磁力计算公式可知磁性颗粒在磁场中的受力情况[9]：

F磁=μ0kVHgradH

(1)

(2)

式中： μ0——体积磁化率系数；

k——体积磁化率；

V——颗粒体积；

H——磁场强度；

gradH——磁场梯度；

δ——颗粒密度；

χ——比磁化率。

(1)、(2)计算公式表明，作用在磁选颗粒上的磁力决定于颗粒的磁性和磁选设备的磁场力HgradH。背景磁场越高，磁性颗粒在磁场内所受磁力越强，越容易被磁性介质捕捉。超导磁选机超高的背景磁场为非金属矿选矿中弱磁性颗粒的去除提供了强大的技术支撑，使微细粒选矿不再是难以攻克的难题。

1.2.2 能耗低，节能降耗效益显著

采用低温超导技术，超导磁体在4.2 K(-268.8 ℃)低温环境下作业，其线圈电阻为零，通电后实现超导状态，有效杜绝磁体在导电过程中的发热现象，高电流通过时其所产生热值为零。GM制冷机仅需维持超导磁体处于这种低温状态，与常导磁体相比节电90%，完全解决了磁选作业能耗高的问题。表1为目前非金属矿磁选常用的几种选矿设备大致功率。

表1 主要磁选设备能耗对比

表1显示，低温超导磁选机额定功率在10 kW左右，相当于一台永磁磁选机，与电磁设备相比，能耗大大降低，同时背景场强也得到很大的提高，使超导磁选机整机性能提升明显，为矿山企业节约大量的选矿电力成本。

1.2.3 分选范围广

非金属矿选矿提纯主要的目的是要满足其应用的相关领域，如高品质陶瓷、耐火材料、微电子、光纤、涂料以及造纸等高新技术[10]。该领域对非金属矿纯度要求极高，对其中脉石含量上限控制极其严格，因此非金属除铁提纯一直是国内非金属矿选矿领域的技术难题。然而，普通磁选机对嵌布特性复杂、矿物种类繁多、磁性矿物颗粒较细、共生伴生严重的非金属矿分选效果很难满足产品要求，现代高梯度磁选机虽然有着30多年的发展历史，但是仍然存在着价格高，能耗大的问题[11]，高梯度超导磁选机则有效地解决了这一技术问题。其拥有极高的背景场强，可以捕捉到矿浆中粒度极细、比磁化率更低的磁性颗粒，从而获得高品位的精矿产品。目前实验室已对包括高岭土、钾钠长石、粉煤灰、石英等多种非金属矿做了试验研究，除铁效果显著。

在非金属矿选矿中，常规磁选机对磁化率较高的顺磁性矿物或者铁磁性矿物能够较好地去除，选别粒度下限可低至20 μm[12]。但是随着我国非金属矿产品的研究的发展，对矿产品的质量要求以及产量要求越来越高，常规磁选机已不能完全满足要求。而低温超导磁选机对于磁化率在10-8～10-10m3/kg的磁性矿物都能够有效地去除，且分选粒度下限可低至微米级，大大拓宽了磁选机可处理的非金属矿范围。

1.2.4 处理量大

超导磁选机实际作业中分选腔可双向交替分选、冲洗作业，可在励磁状态下连续不间断作业运行，分选效率极高。其中5.5 T/300 低温超导磁选机(CGC)对高岭土、粉煤灰等非金属矿日最大处理量可达100 t左右，5 T/500型低温超导磁选机日最大处理量高达350 t左右，可完全满足目前非金属矿山的生产需求。

1.2.5 自动化程度高

超导磁选机的作业过程可实现一键操作，一键励磁、一键退磁、一键自动运行，通过实时采集并监控温度、压力、电流、真空度等运行参数，保证了设备运行的可靠性，对生产管理和产品质量的控制提供极大的便利。

2 我国高梯度超导磁选机实际应用进展

超导磁选机拥有常规磁选机无法比拟的优良特性，因此在非金属选矿领域中的应用得到了高度的重视[13]，使非金属行业的发展上升到了新的高度。其不仅拥有着场强高、能耗低、选别效果显著等特性，还具有环境适应性强、无污染、占地面积小等客观优势。

2.1 广东某地区高岭土选矿实践

广东某地高岭土原矿主要包含石英、白云母、黑云母、长石和高岭石，有少量的赤、褐铁矿等。石英主要富集在+0.045 mm粒级中，云母和长石类矿物的含量在中间粒级富集(-0.6 mm+0.020 mm)，高岭石及少量暗色矿物的含量随着粒度的减小逐渐增加，高岭石在-0.045 mm开始富集，在-0.020 mm粒级中明显富集。

该地高岭土原矿含铁量为1.2%左右，经破碎、研磨流程后，控制矿石粒级-0.045 mm含量为百分之百，经两段电磁浆料作业后精矿产品无法达到产品要求，当采用5.5 T低温超导磁选联合一段电磁选作业后可得含铁量0.40%左右的高岭土精矿，分选效果较为理想。二段电磁选工艺与电磁选+超导磁选工艺成品指标对比如表2所示。

表2 5 T/500低温超导磁选机在广东某地生产现场除铁效果

2.2 云南某地区高岭土选矿实践

云南某地高岭土矿属花岗岩蚀变矿床，形态呈疏松土块状。矿物组成主要为高岭石、钾长石、斜长石和石英，还包含少量锆石、褐铁矿、锐钛矿和黄铁矿。其中高岭石主要赋存在-0.038 mm粒级范围内，矿石粒度组成较细。矿石中铁含量约为0.66%，其主要以独立矿物赋存于褐铁矿中，部分铁以类质同象形式与高岭石伴生，这是造成高岭土精矿白度较低的主要原因。

针对该地区矿石堪布较细，铁元素赋存复杂等状况，我公司采用5 T/500低温超导磁选机对该地区矿石分选，通过控制分选作业矿石入料粒度、矿浆浓度及流速，合理搭配刚毛，将原矿含铁量为0.66%的高岭土进行一段超导磁选作业，最终获得了铁含量为0.34%的磁选精矿。试验结果见表3。

表3 5.5 T/300低温超导磁选机在云南某地生产现场除铁效果

矿样名称TFe含量(%)白度原矿0．6685电磁精矿0．4289超导磁选精矿0．3492

3 结语

国内对超导磁体的研究已有近十年的历史，在超导研究领域取得了丰硕的研究成果，推出的5.5 T/300型低温超导磁选机、5 T/500型低温超导磁选机以及超导除铁器[14]最具代表性，并已成功应用于工业生产。其优越性可以归纳为以下几点：

1)超导磁分离技术是目前国内最先进的高端选矿技术之一，尤其在非金属矿选矿领域对于细粒级物料的处理比常规磁选机效果要优。

2)超导磁体与常规磁体相比，消除了直流电阻，采用铌钛合金超导线圈，很小的电压即可获得很高的电流，从而获得远高于2T的背景磁场。

3)节能是超导磁选机最大的优势之一，超导磁体在低温条件下实现超导，励磁成功后不再耗能，每年能够节省大量的电力成本。

4)超导磁选机在非金属矿除铁领域显示出强大的分选效果，与常规磁选设备相比，展示出优异的设备性能。

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2 吴世清.我国磁选设备的现状及发展方向.金属矿山,2004(10)：47～55

3 赵爱武.超导磁选机在选煤中的应用前景.中国煤炭,1997(2)：24～25

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5 孙仲元,朱自安.超导磁选设备的发展.中国会议,2012(6):599～604

6 王醒东.商用超导材料技术概括.新材料产业,2012(2):51～55

7 张海峰,等.一种零蒸发率低温超导磁体系统的研制.低温与超导,2014(6):10～13

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11 陈剑,李晓波.高梯度磁选机的发展及应用.矿业快报,2005(9):4～6

12 陈建生,等.磁选机的现状和发展趋势(二).矿山机械,2009(19):80～84

13 Oder R R,Price C R.Brightness beneficiation of kaolin clays.Tech Assoc Pulp Paper Ind,1973,56:75～78

14 刘永振.近几年我国磁选设备的研制和应用.有色金属(选矿部分),2011(1):24～33

国家“十二五”科技支撑计划《超导磁选机关键技术开发》(项目编号：2012BAF09B05)。

李培勇，潍坊新力超导磁电科技有限公司常务副总，工程师；主要从事超导装备关键技术研究与开发。*

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1002-2872(2016)10-0045-04