新型周期式超导高梯度磁选机及其试验

刘 楷 李华杰 崔振红

(赣州金环磁选设备有限公司)



新型周期式超导高梯度磁选机及其试验

刘 楷 李华杰 崔振红

(赣州金环磁选设备有限公司)

磁选设备较高的背景磁感应强度是非金属矿提纯、除铁的必备条件。针对传统高梯度磁选机背景磁感应强度低于2 T的现状，研制了新型周期式超导高梯度磁选机。该磁选机背景磁感应强度高达9 T，具有励磁功率小、磁场变化速率快、耗能少、使用寿命长、安全可靠等优点。在分析其技术指标、工作原理、磁场参数和机构的基础上，对某人工配矿试样进行试验，确定了超导磁选机适宜的工作条件，查明了超高磁感应强度下，冲程、冲次、排矿水流速、磁介质高度等参数对除铁和选矿效果的影响规律，为今后超导磁选技术在国内的工业化应用奠定了基础。

磁选机 超导磁体 非金属矿 除铁 冲程

超导体在一定的低温条件下电阻等于零，电流通过时不发生热损耗，可以形成强大的电流，从而产生超强磁场。超导体电阻突然消失的温度称为超导转变温度，外部条件维持在足够低时的转变温度称为超导临界温度。超导体具有完全抗磁性，在一定的外加磁场下，能保持超导体内磁感应强度为零。零电阻现象和完全抗磁性是超导体的两个基本性质，既相互独立又紧密联系[1]。

常规磁体利用增大线圈导体的安匝数和提升电流来增强磁场，通入电流会产生高温，并放出巨大的热量。电能不但因转换成热能而被浪费，还由于线圈的磁化特性极限，工业生产中难以突破2 T的背景磁感应强度。超导磁体是利用NbTi或者Nb3Sn等超导材料绕制的线圈和长时间保持低温的容器的总称。相比于传统高梯度磁选机使用的常规磁体，超导磁体具有产生的磁感应强度高、励磁功率小、设备重量轻、耗能少等优势，超导磁选机就是采用超导磁体对矿物进行选别的设备[2-4]。

1 超导磁选机概况

近十多年来，国内外对超导磁选机的研究已经取得了突破性的进展，研制出多种类型的超导磁选机，对各种矿物的选别及提纯均取得了较好的效果，并已开始在工业上应用。国外超导磁选机应用概况见表1。

表1 国外超导磁选机应用概况

我国超导磁选机大多采用水平式往复串罐式运转，缺点是控制系统复杂、处理量较低、磁介质容易堵塞[3]。

2 新型周期式超导高梯度磁选机

2.1 技术指标

针对国内超导磁选机的不足，赣州金环磁选设备有限公司研制了SLon-100周期式超导高梯度磁选机，主要技术指标有：

(1)背景磁感应强度最高达到9 T，是常规高梯度磁选机的9倍；励、退磁时间短，磁场变化速率最高可达1.1 T/min，即磁感应强度由0增加到9 T或由9 T降低到0需要时间不到10 min，大大提高了选矿效率。

(2)室温孔尺寸φ100 mm×300 mm，磁场为垂直方向，方便了每个周期磁介质堆的拆卸和安装。相比普通水平往复式运动的超导磁选机，该磁选机具有不易堵塞磁介质的优点，延长了磁介质堆的使用寿命。

(3)超导磁体是无液氦超导磁体，靠G-M制冷机利用传导制冷的方式将磁体温度冷却并维持在4 K，使用过程中不需使用任何制冷剂，运行相对安全，成本较低。

(4)设置了矿浆脉动机构，变频器保证冲次在0～300次/min范围可调，偏心块使冲程在0～30 mm可调。脉动杆驱动分选区内的矿浆作上下往复运动，脉动流体力使矿粒群在分选过程中始终保持松散状态，从而有效消除了非磁性颗粒的机械夹杂，增强了除铁效果。不仅提高了非金属矿的除铁效果，还有效防止了磁性矿堵塞脉动装置，延长了设备的使用寿命。

2.2 工作原理

SLon-100周期式超导高梯度磁选机系统主要由超导磁选机主机、氦压缩机、水冷机组、超导电源控制器、温度监测器、电脑监控组成，见图1。

图1 SLon-100周期式超导高梯度磁选机系统实物

(1)超导磁选机主机由超导磁体、磁介质、脉动机构、脉动斗、给料斗、给料斗调节阀、机架等部件组成。除超导磁体外，大部分零部件均是由不导磁的不锈钢材料制作，固定磁介质堆的套筒选用尼龙棒材料，电动机选用铝壳电机，不导磁材料可以避免磁场力损坏零部件。超导磁体是该机最重要的部分，由冷头、真空绝热容器及低温超导线圈组成。真空绝热容器用分子泵抽至真空度1.5×10-4mbar时，外界传导热量至超导线圈的功率低至数百毫瓦，通过冷头制冷，线圈可以达到4 K的超导温度，处于超导态，通过超导电源控制器励磁产生无损耗的超导电流，进而产生9 T的背景磁感应强度。

选矿时，启动脉动机构，调节好流速，使超导电流达到所需背景磁感应强度，磁介质在磁场中被磁化，表面形成高梯度磁场，将矿浆充分搅拌松散后从给矿室给入，沿上磁极头的孔洞流入分选腔。矿浆中的磁性颗粒被吸着在磁介质表面，非磁性颗粒沿下磁极头的孔洞流入脉动斗排走。每周期给矿完成后，可加入适量清水漂洗精矿，以进一步提高磁性物纯度，然后将超导电流降至零，用清水将磁性物冲洗出来，即完成一个周期的选矿。

当橡胶鼓膜在脉动机构驱动下往复运动时，只要矿浆液面能浸没分选室内的磁介质，磁介质堆内的矿浆便作上、下往复运动。分选腔内安装导磁不锈钢棒或导磁不锈钢板网作磁介质，也可根据需要充填导磁不锈钢毛等磁介质。安装钢棒磁介质时，应装入尼龙套后再安装磁介质，分选室的截面积是未安装尼龙套时的二分之一。

(2)氦压缩机将管道内的氦气压缩至23 kg/cm2，通过冷头将超导磁体温度降低至超导温度；水冷机组将循环水温度降至设定温度20 ℃，通过循环冷却水冷却氦压缩机；超导电源控制器给超导磁体励磁，保护超导磁体安全运行。温度监测器通过超导磁体内的温度探头，检测磁体内三级冷屏的温度。电脑监控和超导电源、温度监测器连接，可控制励磁电流和磁感应强度。

(3)超导磁体系统磁体由两个同轴螺线管组成，外部使用NbTi超导线缠绕在铝管上，内部使用Nb3Sn超导线缠绕在不锈钢管上。低温恒温器有铝合金外部结构搭配不锈钢室温孔，低温恒温器真空外套包含制冷机、磁体电流引线、磁体保护线、仪器仪表、抽真空和超压等有专门的端口。为使加载到磁体的热辐射最小，系统使用高纯铝作为防辐射屏。在防辐射屏和室外外墙之间，使用多层超绝热材料。辐射屏贴在制冷机一级冷头处，可以冷却到40 K左右。二级冷头直接附加到磁铁，基础温度小于4.2 K。制冷机一级冷头和二级冷头之间，使用高温超导体(HTS)电流引线热连接在一起。从室温到一级冷头处的高温超导体，使用普通电流引线连接。温度传感器遍布整个系统中，在系统冷却和后续的操作过程中，监控各种内部组件。温度计的数据会显示在一个计算机图形中，并存储成数据文件，便于进一步分析。

2.3 磁场参数

根据实测电磁性能曲线的线性关系，在理论上可以推测出当超导高梯度磁选机励磁电流达到最大值92 A时，超导磁体磁感应强度为9.218 T。不同励磁电流时，该超导磁机实测磁感应强度见表2。

表2 SLon-100超导周期式磁选机场强实测数据

注：表中数据是没有在室温孔中加入介质盒测得的，允许±5%的误差。

由表2可以看出，超导磁体轴线中心磁感应强度误差小约±8.9%，分布均匀可靠，磁体室温孔中心处的磁感应强度最高，随轴向距离的增加而递减，随径向距离的增加而递增，磁体漏磁很小。达到高场强时，磁体外部周围磁感应强度很低，安全可靠性高。

2.4 脉动部分

脉动部件包括鼓膜、偏心机构、电机、脉动控制箱以及其它远程终端组成，其中脉动控制箱是控制部件，由配电箱体、变频器、RJ45接口、控制面板、扳动开关等部件组成。脉动部件结构和电气线路见图2。通过电气与机械技术的结合，实现了：①脉动部件本地或远程(RS485)可选择的控制模式；②通过变频器端或远程终端对脉动部件进行启停操作；③冲程电机的速度可任意调节，从而使脉动冲次频率随之变化；④电机故障报警等。

图2 脉动部件结构和电气线路

冲次正比于电机转速，通过变频器面板控制电机转速可调节冲次。脉动冲次与频率的关系见表3。

表3 脉动冲次与频率关系

3 试验应用情况

为确定SLon-100周期式超导高梯度磁选机在超高磁感应强度下的最佳的工作条件，并与传统周期式高梯度磁选机选别效果进行对比，对其进行选矿试验。

试验矿样(-0.044 mm)由Fe2O3品位0.029%的纯净石英粉145 g和TFe品位66.94%的纯净铁矿样5 g人工配制而成。

3.1 冲次试验

在磁感应强度1.5 T、粗网介质高300 mm、排矿水流速0.15 L/s，冲程分别为5，7，9 mm条件下进行冲次试验，结果分别见表4、表5、表6。

表4 冲程5 mm的冲次试验结果

表5 冲程7 mm的冲次试验结果

表6 冲程9 mm的冲次试验结果

从表4、表5、表6可以看出，试验矿样在冲程分别为5，7，9 mm时，冲次越大，非磁性矿产率越高、铁品位和Fe2O3品位越低，除铁效果越好，但冲次越大对设备本身的磨损也越大。为延长设备易损件的使用寿命，对相差很小的指标，优先选用相对较小的冲次。综合考虑，选择冲次200 r/min。

3.2 磁感应强度试验

在冲程9 mm、冲次200 r/min、粗网介质高300 mm、排矿水流速0.15 L/s的条件下进行磁感应强度试验，结果见表7。

表7 磁感应强度试验结果

从表7可以看出，磁感应强度越高，除铁效果越好，但过高的磁感应强度会降低非磁性矿的产率，因此选择磁感应强度4.5 T。

3.3 磁性物分布试验

固定冲次200 r/min、冲程9 mm、磁感应强度4.5 T、排矿水流速0.15 L/s，从300 mm高的粗网介质顶部开始，每50 mm为一个单位冲洗出磁性矿，分别为磁性矿1、磁性矿2、磁性矿3、磁性矿4、磁性矿5，试验结果见表8。

表8 磁性物分布试验结果 %

从表8可知，91.77%的磁性物集中在粗网介质顶部100 mm及以上区域。

3.4 流速试验

固定冲次200 r/min、冲程9 mm、磁感应强度4.5 T、粗网介质高300 mm，进行流速试验，结果见表9。

表9 排矿水流速试验结果

从表9可知，流速对除铁效果影响显著，流速越低，除铁效果好，选择流速0.15 L/s。

3.5 介质高度试验

固定冲次200 r/min、冲程9 mm、磁感应强度4.5 T、流速0.15 L/s，进行介质高度试验，结果见表10。

表10 介质高度试验结果

从表10可知，介质高度对除铁效果影响显著，介质越高，除铁效果好，非磁性矿TFe品位可降低到0.07%。

3.6 选别指标对比

传统高梯度磁选机在冲次 100 r/min、冲程5 mm、磁感应强度1.64 T、排矿水流速0.28 L/s、介质高度100 mm的最佳工作条件下处理该试验矿样，试验指标结果见表11。

表11 传统高梯度磁选试验机选别指标 %

从表11可知，传统高梯度磁选试验机非磁性矿产品含铁0.15%～0.17%，相比SLon-100周期式超导高梯度磁选机可将非磁性矿TFe含量降低到0.07%，除铁效果一般。

4 结 论

(1)SLon-100周期式超导高梯度磁选机采用超导磁体对矿物进行选别，具有磁感应强度高、励磁功率小、设备质量轻、耗能少等优势，额定背景磁感应强度达到9 T，励、退磁时间短，磁场变化速率高，使用过程中不需使用任何制冷剂，成本较低，运行安全可靠。

(2)该超导高梯度磁选机分选非金属矿时，在冲程5 mm、冲次100～200 r/min条件下除铁效果较好；分选金属矿时，在冲程7 mm、冲次200～300 r/min条件下磁性矿品位较高，可根据原矿的性质调整到合适的分选条件，91.77%的磁性物集中在磁介质顶部100 mm及以上区域。

(3)对同一矿样，SLon-100周期式超导高梯度磁选机非磁性矿产品含铁0.10%～0.07%，比传统周期式高梯度试验机低0.05～0.10个百分点，磁性矿铁回收率高3.62～4.48个百分点。该超导磁选机大大提高了背景磁感应强度，能显著改善非金属矿的除铁效率和金属矿的选矿效率，具有较为广阔的应用前景。

[1] 王秋良.高磁场超导磁体科学[M].北京：科学出版社，2008.

[2] 南和礼.超导磁体设计基础[M].北京：国防工业出版社，2007.

[3] 周 廉，甘子钊.中国高温超导材料及应用发展战略研究[M].北京：化学工业出版社，2008

[4] 孙仲元.磁选理论及应用[M].长沙：中南大学出版社，2009.

2016-08-30)

刘 楷(1990—)，男，助理工程师，341000 江西省赣州市沙河工业园区。