难选弱磁性矿物磁选技术现状

曹昆

摘要：在磁性矿物资源的开发利用过程中，弱磁性矿物一直占据着巨大比重。因弱磁性矿物相对难选，对分选技术要求较高，与弱磁性矿物磁选相关的设备、工艺和理论的研究也在持续不断的更新。本文凝炼了弱磁性矿物磁选过程中采用的设备、工艺和理论的研究现状，并展望了未来弱磁性矿物磁选的发展方向，以期对弱磁性矿物高效率分选提供基础指导。

Abstract： In the development and utilization of magnetic mineral resources， weak magnetic mineral always occupies a large proportion. Because weakly magnetic minerals are relatively difficult to be selected and have high requirements for separation technology， the research on equipment， technology and theory related to magnetic separation of weakly magnetic minerals is constantly updated. In this paper， the equipment， technology and theory used in magnetic separation of weak magnetic minerals are condensed， and the development direction of magnetic separation of weak magnetic minerals in the future is prospected， so as to provide basic guidance for efficient separation of weak magnetic minerals.

关键词：弱磁性矿物；高梯度磁选；磁选设备；磁选工艺；磁选理论

Key words： weakly magnetic mineral；high-gradient magnetic separation；magnetic separation equipment；magnetic separation process； magnetic separation theory

中图分类号：TD92 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）02-0188-04

0 引言

近年来，弱磁性矿物的磁选一直是磁选领域的热点和难点问题，因其磁化率或磁场磁感强度不能满足要求，致使磁选回收率较低（在强磁场磁选机中分选时）。高梯度磁选机的出现，虽然较大幅度地提高了弱磁性矿物的回收率[1]，但是又出现粉体夹杂、介质堵塞等问题，这导致分选后矿物品位降低。国内外学者持续研究弱磁性矿物磁选过程中，有些对强磁选设备进行了优化，有些尝试通过实验得到最佳工艺参数从而指导某种弱磁性矿物的分选工作，还有些对磁选过程中矿粒的动力学方程、运动速度、运动轨迹等做出了合理的理论分析。这些学者的研究对弱磁性矿物的磁选回收率和品位的提高都起到了一定的推动作用。

1 磁选设备

本部分重点总结了在解决弱磁性矿物回收率低这一现状中，磁选设备经历的典型换代。其中强磁场磁选机是分选弱磁性矿物的关键设备，具体可分为干式强磁场磁选机、湿式强磁场磁选机和高梯度磁选机。

1.1 干式强磁选机 干式强磁选机可分为盘式、辊式、筒式，其中，较为广泛使用的是辊式。郑州综合所研发了一种往复干式永磁高梯度磁选机，采用闭路磁系设计，无漏磁，分选空间的梯度磁感应强度可达1.5T及以上，具有磁场作用深度大、分选作业连续、能耗低、背景场强高、结构简单和操作维护方便等优点，适用于弱磁性矿物的分选和非金属矿物的提纯[2]。

1.2 湿式强磁选机 湿式强磁场磁选机可分为永磁湿式强磁场磁选机和电磁湿式强磁场磁选机。其中，琼斯型强磁选机作为一种湿式强磁场磁选机，首次使用聚磁介质，是强磁场磁选机中的一个重大突破。

刘石梅[3]针对传统闭合磁系电磁强磁选机存在的高能耗问题，研发了一种开放磁系圆筒型湿式强磁选机，其强磁力捕收线分布密度高达125m/m2，分选筒表面峰值磁场强度可达1.030T。通过对钛铁矿的磁选试验研究，验证了开放磁系结构有效分选微细粒级弱磁性矿物的可行性。

1.3 高梯度磁选机 高梯度磁选机有周期式高梯度磁选机、连续式高梯度磁选机、Slon型立环脉动高梯度磁选机、双立环式磁选机、气水联合卸矿双立环高梯度磁选机等。

Johannes Lindner等[4]在高梯度磁选机的基础上研发了一种新设备，该设备将高梯度磁选和沉降离心结合在一起，有效克服了传统高梯度磁选机不能连续分选的缺点，在磁场强度合适的情况下，该设备的分选效率可达99.9%。预示未来可以通过将永磁磁铁和MEC原则组合使用的方法降低该设备运行成本和能耗。

许丽敏等[5]对立环高梯度磁选机的磁系结构设计进行了优化，即将原立环高梯度磁选机中的对称磁系结构改为非对称结构磁系，从而有效提高了溢流出口处的背景磁感应强度，减少了弱磁性矿物在溢流出口处的脱落。此次改进对设备的性能和选矿指标都有了明显的改善，以至于这种非对称磁系结构已在工业上大规模应用。饶宇欢等[6]研制出了系列化和大型化的立环脉动高梯度磁选机，在工业上被大规模地应用。

曹志良等[7]针对单一种类的磁选机分选粒度范围较窄导致的对弱磁性矿物分选不够高效的问题，研制了新型自助式干法永磁強磁选机、自助式湿法永磁强磁选机以及宽粒度立环强磁选机，通过强磁选组合设备对不同粒级的矿物进行分级磁选，工业试验结果验证了该强磁选组合设备能够有效扩大弱磁性矿物的分选粒级范围，具有较高的应用推广价值。

焦红光等[8]针对现有技术中所存在的不足之处研制了一种盘式结构永磁高梯度综合力场分选机，具体指的是在分选过程中设有促使物料松散并依循磁力方向运动的机械振动盘式永磁高梯度磁选机。可适用于高岭土、蒙脱石、钾长石等非金属矿磁性物选别以及高炉喷吹煤粉磁选脱硫等领域。该分选机可实现跳跃性给料，消除物料夹杂现象，满足高品位分选的要求。同时，在综合力场中加大了磁性物料被聚磁介质捕捉的可能性，使分选更彻底。

史长亮等[9]发明公开了一种实现高背景场强的永磁闭合磁系结构，可应用于极弱磁性粉体干法或湿法提纯领域。该永磁闭合磁系结构包括采用对极式布置结构相同的N、S极磁源，其中，所述N极磁源是由两块矩形结构的磁轭、八块规格尺寸相同的矩形结构的永磁磁钢、一块梯形结构的导磁磁极头组成；所述S极磁源与所述N极磁源结构相同，布置方式与N极磁源对称，可以减少漏磁、提高背景磁感应强度。

2 磁选工艺

为了进一步提高弱磁性矿物品位，解决回收率低的问题，磁选工艺得到了发展进步。

2.1 破磨-分级-高梯度磁选 目前，国内外对于弱磁性矿物的分选大都采用的是磁选工艺。

其中，水钢某矿山矿石解离度较好，在-1mm以下即已解离，很好的达到分选效果，但矿石必须经过球磨，生产成本高；贵州某褐铁矿选厂考虑到该矿石解离度较好，首先采用-5mm粒级矿石破碎后直接进入SLon磁选机磁选工艺，当精矿品位达到53%左右时，-1mm时的铁回收率为23.26%、产率为13.09%，-5mm时的铁回收率为35.63%、产率为18.94%，说明-5mm粒级矿石破碎后直接进人Slon磁选机比-1mm粒级矿石经过磨矿后进入Slon磁选机分选效果更好，主要原因就是-5mm矿石未经磨矿，没有泥化，回收率高。该工艺生产流程简单，而且节约了磨矿成本[10]；云南某赤鐵矿选矿厂采用破碎后-5mm粒级矿石进入SLon磁选机磁选，即在磨矿前分选出合格铁精矿，符合“能拿早拿”的选矿原则，减少了后续磨矿量，提高了球磨后选矿厂的处理能力，有效降低了生产成本，并防止有用矿物的过磨从而提高了精矿回收率[10]。

2.2 原矿改性-磁选工艺 徐淑安等[11]针对云南文山铝业所产生的赤泥中的铁难以用常规磁选方法有效回收的问题，进行了一种疏水团聚-磁种法回收赤泥中微细粒铁矿的试验。在优化条件下，疏水团聚-磁种法与直接磁选相比，铁品位提高了14.67%，回收率提高了18.9%；疏水团聚-磁种法-1粗1精磁选与直接磁选相比，品位提高19.87%，回收率提高9.6%。

乔吉波等[12]针对彝良鲕状齿褐铁矿的提铁降磷采用强磁选-反浮选工艺，可以达到较好的分选效果。分选指标如下：铁品位为54.70%；回收率为79.44%；含磷量为：0.17%。

李广涛等[13]对铁品位为38%左右的四川某高磷鲕状赤褐铁矿进行了磁化焙烧-磁选方法试验研究，研究得到品位60%以上、回收率70%以上、含磷量0.3%的铁精矿，有效解决了该矿磷含量高、无法利用的问题。

3 磁选理论

随着科技的进步和多学科相互交融的结果，数学方法、物理模型法、计算机软件模拟等算法相结合共同促进了磁选理论的发展。

3.1 矿粒运动速度 翟宏新[14]简化了磁选机物理模型，建立了单一矿粒的运动微分方程，求解后得到矿粒沿工作间隙运动的速度，根据矿粒速度与极角的关系曲线，得到机械力的分布曲线，根据计算结果，绘制了合力、分力与速度的曲线。熊大和[15]利用计算机辅助计算了弱磁性矿粒在磁粒捕获区的运动速度、加速度和捕获时间。刘鹏等[16]对磁场分选空间中的单颗粒微粒进行了动力学分析，通过对颗粒的受力分析和运动分析建立了HGMS分选过程中矿粒的运动模型以及单颗粒矿粒被捕获时聚磁介质的当量直径模型，并考虑了微粒被捕获在聚磁介质上时的几种极端情况。Anna Sandulyak等[17]通过测量磁力并进行适当的积分，得到干式磁选的一个关键参数—铁粒子终端速度，即保证捕获粒子的速度。

3.2 矿粒运动轨迹 翟宏新[14]利用连续照相机拍摄了实验室型强磁场磁选机中顺磁矿粒的运动轨迹，验证了强磁选机分选过程的理论模型。熊大和[15]利用计算机辅助绘出了弱磁性矿粒在捕获区的运动轨迹图，可以帮助我们更加深入了解高梯度磁选捕收机理。

Olayinka Oduwole等[18]用视频记录磁珠的轨迹，用离焦图像记录磁珠的相对轴向位移，用MATLAB建立了三维数值模型比较二者关系，该模型有效预测了悬浮在均匀磁场、静态流体中的三个超顺磁性磁珠的轨迹模式和相互作用，有利于减少磁选过程中结块行为。

魏红港等[19]针对弱磁性矿粒在高梯度磁场GCG型强磁选机中的运动进行动力学分析，建立了关于运动轨迹的数学模型，得到了一种可以控制分选效果的方法，即控制辊的转速和磁场强度。

张义顺等[20]基于二维离散元软件PFC2D，研究了干式磁分离过程磁性颗粒运动行为，考察了磁场强度、极距、比磁化率、锥角对颗粒运动轨迹中位移、速度、平均不平衡力的影响。结果表明：磁场强度、比磁化率越大，颗粒在磁场中受力越大，位移、速度变化越明显，有益于颗粒的磁力捕集；保持颗粒距锥尖相对距离l/2，极距越小，位移、速度变化趋势越大，越有利于磁性颗粒的吸附、系统的稳定；锥角为π/3时，颗粒所受磁场力最大，系统易达到平衡状态；锥角对系统影响最弱，比磁化率较极距、磁场强度对系统影响大。

3.3 动力学方程 熊大和[15]推导了弱磁性矿粒在单根棒介质高梯度磁场中的动力学方程。Anna Sandulyak等[17]重视铁粒子运动方程中参数的真实数据，将动力学方程适当地调整到分离过程的适当条件。刘佳庚[21]针对悬浮式干式磁选机分选过程建立了矿物颗粒的动力学预测模型，通过滚动优化的方式对磁选过程进行优化控制，解决了分选过程实时控制的问题，提升了悬浮式干式磁选机的精矿回收率。

3.4 其他方面研究 Kanok Hournkumnuar等[22]利用基于MPI的并行算法，对弱磁性纳米粒子在HGMS中的浓度动态进行模拟；利用有限差分法和计算机仿真方法对系统中描述浓度动态的连续性方程进行求解，仿真结果显示了该系统在顺磁和反磁两种模式下的浓度分布；瞬态结果描述了由于磁场和扩散效应之间的竞争而导致颗粒运输的特征，显示了饱和、聚集和损耗的区域。稳态结果为磁场强度的试验调整提供了基本指导，以达到所需的捕获效率和保持磁场所需的最短时间。

Jinli Zhang等[23]通过研究利用HGMS从FTS催化剂蜡混合物中分离磁性催化粒子的有效性，建立了三维多线数学模型，利用建立的模型研究了影响HGMS分离效率的四个主要因素：导线间距、基体间的轴向距离、基体间的排列角和外磁场强度。在试验优化的基础上，通过HGMS可将催化剂/蜡混合物的磁性铁含量降低到30ppm以下，对铁颗粒的分离效率可达99.77%。

T. Leiner等[24]对入料和产品进行矿物释放分析，把从纯矿物测量和从文献获得的磁化率数据与释放分析中的粒子组成数据结合在一起，计算绘制磁选分配曲线；讨论了立体校正、磁化率等级的宽度以及计算中所使用的矿物磁化率的影响；可以根据少量的样品研究分离效果的参数。

Anders Sand等[25]和Xiayu Zheng等[26]得到了相似的研究结果，即通过横向HGMS圆形和椭圆形矩阵实验证明了椭圆矩阵的短轴与圆形矩阵的直径相等；通过改进的粒子捕获模型分析得到结论：随着磁感应强度的增加，椭圆形矩阵粒子捕获半径与圆形矩阵粒子捕获半径的比值减小；且在较低磁感应强度中，椭圆形矩阵具有较高的粒子捕获效率；两个研究不同之处在于前者考虑了斯托克斯动力学，利用了磁相互作用和算法技术，而后者推导了不饱和圆形和椭圆形矩阵周围的磁场和在横向HGMS中圆形和橢圆形矩阵周围粒子的一般运动方程。

Xiayu Zheng等[27]对轴向HGMS圆形和椭圆形矩阵性能进行了比较研究。结果表明：圆形和椭圆形矩阵之间的捕获截面面积绝对差异随着磁感应强度（0.1-0.8T）的增加先增大后减少；在中等磁感应强度范围内，椭圆矩阵的捕获截面面积比圆形矩阵的捕获截面面积大1.25-1.6T倍；在高磁感应强度下，椭圆形矩阵和圆形矩阵的捕获截面面积几乎相同。综合比较之下，椭圆形矩阵更能够捕获细微的弱磁性粒子，并且，椭圆形矩阵具有较好的磁特性，所以在HGMS中具有较为广阔的应用前景。

Noriyuki Hirota等[28]在高磁场下对HGMS铁磁过滤器上的磁性颗粒沉积过程进行了原位观察，发现在过滤器上游形成尖状沉积结构，这与顺磁性颗粒情况下的常规沉积模型不同；除此之外，在施加低磁场和低流量的条件下，通向过滤器的路径上形成链条结构和束状的链条；并且以往在计算机模拟中为了简化计算过程而被忽略的沉积在滤波器表面上的颗粒是形成尖状结构的主要原因。所以，在计算机模拟中，沉积颗粒导致的磁化效应和流体动力学效应对磁场空间分布的影响是不可忽视的，这对于优化HGMS分选过程十分重要。

4 结语

本文主要总结了现有弱磁性矿物磁选过程中涉及到的设备、工艺和理论这一研究现状，对解决弱磁性矿物分选作业有一定的借鉴意义。

由综述可得，弱磁性矿物磁选技术正处于不断更新进步的过程，很多专家学者对这项技术的发展起到了推动作用。但是现阶段解决弱磁性矿物的分选问题更倾向于基础阶段的研究，未来弱磁性矿物的高效分选，必定要在研究矿物本身特性和磁场特性的巧妙结合下实现最大效率、最低成本、最高品位分选。

以下对难选弱磁性矿物发展做出展望：磁场设计方面，聚磁介质的布置、结构匹配、充填数量上还需重点研究；排料方式趋于冲水和加气的双重结合；分选工艺趋于短流程的高效率分选，如对赤铁矿的分选可发展为以干法为主的破-磨-改性-磁选技术工艺；分选理论趋于研究形象化的更直观理论模式；物料本身方面，可通过流态化、微波焙烧等方式增强磁性。

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