三产品磁选柱的研制与应用

任伟杰 郭小飞 张洺睿 代淑娟

(辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051)

随着我国经济的快速发展，国家对钢铁的需求量越来越大[1-3]。对于铁矿资源量大但禀赋较差的我国来说，高效开发利用具有十分重要的意义[4-6]。随着钢铁行业对铁矿品质要求的提高，在倡导节能环保的背景下提升铁矿石选矿工艺技术及装备水平成为必然的选择[7-9]。

辽宁朝阳某选矿厂磁铁矿粗选设备为CTB1030型永磁筒式磁选机，精选设备为磁选柱。铁品位61.43%的原矿经筒式磁选机粗选获得TFe品位64.15%的粗精矿，磁选柱精矿TFe品位达67.36%。为简化现场工艺流程，研制了一种三产品磁选柱，在传统磁选柱的基础上新磁选柱设置了粗选区与精选区，粗选区主要抛除脉石及贫连生体颗粒，精选区用于分离磁铁矿单体与富连生体，将磁铁矿单体、连生体和脉石矿物颗粒在一定程度上实现同步分离，一体化的设计可缩短分选工艺流程、提高生产效率。

1 三产品磁选柱的工作原理

三产品磁选柱的结构如图1所示，设备主要由机架与外筒、设在外筒内的分选装置、励磁线圈、尾矿溢流槽、给矿装置、给水装置以及电控装置等组成。设备的主要结构参数:上下分选筒直径均为115 mm、粗选区与精选区高度分别为600 mm与650 mm、中间缓冲段的高度为30 mm。

图1 三产品磁选柱结构示意Fig.1 Schematic structure of the three-products magnetic separation column

三产品磁选柱分选磁铁矿的实质是根据矿石颗粒之间的磁性差异，利用强磁性矿物的磁团聚现象并控制受力条件形成高选择性的磁团聚体，从而实现强磁性矿物的高效精选[10-12];在粗选区设置一组恒定励磁线圈，用于向下拖拽部分被水流冲到上部的磁性颗粒;在粗选区与精选区均设置4组周期励磁线圈用于打散—聚合—打散磁团，一体化的分选方式可有效缓解耗水量大、分选工艺复杂等问题。粗选和精选过程中，分别运用具有不同磁感应强度的螺线管线圈、粗选区与精选区不同的上升水流流速，实现磁铁矿单体颗粒、连生体和脉石矿物颗粒的精确分离。

入选矿浆经给矿管给入粗选区，脉石颗粒以及贫连生体的比磁化系数小，所受磁力较弱，受流体曳力向上运动，从溢流槽排出成为尾矿;磁铁矿单体颗粒及富连生体在磁场及磁化磁团聚的作用下，迅速沿磁力线方向形成磁链，在周期磁场的作用下做团聚—分散—团聚的周期运动并进入精选区;在精选区，富连生体的比磁化系数小于磁铁矿单体，且在较低的磁化磁场中，二者之间磁团聚力的差异相对较大[13-15]，在弱磁场与上升水流作用下，比磁化系数较小的富连生体会向上运动，经由导流管进入中矿管成为中矿，磁铁矿单体颗粒顺流而下进入精矿槽，成为精矿。

2 分选试验

三产品磁选柱的分选过程主要由粗选和精选2部分组成，影响磁铁矿分选效果的主要因素包括粗选区与精选区的磁感应强度(励磁电流)、励磁周期、上升水流速度等，本研究分别考察以上因素对精矿、中矿以及尾矿TFe品位及回收率的影响规律，获得适宜分选指标。

2.1 试样性质

试验矿样取自辽宁朝阳某选矿厂，细度为-0.074 mm占64.58%，主要化学成分分析结果见表1，XRD分析结果见图2。

表1 试样主要化学成分分析结果Table 1 Analysis results of the main chemical composition of the sample %

图2 试样XRD图谱Fig.2 XRD pattern of the sample

由表1、图2可知，试样TFe品位为61.43%，SiO2含量达到13.90%;磁铁矿为主要含铁矿物，同时伴有少量赤铁矿，石英为主要的脉石矿物。

2.2 励磁电流大小对分选效果的影响

2.2.1 粗选区励磁电流

设定每次试验物料量500 g、给矿矿浆浓度50%、给矿速度50 g/s、恒定磁场励磁电流6 A、粗选周期1 s、精选电流2 A、精选周期1 s、粗选区上升水流速度1.64 cm/s、精选区上升水流速度0.15 cm/s，考察粗选区励磁电流对精矿、中矿和尾矿TFe品位及回收率的影响，结果如图3所示。

图3 粗选区励磁电流对各产品TFe品位及回收率的影响Fig.3 Influence of excitation current in coarse area on grade and recovery of each product

由图3可知，随着粗选区励磁电流的增大，精矿TFe品位下降、回收率升高;中矿TFe品位及回收率均增大;尾矿TFe品位及回收率均下降。图3(a)中，精矿TFe品位由64.64%下降至63.52%，回收率提升了0.42个百分点;图3(b)中，中矿TFe品位由39.13%提升至41.26%，回收率提升了0.19个百分点;图3(c)中，尾矿 TFe品位由 19.58%下降至16.56%，回收率下降了0.62个百分点。当电流增大后，磁铁矿单体与连生体颗粒受磁力作用增强，更多的连生体颗粒混入精矿中，导致精矿TFe品位降低、回收率有所上升，尾矿TFe品位及回收率均下降。由于精选区分选条件不变，中矿TFe品位及回收率波动较小。因此，确定适宜的粗选区励磁电流为6 A。

2.2.2 精选区励磁电流

设定每次试验物料量500 g、给矿矿浆浓度50%、给矿速度50 g/s、恒定磁场励磁电流6 A、粗选电流6 A、粗选周期1 s、精选周期1 s、粗选区上升水流速度为1.64 cm/s、精选区上升水流速度为0.15 cm/s，考察精选区励磁电流对精矿、中矿和尾矿TFe品位及回收率的影响，结果如图4所示。

图4 精选区励磁电流对各产品品位和回收率的影响Fig.4 Influence of excitation current in cleaning area on grade and recovery of each product

由图4可知，随着精选区电流的增大，精矿TFe品位降低、回收率上升;中矿TFe品位及回收率均下降;尾矿TFe品位及回收率均上升。图4(a)中，精矿TFe品位由64.67%下降至63.79%，回收率提升了1.39个百分点;图4(b)中，中矿TFe品位由42.40%下降至38.12%，回收率下降了1.36个百分点;图4(c)中，尾矿TFe品位由17.59%上升至17.98%，回收率上升了0.05个百分点。在精选区中，持续增大的磁场力会将部分连生体颗粒向下拖拽，连同磁铁矿单体沉降至精矿槽中，导致精矿TFe品位下降、回收率上升，中矿TFe品位及回收率均下降;由于尾矿的分离发生在粗选区，精选区励磁电流的大小对尾矿品位及回收率影响较小。因此，确定适宜的精选区励磁电流为0.8 A。

2.3 励磁周期对分选效果的影响

2.3.1 粗选区励磁周期

设定每次试验物料量500 g、给矿矿浆浓度50%、给矿速度50 g/s、恒定磁场励磁电流6 A、粗选电流6 A、精选励磁电流0.8 A、精选周期1 s、粗选区上升水流速度为1.64 cm/s、精选区上升水流速度为0.15 cm/s，考察粗选区励磁周期对精矿、中矿和尾矿TFe品位及回收率的影响，结果如图5所示。

图5 粗选区励磁周期对各产品品位和回收率的影响Fig.5 Influence of excitation period in coarse area on grade and recovery of each product

由图5可知，延长粗选区励磁周期，精矿TFe品位得到提升、回收率有所下降;中矿TFe品位下降、回收率上升;尾矿TFe品位及回收率均上升。图5(a)中，精矿TFe品位由63.56%下降至64.36%，回收率下降了0.50个百分点;图5(b)中，中矿TFe品位由41.17%下降至38.29%，回收率上升了0.40个百分点;图5(c)中，尾矿 TFe品位由 16.99%上升至19.58%，回收率上升了0.33个百分点。当粗选区励磁周期增大后，夹杂在磁团内的脉石及部分弱磁性连生体被充分冲洗，使得精矿品位得到提升，由于有部分连生体随脉石混入尾矿中，导致尾矿TFe品位上升、中矿品位下降。因此，确定适宜的粗选磁场励磁周期为1 s。

2.3.2 精选区励磁周期

设定每次试验物料量500 g、给矿矿浆浓度50%、给矿速度50 g/s、恒定磁场励磁电流6 A、粗选电流6 A、粗选周期1 s、精选电流0.8 A、粗选区上升水流速度为 1.64 cm/s、精选区上升水流速度为0.15 cm/s，考察精选区励磁周期对精矿、中矿和尾矿TFe品位及回收率的变化关系影响，结果如图6所示。

图6 精选区励磁周期对各产品品位和回收率的影响Fig.6 Influence of excitation period in cleaning area on grade and recovery of each product

由图6可知，当精选区励磁周期延长后，精矿TFe品位提升、回收率下降;中矿TFe品位及回收率提升幅度较大;尾矿TFe品位及回收率变化较小。图6(a)中，精矿TFe品位由63.93%上升至65.54%，回收率下降了3.74个百分点;图6(b)中，中矿TFe品位由40.82%上升至44.99%，回收率上升了2.96个百分点;图6(c)中，尾矿TFe品位由18.32%上升至19.01%，回收率上升了0.37个百分点。随着精选励磁周期的延长，磁团发生团聚—分散—团聚的时间变长，夹杂在磁团中的连生体颗粒经过充分冲洗后被有效剔除，使得精矿TFe品位提升、回收率下降，剔除出的连生体颗粒进入中矿管，使得中矿品位及回收率均有所升高。因此，确定适宜的精选磁场励磁周期为2.5 s。

2.4 上升水流速度对分选效果的影响

2.4.1 粗选区上升水流速度

设定每次试验物料量500 g、给矿矿浆浓度50%、给矿速度50 g/s、精选区上升水流速度为0.96 cm/s、恒定磁场电流6 A、粗选电流6 A、粗选周期1 s、精选电流0.8 A、精选周期2.5 s，考察粗选区上升水流速度对精矿、中矿和尾矿TFe品位及回收率的影响，结果如图7所示。

图7 粗选区水流速度对各产品品位和回收率的影响Fig.7 Influence of water flow velocity in coarse area on grade and recovery of each product

由图7可知，随着粗选区上升水流速度的增加，精矿TFe品位升高、回收率下降;中矿、尾矿TFe品位及回收率均升高。图 7(a)中，精矿 TFe品位由62.55%提升至67.93%，回收率下降5.91个百分点;图7(b)中，中矿TFe品位由35.52%提升至54.67%，回收率提升4.75个百分点;图7(c)中，尾矿TFe品位由15.95%提升至21.52%，回收率上升1.17个百分点。粗选区上升水流速度的增加，使大部分脉石颗粒进入尾矿槽，使得精矿、中矿品位有所提升。与此同时，在较大的流体曳力作用下，少部分微细粒磁铁矿单体也会进入尾矿槽，导致精矿TFe回收率降低，尾矿TFe回收率提升。因此，确定适宜的粗选区上升水流速度为3.9 cm/s。

2.4.2 精选区上升水流速度

设定每次试验物料量500 g、给矿矿浆浓度50%、给矿速度50 g/s、粗选区上升水流速度为3.9 cm/s、恒定磁场电流6 A、粗选电流6 A、粗选周期1 s、精选电流0.8 A、精选周期2.5 s，考察精选区上升水流速度对精矿、中矿和尾矿TFe品位及回收率的影响，结果如图8所示。

图8 精选区水流速度对各产品品位和回收率的影响Fig.8 Influence of water flow velocity in cleaning area on grade and recovery of each product

由图8可知，随精选区上升水流速度的增加，精矿及中矿TFe品位均得到提升，但精矿回收率有所下降，中矿回收率有所上升。图8(a)中，精矿TFe品位由64.94%提升至65.65%，回收率下降1.78个百分点;图8(b)中，中矿TFe品位由41.99%提升至44.30%，回收率提升1.55个百分点;图8(c)中，尾矿TFe品位由19.49%提升至21.15%，回收率上升0.23个百分点。在精选区中，上升水流的增大会使一部分微细粒磁铁矿单体在缓冲区域被重新冲回粗选区，导致尾矿品位略有提升;另一部分会经由导流管混入中矿中，使中矿品位及回收率升高，导致铁精矿品位的提升受到了阻碍，精选区上升水流速度的升高会影响精矿品位的提升。因此，确定适宜的精选区上升水流速度为0.96 cm/s。

试验结果表明，采用三产品磁选柱对辽宁朝阳某选矿厂品位为61.43%的磁铁矿进行选别，在给矿矿浆浓度50%、恒定磁场励磁电流为6 A、粗选磁场励磁电流 6 A、粗选周期 1 s、粗选区上升水流速度3.9 cm/s、精选磁场励磁电流0.8 A、精选周期2.5 s、精选区上升水流速度0.96 cm/s时，得到最终铁精矿、中矿、尾矿 TFe品位分别为 67.93%、54.67%、21.25%，回收率分别为 92.9%、5.71%、1.39%。与选矿厂分选指标相比，三产品磁选柱在达到了该选矿厂两段选别分选指标基础上，使最终铁精矿TFe品位提升0.57个百分点，品位得到提升的同时，有效缩短了选别流程，证明了三产品磁选柱优异的分选性能。三产品磁选柱有效提高了磁铁矿的分选效率，能够为该选矿厂后续的磁选工艺流程改进提供理论指导。

3 结 论

(1)三产品磁选柱是集粗选与精选为一体的磁铁矿分选设备，粗选区域用于剔除夹杂的脉石矿物、贫连生体颗粒，精选区域用于分离磁铁矿单体与富连生体。

(2)采用三产品磁选柱对细度为-0.074 mm占64.58%、原矿品位61.43%的磁铁矿进行选别，在给矿矿浆浓度50%、恒定磁场励磁电流为6 A、粗选磁场励磁电流6 A、粗选周期1 s、粗选区上升水流速度3.9 cm/s、精选磁场励磁电流0.8 A、精选周期2.5 s、精选区上升水流速度0.96 cm/s时，获得精矿、中矿与尾矿TFe品位分别为67.93%、54.67%、21.52%，回收率分别为92.90%、5.71%、1.39%。

(3)采用三产品磁选柱对辽宁朝阳某选矿厂磁铁矿进行选别，三产品磁选柱在达到了该选矿厂两段选别分选指标基础上，最终铁精矿TFe品位提升0.57个百分点，有效缩短选别流程，对该选矿厂磁选工艺流程的改进具有重要意义。