磁鐵礦柱式精選設(shè)備的研究現(xiàn)狀及優(yōu)化改進(jìn)

張洺睿 郭小飛 任偉杰 崔少文 代淑娟

（遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧鞍山114051）

磁選是基于物料的磁性差異來實現(xiàn)不同礦物分離的一種選礦方法，具有工藝簡單、綠色無污染等特點，廣泛應(yīng)用于黑色金屬、有色金屬和稀有金屬精選，在礦石的選別中具有重要地位［1-3］。我國磁鐵礦資源普遍具有鐵品位低、嵌布粒度較細(xì)且不均勻的特點，選礦工藝以“階段磨礦和單一磁選”為主，大部分選礦廠采用柱式精選設(shè)備作為控制磁鐵礦精礦品位的關(guān)鍵設(shè)備，如磁選柱、脈沖振動磁選柱、淘洗磁選機(jī)、旋流磁力分選機(jī)等［4-6］。

柱式精選設(shè)備是一種磁力與重力相結(jié)合的弱磁場磁重復(fù)合選別設(shè)備，其特點是通過多組線圈周期供電或螺旋形永磁磁系旋轉(zhuǎn)在分選區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的循環(huán)磁場，輔以快速上升的回轉(zhuǎn)水流產(chǎn)生剪切作用，使強磁性礦物顆粒在柱體分選區(qū)域內(nèi)同時受到磁力、重力和流體曳力等的作用，“團(tuán)聚—分散—團(tuán)聚”交替發(fā)生，磁鐵礦單體與富連生體顆粒向柱體下部移動成為精礦，而脈石礦物及貧連生體在流體曳力作用下溢流成為尾礦。獨特的磁系結(jié)構(gòu)和磁重復(fù)合選別方式，使柱式精選設(shè)備在磁鐵礦的“提鐵降硅”中發(fā)揮了重要的作用。

近年來，新開發(fā)磁鐵礦資源的嵌布粒度已降低至20～30 μm，選別難度增加，普通的磁選設(shè)備難以達(dá)到精選效果，因而對磁鐵礦柱式精選技術(shù)的需求愈發(fā)迫切。本文評述了磁鐵礦柱式精選設(shè)備的發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀，重點總結(jié)了針對設(shè)備大型化、磁系設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、控制系統(tǒng)智能化等的研究成果，以期為未來柱式精選設(shè)備的發(fā)展方向提供參考。

1 柱式精選設(shè)備研究現(xiàn)狀及存在問題

1.1 研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)磁選過程中，磁鐵礦精礦鐵品位難以提高的主要原因在于磁選區(qū)域內(nèi)較強的磁場不僅使磁鐵礦單體極易形成磁團(tuán)聚，還使連生體和脈石夾雜進(jìn)入團(tuán)聚體中。20世紀(jì)90年代，受永磁磁重選礦機(jī)及磁團(tuán)聚重選機(jī)的啟發(fā)，遼寧科技大學(xué)（原鞍山鋼鐵學(xué)院）劉秉裕等研制了既能分散磁團(tuán)聚、又能利用磁團(tuán)聚的新型磁鐵礦精選設(shè)備——磁選柱，所得精礦產(chǎn)品較常規(guī)磁選機(jī)精礦鐵品位提高0.5～2個百分點，在弓長嶺選礦廠、南芬選礦廠、板石選礦廠等獲得成功應(yīng)用［7-10］。

為了解決脈石及貧連生體的夾雜問題，東北大學(xué)袁志濤等［11-12］研制的脈沖振動磁選柱，采用脈沖振蕩磁場使細(xì)長的磁鏈每秒發(fā)生數(shù)十次的“團(tuán)聚—松散—再團(tuán)聚”。采用該設(shè)備對新疆某磁鐵礦進(jìn)行精選，在磁鐵礦給礦TFe品位為62.31%的條件下，精礦TFe品位可達(dá)71.86%，作業(yè)回收率為85.04%。

河北金墾科技有限公司研制的淘洗磁選機(jī)，在傳統(tǒng)磁選柱的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用了循環(huán)磁場、恒定磁場和補償磁場。通過在柱體頂部增加恒定磁場線圈，克服磁選柱的“跑黑”問題，降低了尾礦鐵品位。此外，根據(jù)筒體直徑的不同，在分礦器內(nèi)增加補償磁場線圈，避免給礦進(jìn)入柱體中間的“空洞”區(qū)。目前，該設(shè)備在澳大利亞、巴西等磁鐵礦選礦廠得到廣泛應(yīng)用。

為了提高微細(xì)粒磁鐵礦精礦回收率和品位，專家學(xué)者研制了旋流磁力分選機(jī)，該設(shè)備采用螺旋式磁極布置，在磁系旋轉(zhuǎn)過程中形成了自上而下的磁極變換，通過控制磁系的轉(zhuǎn)速和上升水流對磁團(tuán)聚進(jìn)行松散。由于充分利用了磁力、浮力、重力、離心力、旋流水動力等復(fù)合力場的作用，該設(shè)備在控制尾礦品位方面具有較大優(yōu)勢。

在過去的20 a，我國的選礦科技工作者還研究了其它磁鐵礦柱式精選設(shè)備，主要包括磁選環(huán)柱、智能脈沖電磁精選機(jī)、永磁立式精選機(jī)和變徑磁選柱等，旨在提高磁鐵礦的精礦品位、減少微細(xì)粒礦物的流失，推動了磁鐵礦選礦技術(shù)的快速進(jìn)步。

本鋼南芬選礦廠采用磁選柱作為關(guān)鍵的磁鐵礦精選設(shè)備，最終鐵精礦TFe品位達(dá)到68.50%以上、SiO2含量低于5%，較原有工藝的鐵精礦TFe品位提高2%～3%、SiO2含量降低1%～1.5%，成為全國首家采用單一磁選法達(dá)到提質(zhì)降硅改造目標(biāo)的選礦廠［13］。司家營鐵礦采用“磁選機(jī)—磁選柱”對二段精礦進(jìn)行選別，獲得了鐵品位67.49%，鐵回收率超83%的鐵精礦［14］。為了解決鐵精礦品位不穩(wěn)定的問題，馬坑鐵礦選礦廠將磁選柱設(shè)備引入生產(chǎn)實踐，使鐵精礦TFe品位穩(wěn)定在64%以上，提高了8%的系統(tǒng)運轉(zhuǎn)效率，大幅簡化生產(chǎn)流程［15-16］。漢中略鋼碾子壩選礦廠為了解決磨礦、篩分、磁選作業(yè)效率低的問題，應(yīng)用磁選柱對原三段弱磁精礦進(jìn)行“再選—尾礦濃縮、再磨”技術(shù)改造，達(dá)到磨礦處理能力提高8%、精礦TFe品位提高至65%以上的技術(shù)指標(biāo)［17］。中信泰富SINO鐵礦的最終磨礦細(xì)度為23～27 μm，為進(jìn)一步提高精礦TFe品位，揚州泰富精選項目采用了全自動淘洗磁選機(jī)，使鐵精礦TFe品位達(dá)到68.5%，作業(yè)回收率達(dá)到89.58%［18-20］。

1.2 存在問題

磁鐵礦柱式精選設(shè)備具有操作簡單、生產(chǎn)可靠及能耗低等優(yōu)點，適用于生產(chǎn)高品位鐵精礦，但存在一定問題，主要包括：

（1）對給礦粒度要求嚴(yán)格。磁鐵礦柱式精選設(shè)備給礦粒度范圍控制在不超過0.2 mm（一般控制在-0.074 mm為75%～95%之間），顆粒較大的脈石礦物因所受重力大于流體曳力，容易混入精礦管降低精礦品位。

（2）易造成微細(xì)粒礦物流失。磁鐵礦柱式精選設(shè)備中心部位磁感應(yīng)強度一般小于50 Gs，當(dāng)?shù)V物顆粒較細(xì)時，磁力對微細(xì)粒鐵礦的捕獲作用較弱，難以克服流體曳力，造成“跑黑”現(xiàn)象。

（3）耗水量大、尾礦濃度低。磁鐵礦柱式精選設(shè)備主要依靠上升水流產(chǎn)生的流體曳力將夾雜在磁性礦物中的脈石顆粒及貧連生體分離出去，處理每噸給礦需耗水2～4 m3，導(dǎo)致耗水量大、尾礦濃度過低。

（4）處理量偏低。磁鐵礦柱式精選設(shè)備的直徑一般小于1 000 mm，單位橫截面積的處理能力約為2 t/h。

此外，部分選礦廠管理人員認(rèn)為磁鐵礦柱式精選設(shè)備高度過高，且尾礦和精選的排出位置分別位于柱體兩端，給工藝配置帶來不便。

2 柱式精選設(shè)備的優(yōu)化改進(jìn)

2.1 磁系的優(yōu)化改進(jìn)

磁鐵礦柱式磁選設(shè)備的磁系大部分都采用電磁場，主要包括循環(huán)磁場、恒定磁場或補償磁場的綜合應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)高選擇性的磁團(tuán)聚，減少尾礦流失，避免柱體中心區(qū)域的“磁空洞”。

循環(huán)磁場是傳統(tǒng)磁選柱的研究基礎(chǔ)和重要特點，一般由4組、6組或者9組電磁線圈組成，通過調(diào)整循環(huán)磁場的激磁電流強度和通電周期可以調(diào)節(jié)鐵精礦產(chǎn)品的品位。降低循環(huán)磁場強度能夠提高磁鐵礦精礦的品位，但易造成微細(xì)粒磁鐵礦的流失?？s短循環(huán)磁場周期能夠增加磁團(tuán)聚松散的次數(shù)，提高精礦回收率，但也會造成部分連生體無法有效剔除的問題，影響精礦品位。趙通林等［21］對循環(huán)磁場的線圈間距進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)線圈間距，可以有效地控制磁性礦粒的運動路徑，增強水流對磁團(tuán)聚的的剪切作用，從而有效地破壞磁團(tuán)聚。白殿春等［22］通過勵磁線圈繞組彎折、多層疊放的方式，研制出一種磁選柱繞組，建立平面磁場，實現(xiàn)磁控旋流，具有分選時間長、有用礦物回收率高等優(yōu)點。梁福利［23］采用螺旋磁場的方式成功研制了智能脈沖電磁精選機(jī)，使磁性顆粒通過磁力拉動螺旋向下，同時通過高速旋轉(zhuǎn)的上升水流將夾雜其中的脈石礦物沖洗干凈，針對選別太鋼峨口選礦廠篩下產(chǎn)品進(jìn)行工業(yè)試驗，最終精礦鐵品位提高8.88%。

通過在磁選柱頂部的勵磁線圈中連續(xù)通入直流電，使該區(qū)域存在一個持續(xù)向下的恒定電磁場，能夠防止磁鐵礦單體及富連生體由于流體曳力過大或其他因素流入溢流槽，進(jìn)而降低磁選柱尾礦的鐵品位［24-26］。王泰安［27］采用在溢流口附近增加恒定磁場的方式改進(jìn)了電磁淘洗磁選機(jī)的分選效果，具有尾礦品位低的特點。

當(dāng)柱式磁選設(shè)備的直徑大于1 000 mm時，往往采用循環(huán)磁場、恒定磁場及補償磁場相結(jié)合的磁系結(jié)構(gòu)。錢程采用多種磁場相疊加的磁系，使礦石顆粒以磁鏈懸浮下行，非磁性顆粒受流體曳力從溢流口排出，其應(yīng)用于通鋼樺甸礦業(yè)公司生產(chǎn)鐵精礦，最終鐵精礦品位提高2.05%，保證了精礦產(chǎn)品的回收率，具有操作簡單，脫硅效果明顯等優(yōu)點［28-30］。王青等［31］通過在溢流口槽上設(shè)置勵磁線圈與中礦排出口的方式研制成功一種新性淘洗磁選機(jī)，該設(shè)備通過勵磁線圈產(chǎn)生磁場，將尾礦中夾雜的磁性礦物繼續(xù)向下拖拽，強迫其進(jìn)入中礦回收腔，實現(xiàn)中礦再選，既提高了精礦的回收率，又解決了尾礦需要回收再利用的問題。與傳統(tǒng)磁選柱相比解決了尾礦二次利用問題，具有提高礦物回收率、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等優(yōu)點。

上述設(shè)備針對磁鐵礦柱式精選設(shè)備的磁系進(jìn)行多方面優(yōu)化，解決了脈石及貧連生體的夾雜問題，具有提高微細(xì)粒磁鐵礦回收率、延長分選時間等優(yōu)點，推動了新型磁鐵礦柱式精選設(shè)備的快速發(fā)展。

2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)

圍繞磁鐵礦柱式精選設(shè)備耗水量大、應(yīng)用范圍窄及單位處理量小等問題，研究人員針對其分選結(jié)構(gòu)和給水結(jié)構(gòu)的改進(jìn)開展了大量研究工作。

陳廣振等［32-33］在磁選柱內(nèi)筒分別設(shè)置4組電磁鐵環(huán)軛組成粗選區(qū)磁系和精選區(qū)磁系，研制了磁選環(huán)柱，能夠增大磁選柱的給礦粒度和應(yīng)用范圍，試驗表明：磁選環(huán)柱與磁選柱相比，給礦粒度范圍可放粗至0.7 mm，耗水量降低40%左右，單位面積處理能力提高近1倍，處理吉林板石選礦廠一次分級溢流產(chǎn)品和細(xì)篩篩下產(chǎn)品，磁選環(huán)柱對粗選作業(yè)和精選作業(yè)均有明顯改善效果。劉朋［34］、段超［35］通過改變磁選柱筒徑研制了變徑磁選柱，利用粗選區(qū)筒徑大于精選區(qū)筒徑的方式，改變粗選區(qū)與精選區(qū)的上升水流速度，得到高品位精礦。針對鞍千選礦廠磁鐵礦和大孤山選礦廠的精選試驗表明，變徑磁選柱解決了細(xì)粒級礦物難回收問題，對鐵精礦TFe品位的提高效果顯著。

鞍山金裕豐選礦科技有限公司經(jīng)過對磁選柱排礦管徑和環(huán)形分水盤等的改造，使AF-CXZ-1200型磁選柱的處理能力提高了10 t/h，生產(chǎn)指標(biāo)及生產(chǎn)適應(yīng)性較好。孫興華［36］通過在磁選柱上安裝一個倒錐形分水盤，將水由內(nèi)而外切向給出的方式，研制成功一種用于磁選柱上的分水盤，優(yōu)點是排水孔均勻分布在筒體內(nèi)部，與傳統(tǒng)磁選柱相比具有給水穩(wěn)定、不易堵塞、耐磨、不易磁化、濃縮尾礦及減少耗水量等優(yōu)點。

2.3 柱式精選設(shè)備永磁化研究

研究人員采用永磁材料研制成功多種新型磁鐵礦柱式精選設(shè)備，為柱式磁鐵礦精選設(shè)備的發(fā)展開辟了新的方向，具有結(jié)構(gòu)簡化、能耗低、便于操作和控制等優(yōu)點。

劉興魁［37］采用可旋轉(zhuǎn)永磁磁系的方式，發(fā)明一種磁選柱用永磁磁系。該設(shè)備通過在筒體內(nèi)設(shè)置周圈環(huán)布的永磁體，并將磁極沿徑向延伸的方式，達(dá)到磁極同層交替排布，鄰層交錯排列的目的，使轉(zhuǎn)筒與外筒體之間形成磁場螺旋形變換的分選區(qū)，通過上升水流與內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的復(fù)合剪切作用達(dá)到分散磁團(tuán)聚的效果。

李玉鳳等［38］采用永磁旋轉(zhuǎn)磁系研制了永磁立式精選機(jī)，通過磁系的旋轉(zhuǎn)為磁性顆粒在分選區(qū)內(nèi)離心運動提供動力，使強磁性礦物、弱磁性礦物與脈石礦物在復(fù)合力場作用下改變運動軌跡，能夠產(chǎn)生精礦、中礦和尾礦3種產(chǎn)品。在南芬選礦廠給礦TFe品位為62.06%的情況下，3種分選產(chǎn)品的TFe品位分別為66.63%、60.73%和32.30%，基本符合工業(yè)生產(chǎn)的要求，但需針對入選粒度、尾礦流失及耗水量大等問題進(jìn)行改進(jìn)［39-40］。

北京礦冶研究總院和首鋼集團(tuán)礦業(yè)公司采用立式旋轉(zhuǎn)磁系的方式，共同研制了磁力旋流分選機(jī)［41］。該設(shè)備采用錐體結(jié)構(gòu)，通過構(gòu)造磁極螺旋排布的方式，使磁性顆粒（磁團(tuán)）在分選區(qū)域內(nèi)受到間歇性磁場和上升水流的協(xié)同作用，精礦從槽體底口排出，尾礦由椎體頂部排出。針對某典型難選磁鐵礦的工業(yè)試驗表明，精礦TFe品位可達(dá)66.06%，尾礦品位較現(xiàn)場原有精選機(jī)降低12.47個百分點，選別指標(biāo)優(yōu)勢明顯［42］。該設(shè)備充分利用離心力、磁力等復(fù)合力場的綜合作用，實現(xiàn)難選礦物的有效分選，為難選磁鐵礦的精選開辟了新的研究思路。

2.4 控制系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)

控制系統(tǒng)是決定電磁磁選柱精選效果的中樞。針對磁鐵礦柱式精選設(shè)備電控系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題，選礦工作者通過對磁鐵礦柱式精選設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。以歪頭山鐵礦程永維改進(jìn)的自動控制電磁精選機(jī)為主要代表［43］，控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)磁選柱相比，具有以下特點：①采用德國西門子自控系統(tǒng)；②可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制和現(xiàn)場集中控制；③電磁精選機(jī)具有底錐控制器。在對本鋼歪頭山鐵礦選廠進(jìn)行工業(yè)試驗時，較傳統(tǒng)磁選柱精礦品位提高2.14%，具有智能、高效、便于維護(hù)等優(yōu)點［44-46］。

近年來，對礦石品位、粒度和濃度等在線監(jiān)測和傳感器的技術(shù)逐漸成熟，隨著5G及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在選礦廠的逐步推廣，作為控制磁鐵礦品質(zhì)關(guān)鍵設(shè)備的磁選柱，應(yīng)重點研究其控制系統(tǒng)的深度優(yōu)化及聯(lián)網(wǎng)運行。

3 結(jié) 論

（1）柱式精選設(shè)備在磁鐵礦的精選過程中發(fā)揮了重要作用，研究人員圍繞磁系設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及控制系統(tǒng)升級等開展了大量工作，對鐵精礦TFe品位的提高、微細(xì)粒強磁性礦物的回收和設(shè)備大型化、節(jié)水降耗及智能化等方面效果顯著。

（2）選別過程中的磁鐵礦礦石往往由磁鐵礦單體、連生體及脈石組成，視粒度和品位的不同，不同組分的密度、磁場特性能均存在一定差異，深入研究磁力、重力、離心力及流體曳力等復(fù)合力場對磁鐵礦不同組分在柱式精選過程中運動軌跡的影響規(guī)律，對實現(xiàn)不同組分的精細(xì)化分選意義深遠(yuǎn)。

（3）鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展對鐵精礦品質(zhì)的要求愈發(fā)提高，基于鐵礦石工藝礦物學(xué)的高品質(zhì)鐵精礦制備可行性評價、高品質(zhì)鐵精礦選礦提純工藝、磁重復(fù)合力場鐵礦選礦設(shè)備及自動化與智能化成為未來的重要研究方向。