弱磁性矿石高效强磁选关键技术及装备研究

饶宇欢，熊大和，2

（1．赣州金环磁选设备有限公司，江西 赣州 341000；2．赣州有色冶金研究所，江西 赣州 341000）

弱磁性矿石高效强磁选关键技术及装备研究

饶宇欢1，熊大和1，2

（1．赣州金环磁选设备有限公司，江西 赣州 341000；2．赣州有色冶金研究所，江西 赣州 341000）

针对我国弱磁性矿石选矿效率低，强磁选设备存在磁场强度低、磁介质易堵塞、回收率低、维修难度大等重大技术难题。研究提出了微细粒弱磁性矿粒在综合力场中的动力学方程和影响弱磁性矿物选矿指标的关系方程式等一系列磁选机设计方面的理论问题；在装备设计中通过独特的铠装、水内冷磁系，减少漏磁，获得了1．0 T以上磁场强度，实现了强磁选机节能；研发了棒状磁介质及其优化排列结构，解决了强磁选机易堵塞问题；发明了分选大颗粒物料（2～5 mm）的强磁选机，解决了湿式强磁选机仅能处理小于1 mm物料的难题；发明了干式振动高梯度磁选机，使强磁选从湿式分选扩大到干式分选。SLon系列强磁选机已有30多种型号，单台设备日处理量可达10 000 t。研究提出了强磁选选矿的新工艺，实现了SLon系列强磁选机的大规模工业应用。

立环脉动高梯度磁选机；弱磁性矿石；强磁选；工业应用；关键技术

0 引言

我国已探明的低品位弱磁性铁矿、钛铁矿、锰矿等资源量超过607亿t，但97．5%为贫矿[1]。此外，需经除铁去杂的非金属矿如石英、长石、高岭土等资源量更大。由于弱磁性铁矿具有“贫细杂”的特点，采用传统的选矿方法，无法获得高质量的合格精矿。这些年来，许多专家学者开展了“提质降硅”的研究，使得铁精矿质量有了明显提高[2]，但技术经济指标仍不理想，铁精矿品位一直徘徊在60%左右，回收率在50%左右。在其他矿产资源领域，选矿指标也不理想，如微细粒钛铁矿回收率仅为10%左右，细粒锰矿、黑钨细泥、赤泥等均没有得到有效回收利用，95%以上的非金属矿资源因弱磁性杂质高，只能生产低档产品或无法开发利用。

赣州有色冶金研究所、赣州金环磁选设备有限公司等单位长期以来从事弱磁性矿石的选矿研究，近年来，为解决强磁选存在的重大技术难题，对强磁选脉动理论、强磁选机设计技术及设备结构进行了原始创新和集成创新，攻克了大型强磁选关键技术，在选矿厂得到大量应用，为我国提高铁精矿质量或简化工艺流程、提高经济效益起了重大作用。SLon系列磁选机已有3 000多台广泛应用在弱磁性铁矿、钛矿、细粒锰矿、黑钨细泥、稀土尾矿、赤泥、非金属矿等回收中，显著提高了资源综合利用率，彻底改变了我国强磁选机依赖进口的落后状况，实现了技术的跨越式发展，显著促进了行业科技进步。该项成果已获得国家科技进步二等奖。

1 关键技术

1.1 综合力场中的微细弱磁性矿粒动力学方程

弱磁性选矿设备的研制一直在寻求矿粒运动理论的指导，但由于复杂力场中的弱磁性矿粒运动涉及因素较多，此项研究进展缓慢。研究将脉动流体力与磁力结合，提出微细粒弱磁性矿粒在高梯度磁场、脉动流体力和重力综合力场中的动力学方程：

Ar为矿粒相对于圆柱形磁介质加速度的切线方向分量，Aτ为法线方向分量。式中：a为磁介质半径；b为矿粒半径；δ为矿石密度；r为磁力作用半径；V0为矿浆背景流速；Vm为脉动速度；M为磁介质磁化强度；H0为背景磁场强度；η为粘滞系数；θ为计算角度。

应用该方程，可以解出微细粒弱磁性矿粒的运动轨迹、运动加速度、运动速度及矿粒被磁介质捕获的时间，上述结果实际上也阐明了在综合力场中的分选机理及规律[3]。

1.2 影响弱磁性矿物选矿指标的关系方程式

研究通过对矿物颗粒的受力分析，推导出了弱磁性矿物回收率、精矿品位与脉动高梯度磁选冲程冲次的关系方程。其中，回收率方程式为：

式中：ε为回收率；εmax理论最高回收率；k为比例常数；Fm为磁力；n为磁性矿粒穿过磁介质的次数；Fc为促使非磁性矿粒离开捕集区的竞争力；S为冲程；N为冲次。

精矿品位方程式为：

式中：β为磁性精矿品位；βmax为理论最高品位；Gm为磁性精矿的纯度；Anm为给矿中非磁性物料与磁性物料的重量比；K'比例常数；Fi为磁性矿粒与非磁性矿粒的相互作用力。

由式（3）可见：精矿品位将随冲次的增加而增大。在适当的冲次范围内，尾矿品位随冲次的增大而略有下降。当冲次较低时，精矿回收率随冲次的增加而略有上升，随着尾矿品位下降而达到最大值，当冲次增加到一定值后，精矿品位随冲次的增大而呈抛物线的关系增加，此时，磁性精矿回收率逐渐下降。脉动冲次对选矿指标的影响见图1。

方程（1）和（2）奠定了高性能强磁选机设计制造理论基础。

图1 脉动冲次对选矿指标的影响Fig.1 Effectsofpulsespeedonthetargetedmineralprocessingindexes

1.3 弱磁性矿物强磁选的有效回收粒度下限

脉动流体力的作用是能够有效破坏矿粒团聚体，得以有效降低回收粒度下限。根据综合力场中弱磁性颗粒所受到的磁力、平均脉动流体力、进浆流体力、静电力、范德华力、重力和惯性力的大小，可计算出不同直径矿粒所受力的大小（表1）。据此，确定赤铁矿等弱磁性矿物的有效回收粒度下限可达10 μm，高岭土及其他非金属矿物强磁选除弱磁性杂质的有效回收粒度下限可达2 μm。

表1 微细粒矿粒在脉动高梯度综合力场中所受各种力计算值Tab.1 Force value calculation of fine-grained ore particles in the pulsating high gradient composite force field

2 关键结构

2.1 大型强磁选机节能设计

在确保大型磁选机具有良好激磁性能，磁场强度达1．0 T以上的前提下，通过对铠装、水内冷磁系结构的设计优化，降低了电阻，减少漏磁，提高电效率，显著降低了能耗。研究发明了自带夹紧式安装结构的大型齿轮及大型立环磁选机磁系结构，开发了世界上最大的SLon-4000型强磁选机。图2给出了设备大型化对能耗的关系，实践表明，SLon-4000型强磁选机日处理量达10 000 t，其处理矿石的能耗为0．41 kW·h/t，比原来大量应用的SLon-2000型能耗降低51．76%，耗水量减少12%，比传统强磁选机能耗降低85%、耗水量减少65%，节能减排效果显著[4]。

图2 SLon各型号磁选机分选单位矿石能耗数据Fig.2 OreconsumptiondataofdifferentmodeledSLonmagneticseparator

2.2 高梯度磁场的磁介质及其优化排列结构

研发了导磁不锈钢棒作为磁介质形成高梯度磁场。通过改变磁介质直径和多种不同优化组合排列方式，可获得不同宽度的过流通道，再与独创的高频数字式脉动冲程箱匹配，可解决采用不锈钢网介质的传统强磁选机易堵塞和维护难度大的问题，使设备作业率由原来的80%提高到98%以上，图3给出了磁选机的防堵塞原理。从而实现了强磁选技术有效回收粒度下限从30 μm的细粒级降到2～10 μm的微细粒级的技术跨越。针对入选粒度和比磁化系数不同，研发出多种规格磁介质，有效提高了精矿品位、回收率和资源利用率。

图3 防堵塞原理示意图Fig.3 Diagram of jam prevention principle

2.3 大颗粒强磁选结构

传统强磁选机仅能处理小于1 mm的微细粒级弱磁性矿物，给料粒度大于1 mm时，易导致磁选机中磁介质堆堵塞，物料在矿斗、管道中流动不畅，使矿斗和管道磨损加快，极易磨穿，而无法正常生产。

研究在保留原有的磁系结构、激磁线圈、转环结构、传动机构、脉动机构的基础上，通过新增磁介质堆、精矿斗、精矿收集槽、尾矿斗等部件及其优化设计，克服了大颗粒物料流动性差、易沉淀堆积，以及流动中对精矿槽底壁和尾矿斗倾斜侧壁冲刷磨损等严重问题，满足了大颗粒物料对分选通道的要求，实现了对2～5 mm大颗粒物料的直接分选，并使强磁选设备可应用于弱磁性物料的预先抛尾，节能减排效果显著，提高了弱磁性贫矿资源的开发效率。

2.4 干式振动结构

通过振动给排料方式，设计出转环立式振动的结构模式（图4），实现了在无水介质中进行弱磁性物料高梯度连续干式分选。在干式分选设备中磁场强度、振幅、振频、转环转速等参数可调，彻底改变了高梯度磁选机湿式分选模式，去除了浓缩和干燥环节，缩短了生产流程，显著提高了选矿效率[5]。

图4 干式振动高梯度磁选机Fig.4 Dried vibrating high gradient magnetic separator

2.5 立环脉动高梯度磁选机的系列化、大型化

根据上述理论成果和对关键结构的解决，研制出独创的SLon系列立环脉动高梯度磁选机，形成了从日处理量0．72 t的SLon-500型到世界上最大的日处理量10 000 t的SLon-4000型等30多种规格产品，实现了脉动高梯度磁选技术从理论研究到大规模工业应用的飞跃。

3 强磁选选矿新工艺

研发了弱磁性矿石的脉动高梯度磁选新工艺，开发了高品质长石、石英砂、钛铁矿、海滨砂矿高效强磁选设备，全面推动了氧化铁矿、钛铁矿、非金属矿选矿工艺革新，新工艺对提高矿产精矿品位和回收率、提高资源综合利用率和对二次资源的综合利用方面均有突出的效果，解决了长期制约我国弱磁性矿物资源回收利用的技术难题。

3.1 精矿品位和回收率

我国各种弱磁性铁矿企业应用该成果后，均大幅度提高了铁精矿品位、回收率和资源利用率，同时降低了生产成本。如马钢姑山铁矿宁芜式红矿属难选氧化铁矿，原工艺铁精矿品位仅55%，回收率61%；采用该成果后改为阶段磨矿，一段SLon磁选机直接抛尾，二段再用SLon磁选机精选，获得铁精矿品位60%，提高了5%，回收率76%，提高了15%[6]，宁芜式红矿选矿工艺流程如图5所示。

图5 宁芜式红矿高梯度磁选新工艺Fig.5 HighgradientmagneticseparationtechnologyinNingwumine

该成果不仅在鞍钢集团矿业公司、玉溪大红山铁矿等300多家国内企业应用，屡次创我国红矿工业选矿历史最高水平，使难选铁矿铁精矿品位和回收率大幅度上升。而且，大量出口印度、塞拉利昂等国家（图6）。

图6 SLon磁选机在塞拉利昂铁矿Fig.6 SLon magnetic separator applied an iron ore of Sierra Leone

图7 选钛新工艺Fig.7 New technology of ilmenite separation

3.2 资源综合利用率

钛铁矿、钽铌矿、黑钨矿等弱磁性选矿企业采用该成果后，回收粒度下限由45 μm降至10 μm，并显著提高了选矿回收率和产品质量，大幅提高了资源综合利用率。如攀钢选钛厂从弱磁选尾矿中回收-45 μm微细粒级钛精矿，TiO2回收率提高了10～25个百分点，钛精矿年产量从5万t提高至现在的50万t，选矿工艺流程见图7；重钢太和铁矿以及攀西和承德地区的选钛厂，每年从弱磁选尾矿中回收品位47．5%TiO2的优质微细粒级钛精矿300多万t[7]；南平钽铌矿10～45 μm粒级得到有效回收，钽铌回收率提高了4～5个百分点；钨细泥中回收微细粒级黑钨矿的作业回收率提高了35～40个百分点（图8）。

图8 SLon磁选机柿竹园分选黑钨矿Fig.8 Wolframite separation by SLon magnetic separator

3.3 二次资源综合利用

选铁老尾矿、炼铝赤泥、稀土老尾矿等均含大量有价资源，一直没有得到有效回收。采用该成果后，提高了资源利用率，减少了尾矿对土地的占用，起到了保护生态环境的作用。如：昆钢上厂铁矿和海南钢铁公司老尾矿中回收铁、中铝山东分公司和广西平果铝业公司赤泥中综合回收铁，每年从尾矿中回收铁精矿达50多万t；四川冕宁、德昌稀土矿从老尾矿中回收稀土的作业回收率达到60%，富集比达5倍以上[8]。

4 结语

（1）研究建立了综合力场下的动力学方程和影响弱磁性矿物选矿指标的关系方程，完善了我国强磁选理论和技术体系，使我国弱磁性矿石高效强磁选关键技术与装备实现了跨越式发展，显著促进了行业的科技进步。

（2）大幅度提高了赤铁矿、钛铁矿、锰矿、黑钨矿细泥、四川稀土矿等低品位弱磁性矿产资源利用率，提高了战略性矿产资源的自给率，为保障国家资源安全和国民经济健康持续发展做出了重大贡献。

（3）在弱磁性矿物选矿中得到广泛应用，从四川稀土矿、黑钨矿细泥、赤泥、非金属等尾矿中回收了大量有用资源，大大减少了废弃物排放，节能降耗效果显著。

（4）SLon系列强磁选机的研制彻底改变了长期以来强磁选机依赖进口或仿制局面，且产品出口至美国、印度、澳大利亚、巴西、俄罗斯、塞拉利昂、加拿大、秘鲁、伊朗等二十多个国家，发展了民族工业。

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Key Technologies and Equipments of High Intensity Magnetic Separation for Weakly Magnetic Minerals

RAO Yu-huan1,XIONG Da-he1,2
(1．Slon Magnetic Separator Ltd,Ganzhou 341000,Jianxi,China;2．Ganzhou Nonferrous Metallurgy Research Institute,Ganzhou 341000,Jiangxi,China)

The mineral processing equipment of weak magnetic ores has some key technological difficulties,such as low magnetic field,easily jammed magnetic media,low recovery rate and difficult maintenance．This paper discusses a series of theoretical problems in designing magnetic separator,including dynamic function of fine-grain sized ore particle in the multi-force field and relation function affecting mineral processing indexes．Magnetic field intensity (＞1．0T)is obtained by unique armor furnishing and inner cooling magnetic system to reduce magnet leakage．

vertical loop pulsating high gradient magnetic separator;weak magnetic minerals;magnetic separation; industrial application

TD457

A

2014-01-23

国家科技型中小企业创新基金项目（01C26213600529）

饶宇欢（1976-），男，江西九江人，高级工程师，硕士，主要从事磁选机和矿山设备研究。

熊大和（1952-），男，江西宜丰人，教授级高工，博士，本刊编委，2014年度国家科技进步二等奖获得者，主要从事磁选机研究。

10．3969/j．issn．1009-0622．2015．01．014

Easy jamming problem of magnetic separator is solved by bar-shaped magnetic media with optimized structure．The former hydraulic magnetic separator can only process small particle size crude ores(＜1 mm)．However,the newlyinvented magnetic separator has the capacity to separate crude ores with large particle size（2～5 mm）．The invention of dry vibrating high gradient magnetic separator expands the magnetic separation from hydraulic to dried technologies．The daily processing capacity of a single SLon magnetic separator reaches 10,000t．The industrial application of SLon magnetic separators,with more than 30 models,has been practiced．