磁铁矿柱式精选设备的研究现状及优化改进

2020-02-22张洺睿郭小飞任伟杰崔少文代淑娟

金属矿山 2020年9期

张洺睿郭小飞任伟杰崔少文代淑娟

（辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁鞍山114051）

磁选是基于物料的磁性差异来实现不同矿物分离的一种选矿方法，具有工艺简单、绿色无污染等特点，广泛应用于黑色金属、有色金属和稀有金属精选，在矿石的选别中具有重要地位［1-3］。我国磁铁矿资源普遍具有铁品位低、嵌布粒度较细且不均匀的特点，选矿工艺以“阶段磨矿和单一磁选”为主，大部分选矿厂采用柱式精选设备作为控制磁铁矿精矿品位的关键设备，如磁选柱、脉冲振动磁选柱、淘洗磁选机、旋流磁力分选机等［4-6］。

柱式精选设备是一种磁力与重力相结合的弱磁场磁重复合选别设备，其特点是通过多组线圈周期供电或螺旋形永磁磁系旋转在分选区内产生的循环磁场，辅以快速上升的回转水流产生剪切作用，使强磁性矿物颗粒在柱体分选区域内同时受到磁力、重力和流体曳力等的作用，“团聚—分散—团聚”交替发生，磁铁矿单体与富连生体颗粒向柱体下部移动成为精矿，而脉石矿物及贫连生体在流体曳力作用下溢流成为尾矿。独特的磁系结构和磁重复合选别方式，使柱式精选设备在磁铁矿的“提铁降硅”中发挥了重要的作用。

近年来，新开发磁铁矿资源的嵌布粒度已降低至20～30 μm，选别难度增加，普通的磁选设备难以达到精选效果，因而对磁铁矿柱式精选技术的需求愈发迫切。本文评述了磁铁矿柱式精选设备的发展历程及应用现状，重点总结了针对设备大型化、磁系设计与结构优化、控制系统智能化等的研究成果，以期为未来柱式精选设备的发展方向提供参考。

1 柱式精选设备研究现状及存在问题

1.1 研究现状

传统磁选过程中，磁铁矿精矿铁品位难以提高的主要原因在于磁选区域内较强的磁场不仅使磁铁矿单体极易形成磁团聚，还使连生体和脉石夹杂进入团聚体中。20世纪90年代，受永磁磁重选矿机及磁团聚重选机的启发，辽宁科技大学（原鞍山钢铁学院）刘秉裕等研制了既能分散磁团聚、又能利用磁团聚的新型磁铁矿精选设备——磁选柱，所得精矿产品较常规磁选机精矿铁品位提高0.5～2个百分点，在弓长岭选矿厂、南芬选矿厂、板石选矿厂等获得成功应用［7-10］。

为了解决脉石及贫连生体的夹杂问题，东北大学袁志涛等［11-12］研制的脉冲振动磁选柱，采用脉冲振荡磁场使细长的磁链每秒发生数十次的“团聚—松散—再团聚”。采用该设备对新疆某磁铁矿进行精选，在磁铁矿给矿TFe品位为62.31%的条件下，精矿TFe品位可达71.86%，作业回收率为85.04%。

河北金垦科技有限公司研制的淘洗磁选机，在传统磁选柱的基础上，综合应用了循环磁场、恒定磁场和补偿磁场。通过在柱体顶部增加恒定磁场线圈，克服磁选柱的“跑黑”问题，降低了尾矿铁品位。此外，根据筒体直径的不同，在分矿器内增加补偿磁场线圈，避免给矿进入柱体中间的“空洞”区。目前，该设备在澳大利亚、巴西等磁铁矿选矿厂得到广泛应用。

为了提高微细粒磁铁矿精矿回收率和品位，专家学者研制了旋流磁力分选机，该设备采用螺旋式磁极布置，在磁系旋转过程中形成了自上而下的磁极变换，通过控制磁系的转速和上升水流对磁团聚进行松散。由于充分利用了磁力、浮力、重力、离心力、旋流水动力等复合力场的作用，该设备在控制尾矿品位方面具有较大优势。

在过去的20 a，我国的选矿科技工作者还研究了其它磁铁矿柱式精选设备，主要包括磁选环柱、智能脉冲电磁精选机、永磁立式精选机和变径磁选柱等，旨在提高磁铁矿的精矿品位、减少微细粒矿物的流失，推动了磁铁矿选矿技术的快速进步。

本钢南芬选矿厂采用磁选柱作为关键的磁铁矿精选设备，最终铁精矿TFe品位达到68.50%以上、SiO2含量低于5%，较原有工艺的铁精矿TFe品位提高2%～3%、SiO2含量降低1%～1.5%，成为全国首家采用单一磁选法达到提质降硅改造目标的选矿厂［13］。司家营铁矿采用“磁选机—磁选柱”对二段精矿进行选别，获得了铁品位67.49%，铁回收率超83%的铁精矿［14］。为了解决铁精矿品位不稳定的问题，马坑铁矿选矿厂将磁选柱设备引入生产实践，使铁精矿TFe品位稳定在64%以上，提高了8%的系统运转效率，大幅简化生产流程［15-16］。汉中略钢碾子坝选矿厂为了解决磨矿、筛分、磁选作业效率低的问题，应用磁选柱对原三段弱磁精矿进行“再选—尾矿浓缩、再磨”技术改造，达到磨矿处理能力提高8%、精矿TFe品位提高至65%以上的技术指标［17］。中信泰富SINO铁矿的最终磨矿细度为23～27 μm，为进一步提高精矿TFe品位，扬州泰富精选项目采用了全自动淘洗磁选机，使铁精矿TFe品位达到68.5%，作业回收率达到89.58%［18-20］。

1.2 存在问题

磁铁矿柱式精选设备具有操作简单、生产可靠及能耗低等优点，适用于生产高品位铁精矿，但存在一定问题，主要包括：

（1）对给矿粒度要求严格。磁铁矿柱式精选设备给矿粒度范围控制在不超过0.2 mm（一般控制在-0.074 mm为75%～95%之间），颗粒较大的脉石矿物因所受重力大于流体曳力，容易混入精矿管降低精矿品位。

（2）易造成微细粒矿物流失。磁铁矿柱式精选设备中心部位磁感应强度一般小于50 Gs，当矿物颗粒较细时，磁力对微细粒铁矿的捕获作用较弱，难以克服流体曳力，造成“跑黑”现象。

（3）耗水量大、尾矿浓度低。磁铁矿柱式精选设备主要依靠上升水流产生的流体曳力将夹杂在磁性矿物中的脉石颗粒及贫连生体分离出去，处理每吨给矿需耗水2～4 m3，导致耗水量大、尾矿浓度过低。

（4）处理量偏低。磁铁矿柱式精选设备的直径一般小于1 000 mm，单位横截面积的处理能力约为2 t/h。

此外，部分选矿厂管理人员认为磁铁矿柱式精选设备高度过高，且尾矿和精选的排出位置分别位于柱体两端，给工艺配置带来不便。

2 柱式精选设备的优化改进

2.1 磁系的优化改进

磁铁矿柱式磁选设备的磁系大部分都采用电磁场，主要包括循环磁场、恒定磁场或补偿磁场的综合应用，能够实现高选择性的磁团聚，减少尾矿流失，避免柱体中心区域的“磁空洞”。

循环磁场是传统磁选柱的研究基础和重要特点，一般由4组、6组或者9组电磁线圈组成，通过调整循环磁场的激磁电流强度和通电周期可以调节铁精矿产品的品位。降低循环磁场强度能够提高磁铁矿精矿的品位，但易造成微细粒磁铁矿的流失。缩短循环磁场周期能够增加磁团聚松散的次数，提高精矿回收率，但也会造成部分连生体无法有效剔除的问题，影响精矿品位。赵通林等［21］对循环磁场的线圈间距进行了研究，结果表明，通过调节线圈间距，可以有效地控制磁性矿粒的运动路径，增强水流对磁团聚的的剪切作用，从而有效地破坏磁团聚。白殿春等［22］通过励磁线圈绕组弯折、多层叠放的方式，研制出一种磁选柱绕组，建立平面磁场，实现磁控旋流，具有分选时间长、有用矿物回收率高等优点。梁福利［23］采用螺旋磁场的方式成功研制了智能脉冲电磁精选机，使磁性颗粒通过磁力拉动螺旋向下，同时通过高速旋转的上升水流将夹杂其中的脉石矿物冲洗干净，针对选别太钢峨口选矿厂筛下产品进行工业试验，最终精矿铁品位提高8.88%。

通过在磁选柱顶部的励磁线圈中连续通入直流电，使该区域存在一个持续向下的恒定电磁场，能够防止磁铁矿单体及富连生体由于流体曳力过大或其他因素流入溢流槽，进而降低磁选柱尾矿的铁品位［24-26］。王泰安［27］采用在溢流口附近增加恒定磁场的方式改进了电磁淘洗磁选机的分选效果，具有尾矿品位低的特点。

当柱式磁选设备的直径大于1 000 mm时，往往采用循环磁场、恒定磁场及补偿磁场相结合的磁系结构。钱程采用多种磁场相叠加的磁系，使矿石颗粒以磁链悬浮下行，非磁性颗粒受流体曳力从溢流口排出，其应用于通钢桦甸矿业公司生产铁精矿，最终铁精矿品位提高2.05%，保证了精矿产品的回收率，具有操作简单，脱硅效果明显等优点［28-30］。王青等［31］通过在溢流口槽上设置励磁线圈与中矿排出口的方式研制成功一种新性淘洗磁选机，该设备通过励磁线圈产生磁场，将尾矿中夹杂的磁性矿物继续向下拖拽，强迫其进入中矿回收腔，实现中矿再选，既提高了精矿的回收率，又解决了尾矿需要回收再利用的问题。与传统磁选柱相比解决了尾矿二次利用问题，具有提高矿物回收率、结构简单、使用方便等优点。

上述设备针对磁铁矿柱式精选设备的磁系进行多方面优化，解决了脉石及贫连生体的夹杂问题，具有提高微细粒磁铁矿回收率、延长分选时间等优点，推动了新型磁铁矿柱式精选设备的快速发展。

2.2 设备结构的优化改进

围绕磁铁矿柱式精选设备耗水量大、应用范围窄及单位处理量小等问题，研究人员针对其分选结构和给水结构的改进开展了大量研究工作。

陈广振等［32-33］在磁选柱内筒分别设置4组电磁铁环轭组成粗选区磁系和精选区磁系，研制了磁选环柱，能够增大磁选柱的给矿粒度和应用范围，试验表明：磁选环柱与磁选柱相比，给矿粒度范围可放粗至0.7 mm，耗水量降低40%左右，单位面积处理能力提高近1倍，处理吉林板石选矿厂一次分级溢流产品和细筛筛下产品，磁选环柱对粗选作业和精选作业均有明显改善效果。刘朋［34］、段超［35］通过改变磁选柱筒径研制了变径磁选柱，利用粗选区筒径大于精选区筒径的方式，改变粗选区与精选区的上升水流速度，得到高品位精矿。针对鞍千选矿厂磁铁矿和大孤山选矿厂的精选试验表明，变径磁选柱解决了细粒级矿物难回收问题，对铁精矿TFe品位的提高效果显著。

鞍山金裕丰选矿科技有限公司经过对磁选柱排矿管径和环形分水盘等的改造，使AF-CXZ-1200型磁选柱的处理能力提高了10 t/h，生产指标及生产适应性较好。孙兴华［36］通过在磁选柱上安装一个倒锥形分水盘，将水由内而外切向给出的方式，研制成功一种用于磁选柱上的分水盘，优点是排水孔均匀分布在筒体内部，与传统磁选柱相比具有给水稳定、不易堵塞、耐磨、不易磁化、浓缩尾矿及减少耗水量等优点。

2.3 柱式精选设备永磁化研究

研究人员采用永磁材料研制成功多种新型磁铁矿柱式精选设备，为柱式磁铁矿精选设备的发展开辟了新的方向，具有结构简化、能耗低、便于操作和控制等优点。

刘兴魁［37］采用可旋转永磁磁系的方式，发明一种磁选柱用永磁磁系。该设备通过在筒体内设置周圈环布的永磁体，并将磁极沿径向延伸的方式，达到磁极同层交替排布，邻层交错排列的目的，使转筒与外筒体之间形成磁场螺旋形变换的分选区，通过上升水流与内筒旋转产生的复合剪切作用达到分散磁团聚的效果。

李玉凤等［38］采用永磁旋转磁系研制了永磁立式精选机，通过磁系的旋转为磁性颗粒在分选区内离心运动提供动力，使强磁性矿物、弱磁性矿物与脉石矿物在复合力场作用下改变运动轨迹，能够产生精矿、中矿和尾矿3种产品。在南芬选矿厂给矿TFe品位为62.06%的情况下，3种分选产品的TFe品位分别为66.63%、60.73%和32.30%，基本符合工业生产的要求，但需针对入选粒度、尾矿流失及耗水量大等问题进行改进［39-40］。

北京矿冶研究总院和首钢集团矿业公司采用立式旋转磁系的方式，共同研制了磁力旋流分选机［41］。该设备采用锥体结构，通过构造磁极螺旋排布的方式，使磁性颗粒（磁团）在分选区域内受到间歇性磁场和上升水流的协同作用，精矿从槽体底口排出，尾矿由椎体顶部排出。针对某典型难选磁铁矿的工业试验表明，精矿TFe品位可达66.06%，尾矿品位较现场原有精选机降低12.47个百分点，选别指标优势明显［42］。该设备充分利用离心力、磁力等复合力场的综合作用，实现难选矿物的有效分选，为难选磁铁矿的精选开辟了新的研究思路。

2.4 控制系统的优化改进

控制系统是决定电磁磁选柱精选效果的中枢。针对磁铁矿柱式精选设备电控系统不稳定的问题，选矿工作者通过对磁铁矿柱式精选设备的控制系统进行优化改进。以歪头山铁矿程永维改进的自动控制电磁精选机为主要代表［43］，控制系统与传统磁选柱相比，具有以下特点：①采用德国西门子自控系统；②可以实现远程网络控制和现场集中控制；③电磁精选机具有底锥控制器。在对本钢歪头山铁矿选厂进行工业试验时，较传统磁选柱精矿品位提高2.14%，具有智能、高效、便于维护等优点［44-46］。

近年来，对矿石品位、粒度和浓度等在线监测和传感器的技术逐渐成熟，随着5G及物联网技术在选矿厂的逐步推广，作为控制磁铁矿品质关键设备的磁选柱，应重点研究其控制系统的深度优化及联网运行。