磁铁矿颗粒在复合力场中的沉降特性研究①

范喜杰，徐冬林，吴前锋，朱巨建，任伟杰，郭小飞

（1.鞍钢集团鞍千矿业责任有限公司，辽宁 鞍山 114043；2.辽宁科技大学 矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051）

颗粒沉降现象广泛存在于重选、浮选、磁选以及分级和浓缩过程中［1-4］。颗粒沉降普遍发生于混合体系中，因此影响因素繁多且十分复杂，内在因素主要包括颗粒形状、粒度、密度、黏度等；外在因素主要包括流体性质、外力干扰、颗粒之间的干扰等［5-7］。

颗粒在流场中的沉降运动是磁重联合分选的关键［8-10］。磁铁矿单体、富连生体、贫连生体、脉石等在密度、粒度、磁性等属性上均有差异，导致各组分沉降特性也存在差异，可以利用这种差异性实现矿物不同组分的选择性分离。本文采用具有磁场的改进型利亚申柯沉降试验装置［11］测定了不同粒度磁铁矿单体、富连生体、贫连生体、脉石的沉降特性，以此获得磁场和流场作用对磁铁矿不同组分沉降特性的影响规律，以期为矿物各组分的选别提供理论依据。

1 试 验

1.1 矿样制备

试验矿样为鞍本地区典型的磁铁石英岩，主要由磁铁矿和石英组成，其主要化学成分分析结果如表1所示。由表1可知，矿石的TFe品位为28.55%、SiO2品位为56.54%，属于典型低品位铁矿石。

表1 矿石主要化学成分（质量分数） %

利用实验室型颚式破碎机和对辊破碎机将矿样闭路粉碎至－2 mm，使用锥形球磨机将矿样球磨至－0.074 mm粒级占45%。利用实验室Φ50 mm型磁选柱、Φ50 mm×900 mm磁选管和Φ80 mm×260 mm数字脉冲脱磁器进行“阶段弱磁选”，一段、二段、三段磁选场强分别为12.7 kA／m、119.1 kA／m和214.9 kA／m。试验流程如图1所示，分选结果如表2所示。

图1 阶段弱磁选试验流程

表2 阶段弱磁选试验结果

由表2可知，产品1的TFe品位为62.99%，可视为磁铁矿单体；产品2与产品3的TFe品位分别为48.60%和12.41%，可分别视为富连生体和贫连生体，产品4可视作脉石。用国际标准筛将以上4种产品分别筛分成3种粒级：－0.25＋0.15 mm（粒级A）、－0.15＋0.106 mm（粒级B）、－0.106＋0.074 mm（粒级C），备用。

1.2 试验装置及方法

在利亚申柯干涉沉降模型的基础上，增加了磁场作用，测定磁铁矿不同组分在上升水流力作用、磁场力作用以及二者联合作用下的干涉沉降速度，试验装置如图2所示。该装置主要由电控箱、沉降管、通电线圈、切向给水管等组成，从上部给矿口给入物料，调节水流及左侧电控箱，根据沉降距离和时间计算得到颗粒群在静水中的沉降速度，根据流量、沉降距离、沉降时间等参数得出颗粒群在有外力干涉条件下的沉降速度。

图2 干涉沉降试验装置示意图

2 试验结果及讨论

2.1 静水中的沉降速度试验

矿浆浓度0.5%时，分别测定了磁铁矿各组分3个粒级在静水中的沉降速度，结果如表3所示。

表3 磁铁矿不同组分在静水中的沉降速度

由表3可知，在静水中沉降时，对于同一粒级范围的颗粒群，沉降速度大小依次为磁铁矿单体＞富连生体＞贫连生体＞脉石；对于磁铁矿单体与富连生体，不同粒级范围内，两者的沉降速度差异较大；贫连生体与脉石的密度较为接近，各粒级范围内沉降速度差异较小。

2.2 上升水流作用下的沉降速度试验

矿浆浓度0.5%时，分别测定了磁铁矿各组分3个粒级在上升水流作用下的沉降速度，结果如表4所示。矿粒从上部给入后落至筛网上，此时给入上升水流，当颗粒在反冲水作用下达到悬浮状态时，可认为颗粒的沉降速度等于上升水流流速。

由表4可知，在流体曳力作用下，各组分较其在静水中沉降时沉降速度明显减小，且随着矿石粒度减小，沉降速度减幅增大。表明流体曳力的存在不仅阻碍了颗粒群的沉降运动，而且削弱了各组分密度的差异，使得4种组分的沉降速度差缩小，尤其缩小了富连生体与贫连生体、脉石的沉降速度差异，说明流体曳力作用可显著影响颗粒沉降的运动状态。

表4 磁铁矿不同组分在上升水流作用下的沉降速度

2.3 磁场作用下的沉降速度试验

矿浆浓度0.5%时，分别测定磁铁矿各组分不同粒级在不同磁场作用下的沉降速度，结果如表5所示。

表5 磁铁矿不同组分在磁场作用下的沉降速度

由表5可知，由于磁铁矿单体与富连生体比磁化系数较为接近，经过磁场加速区时获得的加速效果较为接近。当磁场强度由17.5 kA／m增加至72.6 kA／m时，磁铁矿单体和富连生体3个粒级的沉降速度均增大，说明磁场强度对磁铁矿单体与富连生体的较细粒级（粒级C）的沉降速度影响较低。贫连生体与脉石含铁量相对较少，二者比磁化系数较小，经过磁场加速区时，加速效果不明显。当磁场强度由17.5 kA／m增加至72.6 kA／m时，贫连生体与脉石3个粒级的速度变化幅度均较小。以上结果表明，增加磁场强度能提高强磁性颗粒沉降速度，但对其中细粒级沉降速度的影响较小；磁场强度对弱磁性颗粒的沉降速度影响较小。

2.4 上升水流与磁场联合作用下的沉降速度试验

矿浆浓度0.5%时，分别测定了磁铁矿各组分3个粒级在磁场与流场联合作用下的沉降速度，结果如表6所示。

表6 磁铁矿不同组分在磁场和流场联合作用下的沉降速度

由表6可知，在原有磁场条件下给入上升水流，流体曳力拖拽颗粒向上运动的现象比较显著。在同一磁场力作用下，对于同一粒级，4种组分的沉降速度均明显小于单一磁场作用下的沉降速度。

当磁场强度由17.5 kA／m增加至72.6 kA／m时，磁铁矿单体和富连生体3个粒级的沉降速度均增大。说明对磁铁矿单体和富连生体而言，联合作用下较粗粒级（粒级A）沉降速度增幅高于单一磁场力作用下的增幅，该现象在贫连生体和脉石组分中不明显。

3 结 论

1）流体曳力作用不仅阻碍了颗粒群的沉降运动，还削弱了各组分密度的差异，使得磁铁矿不同组分的沉降速度差缩小，尤其缩小了富连生体与贫连生体、脉石的沉降速度差异。

2）增加磁场强度能够提高强磁性颗粒的沉降速度，但对其中细粒级沉降速度的影响较小；磁场强度对弱磁性颗粒的沉降速度影响较小。

3）在磁场和流场的联合作用下，流体曳力拖拽颗粒向上运动的现象较显著，磁铁矿各组分的沉降速度均明显小于单一磁场作用下的沉降速度。对磁铁矿单体和富连生体而言，联合作用下较粗粒级（粒级A）沉降速度增幅高于单一磁场力作用下的增幅，该现象在贫连生体和脉石组分中不明显。

4）磁铁矿单体、富连生体、贫连生体和脉石分别呈现出相似的沉降规律，可通过为磁铁矿单体与连生体的分离、贫连生体与脉石的分离分别设定特定的磁场与流场，提高性质相近的两种矿石组分的分选精度。