劉 磊，岳鐵兵，郭珍旭，呂 良，曹 飛

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所，河南 鄭州450006；2.國土資源部多金屬礦評價與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州450006）

高梯度磁選是分選細(xì)粒弱磁性顆粒的有效方法，而圓柱形磁介質(zhì)（或稱棒介質(zhì)）由于具有工作可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化組合排布和不易堵塞的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在高梯度磁選機(jī)中[1－2]。在單根棒介質(zhì)高梯度磁場中，當(dāng)棒介質(zhì)的半徑與給料顆粒半徑存在有合適的比值時，介質(zhì)棒作用在鄰近磁性顆粒上的磁力最大，這種合適的比例關(guān)系稱為梯度匹配。合適的比值可由磁性顆粒在高梯度磁場中所受的磁力（式1）確定，理論計(jì)算，梯度匹配為2.69[3]。

式中：Fm為弱磁性顆粒所受磁力；a為介質(zhì)棒半徑；b為顆粒半徑；r為離介質(zhì)棒中心距離。

從式（1）還可以看出，單根介質(zhì)棒外任一點(diǎn)磁場力Fm至少與r3成反比，隨著r的增加而迅速減小，當(dāng)r＝2a時，磁力小于或等于r＝a時的1／8，可以認(rèn)為有效磁力的作用范圍為a＜r＜2a。有效磁力的作用范圍決定了棒介質(zhì)排列中相鄰兩棒的間隙不宜太大[4－5]，兩棒間隙為2a時，捕收效果較為理想，此時的介質(zhì)充填率為19.63%，介質(zhì)棒間隙與介質(zhì)棒直徑相同。

事實(shí)上，高梯度磁選給礦的粒度范圍比較寬，很難實(shí)現(xiàn)介質(zhì)棒直徑與顆粒直徑的梯度匹配。為了提高細(xì)粒弱磁性顆粒的捕收磁力，目前通常采用直徑較小的棒介質(zhì)（一般為1.5～2mm）。

本文對鞍山式貧赤鐵礦石進(jìn)行高梯度強(qiáng)磁分選試驗(yàn)研究，在介質(zhì)棒間隙與直徑相同的組合排列下，分析介質(zhì)棒直徑大小對細(xì)粒級分選指標(biāo)的影響。研究結(jié)果對高梯度磁選機(jī)棒介質(zhì)組合排列的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)樣品與試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)樣品取自鞍鋼集團(tuán)齊大山鐵礦選礦分廠，有用礦物主要是赤鐵礦，TFe品位為25.32%；脈石礦物主要為石英，其次為黑云母、綠泥石、橄欖石等含鐵鋁硅酸鹽礦物。

采用XCQS型順控濕式強(qiáng)磁選機(jī)對不同磨礦細(xì)度的赤鐵礦石進(jìn)行強(qiáng)磁選試驗(yàn)，每次試驗(yàn)礦樣為100g。強(qiáng)磁選機(jī)磁系為電磁磁系，由激磁線圈和鐵軛組成，激磁電流0～20A，對應(yīng)背景磁場強(qiáng)度0～864kA／m，介質(zhì)為圓柱棒狀磁介質(zhì)，其排列類型如圖1所示，介質(zhì)組合排布如表1所示。

圖1 分選磁介質(zhì)排布形式

表1 介質(zhì)組合排布

2 赤鐵礦高梯度強(qiáng)磁選試驗(yàn)研究

2.1 介質(zhì)棒直徑對強(qiáng)磁選指標(biāo)的影響

在背景磁場強(qiáng)度為358kA／m、給礦粒度為－0.074mm 55%條件下進(jìn)行不同介質(zhì)組合排布（表1）的高梯度強(qiáng)磁選試驗(yàn)，介質(zhì)棒直徑對精礦指標(biāo)（C）和尾礦指標(biāo)（T）的影響如圖2所示。

圖2 介質(zhì)棒直徑對分選指標(biāo)的影響

隨著介質(zhì)棒直徑的增加，精礦品位和回收率均提高；尾礦的品位降低，尾礦的產(chǎn)率提高，但提高的幅度不明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著介質(zhì)棒直徑的增加，高梯度磁選機(jī)的分選指標(biāo)得到改善。

為了繼續(xù)驗(yàn)證上述結(jié)論，選用介質(zhì)組合排布Ⅱ和Ⅳ進(jìn)行后續(xù)的對比試驗(yàn)。

2.2 背景磁場強(qiáng)度對強(qiáng)磁選指標(biāo)的影響

在給礦粒度為－0.074mm 55%的條件下進(jìn)行不同背景磁場強(qiáng)度的高梯度強(qiáng)磁選試驗(yàn)，背景磁場強(qiáng) 度 分 別 為 358kA／m、454kA／m、549kA／m、645kA／m。背景磁場強(qiáng)度對精礦指標(biāo)（C）和尾礦指標(biāo)（T）的影響如圖3所示。

圖3 背景磁場強(qiáng)度對分選指標(biāo)的影響

隨著背景磁場強(qiáng)度的增加，精礦品位降低，回收率提高，背景磁場強(qiáng)度增加到549kA／m后回收率升高的速度變緩；尾礦品位和產(chǎn)率均降低，背景磁場強(qiáng)度增加到549kA／m后回收率降低的速度變緩。為降低尾礦品位，獲得較高的精礦回收率，后續(xù)試驗(yàn)中的背景磁場強(qiáng)度為645kA／m。

與組合排布Ⅱ分選效果相比，在同一背景磁場強(qiáng)度下，組合排布Ⅳ的精礦品位和回收率均明顯提高，但是產(chǎn)率的變化不明顯。組合排布Ⅳ的分選效果優(yōu)于組合排布Ⅱ。

2.3 給料粒度對強(qiáng)磁選效果的影響

在背景磁場強(qiáng)度為645kA／m的條件下進(jìn)行不同給料粒度的高梯度強(qiáng)磁選試驗(yàn)，給礦－0.074mm含量分別是55%、70%、85%、98%。給礦粒度對精礦指標(biāo)（C）和尾礦指標(biāo)（T）的影響如圖4所示。

圖4 給礦粒度對分選指標(biāo)的影響

隨著給礦中－0.074mm含量增加，精礦品位和回收率均提高，－0.074mm含量增加到85%后回收率降低；尾礦產(chǎn)率提高，尾礦品位降低，－0.074mm含量增加到85%后尾礦品位升高。這表明，給礦中－0.074mm含量達(dá)到98%時，尾礦中金屬量流失嚴(yán)重，分選指標(biāo)下降。

與組合排布Ⅱ分選指標(biāo)相比，當(dāng)給礦中－0.074mm含量小于85%時，組合排布Ⅳ的分選指標(biāo)較好，精礦品位提高1.2%～1.6%，精礦回收率提高1.6%～2.5%。當(dāng)給礦中－0.074mm含量達(dá)到98%時，組合排列Ⅳ的分選效果差，尾礦品位提高，精礦回收率降低。

對于齊大山選廠鐵礦石，采用直徑為4mm、間隙為4mm的棒介質(zhì)組合排布在－0.074mm占85%的給礦細(xì)度、645kA／m的背景磁場強(qiáng)度下的高梯度強(qiáng)磁選的分選指標(biāo)最好，當(dāng)原礦品位25.32%時，強(qiáng)磁選精礦TFe品位為60.42%，回收率為83.12%。

3 顆粒在分選空間的受力分析

磁場力切向分量（H·gradH）θ是使一個磁性顆粒向圓柱形介質(zhì)棒表面（θ＝0°和θ＝180°的位置）移動的磁場力，磁場力徑向分量（H·gradH）r是使磁性顆粒吸附在介質(zhì)棒上的磁場力。假定一個純赤鐵礦顆粒（理想化為球形顆粒，直徑為b）最終吸附到介質(zhì)棒上，受力分析如圖5所示。忽略顆粒之間的摩擦力和壓力以后，作用在磁性顆粒上的力有：重力G，介質(zhì)棒對顆粒的磁力Fm和摩擦力f，顆粒所受的粘滯阻力[4]。

磁性顆粒能夠吸附在介質(zhì)棒上所必須滿足的條件為式（2）、式（3）。

圖5 單個顆粒在介質(zhì)棒表面受力分析

即

當(dāng)θ＝0°時，顆粒中心處切向磁場強(qiáng)度分量Hθ為0，介質(zhì)棒對顆粒的磁力和摩擦力如式（4）式（5）所示，顆粒重力如式（6）所示，顆粒所受的粘滯阻力如式（7）所示。

式中：μ0為真空中的磁導(dǎo)率，μ0＝4π×10－7H／m；Ρ為顆粒密度，ρ赤鐵礦＝5.0×103kg／m3；χ0為赤鐵礦的比磁化率，χ0＝12.7×10－7m3／kg；H0為背景磁場強(qiáng)度，A／m；Η為礦漿流動粘滯系數(shù)，η＝1.25×10－6m2／s（礦漿濃度為20%）；v0為礦漿流速，v0＝0.01m／s；g為重力加速度，g＝9.8m／s2；μ為動摩擦系數(shù)；α為赤鐵礦的動摩擦角，α＝30°，tanα＝0.58；γ為連生體顆粒中弱磁性礦物的體積百分?jǐn)?shù)，%。

磁力Fm中的“—”表示其方向與背景磁場強(qiáng)度方向相反，F(xiàn)m與弱磁性礦物的比磁化率χ0和背景磁場強(qiáng)度的平方H02成正比。根據(jù)公式（4）～（7）計(jì)算出不同直徑顆粒在背景磁場強(qiáng)度為H0＝645kA／m下受力情況如表2所示。

從表2可以看出，隨著介質(zhì)棒直徑的增加，（G＋Fd）／f增大。當(dāng)顆粒直徑＞0.010mm 時，（G＋Fd）／f為10－2數(shù)量級。與2mm 介質(zhì)棒相比，4mm介質(zhì)棒對顆粒的捕收磁力雖然降低，但（G＋Fd）?f，其捕集能力并不會減弱。當(dāng)顆粒直徑＜0.010mm時，（G＋Fd）為f的10－1數(shù)量級，赤鐵礦顆粒不能被介質(zhì)棒牢牢捕獲甚至不能被捕獲。與2mm介質(zhì)棒相比，4mm介質(zhì)棒對顆粒的捕收磁力顯著降低，其捕集能力明顯減弱。因此，當(dāng)磨礦細(xì)度達(dá)到－0.074mm 98%時，尾礦中－0.010mm含量較多，導(dǎo)致金屬量流失嚴(yán)重，尾礦品位提高，這在4mm介質(zhì)棒下更為明顯。

表2 不同顆粒在不同介質(zhì)棒直徑下的受力情況

然而，在棒介質(zhì)高梯度磁場中分選實(shí)際礦石顆粒的過程中，非磁性礦物的機(jī)械夾雜現(xiàn)象不可避免[6－7]。機(jī)械夾雜可通過圖6進(jìn)行解釋，當(dāng)進(jìn)入介質(zhì)盒的礦漿通過介質(zhì)棒時，磁性顆粒首先被吸附到介質(zhì)棒上，在朝向礦漿流方向上形成一個凹面（圖6（a）），凹面的存在阻礙非磁性顆粒的通過，并使得一些非磁性顆粒在凹面上聚集。在礦漿水流的作用下，凹面上部分非磁性顆粒被沖洗掉，但另一部分卻被后續(xù)的磁性顆粒所覆蓋。顆粒聚集層越厚，非磁性顆粒被越不容易被沖洗掉。當(dāng)顆粒聚集層外層顆粒所受的磁捕收力與礦漿流體動力達(dá)到動態(tài)平衡后，介質(zhì)棒停止對顆粒的捕收，如圖6（b）所示。介質(zhì)組合排布Ⅳ與Ⅱ相比，兩棒間的分選空間增大，礦漿在向下流動的過程中，顆粒群的分散效果較好。此外，隨著介質(zhì)棒直徑的增大，顆粒所受的磁力減小，有效磁力的作用范圍也相應(yīng)的縮小，顆粒聚集層的體積減小。因此，選用介質(zhì)組合排布Ⅳ時非磁性礦物的機(jī)械夾雜現(xiàn)象減弱，精礦的品位和回收率增高。然而，由于介質(zhì)充填率相同，介質(zhì)棒有效捕收點(diǎn)數(shù)量大致相同，使得兩種組合排布下的精礦和尾礦的產(chǎn)率并沒有明顯的變化。

圖6 棒介質(zhì)高梯度磁場分選過程機(jī)械夾雜示意圖

4 結(jié)論

本文對鞍山式貧赤鐵礦石進(jìn)行高梯度強(qiáng)磁分選試驗(yàn)研究，采用XCQS型順控濕式強(qiáng)磁選機(jī)對不同磨礦細(xì)度的赤鐵礦石進(jìn)行強(qiáng)磁選試驗(yàn)。在介質(zhì)棒間隙與直徑相同的組合排列下，分析介質(zhì)棒直徑大小對細(xì)粒級分選指標(biāo)的影響。

1）選用直徑與間隙相同的棒狀介質(zhì)組合對細(xì)粒赤鐵礦石進(jìn)行高梯度磁選試驗(yàn)，在相同的背景磁場強(qiáng)度下，當(dāng)給礦粒度－0.074mm≤85%時，相對于小直徑（例如：2mm）介質(zhì)組合下的分選效果，大直徑（例如：4mm）介質(zhì)組合下的精礦品位和回收率均提高。在背景磁場強(qiáng)度為645kA／m的條件下，精礦品位提高1.2%～1.6%，精礦回收率提高1.6%～2.5%，分選效果得到改善。當(dāng)給礦粒度－0.074mm＞85%后，高梯度磁選尾礦中存在金屬量流失，這在大直徑的介質(zhì)組合下更為明顯。

2）對于齊大山選廠鐵礦石，采用直徑為4mm、間隙為4mm的棒介質(zhì)組合排布在－0.074mm占85%的給礦細(xì)度、645kA／m的背景磁場強(qiáng)度下的高梯度強(qiáng)磁選的分選指標(biāo)最好，當(dāng)原礦品位25.32%時，強(qiáng)磁選精礦TFe品位為60.42%，回收率為83.12%。

3）對單根棒介質(zhì)外高梯度磁場中弱磁性礦物顆粒的受力分析研究表明，對于－0.010mm的顆粒，（G＋Fd）接近f，赤鐵礦顆粒不能被介質(zhì)棒牢牢捕獲甚至不能被捕獲，造成金屬量流失。對于－0.15＋0.010mm 的顆粒，（G＋Fd）／f為10－2數(shù)量級，介質(zhì)棒的捕集能力強(qiáng)。隨著介質(zhì)棒直徑的增加，介質(zhì)棒對細(xì)顆粒的捕收磁力減小，兩棒間顆粒群的分散效果變好，顆粒聚集層的體積減小，使得非磁性礦物顆粒的機(jī)械夾雜減弱，精礦的品位和回收率得到提高。

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