劉興美，李小靜，周岳遠，劉石梅，曹傳輝（長沙礦冶研究院有限責任公司，湖南　長沙　410012）

?

【礦產(chǎn)資源】

我國周期式高梯度磁分離設備研究現(xiàn)狀與展望

劉興美，李小靜，周岳遠，劉石梅，曹傳輝
（長沙礦冶研究院有限責任公司，湖南長沙410012）

【摘 要】本文介紹了周期式高梯度磁分離設備的研發(fā)背景與發(fā)展概況，主體結構與分離機理；簡述了我國周期式高梯度磁分離設備的研究現(xiàn)狀；探討了周期式高梯度磁分離設備的大型化及運用數(shù)值模擬分析軟件在周期式高梯度磁分離設備磁場與流場研究領域的重要性。

【關鍵詞】高梯度磁分離；磁介質；大型化；數(shù)值分析

近幾十年來我國經(jīng)濟快速發(fā)展，催生了對礦產(chǎn)資源的巨大需求。除了大量進口之外，我國對本土資源的開發(fā)力度也逐年加大。一些易開采、品位高的礦產(chǎn)資源經(jīng)過幾十年的開發(fā)利用已逐步消耗殆盡。為了保持經(jīng)濟發(fā)展又不至于過高的對外依存度，我國正處于需要大量開發(fā)利用具有“貧、細、雜”特點的難選礦產(chǎn)資源的階段。周期式高梯度磁分離設備以其所具有高背景磁場強度、高磁場梯度、較大分選空間的優(yōu)勢，適合處理微細粒弱磁性物料，廣泛應用于多個行業(yè)。由于我國高梯度磁分離設備的研究工作起步相對較晚，理論研究基于解決工程生產(chǎn)實踐問題。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，雖有一定的工業(yè)化應用，但相對國外而言設備的單位能耗較高。設備大型化是解決這一問題的有效途徑，更有助于工業(yè)化推廣應用。

1　高梯度磁分離設備的研發(fā)背景與發(fā)展概況

1.1研發(fā)背景

針對弱磁性礦物開發(fā)利用而研制的強磁場磁選設備的發(fā)展經(jīng)歷了幾個重大發(fā)展階段。第一代強磁場磁選設備主要依靠特殊結構的電磁磁系與導磁圓盤、輥等組成閉合磁路，從而提高磁場強度。磁極頭與圓盤、感應輥等的間隙即為分選區(qū)。設備結構雖各不相同，但分選區(qū)具有一個共同點，即每個工作間隙只有一個分選面，稱為“單層分選空間”。這種強磁場磁選設備解決了粗粒級弱磁性礦物的開發(fā)利用。20世紀60年代來，世界多國成功研制大量新型的第二代濕式強磁場磁選設備，其中瓊斯型濕式強磁選機作為典型代表。第二代濕式強磁場磁選設備使分選區(qū)從單層分選空間進入到多層面多梯度分選空間。這種基于聚磁介質而提出的“多層感應磁極”設計的磁路，原則上均是以鐵芯構成磁路的空氣隙作為工作間隙。在保證有較高的磁場強度與磁場梯度的前提下，增加分選區(qū)間的有效作用面積，較大地提高了設備的處理能力。第二代濕式強磁場磁選設備解決了細粒級弱磁性礦物的開發(fā)利用。Marston利用螺線管線圈內腔作為分選空間，將軛鐵包在線圈外部形成磁路，分選腔磁場可達到1.59×106A/m以上，并且較瓊斯型磁選機可以有大得多的分選空間。金屬齒板、球、網(wǎng)板等聚磁介質雖能形成較高的磁場梯度，但對一些微細粒弱磁性礦物的分選仍然不夠，且球介質易造成磁通短路［1］。Kolm將纖維狀導磁不銹鋼毛作為聚磁介質，從而在微小區(qū)域形成很高的磁場梯度，較瓊斯型磁選機提高了1～2個數(shù)量級。新型聚磁介質的發(fā)現(xiàn)推動了高梯度磁選領域的研究［2］。60年代末，Marston新磁路與鋼毛聚磁介質的結合，產(chǎn)生了科姆—馬斯頓鎧裝螺線管磁系、鋼毛聚磁介質高梯度磁選機。

1.2發(fā)展概況

周期式高梯度磁分離設備以鎧裝螺線管磁系，分選腔填充導磁介質形成封閉、半封閉的磁路系統(tǒng)。具有漏磁少、分選腔背景磁選均勻、磁場梯度達到104～108T/m、介質填充率低（4%～14%）、設備可模擬放大、有利于大型化等優(yōu)點，它更適合于微細粒弱磁性物料的磁分離作業(yè)。第一臺周期式高梯度磁分離設備于1968年在美國研制成功，用于除去高嶺土中＜2μm的弱磁性顆粒。此后，英國、日本等也開始高梯度磁選的研究。

國外完成了高梯度磁分離設備的設計定型與推廣應用，理論研究上主要側重于捕收機理研究、建立高梯度磁分離的數(shù)學模型，并提出多種經(jīng)驗模型（力平衡模型、運動軌跡模型、載荷聚集模型、DLVO理論模型等），目的在于通過一些基本參數(shù)的研究測定得到最佳的分選條件。

我國于70年代開始高梯度磁選的研究。1978年長沙礦冶研究院在國內率先完成聚磁介質鋼毛與鋼板網(wǎng)的研制，隨之國內相關科研院所也開展了大量的研究工作。針對介質堵塞問題中南大學科研團隊研制振動與脈動周期式高梯度磁分離機；稀土永磁材料的發(fā)展，帶動了周期式高梯度磁分離設備磁系永磁化研究。目前國內外高梯度磁分離技術與設備廣泛應用于微細粒弱磁性金屬礦選礦、非金屬礦除雜提純、工業(yè)“三廢”處理，尤其在長石和高嶺土除鐵（鈦）領域應用更為廣泛。然而，我國高梯度磁分離設備工業(yè)化推廣應用仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)。

2　周期式高梯度磁分離設備的結構與分離機理

2.1設備結構

周期式高梯度磁分離設備針對不同的處理對象結構也有所不同。按用途主要分為兩種類型，分別為周期式高梯度磁選機與周期式高梯度磁過濾器。周期式高梯度磁選機主要用來對含微細粒弱磁性顆粒的精礦提純、非金屬礦除雜。礦漿經(jīng)過調漿、分散具有較高的固液比，為使聚磁介質能夠有效地捕集弱磁性微粒，要求礦漿流經(jīng)聚磁介質有較長的滯留時間，即流體具有較低的流速（約7mm/s）［3］。而周期式高梯度磁過濾器處理對象一般為工業(yè)廢水、廢氣，其中磁性顆粒含量低或極低，并且磁場力對競爭力具有較明顯的優(yōu)勢，磁性顆粒較易被捕獲，所以一般流經(jīng)分選腔的流體具有較高的流速（27～137mm/s）［4］。流體介質根據(jù)處理對象一般又分為水介質與空氣介質，工業(yè)應用還是以水介質居多。周期式高梯度磁分離設備雖然形式多樣，但主體結構基本相同，見下圖。

周期式高梯度磁分離設備的主體結構

2.2工作機理

2.2.1磁性顆粒的捕獲機理

周期式高梯度磁分離設備捕獲磁性微粒是通過磁介質作用的，磁介質在磁場中被磁化形成較高的磁場梯度，極大地提高了對磁性微粒的磁力作用。而能否捕獲磁性微粒是其所受力的綜合作用的結果，當磁力占據(jù)明顯優(yōu)勢時磁性微粒被磁介質吸引靠近磁介質至被其吸住。磁性微粒在分選腔中受力情況十分復雜，除磁力外還有流體作用力、重力、顆粒間的相互作用力等。有研究表明：當磁性微粒粒度＞10μm時，其重力較磁力小1～2個數(shù)量級；當粒度更小時雖然磁力與重力均有所減小，但顆粒受流體作用力影響卻更加明顯［5］。故磁性微粒的重力、顆粒間的相互作用力較磁力、流體作用力而言幾乎可以忽略。盡管分選腔內流體流速較小，但由于是固—液、氣—固兩相流，且是擴散系統(tǒng)并有磁介質的擾動，所以內部流場十分復雜，尤其是靠近聚磁介質更是如此，而鮮有文獻對此進行闡述。目前處理流體作用力是建立在理想流體、聚磁介質附近層流分選基礎之上，并對復雜因素做近似或理想化假設。磁性微粒被捕獲的必要條件是磁阻比R=FM/FD≥1（式中：FM為微粒的磁力作用、FD為微粒的流體作用）。故研究磁性微粒的捕獲機理，流體作用是一個值得關注的方向。

2.2.2磁性微粒與非磁性微粒分離

盡管磁性微粒具備被捕獲條件，但也未必能夠與非磁性顆粒分離，有很多因素影響這一過程。從分選物料而言，若礦漿中含強磁性礦物或磁性微粒含量較高，由于較易被聚磁介質捕獲且易形成磁鏈，故會造成磁介質的堵塞而中斷分選過程或因為機械夾雜而使磁性物與非磁性物不能夠充分分離。為解決該問題一般增加一段預磁選工藝，也有采用振動或脈動結構來防止堵塞。從控制條件上來說，主要是創(chuàng)造分選腔適宜的分選環(huán)境，使礦漿以層流的形式流經(jīng)磁介質，確保磁性微粒與聚磁介質有足夠的作用時間。而影響這一過程的因素較多，包括給礦濃度、分選罐結構、給礦壓力、非磁性產(chǎn)品排出速率、介質形狀與填充率等。從周期式高梯度磁分離的操作流程來說，磁性微粒需要經(jīng)過反沖—正沖才能排出分選腔，然而排出程度卻極大的受分選罐結構的影響，給料方式抑或也有一定的影響，但卻未見有相關的文獻報道。而磁性微粒排出不徹底必然會影響下一周期作業(yè)磁性物與非磁性物的分離。

3　我國周期式高梯度磁分離設備的研究現(xiàn)狀

3.1磁路設計

磁路設計是磁分離設備最關鍵的部分之一，合理的磁路設計不僅能保證分選腔必要的背景磁場，而且還能優(yōu)化設備結構、節(jié)約磁系材料、節(jié)能降耗。良好的磁場分布作為磁路設計的目的與檢驗，它的試驗研究對磁路設計十分重要。而作為磁場的最終來源與磁路的重要組成部分的磁系又是重中之重。

3.1.1磁系

按照勵磁方式周期式高梯度磁分離設備磁系分為電磁系與永磁系。隨著稀土永磁材料的發(fā)展與設備結構的優(yōu)化，永磁系具有較好的應用前景。長沙礦冶研究院研制成功的CRIMM型雙箱往復式永磁高梯度磁選機已在長石、高嶺土等非金屬礦選礦提純產(chǎn)業(yè)中得到應用并且效果較好［6］。盡管永磁系具有節(jié)能的優(yōu)勢，但分選空間小，單體設備處理能力低，故目前仍以電磁系為主。電磁系周期式高梯度磁分離設備的主要成本與功率消耗在于激磁線圈。賴衛(wèi)平［7］提出在具有綜合力場作用的周期式高梯度磁分離設備磁系設計中，以礦漿在分選腔停留時間及磁介質捕集負荷為基本條件確定分選腔尺寸，通過矮線圈設計獲得磁系結構參數(shù)的優(yōu)化值，較優(yōu)化前，線圈的材料大為減少，功率消耗也得到較大降低，為電磁系的優(yōu)化設計提供了較好的參考。超導磁體工業(yè)化應用技術的日趨成熟，推動了超導磁分離設備的研究。用超導材料替代常規(guī)電磁系不僅能夠極大地提高磁場強度，還能達到節(jié)能降耗的目的，國外已有相關研究的專利產(chǎn)生［8-9］并且相關設備已應用于工業(yè)化生產(chǎn)。近年來，國內也已開始研制工業(yè)型超導磁分離設備［10］。

3.1.2磁場分布研究

磁場分布是評估設備性能的重要參數(shù)，分選腔里磁場的分布均勻程度與強度直接影響礦物的分選效果，也為判斷磁路設計是否合理、優(yōu)化磁系與磁極頭的結構提供參考依據(jù)，所以對磁場分布的準確分析與計算必不可少。總結前人的研究方法主要分兩大類：試驗研究、場論研究。而這兩類方法在實踐中又相輔相成，試驗研究中一般采用實測法與模擬法。實測法是利用高斯計、霍耳元件等直接檢測磁選設備的磁選分布，但對于較小分選空間的設備尚無法檢測；模擬法通過測得分選空間的電位分布，間接地反映磁場分布，適用于較小分選空間的設備。場論研究是建立在磁路定律與數(shù)值計算的基礎之上，對具體的問題進行抽象化、模型化，并作理想化的假設，進而對磁場分布做理論計算與近似估計。主要有線性積分法、回路磁通法、并聯(lián)磁路法、經(jīng)驗計算法等研究方法。而這些研究方法不僅要求研究者具備豐富的設計經(jīng)驗，而且局限于一些特定的情況，并存在計算結果與實際值間的偏差難以估計、某些關鍵參數(shù)難以確定等問題。隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬理論與軟件的開發(fā)對電磁場分布研究提供了極大的幫助。近年來，愈來愈多的研究者利用ANSYS、MATLAB等有限差分、有限元、邊界元等分析軟件對磁選設備的磁場進行數(shù)值分析，從而優(yōu)化或設計性能更佳的磁選設備。程常松等［11］曾利用ANSYS軟件對CRIMM型雙箱往復式永磁高梯度磁選機磁系進行分析，并提出改進方案，較之前設計方案背景磁場提高了0.1T以上。可見計算機數(shù)值模擬對于磁場分布研究確實是一行之有效的途徑。

3.2聚磁介質研究

聚磁介質在高梯度磁分離中是高磁場梯度產(chǎn)生的基礎，也是捕獲弱磁性微細粒的載體。其物理參數(shù)對設備性能有至關重要的影響。這些參數(shù)主要有材質、形狀、尺寸、組合方式、填充率等。我國在聚磁介質方面進行了大量的研究工作。新聚磁介質的研究基本以鐵基材料為基體，添加特定元素并調控比例，從而具有導磁性能好、矯頑力小、易加工、韌性高等優(yōu)點。聚磁介質的形狀與尺寸因高梯度磁分離的用途不同而多樣化，周期式高梯度磁分離設備一般處理微細粒物料，需要較高的磁場梯度，故常采用絲狀或網(wǎng)狀介質?；诮z狀與網(wǎng)狀周圍磁場分布的復雜性，介質組合方式的研究基本建立在棒狀介質的基礎上，理論上仍以單絲磁力捕獲理論為主。近年來，基于ANSYS等數(shù)值模擬軟件的運用，磁場分布以云圖、等值線等可視化形式體現(xiàn)，對于研究介質組合方式提供了極大的幫助。鄭霞裕等［12］做了基于ANSYS探討高梯度磁場特性的研究工作，得到磁介質上下交替排列，分選腔中磁場與磁場梯度分布更均勻的結論。介質填充率影響著設備的處理量、磁性微粒的捕集。周期式高梯度磁分離理論上介質填充率5%～14%，過低不能夠充分的利用分選空間、影響產(chǎn)品質量；過高易阻礙流體流動，造成夾雜或阻塞。所以合適的填充率不僅需要理論上的指導，更需要試驗驗證。

3.3大型化研究

我國周期式高梯度磁分離設備經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已有部分機型用于工業(yè)化生產(chǎn)，磁過濾器得到較好的推廣，而高梯度磁選機卻面臨諸多難題。實踐表明大型設備的單位處理成本較低，然而設備大型化仍存在給礦不均勻、介質沖洗不干凈、分選指標不穩(wěn)定等問題。這些問題是設備模擬放大產(chǎn)生的，受設備結構影響較大。長沙礦冶研究院在歷經(jīng)幾十年的設計、生產(chǎn)實踐的基礎上對不同尺寸分選腔結構給出經(jīng)驗化的設計方案，其中Φ1 000mm分選腔設計經(jīng)過工業(yè)生產(chǎn)的實踐驗證取得了比較穩(wěn)定的分選效果。近年來，隨著計算流體力學（CFD）理論體系的建立與完善，以及流體仿真模擬軟件的開發(fā)應用，推動了探究復雜結構內部流場分布研究。選礦科研人員也運用它來分析設備的流場分布情況，優(yōu)化設備結構。在浮選機、旋流器、攪拌槽等設備的優(yōu)化中已得到較多的應用。盧東方等［13］在研發(fā)旋流高梯度磁選機時運用FLUENT流體分析軟件分析礦漿流場分布、優(yōu)化設備結構，并取得理想的效果。

4　結論與展望

（1） 我國周期式高梯度磁分離技術已有廣泛的應用領域，設備趨于多樣化發(fā)展，但主體結構仍具有一致性。深入研究周期式高梯度磁選機的結構參數(shù)、條件參數(shù)對優(yōu)化設備結構、提高分選指標具有重要價值，也有利于周期式高梯度磁分離設備的工業(yè)化推廣。

（2） 磁介質對弱磁性微粒的捕集主要受磁力、流體作用力的影響，深入研究聚磁介質附近的磁場、流場規(guī)律對分析微粒的捕獲機理十分必要?；贏NSYS、FLUENT等分析軟件的數(shù)值模擬能夠將磁場、流場以云圖、等值線的方式可視化顯示，故借助此類分析軟件研究高梯度磁分離機理、磁系設計與磁介質具有較好的前景。

（3） 周期式高梯度磁分離設備大型化是其推廣應用的必然趨勢，然而大型化存在的給礦不均勻、分選指標不穩(wěn)定等技術瓶頸必須要得到適當?shù)慕鉀Q。基于CAD/CAE進行合理的結構設計為大型化提供了可靠的途徑。

【參考文獻】

［1］PARKER M R. The physics of magnetic separation［J］. Contemp. Phys， 1977， 18（3）: 279-306.

［2］BIRSS R R， GERBER R， PARKER M R. Analysis of matrix systems in high intensity magnetic separation［J］. Filtration and Separation， 1977， 14（4）: 339-342.

［3］李小靜，徐星佩，周岳遠，等.CRIMM型高梯度磁選機在高嶺土精制中的應用［J］.礦產(chǎn)保護與利用，2005（6）：25-27.

［4］沈曉理.高梯度電磁過濾處理鋼鐵廢水的研究［J］.湖北環(huán)境保護，1980（3）：139-143.

［5］吳喜慶，米夏夏，楊斌.斜環(huán)永磁高梯度磁選機的原理及應用［J］.中南大學學報（自然科學版），2011（9）：2537-2542.

［6］李小靜，周岳遠，曹傳輝，等.CRIMM型雙箱往復式永磁高梯度磁選機研制及應用［J］.金屬礦山，2008（1）：47-48.

［7］賴衛(wèi)平.周期式高梯度磁選機磁系設計探討［J］.有色設備，1990 （1）：14-18.

［8］ADAM A S. Superconducting magnetic separator: US， 5743410 ［P］. 1998-04-28.

［9］JOHN D B. Superconductive magnetic separator: US， 3503504 ［P］. 1970-03-01.

［10］孫仲元，朱自安，王美芬.超導磁選設備的發(fā)展［C］//中國采選技術十年回顧與展望——第三屆中國礦業(yè)科技大會論文集，機電與自動化技術，2012：599-604.

［11］程常松，周岳遠，李小靜.CRIMM永磁高梯度磁選機磁系改進研究［J］.礦冶工程，2013（8）：78-80.

［12］鄭霞裕，李茂林，崔瑞，等.基于ANSYS的高梯度磁選機磁場特性影響因素分析［J］.金屬礦山，2013（7）：139-143.

［13］盧東方，王毓華，何平波，等.旋流高梯度磁選機的原理及分選性能預測［J］.中南大學學報（自然科學版），2014（1）：1-7.

【中圖分類號】TD924.11

【文獻標識碼】A

【文章編號】1007-9386（2016）01-0037-04

【收稿日期】2015-10-15

Research Status and Prospect of Cycle-type High Gradient Magnetic Separators in China

LIU Xing-mei， LI Xiao-jing， ZHOU Yue-yuan， LIU Shi-mei， CAO Chuan-hui
（Changsha Research Institute of Mining & Metallurgy Co. Ltd.， Changsha 410012， China）

Abstract:This paper describes the research and development background and general situation of the cycle-type high gradient magnetic separator， introduces the main structure， separation mechanism and the current state of China's cycle-type high gradient magnetic separators research. Then， it also discusses that the inevitable trend of large scaling of the equipment. Last， which illuminates the important of using numerical simulation software to research magnetic field and flow field in the research of high gradient magnetic separators.

Key words:high gradient magnetic separator； matrices； larger-scale unit； numerical simulation