磁铁矿柱式精选设备的研究现状及优化改进_张洺睿.pdf

收稿日期2020-05-15 基金项目辽宁省教育厅服务地方项目 （编号 2020FWDF12） ； 辽宁科技大学院士专家工作站开放课题 （编号 USTLYSG201802） 。 作者简介张洺睿1996， 男， 硕士研究生。通信作者郭小飞 （1985） ， 男， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 磁铁矿柱式精选设备的研究现状及优化改进 张洺睿郭小飞任伟杰崔少文代淑娟 1 （辽宁科技大学矿业工程学院， 辽宁 鞍山 114051） 摘要钢铁行业对高品质铁精矿需求的日益增加， 促进了磁铁矿柱式精选设备的快速发展。评述了磁铁矿 柱式精选设备的研究现状， 分析了传统磁选柱存在应用粒级范围窄、 对微细粒磁铁矿回收效果差、 耗水量大及处理 能力低等问题。针对复合磁场、 结构优化、 永磁化及控制系统的升级研究， 提高了磁铁矿精矿的TFe品位和微细粒 强磁性矿物的回收率， 增加了设备的处理能力， 降低了水耗， 简化了生产工艺， 提高了生产效率。指明了未来磁铁 矿柱式精选设备的主要发展方向为基于磁铁矿不同组分的精细化分选以及高效、 智能精选设备与工艺的研究。 关键词磁铁矿柱式精选磁系结构永磁化智能控制 中图分类号TD457文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -09-191-06 DOI10.19614/ki.jsks.202009027 Research Status and Optimization Improvement of Magnetite Cleaning by Column Separator ZHANG MingruiGUO XiaofeiREN WeijieCUI ShaowenDAI Shujuan2 （School of Mining Engineering， University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， China） AbstractThe increasing demand for high quality iron concentrate in iron and steel industry has promoted the rapid development of magnetite column cleaning equipment. The research status of magnetite column cleaning equipment is re- viewed，and the problems of the traditional magnetite column，such as narrow range of particle size for feeding，poor recov- ery effect，large water consumption and low treatment capacity are analyzed in this paper. The upgrade research of compos- ite magnetic field，structural optimization，permanent magnetization and control system has improved the TFe grade of mag- netite concentrate and recovery rate of fine high-magnetic minerals，with the increase of the processing capacity of the equip- ment and decrease of the water consumption，which simplified the production process and improved the production efficien- cy. It is pointed out that the main development direction of magnetite column cleaning equipment in the future is the fine sorting based on different components of magnetite，and the research of efficient and intelligent sorting equipment and tech- nology. Keywordsmagnetite，cleaning with magnetic column，magnetic system，structure，permanent magnetization，intelli- gent control 总第 531 期 2020 年第 9 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 531 September2020 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。 191 金属矿山2020年第9期总第531期 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 192 张洺睿等 磁铁矿柱式精选设备的研究现状及优化改进2020年第9期 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 193 ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ 金属矿山2020年第9期总第531期 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。 3结论 （1） 柱式精选设备在磁铁矿的精选过程中发挥 了重要作用， 研究人员围绕磁系设计、 结构优化及控 制系统升级等开展了大量工作， 对铁精矿TFe品位的 提高、 微细粒强磁性矿物的回收和设备大型化、 节水 降耗及智能化等方面效果显著。 （2） 选别过程中的磁铁矿矿石往往由磁铁矿单 体、 连生体及脉石组成， 视粒度和品位的不同， 不同 组分的密度、 磁场特性能均存在一定差异， 深入研究 磁力、 重力、 离心力及流体曳力等复合力场对磁铁矿 不同组分在柱式精选过程中运动轨迹的影响规律， 对实现不同组分的精细化分选意义深远。 （3） 钢铁行业的快速发展对铁精矿品质的要求 愈发提高， 基于铁矿石工艺矿物学的高品质铁精矿 制备可行性评价、 高品质铁精矿选矿提纯工艺、 磁重 复合力场铁矿选矿设备及自动化与智能化成为未来 的重要研究方向。 参 考 文 献 张冰倩， 林周越， 方利强， 等.磁选机的研究与应用现状 ［J］ .云南 冶金， 2017， 46 （5） 13-17. 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