李梓豪 吴俊杰 郭小飞 岳 翔 马 阳 代淑娟
(辽宁科技大学矿业工程学院,辽宁 鞍山 114051)
混合型铁矿石约占我国铁矿资源总量的50%以上,其中以鞍山式赤铁矿为主要代表的混合型磁赤铁矿主要分布在辽宁、河北、安徽、甘肃、内蒙古、河南、湖北、山西、贵州等地,具有铁品位低、赤铁矿与磁铁矿共伴生、嵌布粒度粗细不均等特点[1-4]。混合型磁赤铁矿选矿主要采用“阶段磨矿、粗细分级、重选—弱磁—强磁—阴离子反浮选”工艺分选,即先采用弱磁筒式磁选机分选强磁性磁铁矿,然后采用立环脉动高梯度磁选机分选弱磁性赤铁矿,存在工艺流程复杂、电磁强磁选设备能耗高等问题[5-8]。
近年来,随着新型永磁材料和永磁磁系的设计方法愈发受到重视,永磁高梯度磁选机的研制也得到了飞速发展。伍喜庆等[9]采用永磁半闭合磁路磁系研制了斜环永磁高梯度磁选机,转筒内壁处的磁感应强度为0.55 T,磁包角为125°,分选环倾斜配置且倾斜度在0～90°、转速在0～20 r/min 范围内可调,处理以赤铁矿和褐铁矿为主的强磁选尾矿,在入选原矿TFe品位17.92%、分选环转速20 r/min、倾斜角度10°的情况下,磁选1 次精矿品位可达33.18%、回收率为41.06%。卢东方[10]充分利用颗粒密度和比磁化系数的差异研制了旋流多梯度磁选机,背景磁感应强度可达0.7 T,该设备同时具有离心选矿机和永磁高梯度磁选机的优点,能够增强对弱磁性矿物的捕捉能力。长沙矿冶研究院有限责任公司和北矿机电科技有限责任公司等采用外磁系与内选筒式结构,巧妙地利用了重力、磁力和离心力协同作用研制了外磁式筒式磁选机,最大入选粒度可达-30 mm,能够对钒钛磁铁矿、混合型铁矿、海滨砂矿等进行预选抛尾[11-14]。混合型铁矿石中的磁铁矿、赤铁矿具有不同的磁化特征,而传统的磁选工艺及设备往往将磁铁矿和赤铁矿分段选别,一定程度上延长了磁选流程,增加了生产成本。
本文首先对混合型磁赤铁矿石的磁化特性进行了研究,分别针对磁铁矿和赤铁矿的选别设计了多梯度磁场,在外磁筒式磁选机的基础上研制了三产品磁选机,能够获得磁铁矿、赤铁矿和脉石3 种产品,为混合型铁矿石的短流程永磁分选提供研究基础。
试验矿样取自辽宁鞍山某选厂混合型磁赤铁矿,主要化学成分如表1所示,XRD 分析结果如图1所示,粒度筛析结果如表2所示,比磁化系数测定结果如表3所示。
表1 试样主要化学成分分析结果Table 1 Main chemical composition analysis results of the sample %
表2 试样粒度筛析结果Table 2 Results of sample particle size screening
图1 试样XRD 图谱Fig.1 XRD pattern of the sample
由表1、图1、表2 可知:试样TFe 品位为32.89%,主要杂质SiO2含量为52.37%,有害元素硫、磷含量较低;试样中不仅含有赤铁矿,还含有磁铁矿,属于典型的混合型磁赤铁矿;试样-0.074 mm 粒级占44.15%,-0.044 mm 粒级TFe 品位和分布率均最高,分别为54.07%和40.20%。
利用磁选管(磁场强度为191kA/m)和夹板式电磁高梯度磁选机(励磁电流为700 A,背景磁感应强度为0.7 T)将混合型磁赤铁矿中的强磁性磁铁矿、弱磁性赤铁矿和非磁性脉石分离开,利用筛孔尺寸为0.15、0.074和0.037 mm 的标准筛将所得磁铁矿和赤铁矿筛分为4 个粒级,利用VSM-300 振动磁强计分别测试其磁化曲线,比磁化系数计算结果如表3所示。
表3 混合型磁赤铁矿的比磁化系数测定结果Table 3 Determination results of specific magnetization coefficient of mixed maghemite
由表3 可知,磁铁矿的比磁化系数约为赤铁矿的10～30 倍。随着粒度的降低,磁铁矿和赤铁矿的比磁化系数逐渐减小。与+0.15 mm 粒级相比,-0.037 mm 粒级磁铁矿和赤铁矿的比磁化系数分别降低了40.00%和81.55%。检测过程中还发现,赤铁矿各粒级在磁化磁场强度大于238.8 ～318.4 kA/m 的情况下,就能达到磁饱和,随着粒度的降低,赤铁矿达到磁饱和所需要的磁化强度逐渐升高。
矿物颗粒在磁选设备中所受到的磁力大小取决于矿物颗粒的比磁化系数、磁选机的磁场强度和磁场梯度。研究适宜的磁选机分选结构和磁场强度分布,能够对混合型磁赤铁矿中的磁铁矿和赤铁矿进行针对性的分选。
为了实现混合型磁赤铁矿中磁铁矿和赤铁矿的同步磁选,本文采用复合型磁系设计方法和半闭合式磁系结构,结合重力、离心力和流体曳力等复合力场的应用,研制的三产品磁选机如图2所示,主要包括复合型磁系、分选圆筒、给矿及排矿装置、卸矿水及分散水管、产品收集装置以及驱动系统等。
图2 三产品磁选机结构原理Fig.2 Three products magnetic separator structure schematic diagram
三产品磁选机的分选筒体与水平方向呈一定夹角,磁系包括磁场强度不同的4 种磁极组,沿轴向方向磁场强度逐渐升高,弱磁场磁系和强磁场磁系在分选圆筒内形成具有不同磁场强度和磁场梯度的分选空间。矿石颗粒在三产品磁选机中的运动包括轴向和圆周方向两部分,当矿浆沿给矿管进入分选区域时,矿浆在重力的作用下沿轴向流动,矿浆中的强磁性磁铁矿先被弱磁场吸附,弱磁性赤铁矿在流经强磁区域时再被捕获,磁铁矿和赤铁矿随着圆筒的旋转被携带至磁极末端,在冲洗水的作用下分别排至精矿槽和中矿槽;而矿石颗粒中的非磁性脉石颗粒由于仅受到重力的作用,所以能够沿轴向顺流而下成为尾矿。分选过程中可通过调整筒体转速、筒体倾角、分散水压等解决物料分散和机械夹杂等问题。
实验室型三产品磁选机的分选筒体内径为400 mm、长度为600 mm,每种磁极组由9 个磁极构成,沿圆周方向分别测定每种磁极组的磁极边缘、磁极中心及极隙中心(累计35 个点)的磁场强度,测定仪器为HT201 特斯拉计,4 种磁极表面的磁场强度测定结果如图3所示。
图3 表明,沿分选筒体轴向方向4 种磁极的平均磁场强度由低到高分别为200.4、449.9、529.5、643.2 kA/m,圆周方向的磁场强度均匀变化,能够实现在一台设备中对混合型磁赤铁矿中的磁铁矿和赤铁矿进行同步磁选。
图3 4 种磁极表面的磁场强度测定结果Fig.3 Results of magnetic field strength on the surface of four magnetic poles
三产品磁选机的分选指标主要受分选筒筒体转速、筒体倾角及冲洗水压的影响,本研究分别对上述因素进行研究,探索三产品磁选机在分选混合型磁赤铁矿时,对各产品的TFe 品位及回收率的影响规律,获得适宜的分选指标。
3.1 筒体转速对分选效果的影响
每次试验固定给矿10 kg,给矿浓度为50%、分散水压0.2MPa、筒体倾角为5°,在分选筒筒体转速分别为0.1、0.3、0.4和0.6 m/s 的条件下进行分选试验,探究分选筒筒体转速对精矿、中矿和尾矿TFe 品位及回收率的影响,结果如图4所示。
图4 筒体转速对各产品TFe 品位及回收率的影响Fig.4 Effect of cylinder rotation speed on TFe grade and recovery of each product
由图4 可知:增加筒体转速,精矿TFe 品位先提高后下降、回收率先下降后提高;中矿TFe 品位先下降后提高、回收率先提高后下降;尾矿TFe 品位先下降后提高、回收率先提高后下降。当筒体转速增大后,筒内物料层变薄增大了磁铁矿颗粒与筒壁之间接触的概率,有利于捕获磁铁矿颗粒,致使精矿品位提高,但过快的筒体转速使矿浆径向流速增大,部分磁铁矿颗粒未经过弱磁区分选便流入强磁区甚至流入尾矿槽,导致精矿TFe 品位降低、中矿TFe 品位提高、尾矿TFe 品位提高。因此,确定适宜的筒体转速为0.4 m/s。
3.2 筒体倾角对分选效果的影响
固定给矿浓度为50%、分散水压为0.2 MPa、筒体转速为0.4 m/s,在筒体倾角分别为5°、8°、10°、15°的条件下进行分选试验,探究筒体倾角对精矿、中矿和尾矿TFe 品位及回收率的影响,结果如图5所示。
图5 筒体倾角对各产品TFe 品位及回收率的影响Fig.5 Effect of cylinder angle on TFe grade and recovery of each product
由图5 可知:增加筒体倾角,精矿TFe 品位、回收率均有所降低;中矿TFe 品位、回收率均有所提高;尾矿TFe 品位、回收率均有所提高。随着筒体倾角的增加,矿石颗粒沿筒壁重力的分力增大、矿浆径向流速增大,不利于磁性矿石分选,部分原本已被弱磁区捕获的磁铁矿颗粒沿筒壁滑落至强磁区,致使精矿TFe品位及回收率均有所降低,中矿TFe 品位及回收率均有所提高,部分原本已被强磁区捕获的赤铁矿颗粒沿筒壁滑落至尾矿槽,致使尾矿TFe 品位及回收率均有所提高。因此,确定适宜的筒体倾角为5°。
3.3 分散水压对分选效果的影响
固定给矿浓度为50%、筒体转速为0.4 m/s、筒体倾角为5°,在分散水压分别为0.1、0.15、0.2、0.25 MPa 的条件下进行分选试验,探究分散水压对精矿、中矿和尾矿TFe 品位及回收率的影响,结果如图6所示。
图6 分散水压对各产品TFe 品位及回收率的影响Fig.6 Influence of water pressure on TFe grade and recovery of each product
由图6 可知,增加分散水压,精矿TFe 品位提高、回收率下降,中矿TFe 品位下降、回收率提高、尾矿TFe 品位、回收率均提高。随着分散水压的增加,精矿机械夹杂减少,精矿TFe 品位有所提高,但部分已被捕获的细粒级磁性颗粒从强磁区被冲落至尾矿中,导致中矿TFe 品位降低、尾矿TFe 品位有所提高。因此,确定适宜的分散水压为0.2 MPa。
试验结果表明,采用三产品磁选机对辽宁鞍山某选厂铁品位为32.89%的混合型磁赤铁矿进行分选,在给矿浓度为50%、筒体转速为0.4 m/s、筒体倾角为5°、分散水压为0.2 MPa 的条件下,获得了精矿、中矿、尾矿TFe 品位分别为44.63%、26.60%、10.17%,回收率分别为72.14%、20.98%、6.88%的分选指标,证明了三产品磁选机用于分选混合型磁赤铁矿的可行性。
(1)采用复合型磁系设计方法和半闭合式磁系结构研制的三产品磁选机,分选筒体内4 种磁极的表面平均磁场强度由低到高分别为200.4、449.9、529.5、643.2 kA/m。
(2)采用三产磁选机对磨矿细度-0.074 mm 占44.15%、铁品位32.89%的混合型磁赤铁矿进行选别,在给矿矿浆浓度为50%、筒体转速为0.4m/s、筒体倾角为5°、分散水压为0.2 MPa 时,获得的精矿、中矿与尾矿TFe 品位分别为44.63%、26.60%、10.17%,回收率分别为72.14%、20.98%、6.88%的分选指标。
(3)针对混合型磁赤铁矿研制的三产品磁选机能够在一台设备中实现对强磁性磁铁矿和弱磁性赤铁矿的同步选别,为混合型铁矿石的短流程磁选提供了新的技术途径。
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