DOI ：10.3969/j.issn.1009-0622.2020.04.004
李敬1，官长平2，任祥君3，曾剑武1，熊涛1,3，徐国印2，陈禄政1
（1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明650093；2.攀枝花驰瑞矿冶科技有限公司，
四川攀枝花617000；3.赣州金环磁选设备有限公司，
江西赣州341000）摘要：离心高梯度磁选新方法具有高梯度磁选捕获力强和离心分选精度高的优点。研究选用一台新研制的离心
高梯度磁选工业机，用于精选细粒钛铁矿强磁选粗精矿的试验研究，分析主要技术参数对分选指标的影响。结果表明，对生产现场选取的钛粗精矿（TiO 2品位17.77%，-0.074mm 占60.34%）
，在磨矿细度-0.074mm 占78.36%、磁感应强度0.4T 、3.0mm 磁介质、磁介质转速225r/min 和矿浆 流速16.8L/min 条件下，新型离心高梯度磁选机一次精选可以得到TiO 2品位和回收率分别为29.65%和61.70%的钛精矿；将磁感应强度和矿浆流速分别提高至0.6T 和21.0L/min ，钛精矿TiO 2品位和回收率分别达到26.29%和80.41%。该分选指标与生产现场脉动高梯度磁选精选作业钛精矿品位（约21%TiO 2）比较，离心高梯度磁选新方法的选择性明显更高，但TiO 2回收率更低。该离心高梯度磁选新方法为细粒弱磁性矿深度精选提供了一种新思路。
关键词：离心高梯度磁选；工业试验；钛铁矿；精选中图分类号：TD455+.4；TD457
文献标识码：A
收稿日期：2020-08-01
资助项目：国家自然科学基金项目（51874152）；四川省科技计划资助项目（2018GZYZF0057）；四川省重大装备创新研制与产业化项目
（2014ZZ0059）
作者简介：李敬（1994-），女，江西赣州人，硕士研究生，研究方向：高梯度磁选理论与技术。通讯作者：陈禄政（1978-），男，江西赣州人，博士，教授，主要从事高梯度磁选理论与技术研究。
0引言
当前，脉动高梯度磁选是分选弱磁性矿物的关键技术，具有磁感应强度高，富集比大、综合分选效率高等显著优点，在国内外广泛应用[1-2]。在现有脉动高梯度磁选粗选-浮选或重选精选这种主流生产工艺中，前者主要应用于粗选抛尾和脱泥，为后续浮选或重选作业创造条件[3]。该种生产工艺中，脉动高梯度磁选的选择性即精矿品位越高，越有利于后续精选作业的节能增效[4]。但是，现有高梯度磁选技术普遍存在选择性偏低的不足，这是因为，迄今为止这些磁选技术均采用静态磁介质捕获模式，对矿粒的松散能力弱，介质易机械夹杂脉石和捕获连生体矿物，从而降低磁性精矿品位。因此，探索研究具有更高选择性的高梯度磁选新技术，具有重要的研究价值和现实意义。 近年，围绕上述问题，国内外学者开展了相关研究工作，探索研究了一些高梯度磁选新方法和技术装备。熊大和等[5-6]提出振动高梯度磁选方法，在磁
选过程中增加介质振动力，可以减小介质捕获过程的机械夹杂，经研究发现可以有效提高磁性精矿品位[7]；在此基础上赣州金环磁选设备有限公司开发了振动和脉冲振动高梯度磁选技术，用于提纯非金属矿和分选细粒钛铁矿取得良好的试验结果[5-6]。昆明理工大学陈禄政等[7]基于高梯度磁场和离心力场协同分选原理，提出离心高梯度磁选新方法，开发了试验设备，用于分选细粒赤铁矿和钛铁矿取得了优良的分选指标；如，采用一种周期式离心高梯度磁选机[8]分选昆钢大红山铁矿生产的脉动高梯度磁选铁粗精矿（铁品位35.64%），采用“一粗一扫”流程可以得到铁品位58.81%的铁精矿，铁回收率达到
77.70%[9]；
用于精选攀钢集团公司生产的TiO 2品位为13.44%的脉动高梯度磁选钛粗精矿，经一次粗精选可以得到TiO 2品位为27.45%的钛精矿，钛回收率达到72.75%[10]。在国际上，德国卡尔斯鲁厄大学的研究人员将高梯度磁场和离心力场结合，也取得了良好的分离效果[11]，证实了两种力场结合的有效性。
第4期
本论文简要分析了离心高梯度磁选的原理，并利用一台新研制的离心高梯度磁选工业机，对四川某公司选钛厂的细粒钛铁矿粗精矿进行精选试验研究，分析主要技术参数对分选指标的影响，探索新方法工业应用的可行性。
1离心高梯度磁选原理简介
离心高梯度磁选的基本特征是采用旋转磁介质
动态捕获新模式，可以提高矿浆和矿粒的松散度，增加磁介质捕获过程的竞争力。通过对旋转磁介质捕获特性进行分析，发现在垂直均匀磁场-水平离心场模式中，磁介质旋转可有效增加介质的有效捕
获层数和磁介质动态充填率，从而提升对弱磁性矿粒的捕获效率且适合用于设计高场强的离心高梯度
磁选机[13-14]。须指出垂直均匀磁场指背景磁感应强度和方向在分选腔内保持不变，磁场方向垂直于地球表面和磁介质丝轴径。该复合力场中，磁介质丝围绕其丝轴径中心旋转。1.1
旋转介质捕获模型
如图1所示，将直径为a 的磁介质丝水平置于背景磁感应强度B 0的垂直均匀磁场中，介质丝绕轴
径中心在水平方向的旋转，转速为n 。同时假设，直径为b 、体积磁化率为K 的磁性矿粒随介质丝在分
选筒内旋转。
图1垂直均匀磁场中旋转磁介质捕获模型
Fig.1Trapping model of rotating magnetic matrixin vertically uniform magnetic field
垂直均匀磁场中，磁力线聚集于磁介质丝上下表面，因此磁性矿粒被捕获于介质丝的上下表面。这种情况下，磁介质丝与聚集在其表面的矿粒无相对运动，但介质丝绕其轴径在水平方向旋转时，介质丝带动分选腔内流体做旋转运动，可有效松散矿浆，从而提升磁介质丝捕获选择性。1.2
旋转介质有效捕获的受力条件
磁介质丝在垂直均匀磁场中水平旋转时，需考虑矿粒在垂直和水平方向的受力情况。其中，矿粒在垂直方向主要受磁力、流体力和重力作用；在水平方向，则主要受离心力、流体力和摩擦力作用。
在垂直方向，矿粒不脱离介质表面的条件，是矿粒受到的磁力能克服其受到的重力和流体力竞争作用，见式（1）。
F m ≥F ds +F g
（1）在水平方向，被捕获矿粒与介质丝无相对运动的条件，是矿粒受到的摩擦力大于其所受流体力与离心力的合力，见式（2）。
F 0≥F dp +F c
（2）将矿粒所受摩擦力代入上式，得到介质丝被有效捕获矿粒的受力要求是：
μ（F m -F ds -F g ）≥F dp 2+F c 2
√（3）
其中：F m 是矿粒所受磁力，F ds 是垂直方向流体力，F g 是有效重力，F dq 是离心力，F c 是流体力，μ是摩擦系数。
由此可知，矿粒被磁介质有效捕获的条件，是其受力满足公式（3）。1.3
矿粒运动的轨迹分析
基于以上受力分析，矿粒运动方程可根据牛顿第二定律推导得到。矿粒在垂直均匀磁场-水平离心场模式中的运动轨迹可用COSMOL Multiphysics 软件进行模拟仿真得到，结果如图2所示。
由图2可知，矿粒随磁介质旋转处于松散状态，从而有利于减少非磁性和连生体矿粒的夹杂。非磁性矿粒在旋转过程中，在离心力作用下被甩出磁介质堆，随流体流出分选腔；而磁性矿粒运动至介质附近时，在磁捕获作用下被捕获在磁介质丝表面。
磁性颗粒
B 0
磁介质丝
磁介质丝旋转
t =0s
焊锰钢板用什么焊条
t =0.5s
李敬，等：离心高梯度磁选工业机精选细粒钛铁矿的试验研究27
第35
卷
2
新型离心高梯度磁选机的结构与工
作原理
新型离心高梯度磁选机主要由磁轭、激磁线圈、
旋转磁介质、驱动机构、气动控制、给矿给水装置、冷却水分配器、电机、溢流管、精尾矿收集装置、精尾矿分离装置、机架等部件组成见图3。
该机采用周期式分选过程。工作原理为：接通电源启动电机，驱动机构驱动磁介质在磁轭内部空间旋转建立离心力场。首先，关闭精尾矿收集装置气动阀，自给矿给水装置给水，在分选腔内保持一定液位，同时开启激磁电流至要求的磁感应强度。然后，
开始给料，并开启精尾矿收集装置气动阀，矿粒进入旋转磁介质，在高梯度磁场与离心力场相耦合的离心高梯度磁场中进行分选；磁性颗粒被磁介质捕获，而非磁性颗粒流入精尾矿收集装置，从精尾矿分离装置排出成为非磁性产品，期间通过溢流管排料保持分选腔内的液位。最后，给料完成时，自给矿给水装置给水，同时降低激磁电流，被磁介质捕获的磁性颗粒流入精尾矿收集装置，并从精尾矿分离装置排出成为磁性产品。当磁性颗粒排放干净，即完成一个分选周期，重新开始下一个分选周期。新型离心高梯度磁选机的主要技术参数见表1。
新型离心高梯度磁选机的主要技术特点包括[12]：
磁介质旋转
1—机架；2—磁轭；3—激磁线圈；4—给矿给水装置；5—磁介质；6—电机固定座；7—冷却水分配器；8—电机；9—小皮带轮；10—溢流管；11—精尾矿收集装置；12—驱动机构；13—精尾矿分离装置；14—冷却水收集槽；15—皮带；16—皮带罩
图3新型离心高梯度磁选工业机结构示意图
Fig.3Schematic diagram of new full-scale CHGMS separator
1
2
3
望甜4
5
7896
1516
10
11
121314
图2垂直均匀磁场-水平离心场模式中颗粒运动轨迹
Fig.2Trajectory of particle motion in vertical uniform magnetic field-horizontal centrifugal field
28
第4期
表1新型离心高梯度磁选机主要技术参数
Tab.1Main parameters of new full-scale CHGMS separator （1）采用一种新型复合力场原离心高梯度磁场。
通过磁介质在分选腔背景磁场中旋转，形成高梯度磁场、旋流场与离心场协同的分选过程。磁介质旋转对分选腔内矿粒产生搅拌松散作用，可以显著减少磁介质捕获磁性连生体矿粒和非磁性矿粒机械夹
杂，从而提升分选过程的选择性。磁介质旋转提升分选过程选择性的理论表达式见式（4）。
（4）
式中：βm 是磁性精矿品位；βmax 是目的矿物的理论品
位；R nm 是给矿中非磁性矿和磁性矿物的质量之比；F i 是矿粒间的相互作用力；F c 矿粒受到的竞争力。
由公式（4），随离心力、流体阻力等竞争力F c 增大，磁性精矿品位βm 增加。
（2）磁介质旋转捕获可以增大介质丝与矿粒的碰撞概率，从而提高回收率。传统高梯度磁选过程中，矿粒穿过磁介质丝的层数由磁介质高度和介质
层间距决定；离心高梯度磁选过程中，磁介质旋转改变矿粒的运动路径，矿粒呈螺旋状排出磁介质，将显著增加矿粒穿过磁介质丝的层数，从而增加磁介质捕获磁性矿粒的概率和磁性矿物回收率。
矿粒穿过旋转磁介质的介质丝层数理论表达式见公式（5）。
（5）
式中：n 0是介质丝层数；n r 是矿粒实际穿过的介质丝层数；k 是修正系数，与介质设计有关；V m 是介质的
有效容积；V 是给矿体积流量；N 0是磁介质转速。
由公式（5），矿粒实际穿过的介质丝层数n 随磁
介质转速增大而增加，这将提高磁介质捕获磁性矿粒的概率，最终提高磁性精矿的回收率。
（3）采用气动控制系统，实现准确控制给排料和给停水。
3
试验研究
3.1
试样性质
试验试样取自四川某公司选钛厂生产现场脉动
高梯度磁选粗选得到的钛粗精矿，TiO 2品位为
17.77%，-0.074mm 占60.34%。试样粒级分布见表
2，
试样的钛物相分析见表3，可见钛主要分布于钛铁矿中，TiO 2分布率占89.36%。
表2
试样粒级分布
Tab.2Particle size distribution of sample
表3
试样钛物相分析结果
w /%
Tab.3Analytical results of titanium phase sample
征服者14533.2
磨矿细度的影响
磨矿细度决定矿物的解离程度，对分选指标具有重要影响。试验采用3.0mm 棒介质，首先选择最高磁介质转速225r/min ，磁感应强度0.4T ，矿浆流速16.8L/min ，考察磨矿细度对分选指标的影响，结果见图4。可见，磨矿细度由-0.074mm 占60.34%提高至78.36%，钛精矿的TiO 2品位稳步上升，TiO 2回收率下降；磨矿细度超过-0.074mm 占70.00%后，精矿品位提升幅度减缓，而回收率急剧降低。主要考虑精矿品位提升指标，磨矿细度选择-0.074mm 占78.36%；该条件下，精矿钛品位达到29.65%，钛回收率为61.70%，精矿品位提升明显。
图4磨矿细度对分选指标的影响
Fig.4Effect of grinding fineness on separation performance
n =kn 0V m V
N 0+n r
磁感应强度/T 磁介质转速/（r ·min -1）矿浆流量/
（L ·min -1）给矿粒度/
mm 给矿量/（t ·h -1）0～1.8
0～225
0～25.0
0～1.0
0～2.0
βm =
βmax
1+R nm ·F i /F c
相态TiO 2含量TiO 2分布率钛铁矿15.8889.36钛磁铁矿 1.02 5.74金红石0.47 2.64榍石及硅酸盐
0.40 2.26全TiO 2
17.77
100.00
60
65
7075
80
-0.074mm 磨矿细度占比/%
58
60
6264666820
222426283032品位回收率
粒度/mm 产率/%TiO 2品位/%TiO 2分布率/%
+0.150
3.87
4.82
1.05
-0.150～+0.09024.7213.0518.16-0.090～+0.074
机械战将
11.0718.7611.69-0.074～+0.044
32.9420.8538.65-0.04427.4019.7530.45试样100.0017.77100.00
虎牢李敬，等：离心高梯度磁选工业机精选细粒钛铁矿的试验研究29
第35
卷
提高磨矿细度，磁性矿物与脉石的解离程度增加，因此利于提高磁性精矿品位。但是，当磨矿细度达到一定程度后，部分磁性矿粒受到的磁捕获力小于其受到的流体阻力作用，因此TiO 2回收率开始下降。
须说明，磁性精矿TiO 2回收率较低的一个主要
原因，是设计的3.0mm 磁介质较粗。另外，本设备在
0.4T 磁感应强度条件下，即获得了60%以上的TiO 2
回收率，这说明磁介质具有很高的捕获概率。
3.3
磁感应强度的影响
对给定磁介质丝径，磁感应强度决定矿粒受到的磁捕获力大小，因此对分选指标具有决定性的影响。本试验中，对固定的3.0mm 棒介质，选择磁介质转速225r/min ，矿浆流速16.8L/min ，磨矿细度
-0.074mm 占78.36%，
考察磁感应强度对分选指标的影响。由图5可见，磁感应强度由0.3T 提高到
0.4T ，
精矿TiO 2品位变化不明显，但TiO 2回收率由50.88%快速上升到61.70%；进一步提高磁感应强度，精矿品位明显降低，TiO 2回收率快速上升。
可见，磁感应强度对分选指标具有显著的影响。
提高磁感应强度，磁性矿粒受磁捕获力增强，这
将增加对磁性连生体矿物和细粒磁性矿物的捕获能力，因此精矿品位可能下降，而TiO 2回收率增加。由
图5可见，磁感应强度为0.4T 时，TiO 2品位29.65%，
TiO 2回收率61.70%，
分选指标最佳。图5
磁感应强度对分选指标的影响
Fig.5Effect of magnetic induction on separation performance
3.4
磁介质转速的影响
由公式（2），磁介质转速决定矿粒穿过磁介质的介质丝层数，从而决定介质丝与矿粒的碰撞概率，最终影响TiO 2回收率。本试验采用3.0mm 磁介质，选择磁感应强度0.4T ，矿浆流速16.8L/min ，磨矿细度-0.074mm 占78.36%，考察磁介质转速对分选指标的影响。由图6可见，磁介质转速由135r/min 增加
图6磁介质转速对分选指标的影响
Fig.6Effect of matrix rotation speed on separation performance
到225r/min ，钛精矿TiO 2品位增加，TiO 2回收率降
低。主要考虑精矿品位提升，选择最高转速225r/min 。
磁介质转速越高，矿粒受旋流阻力和离心力越大，根据公式（1）有利于提高选择性即精矿品位，根据公式（2）还可以提高精矿回收率。但是，在0.4T 的低磁感应强度条件下，提高磁介质转速将使矿粒旋流阻力和离心力过大，而磁感应强度显得不足，从而导致精矿TiO 2回收率快速下降，如图6所示。这是
由于，在这种情况下，磁介质无法捕获一些粒度微细但解离度高的钛铁矿及磁性弱的未解离连生体矿物。3.5
矿浆流速的影响
高梯度磁选过程中，矿浆流速决定矿粒在分选腔的停留时间，并对矿粒受流体阻力产生一定影响。本试验选择最高磁介质转速225r/min ，磨矿细度
-0.074mm 占78.36%和磁感应强度0.4T ，分析矿浆流速对分选指标的影响。由图7可知，矿浆流速从
12.0L/min 增加到21.0L/min ，
精矿TiO 2品位先上升后下降，而回收率持续降低。当矿浆流量为16.8L/min 时，精矿TiO 2品位29.65%，TiO 2回收率61.70%；
图7矿浆流速对分选指标的影响
Fig.7Effect of feed volume flow fineness on separation performance
0.30.4
0.50.6
0.7
0.8
20
2224262830磁感应强度/T
50
55
6065
707580品位回收率
20
2224262830135
60
65
70758085品位回收率
150
165180195210
225
磁介质转速/（r ·min -1
）
20
2224262830品位回收率
54
5760666975
8163727811121314
1516171819
2021
22
矿浆流速/（L ·min -1）
30陆航飞行员开箱国产最先进武装直升机
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