韩跃新 袁志涛
(东北大学)
1 前言
在20世纪60年代到70年代是世界钢铁工业迅猛发展的时期。炼铁工艺和技术发生了许多变化,其中很重要的一条就是“精料”的要求[1],“精料”包括改善入炉铁料、辅料和燃料的质量。对于铁料来说主要是提高铁精矿品位。基于这种要求,铁矿石选矿工艺、技术与设备发展比较迅速。目前,全国重点磁铁矿选矿厂平均含铁品位66.5%以上[1]。铁精矿品位提高1%,炼铁焦比降低2%,炼铁产量提高3%,其效益是十分显著的。
我国铁矿资源比较丰富,就储量而言仅次于俄罗斯、加拿大、澳大利亚和巴西等国家[2] 。在铁矿石资源中,鞍山式铁矿分布最广,是我国最重要的铁矿床,其储量占总储量的50%左右,而且规模一般较大,其矿石类型以磁铁矿为主,这类矿石的选别多采用弱磁场磁选。近20多年来,磁性分离技术取得了很大的进展。在设备方面,从弱磁到强磁,从电磁到永磁,从干式到湿式等,人们都做了大量的研究工作,并取得了很大的进展[3]。随着磁选设备研究的进展以及生产工艺的改进,我国磁铁矿品位和回收率也达到了世界先进水平。
2 提高铁精矿品位的工艺
为了提高精矿品位,在磁铁矿选矿方面,国内外进行过许多工艺技术的研究,获得比较成功的有如下几种:①细磨细筛精选工艺;②弱磁精矿的阳离子反浮精选工艺;③多段磨矿多段精选工艺;④选择性絮凝脱泥工艺。这几种工艺中除阳离子反浮精选工艺之外,其它几种工艺方法的实质都是通过多段磨矿,降低精选粒度,提高磁铁矿单体解离度的方式来提高精矿的品位。
2.1 细磨细筛精选工艺
近20年来,我国各大磁选厂广泛采用了细磨细筛工艺,精矿品位都可达到65%以上。从1977年开始,在原冶金部矿山公司的领导下我国进行了大规模提高精矿品位的技术改造工作。在此之前,由鞍钢大孤山选矿厂、北京矿冶研究总院、鞍山矿山研究所联合进行了细筛再磨精选技术的研究,并进行了长期的生产试验。结果表明该流程可使精矿品位大幅提高。随后在国内各大选矿厂陆续推广应用,效果十分明显。
在生产实践中,细筛容易堵塞,筛下产物产率低,造成循环负荷大,而且筛上浓度低,严重影响再磨的磨矿效率[1]。为解决细筛筛孔堵塞,提高筛分效率,国内外做过许多研究,如:德国MS细筛利用不平衡振动电机以及电振振动;英国CTS筛利用筛网背面的筋条,使筛孔中流出的流膜层破裂来防止筛孔堵塞;德国汉堡I型2000号筛分机利用凸轮轴的不规则击振;超声波筛分。此外还研究出一些新型细筛,如立式圆筒细筛、旋流细筛,它们的筛分效率都有一定的提高。
2.2反浮选工艺
60年代中期到70年代,在美国、加拿大采用磁选精矿阳离子反浮选工艺的磁铁矿选矿厂大批出现,如美国穆斯山、帝国、银湾等选矿厂,加拿大的亚当斯、格里菲斯选矿厂。阳离子反浮选工艺成了除细筛再磨工艺之外应用最普遍、效果最突出的精选工艺[1]。这种工艺用于磁选精矿的进一步提质降杂可很容易将磁选精矿的品位从61~62%提高至65~66%以上,然而磁选精矿的磁团聚比较严重,磁聚团中夹有连生体和单体脉石,给反浮选工艺带来一定困难。
另外,我国的鞍钢调军台、齐大山、弓长岭、烧结总厂原浮选车间、梅山、包头等采用反浮选工艺处理难选的红铁矿,可得到高品质的铁精矿[4]。
3 磁选设备的研究
目前弱磁场磁选设备的研究朝设备大型化、提高分离精度及一机多选方向发展[5]。破坏磁聚团,是提高精矿产品质量的方向。虽然在提高磁铁矿品位的工艺研究及应用上取得了一定的成功,但磁团聚对一些设备分选的不利影响依然存在,因此有必要对磁选设备进行研究。研究的方法或是改进传统的筒式磁选机,或是突破传统的弱磁选机的工作原理。
3.1 磁团聚重选机
1984年地质矿产部综合利用研究所与首钢矿山公司合作研制成功了磁团聚重选机。已设计、试验的半工业及工业型的磁团聚重选机有φ300mm、φ600mm、φ1500mm、φ1800mm、φ2500mm等几种规格[6]。磁系分为内磁系、中磁系、外磁系,在内磁系与中磁系、中磁系与外磁系之间的两个分选区内形成不均匀磁场,磁铁矿颗粒在分选区内形成轻度的磁聚团。分选水流以一定压力从给水环给入分选区,对矿浆施加剪切作用,这种作用自下而上随圆周速度的降低而逐步减弱。磁聚团在无磁场区由于上升水流的作用而被分散。这样磁聚团在沉降过程中处于分散―团聚―分散的状态,从而不断得到净化。
1985年3~9月首钢矿山公司所属的水厂和大石河两个大型选矿厂进行了磁团聚重选机工业试验。试验表明,磁团聚重选法显著提高了铁精矿的粒级品位,放粗了磨矿粒度、分选粒度和全部选厂的产品粒度,在保证精矿质量和回收率的情况下,选厂的生产能力提高了20.66%。在试验的基础上,1985年底首钢水厂和大石河两个选矿厂的22个系列进行了技术改造,推广应用了磁团聚重选工艺[6]。
3.2 磁重选矿机
鞍山矿山分司研究所于八十年代中期研制过磁团聚过程与重力分选过程相结合的磁重选矿机[7]。该机磁系由四层平行磁系组成,每个磁系在径向上又分三组,给矿位置位于三、四层磁系之间。磁性颗粒在磁场作用下形成聚团向下运动,非磁性颗粒在上升水流的作用下向上运动。分选机内矿物的品位自上而下逐步提高,矿浆浓度逐渐增大,从而在分选机底部形成重介质层,这样连生体颗粒和大颗粒脉石可以在较强的上升水流及下部重介质层的浮力作用下脱离磁聚团而分离出来。鞍钢选矿试验厂对该设备进行了工业选别试验,试验结果表明其分选效果优于筒式磁选机和脱水槽。
3.3 磁选柱
鞍山科技大学九十年代研制成功磁选柱。该设备采用特殊的电源供电方式,使磁系在分选空间产生特殊的磁场变换机制,对磁选矿浆进行反复多次的团聚-分散-团聚作用,能较充分地分选出常规磁选设备分选后夹杂的中、贫连生体及单体脉石[8]。给矿矿浆给入磁选柱中上部,磁性颗粒特别是单体磁铁矿颗粒在由上而下的磁场力作用下,交替地形成团聚与分散,同时由下而上的切向上升水流对其进行冲洗,使夹杂于其中的单体脉石及中、贫连生体被分离出来,磁铁矿颗粒在磁力和重力作用向下运动由底部精矿管排出。
1993年在辽阳安平乡选矿厂进行了φ200mm磁选柱的工业试验,用于选别该选厂的最终精矿。其给矿品位为60~62%,经磁选柱精选后可以得到品位为65.1~65.9%的精矿。在弓长岭选矿厂应用时,当给矿品位59.85%时,可获得产率为38.62%品位为65.62%的精矿[8]。东北大学陈广振博士在原磁选柱的基础上,通过对磁系和筒体的改变,设计制造了磁选环柱,与磁选柱相比磁选环柱可以大幅度节水,同时可以处理更粗的物料。
3.4立式脉冲振动磁场磁选机
东北大学研制成功了立式脉冲振动磁场磁选机。该设备利用RLC充放电过程,在线圈内可以形成较高的磁场强度;同时用精心设计的触发电路来控制充放电过程,使得每个线圈具有独特的通电机制:瞬间放电-中断-瞬间放电,从而在线圈内形成“振动”磁场。较强的“振动”磁场与较强的上升水流相结合,实现了既利用较强的磁团聚又对磁聚团施加较强烈破坏的新的分选方式。正因如此磁性夹杂可以基本消除,有利于大幅提高精矿的品位。在实验室条件下分选本钢南芬选矿厂的细筛给矿,在不同的电流条件下,可将其品位提高3.54~8.27%。若用其代替某些磁选厂的细筛,则完全可以消除细筛筛分效率低所带来的实际问题[9]。该设备用于处理南芬第三联合再选厂提供的优质铁精矿原料,最终铁精矿的品位可稳定在72.18%以上。
3.5 改进的筒式磁选机
1)各国用于分选磁铁矿的湿式弱磁场磁选机,大都经历了一个从采用电磁磁系、铝镍钴永磁合金磁系,到目前普遍采用钡-锶铁氧体永磁磁系的过程。五十年代出现的铁氧体磁铁是永磁材料生产上的一大突破,六十年代出现的稀土钴永磁材料,就其性能来说,是永磁材料发展史上又一重大进展。磁性材料的发展也促使永磁磁选机的筒径从φ600mm发展到φ1200mm。筒径增大,磁极数可以增加,依靠圆周方向的极性交替可加强对磁聚团的翻转,从而达到了改善精矿质量的目的[1]。
2)美国很多磁选厂采用2、3筒甚至4筒的磁选机,原理是使磁性粒子多次被吸起、脱离,从而剔除夹杂于聚团中的脉石颗粒。前苏联卡尔马金教授曾用先切断磁场的作用,然后重新恢复磁场作用的方法,即采用反复吸起磁性粒子的方法做过实验,在用极性交替4极磁系和5次吸引磁性粒子的情况下,分选效率比在极性交替20个极的磁系一次吸起粒子的情况高4倍以上[1]。
3)矿粒在磁选区内形成的磁团受复合力场的作用,力场中有一部分力对聚团形成起决定作用,从而对从中分选出非磁性颗粒产生不利影响,也有部分力对磁团起破坏作用,这对分选产品的纯度来说是有利的[10]。若施加一外力场来降低磁聚团内部的摩擦便可在一定程度上达到清洗磁团的目的。振动磁选机便是从这一思想出发而设计的。该机底箱形式为逆流型,在底箱底部安装有一振动器,振动器产生上升冲程和下降冲程,振幅和频率可以调节。在上升冲程中,聚团体积增加,在下降冲程中,聚团体积减小,即振动的流体使聚团脉动,当振动强度足够大时,就形成了强烈紊动的漩涡,从而部分或完全破坏磁聚团[11]。对天然磁铁矿进行选别试验,相对于同类型无振动装置的磁选机,其精矿品位提高0.65~1.35%,尾矿品位下降0.95%,对焙烧矿进行精选试验,精矿品位相比传统筒式磁选机高0.3~0.7%,尾矿品位下降0.5%。
4)北京矿冶研究总院曾研究过多力场分选的BK-1021筒式磁选机。该设备的重要特点是配有一种新型的顺流槽体,在槽体中设有接近精矿运输筒体中心线的分选室,分选室中设有给矿冲冼水装置,分选室后部溢流通道可以直接排出尾矿。给矿装置可以前后移动,通过调节给矿点来改变对入选矿物的分选磁力[12]。当入选矿物垂直进入低磁力充满矿浆的分选区后初始处于悬浮状态,在重力、磁力及水流冲击力作用下,一部分脉石随同与磁性矿物反向运动的溢流从后部溢流堰排出槽体,从而实现初次精尾分离;以一定速度向筒体方向运动的“粗精矿”在运动过程中与反向冲洗水相互冲击,一定程度上打破了较松散的磁聚团,分离出被磁性矿物包裹的脉石及贫连生体,从而实现分选矿物的第二次分离。该设备曾在本钢南芬选矿厂三选车间进行过工业试验,与φ1050mm×2100mm半逆流磁选机相比,在给矿品位相近的情况下,精矿品位高0.84%,尾矿品位高2.32%,作业回收率下降0.38%。
5)北京矿冶研究总院还研制过BKPJ抛出分离式精选磁选机。该机的设计指导思想是增加非磁性矿粒的“竞争力”(Richard Gope 和Briss将作用在非磁性颗粒上与磁力不同方向的力定义为“竞争力”),采取的方法是:以一定角度将物料抛入分选区,使惯性力转移到非磁性颗粒的排出方向;同时利用重选效应增大水介质对非磁性颗粒的摩擦力;直接用一定速度的水流在非磁性矿物排出方向冲击入选矿物,使非磁性矿粒在排出方向直接受力[13]。这些措施使“竞争力”充分增大,可超过磁性颗粒对其施加的摩擦力,从而使非磁性矿物的夹杂几率大幅度减小。1993年在鞍山大孤山选矿厂进行了工业试验,当处理量为63.65t/台h时,铁精矿品位提高1.5%,尾矿品位下降0.22%,选矿效率提高8%;当处理量为76.0t/台h时,铁精矿品位提高1.17%,尾矿品位下降0.33%,选矿效率提高8.63%[13]。
6)以上对磁选机的改进的研究并未涉及磁路的改变,国外有的研究则是对磁路进行改进,以提高精矿质量。芬兰研制过高梯度磁路磁选机,与传统磁路相比,筒体表面平均场强为144~160kA/m,而距筒体表面50mm处仅为48~56kA/m,(传统磁选机筒体表面50mm处场强为72~80kA/m),磁场力高近40%,由于采用了高梯度磁路,磁极数可以大大增加,因此可以加强对分选区矿浆的搅动,有助于将非磁性颗粒从磁聚团中分离出来。美国的丁格兹则是采用夹小磁极磁路,其特点是极性各异的相邻磁极的间隙中夹入或充填磁块,形成一种沿[5]圆周方向显示极性的辅助小磁极,小磁极两端与相邻磁极极面的极性相同,即互相起排斥作用,以减少存在于筒体内部各磁极间的漏磁,使磁通量尽量集中到磁选机的工作间隙去,这样可增加磁场梯度。美国Eriz磁力公司研制斥力附加磁极,它装于槽体上,对着工作间隙,固定于特制的支撑板上,此板可以移动,因而附加磁极可以靠近或离开槽体,这样磁场梯度可以调节。此外法国、前苏联、前捷克斯洛伐克都研制过类似附加磁极磁选机[14]。
此外还有旋转磁场磁选机,由于筒体和磁系都转动(磁系旋转速度较高)磁性颗粒在受到磁力作用的较长路途中,经受强烈的磁搅动作用,所以磁选品位较高,但这种磁系旋转结构比传统磁选机要复杂得多。
4 结语
铁精矿提质降杂是目前国内各铁矿选矿厂普遍关心的问题。有关的研究主要从工艺和设备两方面进行。
从工艺上看细筛细磨精选工艺已相当成熟,阳离子反浮选工艺应该成为以后国内发展的一个重要方向。从设备研究的情况看人们对磁选设备结构的改进越来越关心,目的是发展精选效果更佳的磁选机。磁选设备改进的研究可归结到以下几个方面:①磁路的改变;②槽体的改变;③综合力场分选,如磁团聚重选机、磁重选矿机、振动磁选机、多力场分选的BK-1021分选机、BKPJ抛出分离式磁选机以及磁选柱。综合力场分选乃是磁选发展的一个重要方向。在这些分选设备中,体现了磁力、重力与流体力、机械力、剪切力等的综合,通过施加流体力、机械力和剪切力等来克服磁聚团中磁性颗粒对连生体颗粒及脉石颗粒的磁性摩擦力及颗粒与颗粒之间的机械摩擦力,从而破坏磁聚团,以获得高质量的精矿。
参考文献
1. 王建纲等,《铁矿石精选与技术经济》,冶金工业出版社,1992
2. 朱家骥等,《中国铁矿选矿技术》,冶金工业出版社,1994
3. 曹志良,永磁磁选技术的新进展,金属矿山,1997.6:15-18
4. 樊绍良等,铁精矿提质降杂技术研究,金属矿山,2002.4:38~41
5. 冯定五,选矿综合年评,《第八届选矿年评文集》
6. 罗德璋,磁团聚重选法,矿产综合利用,1988.3:1-12
7. 王景宽,磁重选矿机及其工业应用,矿山技术,1989.2:33-36
8. 刘秉裕,磁选柱的研制和应用,金属矿山,1995.7:33-37
9. 袁志涛,立式脉冲振动磁场磁选机的研制与试验,金属矿山,2001.3:36~38
10. D.Mochev. et al.,Improving the efficiency of highly magnetic minerals separation by means of influenced vibration ,International Journal of Mineral Processing,1989.1:21
11. Dr.L.Kwzev. and Dr. Stoycho Stoev,Vibro-magnetic Separation of Iron Ores,World Mining Equipment,1986.12:84-86.
12. 张振宇、谢强,多力场分选的BK-1021筒式磁选机,金属矿山,1989.12:55-56
13. 张振宇,BKPJ-1500×2000mm抛出分离筒式精选磁选机的研制和工业应用,金属矿山,1996.4:37-39
14.《苏联中央重型机械和运输机械情报和技术经济科学研究所报告》(2-28-30001)