1概述
CTDG系列永磁大块干式磁选机是依靠永磁体作为磁场源，在特定的区域内形成非均匀的磁场，而这种非均匀磁场对于磁性矿物的驱动会带来与非磁性物料相异的运动趋势，从而获得磁性矿物的分离效果。
CTDG系列永磁大块干式磁选机筒体内部固定的磁系可以实现磁性物料在非均匀磁场中的移动，而磁性矿物在磁场作用下将受到筒体的承托而聚集在筒体的外表面，通过筒体转动给予的摩擦力将这些吸附的矿物带至卸矿区域进行脱离。而磁性矿物能否获得良好的分离效果，主要取决于磁系的结构特性。由于矿物的属性差异较大，因此良好的磁系结构特性应该与矿物的属性有合适的匹配才能够取得较好的使用效果[2]。本文借助于Maxwell电磁有限元分析软件，主要对磁系结构的不同设计方案与相适应的工艺特性做探索研究，为实际应用中的磁路设计做设计基础。
2永磁筒式磁选机磁系的结构及特性
CTDG系列永磁大块干式磁选机的磁系结构为开放型磁系，开放型磁系的特点是磁系中的磁极在同一侧做相邻配置且磁极质检无感应铁介质的磁系。磁通通过磁极间的空气隙路更长，磁路的磁组大，漏磁通多，因而这类磁系的磁场强度相对较低。
开放型磁系的磁场分布为非均匀磁场，磁极间的磁力线呈散射状分布，在距离磁系表面一定区域内存在较强的磁场，形成较大磁力分选区域。用于处理量较大的强磁性矿物的选别效果比较合适。
所谓开放磁系是指磁极在同一侧作相邻配置且磁极之间无感应磁介质的磁系。开放磁系磁路长，磁阻大，漏磁多，产生的磁场强度低，用于分选强磁性矿物。
根据磁场的基本特性可知，开放磁系磁场中任意一点（x，y）的磁场强度为
式中
—极面或极隙面上的磁场强度（此时y=0），A/m；
c —磁场的非均匀系数，
；
—极距，m；
—距磁极对称面的距离，m，
；
单位质量矿粒上的磁力称为比磁力，以
表示：
式中，
为矿粒的比磁力；
为矿粒的体积，
为矿粒的质量，
为矿粒的密度，
为磁场力。
作用在矿物颗粒上的比磁力大小取决于反映矿物磁性的比磁化率
和反映磁场特性的磁力
。为此分选强磁性矿物时，矿物比磁化率较大，磁场力可相应降低，反之，弱磁性矿物的比磁化率较小，则需要采用较大的磁场力，即采用高场强或高梯度来实现[4]。
CTDG系列永磁大块干式磁选机的磁极可分为轴向交变和径向交变两种，轴向交变的磁系特点为异性磁极沿轴向分布，径向为同极性，在筒体表面吸附铁磁性矿物后，随着筒体旋转方向移动，但在筒体表面并不翻转。这样可以避免在翻转的过程中被甩下，但由于在磁场区域内没有翻转的过程，因而会夹杂一部分非磁性脉石，会影响磁选产品的精矿品位，但由于吸附过程中没有扰动，精矿回收率较高。
径向交变的磁系特点为异性磁极沿径向分布，径向为异极性，在筒体表面吸附铁磁性矿物后，随着筒体旋转方向移动，在筒体表面沿磁力线进行翻转。在翻转的过程中，由于离心力、重力和水力的外力作用，非磁性脉石和部分没有完全解离的连生体会被甩出，不再吸附于筒壁。因而磁选产品的品位通常较高，精矿回收率较低。此种结构是目前应用最广泛的磁系结构，本文主要针对此结构的磁系进行研究。
2.1磁滚筒的尺寸与处理量的关系
磁滚筒的长度与磁选机处理量基本上是线性相关的关系，严格意义上是与磁滚筒内部的磁系轴向长度有关。磁滚筒主要由磁系、筒皮、端盖组成，由于一般筒式磁选机磁系的磁感应强度在轴向上没有变化，因此磁滚筒越长，其磁系在轴向作用的区域就越大，对矿物的磁选能力也随之增大。而磁滚筒的直径与磁选机处理量则是非线性相关的关系，主要是由于筒体直径增大后，内部磁系尺寸随之增大，主要是在径向上对处理量有影响，也就是磁场深度的影响。磁场深度主要由磁系的厚度、材质和结构决定，同类型磁系在只增加厚度的情况下，很难获得与厚度尺寸线性相关的磁场深度变化量[3]。
2.2磁性材料的影响
目前磁选机磁系主要采用铁氧体和钕铁硼这两种磁性材料作为磁源，铁氧体材料的价格较低，而钕铁硼材料主要由其含稀土材料较多，价格较高。一般情况下筒表磁感应平均强度较低时，全部采用铁氧体制造磁系。可通过增加钕铁硼材料的用量来提高磁场性能。由于铁氧体和钕铁硼的材料价格差距较大，因此在磁系设计时也要充分考虑到制造成本，在磁系结构上进行优化。
2.3磁极极距对磁场特性的影响
磁选机磁系中各磁极的距离称为极距，相同尺寸磁极在不同极距下，在其深度方向上的磁感应强度数值曲线有区别。极距越小，其表面磁感应强度峰值越高，但作用深度越弱，反之则磁感应强度峰值较低，但作用深度较深。
假定有两个平面磁系。磁极表面中心处的磁场强度H=80kA/m；极面宽150mm，在极距为0mm、60mm、120mm时分别在距离磁极表面6mm处测得磁感应强度数值曲线，如图1。峰值磁感应强度数值与距离磁极表面距离的关系见图2。
图1 磁极极距变化对磁感应强度的影响
图2：磁感应强度与距离磁极表面距离曲线图
由图2 可见，在离开极面距离的方向上，极距越大的结构，峰值磁感应强度衰减约小，而极距较小的结构在较近的距离上具有优势。
筒式磁选机这种开放式磁系的极距直接决定了被选矿石粒度和矿石层厚度的分选效果，当矿石层厚度小时，矿粒靠近磁系表面移动，可以采用小极距的磁系，当矿石层厚度大时，可以采用大极距的磁系，从而保证所有矿石都处于有效磁场区域中。当磁系的最大角度即有效分选区长度相同时，极距越小，磁极的极数越多，因而增加了磁链（被吸附矿石）的取向（翻转）次数，有利于提高精矿质量，但是由于增加了翻转次数，可能会造成部分矿石连生体被抛离进入尾矿造成尾矿磁性铁含量升高[1]。
因此，回收率和品位是相互矛盾的，提高产品质量的同时往往会降低回收率，反之，提高回收率则往往会降低产品质量。在设计时，如何取得这两项指标的平衡点，是磁系设计工作中的一项重要任务。
3 应用于粗颗粒铁矿石入磨前干式抛尾的磁系优化设计
为了进一步的节能减排，通常采场对采矿粗碎后的大块干矿进行就地抛废，以减轻运输系统的压力和后续工艺的处理负荷，同时也降低大量细粒尾矿的处理成本和尾矿堆积对环境造成的影响。
辽宁某矿业公司，原矿铁品位偏低，成分主要为磁铁矿。需要在磨选系统前大量抛除脉石和低品位矿石，降低选矿生产成本，解决大量低品位矿石造成的指标不良情况。采场经过粗破的矿石最大粒度可达350mm，大部分粒度集中在200mm~30mm之间，对于粒度较大的矿石，由于自身重量及运动惯性的影响，在输送带头轮末端必须加以足够改变其抛物线轨迹的磁场强度，才能够将磁性铁含量较高的矿粒有效回收。
现场已有一台CTDG1416大块干式磁选机进行抛尾作业，但是在生产过程中过程中发现，该设备的生产指标经常出现尾矿磁性铁含量过高，精矿回收率偏低的情况，存在着资源浪费的情况，也从源头上影响到了整个选厂的精矿产量。因此需要对该设备进行改造。
根据此情况，我们对现有磁系进行了分析。磁感应强度数据见图3。
图3
从图3的磁系数据上，我们可以发现，其筒表磁感应强度均值达到400mT时，距离筒体表面70mm处磁感应强度均值仅为130mT，距离筒表100mm处磁感应强度约90mT。该磁系的特点是筒表磁感应强度较高，但是在深度方向衰减较快，导致使用中遇到大粒度矿石或矿石层厚度较厚时，无法完全覆盖筒表矿石，导致一部分铁矿石在很弱的磁场中被抛离。从而导致了在最大矿石粒度300mm的干选工艺中生产指标较差，回收率较低。
因此，从提高磁场作用深度的角度出发，我们对磁系进行了优化设计，目的在于提高磁场的作用深度，筒体表面磁感应强度均值同样达到400mT时，在距离筒表70mm处测得磁感应强度均值为220mT，距离筒表100mm处磁感应强度约160mT。该磁系的特点是磁感应强度在深度方向上的衰减较低，可以产生足够大的有效磁场范围，从而适应较大的矿石粒度和较厚的矿石层。磁感应强度数据见图4。
图4
表1 磁系优化前后的生产指标对比
|
产品 |
铁品位 |
精矿产率 |
铁回收率 |
|||
|
|
现有 |
优化 |
现有 |
优化 |
现有 |
优化 |
|
精矿 |
28.90 |
26.90 |
67.36 |
81.54 |
87.30 |
98.36 |
|
尾矿 |
15.50 |
9.50 |
32.64 |
18.46 |
12.70 |
1.64 |
|
原矿 |
22.30 |
22.30 |
100.00 |
100.00 |
100.00 |
100.00 |
应用到生产中，所测得生产指标见表1。从表1可看出，优化后的磁系在精矿铁品位相差不大的情况下，精矿产率大幅提升，尾矿铁品位明显下降。避免了资源浪费，为客户挽回了巨大损失。
4 应用于细颗粒铁矿石干式磁选提高精矿品位的磁系优化设计
采用干式磁选提高细颗粒铁矿（粒度＜10mm）的品位，避免了选矿过程中对水的依赖，可用于缺水地区的铁矿选矿。提高精矿品位的同时也降低了后段球磨能耗，减少细粒尾矿的产生量，在实际应用中也可以采用全流程干选，无需使用水。
另一方面，目前随着环保整治力度加大，采石场产量大幅缩减，建筑企业开始从铁矿大量采购粒度＜10mm的尾矿作为建材骨料使用，使得干选尾矿产生了价值优势，出于经济效益综合考虑，选矿厂在处理细颗粒铁矿石时，重点考虑到提高细碎干矿的精矿品位，从而降低铁精矿的生产成本。
安徽某矿业公司由于其建筑骨料业务量增大，因此需要调整干选工艺，实施技术改造。减少细碎后矿石的精矿产率，提高干选品位，同时降低后段入磨矿石量，减少磨矿能耗。以牺牲一部分精矿粉产量为代价，大幅降低生产总能耗，同时获得更多的细碎尾矿产品作为建筑骨料出售。从经济上综合考虑，该方案的实施对选矿厂的整体效益有所提高。
但现有干式磁选机的生产指标中，精矿回收率较高，为实现技改方案，需要对原干选机进行优化改造。为满足其工艺变更需求，我们根据优化后的磁系设计方案制造了一台同尺寸干选机用于现场生产。现有磁系的磁感应数据如图5
图5
由图5可知，现有干式磁选机的筒表磁感应强度均值为300mT,峰值约450mT，磁极数量为3个，矿石翻转次数较少，同时深度较深，保证了较高的磁性铁回收率，同时也造成了大量的连生体被回收进入精矿，影响精矿品位。
根据工艺的需要，对现有磁系进行优化设计时，首先考虑的是提高精矿品位，可降低精矿回收率，增加尾矿产品的产量。因此需要增加矿石在筒体表面的翻转次数，也就是增加磁极数量。优化设计后磁系的磁感应强度数据如图6
优化后的磁系增加为7个磁极，筒体表面磁感应强度均值约400mT，峰值约500mT。经过实际使用，取得生产指标对比如表2。由表2可看出，经过干式磁选机磁选后的精矿品位有明显提升，同时尾矿产量有较大提高，满足技改的工艺要求，给用户带来了较好的经济效益。
表2 磁系优化前后的生产指标对比
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产品 |
铁品位 |
精矿产率 |
铁回收率 |
|||
|
|
现有 |
优化 |
现有 |
优化 |
现有 |
优化 |
|
精矿 |
35.00 |
45.00 |
77.10 |
43.00 |
96.38 |
69.11 |
|
尾矿 |
14.43 |
15.18 |
22.90 |
57.00 |
3.63 |
30.89 |
|
原矿 |
28.00 |
28.00 |
100.00 |
100.00 |
100.00 |
100.00 |
5结语
筒表磁感应强度的数值并不能真实反映磁选机的实际使用性能。磁选机磁系设计需要与磁选工艺需求相结合，以工艺的诉求来引导磁系设计，对设备与工艺匹配度要求较高。相同的磁选机设计方案并不能在所有的腾博会官网app中都取得较好的使用效果。
对于大颗粒矿物的磁选，如果要提高精矿回收率，磁场作用深度是磁系设计中较为重要的影响因素，在磁系设计时需要采用大深度，低梯度的磁系类型。对于需要提高精矿品位的磁选工艺，在磁系设计中应重点关注矿物在磁场作用下的运动状态，即提高单位区域内外力作用导致的加速度矢量变化和位移量。
作者：马超 田震 桂致成 申法政 阚延松等（中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司）本文发表于《现代矿业》2018年第8期
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