高梯度磁选机聚磁介质的研究概况及发展趋势

高梯度磁选机是在普通强磁选机的基础上发展起来的一种新型强磁选设备，__台工业用周期式高梯度磁选机于 1969 年安装在美国佐治亚州某高岭土公司，用于高岭土提纯，由此标志着微细粒强磁选技术进入了崭新的发展阶段。伴随着高梯度磁选机的技术创新与不断改进，产生高磁场梯度的聚磁介质的研究也取得了相当进展。从应用于高岭土除铁的钢毛介质到金属矿选矿中广泛使用的导磁不锈钢棒介质，科研人员就聚磁介质的材质、形貌、磁场特性及矿物捕集机理等方面进行了有益的探索，在聚磁介质的开发应用及理论研究方面取得了喜人的成果。
1 聚磁介质的分类
20 世纪 70 年代以前的强磁选机发展过程中，强调通过提高磁场强度来改善弱磁性矿物的分选效果，为此在传统“C”形铁轭电磁体的磁极间采用充填率高的钢球介质及齿板型介质作为聚磁介质。在琼斯发现并指出磁场梯度的重要性之前，磁场梯度的重大意义还未得到真正的认可，直到科姆将纤维状不锈导磁材料钢毛作为聚磁介质引入磁选领域，强磁选技术的发展重心才由单一追求磁场强度的提高转向如何获得高磁场梯度的技术领域。此后的研究过程中，根据被处理物料的性质差异及实际分选需要，高梯度聚磁介质已有钢毛介质、网介质、不同截面形状的棒介质及不同形式的组合介质等多种形式介质投入使用，已投入生产实践的聚磁介质类型见表 1。

2 高梯度聚磁介质的研究
2. 1 聚磁介质材质聚磁介质作为高梯度磁选机中捕获弱磁性矿物的结构体，其材质对分选空间磁场特性、分选效果及介质使用寿命等均构成影响。无论是钢毛介质、网介质还是棒介质，在应用中主要由铁基软磁材料如纯铁、低碳钢、铁素体导磁不锈钢、铁钴合金等原材料制作而成，其中以铁素体导磁不锈钢的应用最为广泛。聚磁介质材质的选取或改进通常综合考虑材料各方面的物理属性及介质生产与加工成本，新聚磁介质材质的研究通常以铁基材料为基体，根据预期性能添加特定元素或改变特定元素的含量而展开。据文献报道，20 世纪 70 年代美国所用不锈钢钢毛材质经分析为含铬导磁不锈钢，其具有耐腐蚀性良好、强度高、产生的磁场梯度大等特点。具体成分见表 2。

制作超细拉板网介质，其饱和磁感应强度为 1. 55 T。国内高梯度聚磁介质的研发应用比国外推迟了约 10 a。长沙矿冶研究院于 1978 年首先研制出国内__代不锈导磁钢毛及钢板网介质。此后，上海钢铁研究所、大连钢厂研究所及重庆仪表材料研究所分别研制了非晶态合金钢毛，其磁导率、耐腐蚀性、机械强度等方面较之早期钢毛均有所提高，尤其是在腐蚀性强的条件下，比 SUS430 不锈钢更为实用。陕西钢铁研究所、上海钢铁研究所研制出了新型导磁不锈钢板网介质，其钢号为 16CrFe，成分为含碳 0. 01% ，含锰 0. 15% ，含铬 16. 17% ，含铁 83. 59% ，其他元素含量总计 0. 08% 。此不锈钢具有加工方便不易断、导磁性能良好、矫顽力小( Hc= 0. 033 kA / m) 的优点。徐建成通过对钴钢钢毛和纯铁钢毛的磁化状态的对比研究发现，当钢毛未达到磁饱和时，两种材质钢毛磁化效果相差不大; 当外磁场强度达到或超过纯铁钢毛磁饱和所需的磁场强度时，相同截面的钴钢钢毛欲得到相同大小的磁场力，所需的外磁场强度明显低很多。据报道，广东省钢铁研究所发明了一种用铁钴合金为原料制作的强磁棒介质。此介质饱和磁感应强度可达 2. 38 T，具有磁导率高、硬度大、耐磨性好、耐腐蚀等特点，对难处理的非金属除铁物料的分选效果有所改善。其材质主要成分见表 3。

目前，针对聚磁介质材质研究的专门报道不多，但对于此方面的工作并未搁置，相反，在细粒难选铁矿回收效果差、非金属矿提纯难度大、资源利用率亟待提高的现实情况下，如何开发出磁导率高、饱和磁感应强度大、机械强度高、耐磨耐蚀性好、使用寿命长且生产成本低廉的磁介质材料始终备受业内关注。
2. 2 聚磁介质形状到目前为止，已有诸多形状的聚磁介质被应用，其中常见形状有齿板型、钢毛状( 丝状) 、编织网和钢板网状、棒状等。介质形状对其周围磁场分布影响很大，通常情况下，介质磁化未达饱和状态时，其表面棱角越明显、相对尺寸越小，产生的磁场梯度越高。按磁场梯度大小对不同形状介质的排序大体为钢毛 ＞ 编织网和钢板网 ＞ 棒状 ＞ 齿板。考虑到介质形状对矿浆的流动阻力、单位容积内的捕收面积及清洗冲刷效果等因素的影响，针对不同的分选物料应选取适当形状及尺寸的介质。王常任等针对钢毛状介质机械捕获率大、易堵塞、分离精度低的不足曾开发了一种 BW 型磁介质，其形状为钢丝，表面设置许多尖刺，从而增大介质表面磁场梯度。通过对低品位黑钨矿泥的分选效果对比研究可以看出，应用设置了尖刺的钢毛介质的磁选机的精矿 WO3品位比无刺钢毛磁选机的精矿 WO3品位高 1 倍左右，回收率仅低 3 个百分点;对高岭土的除铁效果对比研究表明，两种介质均可生产合格产品，但使用 BW 介质的磁性产品产率高出 27 ～ 30 个百分点。
翟宏新对介质断面形状效应进行了研究，结果表明，截面面积相当的三边形、四边形、六边形及八边形钢毛介质中，三角形与矩形断面的介质磁力跌落较快，即梯度较大，并且磁力作用深度相近。考虑到有效捕集面积，其采用矩形钢毛制作成了立栅式聚磁介质，较之以往，钢毛聚磁介质堵塞情况有所改善。常文臣等发明了 TX 型流动型介质，该类型介质的单体形状极为独特，不同部位分别呈球状、齿板状、棒状、丝网状、钢毛状等几何形状，在介质体表面可产生多元高梯度。生产实践表明，TX 型介质对弱磁性矿物各粒级捕集能力均有提高，其中对 － 10μm 微细粒级捕集能力提高约 6 个百分点。李世厚等发明了一种新型菱形截面介质棒，菱形两对角线尺寸分别为 10 mm 和 5 mm，介质棒两锐角顶角进行倒圆角( R = 2 mm) 处理，其做成介质盒后具有充填率高、磁阻小、顶角处磁场梯度高的特点。介质形状对磁场特性及流体流动性均构成影响，进而影响捕集效果。华中科技大学和中科院的研究结果表明，介质形状是对颗粒捕集行为的主要影响因素之一，尽管通过调整磁介质截面曲率可提高磁场梯度，但迎流面面积过大成为影响捕集效率的主要因素。
2. 3 聚磁介质磁场特性关于聚磁介质的磁场特性研究主要以齿板型、钢毛型和棒型介质为主展开。高明炜、徐建民利用保角变换法并借助计算机模拟计算，得到了不同参数的齿板气隙中的磁场强度、磁场梯度和磁场力的分布情况，并针对齿板参数的变化对磁场分布的影响进行了讨论。杨龙采用复变函数解析法得到齿板磁场的磁场强度、梯度和比磁力的函数表达式，并对齿板磁极的几种组合方式进行了对比分析，结果表明，几种组合的磁极均可达到同一数量级的比磁力。王常任、连相泉对常规齿板气隙空间的磁场分布进行了分析，将齿尖与齿谷附近气隙磁场定义为捕获区和非捕获区，并指出磁性颗粒流失主要发生在齿谷附近，针对此情况分别对齿板形状提出了改进方案。对齿板介质的研究与改进在 20 世纪 80 年代较为集中，进入 21 世纪后，齿板型介质磁场特性方面的研究报道虽不多见，但仍有人对此进行深入的探讨，甚至对以往文献中的观点提出质疑，并给出详尽的分析。徐建成、徐建民曾对几篇关于齿尖磁极相对磁场研究的文献进行了再次推敲，认为这几篇文献在运用保角变换法求解磁场过程中，存在保角变换方法使用不当、磁场计算公式缺项及求解磁场方法存在局限性等问题，以此提醒研究人员要全面掌握有关理论，并提高运用能力，唯此方可正确地求解磁场问题，从而得出准确可靠的结论。对于有序排列的钢毛型介质和棒型介质的研究方法类似，通常以单丝或单根棒的磁场分布为对象进行研究，进而认识有序排列的多丝及多根棒的磁场分布特性。早期对钢毛( 细丝状) 磁介质磁场特性的研究均把聚磁介质当成微细圆形截面介质来进行研究，提出了聚磁介质对球形顺磁性颗粒的磁引力公式，并推导出了聚磁介质半径与颗粒半径比值为 2. 69 时颗粒所受磁力最大。黄雄林、米夏夏采用 Ansys 有限元分析软件模拟了单丝圆棒介质表面的磁场强度、磁感应强度及磁力线的分布情况，通过模拟图直观反映了介质表面的磁场特性。然而单丝圆形截面介质并不能反映实际分选区多丝介质周围磁力分布的状况，为使研究更接近实际，研究人员对规则排列的多根介质及非圆形截面的介质的磁场特性展开了研究。
P. Mucha 等人采用顺磁流体上升法对定向排列的介质间的磁力进行了计算。王常任和王智通过磁模拟法考察了不同截面形状、排列方式、介质尺寸、充填率等因素对多丝介质磁场特性的影响。研究结果表明，通过磁模拟法可有效了解复合磁场的特性，并推荐了磁场分布调整的适宜参数。李正南和孙仲元利用有限差分法求解了多丝矩形钢毛周围磁场的拉普拉斯方程，并根据求解结果绘制了表征多丝钢毛之间磁场分布特性的场图，其计算结果与实测结果相吻合。
S. K. Baik 等人通过有限元模拟计算了多丝介质周围磁场分布情况，并指出将多丝介质植入超导磁选机后使得作用于磁性颗粒上的磁力增大了160 倍。王常任和张继谦对钢板网及编织网状聚磁介质的磁场特性进行了研究，指出尺寸相同的编织网的磁场力大于钢板网介质的磁场力，同时确定了网的适宜尺寸与回收矿粒粒度之间的关系。
2. 4 聚磁介质捕集机理伴随着高梯度磁选技术应用的扩展，国内外学者对高梯度磁选捕集机理的研究也不断深入。以往关于这方面的研究基本上围绕丝状介质对颗粒的捕集机理而展开。早期由研究聚磁介质与磁性颗粒间相互作用力着手，Oberteuffer［39］曾利用一个被分选的球形颗粒与圆柱棒状磁介质体系进行了磁力的计算，Watson在双极坐标系中对单棒单颗粒体系也推 导 出 了 磁 力 计 算 式。 进 而，J. Svoboda 和V. E. Ross［41］计算了磁介质对矿物颗粒的捕集效率，并指出它们之间的相互作用能主要受到磁力和流体力影响。G. Dobby 和 J. A. Finch在科姆 － 马斯顿型高梯度磁选机中针对颗粒粒度、磁化率、磁场强度、流速和介质负荷等参数对捕集效果的影响，通过回归试验建立了颗粒捕集经验模型。自从 Bean 提出颗粒运动轨迹模型概念后，颗粒捕集轨迹的研究逐渐发展起来。经过 Watson和R. Gerber等人的完善，推导出了单丝介质捕集颗粒的运动轨迹方程，与此同时还提出了“磁速度”的概念，并将磁速度与矿浆流速的比值作为颗粒捕获的判断依据。然而运动轨迹模型仅能定性地了解磁性颗粒、介质磁场特性对捕集过程的影响，还不能反映磁性颗粒在磁介质上吸附聚集的过程。基于此，Lubor-sky 和 Drummond在颗粒运动轨迹模型基础上，提出了单丝介质上颗粒的聚集理论，Cowen的研究则进一步丰富了聚集理论模型。1979 年 Nesst 建立了磁性颗粒在单丝钢毛上聚集的精细模型，推导出了聚磁介质上颗粒聚集的满载荷条件方程并利用载荷数探讨了赤铁矿的回收粒度下限。此后Friedlamder用显微录像系统成功地摄取了纯磷酸锰( Mn2P2O7) 细粒在单根镍丝上的聚集图像，进而证实了 Nesst 聚集模型的正确性。
A. A. Stadtmuller 等人提出了用滞留模型来研究颗粒的聚集状态。在单丝聚集模型的基础上，Briss 等人对多丝介质的捕集模型进行了初步研究，建立了颗粒捕集的层流模型。以往对单丝及多丝介质捕集磁性颗粒所建立的各种理论及经验模型虽在一定程度上对颗粒捕集机理进行了阐释，但对于数量众多的聚磁介质单元对磁场的交互影响、引起的矿浆流态变化及对颗粒捕捉的情况，其数学复杂性难以通过数学表达式来概括。而目前计算机仿真模拟技术在各个研究领域的应用日渐成熟，国内外研究人员已将仿真模拟技术应用到高梯度捕集机理的研究过程中。
通过仿真模拟将颗粒运动轨迹、介质表面磁场分布、流体场分布及多耦合场下的捕集效果以模拟图的形式直观体现，对有效了解磁性颗粒捕集过程及改善捕集效果颇为有利。
3 结 语
经过 40 多 a 的发展，高梯度磁选技术已广泛地应用于金属矿选矿、非金属矿除铁、污水处理等领域，聚磁介质的研究及应用亦取得了相当的进展。面对当前矿产资源“贫、细、杂”的现状，尤其针对微细粒嵌布的弱磁性铁矿物资源储量大、回收效果差的实际情况，结合以高岭土提纯为代表的非金属矿除铁工艺中高梯度磁选技术的应用效果，在聚磁介质材质的研究上如何增大材料的磁导率、提高饱和磁感应强度、改善材料机械强度、强化材料耐磨耐蚀性将备受关注。同时应结合不同形状介质的优势探索适宜的介质形状及合理的排布方式，以提高磁场梯度并减少物料堵塞状况的发生。在磁场特性及颗粒捕集机理的理论研究方面，结合计算机仿真模拟技术，加强多介质单元相互作用对磁场分布情况、矿浆在介质表面的流态分布及颗粒滞留机理的影响等方面的研究，将为进一步改善分选过程提供理论依据。