传统的湿式弱磁选机分选效率不高，其不可避免的磁性夹杂和机械夹杂现象造成部分磁铁矿与脉石矿物的连生体既有可能进入精矿影响精矿品位，又有可能进入尾矿导致铁损失增大。此外，夹杂还会引起再磨再选时作业负荷的增加以及已单体解离矿物的过磨[1-3]。针对这些问题，作者研制了一种能够对单体磁铁矿、单体脉石矿物以及连生体同时加以分离的三产品永磁立式精选机，并通过试验证明了该精选机具有较好的分选效果。
1 三产品永磁立式精选机的研制
1. 1 设备主要组成及工作原理
三产品永磁立式精选机是利用磁力、离心力、机械打散力以及上升水流动力的作用，使强磁性矿物、连生体和脉石矿物在复合力场中的运动轨迹发生改变，从而达到精选的目的[4-5]。该机主要由上部给矿系统，直径为600 mm 的立式外筒，直径为500 mm 的立式弱磁内筒( 筒固定，磁系旋转) ，立于内外筒之间、筛面垂直于圆筒表面的磁团聚打散格筛( 12 片，沿圆筒周向等间隔布置) ，位于外筒上部的溢流槽，位于外筒下部的反冲洗水管、中矿排放口、精矿排放口，机架，传动与控制系统等组成，其分选过程如图1 所示。
一定浓度的物料经给料系统均匀给到内外筒之间的分选区，在旋转磁系的作用下，物料将进行离心圆周运动，磁性夹杂和机械夹杂的聚团在撞击格筛时被打散，密度较大、磁性较强的磁铁矿单体颗粒在磁力和重力的作用下朝磁系方向运动并逐渐进入精矿槽，密度较小、磁性较弱的连生体在离心力和重力的作用下背离磁系方向运动并逐渐进入中矿槽，密度最小的非磁性脉石颗粒在反冲洗水的作用下进入溢流槽成为尾矿。磁选过程中造成磁团聚现象的根源是磁性颗粒之间的磁链力，在磁性颗粒相互接触时会无选择性地出现，属于近距离作用力。决定选别过程选择性的是磁场力，它在比较大的范围内起作用，主要影响磁性矿物与非磁性矿物的分离效果。旋转磁场可使磁性颗粒作离心运动，其运动的速度与矿石的粒度及磁聚团的尺寸有关。
1. 2 磁系结构
如图2 所示，永磁立式精选机采用开放型曲面磁系，N、S 极沿圆周方向交替排列，两组磁系对称布置，磁系包角均为90°，磁性材料选用型号为Y30BH 的铁氧体。磁场测试结果表明: 磁场强度在分选区间内沿背离圆筒方向逐渐降低，沿圆周方向的变化不大。距离磁系表面20 mm 处，最高磁场强度为43. 5 kA/m; 距离磁系表面40 mm 处，最高磁场强度为30 kA/m; 距离磁系表面60 mm 处( 分选区域最外侧) ，最高磁场强度为16 kA/m。
永磁磁系主要是为强磁性矿石颗粒的分选提供磁力，而磁系的旋转为矿石颗粒在分选区内的离心运动提供动力。旋转速度越快，矿石所受的离心力越大，磁翻滚次数越多，磁聚团被格筛打散的机率越大，脉石或贫连生体被上升水流带入溢流槽的机率也越大，但旋转速度过快也容易导致精矿的回收率下降。
1. 3 格筛在分选过程中的作用
磁铁矿的物理性质和弱磁选机的设备特性导致磨矿和弱磁选过程中会产生大量的磁聚团，现有技术中主要采用电磁振荡磁路和反冲洗水解决该问题。三产品永磁立式精选机一方面凭借旋转磁场引起的离心力促进磁聚团的破碎; 另一方面通过设置格筛使磁聚团在运动过程中受到机械冲击的作用，从而破坏聚团的形成条件，最终导致聚团破碎，而矿石颗粒所受磁场力的选择性要比磁链作用力的高，因此仅能选择性地使单体解离的磁铁矿和富连生体通过格筛( 如图3 所示) ，脉石颗粒和贫连生体由于仅受离心力和上升水流动力的作用则不易通过。同时，磁铁矿单体颗粒和连生体在径向所受离心力和磁场力的不同，导致它们沿径向分离，而品位较低的贫连生体和脉石矿物所受上升水流动力的影响更大，沿轴向与磁铁矿颗粒和富连生体发生分离。
格筛在精选机内的排布、筛孔的形状及尺寸对磁聚团的分散效果具有直接影响。尽管磁聚团在旋转磁场和格筛的作用下遭受破坏，但并非以单个矿粒的形式出现，而是将原来的大聚团破坏成小聚团。聚团在运动中相互排斥、吸引、碰撞、冲击，在破坏后又重新组合，不断更新，抛弃弱磁性杂质，最大程度提高精矿品位。
1. 4 矿石颗粒在分选区的受力分析
在三产品永磁立式精选机的分选区内，非磁性颗粒主要受到有效重力( 重力与浮力之差) 、上升水流动力、离心力、水流阻力以及颗粒间摩擦力等的作用，而磁性颗粒除受到上述各种力的作用外，还受到磁力及颗粒间相互作用力的作用[6-8]。设弱磁圆筒的分选半径为R、磁系表面旋转线速度为v，在惯性系( 以地面为参考) 中，忽略颗粒之间的相互作用力，主要考虑矿石颗粒所受到的有效重力G'、上升水流动力F水、磁力F磁以及离心力F离，受力分析如图4 所示。
矿石颗粒在分选区所受磁力为F磁= μ0κVHgradH.
式中，μ0为真空磁导率，4π × 10 - 7 H/m; κ 为颗粒的体积磁化率; V 为颗粒的体积，m3 ; H 为磁场强度，A/m;HgragH 为磁场力，A2 /m3。
假设分选区内的矿石颗粒随内筒的旋转作匀速圆周运动，则其所受离心力为
F离= mv2r = ρ矿πd3 v26( l + R).
式中，m 为颗粒的质量，kg; r 为颗粒到内筒中心的距离，m; ρ矿为颗粒的密度，kg /m3 ; d 为颗粒的直径，m; l为颗粒与弱磁圆筒筒皮的距离，m。
矿石颗粒在分选区受到的有效重力为
G' = V( ρ矿 - ρ ) 水g = πd36 ( ρ矿 - ρ ) 水g.
式中，ρ水为水的密度，kg /m3 ; g 为重力加速度，9. 8m/s2。
矿石颗粒在分选区受到的上升水流动力为F水= kV2 /3 U + Ua1 - ( ) λ2ρ水.
式中，k 为与颗粒或聚团和水流流态有关的系数; λ为矿浆的体积浓度，%; U 为颗粒或聚团的沉降速度，m/s; Ua为上升水流的流速，m/s。
矿石颗粒在分选区内由于受力的不同而导致运动轨迹不同，这是三产品永磁立式精选机能够实现矿物分离的核心因素。
在分选区间内，矿石颗粒在径向主要受到磁力和离心力的作用，其合力为
F径= F磁- F离= μ0κVHgradH - ρ矿πd3 v26( l + R)=m μ0 χHgradH - v2l + ( ) R .
式中，χ 为颗粒的比磁化率，χ = κ /ρ矿，m3 /kg。
当矿石颗粒位于分选区内的某个位置时，所受离心力一定，故颗粒的比磁化率越大越容易被磁场吸附，即磁铁矿颗粒最易被吸附，连生体颗粒次之，脉石颗粒最难。矿石颗粒在轴向主要受到有效重力和上升水流动力的作用，颗粒或聚团在分选空间运动的动力学方程可写成( 受力方向以向下为正，向上为负)
m dU/dt = G' - F水= ρ矿πd36 ( ρ矿 - ρ ) 水g -kV2 /3 U + Ua1 - ( ) λ2ρ水.
受力平衡时，dU/dt = 0，整理得到颗粒的沉降速度为
在矿石颗粒体积相近时，磁铁矿颗粒的沉降速度最大，连生体颗粒的沉降速度次之，脉石颗粒的沉降速度最小，因此可以通过控制上升水的流速，使脉石和贫连生体颗粒向下运动的速度小于上升水流速，而磁铁矿和富连生体颗粒的沉降速度大于上升水流速，在磁聚团被打散的情况下，脉石或贫连生体颗粒会随上升水流进入溢流槽，磁铁矿颗粒和富连生体则会在磁力和离心力的作用下分别沉降入精矿槽和中矿槽。
