聚磁介質(zhì)（聚磁介質(zhì)）

基本概況

20世紀(jì)70年代以前的強(qiáng)磁選機(jī)發(fā)展過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)通過(guò)提高磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)改善弱磁性礦物的分選效果，為此在傳統(tǒng)“C”形鐵軛電磁體的磁極間采用充填率高的鋼球介質(zhì)及齒板型介質(zhì)作為聚磁介質(zhì)。在瓊斯發(fā)現(xiàn)并指出磁場(chǎng)梯度的重要性之前，磁場(chǎng)梯度的重大意義還未得到真正的認(rèn)可，直到科姆將纖維狀不銹導(dǎo)磁材料鋼毛作為聚磁介質(zhì)引入磁選領(lǐng)域，強(qiáng)磁選技術(shù)的發(fā)展重心才由單一追求磁場(chǎng)強(qiáng)度的提高轉(zhuǎn)向如何獲得高磁場(chǎng)梯度的技術(shù)領(lǐng)域。此后的研究過(guò)程中，根據(jù)被處理物料的性質(zhì)差異及實(shí)際分選需要，高梯度聚磁介質(zhì)已有鋼毛介質(zhì)、網(wǎng)介質(zhì)、不同截面形狀的棒介質(zhì)及不同形式的組合介質(zhì)等多種形式介質(zhì)投入使用，已投入生產(chǎn)實(shí)踐的聚磁介質(zhì)類型見下表。

介質(zhì)材質(zhì)

聚磁介質(zhì)作為高梯度磁選機(jī)中捕獲弱磁性礦物的結(jié)構(gòu)體，其材質(zhì)對(duì)分選空間磁場(chǎng)特性、分選效果及介質(zhì)使用壽命等均構(gòu)成影響。無(wú)論是鋼毛介質(zhì)、網(wǎng)介質(zhì)還是棒介質(zhì)，在應(yīng)用中主要由鐵基軟磁材料如純鐵、低碳鋼、鐵素體導(dǎo)磁不銹鋼、鐵鈷合金等原材料制作而成，其中以鐵素體導(dǎo)磁不銹鋼的應(yīng)用最為廣泛。聚磁介質(zhì)材質(zhì)的選取或改進(jìn)通常綜合考慮材料各方面的物理屬性及介質(zhì)生產(chǎn)與加工成本，新聚磁介質(zhì)材質(zhì)的研究通常以鐵基材料為基體，根據(jù)預(yù)期性能添加特定元素或改變特定元素的含量而展開。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，20 世紀(jì) 70 年代美國(guó)所用不銹鋼鋼毛材質(zhì)經(jīng)分析為含鉻導(dǎo)磁不銹鋼，其具有耐腐蝕性良好、強(qiáng)度高、產(chǎn)生的磁場(chǎng)梯度大等特點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)高梯度聚磁介質(zhì)的研發(fā)應(yīng)用比國(guó)外推遲了約 10 a。長(zhǎng)沙礦冶研究院于 1978 年首先研制出國(guó)內(nèi)第一代不銹導(dǎo)磁鋼毛及鋼板網(wǎng)介質(zhì)。此后，上海鋼鐵研究所、大連鋼廠研究所及重慶儀表材料研究所分別研制了非晶態(tài)合金鋼毛，其磁導(dǎo)率、耐腐蝕性、機(jī)械強(qiáng)度等方面較之早期鋼毛均有所提高，尤其是在腐蝕性強(qiáng)的條件下，比 SUS430 不銹鋼更為實(shí)用。陜西鋼鐵研究所、上海鋼鐵研究所研制出了新型導(dǎo)磁不銹鋼板網(wǎng)介質(zhì)，其鋼號(hào)為 16CrFe，成分為含碳 0. 01%，含錳 0. 15%，含鉻 16. 17%，含鐵 83. 59%，其他元素含量總計(jì) 0. 08%。此不銹鋼具有加工方便不易斷、導(dǎo)磁性能良好、矯頑力小( Hc=0. 033 kA/m)的優(yōu)點(diǎn)。

介質(zhì)形狀

到目前為止，已有諸多形狀的聚磁介質(zhì)被應(yīng)用，其中常見形狀有齒板型、鋼毛狀(絲狀)、編織網(wǎng)和鋼板網(wǎng)狀、棒狀等。介質(zhì)形狀對(duì)其周圍磁場(chǎng)分布影響很大，通常情況下，介質(zhì)磁化未達(dá)飽和狀態(tài)時(shí)，其表面棱角越明顯、相對(duì)尺寸越小，產(chǎn)生的磁場(chǎng)梯度越高。按磁場(chǎng)梯度大小對(duì)不同形狀介質(zhì)的排序大體為鋼毛 > 編織網(wǎng)和鋼板網(wǎng) > 棒狀 > 齒板。考慮到介質(zhì)形狀對(duì)礦漿的流動(dòng)阻力、單位容積內(nèi)的捕收面積及清洗沖刷效果等因素的影響，針對(duì)不同的分選物料應(yīng)選取適當(dāng)形狀及尺寸的介質(zhì)。

王常任等針對(duì)鋼毛狀介質(zhì)機(jī)械捕獲率大、易堵塞、分離精度低的不足曾開發(fā)了一種 BW 型磁介質(zhì)，其形狀為鋼絲，表面設(shè)置許多尖刺，從而增大介質(zhì)表面磁場(chǎng)梯度。通過(guò)對(duì)低品位黑鎢礦泥的分選效果對(duì)比研究可以看出，應(yīng)用設(shè)置了尖刺的鋼毛介質(zhì)的磁選機(jī)的精礦 WO品位比無(wú)刺鋼毛磁選機(jī)的精礦 WO品位高 1 倍左右，回收率僅低 3 個(gè)百分點(diǎn)；對(duì)高嶺土的除鐵效果對(duì)比研究表明，兩種介質(zhì)均可生產(chǎn)合格產(chǎn)品，但使用 BW 介質(zhì)的磁性產(chǎn)品產(chǎn)率高出 27 ～30 個(gè)百分點(diǎn)。

翟宏新對(duì)介質(zhì)斷面形狀效應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，截面面積相當(dāng)?shù)娜呅巍⑺倪呅?、六邊形及八邊形鋼毛介質(zhì)中，三角形與矩形斷面的介質(zhì)磁力跌落較快，即梯度較大，并且磁力作用深度相近?？紤]到有效捕集面積，其采用矩形鋼毛制作成了立柵式聚磁介質(zhì)，較之以往，鋼毛聚磁介質(zhì)堵塞情況有所改善。

磁場(chǎng)特性

關(guān)于聚磁介質(zhì)的磁場(chǎng)特性研究主要以齒板型、鋼毛型和棒型介質(zhì)為主展開。高明煒、徐建民利用保角變換法并借助計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，得到了不同參數(shù)的齒板氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)梯度和磁場(chǎng)力的分布情況，并針對(duì)齒板參數(shù)的變化對(duì)磁場(chǎng)分布的影響進(jìn)行了討論。楊龍采用復(fù)變函數(shù)解析法得到齒板磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度、梯度和比磁力的函數(shù)表達(dá)式，并對(duì)齒板磁極的幾種組合方式進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，幾種組合的磁極均可達(dá)到同一數(shù)量級(jí)的比磁力。王常任、連相泉對(duì)常規(guī)齒板氣隙空間的磁場(chǎng)分布進(jìn)行了分析，將齒尖與齒谷附近氣隙磁場(chǎng)定義為捕獲區(qū)和非捕獲區(qū)，并指出磁性顆粒流失主要發(fā)生在齒谷附近，針對(duì)此情況分別對(duì)齒板形狀提出了改進(jìn)方案。

對(duì)齒板介質(zhì)的研究與改進(jìn)在 20 世紀(jì) 80 年代較為集中，進(jìn)入 21 世紀(jì)后，齒板型介質(zhì)磁場(chǎng)特性方面的研究報(bào)道雖不多見，但仍有人對(duì)此進(jìn)行深入的探討，甚至對(duì)以往文獻(xiàn)中的觀點(diǎn)提出質(zhì)疑，并給出詳盡的分析。徐建成、徐建民曾對(duì)幾篇關(guān)于齒尖磁極相對(duì)磁場(chǎng)研究的文獻(xiàn)進(jìn)行了再次推敲，認(rèn)為這幾篇文獻(xiàn)在運(yùn)用保角變換法求解磁場(chǎng)過(guò)程中，存在保角變換方法使用不當(dāng)、磁場(chǎng)計(jì)算公式缺項(xiàng)及求解磁場(chǎng)方法存在局限性等問(wèn)題，以此提醒研究人員要全面掌握有關(guān)理論，并提高運(yùn)用能力，唯此方可正確地求解磁場(chǎng)問(wèn)題，從而得出準(zhǔn)確可靠的結(jié)論。

捕集機(jī)理

伴隨著高梯度磁選技術(shù)應(yīng)用的擴(kuò)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高梯度磁選捕集機(jī)理的研究也不斷深入。以往關(guān)于這方面的研究基本上圍繞絲狀介質(zhì)對(duì)顆粒的捕集機(jī)理而展開。早期由研究聚磁介質(zhì)與磁性顆粒間相互作用力著手，Oberteuffer曾利用一個(gè)被分選的球形顆粒與圓柱棒狀磁介質(zhì)體系進(jìn)行了磁力的計(jì)算，Watson在雙極坐標(biāo)系中對(duì)單棒單顆粒體系也推 導(dǎo) 出 了 磁 力 計(jì) 算 式。進(jìn) 而，J. Svoboda 和V. E. Ross計(jì)算了磁介質(zhì)對(duì)礦物顆粒的捕集效率，并指出它們之間的相互作用能主要受到磁力和流體力影響。G. Dobby 和 J. A. Finch在科姆 － 馬斯頓型高梯度磁選機(jī)中針對(duì)顆粒粒度、磁化率、磁場(chǎng)強(qiáng)度、流速和介質(zhì)負(fù)荷等參數(shù)對(duì)捕集效果的影響，通過(guò)回歸試驗(yàn)建立了顆粒捕集經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

自從 Bean 提出顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡模型概念后，顆粒捕集軌跡的研究逐漸發(fā)展起來(lái)。經(jīng)過(guò) Watson和R. Gerber等人的完善，推導(dǎo)出了單絲介質(zhì)捕集顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡方程，與此同時(shí)還提出了“磁速度”的概念，并將磁速度與礦漿流速的比值作為顆粒捕獲的判斷依據(jù)。然而運(yùn)動(dòng)軌跡模型僅能定性地了解磁性顆粒、介質(zhì)磁場(chǎng)特性對(duì)捕集過(guò)程的影響，還不能反映磁性顆粒在磁介質(zhì)上吸附聚集的過(guò)程?；诖耍琇ubor-sky 和 Drummond在顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡模型基礎(chǔ)上，提出了單絲介質(zhì)上顆粒的聚集理論，Cowen的研究則進(jìn)一步豐富了聚集理論模型。1979 年 Nesst 建立了磁性顆粒在單絲鋼毛上聚集的精細(xì)模型，推導(dǎo)出了聚磁介質(zhì)上顆粒聚集的滿載荷條件方程并利用載荷數(shù)探討了赤鐵礦的回收粒度下限。此后Friedlamder用顯微錄像系統(tǒng)成功地?cái)z取了純磷酸錳(MnPO)細(xì)粒在單根鎳絲上的聚集圖像，進(jìn)而證實(shí)了 Nesst 聚集模型的正確性。A. A. Stadtmuller 等人提出了用滯留模型來(lái)研究顆粒的聚集狀態(tài)。在單絲聚集模型的基礎(chǔ)上，Briss 等人對(duì)多絲介質(zhì)的捕集模型進(jìn)行了初步研究，建立了顆粒捕集的層流模型。以往對(duì)單絲及多絲介質(zhì)捕集磁性顆粒所建立的各種理論及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗m在一定程度上對(duì)顆粒捕集機(jī)理進(jìn)行了闡釋，但對(duì)于數(shù)量眾多的聚磁介質(zhì)單元對(duì)磁場(chǎng)的交互影響、引起的礦漿流態(tài)變化及對(duì)顆粒捕捉的情況，其數(shù)學(xué)復(fù)雜性難以通過(guò)數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)概括。而目前計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)在各個(gè)研究領(lǐng)域的應(yīng)用日漸成熟，國(guó)內(nèi)外研究人員已將仿真模擬技術(shù)應(yīng)用到高梯度捕集機(jī)理的研究過(guò)程中。通過(guò)仿真模擬將顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡、介質(zhì)表面磁場(chǎng)分布、流體場(chǎng)分布及多耦合場(chǎng)下的捕集效果以模擬圖的形式直觀體現(xiàn)，對(duì)有效了解磁性顆粒捕集過(guò)程及改善捕集效果頗為有利。