磁选与铁矿选矿：高效铁精矿浓缩的先进技术

磁选与铁矿选矿概述

磁选是铁矿浓缩和除铁的传统技术。1849年以来美国颁布多项磁选专利，1910年前专利文本描述了多种矿物处理磁选机。磁选利用铁矿与非磁性脉石磁性差异分离，可干湿两法，湿式应用更广。

磁选是基于三力竞争的离散颗粒物理分离：(i) 磁力，(ii) 重力/流体阻力/摩擦力/惯性力，(iii) 颗粒间吸引/排斥力。这些力对不同磁性颗粒作用不同，实现分离(图1)。

与磁力竞争的作用于所有通过分选机颗粒的力包括重力、流体阻力、摩擦力、惯性力。不同磁选机类型下这些力重要性不同。重力对大颗粒显著，流体阻力对细颗粒显著。干式大颗粒磁选中，物料经重力场，磁力需克服重力捕获磁性颗粒。湿式细颗粒磁选中，磁力需大于浆流对捕获颗粒施加的流体阻力。

力学竞争与分选效率

磁力与竞争力竞争决定磁性颗粒被捕获回收的可能性。颗粒间力(磁性与非磁性颗粒间)决定产品品位。若颗粒间力大于磁力与竞争力，大量非磁性颗粒随磁性颗粒被捕获；反之磁性颗粒随非磁性颗粒流失。

为实现高回收，磁分选力须大于竞争力之和。但磁力远大于竞争力时选择性差，不区分不同可磁化颗粒。工艺选择性由磁力与竞争力相对值临界决定，受分选机选择及操作参数影响。

作用磁力、竞争力、颗粒间力决定分选机性能。这些力取决于给矿性质(粒度、物理性质)及分选机特性(设计、变量参数，特别是磁场与处理速率)。两者存在普遍关系。匹配磁场梯度与颗粒尺寸可最大化分选机磁力。

磁选机将铁矿给料分为两个或更多组分。若目标产磁性铁精矿，非磁性组分为尾矿。有时可分出第三弱磁性组分(中矿)。各物料流进经出分选机。

磁力与竞争力(重力/摩擦/流体阻力/惯性)促进分离，颗粒间吸引力降低分离度。实际中磁性与非磁性颗粒常同时存在于尾矿或中矿，仅极限情况完全磁分离可能。磁选效率通常用回收率(精矿中磁性物料与给矿中之比)和品位(精矿中磁性物料分数)两个独立指标衡量。这两指标取决于牵引磁力、重力、流体阻力、摩擦/惯性力、颗粒间吸引/排斥力相对大小。

磁选中高效分离条件虽明确，但因竞争力依赖粒度，粒度决定力的相对重要性，使问题复杂化。干式磁选中阻力通常可忽略，粒度对磁力和重力影响显著。湿式分选中流体阻力重要，选择性显著受粒度分布影响，粒度减小时流体阻力相对磁力重要性增加。

磁选机设计除需磁场外，还需磁场强度梯度促进颗粒定向运动。均匀磁通场中磁性颗粒汇聚定向但不移动；汇聚场产生向高通量区拉力。

所有磁选机中作用于颗粒的磁场和场梯度可多种方式产生，形成广泛变化的场几何和强度。有的用永磁体直接产生场，有的用线圈和铁磁回路磁化铁磁结构，利用其场梯度吸引磁性颗粒。

磁选机分类

根据待选矿石及其他标准设计不同磁选机。大类分为：(i) 低强度，(ii) 高强度。两类均可干湿操作。常用类型：(i) 干湿式低强度磁选(LIMS)；(ii) 高梯度磁选(HGMS)；(iii) 湿式高强度磁选(WHIMS)；(iv) 弱磁矿辊式磁选机；(v) 干式矿石感应辊磁选(IRMS)。磁场产生方式：(i) 永磁体；(ii) 带铁轭电磁铁；(iii) 螺线管；(iv) 超导磁体。

磁选操作常分低/高强度。低强度磁场0.1-0.3特斯拉，用于磁铁矿，廉价有效。高强度磁场1-2特斯拉，用于分选赤铁矿等弱磁性铁矿。决定磁选系统类型的其他因素包括粒度和矿浆固体含量。

磁选机一般分为干湿低强度、干湿高强度、高梯度磁选机。按磁场强度分组见图2。此外干高强度组还包括永磁辊式磁选机、等磁力分选机、开放梯度磁选机、振动高梯度磁选机/过滤器、超导高梯度磁选机。干式高强度磁选机通过永磁体或感应磁场提供更高磁场强度，按磁化率分离颗粒。

典型磁选机原理

虽分组众多，此述筒式和高强度两类原理。筒式代表常规低梯度磁选机(图3)。干式给矿从旋转筒顶部进入，颗粒在重力和摩擦力共同作用下随筒下行。筒内固定磁铁产生磁力吸住强磁性颗粒随筒转动，移过磁铁末端落入右侧精矿槽；非磁性颗粒自由落入左侧尾矿槽。可用永磁体或电磁铁。此类分选机广泛用于磁铁矿选矿。

图3亦示高强度磁选机示意。高梯度磁选机中，产生强可调磁场的磁铁装于容器内，容器填充丝状铁磁质基质。丝状体边缘高场梯度产生强磁力，能捕获<100微米甚至弱磁性颗粒。丝状体尺寸匹配给矿粒度以优化磁力。铁矿浆(通常水)自上而下通过容器，流体和非磁性颗粒易通过疏松基质，捕获的磁性颗粒在施加场降为零时易洗出。此类分选机适用于球团料铁矿处理时精细磁性颗粒浓缩或除杂。

磁选机是低品位铁矿选矿系统核心部分。低品位铁矿焙烧磁化(赤铁矿转磁铁矿)扩展了常规磁选机适用性。磁选机也用于部分铁回收应用。

磁选机类型详述

铁矿选矿用磁选机类型众多，最常用为干湿筒式磁选机。感应辊式磁选机处理弱磁性铁矿，辊式分选机常用于除杂铁。这些分选机用永磁体或电磁铁，连续运行。下述筒式和高梯度磁选机详述。

筒式磁选机

筒式磁选机类型繁多，或许是最常用类型。含滑轮式、干式筒、湿式筒、感应同向/逆向/逆流式辊式分选机。

干式筒、感应辊、滑轮分选机工作原理类似图3所述。干式给矿根据磁力、离心力、重力相对大小抛向筒或滑轮两侧。可回收中矿组分。中矿颗粒磁吸引力弱于精矿颗粒，落入精矿与尾矿槽之间中矿槽。中矿通常含部分露出的磁性与非磁性复合颗粒。因磨矿昂贵，常先用干式筒选，再磨中矿再磁选，经济合算。

干式筒选机处理粒度低至100微米。给矿水分强烈影响精矿生产性能。水分高时细颗粒粘附粗颗粒导致分离不彻底。非磁性筒转过筒内固定磁极时，磁性颗粒经历周期性变化磁力，产生翻滚运动助于脱离非磁性颗粒。磁极间磁场反转使剩磁颗粒旋转。颗粒具体运动强依赖粒度。

湿式筒式磁选机

三大类湿式筒式磁选机(图4)：(i) 同向流，(ii) 逆向流，(iii) 逆流式。筒内磁铁类似图3，覆盖弧度与旋转指示箭头相近。

同向流筒式磁选机：给矿浆与筒旋转同向通过槽体。磁性颗粒被筒内固定磁铁吸附于非磁性筒旋转表面。非磁性颗粒沉降槽底最低点排尾。磁性精矿随旋转筒越过堰口右侧排出。此型对数毫米级颗粒产高品位精矿。分离相对清洁，因磁性颗粒沿筒周全程受磁力与流体阻力竞争。虽筒内交替磁极磁力变化不产生如干式分选机同等程度颗粒运动(无浆体粘滞力)，但同向槽分选机尾矿常含较多磁性物料，故尾矿常经逆向流筒再选。

逆向流分选机：给矿与筒旋转反向通过槽体。磁性颗粒被吸附于筒面带至左侧上方。此机型回收率高但精矿品位一般低，因大部分铁性颗粒在短段筒面被捕获，难释放夹带非磁性颗粒。高回收亦因颗粒有机会被下游筒面捕获带回精矿。通常处理至100微米。因能捕获未立即夹带的磁性颗粒，处理量大于同向型。

逆流式筒：常作精选分选机，因对~70微米颗粒产极高品位精矿且回收好。保留同向与逆向特点。图4示三筒串联逆流式。给矿入磁区中点，浆流与筒旋转反向，夹带颗粒同向。夹带颗粒经左侧注水洗涤，净化精矿左侧溢流排出。

所有湿式筒式分选机共同特征：精矿浆槽末端溢流。防止磁性颗粒穿过气水界面流失。部分需脱水精矿时，磁性颗粒被带出浆面刮下，此时浆体需循环回收流失磁性颗粒。

湿式筒式分选机主要竞争力为流体阻力，源于浆体或洗矿水相对夹带颗粒速度。同向流中此速度约等周边速度；逆向流中两速度相加。通常筒周边速度远大于浆速。除影响相对阻力速度外，筒速还影响产能。低速降低产能，高速因阻力大降低回收并加剧筒面磨损。

部分磁选机称高强度分选机，指常规设计采用更强磁铁。产生高强度磁场，能除去低强度磁选机无响应颗粒。

高梯度磁选机

基于高磁场梯度产生大磁力，开发多种高梯度磁选机。亦称"感应极"分选机，因施加均匀背景磁场于铁磁结构(栅格、筛网、槽板、钢丝绒)沿合适取向边缘感应磁极产生场梯度。大场梯度通常仅存在小体积，故设计用于细小磁性颗粒分离。在足够大表面积产生高梯度大磁力捕获实用颗粒量是主要课题。平行施加场轴向针状体在较低场产生高梯度但捕获面极有限；垂直于长轴磁化丝状体去磁因子大但表面积大得多。