基本概況

20世紀70年代以前的強磁選機發(fā)展過程中，強調(diào)通過提高磁場強度來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)并指出磁場梯度的重要性之前，磁場梯度的重大意義還未得到真正的認可，直到科姆將纖維狀不銹導磁材料鋼毛作為聚磁介質(zhì)引入磁選領(lǐng)域，強磁選技術(shù)的發(fā)展重心才由單一追求磁場強度的提高轉(zhuǎn)向如何獲得高磁場梯度的技術(shù)領(lǐng)域。此后的研究過程中，根據(jù)被處理物料的性質(zhì)差異及實際分選需要，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)作為高梯度磁選機中捕獲弱磁性礦物的結(jié)構(gòu)體，其材質(zhì)對分選空間磁場特性、分選效果及介質(zhì)使用壽命等均構(gòu)成影響。無論是鋼毛介質(zhì)、網(wǎng)介質(zhì)還是棒介質(zhì)，在應用中主要由鐵基軟磁材料如純鐵、低碳鋼、鐵素體導磁不銹鋼、鐵鈷合金等原材料制作而成，其中以鐵素體導磁不銹鋼的應用最為廣泛。聚磁介質(zhì)材質(zhì)的選取或改進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)文獻報道，20 世紀 70 年代美國所用不銹鋼鋼毛材質(zhì)經(jīng)分析為含鉻導磁不銹鋼，其具有耐腐蝕性良好、強度高、產(chǎn)生的磁場梯度大等特點。

國內(nèi)高梯度聚磁介質(zhì)的研發(fā)應用比國外推遲了約 10 a。長沙礦冶研究院于 1978 年首先研制出國內(nèi)第一代不銹導磁鋼毛及鋼板網(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，其磁導率、耐腐蝕性、機械強度等方面較之早期鋼毛均有所提高，尤其是在腐蝕性強的條件下，比 SUS430 不銹鋼更為實用。陜西鋼鐵研究所、上海鋼鐵研究所研制出了新型導磁不銹鋼板網(wǎng)介質(zhì)，其鋼號為 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 0. 08%。此不銹鋼具有加工方便不易斷、導磁性能良好、矯頑力小( Hc=0. 033 kA/m)的優(yōu)點。

介質(zhì)形狀

到目前為止，已有諸多形狀的聚磁介質(zhì)被應用，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)形狀對其周圍磁場分布影響很大，通常情況下，介質(zhì)磁化未達飽和狀態(tài)時，其表面棱角越明顯、相對尺寸越小，產(chǎn)生的磁場梯度越高。按磁場梯度大小對不同形狀介質(zhì)的排序大體為鋼毛 > 編織網(wǎng)和鋼板網(wǎng) > 棒狀 > 齒板?？紤]到介質(zhì)形狀對礦漿的流動阻力、單位容積內(nèi)的捕收面積及清洗沖刷效果等因素的影響，針對不同的分選物料應選取適當形狀及尺寸的介質(zhì)。

王常任等針對鋼毛狀介質(zhì)機械捕獲率大、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)表面磁場梯度。通過對低品位黑鎢礦泥的分選效果對比研究可以看出，應用設(shè)置了尖刺的鋼毛介質(zhì)的磁選機的精礦 WO品位比無刺鋼毛磁選機的精礦 WO品位高 1 倍左右，回收率僅低 3 個百分點；對高嶺土的除鐵效果對比研究表明，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 個百分點。

翟宏新對介質(zhì)斷面形狀效應進行了研究，結(jié)果表明，截面面積相當?shù)娜呅?、四邊形、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。

磁場特性

關(guān)于聚磁介質(zhì)的磁場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算機模擬計算，得到了不同參數(shù)的齒板氣隙中的磁場強度、磁場梯度和磁場力的分布情況，并針對齒板參數(shù)的變化對磁場分布的影響進行了討論。楊龍采用復變函數(shù)解析法得到齒板磁場的磁場強度、梯度和比磁力的函數(shù)表達式，并對齒板磁極的幾種組合方式進行了對比分析，結(jié)果表明，幾種組合的磁極均可達到同一數(shù)量級的比磁力。王常任、連相泉對常規(guī)齒板氣隙空間的磁場分布進行了分析，將齒尖與齒谷附近氣隙磁場定義為捕獲區(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，針對此情況分別對齒板形狀提出了改進方案。

對齒板介質(zhì)的研究與改進在 20 世紀 80 年代較為集中，進入 21 世紀后，齒板型介質(zhì)磁場特性方面的研究報道雖不多見，但仍有人對此進行深入的探討，甚至對以往文獻中的觀點提出質(zhì)疑，并給出詳盡的分析。徐建成、徐建民曾對幾篇關(guān)于齒尖磁極相對磁場研究的文獻進行了再次推敲，認為這幾篇文獻在運用保角變換法求解磁場過程中，存在保角變換方法使用不當、磁場計算公式缺項及求解磁場方法存在局限性等問題，以此提醒研究人員要全面掌握有關(guān)理論，并提高運用能力，唯此方可正確地求解磁場問題，從而得出準確可靠的結(jié)論。

捕集機理

伴隨著高梯度磁選技術(shù)應用的擴展，國內(nèi)外學者對高梯度磁選捕集機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)對顆粒的捕集機理而展開。早期由研究聚磁介質(zhì)與磁性顆粒間相互作用力著手，Oberteuffer曾利用一個被分選的球形顆粒與圓柱棒狀磁介質(zhì)體系進行了磁力的計算，Watson在雙極坐標系中對單棒單顆粒體系也推 導 出 了 磁 力 計 算 式。進 而，J. Svoboda 和V. E. Ross計算了磁介質(zhì)對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中針對顆粒粒度、磁化率、磁場強度、流速和介質(zhì)負荷等參數(shù)對捕集效果的影響，通過回歸試驗建立了顆粒捕集經(jīng)驗模型。

自從 Bean 提出顆粒運動軌跡模型概念后，顆粒捕集軌跡的研究逐漸發(fā)展起來。經(jīng)過 Watson和R. Gerber等人的完善，推導出了單絲介質(zhì)捕集顆粒的運動軌跡方程，與此同時還提出了“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)。然而運動軌跡模型僅能定性地了解磁性顆粒、介質(zhì)磁場特性對捕集過程的影響，還不能反映磁性顆粒在磁介質(zhì)上吸附聚集的過程?；诖耍琇ubor-sky 和 Drummond在顆粒運動軌跡模型基礎(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模型，推導出了聚磁介質(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)成功地攝取了純磷酸錳(MnPO)細粒在單根鎳絲上的聚集圖像，進而證實了 Nesst 聚集模型的正確性。A. A. Stadtmuller 等人提出了用滯留模型來研究顆粒的聚集狀態(tài)。在單絲聚集模型的基礎(chǔ)上，Briss 等人對多絲介質(zhì)的捕集模型進行了初步研究，建立了顆粒捕集的層流模型。以往對單絲及多絲介質(zhì)捕集磁性顆粒所建立的各種理論及經(jīng)驗模型雖在一定程度上對顆粒捕集機理進行了闡釋，但對于數(shù)量眾多的聚磁介質(zhì)單元對磁場的交互影響、引起的礦漿流態(tài)變化及對顆粒捕捉的情況，其數(shù)學復雜性難以通過數(shù)學表達式來概括。而目前計算機仿真模擬技術(shù)在各個研究領(lǐng)域的應用日漸成熟，國內(nèi)外研究人員已將仿真模擬技術(shù)應用到高梯度捕集機理的研究過程中。通過仿真模擬將顆粒運動軌跡、介質(zhì)表面磁場分布、流體場分布及多耦合場下的捕集效果以模擬圖的形式直觀體現(xiàn)，對有效了解磁性顆粒捕集過程及改善捕集效果頗為有利。