磁 选是在不均匀磁场中，利用磁性矿物颗粒所受磁场力大小，实现磁性颗粒与非磁性颗粒分离的一种选矿方法，广泛地应用于黑色金属矿石、有色和稀有金属的选别以及非金属矿除铁等。磁选工艺是矿物加工中一个重要的分选技术，被广泛地应用在磁铁矿提纯和非金属矿除铁等领域。国内外各研究团体及专家学者在永磁磁选机研究方面都做了大量的研究工作，取得了较大进展。强磁场磁选机主要用于弱磁性矿物分选、非金属除铁和尾矿回收等，在国内外诸多领域得到了广泛应用。在电磁强磁选设备中，电磁体需要消耗大量的电能产生高强磁场，同时线圈发热需要冷却，电磁体整机笨重且设计复杂，控制元器件多且故障点多。而采用稀土永磁体设计的湿式永磁强磁选机不需要能源和冷却系统，具有结构简单、操作维护方便、机体较轻、性能稳定和节省能耗等优点，比同类型的电磁磁选机具有更为广阔的发展前景。磁系设计是提高永磁强磁选机磁场强度的核心内容。因此，笔者对磁系磁场分布进行研究，优化磁系设计和机体结构，采用合理的磁系加工、制造和组装工艺，以研制更加优化和高场强的湿式永磁强磁选机。同时，国内外钕铁硼磁性材料在工业上的大量生产，对进一步推广永磁强磁选机的工业应用具有重要的促进作用。
1 国外永磁磁选机研究进展
国外对于磁选的研究始于 19 世纪中叶，Ball、Norton、Edison 及诸多国外研究团体和学者通过磁选试验发现，粗颗粒强磁性矿物在磁场力的作用下可从磁性的脉石矿物中分离出来。1890 年，Ball-Nortony研制了第 1 台通直流电的电磁圆筒磁选设备[1]，成为第 1 台应用于磁性颗粒分选技术的电磁磁选设备，被广泛应用于磁铁矿提纯。20 世纪 60 年代末，随着新的高性能永磁材料的出现和永磁磁系研究的深入，永磁磁选设备得到了迅速发展。20 世纪 70 年代，国外学者开始注重对永磁强磁场磁选机磁系磁路的研究，并在 1974 年发表了第 1 篇关于永磁强磁场磁路的研究文章，随后在 1989 年，利用研究成果，采用磁钢永磁材料开发出了第 1 台圆筒式永磁中磁场磁选机，磁场强度达到 0.5 T;5 年后，随着对磁系磁路的进一步研究，开发出第二代圆筒式磁选机，磁场强度提高到了 0.7 T[2]。目前，磁选机永磁材料主要为钕铁硼和铁氧体磁性材料。以永磁磁系作为磁源在各个领域的广泛应用，加快了磁分离领域新的设计理念的发展，如 Gerber 于 1984 年研究的超细颗粒的磁过滤技术，Graham 于 1985 研究了软磁材料和铁基非晶超细颗粒的磁性[3]。近年来，随着对永磁磁选机磁系磁路研究的日臻成熟和高性能永磁材料的出现，国外在永磁磁选设备发展方面取得了较快发展，永磁磁选机在诸多领域得到了广泛应用。为了满足现代社会化工业大生产的实际需要，磁选设备在规模上逐渐趋于大型化，机体结构也逐渐多样化、复杂化和轻型化，在规格上逐渐系列化，在控制方式上逐渐实现程序自动控制和监控。在实际工业生产的永磁磁选机应用中，随着机体材质、加工精度以及磁性材料磁性能的快速发展，同时由于具有机体简单、性能稳定、节约能源、使用安装方便等优点，使得永磁磁力滚筒和永磁筒式磁选机2 种永磁磁选机系列在矿业、电力、煤炭和造纸等领域得到了广泛的应用。
1.1 永磁磁力滚筒
永磁磁力滚筒又称为磁滑轮，其磁力滚筒结构主要由磁系、圆筒、主轴和调整盘构成，磁筒表面磁场强度为 0.16 ～0.45 T[4]，主要用于磨前粗选，防止矿物过磨和非金属除铁。由于永磁磁力滚筒具有结构简单、使用安装方便的优点，在机体形式上易实现大型化。在设备规模上，具有代表性的是德国 K H D 公司生产的MR125220 型永磁磁力滚筒，筒体直径达到 1 250mm，长度为 2 200 mm;英国博克斯马格·拉皮德公司研制的 PP3664 型永磁磁力滚筒，滚筒直径为 914mm，长 1 626 mm;美国 Eriez 公司采用电磁永磁复合磁系设计开发的 SR-E 型磁力滚筒，磁滚筒直径达到 2 433 mm，长 2 438 mm，为目前国外最大直径的磁力滚筒。同时磁力滚筒磁系永磁材料采用稀土合金磁铁，使筒体表面磁场强度达到 0.20 ~ 0.25 T。
1.2 永磁筒式磁选机
在设备规模和处理能力方面趋向于大型化。瑞典 Sala 公司于 1890 年生产了世界上第 1 台永磁筒式磁选机[5]。近年来，随着市场需求和磁选机研发技术的提高，永磁圆筒式磁选机滚筒直径达到了 2 100mm，长度为 3 000 mm，处理能力为 500 t/ h，处理矿物粒度在 300 mm 以上。美国 Eriez 公司研制的永磁筒式磁选机[6]，磁滚筒直径为 1 800 mm，长度为 3 048mm，滚筒表面磁感应强度为 250 mT，处理能力 500～600 t/ h，入料矿石颗粒 350 mm;芬兰 Cohen 公司研发的 ROXON 型磁选机，滚筒直径为 1 200 mm，长度为 3 000 mm，处理能力为 400 t/ h。在磁系设计方面趋向于采用复合磁系、高梯度磁系和辅助磁极。具有代表性的是美国丁格兹公司采用辅助磁系生产的永磁设备，磁系采用在主磁极间嵌入与其极性相同的辅助磁极以消除漏磁，使得滚筒上主磁极的磁力线在辅助磁极作用下沿径向延伸，加强了作业气隙中的磁场强度和深度;美国 Eriez 公司重视磁系的研究和改进，在主磁系中设计辅助磁系，增加了反斥磁体，减少了漏磁，由此提高磁场的强度和深度。通过这种磁系结构的改进，使磁力线在筒体外表面 20 ~ 25 mm 处聚集，从而使筒体外表面的磁场强度在 50 mm 处大大降低，中间形成了较大的梯度。为了提高精矿产品品位，可以设计交替磁极，产生磁摆动作用。在主磁极上设计添加的辅助磁极，磁场方向对着作业间隙，固定安装在槽体上的支撑板上，支撑板可通过安装在支架上的调节螺杆移动距离，从而有效地调节磁场的深度和梯度。法国公司设计的永磁强磁选机磁系，在主磁极中间安装辅助磁极，设计尺寸为主磁极圆周长度是辅助磁极圆周长度的 2 倍。芬兰 Cohen 公司与捷克设备公司联合研发的高梯度强磁选机，最大特征是磁场强度在距离滚筒外表面 50 mm位置大大降低，从而更有效地提高了分选区的吸引磁场力。在磁场强度方面趋向于使用高性能稀土永磁材料，使得在磁系结构不做较大改变的情况下，磁滚筒外表面磁场强度比使用普通磁性材料大大提高。作业气隙中磁场强度的提高，大大提高了磁性矿物的回收率，有助于有用矿物的利用，节约了资源。其中具有代表性的有芬兰 Cohen 公司生产的 ROXON 型永磁滚筒强磁选机，磁滚筒外表面磁感应强度为 0.2 T;捷克矿山机械设备公司生产的 MRG 型永磁磁选机，磁滚筒外表面背景磁场磁感应强度提高到 0.24 T[7]。国外同时还研究开发了可调的永磁磁系，具有代表性的有日本 TOWA 公司研制的 TY6E2 型永磁强磁选机，筒皮采用导磁不锈钢材料，外表面粘贴耐磨橡胶，磁系可通过调节手柄调节磁系位置，从而改变滚筒外表面的背景磁场，达到表面磁通密度可调的目的。此外，德国 KHD 公司研制的中场强永磁磁选机，磁包角 90°~ 120°，筒体表面背景磁场达到 0.75 T [8]。美国 Eriez公司采用挤压式磁系研发的筒式中场强永磁磁选机，磁包角提高到 150°，极性可实现周向和轴向交替作用，产生可变磁场，筒体外表面背景磁场高达 0.7 T，对于澳大利亚铁铁矿具有良好的选别效果。在分选效率方面趋向于改进给料装置，使物料产生磁翻滚，防止磁团絮的形成，从而有效地提高分选指标。最具有代表性的是保加利亚矿业设备公司研发的永磁筒式磁选机，在槽体底部安装隔膜振动器，在分选的过程中，隔膜振动器产生高频振动，促使槽体内的分选物料产生磁翻滚和高频升降运动，从而有效地破坏了磁团絮的形成条件，提高了选别指标;德国矿业设备公司研制的永磁强磁筒式磁选机，磁系通过棘轮啮合和筒体连接在一起，随筒体一起做反向圆周运动，产生了良好的选别作用;俄罗斯矿业设备公司研制了带有扇形磁极和弹簧牵拉装置的永磁磁选机，在磁选机选别过程中，随着磁滚筒的匀速转动，通过弹簧牵拉装置的作用带动磁系做谐振运动，从而在磁滚筒外表面产生谐振磁场。为了提高磁选能力，增大磁选设备处理能力，依照不同的磁选工艺要求，在磁滚筒数量方面趋向于采用多筒串联使用。具有代表性的为日本 TOWA 公司研制的TY6E2 型四筒串联永磁强磁选机，4 个磁滚筒分别起着不同的分选作用，分别实现粗选、扫选、一次精选、二次精选工艺，将 4 个步骤合并在 1 套磁选机上实现，大大提高了分选效率和指标，通过对磁铁矿工业试验验证，可将铁精矿品位提高到 60% ~69%;其次是日本三菱公司研制的 DA-BW 型双筒串联和 DA-3B 型三筒串联永磁磁选机，作为磁性物料的粗选设备;同时还有德国 KTS 公司研发的双筒串联磁选机，在设备性能上面也做了较大改进。
1.3 永磁辊式强磁选机
永磁辊式磁选机的磁辊磁系采用高性能钕铁硼和高纯度纯铁材料制成，具有高场强特点，分选粒度分布为 0.1 ~ 10 mm。具有代表性的有美国 INPROSYS(International process System，Inc) 公司于 20 世纪 90年代研制的永磁辊式强磁选机，磁辊采用环状钕铁硼磁体和薄钢片交错排列构成，制成的磁辊表面背景磁场可达到 2.2 T[9]。物料通过给矿装置输送到分选空间，磁性物料在磁辊磁场的作用下从下部排出，非磁性物料不受磁场力作用从前部抛出，适用于选别弱磁性矿物， 使精矿品位提高 5%～20%。由于具有结构简单、操作方便、磁场强度高及处理能力大等优点，在世界范围内各领域得到了广泛应用。1981 年南非 EL Bateman 矿业设备公司采用衫钴磁永磁材料研制出了 Permron 永磁辊式强磁选机，特点是磁辊表面背景磁场强度大，达到 1.6 T，磁场梯度较大;20 世纪 90 年代初期，美国矿业设备公司采用高性能钕铁硼永磁材料和高纯度纯铁交替排列研制成功的 High-Force 永磁辊式强磁选机，创造了磁选机高场强的历史，磁辊表面背景磁场强度达到了 2.2T。迄今，美国埃利兹公司、英国 Master Magnets 和博克斯马格·拉皮德、以色列 Yaniv Magnetie 以及奥地利的 IFE-AG 等许多公司均在生产永磁辊式强磁选机。
1.4 永磁高梯度磁选机
1991 年，美国 Bateman 公司研制的 FW 型永磁高梯度磁选机[10]，磁系全部采用稀土钕铁硼永磁材料，通过钢毛或金属网作为聚磁介质，使作业气隙中的磁感应强度达到 0.6 T，具有较大的处理能力，最高可达到 100 t/ h，适用于处理对 40 μm 以下物料分级;随后美国 Eriez 公司研制的 Reium 永磁高梯度磁选机，背景场强为 0.6 T，但处理能力已达到 300 t/ h;20 世纪 70 年代，日本矿业资源研究公司研制的往复式永磁高梯度磁选机，并于 1983 年在日本 Nippon EleetricGlass 公司的 Takatsuki (高月) 工厂投入使用，用于处理研磨阴极射线管，形成玻璃质污泥浆去除铁杂质，效果显著。
2 国内永磁磁选机研究进展
2.1 弱磁场永磁磁选机
湿式永磁弱磁场磁选机是矿山企业应用在强磁性矿物粗选和提高精矿品位领域较为广泛的一种磁选设备，磁极表面背景场强 H0 = 0.72×105～1.36×105A/ m，磁场力 HgradH = (2.5～5.0)×1011 A2/ m3。主要用于分选磁铁矿、磁黄铁矿、磁赤铁矿、钛磁铁矿和硅铁等强磁性矿物。其中具有代表性的有马鞍山矿山研究院采用由稀土钕铁硼和铁氧体永磁材料组成的可调式复合磁系，研制了 φ 1050 型永磁滚筒式磁选机，筒体外表面磁感应强度从精矿斗位置至尾矿斗位置逐渐增强，筒体外表面粘贴耐磨橡胶材料，降低了筒皮磨损，同时加强了磁性物料的分选作用，筒体外表面背景磁场为 280mT，磁场作用深度大。在矿山选场工业实践表明，选矿效率可提高 3%～5%，精矿品位提高 1%～4%;回收率提高 1%～5%。内蒙古包头钢选厂采用复合永磁磁性材料研制的CBN φ 1050 mm×4100 mm 永磁磁选机[11]，采用逆流式槽体结构，给矿箱下部配有冲洗管搅拌矿浆，从而提高分选效果。北京矿冶研究总院采用大分选室和大磁包角磁力滚筒，综合考虑磁性颗粒在分选空间内受到重力、浮力和磁场力等多力场影响，研制了新型永磁磁选机。该机型具有可实现在低磁场初选，在高磁场扫选的特点，大大提高了分选效率。近年来，我国矿山机械设备公司生产的永磁磁选机，其筒体规模趋向于大型化，最大为 φ 1500 mm×4500 mm。然而我国选矿厂磁选工段目前使用的磁选机机型多为 φ 1050 mm×2100 mm。与国外同类型永磁多筒磁选机在机械设计和分选性能方面相比，我国永磁磁选机还存在一定的差距，在机体结构优化和提高分选效率技术方面还亟待提高。对进入球磨机的矿石进行磨前预选，是矿山选厂企业节约能源、降低生产成本、提高选矿指标、增加经济效益的有效途径。因此，用于原矿石粗颗粒初选的干式或者湿式弱磁预选机，具有工艺简单、操作方便、效率高、性能稳定、成本低、选别指标好等优点，在选矿、选煤等领域得到了较大的发展。马鞍山矿山冶金研究院研发的 CTDG 系列原矿预选机，滚筒直径为 500 ~ 1 500 mm，原矿输送带宽 500~ 1 600 mm，处理原矿石粒径范围为 75 ~ 350 mm，处理能力 50 ~ 600 t/ h，背景磁场感应强度为 160 ~ 260mT。生产实践表明，尾矿品位 8.6% ~ 9.7%，原矿品位提高 2.24% ~ 10.46%，磁性铁回收率 99.35%。北京矿冶研究总院研发的 CT1416 型矿石预选机，磁滚筒外表面背景磁场强度达到 0.65 T，矿石入料粒度为 350mm，处理能力达到 450 t/ h。同时，该研究院还采用复合永磁材料研制了 CTDY-1214 型移动式预选机，该机性能稳定，具有较高的磁场强度和深度，选别效果较好。
2.2 中磁场永磁磁选机
中场强永磁磁选机是介于弱磁场和强磁场之间，磁极表面磁场强度 H0 =1 .6×105～4.8×105 A/ m 的磁选设备。该机多采用开放式磁系和筒式结构，磁系采用钕铁硼和铁氧体永磁材料，同时在主磁极中间增加了辅助磁极以减少漏磁。该机具有结构简单、使用方便、性能稳定及磁场强度深等优点，主要用于磁铁矿提纯、非金属矿物除铁以及尾矿回收等领域。具有代表性的是北京矿山冶金研究总院采用高性能钕铁硼永磁材料制成的挤压式磁系，研制成功的φ 400 mm×400 mm 筒式永磁中场强磁选机。该机设计成轴向交替磁极，减少了因槽体内矿浆涡流运动而造成的筒体发热现象，筒体表面最高背景磁场强度可达到 0.75 T。同时该研究院研制的 CTB φ 1200×3000型中磁永磁磁选机，最高处理能力可达到 350 m3/ h。马鞍山矿山研究院采用稀土钕铁硼和铁氧体永磁材料组成的混合磁系，研制生产的 ZC 和 NCT 系列中场强永磁筒式磁选机。ZC 系列永磁筒式磁选机磁滚筒表面背景磁场强度为 350 ～500 mT，NCT 系列中场强永磁筒式磁选机磁滚筒表面背景磁场强度为 500~ 800 mT。长沙矿治研究总院研究开发的 φ 1000 mm×2400mm 规格永磁中场强磁选机[12]，筒体表面最高背景磁场强度达到 0.8 T。该机入料粒度范围较宽，较好地解决了磁堵塞的难题。其中 φ 600×1200 mm 规格的干式永磁强磁选机对于粒度范围在 30 ~ 0.5 mm 的矿粒具有良好的分选指标。吉林矿山机械设备厂采用带辅助磁系的复合磁系研制的 CTN φ 1050 mm×2400 mm 型中场强永磁磁选机。磁系主磁极采用钕铁硼磁钢永磁材料，辅助磁极采用衫钴磁钢永磁材料，筒体表面背景磁场强度达到450 mT;同时，吉林 8272 厂采用锶铁氧体和钕铁硼永磁材料组成的多向聚焦开路磁系，研制出永磁中场强磁选机，磁系磁场作用梯度和深度均较大，磁滚筒外表面磁场分布均匀，筒体表面背景磁场达到 0.5 ~0.9 T。此外，包头新材料应用研究所采用高性能钕铁硼永磁材料研制的 NTC 系列永磁中场强磁选机，在褐铁矿、赤铁矿等分选作业中得到了广泛的应用。
2.3 强磁场永磁磁选机
强磁场磁选机结构多采用环式、笼式和盘式，磁极表面磁场强度 H0 = 0.48×106 ~ 6×106 A/ m，磁场力 HgradH = (1.5～6.0)×1013 A2/ m3。主要用来分选弱磁性矿物，如铁锰矿、褐铁矿和铬铁矿等。长沙矿冶研究院采用高性能钕铁硼硬磁材料和高纯度 DT4 软磁材料组装成功的磁辊，开发了 CRIMM系列永磁辊式强磁选机，磁辊规格为 φ 600 mm×1200mm，传动部分采用无级变速器传动，转速为 0～600r/ min，入料粒度 0.074 ~ 20 mm，磁辊表面背景磁场强度达到 1.2 T，最大矿量处理能力达到 8 t/ h。武汉理工大学彭会清教授采用高性能钕铁硼永磁材料研制开发的 YDQC 型湿式永磁带式磁选机，磁极磁感应强度最高可达到 2.2 T，磁场作用深度大，作业间隙为25 ~ 10 mm 时，最大额定背景磁场强度可达到 1.9 T。
2.4 永磁高梯度磁选机
安徽马鞍山矿山冶金研究院经过多年研究，研发了国内首台永磁双立环高梯度磁选机，该机采用高性能钕铁硼永磁材料，极距间隙达到 100 mm，背景磁场强度可达 0.6 T，最大处理能力为 25 t/ h。此外，国内常用的永磁高梯度磁选机有 DGYC 型多元永磁高梯度磁选机[13]，最高背景场强可达到 0.8 T，用于我国细粒贫赤铁矿的选别;其他的磁选机种类还有永磁带式高梯度磁选机，背景场强达到 0.7 T，主要用于陶瓷和高岭土等非金属的除铁;干式永磁高梯度磁选机，表面背景场强可达到 1.0 T，主要用于非金属矿，如陶瓷、玻璃、填料及耐火材料等除铁作业。永磁磁选机技术现状及存在的主要问题根据分选物料性质和分选目的的不同，目前国内外市场及矿山企业存在着不同型号的永磁磁选机。各科研单位和个人研制的永磁磁选机主要趋势为高的磁场强度、生产效率和分选效率，同时应具有维护费用低、操作简单和生产成本低等特点。目前，国外型号最大的湿式永磁磁选机为 H 型琼斯磁选机，处理量达到 100～120 t/ h，设备自重 90 t，外形轮廓 6.3 m×3.8m×3.2 m。近年来，国内外永磁磁选机的技术现状和主要问题表现为以下几个方面：
(1) 磁系设计
磁系设计是永磁磁选机设计的主要内容，包括磁系结构设计、尺寸设计及新型高性能永磁材料的选取。当前，磁系结构设计及永磁材料的发展水平限制了磁选机的多层次发展。目前，国内永磁强磁选机的最高背景场强为 1.7 T。
(2) 感应磁极设计
目前国内外采用的感应磁极多为球形、槽形、网形和栅条形。此前材料多为纯铁和低碳钢，同时表面镀铬或者渗铬防止生锈。近年来随着磁选机研究进一步深入，感应磁极选用耐磨不锈钢材料。
(3) 清洗机构设计
湿式永磁强磁选机区别于电磁磁选机的特点是不能通过电流的调节改变磁场，达到顺利卸矿的目的。目前湿式永磁强磁选机分选效率低，仅采用淋洗方式提高分选效率是行不通的。目前，国内磁选机生产厂家改善磁选机精矿清洗效率的主要方法有 2 种：一是在清洗段设计低场强磁场，降低磁性颗粒受到的磁场力，使夹杂在磁性颗粒中的非磁性颗粒被清洗出来，提高磁性矿物品位;二是加大清洗水压力，提高冲洗力，从而洗去非磁性矿物。
(4) 聚磁介质表面再生设计
聚磁介质表面再生问题，即黏附在磁极表面的磁性颗粒，在一般冲洗条件下难以卸干净，是卡普科磁选机的严重缺陷之一。由于卸矿不干净，导致分选空间内的矿物越积越多，磁选空间被堵塞。目前解决分选空间堵塞问题的主要方法是把平环改为立环，增加感应辊，采用脉冲强力冲洗水卸矿。
4 结语
近年来，随着国内外高性能永磁材料研究工作的深入、设备产业化以及对传统永磁磁选机磁系及机体结构的不断优化、改进和完善，加快了永磁磁选设备逐步替代电磁磁选设备的进程。同时，随着国内矿山企业自动控制技术及监控技术的发展，使得矿山企业自动化程度越来越高，并对磁选设备在磁性矿物分选领域的精度要求也越来越高。因此，在磁选机的发展方面存在以下发展趋势。
(1) 设备精细化
结合矿山企业矿物磁力分选生产实际需要，磁选机设备厂家在不断扩大设备规模的同时，更注重磁选机设备的精细化设计。在磁系设计方面，引入高性能永磁材料，同时优化磁系结构，添加辅助磁系，最大程度地减少漏磁现象，提高磁选机在矿物分选时的精度。
(2) 设备专有化
针对磁选机应用领域的不断扩大以及矿物分选的精细化，需开发适用于不同领域及矿物分选的特种磁选机。
(3) 设备大型化
随着社会化大生产的发展，对资源的需求量在逐步增加，同时随着矿山开采技术以及矿物分选、冶炼技术的进一步成熟，矿山企业的规模在不断扩大，普通设备已难以适应逐步扩大的矿山产能，矿山企业需要处理能力更大的设备，其中包括适应不同选矿需要的磁选机。
(4) 设备更新化
随着社会科学技术的发展，高性能永磁材料的出现，机加工技术的日臻精密，装配技术的不断提高，以及自动化控制技术的不断完善和推广，同时结合矿山生产的实际需要，使得磁选设备更新换代的速度加快。
(5) 设备自动化
随着社会自动化技术发展，劳动力成本的逐步增加，矿山企业自动化生产的需要，对磁选机自动化技术程度提出了更高的要求。
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