3种新型高效磁选机的研制与应用

我国铁矿资源特点是资源丰富、储量大,但是贫矿多、能直接冶炼的富矿很少。随着多年来大量持续的开采,富矿、易选矿越来越少,目前采选正向贫矿、超贫矿以及结晶粒度更细、分选条件更复杂的资源发展。为了对这些禀赋更差的矿石进行分选,必须在分选工艺、分选设备上有所创新,采用更加先进的工艺和设备。北京矿冶研究总院自1956年建院以来,一直致力于选矿工艺与设备的研究开发工作。近年来开发了多种针对性设计的高效专用磁选设备,这些设备结构合理、性能优良、分选效率高,为选厂取得了很好的经济效益,使选矿设备实现了大型化、精细化、专业化和高效化。1　BK系列专用筒式磁选机1.1　研发思路不同的磁铁矿选厂,由于矿石的性质不同,采用的工艺流程也不同。但对于采用细碎工艺及阶段磨矿、阶段分选工艺的磁铁矿选厂,其工艺环节和可分选环节具有共性。在细碎后入磨前、一段磨矿并经分级后、二段磨矿并经分级后、最终分选段等各作业,均具有分选的条件,在这些已具备分选条件的环节,采用相应的分选设备尽量充分地抛除合格尾矿,从工艺和经济效益两方面来看均十分合理和具有价值。通过将具有共性、通用性的分选环节合理划分,仔细研究其矿物工艺条件和分选要求,并据此研究相应的分选机理和设备结构,是研制开发相应的专用磁选设备的前提和基础。1.2　BK磁选机系列根据矿物工艺条件(给矿粒度、浓度、矿量等)和分选要求的相同性,将磁铁矿选厂的不同作业分为4个具有代表性的分选环节。(1)细碎后入磨前的预选。(2)一段磨矿分级后的粗选。(3)第二段磨矿分级后的二次磁选及筛分后的三次精选。(4)扫选、控制发生故障时尾矿流失及尾矿再选。这4个分选环节,涵盖了目前磁铁矿选厂具有分选条件和分选价值的各环节。在此基础上,研制开发了具有针对性设计的BK系列专用磁选机,包括:① BKY型磁铁矿预选用筒式磁选机系列。用于磁铁矿细碎后入磨前的预选,也可用于自磨机或半自磨机排矿的分选;② BKC型磁铁矿粗选用筒式磁选机,用于一段磨矿分级溢流的一次粗选;③ BKJ型磁铁矿精选用筒式磁选机,用于第二段磨矿分级溢流及最终选别段的精选;④ BKW -II型磁铁矿尾矿再选用筒式磁选机,用于扫选及控制发生故障时尾矿的流失等,也可以用于老尾矿库中铁磁性矿物的回收利用。1.3　特　点BK系列磁选机是针对不同分选段矿物特点和分选要求专门研发的专用筒式磁选机,除具有常规磁选机的优点外,还具有不同于常规筒式磁选机的特点。(1)大磁极面、合理分布的磁场。BK系列磁选机在磁系设计中充分考虑了各个参数的匹配关系,采用高性能的磁性材料作为磁源,磁极组结构采用大磁极面以满足作用深度的要求。采用这种结构的磁系,不仅场强高,而且作用深度大,为粗细磁性颗粒的充分回收创造了良好的磁场条件。(2)大包角磁系。通过合理配置主磁极与辅助磁极的几何尺寸关系,在满足磁场要求的情况下,采用大包角磁系,使设备的分选带长度比常规CTB型磁选机增加25%左右,矿浆在磁场中停留时间明显增长,被磁场吸附的几率增加,有利于微细粒磁性矿物的充分回收。(3)大间隙顺流型槽体。顺流型槽体,其粗颗粒不会引起沉槽堵塞并减少对筒体表面的磨损。大间隙可使粗细颗粒以及矿泥充分分层,有利于分选,并且处理量大。(4)多尾流通道。溢流尾矿通道排出细粒或细泥尾矿,而底流尾矿通道用于粗颗粒脉石排出,这样设计的目的是为了适应粒度分布宽、粗细差异大、或含泥量高的特点,具有脱泥作用。(5)高矿浆液面。该特点是配合大包角磁系设计的,使得设备分选带较长,矿浆停留时间增加,提高了磁性矿物的回收率。(6)大分选室槽体结构。槽体有效容积大,适应矿浆给矿量以及浓度波动的能力好于常规筒式磁选机。同时,也有利于粗细脉石和磁性矿物的分层分离。由于上述分选过程的特点,使得本设备不仅能适应不同的分选条件,而且其各系列专用设备在不同的分选段的分选效果均很好,可给磁铁矿选厂带来良好的经济效益。1.4　BKJ型精选磁选机主要技术参数BKJ型精选磁选机用于二段磨矿分级溢流及最终选别段的精选作业,在保证粗细磁性颗粒充分回收的情况下,尽可能地提高精矿品位。工业上最常用的BKJ型精选磁选机简图见图1,其主要性能参数见表1。
图1　BKJ型精选磁选机简图1—给矿箱;2—分选槽体;3—机架;4—分选简体;5—磁偏角调整装置;6—卸矿刮板装置;7—精矿箱表1　BKJ型磁选机主要性能参数设备规格/mm   1 050×(2 100,2 400,3 000)筒表磁感应强度/mT 160～ 300(根据矿石性质确定)给矿粒度/mm - 2给矿浓度/% 10～ 40处理量/(t/h) 40～ 100电机功率/kW 5.5(7.5)减速机型号TR 108-Y 5.5(7.5)- 4P机重/t 4.2,4.6,5.81.5　应用实例(1)顺达铁矿。BK系列专用筒式磁选机自研制开发后,已在一些磁铁矿选厂推广应用。山东顺达铁矿最早采用BKY- 1009型和BKY- 1012型预选机各1台,用于细碎后入磨前的预选作业。随着产量的不断增加,选厂采用2台BKY- 1024型预选机代替了原来BKY- 1009型和BKY- 1012型预选机。抛除的合格尾矿产率为15%～ 20%,品位与选矿厂综合尾矿品位相当。在充分提高粗精矿品位的情况下,回收率高达97%以上。磨后磁选采用了BKC- 1026型和BKJ- 1024型磁选机,分选指标十分理想。顺达集团控股的湖南新宁某铁矿也采用了BK系列磁选机作为主分选设备。(2)程潮铁矿。采用BKC- 1024型磁铁矿粗选用筒式磁选机,和BKJ- 1024型构成的1次粗选、1次精选处理系统,在选矿车间对破碎后洗矿产生出的不进入一段磨机的洗液和过滤的滤液二者的混合液进行处理,其BKC- 1024粗选机分选结果与实验磁选管效果相近。(3)鲁中冶金矿山公司。BKJ精选机在鲁中冶金矿山公司张家洼选矿厂的应用中,在常规二次磁选机仅提高品位1.54个百分点的情况下,BKJ-1030精选机还可以再提高1.29个百分点,说明该精选机的分选效率很高,对稳定和提高生产现场的铁精矿质量发挥了重要作用。BKW -Ⅱ尾矿再选机在应用中也取得了满意的效果。BK系列专用磁选机在设计理念、磁场分布、槽体结构设计等方面都是十分成功的。该种磁选机已应用于国内多家选矿厂的不同分选段,都取得了很好的分选指标。该种设备已经系列化,大规格的有  1 200mm× 4 500mm,  1 500mm× 4 000mm,单机处理能力可达200t/h,能够满足大型矿山大规模生产要求。2　CTB- 1245型超大型筒式磁选机为了应对快速增长的铁矿资源需求,目前国内外都在加大投资建设更大规模的铁矿山,通过使用新型高效的大型或超大型矿山开采和分选装备来提高生产效益和生产量,是降低生产成本、提高经济效益的最有效、最直接的途径。在我国,多座处理能力在400～ 1 000万t/a的大型铁矿山或多金属矿山正在或正拟建设,国内企业入股在国外正在建设多座大型铁矿,甚至建设年生产铁精矿达到2 400万t的超大型铁矿选矿厂。新建选矿厂普遍要求流程设备配置简单、实用,设备大型高效、自动化程度高。因此,在  1 200mm× 3 000mm磁选机基础上研制更大型的  1 200mm× 4 500mm磁选机提上日程。2.1　CTB- 1245超大型磁选机特点CTB- 1245型磁选机虽然也是筒式磁选机,但其磁筒长度已经达到4 500mm,如此长度的磁筒,其磁系、筒体、槽体以及给矿方式等各个方面都不能够采用原始的直接放大的方式进行设计,必须以一种新型的设计思路进行重新设计[1]。(1)磁系设计。磁系是磁选机最核心部件之一,其设计的合理性关系到设备的分选指标。对于超大型磁选机,如何使磁场特性与大体积量矿浆的分选特性结合起来,是磁系设计的难点,而磁场特性是由磁路设计、极性排列以及所使用磁性材料所确定的,它决定了磁场力的大小和矿物分选效果。由于CTB- 1245型磁选机磁筒主轴尺寸长,其在磁性材料重力作用下的弯曲变形比较大,在设计过程中必须予以考虑并尽可能减小其变形。在充分调研、分析基础上,CTB- 1245型超大型磁选机采用了新型阶梯式磁极结构[2],其磁轭体结构示意见图2。 图2　阶梯式磁系磁轭体结构简图CTB- 1245型超大型筒式磁选机在分选区采用全稀土磁钢结构,由于稀土磁钢磁能是普通铁氧体磁性材料的10多倍,在满足磁场强度和作用深度的同时,磁极的体积和质量大幅下降。在输送区,为了满足磁场强度要求,采用稀土磁钢与铁氧体复合磁系设计,在卸矿区,由于磁场强度不可以过高,否则不易卸矿,采用全铁氧体磁系设计。采用新型阶梯式磁极结构后,磁系质量是传统设计磁系质量的40%左右,这对于减少主轴变形对设备精度和磁场分布的影响,提高设备可靠性具有重要意义。(2)槽体结构。槽体是磁选机的重要部件之一,为了提高分选效果,CTB- 1245型磁选机采用高矿浆液面槽体结构,矿浆液面由常规的150mm提高到250mm,即筒体浸入槽体中的深度增加,延长了设备分选带长度,有利于粗粒、细粒铁矿的回收。同时,由于分选带变长,夹杂的脉石更容易从粗精矿中脱出,进而提高精矿品位。考虑到较粗颗粒在矿浆中沉降速度较快的特性,在槽体上设计了粗粒尾矿提前排出结构,使粗粒脉石在经过分选后尚未到达尾矿溢流堰时就提前进入尾矿槽,避免了粗粒脉石沉槽、堵塞分选空间而失去分选作用的情况。
超大型磁选机由于槽体轴向长度长、容积大,存在轴向矿浆流量分布是否均匀和槽体受力变形问题,槽体的强度设计方面在轴向增加了支撑和筋板,保证尾矿溢流堰和精矿排料口的加工精度和安装的水平度。在精矿排出区,由于磁力线能够穿过精矿排矿板而影响磁性精矿的排出,在槽体设计了隔磁装置来减少磁力线的影响使精矿顺利排出,这对于大型设备而言是非常重要的。(3)给矿方式。对于磁筒长度达到4 500mm的超大型磁选机,其长度方向上能否均匀布料给矿直接影响到分选指标的好坏。针对这一难题,在传统给料装置的基础上进行了创新,采用二次布矿原理,设计了一种独特的给料装置。设计中在给矿箱内增加了1根直径273mm,长4 100mm的给矿管,给矿管上加工一个出矿缝隙,由于给矿管有一定矿浆压力,而出矿缝隙较小,使给矿管内总是充满矿浆,在给矿管4m长的范围内都有矿浆排出。矿浆流到给矿箱内,缓冲后经过溢流板,均匀地流入磁选机槽体,解决了给矿难题。(4)传动机构的选择。作为超大型磁选设备,考虑到结构方面的稳定性,用通轴结构代替传统的半轴传动方式,解决了大筒径、远支点、重载荷和大处理量条件下筒体支撑和传动机构的稳定性问题。2.2　生产考察为考查CTB- 1245型大型永磁磁选机的机械性能及技术性能,于2007年1月在四川凉山矿业股份有限公司拉拉铜矿3 500t/d选矿厂进行了工业试验[3]。铁矿物从铜、钼、钴浮选之后的尾矿中予以回收,其工艺流程为1次粗选、2次精选、1次扫选4次磁选。由于原车间生产现场的粗选尾矿铁品位较高,产率较低,部分带磁性的铁金属没有充分回收,并且新增500t/d处理量,原来2台CTB- 1224型的粗选机的处理能力偏小,因此对选矿工艺流程进行了改造,用1台CTB- 1245型磁选机代替原来2台CTB- 1224型磁选机。改造后,对设备结构合理性、选铁工艺的适应性及选别效果进行了全面考核,指标对比见表2。表2　单机作业生产考察指标对比% 　　从表2可见,CTB- 1245型磁选机得到的铁精矿品位较原设备提高3. 5个百分点,回收率提高7.43个百分点。大型高效磁选机的应用为选厂的增效开辟了一条新路。
采用大包角磁系、高矿浆液面槽体、专用矿浆分配器、新型硬齿面斜齿轮减速机传动、通轴结构的CTB- 1245型磁选机结构设计合理、技术性能先进、分选指标优良,是国内外工业应用的最大规格筒式磁选机,满足了大型选矿厂大规格筒式磁选机的设计要求。3　BKB型多磁极磁选机筒式磁选机自开发应用以来,已有100多年历史,虽然经过持续不断的改进,使其更加适合选厂的需要,但从磁系构成角度看,并没有太多的变化,其磁系通常为4～ 6个开放式磁极组组成,为提高磁场作用深度及筒表磁场,通常在磁极组的间隙处嵌入楔形磁块,这样虽然增加了磁场作用深度,但在磁系的圆周方向获得的磁场曲线很不均匀,在精矿的输送及排卸过程中增加了过大的圆周切向滞留力,在很大程度上影响了设备的选别精度。
为了尽可能地降低圆周方向磁场的不均匀度,通过总结前期工作并采用数值模拟对比的方式,对磁极数量、极面宽度以及相匹配的参数进行了针对性设计,获得了全新的磁场分布,使磁场周向分布更加均匀。3.1　BKB- 1024型多磁极磁选机技术参数鞍钢集团齐大山选矿厂于2003年2— 4月在一选车间进行了4极磁系永磁筒式弱磁选机与SLon- 1 500mm立环脉动高梯度磁选机组合代替永磁筒式扫选中磁机的工业试验[4]。在工业试验中暴露出4极磁系永磁筒式弱磁选机分选效率偏低的问题,齐大山选矿厂通过试验决定用多磁极磁系永磁筒式弱磁选机代替4极磁系永磁筒式弱磁选机。在对现场工艺条件和矿石性质进行认真研究之后,在试验的基础上设计了BKB- 1024型多磁极磁系。其主要参数:截面上有10个磁极,磁包角155°,极面宽为100mm,极间隙为44mm,其磁系结构见图3。
图3　多磁极磁系结构简图1—主磁极;2—磁轭;3—辅磁极3.2　BKB型多磁极磁选机特点介绍
与传统4～ 6极磁选机相比,BKB型多磁极磁选机在磁系机构、磁场分布、槽体结构等方面进行了优化设计,具体包括:(1)多磁极设计。磁极数≥ 10,在保证磁场强度和磁场深度的同时,磁性颗粒翻转次数增加1倍以上,增加了脉石从磁性夹杂中脱离的机会,提高了精矿品位。(2)更加均衡的主辅磁极设计。对测量的磁场强度试验数据进行分析,多磁极磁选机比传统磁选机磁系表面磁场分布均匀,特别是在分选时磁性物料比较集中的距磁极表面30～ 50mm左右的区域,其磁场更加均匀,其切向磁场强度的变化率仅为15%左右,而传统磁系这一指标为40%～ 60%,多磁极磁选机磁场变化率明显优于传统磁选机,这为精矿品位的提高奠定了坚实的基础。(3)磁系包角155°,扫选带比较长,增加了矿浆在磁场中的有效分选时间,有利于精矿品位提高和尾矿品位降低。(4)与多磁极、大包角磁系相匹配,多磁极磁选机槽体采用高矿浆液面设计,矿浆液面较深,从而使选别更充分,有利于降低尾矿品位。(5)在槽体底部设置了排粗装置,提前排出粗粒,从而避免了槽体堵塞、影响分选效果的现象。3.3　工业试验BKB- 1024型多磁极磁选机工业试验在鞍钢集团齐大山选矿车间进行,给矿为重选作业尾矿。试验结果表明,多磁极磁选机在筒表分选区磁感应强度170～ 180mT情况下,其精矿回收率为70.3%,产率为49.74%。与原4极CTB型磁选机相比,在回收率基本不变的情况下,其铁精矿品位提高了1～ 1.5个百分点,尾矿品位降低了0.5～ 1.5个百分点,表现出优越的分选性能。在提高精矿品位的同时,减少了两次分级与两段磨矿的量,具有显著的经济效益。多磁极永磁磁选机采用10磁极大包角磁系设计,提高了磁场梯度及表面磁场均匀性,使磁翻滚次数增加1倍以上,其夹杂的脉石不断暴露、丢失,强化了分选作业,可以提高精矿品位。由于其选别带较长,梯度大,对于降低尾矿品位也有很好的效果。与大包角磁系相适应设计的槽体具有更适应提质降杂的特点,更有利于矿物的分选。在齐大山选矿厂进行的试验结果证明了多磁极永磁磁选机的优势,作为一种简化流程、减少设备运行费用、分选效率更高的新型磁选机,试验成功后进行了推广,在中信泰富SINO铁矿和首钢秘鲁铁矿的设备选型中,采用了多台BKB- 1230型和BKB- 1232型多磁极磁选机。4　结　论(1)根据选矿厂不同作业的工艺特点和矿物性质,提出将磁铁矿分选环节划分为4个环节的观点,并针对性研制开发了BK系列专用磁选机。该系列磁选机在分选原理、磁场分布及槽体形式等方面明显不同于传统磁选机。在工业应用中也体现了专用磁选机的技术优势,具有推广价值。(2)CTB- 1245型磁选机成功研制并在选厂推广应用。由于其具有分选性能好、占地面积小、矿浆通过量大以及简化工艺流程的特点,实现了设备大型化、高效化。在铁矿、多金属矿选矿厂回收磁铁矿、选煤厂回收重介质等方面具有广阔的应用前景。(3)BKB型多磁极磁选机采用10个以上磁极组,降低了圆周方向磁场的不均匀度,增加了磁性颗粒在筒体表面的翻转次数和频率,有利于精矿品位的充分提高,适用于提高最终精矿品位的精选段。