聚磁介質（聚磁介質）

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及齒板型介質作為聚磁介質。在瓊斯發(fā)現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引入磁選領域，強磁選技術的發(fā)展重心才由單一追求磁場強度的提高轉向如何獲得高磁場梯度的技術領域。此后的研究過程中，根據被處理物料的性質差異及實際分選需要，高梯度聚磁介質已有鋼毛介質、網介質、不同截面形狀的棒介質及不同形式的組合介質等多種形式介質投入使用，已投入生產實踐的聚磁介質類型見下表。

介質材質

聚磁介質作為高梯度磁選機中捕獲弱磁性礦物的結構體，其材質對分選空間磁場特性、分選效果及介質使用壽命等均構成影響。無論是鋼毛介質、網介質還是棒介質，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。聚磁介質材質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生產與加工成本，新聚磁介質材質的研究通常以鐵基材料為基體，根據預期性能添加特定元素或改變特定元素的含量而展開。

據文獻報道，20 世紀 70 年代美國所用不銹鋼鋼毛材質經分析為含鉻導磁不銹鋼，其具有耐腐蝕性良好、強度高、產生的磁場梯度大等特點。

國內高梯度聚磁介質的研發(fā)應用比國外推遲了約 10 a。長沙礦冶研究院于 1978 年首先研制出國內第一代不銹導磁鋼毛及鋼板網介質。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介質，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。

介質形狀

到目前為止，已有諸多形狀的聚磁介質被應用，其中常見形狀有齒板型、鋼毛狀(絲狀)、編織網和鋼板網狀、棒狀等。介質形狀對其周圍磁場分布影響很大，通常情況下，介質磁化未達飽和狀態(tài)時，其表面棱角越明顯、相對尺寸越小，產生的磁場梯度越高。按磁場梯度大小對不同形狀介質的排序大體為鋼毛 > 編織網和鋼板網 > 棒狀 > 齒板?？紤]到介質形狀對礦漿的流動阻力、單位容積內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。

王常任等針對鋼毛狀介質機械捕獲率大、易堵塞、分離精度低的不足曾開發(fā)了一種 BW 型磁介質，其形狀為鋼絲，表面設置許多尖刺，從而增大介質表面磁場梯度。通過對低品位黑鎢礦泥的分選效果對比研究可以看出，應用設置了尖刺的鋼毛介質的磁選機的精礦 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，兩種介質均可生產合格產品，但使用 BW 介質的磁性產品產率高出 27 ～30 個百分點。

翟宏新對介質斷面形狀效應進行了研究，結果表明，截面面積相當的三邊形、四邊形、六邊形及八邊形鋼毛介質中，三角形與矩形斷面的介質磁力跌落較快，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，較之以往，鋼毛聚磁介質堵塞情況有所改善。

磁場特性

關于聚磁介質的磁場特性研究主要以齒板型、鋼毛型和棒型介質為主展開。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，并針對齒板參數的變化對磁場分布的影響進行了討論。楊龍采用復變函數解析法得到齒板磁場的磁場強度、梯度和比磁力的函數表達式，并對齒板磁極的幾種組合方式進行了對比分析，結果表明，幾種組合的磁極均可達到同一數量級的比磁力。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疑，并給出詳盡的分析。徐建成、徐建民曾對幾篇關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論。

捕集機理

伴隨著高梯度磁選技術應用的擴展，國內外學者對高梯度磁選捕集機理的研究也不斷深入。以往關于這方面的研究基本上圍繞絲狀介質對顆粒的捕集機理而展開。早期由研究聚磁介質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、流速和介質負荷等參數對捕集效果的影響，通過回歸試驗建立了顆粒捕集經驗模型。

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。經過 Watson和R. Gerber等人的完善，推導出了單絲介質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。然而運動軌跡模型僅能定性地了解磁性顆粒、介質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上吸附聚集的過程?；诖?，Lubor-sky 和 Drummond在顆粒運動軌跡模型基礎上，提出了單絲介質上顆粒的聚集理論，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，推導出了聚磁介質上顆粒聚集的滿載荷條件方程并利用載荷數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上，Briss 等人對多絲介質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捕集磁性顆粒所建立的各種理論及經驗模型雖在一定程度上對顆粒捕集機理進行了闡釋，但對于數量眾多的聚磁介質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，其數學復雜性難以通過數學表達式來概括。而目前計算機仿真模擬技術在各個研究領域的應用日漸成熟，國內外研究人員已將仿真模擬技術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，對有效了解磁性顆粒捕集過程及改善捕集效果頗為有利。