第七章磁力分選的基本原理principleof

SectionTwo:MagneticSeparationand

High-tensionSeparation

主講:袁致濤副教授

Lecturer:YuanZhitaoAssociateProfessor第二篇磁電分選自我介紹:袁致濤，湖北大冶人.主要研究方向為磁力分選，尤其在磁力分選方面做出了一定的成績。1995年研制成功數(shù)字脈沖脫磁器，在南芬選礦廠成功地進行了工業(yè)試驗，其脫磁效果明顯好于傳統(tǒng)塔形脫磁器，現(xiàn)在國內(nèi)絕大多數(shù)選廠所用脫磁器皆為這種類型。2001年研制成功脈沖振動磁場磁選柱，在鐵精礦提質(zhì)降雜方面效果突出，優(yōu)于同種類型的產(chǎn)品，現(xiàn)正進行工業(yè)化。2007年與沈陽礦山機器廠合作開發(fā)干式永磁強磁輥，負責磁輥磁系設計工作，于調(diào)軍臺的初步試驗表明磁系設計達到國際選進水平?，F(xiàn)正與沈陽礦山機器廠合作開發(fā)永磁高梯度磁選機、磁過濾機。7磁力分選的基本原理（principleofmagneticseparation）

7.1磁力分選的物理基礎（physicalbasisofmagneticseparation）概述(outline)磁力分選根據(jù)待分選物料中不同組分的磁性的差異進行的。磁選法廣泛用于黑色金屬礦石的分選，有色和稀有金屬礦石的精選，重介質(zhì)選礦中磁性介質(zhì)的回收與凈化，非金屬礦石中鐵雜質(zhì)的去除，煤礦中鐵的去除，廢水及垃圾的處理。

Magneticseparationexploitsthedifferenceinmagneticpropertiesbetweentheoremineralsandisusedtoseparateeithervaluablemineralsfromnon-magneticgaugue,e.g.magnetitefromquartz,ormagneticcontaminantsorothervaluablemineralsfromthenon-magneticvalues.Anexampleofassociatedwithtracesofmagnetiteorwolframitewhichcanberemovedbymagneticseparators.

第二篇磁電分選金屬是具有光澤、有良好的導電性、導熱性與機械性能，并具有正的溫度電阻系數(shù)的物質(zhì)。金屬，是個大家庭，現(xiàn)在世界上有86種金屬。通常人們把金屬分成兩大類，黑色金屬和有色金屬。根據(jù)金屬的顏色和性質(zhì)等特征，將金屬分為黑色金屬和有色金屬。黑色金屬主要指鐵、錳、鉻及其合金，如鋼、生鐵、鐵合金、鑄鐵等。黑色金屬以外的金屬稱為有色金屬。

黑色金屬和有色金屬這名字，常常使人誤會，以為黑色金屬一定是黑的，其實不然。黑色金屬只有三種：鐵、錳與鉻。而它們?nèi)齻€都不是黑色的！純鐵是銀白色的；錳是銀白色的；鉻是灰白色的。因為鐵的表面常常生銹，蓋著一層黑色的四氧化三鐵與棕褐色的三氧化二鐵的混合物，看去就是黑色的。怪不得人們稱之為“黑色金屬”。常說的“黑色冶金工業(yè)”，主要是指鋼鐵工業(yè)。因為最常見的合金鋼是錳鋼與鉻鋼，這樣，人們把錳與鉻也算成是“黑色金屬”了。

除了鐵、錳、鉻以外，其他的金屬，都算是有色金屬。

在有色金屬中，還有各種各樣的分類方法。比如，按照比重來分，鋁、鎂、鋰、鈉、鉀等的比重小于4.5，叫做“輕金屬”，而銅、鋅、鎳、汞、錫、鉛等的比重大于4.5，叫做“重金屬”。像金、銀、鉑、鋨、銥等比較貴，叫做“貴金屬”，鐳、鈾、釷、釙等具有放射性，叫做“放射性金屬”，還有像鈮、鉭、鋯、镥、金、鐳、鉿、鈾等因為地殼中含量較少，或者比較分散，人們又稱之為“稀有金屬”。

Magnetite(磁鐵礦Fe3O4)第二篇磁電分選Hematite(赤鐵礦Fe2O3)第二篇磁電分選limonite(褐鐵礦2Fe2O3·3H2O)第二篇磁電分選Ilmenite(鈦鐵礦FeTiO3)第二篇磁電分選Specularite(鏡鐵礦Fe2O3)第二篇磁電分選Siderite(菱鐵礦FeCO3)第二篇磁電分選第二篇磁電分選第二篇磁電分選7磁力分選的基本原理（principleofmagneticseparation）

在塊煤(＞60mm)的分選(將煤與矸石分開)中，國內(nèi)所采用的工藝就是重介質(zhì)分選。原理示意圖

重介質(zhì)有硅鐵(6.8)、方鉛礦(7.5)、磁鐵礦(5.0)、黃鐵礦(4.9-5.1)、毒砂（砷黃鐵礦5.9-6.2）。最常用的是磁鐵礦。第二篇磁電分選矸石（＞密度ρ）煤（密度＜ρ）重介質(zhì)（密度ρ）除鐵器廣泛用于冶金、礦山、選煤廠、陶瓷、玻璃、水泥、建材、化工、食品及飼料加工行業(yè)。在新興的垃圾處理工業(yè)中，也需要除鐵器回收廢物中的鋼鐵。

第二篇磁電分選7磁力分選的基本原理（principleofmagneticseparation）

磁選是處理鐵礦石的主要選礦方法。鐵礦石經(jīng)選礦后提高了品位，降低了二氧化硅和有害雜質(zhì)含量，有益于冶煉過程，鐵精礦每提高1%，高爐利用系數(shù)可增加2-3%，焦炭消耗量可降低1.5%，石灰石消耗量可減少2%。按用磁選法選別磁鐵礦石的規(guī)模來說，磁選法在我國、前蘇聯(lián)、美國、加拿大、瑞典和挪威等國家占有重要地位。我國鐵礦石資源豐富，目前保有的鐵礦石探明儲量居世界前列，但貧礦占80%左右，富礦僅占20％左右，而富礦中又有5%由于含有害雜質(zhì)不能直接冶煉。因此，鐵礦石中的80%以上需要選礦。就世界范圍來說也大體如此。

第二篇磁電分選

許多有色和稀有金屬礦物具有不同程度的磁性，而另一些則沒有。采用單獨的重選法和浮選法不能獲得合格精礦，需要結(jié)合磁選和其他方法才能獲得合格精礦。例如，鎢礦重選所得黑鎢粗精礦中，一般含有錫和其他一些有用成分。錫在鎢的冶煉過程中是有害雜質(zhì)。利用黑鎢礦具有弱磁性和錫石無磁性這一特點采用磁選法進行處理后，可除去含錫雜質(zhì)，獲得合格的鎢精礦。非金屬原料中一般含有有害的鐵雜質(zhì)（一般為氧化鐵及鈦鐵礦），加工過程中還可能混入少量機械鐵，磁選和高梯度磁選可除去其中的機械鐵和氧化鐵。例如，高嶺土中鐵是一種有害雜質(zhì)。含鐵高時，高嶺土的白度、耐火度和絕緣性都降低，嚴重影響制品的質(zhì)量。一般若將含鐵雜質(zhì)除去1%～2％時，白度可提高2～4個單位。世界各國對高嶺土進行了研究，并應用高梯度磁分離裝置除去含鐵雜質(zhì)獲得了良好的效果。藍晶石、石英、紅電氣石、長石、霞石閃長巖等選別很早以來就用干式磁選法。例如前蘇聯(lián)、美國、加拿大、印度等國的霞石閃長巖的選礦，為了除去強磁性礦物，使用了弱磁場磁選機，并用強磁選機除去非磁性產(chǎn)品中的弱磁性礦物(如赤鐵礦)。

隨著人類環(huán)境保護意識的提高和資源再生的需要，磁選法被廣泛用于鋼渣及廢金屬的回收與分離以及污水處理等過程中。冶煉生產(chǎn)的過程中會產(chǎn)生大量鋼渣，通過干式磨礦和干式弱磁選可以回收鋼渣，在國外有生產(chǎn)實例。應用高梯度磁分離或結(jié)合其他一些方法處理生產(chǎn)和生活污水以除去其中的污物。目前世界各國正在進行廣泛深入的研究，有的已應用到工業(yè)中去。比較常見的要算是用高梯度磁分離器處理鋼廠廢水以除去其中的磁性鐵雜質(zhì)。

高梯度磁選機是20世紀70年代發(fā)展起來的一項磁選工藝，它能有效地回收磁性很弱、粒度很細的礦粒。近年來將高梯度技術(shù)和超導技術(shù)相結(jié)合，又研制出了高梯度超導磁選機。

磁選發(fā)展簡史

中國最早發(fā)現(xiàn)磁現(xiàn)象，在公元前一千多年就利用磁石的極性創(chuàng)造了指南針。從17～18世紀人們作了用手提式永久磁鐵從錫石和其他稀有金屬精礦中除鐵的初次嘗試。但是工業(yè)上開始應用磁選法選別磁鐵礦石是在19世紀末，美國和瑞典制造出第一批用于干選磁鐵礦石的電磁筒式磁選機。

20世紀初，磁鐵礦石的磁選在瑞典得到較大的發(fā)展，出現(xiàn)了濕式筒式磁選機，它是現(xiàn)代化磁選機的原形，可以成功和經(jīng)濟地濕選細粒的磁鐵礦石。19世紀末，為了磁選弱磁性礦石，美國制造出閉合型電磁系的強磁場帶式磁選機。以后為了同一目的，前蘇聯(lián)和其他一些國家又制造出強磁場盤式、輥式和鼓式磁選機。上述幾種磁選機共同的缺點是選別空間小，處理能力低。本世紀60年代，瓊斯(Jones)型強磁選機首先在英國問世。這是強磁場磁選機的一個重要突破。這種磁選機在兩原磁極間隙中成功的利用了多層的聚磁介質(zhì)板，大大增加了選別空間，因而處理能力大大提高。

最近十多年來，磁選得到了較大的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的磁選工藝和新的磁選設備。高梯度磁選是本世紀70年代發(fā)展起來的一項磁選新工藝。它能有效地回收磁性很弱、粒度很細的磁性礦粒，為解決品位低、粒度細、磁性弱的氧化鐵礦石的選別開辟了新途徑。它不僅用于選別礦石，還可用于選別許多其他細粒和微細粒物料。高梯度磁選新工藝在環(huán)境保護領(lǐng)域內(nèi)也有廣泛的應用前景，將來可能成為全球性的環(huán)境保護的重要方法之一。磁流體選礦也是磁選新工藝。它(包括磁流體靜力分選和磁流體動力分選)是以特殊的流體(如順磁性溶液、鐵磁性膠粒懸浮液和電解質(zhì)溶液)作為分選介質(zhì)，利用流體在磁場或磁場和電場的聯(lián)合作用下產(chǎn)生的“加重”作用，按礦物之間的磁性和密度的差異或磁性、導電性和密度的差異，而使不同礦物實現(xiàn)分離的一種新的選礦方法。當?shù)V物之間磁性差異小而密度或?qū)щ娦圆町愝^大時，采用磁流體選礦可以有效地分選。磁流體靜力分選應用于金剛石的選礦在國內(nèi)外已進行了一些試驗研究工作。結(jié)果表明，它可以作為金剛石選礦中的精選方法之一。超導電技術(shù)是當代一門重要的新技術(shù)。近年來已把它用于選礦領(lǐng)域，研制出超導電磁選機。這種磁選機采用超導電材料作線圈，在極低的溫度(絕對零度附近)下工作。線圈通入電流后可在較大的選分空間內(nèi)產(chǎn)生1600kA／(20000Oe)以上的強磁場，并且線圈不消耗電能，磁場長時間不衰減。這種磁選機的體積小，重量輕，磁場強度大，分選效果好，是用于工業(yè)生產(chǎn)的較理想的設備。我國也正在進行超導電磁選機的研制工作。這種磁選機可用于選別礦石特別是稀有金屬礦石以及從非金屬礦物原料中除去含鐵雜質(zhì)等等。7磁力分選的基本原理（principleofmagneticseparation）

7.1.1磁學概念（magnetismconceptions）一）磁場、磁感應強度、磁場強度①磁場（magneticfield）：磁力作用的空間,即磁場強度在空間的分布情況。描述磁場大小和方向的物理量有磁感應強度B和磁場強度H。Thedistributionofthelinesofmagneticforceinspace②磁感應強度（magneticinductionormagneticfluxdensity）：磁場中某點的磁感應強度的大小等于該點處的導線通過單位電流所受力的最大值，它的方向為放在該點的小磁針的N極所指的方向。thenumberoflinesofmagneticforcepassingthroughamaterialdF=kBIdLsinθ(在國際單位制中k=1,θ=90°時力最大)

B=dFm/(IdL)

在國際單位制中B的單位是T(Wb/m2韋伯/米2、Tesla特斯拉)，在電磁單位制中B的單位為Gs（Gauss高斯）。第二篇磁電分選7磁力分選的基本原理（principleofmagneticseparation）

③磁場強度（magneticfieldintensity）：是指在任何介質(zhì)中磁場中某點的磁感應強度B與同一點上磁介質(zhì)的磁導率μ的比值。themagnetizingforcewhichinducesthelinesofforcethroughamaterial

H=B/μ

在國際單位制中真空中的磁導率μ（permeability）為4π×10-7H/m(亨利/米)，在電磁單位制中μ=1為一純數(shù)。在國際單位制中H的單位為A/m(安培/米),電磁單位制中H的單位為Oe（Oersted奧斯特）。這兩種單位制的換算關(guān)系為

1Oe=80A/m1T=80×104A/m=10000Oe第二篇磁電分選7磁力分選的基本原理（principleofmagneticseparation）

④均勻磁場(fieldofuniformflux)：磁場的磁力線分布均勻，即磁場中各點的磁場強度大小相等方向一致。⑤非均勻磁場(fieldofconvergingflux)：磁力線的分布不均勻，即磁場中各點的磁場強度的大小和方向都是變化的。⑥磁場梯度（gradientoffield）:磁場的不均勻程度或稱磁場強度的變化率。梯度的方向為該點處變化率最大的方向，大小為該點最大變化率的數(shù)值。用dH/dx或gradH表示。第二篇磁電分選7磁力分選的基本原理（principleofmagneticseparation）

注意:(1)分選磁性不同的顆粒必須在不均勻磁場中進行：對磁選設備分選空間中磁場的基本要求是不但要有一定的磁場強度，而且還要有高的磁場梯度。(2)磁場強度和磁感應強度都是表示磁場方向和強弱的物理量,不過它們之間有所區(qū)別:由于磁介質(zhì)在磁場中的磁化對磁場有影響,在均勻磁介質(zhì)的情況下,包括因磁化而產(chǎn)生的磁場用磁感應強度B表示,在同樣磁場的情況下,如果放入不同的磁介質(zhì)就有不同的磁感應強度B,但是磁場強度則無變化。比如在磁場中放入一塊磁導率比空氣的磁導率大得多的鐵塊,絕大部分磁力線就密集地通過鐵塊，這說明磁感應強度的分布起了變化，但磁場強度并沒有變化。

思考題：磁場強度可測量，但梯度無法測量，如何確定磁場中某點的磁場梯度？課外了解:我國鐵礦石的主要類型；各大鋼鐵公司各處理何種類型礦石？第二篇磁電分選7磁力分選的基本原理（principleofmagneticseparation）

二)物體的磁化、磁化強度和磁化系數(shù)（magnetisation，intensityofmagnetisation，magneticsusceptibility）①物體的磁化（magnetisation）：原子中各個電子運動產(chǎn)生原子磁矩，分子則具有分子磁矩，物體在不受外磁場作用時分子的熱運動使得分子磁矩取向分散，分子磁矩矢量和為零，物體不顯磁性，當物體處于磁場時分子磁矩可沿外磁場取向從而顯示出磁性。②磁化強度（intensityofmagnetisation）：單位體積物體的磁矩，單位為A/m

M=ΣPm/V式中ΣPm物體中各原子磁矩的矢量和V物體的體積第二篇磁電分選7磁力分選的基本原理（principleofmagneticseparation）

③磁化系數(shù)（magneticsusceptibility）：單位外磁場強度使物體產(chǎn)生的磁化強度稱為物體的磁化系數(shù)。無單位。

κ0=M/H質(zhì)地不同而體積相同的兩個物體在相同的外磁場強度下被磁化時，磁矩大的物體κ0大，說明其磁性強，反之其磁性弱。④比磁化系數(shù)（massorspecificmagneticsusceptibility）：單位外磁場強度在單位質(zhì)量物體上產(chǎn)生的磁矩。單位為m3/kg。第二篇磁電分選χ0=∑Pm/（Vρ1H）=κ0/ρ17磁力分選的基本原理（principleofmagneticseparation）

⑤退磁場（demagnetisingfield）：物體在外磁場中被磁化后,如果兩端出現(xiàn)磁極,將在物體內(nèi)部產(chǎn)生磁場,其方向與外磁場方向相反或接近相反,因而具有減退磁化的作用,這個磁場稱為退磁場。當磁化均勻時，產(chǎn)生的退磁場強度與磁化強度成正比：

Hd=-NM

式中N為退磁系數(shù)(demagnetizingfactor:shape-dependentdemagnetization)，其值取決于物體的的形狀（P84）。在礦物分選實踐中，由于顆粒大都呈不規(guī)則幾何形狀，所以N一般取0.16。第二篇磁電分選SNHHHd7磁力分選的基本原理（principleofmagneticseparation）

P84\85磁場中的高斯定律、安培環(huán)路定律（5）7.1.2、在磁介質(zhì)中H、B、M之間的關(guān)系(relationshipbetweenH，BandMinmagneticmedium)當電流的磁場中有磁介質(zhì)時，磁場中任意一點的磁感應強度B，除了包括電流產(chǎn)生的磁場外，還應考慮磁介質(zhì)磁化后分子電流產(chǎn)生的附加磁場。

B=μ0（H+M）=μ0（H+κ0H）=μ0（1+κ0）H=μ0μrH=μHμr稱為磁介質(zhì)的相對磁導率(relativepermeability)第二篇磁電分選7磁力分選的基本原理（principleofmagneticseparation）

7.2磁性顆粒在非均勻磁場中所受的磁力（magneticforceactingonmagneticparticlesinfieldofconvergingflux）

第二篇磁電分選H+ΔHΔLHιAf磁S

當一個載流線圈在磁場中運動時,如果線圈中的電流強度不變,則磁力所作的功為:

ΔW=I·ΔΦ=I·ΔB·A=Iμ0[A(H+ΔH)－AH]=I·A·ΔH·μ0

I·A為線圈的磁矩,令Pm=I·A則

ΔW=μ0·Pm·ΔH如果載流線圈在磁場中受磁場作用的合力為Fm,則磁力所作的功

ΔW=Fm·ΔL

Fm·ΔL=μ0·Pm·ΔHFm=μ0·Pm·ΔH/ΔL=μ0·M·ΔV·gradH=μ0·κ0·H

·ΔV·gradH=μ0·χ0·ρ·ΔV·H·gradH=m·μ0·χ0·H·gradH

fm=

μ0·χ0·H·gradH

H·gradH稱為磁場力由上式可知:(1)作用在單位質(zhì)量磁性顆粒上的磁力fm由反映磁性顆粒的比磁化系數(shù)χ0和反映顆粒所在處磁場特性的磁場力HgradH兩部分組成。在分選強磁性物料(礦物)時，由于顆粒的磁性強，χ0很大，克服機械力所需要的磁場力HgradH則可以小一些；分選弱磁性物料（礦物）時，由于顆粒的磁性很弱，χ0很小，克服機械力所需要的磁場力HgradH就很大。

(2)如果顆粒所在處的磁場梯度gradH＝0，即使磁場強度很高，作用在磁性顆粒上的比磁力也等于零。這說明磁選必須在非均勻磁場中進行。為了提高磁場力HgradH，不僅需要設法提高磁場強度H，而且應該研究提高磁場梯度gradH的措施。正是由于一系列場強高、梯度大的強磁場磁選機的陸續(xù)問世，才使得磁力分選法的應用范圍不斷擴大。(3)應用上式計算顆粒所受的比磁力時，一般采用顆粒中心處的磁場強度H，因此，只有在磁場梯度gradH等于常數(shù)時，計算結(jié)果才是準確的。但在實際生產(chǎn)中，磁選設備分選空間的gradH不是常數(shù)，所以顆粒的粒度越小，其計算誤差也就越小。對于粗顆?；虺叽巛^大的物料塊，必須將其分成許多體積很小的部分，先對每個小部分所受的磁力進行計算，然后再求出總的磁力。這在實際工作中是很難做到的，所以在通常的情況下，多是根據(jù)磁選機的類型，結(jié)合實際情況，首先估算出作用在顆粒上的機械力的合力∑F機，然后再確定所需要的磁力。(4)磁性顆粒在磁場中所受比磁力的大小，磁力的方向是沿磁場梯度的方向，即顆粒所受磁力的方向指向磁場強度升高的方向。而某點處的磁場梯度方向可能與該點的磁場方向平行，也可能與磁場方向垂直或成某一角度，但磁場梯度一定與等磁場線（磁場中磁場強度相等的點的連線）垂直。一個“細長”磁性顆粒在不均勻磁場中，其長軸方向一定平行于磁場方向，而其所受磁力方向是沿磁場梯度方向。7磁力分選的基本原理（principleofmagneticseparation）

7.3回收磁性顆粒所需要的磁力(magneticforceneededforrecoveringmagneticparticles)7.3.1磁選分離的基本條件(bas