第七章磁力分选的基本原理principleof

SectionTwo:MagneticSeparationand

High-tensionSeparation

主讲:袁致涛副教授

Lecturer:YuanZhitaoAssociateProfessor第二篇磁电分选自我介绍:袁致涛，湖北大冶人.主要研究方向为磁力分选，尤其在磁力分选方面做出了一定的成绩。1995年研制成功数字脉冲脱磁器，在南芬选矿厂成功地进行了工业试验，其脱磁效果明显好于传统塔形脱磁器，现在国内绝大多数选厂所用脱磁器皆为这种类型。2001年研制成功脉冲振动磁场磁选柱，在铁精矿提质降杂方面效果突出，优于同种类型的产品，现正进行工业化。2007年与沈阳矿山机器厂合作开发干式永磁强磁辊，负责磁辊磁系设计工作，于调军台的初步试验表明磁系设计达到国际选进水平。现正与沈阳矿山机器厂合作开发永磁高梯度磁选机、磁过滤机。7磁力分选的基本原理（principleofmagneticseparation）

7.1磁力分选的物理基础（physicalbasisofmagneticseparation）概述(outline)磁力分选根据待分选物料中不同组分的磁性的差异进行的。磁选法广泛用于黑色金属矿石的分选，有色和稀有金属矿石的精选，重介质选矿中磁性介质的回收与净化，非金属矿石中铁杂质的去除，煤矿中铁的去除，废水及垃圾的处理。

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

第二篇磁电分选金属是具有光泽、有良好的导电性、导热性与机械性能，并具有正的温度电阻系数的物质。金属，是个大家庭，现在世界上有86种金属。通常人们把金属分成两大类，黑色金属和有色金属。根据金属的颜色和性质等特征，将金属分为黑色金属和有色金属。黑色金属主要指铁、锰、铬及其合金，如钢、生铁、铁合金、铸铁等。黑色金属以外的金属称为有色金属。

黑色金属和有色金属这名字，常常使人误会，以为黑色金属一定是黑的，其实不然。黑色金属只有三种：铁、锰与铬。而它们三个都不是黑色的！纯铁是银白色的；锰是银白色的；铬是灰白色的。因为铁的表面常常生锈，盖着一层黑色的四氧化三铁与棕褐色的三氧化二铁的混合物，看去就是黑色的。怪不得人们称之为“黑色金属”。常说的“黑色冶金工业”，主要是指钢铁工业。因为最常见的合金钢是锰钢与铬钢，这样，人们把锰与铬也算成是“黑色金属”了。

除了铁、锰、铬以外，其他的金属，都算是有色金属。

在有色金属中，还有各种各样的分类方法。比如，按照比重来分，铝、镁、锂、钠、钾等的比重小于4.5，叫做“轻金属”，而铜、锌、镍、汞、锡、铅等的比重大于4.5，叫做“重金属”。像金、银、铂、锇、铱等比较贵，叫做“贵金属”，镭、铀、钍、钋等具有放射性，叫做“放射性金属”，还有像铌、钽、锆、镥、金、镭、铪、铀等因为地壳中含量较少，或者比较分散，人们又称之为“稀有金属”。

Magnetite(磁铁矿Fe3O4)第二篇磁电分选Hematite(赤铁矿Fe2O3)第二篇磁电分选limonite(褐铁矿2Fe2O3·3H2O)第二篇磁电分选Ilmenite(钛铁矿FeTiO3)第二篇磁电分选Specularite(镜铁矿Fe2O3)第二篇磁电分选Siderite(菱铁矿FeCO3)第二篇磁电分选第二篇磁电分选第二篇磁电分选7磁力分选的基本原理（principleofmagneticseparation）

在块煤(＞60mm)的分选(将煤与矸石分开)中，国内所采用的工艺就是重介质分选。原理示意图

重介质有硅铁(6.8)、方铅矿(7.5)、磁铁矿(5.0)、黄铁矿(4.9-5.1)、毒砂（砷黄铁矿5.9-6.2）。最常用的是磁铁矿。第二篇磁电分选矸石（＞密度ρ）煤（密度＜ρ）重介质（密度ρ）除铁器广泛用于冶金、矿山、选煤厂、陶瓷、玻璃、水泥、建材、化工、食品及饲料加工行业。在新兴的垃圾处理工业中，也需要除铁器回收废物中的钢铁。

第二篇磁电分选7磁力分选的基本原理（principleofmagneticseparation）

磁选是处理铁矿石的主要选矿方法。铁矿石经选矿后提高了品位，降低了二氧化硅和有害杂质含量，有益于冶炼过程，铁精矿每提高1%，高炉利用系数可增加2-3%，焦炭消耗量可降低1.5%，石灰石消耗量可减少2%。按用磁选法选别磁铁矿石的规模来说，磁选法在我国、前苏联、美国、加拿大、瑞典和挪威等国家占有重要地位。我国铁矿石资源丰富，目前保有的铁矿石探明储量居世界前列，但贫矿占80%左右，富矿仅占20％左右，而富矿中又有5%由于含有害杂质不能直接冶炼。因此，铁矿石中的80%以上需要选矿。就世界范围来说也大体如此。

第二篇磁电分选

许多有色和稀有金属矿物具有不同程度的磁性，而另一些则没有。采用单独的重选法和浮选法不能获得合格精矿，需要结合磁选和其他方法才能获得合格精矿。例如，钨矿重选所得黑钨粗精矿中，一般含有锡和其他一些有用成分。锡在钨的冶炼过程中是有害杂质。利用黑钨矿具有弱磁性和锡石无磁性这一特点采用磁选法进行处理后，可除去含锡杂质，获得合格的钨精矿。非金属原料中一般含有有害的铁杂质（一般为氧化铁及钛铁矿），加工过程中还可能混入少量机械铁，磁选和高梯度磁选可除去其中的机械铁和氧化铁。例如，高岭土中铁是一种有害杂质。含铁高时，高岭土的白度、耐火度和绝缘性都降低，严重影响制品的质量。一般若将含铁杂质除去1%～2％时，白度可提高2～4个单位。世界各国对高岭土进行了研究，并应用高梯度磁分离装置除去含铁杂质获得了良好的效果。蓝晶石、石英、红电气石、长石、霞石闪长岩等选别很早以来就用干式磁选法。例如前苏联、美国、加拿大、印度等国的霞石闪长岩的选矿，为了除去强磁性矿物，使用了弱磁场磁选机，并用强磁选机除去非磁性产品中的弱磁性矿物(如赤铁矿)。

随着人类环境保护意识的提高和资源再生的需要，磁选法被广泛用于钢渣及废金属的回收与分离以及污水处理等过程中。冶炼生产的过程中会产生大量钢渣，通过干式磨矿和干式弱磁选可以回收钢渣，在国外有生产实例。应用高梯度磁分离或结合其他一些方法处理生产和生活污水以除去其中的污物。目前世界各国正在进行广泛深入的研究，有的已应用到工业中去。比较常见的要算是用高梯度磁分离器处理钢厂废水以除去其中的磁性铁杂质。

高梯度磁选机是20世纪70年代发展起来的一项磁选工艺，它能有效地回收磁性很弱、粒度很细的矿粒。近年来将高梯度技术和超导技术相结合，又研制出了高梯度超导磁选机。

磁选发展简史

中国最早发现磁现象，在公元前一千多年就利用磁石的极性创造了指南针。从17～18世纪人们作了用手提式永久磁铁从锡石和其他稀有金属精矿中除铁的初次尝试。但是工业上开始应用磁选法选别磁铁矿石是在19世纪末，美国和瑞典制造出第一批用于干选磁铁矿石的电磁筒式磁选机。

20世纪初，磁铁矿石的磁选在瑞典得到较大的发展，出现了湿式筒式磁选机，它是现代化磁选机的原形，可以成功和经济地湿选细粒的磁铁矿石。19世纪末，为了磁选弱磁性矿石，美国制造出闭合型电磁系的强磁场带式磁选机。以后为了同一目的，前苏联和其他一些国家又制造出强磁场盘式、辊式和鼓式磁选机。上述几种磁选机共同的缺点是选别空间小，处理能力低。本世纪60年代，琼斯(Jones)型强磁选机首先在英国问世。这是强磁场磁选机的一个重要突破。这种磁选机在两原磁极间隙中成功的利用了多层的聚磁介质板，大大增加了选别空间，因而处理能力大大提高。

最近十多年来，磁选得到了较大的发展，出现了一些新的磁选工艺和新的磁选设备。高梯度磁选是本世纪70年代发展起来的一项磁选新工艺。它能有效地回收磁性很弱、粒度很细的磁性矿粒，为解决品位低、粒度细、磁性弱的氧化铁矿石的选别开辟了新途径。它不仅用于选别矿石，还可用于选别许多其他细粒和微细粒物料。高梯度磁选新工艺在环境保护领域内也有广泛的应用前景，将来可能成为全球性的环境保护的重要方法之一。磁流体选矿也是磁选新工艺。它(包括磁流体静力分选和磁流体动力分选)是以特殊的流体(如顺磁性溶液、铁磁性胶粒悬浮液和电解质溶液)作为分选介质，利用流体在磁场或磁场和电场的联合作用下产生的“加重”作用，按矿物之间的磁性和密度的差异或磁性、导电性和密度的差异，而使不同矿物实现分离的一种新的选矿方法。当矿物之间磁性差异小而密度或导电性差异较大时，采用磁流体选矿可以有效地分选。磁流体静力分选应用于金刚石的选矿在国内外已进行了一些试验研究工作。结果表明，它可以作为金刚石选矿中的精选方法之一。超导电技术是当代一门重要的新技术。近年来已把它用于选矿领域，研制出超导电磁选机。这种磁选机采用超导电材料作线圈，在极低的温度(绝对零度附近)下工作。线圈通入电流后可在较大的选分空间内产生1600kA／(20000Oe)以上的强磁场，并且线圈不消耗电能，磁场长时间不衰减。这种磁选机的体积小，重量轻，磁场强度大，分选效果好，是用于工业生产的较理想的设备。我国也正在进行超导电磁选机的研制工作。这种磁选机可用于选别矿石特别是稀有金属矿石以及从非金属矿物原料中除去含铁杂质等等。7磁力分选的基本原理（principleofmagneticseparation）

7.1.1磁学概念（magnetismconceptions）一）磁场、磁感应强度、磁场强度①磁场（magneticfield）：磁力作用的空间,即磁场强度在空间的分布情况。描述磁场大小和方向的物理量有磁感应强度B和磁场强度H。Thedistributionofthelinesofmagneticforceinspace②磁感应强度（magneticinductionormagneticfluxdensity）：磁场中某点的磁感应强度的大小等于该点处的导线通过单位电流所受力的最大值，它的方向为放在该点的小磁针的N极所指的方向。thenumberoflinesofmagneticforcepassingthroughamaterialdF=kBIdLsinθ(在国际单位制中k=1,θ=90°时力最大)

B=dFm/(IdL)

在国际单位制中B的单位是T(Wb/m2韦伯/米2、Tesla特斯拉)，在电磁单位制中B的单位为Gs（Gauss高斯）。第二篇磁电分选7磁力分选的基本原理（principleofmagneticseparation）

③磁场强度（magneticfieldintensity）：是指在任何介质中磁场中某点的磁感应强度B与同一点上磁介质的磁导率μ的比值。themagnetizingforcewhichinducesthelinesofforcethroughamaterial

H=B/μ

在国际单位制中真空中的磁导率μ（permeability）为4π×10-7H/m(亨利/米)，在电磁单位制中μ=1为一纯数。在国际单位制中H的单位为A/m(安培/米),电磁单位制中H的单位为Oe（Oersted奥斯特）。这两种单位制的换算关系为

1Oe=80A/m1T=80×104A/m=10000Oe第二篇磁电分选7磁力分选的基本原理（principleofmagneticseparation）

④均匀磁场(fieldofuniformflux)：磁场的磁力线分布均匀，即磁场中各点的磁场强度大小相等方向一致。⑤非均匀磁场(fieldofconvergingflux)：磁力线的分布不均匀，即磁场中各点的磁场强度的大小和方向都是变化的。⑥磁场梯度（gradientoffield）:磁场的不均匀程度或称磁场强度的变化率。梯度的方向为该点处变化率最大的方向，大小为该点最大变化率的数值。用dH/dx或gradH表示。第二篇磁电分选7磁力分选的基本原理（principleofmagneticseparation）

注意:(1)分选磁性不同的颗粒必须在不均匀磁场中进行：对磁选设备分选空间中磁场的基本要求是不但要有一定的磁场强度，而且还要有高的磁场梯度。(2)磁场强度和磁感应强度都是表示磁场方向和强弱的物理量,不过它们之间有所区别:由于磁介质在磁场中的磁化对磁场有影响,在均匀磁介质的情况下,包括因磁化而产生的磁场用磁感应强度B表示,在同样磁场的情况下,如果放入不同的磁介质就有不同的磁感应强度B,但是磁场强度则无变化。比如在磁场中放入一块磁导率比空气的磁导率大得多的铁块,绝大部分磁力线就密集地通过铁块，这说明磁感应强度的分布起了变化，但磁场强度并没有变化。

思考题：磁场强度可测量，但梯度无法测量，如何确定磁场中某点的磁场梯度？课外了解:我国铁矿石的主要类型；各大钢铁公司各处理何种类型矿石？第二篇磁电分选7磁力分选的基本原理（principleofmagneticseparation）

二)物体的磁化、磁化强度和磁化系数（magnetisation，intensityofmagnetisation，magneticsusceptibility）①物体的磁化（magnetisation）：原子中各个电子运动产生原子磁矩，分子则具有分子磁矩，物体在不受外磁场作用时分子的热运动使得分子磁矩取向分散，分子磁矩矢量和为零，物体不显磁性，当物体处于磁场时分子磁矩可沿外磁场取向从而显示出磁性。②磁化强度（intensityofmagnetisation）：单位体积物体的磁矩，单位为A/m

M=ΣPm/V式中ΣPm物体中各原子磁矩的矢量和V物体的体积第二篇磁电分选7磁力分选的基本原理（principleofmagneticseparation）

③磁化系数（magneticsusceptibility）：单位外磁场强度使物体产生的磁化强度称为物体的磁化系数。无单位。

κ0=M/H质地不同而体积相同的两个物体在相同的外磁场强度下被磁化时，磁矩大的物体κ0大，说明其磁性强，反之其磁性弱。④比磁化系数（massorspecificmagneticsusceptibility）：单位外磁场强度在单位质量物体上产生的磁矩。单位为m3/kg。第二篇磁电分选χ0=∑Pm/（Vρ1H）=κ0/ρ17磁力分选的基本原理（principleofmagneticseparation）

⑤退磁场（demagnetisingfield）：物体在外磁场中被磁化后,如果两端出现磁极,将在物体内部产生磁场,其方向与外磁场方向相反或接近相反,因而具有减退磁化的作用,这个磁场称为退磁场。当磁化均匀时，产生的退磁场强度与磁化强度成正比：

Hd=-NM

式中N为退磁系数(demagnetizingfactor:shape-dependentdemagnetization)，其值取决于物体的的形状（P84）。在矿物分选实践中，由于颗粒大都呈不规则几何形状，所以N一般取0.16。第二篇磁电分选SNHHHd7磁力分选的基本原理（principleofmagneticseparation）

P84\85磁场中的高斯定律、安培环路定律（5）7.1.2、在磁介质中H、B、M之间的关系(relationshipbetweenH，BandMinmagneticmedium)当电流的磁场中有磁介质时，磁场中任意一点的磁感应强度B，除了包括电流产生的磁场外，还应考虑磁介质磁化后分子电流产生的附加磁场。

B=μ0（H+M）=μ0（H+κ0H）=μ0（1+κ0）H=μ0μrH=μHμr称为磁介质的相对磁导率(relativepermeability)第二篇磁电分选7磁力分选的基本原理（principleofmagneticseparation）

7.2磁性颗粒在非均匀磁场中所受的磁力（magneticforceactingonmagneticparticlesinfieldofconvergingflux）

第二篇磁电分选H+ΔHΔLHιAf磁S

当一个载流线圈在磁场中运动时,如果线圈中的电流强度不变,则磁力所作的功为:

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

I·A为线圈的磁矩,令Pm=I·A则

ΔW=μ0·Pm·ΔH如果载流线圈在磁场中受磁场作用的合力为Fm,则磁力所作的功

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称为磁场力由上式可知:(1)作用在单位质量磁性颗粒上的磁力fm由反映磁性颗粒的比磁化系数χ0和反映颗粒所在处磁场特性的磁场力HgradH两部分组成。在分选强磁性物料(矿物)时，由于颗粒的磁性强，χ0很大，克服机械力所需要的磁场力HgradH则可以小一些；分选弱磁性物料（矿物）时，由于颗粒的磁性很弱，χ0很小，克服机械力所需要的磁场力HgradH就很大。

(2)如果颗粒所在处的磁场梯度gradH＝0，即使磁场强度很高，作用在磁性颗粒上的比磁力也等于零。这说明磁选必须在非均匀磁场中进行。为了提高磁场力HgradH，不仅需要设法提高磁场强度H，而且应该研究提高磁场梯度gradH的措施。正是由于一系列场强高、梯度大的强磁场磁选机的陆续问世，才使得磁力分选法的应用范围不断扩大。(3)应用上式计算颗粒所受的比磁力时，一般采用颗粒中心处的磁场强度H，因此，只有在磁场梯度gradH等于常数时，计算结果才是准确的。但在实际生产中，磁选设备分选空间的gradH不是常数，所以颗粒的粒度越小，其计算误差也就越小。对于粗颗粒或尺寸较大的物料块，必须将其分成许多体积很小的部分，先对每个小部分所受的磁力进行计算，然后再求出总的磁力。这在实际工作中是很难做到的，所以在通常的情况下，多是根据磁选机的类型，结合实际情况，首先估算出作用在颗粒上的机械力的合力∑F机，然后再确定所需要的磁力。(4)磁性颗粒在磁场中所受比磁力的大小，磁力的方向是沿磁场梯度的方向，即颗粒所受磁力的方向指向磁场强度升高的方向。而某点处的磁场梯度方向可能与该点的磁场方向平行，也可能与磁场方向垂直或成某一角度，但磁场梯度一定与等磁场线（磁场中磁场强度相等的点的连线）垂直。一个“细长”磁性颗粒在不均匀磁场中，其长轴方向一定平行于磁场方向，而其所受磁力方向是沿磁场梯度方向。7磁力分选的基本原理（principleofmagneticseparation）

7.3回收磁性颗粒所需要的磁力(magneticforceneededforrecoveringmagneticparticles)7.3.1磁选分离的基本条件(bas