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磁选技术的最新进展
摘要
磁选技术是材料操作的基石，在过去的30年中，这些方法已经经历了迅猛的发展。矿物磁选的优点有很多，并且这种技术的应用范围很广。许多技术里程碑和磁分离创新的主要驱动因素已经推动了各种各样的磁性技术的应用，可用于各种行业。本文回顾了磁选现状，并概述了未来的研究和发展趋势。
关键词：磁选；精细颗粒处理；回收；工业材料；铁矿石；有色金属矿石
- 概论
早在公元前550年，古希腊人就熟悉一些磁性现象。苏格拉底观察到欧里庇得斯所说的磁性矿石不仅能吸引铁环，还能赋予铁环一种力量使其能够吸引其他铁环...(Livingston,1997).人们相信，没有通过接触而施加的力通过在磁石和铁之间流动的磁性流出物来传递。磁性的实际意义，尤其是磁性分离的实际意义，直到19世纪中叶才被认识到。鲍尔，诺顿，爱迪生等人证明了从“非磁性”矸石中分离粗大强磁性铁矿石的可能性。自19世纪末以来，磁性材料与弱磁性材料的可分离性在各种磁选设备的许多应用中被证明。然而，只有最近在磁选基础知识和永磁材料发展方面取得相当大的进展，才能将磁选（MS）应用于从粗到胶以及从强磁到反磁的各种材料。
- 磁选分离原理
当一个可磁化的粒子被放置在一个非均匀的磁场中时，它受到的磁力为：
其中kappa;是颗粒的体积磁化率，mu;
0是真空磁导率，V是颗粒的体积，B是外部磁感应强度，最后一个为磁感应梯度。因此粒子所受磁力与外部磁场和磁感应梯度的乘积成正比，当磁感应梯度为零时，粒子所受磁力为零。
在磁选机器中，几个竞争力作用于粒子。其中包括重力，惯性力，流体动力学阻力，以及表面和粒子间作用力。这种情况如图一所示：
粒子所受重力大小由公式下式给出：
其中rho;是粒子的密度，而g是重力加速度。
粒子所受流体阻力大小由下式给出：
其中eta;是流体的动态粘度，b是颗粒半径，upsilon;
p是颗粒相对于流体的相对速度。
如果符合以下条件，磁性颗粒将从“非磁性”颗粒（或强磁性颗粒从弱磁性颗粒）中分离出来：
其中F
c是竞争力，而F
mag和F
non-mag分别是作用在磁性和“非磁性”颗粒上的力。
为了实现磁性粒子的高回收率，磁分离力必须大于竞争力的总和，如公式（4）所示。然而，如果：
分离的选择性将会很差，因为各种不同的可磁化颗粒之间不会有差别。该过程的选择性将受到磁力和相互作用力的相对值的严格限制。这些都受到分离器本身及其操作条件的正确选择的影响。
尽管有效分离的条件是明确定义的，但由于力的相对重要性主要由粒径决定，所以会出现并发症。从公式（1）-（3）可看出，当F
m正比于b
3或b
2，竞争力对颗粒尺寸具有以下依赖性：F
d正比于b
1，F
g正比于b
3。在F
d通常可以忽略不计的干式磁选机中，通常由于磁力和重力的粒度依赖性相同，所以粒径通常不会显着影响分离效率。在流体动力学阻力很重要的湿式分离中，分离的选择性会受到粒径分配的影响。随着粒度的减小，流体阻力的相对重要性与磁力相比增加了。
表1列出了磁力的非选择性。可以看出，施加在粗的弱磁性粒子上的磁力与施加在一个相对细的强磁性粒子上的磁力相同。这两个粒子都会出现在相同的位置，除非竞争力对不同尺寸的颗粒影响不同。
2.1、
磁场和磁场梯度的产生
尽管几十年来永磁体已经被用于在磁选机中产生磁场，但是当具有高能量产品和矫顽力的廉价的铁氧体磁体出现时，它们的普及程度进一步提高了。后来，当强大的稀土永磁体被开发出来时，出现了新一代的永磁体辊式磁选机。可以在这种辊的表面上产生具有非常高的梯度的1.9T的峰值磁场。
在早期，铁芯电磁体被用于在磁选设备中产生磁场。虽然这些磁体仍然起着重要的作用，但其意义随着永磁体和空心螺线管电磁网的出现而减弱了，无论是电阻式还是超导式。铁芯磁体的主要缺点是可达到的磁场受到铁的饱和磁化强度的限制。而且，这些磁选机的体积也受到了限制，即使在普通磁选机工作空间的适当宽度下，也会导致场强减小和设备质量的增加。这些磁铁产生的磁场通常不超过1 T。
另一方面，电阻螺线管磁体可以在体积巨大的工作空间中产生高达2T的磁场强度。因此这些磁体允许建造能够处理多达100吨/小时的物料的大型高场强磁选机。超导磁体将可用场强的范围扩展到5T或更高，但对于大于2T的磁场强度的需求在大多数应用中从未得到令人信服的证明（Svoboda，1987,1994）
有两种产生磁场梯度的基本方法，如公式（1）所示，对于磁选分离的效率同样重要。通过永磁体原件的合理配置或通过适当的成型或极片定位，可以利用磁场的变化作为距磁场产生元件的距离的函数。这种所谓的开放式梯度排列，用于大多数鼓式，滚筒式和板式磁选机。悬浮磁体中的磁场梯度约为1T / m，而在稀土永磁体辊中，磁场梯度的值为约100T / m。
通过将铁磁体（例如球，网或钢丝绒）放入磁选机的磁场中可以实现磁场梯度的显着增加（Frantz，1937）。这些磁体（通常称为矩阵）在磁化时可在局部产生高达5times;10
4T / m的磁场梯度。这项创新大大扩展了磁力的范围，从而使磁选分离适用于许多微米尺寸的弱磁或甚至是抗磁性材料。图2显示了不同类别的磁选机产生的磁力范围。
- 一些磁选机的回顾
磁选机的各种分类方案已经被引入，并且可能最实际和合乎逻辑的是将磁选机分类为干式磁选机或湿式磁选机。同时，这些磁选机可以通过磁场强度进行分类（Svoboda，1987）。该方案没有考虑磁场的梯度，这是磁选分离中同样重要的一个参数。然而，可以合理地假定弱磁选机通常产生较小磁场梯度，而强磁选机一般来说被定义为可以产生高梯度磁场的机器。但是，这种分类规则不适用于所有磁选机。磁选机的选择取决于许多因素，最重要的是物料的粒度分布，磁分布颗粒彼此分离的性质差异以及磁选机的处理量。
3.1、弱磁场干式磁选机
干式弱磁选机的主要应用是去除杂质铁和强磁性杂质或富集强磁性有价值组分。通常采用悬挂式磁选机，磁性滑轮，平板磁选机和磁格栅处理前者，筒式磁选机主要用于处理后者。图3示出了典型的悬挂式磁选机，而图4示出了磁性滑轮。
3.2、弱磁场湿式磁选机
到目前为止，最常用的弱磁性湿式磁选机是湿式筒式磁选机。随着铁氧体永久磁铁的出现，永久磁铁基单元几乎完全取代了电磁体。这种磁选机主要用于回收重介质，如用于重介质分离的磁铁矿或硅铁。 图5显示了这种磁选机的工厂安装。
这种磁选机的另一种应用是对强磁性矿物，如磁铁矿的富集。稀土永磁体的普及进一步扩大了筒式磁选机对中磁甚至弱磁材料的适用性。永磁体筒式磁选机有两种基本设计，即径向和轴向结构，如图6所示。在径向结构中，永磁体的磁极极性交替穿过筒宽，而在轴向结构中，磁极沿圆周交替。径向配置通常用于强磁性材料的回收很重要的应用。另一方面，当对磁性产品的质量有要求时，轴向配置是优选的。颗粒在交替极性的磁体上的翻滚运动有利于夹带的非磁性颗粒的释放，并因此提高了
磁性精矿的品位。
3.3、强磁场干式磁选机
矿物工业似乎一直非常需要粗大的弱磁性矿物。在过去的50年中，已经开发出多种用于这种应用的磁选机并用于工业规模试验。图7所示的交叉带式磁选机和感应磁选机曾经是特别流行的基于电磁铁的机器。
然而，过去20年来，永磁材料的发展和磁性能的提高证明是干式磁选分离技术革新的主要动力之一。图8说明了永磁体能量产品改进的历史。随着稀土永磁材料的出现，构造超过电磁强磁场磁选机产生的磁力的筒式磁选机变得可能了。
虽然磁场不容易变化，但通过合理地选择永磁材料并通过优化这种筒的几何结构，可以设计用于处理不同尺寸和磁化率的矿物。图九和图十所示的永磁筒式磁选机的质量和尺寸明显小于感应筒式磁选机。气隙的不存在意味着可以处理大颗粒。
永磁体辊式分离机在技术和商业上的巨大成功是两个因素的结果。首先是可得到很大的磁体等级和尺寸以及持续下降的成本。第二，允许优化设计的电磁建模软件的可用性正在发挥重要作用，如图11所示。
3.4、湿式高梯度强磁选机
磁选机中磁介质的引入使得以前被认为太细和磁性太弱的矿物的可选性显著增强。琼斯（1960）实现了这一发展，他将弗朗茨（Frantz，1937）的关于磁介质与高强度磁场的想法结合起来。一个基于琼斯理念的更先进的设计是SALA型高梯度磁选机（SALA HGMS），如图12所示。虽然设计和建造了许多循环和连续的湿式高场强高梯度磁选机（WHIMS或HGMS），但只有少数满足采矿业的要求。高岭土净化，铁矿和沙滩选矿是成功应用的例子。
选择性差和磁介质堵塞常常是造成HGMS声誉下降的原因。这个问题被VMS型磁选机（Cibulka等，1985）成功攻克了，这种磁选机由捷克制造，如图13所示。在这种磁选机中，传统的水平转子被垂直旋转的环代替，并且引入了反冲洗。通过将底部进料引入磁选机并持续控制通过磁介质的料浆速度使VMS磁选机得到了进一步升级（图14）。
这个概念在SLON型磁选机中得到了进一步发展（Xiong，1994）。这种磁选机由中国开发，在该磁选机中，磁介质中的料浆处于脉动状态，使其获得了更好的分离选择性。
3.5、超导磁选
虽然超导技术的意义是相当大的，但它对于磁选而言似乎并不代表重要的突破。由于对产生的磁场强度大于2T的超导磁体的需求并不明显（Svoboda，1994），因此超导磁体的主要优点还是减少了能量消耗并降低了质量。通过使用线圈的开放梯度配置（Good和Kopp，1984），超导磁体还可以在不使用磁介质的情况下在一个很大体积中产生很高的磁力。通过去除准胶体，弱磁性铁和钛氧化物来纯化高岭土是超导HGMS的主要应用。图16为使用往复磁介质的连续超导HGMS。当机器的直径为1000 mm，钻孔中产生的磁场为5T时，这种Outokumpu-Carpco型磁选机每小时能处理高达100吨的矿浆。
3.6、涡流磁选机和磁流体中的分离
考虑到对金属和金属产品回收的环境和经济需求，我们开发了高效的涡流磁选机。通过将非铁金属的非磁性导电颗粒暴露于一个交变的磁场，涡流磁选机产生了与外场相反的交变磁场。由此产生的磁斥力所造成的混合物组分的空间位移，取决于它们的电导率和密度（Schloemann，1982）。
涡流磁选机的大多数设计都配有接地永磁体的旋转滚筒，其极性交替变化。图17为这种磁选机的示意图。大多数商用涡流磁选机的共同缺点是对小于5毫米的颗粒的分离效果较差。因此，最近的研究一直致力于对小的有色金属颗粒的有效分离（Zhang等人，1999）。这些研究发展允许应用涡电流技术来分离小至0.1mm的金属颗粒。
使用磁性流体作为分离介质可以实现单个有色金属的选择性回收和分离。当磁性液体被放入一个不均匀的磁场，它表现出与其自然密度不同的表观密度。这种表观密度可以通过各种各样的值来控制，超过所有已知元素和材料的密度。多种铁氢动力学（FHS）磁选机在过去的20年里被设计用于从汽车废料中分离有色金属和回收黄金，铂族金属和钻石（Fujita，1996; Svoboda，2000）。虽然这一努力已经表明，以工业上实现高选择性分离是非常有可能的，FHS的大规模实施却尚未发生。具有成本效益，环保以及可以轻松回收的用户友好型磁性流体，这些优点使FHS具有巨大的前景。
- 磁选的未来趋势
总的来说，磁选分离和磁选技术已经应用于工程和科学的许多领域，并取得了各自的成功。这种技术具有可供选择的磁力，可以选择性地控制各种值，并且由于所有的物质都具有磁性，所以磁选具有普遍的适用性。
图18显示了当前的研究和发展趋势以及未来的研究重点（Svoboda，2001）。图中可以识别出几个可能受到关注的领域，如提高对HGMS理论和操作原理的理解，明智而合理地纳入超导电性，并特别强调高温超导电性和将新型磁性材料纳入新的磁体设计。
如图18所示，我们正在从更根本的角度研究已经设想和应用的磁选方法，比如超导MS，小颗粒（lt;5mm）涡流分离和生物医学MS，预计在不久的将来会取得进一步的进展。
另一方面，在学术层面受到关注的诸如细颗粒（lt;1 mm）涡流分离，铁静水分离和高温超导MS等技术，正在进入发展阶段。也可以预期，基于磁性的新磁选方法将在理论上或经验上进行研究。如弱磁性材料的磁性絮凝过程，以及通过粒子旋转，磁浮或磁重力进行分离只是其中几个例子。为了成功开发和实施这些新颖的方法，将深厚的科学基础知识与在
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