第六章 磁选及电选 2015

第六章

磁场与电场分选6.1.1磁选过程

磁选：基于物料之间磁性差异，在不均匀磁场中实现不同磁性物料分离的一种技术。6.1磁场分选

在分选磁场中，物料同时受到磁场力（Fm）和竞争力（Fc）的作用，竞争力包括：重力、惯性力、流体拖曳力、摩擦力、离心力及颗粒相互作用力等。

作用在磁性较强颗粒上的磁力Fm必须大于作用于其上的竞争力之和∑Fc；同时作用在磁性较弱颗粒上的磁力Fm就当小于相应的竞争力之和∑Fc。即以公式表示的必要条件为：6.1.2磁力磁极在磁场中某点所受的磁力大小为

比磁力f：单位质量磁性颗粒所受的磁力

Fm＝QmH

6.1.3改变物质磁性的方法容积磁性的改变

磁化焙烧――在一定温度和一定气氛下把弱磁性铁矿物，转变为亚铁磁性矿物（磁铁矿或磁赤铁矿）。表面磁性的改变

化学、电化学法――在弱磁性矿物表面经过一定的化学、电化学处理过程在原来的矿物表面生成一些新的强磁性成分，包括碱浸磁化、电化学处理；

表面化学法――在原弱磁性矿物成分经过一些表面活性药剂的作用，生成新的磁性较强的吸附物附着在矿物表面，有疏水磁化、磁种磁化、磁化剂磁化。容积磁性的改变磁化焙烧原理

氧化焙烧：黄铁矿氧化成磁黄铁矿7FeS2+6O2→Fe7S8+2SO23Fe7S8+38O2→7Fe3O4+24SO2

黄铁矿的磁化焙烧除与温度、气氛有关外，还与硫化铁的组成有关。

中性焙烧

3FeCO3→Fe3O4+2CO2+CO（不加空气）2FeCO3+0.5O2→Fe2O3+2CO2（加少量空气）3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

菱铁矿（FeCO3）、菱镁铁矿，菱铁镁矿和镁菱铁矿等碳酸铁矿石在不通空气或通入少量空气的情况下加热到一定温度(300℃～400℃)后，可进行分解，生成磁铁矿。其化学反应如下：

焙烧质量还原率：R＝FeO/TFe×100%R=38～52%说明焙烧较好

在570℃左右，用含有CO、H2、C和CH4等成分的还原剂对赤铁矿进行焙烧反应：3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO23Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO还原焙烧热磁选矿

利用矿物磁性与温度的变化关系，在一定的温度条件下，（居里温度：铁磁性转变为顺磁性的温度；奈尔温度：反铁磁性转变为顺铁磁性的温度）两种具有相同磁化率的矿物，但居里点或奈尔点不同时，可以在一中间温度分选。

矿石焙烧法的优点：提高设备的处理能力和深选能力；提高矿石的可磨性，降低磨机能耗；降低选矿过程的水耗；降低矿泥的生成。缺点：能耗高，成本高6.1.3.2改变矿物表面磁性

根据作用原理不同，改变矿物表面磁性的方法可分为：化学、电化学法和表面化学法两类。

化学、电化学法的实质是原弱磁矿物成分经过一定的化学、电化学处理过程在原来的矿物表面生成一些新的磁性强的成分。表面化学法的实质是原弱磁性矿物成分经过一些表面活性药剂的作用，生成新的磁性较强的吸附物附着在矿物表面。属于化学、电化学法的有碱浸磁化、电化学处理两种方法；属于表面化学法的有疏水磁化，磁种磁化和磁化剂磁化三种方法。1）碱浸磁化

碱浸磁化法的实质是破坏原矿物化学组成，使FeCO3分解，形成Fe(OH)2并进一步转化为强磁性的γ-Fe2O3和Fe3O4。FeC03+2NaOH=Fe(OH)2+2Na2CO3

3Fe(OH)2+O2=Fe3O4+H2O2Fe(OH)2+O2=γ-Fe2O3+H20

在低氧化速度和适量氧化铁时可获得很高的比磁化率。氧化缓慢，主要生成了强磁性的γ-Fe2O3和Fe3O4，否则，α-Fe2O3增多。

2）疏水磁化

对于逆磁性和顺磁性矿物，用表面活性物质处理后矿物表面疏水化，再经受磁场作用，矿物比磁化率增加。称该法为疏水—磁化法。

疏水磁化法的实质是：碱浸使矿物表面局部溶解，脂肪酸皂(表面活性物质)与矿物表面残存的铁或矿浆中的含铁成分形成疏水性的脂肪酸铁表膜，覆盖在矿物表面上，该表膜在磁场作用下定向，故磁化率增高。

疏水磁化的主要过程是:原矿→碱浸(NaOH2.5kg/t)→洗涤→碱浸(NaOH1.0kg/t)→表面活性剂处理(中性油0.4kg,C17H33COONa2.0kg)→磁选。3）磁种磁化

磁种磁化，就是在一定条件下调整料浆，并在料浆中加入磁种，使其选择性粘附于目的物料上并提高目的物料磁性的过程；磁性增加后的目的物料，便于用高效的弱磁场磁选机分选；这就是磁种分选。

根据作用原理不同，磁化还可区分为利用疏水团聚作用的磁种磁化，利用凝聚作用的磁种磁化，利用高分子絮凝剂作用的磁种磁化。4）磁化剂磁化

外加的磁性物质通过磁化剂分子选择性吸附在目的矿物上而使其磁性提高的过程，称磁化剂磁化。

图5-22磁化剂磁化示意图

磁化剂应当是具有表面活性的复极性分子，它的亲固基要有很好的选择性，对各种不同的目的物料，应有特有的亲固基。6.1.4分选磁场的磁场特性

磁选机的磁场类型大致可分为三种:开放磁系磁场、闭合磁系磁场、磁(分选)阶质磁场。6.1.4.1开放磁系磁场

(1)磁场特性图5-23(a)平面排列和(b)圆柱面排列开放磁系

Hy=H0e-cy

索契涅夫经验公式

平面排列和圆柱面排列型磁系的非均匀系数分别为对(5-53)式Hy关于y微分，可确定磁场梯度，即

磁场力为磁场强度与磁场梯度的乘积，即

可确定磁极按平面排列和柱面排列开放磁系的磁场力：和

磁场深度和磁场力深度是指沿磁系半径线上，以极面为起点，磁场强度和磁场力能够达到的有效距离．（2）合适磁极的确定

作用在磁性颗粒上的比磁力

最大磁力时的C值

假定圆筒磁选机的极面至筒面的距离为Δ,则因为XP、H0和e-2cy都不为零,故1－2cy=0,即

6.1.4.2闭合磁系磁场闭合磁系的特点

异性磁极面对面排列，极距小，即空气隙小，则磁阻小，因而极间磁场强度高。

为了产生磁场梯度，常将闭合磁系的感应磁极做成不同形状的齿形极，与相对的平面磁极或凹槽磁极构成不同型式的磁极对，这些不同型式磁极对被用于不同类型的强磁选机。单齿－平面磁极对(a)多齿－平面磁极对(b)图5-24（1）单齿一平面磁极

主要缺点：

平面极附近的磁场比较均匀，磁场梯度接近于零。

单齿—平面磁极对（图5-24(a)）多用于干选盘式强磁选机，但也有些圆盘磁选机采用三齿—平面磁极对。其沿齿极法向y的磁场强度变化可用下述经验公式表示（2）多齿一平面磁极β=600，r=0.15s。

多齿—平面磁极对主要用于辊式强磁选机。试验研究表明，多齿—平面磁极对沿齿极法向的变化，当离极面的距离超过齿距之半，即y>0.5s时，磁场趋向均匀，换言之，多齿—平面磁极对的极距不宜大于0.5s。当=0.5s时，其磁场和磁场力的变化可表示如下:双曲线共焦磁极对(a)多齿一凹弧磁极对(b)图5-25(3)双曲线共焦磁极对

曲线共焦磁极对的特点是，齿形极的渐近线与凹弧极的渐近线聚焦于一点，即使在凹弧极面附近，磁场仍然是不均匀的，因而其磁场特性比尖齿—平面磁极对优越。这种磁极对广泛用于强磁场辊式磁选机．（4）多齿一凹弧磁极对

多齿—凹弧磁极对（图5-25(b)）可以是共焦磁极对，也可以是非共焦磁极对。齿极对称面上的磁场强度分布近似双曲线共焦磁极对的磁场分布，但磁场强度要低些，可采用5-69式并乘以修正系数0.7～0.8进行计算。6.1.4.3磁介质磁场1)齿板介质主要缺点:

齿谷间隙中的磁场力很弱，料浆下降速度快，在一定程上影响磁性成分的回收率。

形状和组装方式

中间齿板为双面齿板，边缘齿极为单面齿板，齿尖对齿尖排列。

磁场特性:2)铁球介质

受琼斯型齿板聚磁介质磁选机的启发,国外于20世纪60年代末期研制出工业规模的球介质平环湿式强磁选机。这种磁选机很快在我国鞍钢齐大山铁矿推广应用,为改善粗颗粒或渣屑堵塞的问题,研制了电磁双立环磁选机和永磁笼形磁选机,均采用球介质。图5-28单球磁场特性求解图

沿磁场方向靠近铁磁性球面端点的磁场梯度为其磁化强度与半径之比的2倍。

贴近球面,r→a,则磁场梯度可表示为3)丝介质

(1)单丝介质磁场特性

沿磁场方向在丝表面的磁场梯度随铁磁性丝的磁化强度的增加和半径的减小而提高。图5-29单丝磁场特性求解

磁场梯度匹配a/b=2.69图5-30距离丝介质表面距离H与gredH及磁场力的关系

梯度范围与颗粒粒度的匹配可用图5-30说明：介质丝半径（10μm）与颗粒半径（3.3μm）之比约为3；相关磁场强度、磁场梯度和磁力随着离丝表面距离的增加而下降，但在颗粒直径范围内，磁场梯度变化最大，在这段距离内,磁场力的下降仅为钢毛表面的10%,当超出颗粒范围则H尤其gradH亦即磁场力急剧下降。

由5-91式可知，在梯度匹配时,磁力与颗粒半径的二次方成正比。由于有效磁力限于颗粒直径范围内,故钢毛的每个捕收点只能捕收一个匹配颗粒。因此钢毛捕获的磁性颗粒的体积大致与钢毛的体积相同。这可用来估算钢毛的负荷比（单位钢毛重量捕获的磁性颗粒重量），以便控制合适的给料量。6.2.1电选过程

电场分选(简称电选)就是基于被分离物料在电性质上的差别,利用电选机使物料颗粒带电，在电选机电场中颗粒受电场力和机械力(重力、离心力等)的作用,不同电性质的颗粒运动轨迹发生分离而得以使物料分选的一种物理分选方法。6.2电场分选图5-31高压电晕鼓筒式电选机分选示意图图5-32静电电选机示意图

6.2.2电选机电场1、静电场库仑定律F--两个点电荷之间的相互作用力（N）;q1、q2--两个点电荷的电量（C）;r--两个点电荷之间的距离（m）；k—系数，在国际单位制中k＝1/4πε0。εo--真空的介电常数，等于8.85×10-12C2／N·m2。

静电场是指带电体相对于介质和观察者其电荷不动,电荷量也不变化,相应的不随时间的变化而变化的电场叫静电场。(2)临界电场强度、临界电压

当电介质处在电场强度超过一定值时，电介质本身的全部或一部分就会丧失其绝缘性能，使之成为导体，人们把使电介质改变电性的这一电场强度叫做临界电场强度。

绝缘体的临界电场强度EKP，不仅同绝缘体本身的分子结构有关，也和绝缘体的散热条件、电场的不均匀程度以及绝缘体的厚薄、形状等因素有关。但主要因素是绝缘体本身的分子结构，所以近似地认为EKP只与绝缘体分子结构有关。

UKP=EKPd，d为绝缘体厚度（cm），当外加电压使厚度为1cm绝缘体达到临界电场强度时的电压值UKP称为临界电压。应当指出,非均匀电场中临界电压低于均匀电场中临界电压。(3)比导电度

比导电度是指某种物料的临界电压与石墨的临界电压之比。石墨的导电性较好，性质稳定，它的临界电压只有2800V,被作为标准临界电压。

例如，磁铁矿成为导体的临界电压为7800V，则其比导电度为2.79，即是石墨临界电压的2.79倍。比导电度是衡量物料导电性的一个标志，比导电度越高，导电性越差．(4)均匀电场中球形颗粒周围的电场强度分布

图5-33均匀电场E0中未带电(a)和充分带电(b)导体颗粒周围的电场如图5-33，根据电磁场理论，用求解磁场的方法可求出均匀电场E0中球形颗粒外任一点电场强度的两个分量，即

式中ε,ε0--颗粒和真空的介电常数,a--颗粒半径,θ,r--为颗粒外p点的极角和矢径。显然，在电场强度方向的球面端点（r=a，θ=0）。电场强度最高，即

对于导体颗粒，由于其介电常数远远大于自由空间的介电常数，即ε>>ε0，ε0可以忽略，则（5-94）式可简化为E=3E0

未带电球形导体颗粒表面的最高电场强度为背景电场强度的3倍。若导体颗粒带电至饱和状态，其上均匀分布有电荷Q，则其表面的最高电场强度为背景电场强度的6倍。2.电晕电场

电晕电场是电选机广泛使用的一种不均匀电场。在电场中有两个电极，相隔—定的距离，其中之一采用直径很小的丝状电极（或称电晕电极），接高压直流电负极或正极；另一极为平面或较大直径的鼓筒（接地极）。在大气压下，当两电极间的电位差达到某一数值时，电极以自持局部的形式放电，即发生电晕放电。（1)表面发射势垒

在原子中，离原子核远的电子势能大；离原子核近的势能小。在金属的表面，一个自由电子受多个原子核的作用，它的势能如图5-34所示。图5-34金属表面的电子势能

图中横轴垂直于金属表面，纵轴表示电子的势能，在无限远处，势能为零，即We=0。自由电子的最低能级是－Wa，在这以下电子束缚在原子内，它不能越过电子之间的势垒而自由运动。金属中自由电子的势能为－eφ时，它们虽然可以在金属中自由运动，但是不能脱离金属，必须由外界给这些电子足够的能量(>eφ),才能使它超过表面势垒而脱离表面。按照电子获得额外能量和克服阻碍它逸出的力的方式进行分类，电子发射可分为热发射、光电发射、次电子发射和场致电子发射。高压电选机电晕极发射电子是场致电子发射产生的.（2）场致电子发射

场致电子发射并不需要供给固体内的电子以额外的能量，而是靠很强的外部电场来压抑物体表面的势垒，使势垒的高度降低，宽度变窄。这样物体内的大量电子就能穿过表面势垒而逸出。

在发射体表面产生强电场是场致发射的关键。常用提高电压的方法，同时把发射体做成曲率半径很小的尖端或细丝，在尖端或细丝的表面就会形成很强的电场。另一种方法是缩短两极间的距离。

在强场的作用下，金属表面势垒不仅高度降低了，而且宽度也变窄了。当势垒宽度窄到可以同电子波长相比拟时，电子隧道效应就起着重要的作用．这种穿透势垒逸出金属表面的电子发射就是场致发射。

两个曲率半径相差很大的电极，提高两极的电压到一定值时，非自持放电便过渡到电晕放电。如进一步提高电压，放电电流迅速增加，同时发光区也在增大。在发光区内产生很强的气体分子的电离和激发。放电的这一部分区域称为电晕区，而紧靠它的电极称作电晕电极。在电晕层与非电晕电极之间的区域称作电晕外区。

（3）电晕放电

图5-35园柱电板间的电晕放电

在直流放电中，既可以是正极发生电晕，称正电晕放电；也可以是负电极发生电晕，称负电晕放电；如果两个电极的曲率很大，则两个电极都可以起晕，称双极电晕放电；在交变电场的情况下，在曲率大的电极附近交替地出现正电晕和负电晕。击穿电晕时的电极电压,称电晕起始电压。电晕起始电压取决于电极的形状，电极之间距离、气体性质等因素。关于开始电晕放电的条件，彼克(Peek)在研究大量实验材料后，得到在空气中同轴圆柱电极（图5-35）的经验公式:r。--电晕圆柱的半径，cm；δ--温度为T，压强为p时空气的相对密度,T0=298K，p0=0.1MPa；Ek--起始场强，即在电晕柱表面开始出现电晕时的场強。

彼克公式是从共轴圆柱之间电晕放电的许多实验里总结出来的，也可广泛应用于其它电极结构的情况。在已知Ek的情况下，根据电学公式可得到电晕起始电压:

上式表明，电晕电极的半径r。增大，电晕起始电压Uk也增大，所以在电选机中，电晕电极一般采用直径为0.2mm～0.4mm的细导线丝以降低电晕的起始电压。为了确定电晕层的厚度必须弄清楚电场强度在电晕层内的分布,因此有必要研究一下电晕放电的电场分布和伏安特性曲线。繁流放电理论认为，在细圆柱形导线周围的电晕层里的电场分布非常接近圆柱形电容器的电场分布。

(4)电选机的电晕电场

电晕电选机就是应用电晕放电形成的电晕电场来进行物料分选工作。电晕电场与静电场不同之处就是有电子流。如在电晕电极上加上负高压直流电，则正离子将向电晕电极运动并给出其电荷。电子和负离子则向接地电极运动，而充满了电晕外区，成电选所需要的电晕电场。图5-37电晕电极与各种接地极配合的电力线分布图(a)点状，(b)尖端，(c)平行板，(d)圆形从图可以看出，电晕极正对鼓面的电流最大，以此为对称点向两边减少。电压的大小是电选过程的重要操作参数，由场致发射一节中巳知,电选机的电晕放电主要靠提高电场强度,即提高电压,其次是采用小的极距(电晕极与接地极表面间的距离)。在极距相同的条件下,电压越高电晕电流越大,电晕电流在鼓面上的分布范围也越大。图5-38极距对电晕电流的影响5-39电压对电晕电流的影响电晕极的安装角度（电晕极的中心与鼓筒中心的连线与Y轴的夹角）的变化,能改变电晕放电的范围和电晕电流的大小。从图5-38可以看出,电晕电极的角度变化,使最大电晕电流值的位置发生了变化。图5-39为极距相同,电压不同,一根电晕极放电时,电晕电流在筒面上的分布曲线。极距越小电晕电流越大,亦即电晕电流随极距增大而减小。一般极距为20cm～45cm。在实际操作中，由于电压易控制,常通过控制电压来控制电晕电流。电晕电极的根数对电晕电流也有影响。对于一定直径的电晕丝，在一定的电压下有一最佳电晕丝数，这时单位电晕丝长度的电晕电流具有最大值。电晕丝数超过最佳数时，电晕丝之间的距离就减小，由于电晕丝互相屏蔽而使电晕电流减小，试验说明电晕电流随电晕丝直径的减小而增大。图5-40电晕极根数与电晕电流的关系图5-41不同电极结构,电晕电流在鼓面上分布3.复合电场复合电场为静电场与电晕电场的叠加电场,结合了这两种电场的优点,既有电晕放电又有静电场,扩大了导体颗粒与非导体颗粒所受电场力的差别,即导体颗粒受到背离鼓筒的电场力和非导体颗粒吸筒面的电场力都较前两种电场单独使用时大,因而提高了分选效果。图5-41为两种不同电极结构的复合电场电晕电流在鼓面上的分布曲线。在α=0°～30°的范围内电流分布几乎一样,成正态分布。多根电晕极的电晕电流分布的范围明显加宽，其值也成正态分布。6.2.3带电方式和颗粒荷电量1、传导带电传导带电：颗粒与电极接触后，导体颗粒由于其电位低于带电电极的电位，通过传导迅速获得与接触电极同号的电荷。2、感应带电感应带电：导体颗粒不与电极接触，而在静电场空间获得电荷。3、电晕带电

电晕带电：又称为离子碰撞带电。颗粒进入电晕电场后，无论导体颗粒或非导体颗粒都能通过离子碰撞获得电荷。4、复合电场中带电

复合电场中带电：颗粒进入以电晕场为主的复合电场中，导体颗粒和非导体颗粒都可通过离子碰撞获得电荷。当进入静电场区域时，导体颗粒迅速将在电晕场中获得的表面电荷经接地极传走，并由传导感应带上与接触电极同符号的电荷；而非导体颗粒一般只传走少量电荷，保留大部分剩余电荷，受接地极吸引和静电负极排斥，比较牢固地吸于接地极表面。5、摩擦带电

摩擦带电：颗粒与颗粒接触摩擦带电和颗粒与特定材料滑动摩擦或滚动摩擦带电。6.2.3.5颗粒在电晕场中的荷电量1）瞬时t内的荷电量

物颗粒在时间t内，在电晕电场中由于吸附离子和电子所得到的荷电量与电场强度，与颗粒的表面积以及颗粒的介电常数等有关。式中Qt--颗粒在瞬时t内的荷电量；ε--颗粒介电常数；E--颗粒所在点的电场强度；r--颗粒半径；k--离子迁移率

2)最大荷电量

导体颗粒的介电常数ε》12对于非导体颗粒，其介电常数为4-8（1）颗粒的最大荷电量与电场强度和颗粒半径的平方(即表面积)成正比。（2）在电场强度和颗粒半径相同的条件下，导体颗粒比非导体颗粒的最大荷电量更多。3)剩余荷电量导体颗粒的剩余荷电量接近于零，非导体颗粒的剩余荷电量很大．导体颗粒与非导体颗粒剩余荷电量的悬殊差别必然导致它们所受电力和运动轨迹的差别。6.2.4颗粒在电选过程中

的受力与分离1.分选原理入选物料经干燥后进入电晕电场。来自电晕电极的空气负离子和电子使导体和非导体颗粒都吸附负电荷而带电。导体颗粒得到的负电荷多，非导体颗粒得到的少。导体颗粒落到辊筒面后又把电荷传给辊筒。最后导体颗粒所得的负电荷全部放完反而又得到了正电荷，于是被辊筒排斥，在电力、离心力、重力综合作用下，其轨迹偏离辊筒而进入导体产品区。同时由于偏向电极的作用，导体颗粒又受到一种偏向力，即提升效应,更增大了偏离辊筒的程度。图5-46单辊电选机分选示意图AB－电晕电场区BC－静电场区CDE－电场外区非导体颗粒进入静电场时，由于剩余电荷多，在静电场中产生的静电吸力大于矿粒的重力和离心力，于是吸在辊筒上。当离开静电场时，由于界面吸力的作用，使它继续吸在鼓筒上，直至被辊筒后面的刷子刷下而进入非导体产品区。6.2.4颗粒在电选过程中的

受力与分离颗粒受力：库仑力F1、镜象力F3和非均匀电场力F2，同时还受到机械力的作用，包括重力和离心力。1、颗粒受力Fk＝qEFN=PgradE镜象力Fl镜象力是指荷电颗粒的剩余电荷与该电荷在接地电极表面处的镜象位置感应产生符号相反的电荷,此电荷称为镜象电荷。图5-47镜象力概念图2、颗粒分离颗粒在选别过程的受力情况如图5-48所示。导体、半导体和非导体颗粒的运动情况可用力学不等式表示如下：在电晕电场区(AB区)在静电场区(BC区)电场外区(CDE区)非导体颗粒F1+mgcosα>KF1+K>mgcosαF3<mgcosα+KF3>mgcosα+K6.3复合物理场分选6.3.1复合物理场分选原理概述实现作用力方向偏转或反向途径有三：①采用复合力场。②调节分选介质。③调节颗粒的表面性质（如润湿性）。大多数分选方法均采用复合力场。磁选是磁场重力场，有时还加上离心力场的复合分选过程，磁力方向与重力方向垂直，或与重力方向相反。电选