第六章

磁場與電場分選6.1.1磁選過程

磁選：基于物料之間磁性差異，在不均勻磁場中實現不同磁性物料分離的一種技術。6.1磁場分選

在分選磁場中，物料同時受到磁場力（Fm）和競爭力（Fc）的作用，競爭力包括：重力、慣性力、流體拖曳力、摩擦力、離心力及顆粒相互作用力等。

作用在磁性較強顆粒上的磁力Fm必須大于作用于其上的競爭力之和∑Fc；同時作用在磁性較弱顆粒上的磁力Fm就當小于相應的競爭力之和∑Fc。即以公式表示的必要條件為：6.1.2磁力磁極在磁場中某點所受的磁力大小為

比磁力f：單位質量磁性顆粒所受的磁力

Fm＝QmH

6.1.3改變物質磁性的方法容積磁性的改變

磁化焙燒――在一定溫度和一定氣氛下把弱磁性鐵礦物，轉變為亞鐵磁性礦物（磁鐵礦或磁赤鐵礦）。表面磁性的改變

化學、電化學法――在弱磁性礦物表面經過一定的化學、電化學處理過程在原來的礦物表面生成一些新的強磁性成分，包括堿浸磁化、電化學處理；

表面化學法――在原弱磁性礦物成分經過一些表面活性藥劑的作用，生成新的磁性較強的吸附物附著在礦物表面，有疏水磁化、磁種磁化、磁化劑磁化。容積磁性的改變磁化焙燒原理

氧化焙燒：黃鐵礦氧化成磁黃鐵礦7FeS2+6O2→Fe7S8+2SO23Fe7S8+38O2→7Fe3O4+24SO2

黃鐵礦的磁化焙燒除與溫度、氣氛有關外，還與硫化鐵的組成有關。

中性焙燒

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

菱鐵礦（FeCO3）、菱鎂鐵礦，菱鐵鎂礦和鎂菱鐵礦等碳酸鐵礦石在不通空氣或通入少量空氣的情況下加熱到一定溫度(300℃～400℃)后，可進行分解，生成磁鐵礦。其化學反應如下：

焙燒質量還原率：R＝FeO/TFe×100%R=38～52%說明焙燒較好

在570℃左右，用含有CO、H2、C和CH4等成分的還原劑對赤鐵礦進行焙燒反應：3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO23Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO還原焙燒熱磁選礦

利用礦物磁性與溫度的變化關系，在一定的溫度條件下，（居里溫度：鐵磁性轉變為順磁性的溫度；奈爾溫度：反鐵磁性轉變為順鐵磁性的溫度）兩種具有相同磁化率的礦物，但居里點或奈爾點不同時，可以在一中間溫度分選。

礦石焙燒法的優點：提高設備的處理能力和深選能力；提高礦石的可磨性，降低磨機能耗；降低選礦過程的水耗；降低礦泥的生成。缺點：能耗高，成本高6.1.3.2改變礦物表面磁性

根據作用原理不同，改變礦物表面磁性的方法可分為：化學、電化學法和表面化學法兩類。

化學、電化學法的實質是原弱磁礦物成分經過一定的化學、電化學處理過程在原來的礦物表面生成一些新的磁性強的成分。表面化學法的實質是原弱磁性礦物成分經過一些表面活性藥劑的作用，生成新的磁性較強的吸附物附著在礦物表面。屬于化學、電化學法的有堿浸磁化、電化學處理兩種方法；屬于表面化學法的有疏水磁化，磁種磁化和磁化劑磁化三種方法。1）堿浸磁化

堿浸磁化法的實質是破壞原礦物化學組成，使FeCO3分解，形成Fe(OH)2并進一步轉化為強磁性的γ-Fe2O3和Fe3O4。FeC03+2NaOH=Fe(OH)2+2Na2CO3

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

在低氧化速度和適量氧化鐵時可獲得很高的比磁化率。氧化緩慢，主要生成了強磁性的γ-Fe2O3和Fe3O4，否則，α-Fe2O3增多。

2）疏水磁化

對于逆磁性和順磁性礦物，用表面活性物質處理后礦物表面疏水化，再經受磁場作用，礦物比磁化率增加。稱該法為疏水—磁化法。

疏水磁化法的實質是：堿浸使礦物表面局部溶解，脂肪酸皂(表面活性物質)與礦物表面殘存的鐵或礦漿中的含鐵成分形成疏水性的脂肪酸鐵表膜，覆蓋在礦物表面上，該表膜在磁場作用下定向，故磁化率增高。

疏水磁化的主要過程是:原礦→堿浸(NaOH2.5kg/t)→洗滌→堿浸(NaOH1.0kg/t)→表面活性劑處理(中性油0.4kg,C17H33COONa2.0kg)→磁選。3）磁種磁化

磁種磁化，就是在一定條件下調整料漿，并在料漿中加入磁種，使其選擇性粘附于目的物料上并提高目的物料磁性的過程；磁性增加后的目的物料，便于用高效的弱磁場磁選機分選；這就是磁種分選。

根據作用原理不同，磁化還可區分為利用疏水團聚作用的磁種磁化，利用凝聚作用的磁種磁化，利用高分子絮凝劑作用的磁種磁化。4）磁化劑磁化

外加的磁性物質通過磁化劑分子選擇性吸附在目的礦物上而使其磁性提高的過程，稱磁化劑磁化。

圖5-22磁化劑磁化示意圖

磁化劑應當是具有表面活性的復極性分子，它的親固基要有很好的選擇性，對各種不同的目的物料，應有特有的親固基。6.1.4分選磁場的磁場特性

磁選機的磁場類型大致可分為三種:開放磁系磁場、閉合磁系磁場、磁(分選)階質磁場。6.1.4.1開放磁系磁場

(1)磁場特性圖5-23(a)平面排列和(b)圓柱面排列開放磁系

Hy=H0e-cy

索契涅夫經驗公式

平面排列和圓柱面排列型磁系的非均勻系數分別為對(5-53)式Hy關于y微分，可確定磁場梯度，即

磁場力為磁場強度與磁場梯度的乘積，即

可確定磁極按平面排列和柱面排列開放磁系的磁場力：和

磁場深度和磁場力深度是指沿磁系半徑線上，以極面為起點，磁場強度和磁場力能夠達到的有效距離．（2）合適磁極的確定

作用在磁性顆粒上的比磁力

最大磁力時的C值

假定圓筒磁選機的極面至筒面的距離為Δ,則因為XP、H0和e-2cy都不為零,故1－2cy=0,即

6.1.4.2閉合磁系磁場閉合磁系的特點

異性磁極面對面排列，極距小，即空氣隙小，則磁阻小，因而極間磁場強度高。

為了產生磁場梯度，常將閉合磁系的感應磁極做成不同形狀的齒形極，與相對的平面磁極或凹槽磁極構成不同型式的磁極對，這些不同型式磁極對被用于不同類型的強磁選機。單齒－平面磁極對(a)多齒－平面磁極對(b)圖5-24（1）單齒一平面磁極

主要缺點：

平面極附近的磁場比較均勻，磁場梯度接近于零。

單齒—平面磁極對（圖5-24(a)）多用于干選盤式強磁選機，但也有些圓盤磁選機采用三齒—平面磁極對。其沿齒極法向y的磁場強度變化可用下述經驗公式表示（2）多齒一平面磁極β=600，r=0.15s。

多齒—平面磁極對主要用于輥式強磁選機。試驗研究表明，多齒—平面磁極對沿齒極法向的變化，當離極面的距離超過齒距之半，即y>0.5s時，磁場趨向均勻，換言之，多齒—平面磁極對的極距不宜大于0.5s。當=0.5s時，其磁場和磁場力的變化可表示如下:雙曲線共焦磁極對(a)多齒一凹弧磁極對(b)圖5-25(3)雙曲線共焦磁極對

曲線共焦磁極對的特點是，齒形極的漸近線與凹弧極的漸近線聚焦于一點，即使在凹弧極面附近，磁場仍然是不均勻的，因而其磁場特性比尖齒—平面磁極對優越。這種磁極對廣泛用于強磁場輥式磁選機．（4）多齒一凹弧磁極對

多齒—凹弧磁極對（圖5-25(b)）可以是共焦磁極對，也可以是非共焦磁極對。齒極對稱面上的磁場強度分布近似雙曲線共焦磁極對的磁場分布，但磁場強度要低些，可采用5-69式并乘以修正系數0.7～0.8進行計算。6.1.4.3磁介質磁場1)齒板介質主要缺點:

齒谷間隙中的磁場力很弱，料漿下降速度快，在一定程上影響磁性成分的回收率。

形狀和組裝方式

中間齒板為雙面齒板，邊緣齒極為單面齒板，齒尖對齒尖排列。

磁場特性:2)鐵球介質

受瓊斯型齒板聚磁介質磁選機的啟發,國外于20世紀60年代末期研制出工業規模的球介質平環濕式強磁選機。這種磁選機很快在我國鞍鋼齊大山鐵礦推廣應用,為改善粗顆粒或渣屑堵塞的問題,研制了電磁雙立環磁選機和永磁籠形磁選機,均采用球介質。圖5-28單球磁場特性求解圖

沿磁場方向靠近鐵磁性球面端點的磁場梯度為其磁化強度與半徑之比的2倍。

貼近球面,r→a,則磁場梯度可表示為3)絲介質

(1)單絲介質磁場特性

沿磁場方向在絲表面的磁場梯度隨鐵磁性絲的磁化強度的增加和半徑的減小而提高。圖5-29單絲磁場特性求解

磁場梯度匹配a/b=2.69圖5-30距離絲介質表面距離H與gredH及磁場力的關系

梯度范圍與顆粒粒度的匹配可用圖5-30說明：介質絲半徑（10μm）與顆粒半徑（3.3μm）之比約為3；相關磁場強度、磁場梯度和磁力隨著離絲表面距離的增加而下降，但在顆粒直徑范圍內，磁場梯度變化最大，在這段距離內,磁場力的下降僅為鋼毛表面的10%,當超出顆粒范圍則H尤其gradH亦即磁場力急劇下降。

由5-91式可知，在梯度匹配時,磁力與顆粒半徑的二次方成正比。由于有效磁力限于顆粒直徑范圍內,故鋼毛的每個捕收點只能捕收一個匹配顆粒。因此鋼毛捕獲的磁性顆粒的體積大致與鋼毛的體積相同。這可用來估算鋼毛的負荷比（單位鋼毛重量捕獲的磁性顆粒重量），以便控制合適的給料量。6.2.1電選過程

電場分選(簡稱電選)就是基于被分離物料在電性質上的差別,利用電選機使物料顆粒帶電，在電選機電場中顆粒受電場力和機械力(重力、離心力等)的作用,不同電性質的顆粒運動軌跡發生分離而得以使物料分選的一種物理分選方法。6.2電場分選圖5-31高壓電暈鼓筒式電選機分選示意圖圖5-32靜電電選機示意圖

6.2.2電選機電場1、靜電場庫侖定律F--兩個點電荷之間的相互作用力（N）;q1、q2--兩個點電荷的電量（C）;r--兩個點電荷之間的距離（m）；k—系數，在國際單位制中k＝1/4πε0。εo--真空的介電常數，等于8.85×10-12C2／N·m2。

靜電場是指帶電體相對于介質和觀察者其電荷不動,電荷量也不變化,相應的不隨時間的變化而變化的電場叫靜電場。(2)臨界電場強度、臨界電壓

當電介質處在電場強度超過一定值時，電介質本身的全部或一部分就會喪失其絕緣性能，使之成為導體，人們把使電介質改變電性的這一電場強度叫做臨界電場強度。

絕緣體的臨界電場強度EKP，不僅同絕緣體本身的分子結構有關，也和絕緣體的散熱條件、電場的不均勻程度以及絕緣體的厚薄、形狀等因素有關。但主要因素是絕緣體本身的分子結構，所以近似地認為EKP只與絕緣體分子結構有關。

UKP=EKPd，d為絕緣體厚度（cm），當外加電壓使厚度為1cm絕緣體達到臨界電場強度時的電壓值UKP稱為臨界電壓。應當指出,非均勻電場中臨界電壓低于均勻電場中臨界電壓。(3)比導電度

比導電度是指某種物料的臨界電壓與石墨的臨界電壓之比。石墨的導電性較好，性質穩定，它的臨界電壓只有2800V,被作為標準臨界電壓。

例如，磁鐵礦成為導體的臨界電壓為7800V，則其比導電度為2.79，即是石墨臨界電壓的2.79倍。比導電度是衡量物料導電性的一個標志，比導電度越高，導電性越差．(4)均勻電場中球形顆粒周圍的電場強度分布

圖5-33均勻電場E0中未帶電(a)和充分帶電(b)導體顆粒周圍的電場如圖5-33，根據電磁場理論，用求解磁場的方法可求出均勻電場E0中球形顆粒外任一點電場強度的兩個分量，即

式中ε,ε0--顆粒和真空的介電常數,a--顆粒半徑,θ,r--為顆粒外p點的極角和矢徑。顯然，在電場強度方向的球面端點（r=a，θ=0）。電場強度最高，即

對于導體顆粒，由于其介電常數遠遠大于自由空間的介電常數，即ε>>ε0，ε0可以忽略，則（5-94）式可簡化為E=3E0

未帶電球形導體顆粒表面的最高電場強度為背景電場強度的3倍。若導體顆粒帶電至飽和狀態，其上均勻分布有電荷Q，則其表面的最高電場強度為背景電場強度的6倍。2.電暈電場

電暈電場是電選機廣泛使用的一種不均勻電場。在電場中有兩個電極，相隔—定的距離，其中之一采用直徑很小的絲狀電極（或稱電暈電極），接高壓直流電負極或正極；另一極為平面或較大直徑的鼓筒（接地極）。在大氣壓下，當兩電極間的電位差達到某一數值時，電極以自持局部的形式放電，即發生電暈放電。（1)表面發射勢壘

在原子中，離原子核遠的電子勢能大；離原子核近的勢能小。在金屬的表面，一個自由電子受多個原子核的作用，它的勢能如圖5-34所示。圖5-34金屬表面的電子勢能

圖中橫軸垂直于金屬表面，縱軸表示電子的勢能，在無限遠處，勢能為零，即We=0。自由電子的最低能級是－Wa，在這以下電子束縛在原子內，它不能越過電子之間的勢壘而自由運動。金屬中自由電子的勢能為－eφ時，它們雖然可以在金屬中自由運動，但是不能脫離金屬，必須由外界給這些電子足夠的能量(>eφ),才能使它超過表面勢壘而脫離表面。按照電子獲得額外能量和克服阻礙它逸出的力的方式進行分類，電子發射可分為熱發射、光電發射、次電子發射和場致電子發射。高壓電選機電暈極發射電子是場致電子發射產生的.（2）場致電子發射

場致電子發射并不需要供給固體內的電子以額外的能量，而是靠很強的外部電場來壓抑物體表面的勢壘，使勢壘的高度降低，寬度變窄。這樣物體內的大量電子就能穿過表面勢壘而逸出。

在發射體表面產生強電場是場致發射的關鍵。常用提高電壓的方法，同時把發射體做成曲率半徑很小的尖端或細絲，在尖端或細絲的表面就會形成很強的電場。另一種方法是縮短兩極間的距離。

在強場的作用下，金屬表面勢壘不僅高度降低了，而且寬度也變窄了。當勢壘寬度窄到可以同電子波長相比擬時，電子隧道效應就起著重要的作用．這種穿透勢壘逸出金屬表面的電子發射就是場致發射。

兩個曲率半徑相差很大的電極，提高兩極的電壓到一定值時，非自持放電便過渡到電暈放電。如進一步提高電壓，放電電流迅速增加，同時發光區也在增大。在發光區內產生很強的氣體分子的電離和激發。放電的這一部分區域稱為電暈區，而緊靠它的電極稱作電暈電極。在電暈層與非電暈電極之間的區域稱作電暈外區。

（3）電暈放電

圖5-35園柱電板間的電暈放電

在直流放電中，既可以是正極發生電暈，稱正電暈放電；也可以是負電極發生電暈，稱負電暈放電；如果兩個電極的曲率很大，則兩個電極都可以起暈，稱雙極電暈放電；在交變電場的情況下，在曲率大的電極附近交替地出現正電暈和負電暈。擊穿電暈時的電極電壓,稱電暈起始電壓。電暈起始電壓取決于電極的形狀，電極之間距離、氣體性質等因素。關于開始電暈放電的條件，彼克(Peek)在研究大量實驗材料后，得到在空氣中同軸圓柱電極（圖5-35）的經驗公式:r。--電暈圓柱的半徑，cm；δ--溫度為T，壓強為p時空氣的相對密度,T0=298K，p0=0.1MPa；Ek--起始場強，即在電暈柱表面開始出現電暈時的場強。

彼克公式是從共軸圓柱之間電暈放電的許多實驗里總結出來的，也可廣泛應用于其它電極結構的情況。在已知Ek的情況下，根據電學公式可得到電暈起始電壓:

上式表明，電暈電極的半徑r。增大，電暈起始電壓Uk也增大，所以在電選機中，電暈電極一般采用直徑為0.2mm～0.4mm的細導線絲以降低電暈的起始電壓。為了確定電暈層的厚度必須弄清楚電場強度在電暈層內的分布,因此有必要研究一下電暈放電的電場分布和伏安特性曲線。繁流放電理論認為，在細圓柱形導線周圍的電暈層里的電場分布非常接近圓柱形電容器的電場分布。

(4)電選機的電暈電場

電暈電選機就是應用電暈放電形成的電暈電場來進行物料分選工作。電暈電場與靜電場不同之處就是有電子流。如在電暈電極上加上負高壓直流電，則正離子將向電暈電極運動并給出其電荷。電子和負離子則向接地電極運動，而充滿了電暈外區，成電選所需要的電暈電場。圖5-37電暈電極與各種接地極配合的電力線分布圖(a)點狀，(b)尖端，(c)平行板，(d)圓形從圖可以看出，電暈極正對鼓面的電流最大，以此為對稱點向兩邊減少。電壓的大小是電選過程的重要操作參數，由場致發射一節中巳知,電選機的電暈放電主要靠提高電場強度,即提高電壓,其次是采用小的極距(電暈極與接地極表面間的距離)。在極距相同的條件下,電壓越高電暈電流越大,電暈電流在鼓面上的分布范圍也越大。圖5-38極距對電暈電流的影響5-39電壓對電暈電流的影響電暈極的安裝角度（電暈極的中心與鼓筒中心的連線與Y軸的夾角）的變化,能改變電暈放電的范圍和電暈電流的大小。從圖5-38可以看出,電暈電極的角度變化,使最大電暈電流值的位置發生了變化。圖5-39為極距相同,電壓不同,一根電暈極放電時,電暈電流在筒面上的分布曲線。極距越小電暈電流越大,亦即電暈電流隨極距增大而減小。一般極距為20cm～45cm。在實際操作中，由于電壓易控制,常通過控制電壓來控制電暈電流。電暈電極的根數對電暈電流也有影響。對于一定直徑的電暈絲，在一定的電壓下有一最佳電暈絲數，這時單位電暈絲長度的電暈電流具有最大值。電暈絲數超過最佳數時，電暈絲之間的距離就減小，由于電暈絲互相屏蔽而使電暈電流減小，試驗說明電暈電流隨電暈絲直徑的減小而增大。圖5-40電暈極根數與電暈電流的關系圖5-41不同電極結構,電暈電流在鼓面上分布3.復合電場復合電場為靜電場與電暈電場的疊加電場,結合了這兩種電場的優點,既有電暈放電又有靜電場,擴大了導體顆粒與非導體顆粒所受電場力的差別,即導體顆粒受到背離鼓筒的電場力和非導體顆粒吸筒面的電場力都較前兩種電場單獨使用時大,因而提高了分選效果。圖5-41為兩種不同電極結構的復合電場電暈電流在鼓面上的分布曲線。在α=0°～30°的范圍內電流分布幾乎一樣,成正態分布。多根電暈極的電暈電流分布的范圍明顯加寬，其值也成正態分布。6.2.3帶電方式和顆粒荷電量1、傳導帶電傳導帶電：顆粒與電極接觸后，導體顆粒由于其電位低于帶電電極的電位，通過傳導迅速獲得與接觸電極同號的電荷。2、感應帶電感應帶電：導體顆粒不與電極接觸，而在靜電場空間獲得電荷。3、電暈帶電

電暈帶電：又稱為離子碰撞帶電。顆粒進入電暈電場后，無論導體顆粒或非導體顆粒都能通過離子碰撞獲得電荷。4、復合電場中帶電

復合電場中帶電：顆粒進入以電暈場為主的復合電場中，導體顆粒和非導體顆粒都可通過離子碰撞獲得電荷。當進入靜電場區域時，導體顆粒迅速將在電暈場中獲得的表面電荷經接地極傳走，并由傳導感應帶上與接觸電極同符號的電荷；而非導體顆粒一般只傳走少量電荷，保留大部分剩余電荷，受接地極吸引和靜電負極排斥，比較牢固地吸于接地極表面。5、摩擦帶電

摩擦帶電：顆粒與顆粒接觸摩擦帶電和顆粒與特定材料滑動摩擦或滾動摩擦帶電。6.2.3.5顆粒在電暈場中的荷電量1）瞬時t內的荷電量

物顆粒在時間t內，在電暈電場中由于吸附離子和電子所得到的荷電量與電場強度，與顆粒的表面積以及顆粒的介電常數等有關。式中Qt--顆粒在瞬時t內的荷電量；ε--顆粒介電常數；E--顆粒所在點的電場強度；r--顆粒半徑；k--離子遷移率

2)最大荷電量

導體顆粒的介電常數ε》12對于非導體顆粒，其介電常數為4-8（1）顆粒的最大荷電量與電場強度和顆粒半徑的平方(即表面積)成正比。（2）在電場強度和顆粒半徑相同的條件下，導體顆粒比非導體顆粒的最大荷電量更多。3)剩余荷電量導體顆粒的剩余荷電量接近于零，非導體顆粒的剩余荷電量很大．導體顆粒與非導體顆粒剩余荷電量的懸殊差別必然導致它們所受電力和運動軌跡的差別。6.2.4顆粒在電選過程中

的受力與分離1.分選原理入選物料經干燥后進入電暈電場。來自電暈電極的空氣負離子和電子使導體和非導體顆粒都吸附負電荷而帶電。導體顆粒得到的負電荷多，非導體顆粒得到的少。導體顆粒落到輥筒面后又把電荷傳給輥筒。最后導體顆粒所得的負電荷全部放完反而又得到了正電荷，于是被輥筒排斥，在電力、離心力、重力綜合作用下，其軌跡偏離輥筒而進入導體產品區。同時由于偏向電極的作用，導體顆粒又受到一種偏向力，即提升效應,更增大了偏離輥筒的程度。圖5-46單輥電選機分選示意圖AB－電暈電場區BC－靜電場區CDE－電場外區非導體顆粒進入靜電場時，由于剩余電荷多，在靜電場中產生的靜電吸力大于礦粒的重力和離心力，于是吸在輥筒上。當離開靜電場時，由于界面吸力的作用，使它繼續吸在鼓筒上，直至被輥筒后面的刷子刷下而進入非導體產品區。6.2.4顆粒在電選過程中的

受力與分離顆粒受力：庫侖力F1、鏡象力F3和非均勻電場力F2，同時還受到機械力的作用，包括重力和離心力。1、顆粒受力Fk＝qEFN=PgradE鏡象力Fl鏡象力是指荷電顆粒的剩余電荷與該電荷在接地電極表面處的鏡象位置感應產生符號相反的電荷,此電荷稱為鏡象電荷。圖5-47鏡象力概念圖2、顆粒分離顆粒在選別過程的受力情況如圖5-48所示。導體、半導體和非導體顆粒的運動情況可用力學不等式表示如下：在電暈電場區(AB區)在靜電場區(BC區)電場外區(CDE區)非導體顆粒F1+mgcosα>KF1+K>mgcosαF3<mgcosα+KF3>mgcosα+K6.3復合物理場分選6.3.1復合物理場分選原理概述實現作用力方向偏轉或反向途徑有三：①采用復合力場。②調節分選介質。③調節顆粒的表面性質（如潤濕性）。大多數分選方法均采用復合力場。磁選是磁場重力場，有時還加上離心力場的復合分選過程，磁力方向與重力方向垂直，或與重力方向相反。電選