磁电选矿设备

磁选是利用各种矿物磁性的差异，在磁选机的磁场中进行分选个一种选矿方法。 运动电荷周围胜空间以及电流周围空间。在磁场中最需见的现象是两个带磁性的物体的相互吸引或相互排斥，所以磁体之间的相互作用是通过磁场来进行的。磁场对于通电导体也会产生产作用，说明磁场具有力的性质，当通电导体在磁场中移动时．磁场力将对通电导体做功，表示磁场具有能量。这些表现说用磁场的物质性。
   磁场是由运动电荷或电流产生的。永磁体产生磁场，也是因为永磁体内部存在着分子电流，所谓分子电流就是指整个分子中与对外界产生的总磁效应相应的环流电流。若电游恒定不变，磁场也恒定不变，恒定不变的磁场叫做恒定磁场或静滋场。
  磁场强翻的表示方滋有如下几种：
  磁力线
  磁力线是是形象地表示磁场的强弱、方向和分布倩况的曲线，如图所示 :

永久磁铁和螺线管的磁力线分布图 ,磁力线疏密程度表示磁场的强弱，磁力线的方向是这样规定的：在磁体的外部从N极出发，经过空间进人S极．而在磁体内部由S极到N极，构成一个闭合曲线。滋力线的方向即为磁场方向，磁力线上某点的切线方向就是磁场在该点的磁场强度方向。
    磁感应强度
    磁场对运动的电荷或载流导体有力的作用。用磁场对载流导线的作用力来描述磁场性质的物理量叫做磁感应。
    破感应强度的大小规定为：单位磁矩的试验线圈在磁场中某点所受的最大磁力拒，即:


式中M —试验线圈在磁场中所受最大的磁力矩；
       Pm—线圈本身磁矩，等于它的电流强度与它所包围的面积的乘积，即Pm=I·So·磁感应强度在“实用单位制”中，当磁矩为1〔安培〕〔米〕2的经圈，位于磁场中某点时，如果它所受到的最大磁力矩为1[牛顿〕〔米〕，则该点的磁感应强度为1韦伯／米2，称怜斯拟（T），筒称“特”。在数值上  磁场强度是用来衡量磁场强弱的物理量。磁场强度的定义是：在任何磁介质中（在外磁场中因呈现磁化而能加强或减弱磁场的物质称为磁介质），磁场中某点的磁感应强度B和同一点上的磁导率的比值。为该点的磁场强度，用符号H表示，即:  H=B/μ

磁场强度的单位确定如下：在上式中，磁感应强度B的单位取韦伯／米2（Wb/mZ），磁导率μ的单位取韦伯／安·米（Wb/A．m），则磁场强度的单位是安培／米（A／m）。A／m的单位很小，在实际应用中，常用单位是安培／厘米（A／cm）和典斯特（Oe），它们之间的换算关系是：
   1A／m＝10-2A/cm＝＝4πx 10-3Oe
    应当明白，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。它们之间既有联系（B＝μH）又有区别。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，包括介质因磁化而产生的磁场则用磁感应强度B表示。单纯电流或运动电荷所引起的磁场则用磁场强度H表示。
    在同样磁场的情况下，如果放入不同的破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μ比空气的磁导率μ。大得多的铁块，绝大部分磁力线就密集地通过铁块，用铁屑可以检查出这种变化。这说明磁感应强度的分布起了变化，但磁场强度并没有变。
   矿物粒度为什么能磁化？
   磁性矿粒在磁场中能显示出磁性，这种现象叫磁化。其根本原因是矿物粒子内原子磁矩按磁场方向的排列。下面介绍物质磁性的来源和磁化的本质。
    我们知道，任何物质都是由分子组成的，分子是由原子组成的。原子核外的电子不停地做轨道运动与自旋运动，以及原子核的自旋，这都形成微观电流。每个微观电流相当千一个微小的载流线圈，因而具有一定的磁矩。大多数物质原子核的磁矩比电子磁矩小得多，可以忽略不计。故物质的磁性是以电子的磁矩，尤其是它的自旋磁矩起主要作用。物质的磁性本质常以原子或分子的等效磁矩（或叫做单元磁矩）和磁化强度来说明。反磁质、顺磁质与铁磁质的差别，是由于在外磁场的作用下，磁化状态各不相
同。
     反磁性物质在没有外界磁场时，原子中的磁矩互相抵消，原子的等效磁矩等于零，物质对外不显磁性。当有外磁场存在时，绕原子核旋转的电子受到磁力的作用，它的角动量发生改变，也就是它们旋转的角速度将有所改变，因而原子中的微观电流也将有所改变，原子中原有的磁矩的平衡状态就受到破坏，每个原子中就出现了一个不平衡的磁矩。根据楞次定律，我们可知这个不平衡的磁矩和外磁场方向相反，从而削弱外磁场。一般这种反磁效应相当微弱，当外磁场除去后，反磁效应也鱿消失，实际上反
磁效应普遍存在于所有物质之中，但是有些物质的反磁效应为其它因素所掩盖。反磁物质的磁化系数x为负值。反磁性物质较为明显的是铋，其他如铜、锌、银、金、汞、锑、钠、石墨和氩、氮等惰性气体，以及多数有机物质均属反磁性物质。
     在顺磁物质的原子和分子中，等效磁矩并不等于零，原子有一个固有的磁矩，但由于原子固有磁矩处于无序状态，方向混乱，所以对外磁效应互相抵消．因而不表现宏观的磁性。当有外加磁场时，固有磁矩都企图趋向外磁方向，物质即显磁性。这时我们就称物质被磁化了。一旦外磁场消失，物质也就失去了磁性、顺磁性物质的磁化系数x为正值。铝.钡.钙.镁.钨.钛.铂.氧的等是顺磁物质。可见，这类物质固有的磁矩是产生磁效应的根本原因。
   铁磁性物质与反磁性物质.顺磁性物质有显著区别。铁、钴、镍和它们的某些合金，以及锰和铬的某些合金等一类有结晶状态的物质，即使在较弱的外磁场作用下，也呈强烈的磁化，这类物质叫铁磁性物质。铁磁性物质内部的原子磁矩，在没有外磁场的作用下，已经以某种方式排列起来，即已经达到一定程度的磁化，这种磁化称为自发磁化。自发磁化是在许多小区域内进，在每个小区域里，原子磁矩接同一方向排列，这些自发磁化的小区域称之为磁畴。在没有外加磁场时，铁磁性物质内各个磁畴自发磁化方向各不相同，对外磁效应互相抵消，因而不显示磁性当有外加磁场时，外加磁场不是使单个原子磁矩转向，而是各个磁畴的磁矩转向外磁场方向。这样铁磁性物质就在一个不太强的外磁场作用下被强烈的磁化，直至饱和状态。因此磁畴的存在是铁磁物质产生很强磁效应的根本原因。
    固体物质的磁性除了反磁性、顺磁性与铁磁性外还有所谓铁磁性和亚铁磁性，其磁化状态在此不作介绍。
   由上述可知，物质的磁化是由于在外磁场的作用下，物质内部原子磁矩按磁场方向排列。这就是物质磁化的来源和磁化本质。
磁拒、磁化强度表示什么意义了?
  矿物颗粒在外磁场中磁化后，可以看成一根等效的磁棒，如：磁棒的磁矩为：M=Q磁L 

式中Q磁一磁棒的珑极强度，安.米；
L—磁棒的长度，米。
    但磁矩M不能说明矿粒被磁化的程度。例如有甲乙两个磁性，和体积各不相同的物体，甲物体被磁化后的磁矩大，而乙较，似乎甲比乙磁化得厉害，其实并不一定。如果乙物体中的分子（或原子）磁矩全部沿外磁场方向取向了，则说明乙磁化得厉害．因此为了描述矿物颗粒的磁化状态（磁化方向和强度），需要引入磁化强度的概念才能反映物体被磁化的程度．磁化强度在数值上是矿物颗粒单位体积内的磁矩。用J表示，即
式中J一矿物颖粒的磁化强度，安／米；
    M-一矿物顺粒的磁矩，安·米2； 
    V—矿物顺粒的体积，米3.
  磁化强度是矢量，其方向则因矿粒性质而异；对反磁性矿粒，磁化强度的方向与外磁场方向相反；对于顺磁性矿粒，则与外磁场方向相同。磁化强度愈大，表明矿粒被外磁场磁化的程度愈大。 把磁化的矿物颗粒看成一根等效的磁棒。其磁化强度可以表示

式中S—矿物颗粒的等效面积，米z；L—矿物颗粒的等效长度，米；
       Q—单位面积上的磁极强度（磁极面密度），安／米。即矿物颗粒的磁化强度与它等效的磁棒单位面积上的磁极强度或磁极面密度相等。
     矿物颗粒被磁化后，也可以看成一个由许多表面圆电流构成的等效螺线管。螺线管的磁矩时为：
M=NIS 
式中  N -螺线管的匝数；
        I—螺线替的电流强度，安；
        S—螺线管的截面积，米2。
    因此，矿物颗粒的磁化强度也可以表示为：
式中   N—表面圆电流的数目；
         I—每一表面圆电流的电流强度，安；
         S—等效螺线管的截面积，米2；
         L -等效螺线管的长度，米；
         I—单位长度上的表面圆电流强度，安／米。即矿物颗粒的磁化强度等于与它等效的螺线管单位长度上的表面圆电流强度。
   磁化系数与比磁化系数的意义是什么？
   如果磁性和体积都相同的甲乙两物体，分别在不同的外磁场中磁化，设甲物体在较强的磁场中磁化，乙物体在较弱的磁场中磁化，那么肯定甲物体磁化强度大，乙物体磁化强度小，能否说甲比乙的磁性强呢，显然不能。若在相同的外磁场中磁化，它们的磁化强度是相同的。所以物体的磁化强度与外磁场强度有关。实验证明：在投有达到磁饱和之前，物体的磁化强度与外磁场成正比例变化，也就是：
J=K0H
式中   J—物体的磁化强度，安／米；
        H一外磁场强度，安／米；
        Ko一比例系数称为体积磁化系数，无量纲· 
   由式可以看出，体积磁化系数K。就是矿物颗粒的磁化强度与外磁场强度的比值，是矿物的一个重要磁性指标，其物理意义是表示单位体积的矿物顺粒在单位磁场强度中磁化时产生的磁矩。显然K的大小表示物体被磁化难易程度，K值愈大，表明愈容易被磁化。对于逆磁性矿粒Ko<0，对于顺磁性矿粒K＞0。
  但是由于物体的结构往往不均匀，其内部常存在着空隙，这样对于同一性质（化学组成相同）体积相同的两物体在相同的外磁场中磁化时，可以有不同的磁化强度，不同的K值，这主要是物体体积内空隙影响的结果。空隙越多，取向的磁矩数量越少。当然，除了空隙外，还有影响物体磁化的其他因素，目前还研究得不够。为此就需要用单位质量的磁化系数，也就是物体的比磁化系数X来说明物的磁性。
    比磁化系数x就是单位质量的矿粒在单位强度的外磁场中所产生的磁矩。它能更确切地表示物体的磁性。
    应当指出，x和K。一样是一个和矿物性质密切相关的重要的磁性常数。对于大多数物体，如弱磁性物体x与K是一个常数，只有少数物体，例如强磁性矿物的x与K不是常数。
   恒定磁场中，作用于矿位上的磁力主要取决于那些因素？
   在磁场中作用于矿粗上的磁力可按下途方式进行分析推导。
   现代电磁理论认为：物体中分子的磁矩是由分子电流产生，物体的磁矩是分子磁矩（或原子磁矩）的矢量和。磁性矿粒在磁场中被磁化后，其效应可用一个等效的元电流来表示，就是认为它与一个小的载流线圈在磁场中的作用等效。所以，磁性矿粗在非均匀磁场中运动所受的磁力，与一个小载流线圈所受的磁力相当。因此，可以先研究载流线圈在非均匀磁场中运动时所受的磁力，然后将其推广到磁性矿粒即可。
  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，那么磁力所做的功△A恒等于线圈中的电筑强度I和通过线圈的磁通量的增量（ΔΦ）的乘积，即：  △A＝I△Φ
  如果此线圈所包围的面积为S，它在不均匀磁场中移动了一微小的距离Δl，移动前线圈所处的磁场强度为H，移动后所处的磁场强度为H＋ΔH，如图所示:


载流线圈在非均匀磁场中受力则磁力所做的功△A为：△A＝IΔФ＝I〔S（H＋△H）一SH〕＝1SΔH （
式中1S－线圈磁矩，用M表示，所以：  ΔA＝M·ΔH  
  如果载流线圈在磁场中所受到的磁场作用力的合力为ƒ磁，那么磁力所做的功∆A等于ƒ磁与位移∆l之积，即   ∆A=ƒ磁▪∆l  （4-16） 由公式（4-15）与（4-16）得：
式中 —磁场梯度
对于一磁性矿粒，设其体积为V，其磁化强度为J，因J=X0H，M=JV，即M= X0HV，所以磁力ƒ磁为：
因为X0=Xδ，所以：
式中 m’=矿粒质量，克/厘米3  则作用在单位质量上的比磁力ƒ磁为：
   比磁力ƒ磁表示了磁场作用于1克质盈矿拉上的磁力。由公式（4-20）可知，磁场作用于矿粒上的比磁力ƒ磁的大小，主要取决于如下因素，即F磁与矿粒的比磁化系数x成正比，所以矿粒的磁性愈强，所受的磁力愈大．F磁又与矿粒所处的磁场梯度grad H和磁场强度H乘积成正比（两者的乘积又称为磁场力）。可见，磁场强度与磁场梯度愈大，矿粒所受的磁力也愈大。
   应当指出，比磁力的推导是假定矿粒尺寸很小，磁场梯度值gradH等于常数时才准确。
   为什么磁选机的磁场必须是不均匀磁场？
   根据磁场强度分布的情况，有均匀磁场与非均匀磁场之分。所谓均匀磁场枕是指磁场内各点磁场强度的大小和方向都相同。而非均匀磁场则是。磁场内各点磁场强度的大和方向都不相同。如图所示，在均匀磁场中磁力线的分布是均匀的，而在不均匀磁场中磁力线的分布是不均匀的。


图-矿粒在均匀磁场(a)与不均匀磁场（b）的行为 

   磁场的不均匀程度可以用磁场梯度来量度，所谓磁场梯度就是单位距离（例如1厘米）内磁场强度的变化数值，如图4-6所示。 

  设距离N极x1处的磁场强度为H1，距离x2处的磁场强度为H2则磁场梯度grad H应为：


图4-8磁场梯度示意图


式中ΔH/Δx一其意义是磁场内两点的距离很小时的磁场强度变化量。
  在均匀的磁场中，ΔH/Δx=0，所以矿粒在均匀磁场中的比磁力F磁=xHgradH=0,即没有受到磁力的作用。由图4-5可见．矿粒在均匀磁场中被磁化，因两端的磁场强度相同，所受的磁力大小也相同，但方向相反，因此矿粒只受到转矩作用，当转到使矿粒的长轴方向与磁场方向一致时，即停止不动了。在不均匀妇场中，矿粒除受转矩作用外，矿粒两端由于磁场强度的不同而同时受到不同磁力的作用，即在矿粒两端产生磁力差，从而表现出整个矿粒受磁力作用F磁=xHgradH≠0，并向磁场强度高的方向运动。
   以上说明：磁选机的磁场必须是不均匀磁场， 否则磁性矿粒就不能被吸引到磁极上去，因而也就不可能进行磁选分离。 

   什么叫磁选机的磁场力？如何提高磁场力？
   所谓磁选机的磁场力就是磁场强度与磁场梯度的乘积HgradH，当矿物磁性一定时，要使磁性矿粒与脉石分开，并尽可能获得好的分选效果，就必须使磁选机有足够的磁场力。
   对于强磁性磁场，因为矿粒的比磁化系数x很大，根据比磁力 F磁= xHgradH可知，所需要的磁场力HgradH相应可以小些，而分选弱磁性矿物时，因为矿物的比磁化系数x很小，所需要的磁场力HgradH就很大。当分选两种磁性相近的矿物时，就必须适当调节磁场力HgradH来提高选别效果。
   为了提高磁场力HgradH,不仅要设法提高磁场强度，如强磁选机。而且还可以通过提高磁场梯度gradH来达到，如高梯度磁选机。
矿物按磁性分类的依据是什么？主要分为那几类？ 

   矿物按磁性分类的依据是比磁化系数。磁选分离时，矿物的比磁化系，差异愈大，则分离愈容易。常见矿物的比磁化系，如表所列



根据矿物比磁化系数的大小，可以把所有的矿物分为以下几类:
   一、强磁性矿物
  它的物质比磁化系数x大于3000 x 10-6厘米3／克．在磁场强度H = 7200~136000安／米的弱磁选机中可以选出，为易选矿物。 属于这类矿物很少。主要有：磁铁矿、磁赤铁矿（Y一赤铁矿）、钛磁铁矿、磁黄铁矿、锌铁尖晶石等。这类矿物大都属于亚铁磁质。
   二、中等磁性矿物
  它的物质比磁化系数x介于（600~3000）x 10-6厘米3／克之 间。属于这类矿物仅有钛铁矿及假象赤铁矿等。选出这类矿物需要采用磁场强度H为160000~480000安／米的磁选机。
  三、弱磁性矿物
   它的物质比磁化系数x介于(15~600) x 10-6厘米3／克之间。在磁场强度H =480000~1600000安／米的强磁选机中可以选出。属于这类矿物最多，其中有易选的，也有难选的。主要有：大多数铁锰矿物—赤铁矿、镜铁矿、褐铁矿、菱铁矿、水锰矿、软锰矿、硬锰矿、菱锰矿等；一些含、铬、钨矿物—铬铁矿、黑钨矿等部分造岩矿物—黑云母、角闪石、绿帘石、绿泥石、 蛇纹石、橄揽石、拓榴石、辉石等。这类矿物大都属于顺磁质，也有属于反铁磁质的。
  四、非磁性矿物
  其物质比磁化系数小于15<10-6厘米／克。属于这类矿物也很多。主要有：部分金属矿物—辉铜矿、方铅矿、闪锌矿、辉锑矿、白钨矿、锡石、金等。大部分非金属矿物—硫、煤、石墨．金刚石．石膏、高岭土等；大部分造岩矿物—石英、长石、方解石等。这类矿物有一些属于顺磁质，也有一些属于反磁质。所谓非磁性矿物并非绝对没有磁性，只是极小而已。在目前的磁选机所能达到的磁场强度尚不能选出，因此称为非磁性矿物。
   以上的分类是在现代技术条件下大致的分类，因为影响矿物磁性的因素较多。即使同类矿物的磁性也不完全相同。
   应当指出：随着磁选技术的发展，弱磁性矿物与非磁性矿物的界限将会发生变化．弱磁性矿物比磁化系数的下限不断降低，这是磁选发展的必然趋势。 

   强磁性矿物的磁性特点及其与外磁场的关系如何？
  磁铁矿是强磁性矿物的代表。图4-7是鞍钢弓长岭铁矿的磁化强度(J)(图4-7a).比磁化系数(x) (图4-7b)与外磁场强度的关系曲线。


图4-7鞍钢弓长岭磁铁矿的比磁化强度、比磁化系数与磁化磁场强度的关系, 图中J= f (H)曲线OA为基本磁化曲线，它与铁磁性物质基本磁化曲线相似。大体上可以分为三个阶段：oa一磁化过程初期，ab—磁化过程中期，bA—磁化过程末期。在磁化初期（oa段），随着外磁场强度H的增大，比磁化强度J增加较缓慢；在磁化中期（ab段），J增加较快；在磁化末期(bA段)，J的增加又变缓慢。至A点时，J达到最大值。A点以后，H继续增大，J不再增加。因此A点称为磁饱和点。此时的比磁化强度称为饱和比磁化强度用J最大表示（图中J最大=108 X 105安／米·千克）此时的磁化磁场强度称为饱和磁化磁场强度。用H饱,表示（图中H饱＝160千安／米）。 
    到达饱和点以后，使H减小，这时J也降低，值得住愈的是J并不沿原来的磁化曲线AO下降，而是沿着高于AO的另一曲线AB下降，至H=0时，J并不等于零，而是保留一定的数值，此值称为剩余磁化强度、简称剩磁。用J剩表示（图中J剩,=4 x 105安／米．千克）。为了使剩磁消失，需要增加一个反方向的退磁场，当磁场强度逐渐增大时，J着曲线BC继续下降。退磁场强度增大到C时，J＝0；此时的退磁场强度称为矫顽力，用H矫表示（图中H矫＝1.7千安／米）。这种磁化强度J落后于外磁场强度H的变化的现象。称为磁滞现象。
    图中比磁化系数曲线x=f (H)看出：磁铁矿的一个重要特点是比磁化系数x值很大，而且不是一个常数，它随着外磁场强度的变化而变化。并始时，随着外磁场强度时增大，比磁化系数x迅速增大，并很快达到最大值x最大。达到最大值以后，再增大H.x不仅不随之增大，反而逐渐减小。不同的矿物，比磁化系数x不同，x达到最大值所需的外磁场强度H也不同。图x最大约为2．5x10-3米’／千克，此时H约为8千安／米。应当指出，即使是同一种矿物，例如都是磁铁矿，化学组成都是Fe304,，但由于它们生成的特性（如晶格构造、晶格中有无缺陷）不同，它们的J.xH矫也不相同。
   由图4-7还可以看出，使磁铁矿达到最大比磁化系数所需的外磁场强度是很低的。从理论上来说．磁选过程应当使矿粒处于最大比磁化系数状态，这样矿粒可以受到较大的磁力，有利于分选。从这点出发，磁选机的磁场强度应取达到最大比磁化系数时所需的磁场强度。然而在实际生产中，选别磁铁矿的磁选机为72~136千安／米。并非x最大值的磁场强度。这是因为比磁力的大小不仅取决于比磁化系数大小，还决定于磁场强度和磁场梯度的大小，比磁化系数虽然达到最大，但因磁场强度太小，结果使磁选机产生的磁场力不足于克服作用在磁铁矿上所有的机械力。