[科普中国]-超导磁选

简介

励磁现象及材料的不同磁性能使得磁选方法成功用于工业生产中。诸多不同种类的磁性分选系统多年来广泛应用于工业实践。利用矿物磁感应值的不同，产生不同类型的磁场，使得一种矿物优先于其它矿物提升、捕捉或偏转.有几种形式的磁特性存在，但对于超导磁体所产生的高磁场来说，最重要的则是被定义为“顺磁性”的群体。许多元素及无极化合物在外界磁场中表现出微弱的正效应，为了使这些物料在磁场中反应强烈，就需要很高的磁力。磁选最成功的工业应用之一就是利用高梯度磁选(HGMS)对高岭土脱色。在过去的几十年间，诸多大型磁力系统用来脱除这种杂色的高岭土中的污染物以便提高其白度，从而增加它的商业价值。最初，电力短缺不利于大的磁力系统的使用，但随着与此相关的超导科学与技术的不断发展，这些与电力相矛盾的磁力系统逐渐被超导磁力系统取代。由于原线圈型磁力系统的耗电极大，超导磁力系统正在得到加速应用。用最新超导系统装备的磁选机电力消耗可以由300-400kV降至80kV 。

由于这种系统的外形尺寸要求以及导磁用的沉重的铁恺的需要，它必须按开/关模式操作，以便使捕捉于不锈钢分选介质上的磁性物料卸掉.随着持续模式开关技术以及相关卡普科往复技术的出现(磁力捕捉区脱离磁场完成磁性物料的卸除)，一种能力更强、场效率更高的设计，Cryofilter HGMS系统出现了，它仅需要少于1 OkW的电力。超导磁体及往复技术已成功应用于高岭土工业，这可以由该系统的不断销售及来自厂商的各国订单得到证明。在巴西的热带雨林地区，4套这样的Gryofilter系统目前正在使用。这个新近开发出来的高岭土生产区表明超导技术完全可以应用在甚至偏远的地区1。

磁选力为了实现磁性分选，目标物料必须受到一定的偏转或捕捉力.对于顺磁性颗粒来说，该磁场力F与背景场强及背景场梯度的乘积成正比。

Fax·∆B

式中X—物料的比磁化系数;

B—背景场强;

∆B—背景场梯度.

从该等式可以看出，右边参数增大，则最终磁扬力按比例增大.由于特定的物料X是固定的，所以系统的主要参数是背景场强及其梯度。增大场强或磁场梯度便可以增加作用在磁性物料上的磁场力。效率高及能力强的分选系统可以通过提高这两个参数而实现。

超导磁体的几何形状任何磁性分选系统的一个非常重要的方面是其实际磁体的设计及几何形状。通过利用一个狭长的磁体，无需巨大的恺装铁磁扼就可产生均匀且强度很高的磁场(如ST的卡普科Cryofilter)，而如果采用短而宽的磁体，则需要巨大的铁磁扼导磁，以便达到分选区内所要求的磁场强度及均匀度。在采用超导技术之前，一个短而宽的磁体可产生1.8 T的磁场.而在采用超导技术之后则同样的设计可产生2.5T的磁场，将背景场对磁性捕捉力的影响作一比较，我们可以看到，由一个狭长形的磁体所产生的ST磁场具有明显优点。上述磁力系统均是用来产生一封闭磁场，磁场区内设计有充满不锈钢的选介质的分选区。

另外一种几何形状是线圈末端所产生的磁场形状，永磁棒末端可见的闭合磁场.在此情形下，一个短线圈所产生磁场的不均匀性可以作为优点利用，在这种磁体末端的快速变化的磁场可以用做偏转性磁性分选。借助于该磁体的几何形状，可以产生一个高梯度，高场强的开放式偏转磁场，它产生的是一种偏转力而不是捕捉力。这种开梯度磁分离技术(OGMS )特别适合于干料的分选2。

往复技术为了充分利用超导磁体的磁能，采用一超导开关来“短路”供电电源，它一方面可以断开动力源，另一方面使磁体几乎可以无限地保留在预置磁场中。然而，这意味着磁体总在磁场中且任何分选区内被捕捉的磁性物料总处于被捕捉状态。可见，分选区必须从磁场区撤出，在该系统中，通过一驱动装置操纵磁性平衡嫂来实现这一点，罐中容纳有多个分离的分选区。该往复技术是由卡普科创造并可靠应用于加工高岭土的Cryofilter系统中。

超导磁体的冷却系统为了保证超导磁体的正常使用，它必须冷却至临界温度以下。在该临界温度以上，超导材料具有电阻，其有效零电阻的优点表现不明显。冷却超导磁体的最常见方法是将其浸人温度为4.2K ( - 269℃)的液氦中，液氦贮存在一采用真空绝缘的容器中或带有超低温保护层的容器中。容器的真空层可以减少外界热里进人液氦从而延长其使用寿命及系统的使用时间。该时间可以通过设计隔热超低温保液氮池包围液氦实现，也可以利用机械冷却装置护层进一步延长。该设计可以通过温度为77k(-196℃)的实现。冷却装置是通过少量高纯氦气在一个密闭环体中被迫膨胀所产生的冷却效果来进行致冷的。通过综合利用液氮池及机械冷却装置(将热童在达到液氦前阻断)，一台工业型Cryofiltei系统能够保证大约一年的磁体使用。超导材料的发展使得一些材料能够在更高一些的温度下具有超导性。这些材料目前也经常用来制造将电力传输给超低温保护层中磁体的导线，它们具有比传统导线(黄铜或青铜)更低的热传导性，因而也进一步减少了由导线传给液氦的热量。材料的进步与机械冷却装置的改进使没有液氦或液氦冷却池的超导磁体成为现实。在1996年间，已有两套这样的系统由卡普科应用于矿物分选。

超导磁力系统的优点超导磁力系统较常规磁力系统有几个主要优点。导线的零电阻大大减少了所需激磁的电力且能够获得更高的场强。在导线零电阻的基础上采用有效的线圈设计(长而窄的)可以产生均匀的磁场，从而在分选区内不需要巨大的铁扼来聚磁。Cryofilter中的铁扼是用来减少漏磁以便减少装置尺寸的影响。传统的HGMS系统需要大约625t的纯铁，而Cryofilter 5T/460仅需要24 t左右。另外，与设备相关的基建费用也随之降低。

总结利用超导磁体处理难选弱顺磁性矿物的应用及其强大的分选能力已经得到公认。曾经局限于研究领域的超导技术近年来获得的进步已从真正意义上使其跨人工业应用领域。诸多可供选择的成熟的冷却系统可以确保设备在不影响其灵活性及可靠性的前提下应用于特定的工作环境。由于超低温技术已成功应用于该领域，所以进一步施展这一技术的强大力量就己成为现实。卡普科的试验结果可以充分表明，该类系统的价值及其在完成详细测试流程中的价值3。