关于筛式静电分离器中金红石和锆颗粒电场模拟及运动机制的研究

《Minerals Engineering》：Study on electric field simulation and motion mechanism of rutile and zircon particles in the screen-type electrostatic separator

钛铁矿与锆石在筛板式电选机中的分离机制及结构优化研究。通过COMSOL多物理场耦合模拟分析电极电压、电极尺寸、电极偏转角和筛板结构对电场强度、粒子受力及运动轨迹的影响，发现电场强度呈先增后减的非均匀分布特征，钛铁矿与锆石因电-重联合作用呈现差异化的加速度与减速过程。优化建议包括采用微孔填充筛板结构并调整筛孔起始位置，以提升分离效率并减少杂质污染。

　　

魏云浩|郑永星|张洪申|王世波|齐明松

中国昆明理工大学冶金与能源工程学院复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室，昆明650093

摘要

锆石的提纯在矿物加工过程中一直是一个挑战。通常采用高压分离技术，基于导电金红石与非导电锆石之间的导电性差异来去除金红石。作为核心设备的筛式静电分离器（STES）已在工业上得到应用，但随着矿产资源复杂性的增加，其性能变得不稳定甚至不再适用。因此，从视觉角度理解分离机制对其升级和改进具有明显的指导意义。本研究通过COMSOL Multiphysics数值模拟，将静电场与流体流动粒子追踪相结合，全面研究了电极电压（EV）、电极尺寸（ES）、电极偏转角（EDA）和筛板结构（SPS）对粒子运动和分离效率的影响。电场模拟结果显示，电场强度和电场力沿筛弧先增加后减小，表明电场分布不均匀。粒子运动分析表明，金红石依次经历了由重力、电场力对抗重力以及重力引起的加速、近似均匀运动和减速；而锆石则依次经历了由重力、与筛板表面碰撞造成的能量损失、与孔内壁碰撞造成的能量损失以及再次加速的过程。变量分析表明，增加EV或ES可以增强电场强度和电场力，有助于更早地改变导电粒子的运动方向，从而提高分离性能。然而，减小EDA会使电场强度和电场力的轨迹向右上方偏移，也会导致导电粒子更早偏离轨迹。对不同筛孔结构的数值模拟表明，这种特殊结构并未改变电场强度和电场力，但显著影响了分离效果。研究提出，填充微孔的筛板结构有利于提高导电金红石与非导电锆石的分离效果。此外，筛孔的起始位置应设置在交点E的左下方，以避免金红石过早进入右侧料斗而污染锆石精矿。这项研究将为设计和优化STES提供良好的理论基础，最终提高难处理矿物的分离性能。

引言

由于锆石具有高熔点、无毒环保和耐腐蚀等优异性能，被广泛应用于现代陶瓷、特种玻璃和原子能行业（Fattahi等人，2020年；Perumal等人，2023年）。全球锆石资源主要集中在澳大利亚、南非和莫桑比克，其中澳大利亚的储量占全球总量的70%以上（Liu等人，2026年；Summaries，2021年）。锆石常与钛铁矿、金红石、独居石和石英共同存在于海岸砂中，表明其矿物组成较为复杂（Mohanty等人，2023年；Wang等人，2025年）。因此，单靠磁选、重力选矿和高压选矿等单一工艺无法有效获得锆石精矿。在实际生产中，通常采用多种选矿技术结合的方式生产高质量锆石精矿，其中静电分离通常作为最后一道工序，用于分离导电金红石和非导电锆石砂。

基于表面电荷转移机制的静电分离过程中，粒子的充电方法分为三类：感应充电、电晕放电和摩擦充电（Zhu等人，2024年）。电晕放电利用高压电晕使空气电离，产生单极离子，这些离子在电场作用下沉积在材料表面，使材料带有稳定的静电荷。基于这一原理，Mohanan等人（Mohanan等人，2012年）报道了一种基于新输出指标的高压辊式分离器的优化方法，用于分离含钛矿物和非导电颗粒，分离效果达到96.6%和98.9%。Nouri等人（Nouri等人，2019年）提出了两阶段预处理方法：首先加入十二烷基硫酸钠以提高锆石表面的润湿性，随后加入电解质水溶液以提高石英的导电性，再进行高压电分离，分离效率达到95.12%。Ravishankar等人（Ravishankar和Kolla，2009年）发现海水对矿物的高压分离有负面影响，他们发现Aero EZ 2100试剂显著提高了回收率和降低了导电与非导电组分的杂质含量。摩擦充电现象发生在材料相互摩擦或与摩擦管内壁接触时。Achouri等人（Achouri等人，2024年）将这一原理应用于研究电子废弃物中塑料的振动台静电分离器（VTE）的分离效率，实验展示了电极配置和充电时间对分离效率的影响。感应充电的原理是导电颗粒在电场作用下通过静电感应获得电荷。由于非接触操作和适用于导电颗粒等独特优势，这种充电方法在矿物分离中具有巨大潜力。Rejith等人（Rejith和Sundararajan，2018年）采用Orekinetics CoronaStat高压分离器和Mineral Technologies静电板分离器有效分离了含钛矿物（如金红石和莱科克森）与非导电锆石和独居石。此外，静电分离技术还应用于从废物中分离铜、锌等金属，甚至从食品材料中分离聚合物（Calin等人，2021年；Dascalescu等人，2025年；Park等人，2015年；Perez-Vaquero等人，2023年）。以往的研究主要集中在优化静电分离工艺条件以提高分离效果，但关于静电分离器本身分离机制的信息严重不足。

COMSOL Multiphysics是一款多功能有限元仿真软件，被研究人员广泛用于研究静电分离过程。Fekir等人（Fekir等人，2020年）利用COMSOL对聚酰胺、聚碳酸酯和聚氯乙烯的毫米级二元混合物在新型同轴圆柱形电极摩擦分离器中的电场分布和粒子轨迹进行了数值计算，结果全面揭示了正负电荷粒子的运动轨迹。Maammar等人（Maammar等人，2021年）研究了鼓式静电分离器内的电场分布及带电镍涂层球形塑料粒子的运动轨迹，其模拟结果通过实验验证。结果表明，必须仔细匹配高压操作参数与物料质量和鼓的旋转速度，以防止粒子撞击工作电极。Richard等人（Richard等人，2017b）对简化双电极系统的电场和粒子轨迹进行了数值建模和仿真，结果解释了实验现象，并为这两种电极系统的工业应用提供了实用建议。Zhu等人（Zhu等人，2022年）结合实验方法和COMSOL仿真优化了豌豆蛋白的静电分离效果，为提高微粉静电分离效率提供了新见解。Park等人（Park和Kim，2024年）模拟了三电极系统中碳离子束的提取过程，并研究了粒子分布和提取孔直径对束流轨迹的影响，结果与其它离子源提取程序的结果一致。

用于分离金红石和锆石的电分离器主要包括辊式静电分离器、弧板式静电分离器和筛式静电分离器（STES），其中STES常用于提纯非导电锆石（Das等人，2007年；Messal等人，2016年；Richard等人，2017a）。本文通过COMSOL Multiphysics数值模拟，将静电场与流体流动粒子追踪相结合，深入研究了STES中金红石和锆石粒子的运动特性和分离机制。首先对金红石所受的电场和静电力进行了仿真，以明确电场分布规律和粒子运动特性。然后详细研究了电极电压（EV）、电极尺寸（ES）和电极偏转角（EDA）等因素对粒子运动和分离效率的影响，提出了优化策略以提高金红石的去除率。最后设计了三种筛板结构（SPS），包括均匀分布的筛孔（标记为SPS1）、密集交织的筛孔（标记为SPS2）和填充微孔的筛孔（标记为SPS3），以进一步研究筛孔结构对锆石富集和粒子分布的影响。本研究旨在为优化STES的实际操作条件和改进设计提供深入见解和宝贵参考，从而提高导电和非导电颗粒的分离性能。

设备原理

图1展示了STES系统，主要包括进料系统、高压椭圆形电极、弯曲的筛板和双侧收集料斗。进料口采用进料辊确保粒子连续流入静电分离器。电场由连接到高压电源的椭圆形电极和接地? ??? ?? ???? ???? ?????.

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