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干式高梯度磁选（HGMS）中通过设计径向气流矩阵提升细粒级铁矿石分离效率，实验与模拟表明结合气流进料可显著提高铁精矿品位（达69.01%）和回收率（最高86.36%），有效分散颗粒并减少团聚。
常宏浩|库江刚|卢东方|胡志成|王秀斌|秦宏帆
福州大学，地质与矿业学院，福建福州，350116，中国
摘要
在之前的研究中，我们引入了一种新型的气动磁选机，该磁选机结合了径向气流，以解决干式高梯度磁选（dry HGMS）过程中由于颗粒团聚导致的低分离效率问题。然而，气流的具体作用机制仍不够明确。在本研究中，我们设计了一种特殊的径向气流矩阵，用于进行可视化分离实验，并对不同的气流配置进行了CFD-DEM模拟。结果表明，当分离仅依赖于重力进料时，尺寸为-0.038+0.013毫米的混合矿石颗粒难以克服团聚带来的挑战。使用气流进料后，堆积在矩阵表面的物料中的TFe品位从49.48%提高到了56.59%。当引入径向气流时，最大TFe品位达到了69.01%。通过对模拟结果的比较分析发现，当堆积物的TFe品位约为61%时，单独使用气流进料、重力进料与径向气流结合使用以及气流进料与径向气流结合使用的回收率分别为59.47%、65.42%和86.36%。此外，在相同的操作条件下，当精矿的TFe品位约为65%时，相应的回收率分别为36.75%、59.82%和60.53%。径向气流的应用有效地促进了粉末材料的分散，去除了附着的石英颗粒，并显著提高了选择性，从而比传统的气流进料方法取得了更好的分离效果。
引言
随着矿产资源的不断开采，易于获取的高品位铁矿石的全球供应日益减少。因此，矿业企业必须逐渐将重点转向开发和利用“贫瘠、细小且复杂”的低品位弱磁性铁矿石，以维持全球经济发展[1]。然而，这些矿石中的有价值矿物通常分布非常细小，需要研磨到微米级才能有效释放。这一限制不仅增加了选矿成本，还对先进的分离技术提出了更高的要求[2]、[3]。目前，湿式高梯度磁选（HGMS）被广泛用于细小弱磁性铁矿石的分选。但与湿式HGMS相比，干式HGMS完全消除了对水的依赖，从而可以避免后续的浓缩、过滤和干燥等工序[4]、[5]。干式HGMS具有显著的优势，包括节约用水、简化工艺和减少碳排放[6]、[7]、[8]，这些优势在瑞典北部、澳大利亚中部和中国西北部等寒冷干旱地区的铁矿石资源开发中越来越受到重视。此外，干式HGMS在某些特定的干法加工技术中也显示出应用潜力，例如非金属材料（如石英砂、钾长石和高岭土）的除铁和提纯[9]、[10]、[11]；锂离子电池材料中磁性杂质的去除[12]、[13]；食品和药品中金属杂质的去除[14]；钽铌矿的富集和提纯[15]、[16]；细煤粉或飞灰的脱硫[17]、[18]、[19]、[20]；以及铁矿石悬浮磁化焙烧前的预选矿[21]。这些优势表明干式HGMS具有重要的研究潜力和独特的技术优势。
目前，商用干式高强度磁选机（如稀土辊式和电磁感应辊式）在处理粗粒弱磁性矿物时表现出优异的性能。然而，当这些磁选机处理细粉材料时，其分离效率会显著下降。随着进料颗粒尺寸的减小，表面能显著增加，从而影响分散性和流动性。这导致颗粒容易发生涂层和团聚，导致严重的非磁性夹带[22]、[23]。为了克服这一问题，人们提出了多种改进方法。例如，宋等人[24]采用磁流化床从鼓式磁选机的底部进料，并利用低速气流使颗粒流化。唐等人[25]、[26]、[27]在特制的分选鼓内产生高速气流，以增强细粒材料的分散。杰克逊等人[28]、[29]结合超导磁选技术和气流进料，实现了高岭土粉末的提纯。尹等人[30]、[31]将离心力和重力与磁力结合，增强了具有不同磁性质的细粒材料之间的运动轨迹差异。徐等人[32]、[33]、[34]结合了HGMS和振动力，提高了细粒材料在矩阵中的流动性。陈等人[35]、[36]使用有限元仿真方法优化了矩阵的排列，避免了粉末堵塞。Yuki等人[37]发现菱形铁磁棒可以最小化粉末颗粒在矩阵表面的沉积，且旋转十字图案比平行配置具有更高的分离效率。史等人[38]利用微波辐射增强了煤粉中黄铁矿和煤基质之间的磁性质差异，并使用设计的旋转盘式永磁高梯度磁选机实现了煤粉的预燃烧脱硫和提纯。
气流分散技术通过精确调节气流场，有效干预了颗粒系统的团聚状态[39]。其核心机制是利用空气动力克服颗粒间的粘附，从而实现颗粒团簇的解聚和均匀分布[40]。为了全面优化这一过程，许多研究人员使用CFD-DEM模拟和研究了气流与颗粒之间的复杂相互作用机制[41]、[42]、[43]、[44]、[45]。例如，高等人[46]提出了一种新型的轴向-径向气流分流系统。通过调整进气角度和气流体积，产生气流涡流来捕捉粉尘颗粒，从而降低粉尘含量，显著改善了地下采矿环境的安全性和工作条件。邹等人[47]证明，调整进气角度和气流速率可以产生捕捉粉尘颗粒的涡流，从而降低粉尘浓度。他们的研究还发现，虽然颗粒间的凝聚力会增强团聚，但气流的引入促进了颗粒的分散和流化。陈等人[48]利用CFD-DDPM和DEM软球模型数值研究了双喷嘴气动喷射系统中的颗粒撞击和分散现象。通过详细分析气相和颗粒相流场，他们揭示了双喷嘴喷射过程中的基本流动演变模式，并阐明了控制颗粒撞击和分散的动力学机制。
在之前的研究[49]、[50]中，我们开发了一种连续式气动高强度磁选机，以增强细粒赤铁矿的分离效果，如图1所示。在这种磁选机中，粉末材料通过气动输送装置送至辊表面，然后表面可以径向释放低速气流，持续分散并去除夹带的非磁性粉末。然而，气流的具体影响机制仍不清楚。在本文中，我们设计了一种用于干式HGMS的微径向气流矩阵，以替代复杂的感应辊，从而可以进行可视化分离实验和CFD-DEM模拟。我们比较了四种干式HGMS系统：仅重力进料、仅气流进料、重力进料与径向气流结合以及气流进料与径向气流结合，以研究不同气流配置对干式HGMS过程的影响，并揭示径向气流增强弱磁性细粒材料磁分离的机制。
径向气流矩阵的设计原理
径向气流矩阵的原理如图2所示。该矩阵由一根两端封闭的空心SUS 430合金棒组成。棒表面有凸出的齿状结构，并覆盖有SUS304金属网。在分离过程中，气流被泵入空心棒中并通过气流通道导向，产生向外的径向气流，有效分散矩阵表面的细颗粒。齿状结构产生的高梯度磁力使磁性颗粒能够克服...
CFD-DEM模拟研究
可视化实验展示了颗粒团簇在宏观层面的逃逸和堆积现象。径向气流表现出高选择性，为其在干式HGMS中的优势提供了初步证据。我们建立了一个耦合的CFD-DEM[51]模型，用于模拟含有密集颗粒的干式HGMS过程，以全面理解分离的微观行为。
结论
本研究探讨了径向气流增强干式HGMS的机制。我们建立了一个可视化实验平台，系统地展示了四种干式HGMS系统下的分离效果：仅重力进料、仅气流进料、重力进料与径向气流结合以及气流进料与径向气流结合。此外，还使用COMSOL等三种仿真软件进行了不同系统的数值模拟。
作者贡献声明
常宏浩：撰写——原始稿件、可视化、数据整理。库江刚：撰写——审阅与编辑、概念化。卢东方：方法论、概念化。胡志成：撰写——原始稿件、监督。王秀斌：撰写——原始稿件、可视化。秦宏帆：可视化、研究。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们衷心感谢以下机构对这项研究的资助：福建省自然科学基金（编号：2025J08057）、国家自然科学基金（编号：52174245、52174270、52574338）以及福州大学人才引进创业基金会（编号：XRC-25027）。
