一、技术领域

本发明涉及一种多种元素矿物的磁电联合分选的方法及设备，属 选矿业中的选矿技术和选矿设备，矿产资源高效开发综合利用领域。

二、背景技术

目前对矿物进行分选的选矿技术，通常采用的方法是：重选法、浮 选法、磁选法、电选法、化学选矿法，而几乎所有的选矿技术方法制 造的设备仅能主选1-2种矿物产品，矿物中其它矿物产品因无法选分 或选矿成本过高，而将其大量废弃，从而造成矿产资源的大量浪费。

磁选法是利用各种矿物磁性的差异，在磁选机磁场中进行选分的 一种选矿方法。目前技术的磁选机是根据分选机的分选介质、磁场的 强弱、排出磁性产品的结构特征进行分类的。通常磁选机的分选介质 分为干式、湿式两种。按磁场强度分为弱磁场、强磁场两种磁选机。 磁场类型分为永磁性磁铁恒定磁场或永磁性磁铁交替排列的旋转变化 磁场、交流电磁铁变化磁场或脉动变化磁场两大类。磁选过程一般需 要2-3台磁选机串联完成，选矿工艺流程长，选矿系统投资大，且无法 选分出磁性矿物中的二氧化硅、硫、磷等有害矿物。

在目前磁选法的选矿实践中，通常按工艺法进行分类，将待选的磁 性矿物按比磁化率的大小分为磁性、弱磁性和非磁性矿物三大类。目 前的磁选机通常是按磁性矿物的磁性强、弱，用永久磁铁制造的弱磁 场和强磁场强度两大类磁选机。

强磁性矿物的比磁化率为X＞3.8×10-5m3/kg，则可用磁极表面的 磁场强度达到80-120KA/m(1000-1500奥斯特)的弱磁选机回收。

弱磁性矿物的比磁化率为X：7.5×10-6-1.26×10-7m3/kg，可用 磁场强度达到800-1600KA/m(10000-20000奥)的强磁选机回收。

非磁性矿物的比磁化率为X＜1.26×10-7m3/kg，目前的技术还不 能实现磁选法回收。

为提高磁选机的分选效率、精矿品位和回收率，减少磁选系统设 备，故本发明提出了改进技术方案及其设备。

本发明按待选矿物的比磁化率大小分为磁性(弱磁性、强磁性) 和非磁性矿物二大类，采用的是干式分选介质，磁场类型用三相交流 电产生的可变逆向旋转磁场(对运动的磁性矿粒而言)，可实现磁场的 大小和方向具有可变性和可逆性，磁场强度为1000-20000奥斯特连续 可调的磁选机，可覆盖对弱磁性、强磁性两类矿物的磁选，磁性矿粒 在磁极表面做逆向磁翻转运动，有利于磁性精矿品位的提高，磁性、 非磁性矿物分矿调节装置可调节精矿的品位和最佳回收率。

电选法是利用矿物在高压静电场中的导电率、比导电度、介电常 数及整流性等矿物性质的差异，利用高压电场对多元素矿物进行分选 的一种选矿方法，近年来电选理论研究不断深入，设备的分选能力和效 果不断提高，应用范围不断扩大，其原因是电选法被广泛地用于各种 金属矿或非金属矿的分选，可极大地降低精矿中的杂质，且不产生选 矿废水及对周围环境造成污染，

国内外学者认为目前的电选法技术尚不能解决矿物中多种元素矿 物的分选，以及不能解决对细小矿粒(粒径小于0.1mm以下的物料) 进行分选的难题，故对多种元素矿物、细粒度矿物的电选理论和设备 的研究是今后选矿业中的重要科研方向。目前，电选法及其设备在我 国的选矿业中尚未能广泛应用，与国外相比尚处于较落后的水平。

本发明综合运用磁选法、电选法、利用逆向旋转磁场、电晕和静 电复合电场及其新型电极结构、同位素离子激发源、静电聚焦质量分 析器、粒子速度选择器和磁场质量分析器等现代技术，不用水和任何 化学药剂，对复杂成分的多种元素矿物及难处理的细颗粒矿物的进行 综合处理，实现对矿物中多种矿物元素的综合分选作业，解决目前选 矿技术和选矿设备不能综合分选天然矿物或尾矿中多种元素矿物的难 题，以及钢铁冶炼工业的铁精矿中硫、磷等有害杂质含量过高问题。

三、发明内容

1、本发明的目的：

解决目前的选矿技术和选矿设备不能综合分选天然矿物或尾矿中 多种元素矿物的难题，

解决目前应用的磁选机尚无法分选铁精矿中磷、硫、二氧化硅等 有害杂质，铁精矿的品位低、回收率低的问题

解决目前的湿式磁选法、电选法等选矿方法对环境和水源带来的 环境污染问题。

2、本发明的技术方案和设备原理

本发明专利的技术方案是根据待选的矿物所含多种元素矿物的不 同属性进行分类、分步骤地进行选分，其技术方案特征是：

(1)对多元素矿物中磁性和非磁性类矿物的磁选工艺

将多元素矿物送入分选机，利用本发明中设计的逆向旋转磁场的 磁选机，使其磁场强度的可调范围在1000-20000奥斯特，以覆盖对 弱磁性、强磁性两类磁性矿物磁选的要求。根据磁铁吸引磁性物质的 原理，矿物被二个相向转动的导磁园滚筒进一步磨细，同时磁性类矿 物被滚筒表面的磁场力所吸住并随其运动，因该磁场是逆向旋转磁场， 故磁性矿物同时作与圆滚筒运动方向相反的逆向磁翻转运动，以便脱 掉磁性类矿物被吸引时而混入其中的非磁性类矿物，非磁性类矿物被 翻动而脱落后，通过磁性中矿网筛出料口，漏入磁性矿物中矿的出料 口，圆滚筒旋转到非磁性区时，磁性类矿物则因其离心力、重力的作 用而落入磁性矿物出料口，非磁性类矿物因不受磁力吸引，在滚筒产 生的离心力作用下进入下步分选工序，调整磁性、非磁性矿物回收率 调节板板，可调节二者的品位和回收率，分选出磁性类矿物、磁性中 矿和非磁性矿物。

(2)对非磁性类矿物的电选工艺

采用高压电晕和静电复合电场及其电极结构、电热温度场、同位 素离子激发源等技术措施，使非磁性类矿物粒子成为带不同正负电荷 的矿粒，在平行的电晕静电复合电场和离子激发源的作用下，因其电 的属性和质荷比不同，各自将按其不同的分离轨道运动，从而分选出 弱金属类和金属类矿物、非金属类矿物及尾矿，首先分选非金属类矿 物和尾矿，并将其分选为各种同级粒度的单质或化学化合物非金属类 矿物及其尾矿。

(3)对弱金类属和金属类矿物的电选工艺

利用静电聚焦质量分析器的工作原理，根据带不同电量的弱金属、 金属类矿粒在S状圆型高压电场中受到电场力的作用，其运动半径与 其质荷比成正比的电学理论，由于S形圆形电场的圆心由O1到O2的改 变，弱金属矿粒运动进入圆心O2的半径范围时，调整高压静电场电极 24的电压，使弱金属矿粒运动半径小于R3，在上部分选通道运动的弱 金属矿粒利用其离心力，在下部分选通道运动的弱金属矿粒则利用其 向心力，通过上、下部金属中矿筛网27、28，进入左右两侧的金属中 矿出料口29，弱金属矿粒被选分出来，由于电压的调整同时使金属矿 粒运动半径大于R3，故金属类矿粒只能在电场的负极两侧向下继续运 动，在电晕静电复合电场30、31处被继续充电，并被电场形成的凸透 镜聚焦于m、n二个焦点进行能量聚焦后，高速进入下步工序分选。

(4)对金属类矿物的分选工艺

金属矿粒经过静电聚焦极33时被聚焦于P点，在加速极34的加 速作用下，进入静电速度选择器35、36、37进行速度选择后，进入磁 场质量分析器、在真空分选环境作用下，使不同的带电量的金属类矿 粒因其质荷比不同，在磁场质量分析器中受到洛仑兹(Lorentz)力的 作用，其各种金属元素将按其运动轨道不同、空间位置不同、时间先 后不同、而得到分离，从而使金属类矿物通过磁场质量分析器38和金 属元素矿物分矿处理系统40被分选出各种单质的金属元素矿物。

经过以上四个步骤的选分工艺，矿物中的多种元素矿物在分选设 备中自上而下，连续自动地实现选分，将多元素矿物分选为各种单质元 素或各种化学化合物成分的矿物。

本发明涉及的分选设备，其结构见附图1，其特征是：

由I、II、III、IV四部分设备构成的一个多种元素矿物分选系统， 根据所分选矿物的成分和性质不同，四个分选系统可以独立应用或根 据需要相互组合成一个多种用途的选矿系统。

I、磁性、非磁性两类矿物分选的工艺方法及设备，其结构如附 图2中I部分所示，其特征是：

两个相向转动的导磁圆滚筒5构成的磨矿、磁选系统，圆滚筒材质 为导磁不锈钢0Cr13或1Cr17，其表面镀镍，半径为300-600mm，厚度 5-30mm，二个圆滚筒的中心距可根据所需矿物的粒度调整，其转动由 转速可调的无级调速交流电动机驱动，功率1-10KW；磁铁位置控制杆 6与磁铁连接为一体，其中心角度可根据磁选工况调整；磁感应卸矿 辊刷7，其圆形表面上带有等分圆周并有一定深度的螺旋槽；电磁铁8 位于圆滚筒内中心位置，其励磁电压为三相交流电380伏，构成与圆 滚筒旋转方向相反的逆向旋转磁场，其磁场强度为1000-20000奥斯 特，根据磁性矿物所需磁性的强、弱而进行调整，磁路及磁隙的结构 可构成非均匀性磁场；两个磁性矿物出料口9，从外部连接将其汇集 成一个磁性矿物出料口，磁性中矿网筛10位于非磁性、磁性矿物出料 口的中间位置，网筛孔径大于80目筛；非磁性、磁性矿物回收率调节 装置11，根据磁性类矿物的品位，调节遮蔽磁性中矿出料口12的开 度，磁性中矿由其出料口排出。

工作原理：将待选矿物送入给矿斗，根据磁选机的磨矿、磁选工 况，由矿物进料量控制器控制磁选机的给料速度，经振动给矿器将矿 物被送入给矿槽；由磁铁起始位置控制杆，调整磁性吸引区的起始位 置；导磁圆滚筒转动是由转速可调的无级调速交流电动机驱动，矿物 进入两个相向转动的导磁圆滚筒之间被挤压、磨细和传送，同时，磁 性类矿物被导磁圆滚筒表面所吸住，并随之运动，由于同时受到逆向 旋转磁场的作用，磁性类矿物同时在圆滚筒表面做逆向磁翻转运动， 其目的是将被吸在圆滚筒表面混入磁性类矿物中的非磁性类矿物翻动 下来，并通过磁性中矿筛网进入磁性中矿出料口，调节其开口大小，可 提高磁性类矿物精矿的品位；当圆滚筒转动到非磁性区时，磁性类矿 物颗粒则因离心力、自身重力的作用下落入磁性矿物出料口，因剩磁 仍被吸在园滚筒表面的磁性类矿物被逆向转动的磁感应卸矿辊卸下， 进入磁性类矿物的出料斗中，并由两侧的磁性矿物出料口M1排出，从外 部连接将其汇集成一个磁性矿物出料口；非磁性类矿物由于不被磁场 磁力吸引，在圆滚筒离心力的作用下高速进入下步分选工序。

II、金属、弱金属(导体、半导体)和非金属(非导体)两类矿物分 选的工艺方法及设备的结构如附图2中II部分所示，其特征是：

温度测量传感器13，温控器的测温装置；电场正极接地参考极14 (当分选金属类矿物时，改为负极接地方式)；排斥聚焦负极15，高 压电晕丝，静电复合电极负极16的结构为，电晕丝直径为0.1-0.5mm， 数量为3-10根，静电极板位于两个电晕极的电晕丝的中间位置，电压 为30-60KV连续可调，其正负极间距为150-200mm；高压静电场负极 17，电压为30-60KV连续可调；同位素离子激发源18，可选用的离子 激发源有：55Fe、57Co、63Ni、109Cd、153Gd、238Pu、241Am、244Cm等，为箔状 同位素金属，选用这些同位素的离子激发源，可激发原子序数Z从 13-92号的各种元素产生离子，其位置正对电晕丝区，外部由10mm铅 皮防护，同位素离子激发源是激发矿粒产生电子和离子的新技术措施， 以代替通常使用的电子枪离子源激发方式，14、15、16、17、18构成 这种作用的复合电场和电极结构；电加热板为板状电加热器19，功率 为2-6KW；高压静电场正极20(分选金属类矿物时，改为负极接地方 式)；非金属矿物出料口网筛21，网孔大于80号网筛；不同粒度、 属性系列的非金属矿物分级出料口22，其出料口数量和开度大小按所 分选矿物的粒度和品种进行设定；同粒度、属性的非金属矿物两个出 料口23，从外部将其连接汇集成为一个非金属矿物出料口。

工作原理：从电学的理论出发，导体和非导体在高压电晕静电场 复合电场的作用下，矿粒受到传导和感应带电、电晕带电、接触带电效 应的共同作用，使导体与非导体矿粒产生完全不同的充放电过程。非 导体矿粒带有负电荷，从电晕区到静电场区其电荷符号不变，而导体 矿粒在电晕区内其电荷符号与非导体矿粒相同(均带负电性)，但进入 静电场后，其电荷极性将发生改变，这个时间很短暂，由于导体矿粒 介电常数比非导体矿粒大，获得的电荷量比非导体大，但由于导体矿 粒的电阻小，因而实际上当电荷达到平衡时，导体矿粒上的电荷比非 导体矿粒要小，其差别表现在两种矿粒一旦离开电晕区时，导体矿粒 上的电荷经传导或接地极被很快地传走，在高压静电正负极的作用下， 导体矿粒的电荷极性变化为正极性，因此从接地极弹起，并向负极运 动，对接地极而言是发生了同性电荷的排斥作用，对高压静电负极而 言，则为异性电荷吸引作用。非导体矿粒则不同，其在电晕电场中获 得的电荷很难传走，这时由于其电阻大，加之又受到静电负极的排斥 作用，非导体矿粒向正极运动，由于导体和非导体矿粒的运动轨迹方 向相反，故能使导体和非导体得到分离。

非磁性类矿粒在两个相向转动的导磁镀镍(为了易使矿物摩擦带 电而设计)圆形滚筒产生的离心力及矿粒重力的作用下，非磁性类矿物 中的弱金属、金属(半导体、导体)和非金属(非导体)类矿粒由于 相互碰撞、摩擦而获得电荷，如前所述，均带有一定的负极性电荷， 其带电量决定于矿粒费米能级的大小和其结构的晶体缺陷。当经过由 14、15构成的负极性排斥聚焦电场时，导体和非导体均因带负电荷而 被而被聚焦于电场的中间位置运动。

当矿粒运动到高压电晕、静电复合电场时，电压为40-60KV，根据 所选矿物调整其数值，电晕电场对导体和非导体矿粒充电，使其均能 感应带电而获得电荷。导体矿粒的介电常数大，获得的电荷比非导体 矿粒多，且由于导体矿粒导电性好，因此电荷吸附于其表面后，能在 其表面自由移动；非导体矿粒介电常数小、导电性极差或不导电，吸 附于非导体表面的电荷则不能自由移动。一旦导体和非导体矿粒相互 接触或与接地极接触后，导体矿粒表面吸附的电荷在极短时间内经接 地极或正极性矿粒传走，同时受高压静电场感应产生正电荷而被迅速 被吸向高压静电场的负极；非导体矿粒则不然，其表面吸附的电荷不 能被立即传走，总是带着负电荷而被高压静电场的正极所吸引，从而 使导体和非导体矿粒得到分离。

矿粒受到高压电晕静电复合电场作用，同时还受到同位素离子激 发源所产生的X射线或α、β、γ射线的作用(选用同位素离子激发 源代替通常的电子枪离子激发源的目的是因其结构简单、工作可靠， 适用于恶劣的工程环境，射线防护简单、安全可靠)，高能量射线将矿 粒分子中的原子激发而离子化为离子，进而断裂为各种荷质比的碎片 离子，即射线中高速运动的电子将矿物分子中原子的内层轨道的电子 激发到能量较高的外层轨道，甚至将电子打出原子之外，这时原子处 于受激发状态，原子中的电子产生电子跃迁或失去电子，使矿粒产生 更多的正负电子和离子，故此，离子激发源与电晕电极构成了矿粒的 离子化区，使矿粒成为更多带电的粒子和离子而受到电场的作用。

在高压电晕静电复合电场和同位素离子激发源的同时作用下，金 属(导体)带电矿粒带正电向高压静电场的负极运动；非金属(非导 体)矿粒带负电向高压静电场的正极运动，弱金属(半导体)则在二 者中间位置运动。

弱金属和金属(半导体、导体)、非金属(非导体)类矿粒在高压 电场通道中由于受到圆滚筒产生的向下离心力F1、自身重力F2及电场 力F3的合力作用，将按不同半径的圆形轨迹运动。即：

$\stackrel{·}{F}={\stackrel{·}{F}}_1+{\stackrel{·}{F}}_2+{\stackrel{·}{F}}_3---\left(1\right)$

其中：F1＝mω2R  F2＝mg  F3＝QE

m-矿粒质量

ω-园滚筒表面的角速度

R--园滚筒的半径

g-重力加速度

Q-矿粒的带电量

E-电场强度

合力F使弱金属和金属、非金属类矿粒在电选机的双通道中作方 向不同的不同半径的圆周运动。根据下文的公式(3)，以分选机右分 选通道为例，矿粒最小的非金属矿粒，其质荷比最小、运动半径最小， 首先进入右边的非金属矿物出料口筛网21，落入不同粒度、属性系列 的非金属矿物出料口22的最上部粒度1出口，颗粒稍大的非金属矿粒， 其质荷比稍大，进入22的粒度2出口，以此类推，最大者进入最下部 的同粒度、同属性的非金属矿出料口23。

假定如果进入电选设备的非金属类矿粒全部是同级粒度的，但非 金属类矿物品种不同时，则因其不同的质荷比，而按不同的半径运动， 按照非金属矿粒的不同品种，从非金属矿物出料口22自上而下排序排 出，质荷比最小的非金属类矿物品种位于最上部，依次类推，质荷比 最大的位于最下部，从而分选出各种单质元素和化学化合物成分的非 金属类矿物(除有价值的非金属矿物外，其中大部分非金属矿物将作 为尾矿废弃处理)。

同理，分选机左分选通道的分选过程也然。

金属和弱金属类矿物的矿粒只能沿高压负极两侧或电场正负极的 中间范围向下运动，进入下一步工序分选。如果改变高压电场的正负 极性，则在22-23排序分选出的是各种元素的弱金属和金属元素矿物。 19-电加热板和13-温度传感器构成的恒温控制系统是为了提高矿物的 导电性，提高矿物的精矿品位和回收率。根据不同的矿物，分选时选 择50-300℃的控制温度，因矿物含有水分通过高压电场时，将会发生 短路现象，并将严重影响分选的效果，温度过高或过低都会使分选效 果变坏，应预先进行温度影响实验后确定其应用的温度。

III、弱金属(半导体)、金属(导体)两类矿物分选的工艺方法及设备 结构如附图3所示，其特征是：

利用静电聚焦质量分析器的工作原理，设计以O1、O2为圆心，以 R1、R2、R3为半径的双通道S状圆形电选机，由20、24、30、31构成 S状圆形高压静电场的电极结构，电压为10-60KV，连续可调，根据选 分矿物的运动半径确定其工作电压；由于S状圆形电场圆心由O1到O2 的改变，当弱金属矿粒运动进入圆心O2的半径R3区域时，调整静电场 负极电压24使弱金属矿粒的运动半径小于R3，在上部分选通道运动的 弱金属矿粒利用其离心力，在下部分选通道运动的弱金属矿粒则利用 其向心力，通过金属中矿出料网筛27、28，进入金属中矿出料口29， 从外部将出料口29连接汇集成为一个金属中矿出料口；上、下部金属 及中矿回收率调节板25、26在一个共轴O2上转动，用于遮蔽上、下部 金属中矿出料网筛27、28的开度，目的是调节金属元素矿物的精矿品 位和回收率；高压电晕电场负极30和静电场负极31构成的复合电场 的电压为10-60KV，可连续调节。

工作原理：由上步工序选分出的弱金属、金属类矿粒进入本段电 选工序，设备构造为静电聚焦质量分析器。当高速运动的矿物粒子进 入由高压静电场正负极20、24构成的静电场时，带电的粒子和离子受 电场力的作用发生偏转，要保持矿粒在半径为R的径向轨道运动的必 要条件是：电场力等于径向偏转产生的离心力。即：

$\mathrm{QE}=\frac{m_K{\nu }_K^2}{R_K}$则：(2)

$R_K=\frac{m_K}{Q}\times \frac{{\nu }_K^2}{E}=\frac{2}{\mathrm{QE}}\times \frac{1}{2}{m}_K{\nu }_K^2---\left(3\right)$

E---电场强度(电场电压与极板距离之比)

νK--矿粒(或离子)的运动速度；

Q---矿粒(或离子)所带的电荷量；

mK-矿粒(或离子)的质量；

RK-矿粒(或离子)径向轨道半径；

k--1、2...n不同种类的金属矿物元素；

上述公式(3)构成静电聚焦质量分析器的理论基础，静电聚焦质 量分析器是根据带电的弱金属和金属类矿粒因其质荷比的不同，则其 在空间的位置不同、时间的先后不同，不同种类的矿粒将具有不同的 运动半径和运动轨道，故可对弱金属和金属类矿粒两类矿粒可进行有 效的分离。

当电场强度E和运动速度νK为已知常数时，由(3)式可知，矿粒 的质荷比不同，其运动半径R则不同，因此只要适当地调整电场强度 E和矿粒的运动速度数值，就可使待选的弱金属类、金属类矿粒以O1、 O2为圆心，根据其质荷比的大小，可使金属类矿粒在大于R3为半径的 轨道上运动；同时使弱金属类矿粒在小于R3为半径的轨道上运动。由 于S形圆形电场圆心由O1到O2的改变，弱金属类矿粒运动进入以O2为 圆心，以R3为半径的区域时，上部分选通道的弱金属类矿粒利用其离 心力，下部分选通道弱金属矿粒则利用其向心力，通过上、下部金属 中矿出料网筛27、28落入的金属中矿出料口29，作为中矿得到分离； 转动调整上、下部金属中矿回收率调节板25、26的角度，可提高二者 的精矿品位和回收率。因金属类矿粒运动半径大于R3，只能沿中心的 高压负极两侧的R1-R3为半径的圆形轨道范围内向下运动，当通过高压 电晕、静电复合电场30、31时，继续得到充电，并通过电场出口a-b、 b-c静电场形成的凸透镜，被分别电场聚焦于m、n两个焦点，进行能 量聚焦后，进入下步分选系统。

由(3)式可知只有动能相同的粒子才能具有相同的运动半径， 因此静电聚焦质量分析器只允许符合上式中具有一定动能的矿粒通过 (这就叫能量聚焦)，即挑出一束由不同的mk和νK组成，但具有相同 动能的粒子，再将这束动能相同的粒子送入磁场质量分析器实现质量 色散，从而解决了磁场聚焦质量分析器所不能解决的速度聚焦问题。 本工序利用静电聚焦质量分析器解决金属类矿粒的速度聚焦(或称为 能量聚焦)问题，从而使质量分析器对同时进入的质荷比相近的矿粒 具有较高的分辨率能力，为其进入磁场质量分析器分离提供条件。

IV、金属(导体)类矿物分选的工艺方法及设备结构如附图4所示， 其特征是：

由四方体锥形曲面构成电场聚焦、电场加速与速度选择器系统32， 其入口为200×200mm，出口为10×10mm，由排斥聚焦负极33、高压 静电加速器负极34、高压静电速度选择器负极35、高压静电速度选择 器正极36、速度选择器磁铁37组成，根据具体工况确定其工作参数； 磁场质量分析器磁铁38由直流电磁铁构成，其磁场的大小可由分离金 属矿物的工况调整确定；磁场的真空系统39由真空泵、过滤器、缓冲 罐组成，负压为50mm汞柱，从矿物粒子的进矿口至出矿口做密封处理； 金属元素矿物分矿处理系统40出矿口的结构，由所选出的n种金属元 素矿物的运动半径确定分矿系统进、出料口结构、半径的尺寸和数量， 可按所选矿物品种的需要制造出Mn个进、出矿口。

工作原理：被聚焦于m、n两个聚焦点的两路带电的相同能量的金 属矿粒高速进入本工序，经过负极性排斥聚焦极33的静电场被聚焦于 p点，进入电场加速区，经高压静电场加速极34为V1伏特的电压加速 后，带电金属矿粒进入电压为V2的静电速度选择器35、36、其磁铁37 的磁感应强度为B1，之后进入磁感应强度为B2构成的磁场质量分析器 38(磁偏转分离器)进行分离。

在此假定：金属矿物粒子由静止开始运动的，即初速度为零(暂 不计圆滚筒提供的运动速度，实际应用时考虑)，高压静电场的加速电 压为V1伏特，电场强度为E1，静电速度选择器的极板距离为d，电压为 V2伏特，电场强度为E2，磁感应强度为B1，磁场质量分析器(磁偏转分 离器)的磁感应强度为B2，有k种金属矿粒的质量分别为mk，其带电量 均为Q，运动速度为分别为νK，根据能量守恒与转化定律，金属矿粒 所获的动能与加速电压和其所带电量有关：

$\frac{1}{2}{m}_K{\nu }_K^2=Q{V}_1$则：${\nu }_K=\sqrt{\frac{Q}{m_K}\times 2V_1}---\left(4\right)$

V1---加速极电压

νK--金属矿粒(或离子)的运动速度；

Q---金属矿粒(或离子)所带的电荷量；

mK-金属矿粒(或离子)的质量；

k----1、2...n不同种类的金属元素矿物；

金属矿粒在速度选择器受力平衡得：

QB1νK＝QE2                     (5)

其中$E_2=\frac{V_2}{d}---\left(6\right)$

V2-速度选择器电压

E2--速度选择器电场强度

d--速度选择器极板距离

B1--速度选择器磁铁MA的磁感应强度

解(4)、(5)、(6)式方程得：

$V_2=B_{1}d{\nu }_K=B_{1}d\sqrt{\frac{Q}{m_K}\times 2V_1}---\left(7\right)$

由上式可知：速度选择器的主选金属元素的参数：V1、B1、d为常 数时，V2的数值将由主选金属元素的荷质比Q/MK确定的。

金属矿物粒子在磁场中受到洛仑兹(Lorentz)力产生的向心力为：

$F=Q{B}_2{\nu }_K=\frac{m_K{\nu }_K^2}{R_K}$则：(8)

$R_K=\frac{m_K{\nu }_K}{Q{B}_2}---\left(9\right)$

解(4)、(9)两式得：

$R_K=\sqrt{\frac{m_K}{Q}\times \frac{2V_1}{B_2^2}}---\left(10\right)$

RK-金属矿粒(或离子)径向轨道半径；

mK--金属矿粒(或离子)的质量；

Q---金属矿粒(或离子)所带的电荷量；

B2---磁场质量分析器磁铁MB的磁感应强度；

V1---静电加速极电压；

k---1、2...n不同种类的金属元素矿物；

当静电加速极电压V1和磁感应强度B2为已知的常数时则：

$R_K=f\left(\frac{m_K}{Q}\right)---\left(11\right)$

由(11)式可知：金属矿粒在磁场中的运动轨迹是其质荷比的函 数，从而构成了本发明中的分选设备的理论基础。

同时可知：金属矿粒的运动半径RK是由V1、B2及MK/Q决定的。在 加速电压和磁感应强度为一定值时，质荷比大的粒子运动半径大，质 荷比小的粒子运动半径小。反之，只要确定了金属矿粒的运动半径， 就可确定在该半径运动所需的电压、磁场强度等参数。

本发明中选分设备设定的磁场质量分析器工作半径范围为：

         R1＜R2＞R3                  (12)

只要确定待选的各种金属矿物的质荷比的范围，就可以确定其运 动半径的范围，只要调整高压电场加速极的电压V1和磁感应强度B2， 就可使金属矿粒在R1＜R2＞R3半径范围内运动，使各种金属元素矿粒 能够进入磁场质量分析器的半径范围内得到分离。

当给定磁感应强度B2时，改变加速电压V1，可改变金属矿物粒子 的质量范围，加速电压越低，则质量范围越宽。

当给定加速电压V1时，依次改变磁感应强度B2(即磁场扫描)，可 改变在磁场中的各种金属矿粒的运动半径，甚至可使不同种类的金属 矿粒具有相同的运动半径，所以，适当调整磁感应强度可以调节待选金 属矿物的分辨率，金属类矿物在磁场质量分析器实现质量色散，其色 散的程度大小用分辨率来衡量，即当两种同粒度矿粒的质荷比相比较 大时，分辨率大，则较容易分离，反之，则较难分辨和分离。因此， 待选矿物应预先严格地分级为同粒度的较小矿粒，综合地调整磁感应 强度B2和加速电压V1，可以改变设备的分辨率，灵敏度、准确度、精 密度和质量范围等指标。

本发明中的理论依据是：假定金属元素矿粒的原子、离子的质荷 比为m/e(原子质量/单位带电量)，与其粒度相比稍大的同种金属元 素矿粒的质荷比为M/Q，它们的质荷比相比应当是相等或基本相等的， 即设定同粒度同种元素矿物的质荷比是相同的，同粒度不同属性金属 矿物的质荷比则是不同的。同品种不同粒度的矿粒质荷比是不同的， 再次通过本机的分选，即可得到同品种且同级粒度的矿粒，故一般选矿 系统需要两台附图2分选设备，先进行矿物的分级，在进行其分选。

目前，纳米技术的发展，已使极细小粒度矿粒的工程需要变为现 实，我们可将待选的矿物磨细到接近于纳米级的粒度时，可使待选矿 物的质荷比更接近于其真实的属性，更易离子化，使其在磁场质量分 析器中能得到更好地分离，从而解决粒径在0.1mm以下的多种金属元 素矿物连续自动地进行分选的难题。

近代物理学、量子电动力学和分析化学是本发明的理论基础，目 前该技术理论主要用于高能物理行业的离子回旋加速器、质谱仪等领 域，本发明综合运用了这些理论和已实际应用的产品原理，将其应用 于选矿领域中，且已被一些选矿实践所验证。

本方案的选矿技术工艺简捷，分选效率高，分选处理后的矿产品 多，被分选矿物的精矿品位高、回收率高、选矿成本低，可提高企业 的综合经济效益，同时，选矿时不用水和任何化学药剂，解决了目前 采用的湿式磁选法、电选法等选矿方法对环境和水源带来的环境污染 问题，可高效开发、综合利用国家宝贵的有限矿产资源。

四、附图说明

＜1＞附图1    多种元素矿物的磁电联合分选机原理图

1-待选矿物给矿斗               22-不同粒度、属性系列的非金属

2-进料量控制器                 矿物出料口

3-振动给矿器                   23-同粒度、属性的非金属矿物出

4-给矿槽                       料口M2

5-磁选机圆滚筒                 24-高压静电场负极

6-磁铁位置控制杆               25-上部金属及中矿回收率调节板

7-磁感应卸矿辊刷               26-下部金属及中矿回收率调节板

8-电磁铁                       27-上部金属中矿出料网筛

9-磁性矿物出料口               28-下部金属中矿出料网筛

10-磁性中矿网筛                29-上、下金属中矿出料口

11-磁性、非磁性矿物回收率调节  30-高压电晕电场负极

装置                           31-高压静电场负极

12-磁性中矿出料口              32-电子聚焦、加速与速度选择器

13-温度测量传感器              系统

14-正极电位接地参考极          33-排斥聚焦负极

15-负极性排斥聚焦极            34-高压加速极负极V1

16-电晕、静电复合电极负极      35-静电速度选择器负极V2

17-高压静电场负极              36-静电速度选择器正极

18-同位素离子激发源            37-速度选择器磁铁MA

19-电加热板                    38-质量分析器磁铁MB

20-高压静电场正极(接地)        39-磁场抽真空系统

21-非金属矿物出料口网筛        40-金属元素矿物分矿处理系统

＜2＞附图2    磁性矿物分离与金属矿物分离原理图

＜3＞附图3    金属(导体)与弱金属(半导体)矿物分离原理图

＜4＞附图4    金属矿物中各种单质金属矿物分离原理图

＜5＞附图5    铜铁矿选矿工艺流程

＜6＞附图6    烟尘中多元素矿物回收选矿工艺流程

五、具体实施方式

1、河北省寿王坟铜铁矿选矿试验

该矿为矽卡岩型铜铁矿床。矿石分为三类：

(1)白矿石(滑石、阳起石、透辉石含铜，颜色发白)，金属矿物嵌 布粒度粗，可选性好；

(2)黑矿石(蛇纹石、磁铁矿含铜，颜色发黑)，矿石质地致密、韧 性强、金属矿物嵌布较细，为难选矿石；

(3)磁铁矿含铜矿石硬度高、密度大、质地脆、金属矿物嵌布较粗， 为中等可选矿石。

矿石中金属矿物有磁铁矿、磁黄铁矿、赤铁矿、黄铜矿、蓝铜矿、 墨铜矿、孔雀石、辉铝矿、闪锌矿、硫钴矿、金银矿、银金矿、辉银 矿、自然金等。脉石矿物有石英、辉石、透闪石、蛇纹石、阳起石， 其次为滑石、绿泥石、镁绿石、角闪石等含镁矿物。

矿物分析表1：矿物中含有3种磁性类矿物、3种非金属类矿物、5 种金属氧化矿物(弱金属)和9种金属类矿物。

铜铁矿物的选矿设备和工艺流程：

分选设备组成：附图2选矿设备二台，附图1选矿设备一台，串联直 立放置，设备尺寸：2×1.8×7.8米，处理量：10吨/小时，功率：10KW。 工艺流程为：待选矿物经磨矿、分级处理后，细度达到100号粒度时， 送入附图5所示的选矿工艺流程和选矿设备系统进行选分。

第一步，目的是对矿物进行磨矿、磁选、电选和分级；待选矿物送 入附图2结构的设备，首先进行磨矿、磁选，将矿物分选为磁性类矿 物和非磁性类矿物；磁性类矿物铁、钴、镍精矿被分选后进入磁性矿 物精矿斗9中，磁性中矿进入磁性中矿斗12中；非磁性类矿物进入电 选工序，采用正极接地方式，在电选机中对非磁性类矿物中的弱金属 (金属氧化物)和金属类矿物、非金属矿物两类矿物进行分离，首先 分选出非金属类矿物中的硫、砷、二氧化硅和其它非金属矿物(尾矿)， 由于非金属类矿物中的各种矿物元素的质荷比不同，将从非金属矿物 出料口22-23自上而下地分选出来，其自上而下排列的次序为：硫、 二氧化硅、砷和非金属类尾矿，粒度排列为上部矿物粒度小，下部矿 物粒度大。可根据矿物非金属类矿物的品种、粒度等具体情况，调整 确定非金属矿出料口22-23的宽度，使其按非金属类矿物的品种和粒 度按次序排矿；弱金属类(金属氧化物)和金属类矿物则进入下步分 选；在本工序中，可将矿物中50％以上的尾矿选出并废弃。

第二步，目的是对弱金属类(金属氧化物)和金属类矿物进行分 级。将弱金属、金属类矿物再次送入附图2机构的分选设备，再次对 其进行磨矿、磁选、电选；目的是继续磨细矿粒，从金属类矿物中继 续分选出其中的磁性类矿物和非金属类矿物，所选出的磁性类矿物、 磁性中矿分别与上步所选的矿物汇合收集；本工序所不同的是将电选 机的极性改为负极接地，非金属类矿物因上步已经进行过分选，且数 量较小，与非金属类尾矿一并废弃；弱金属和金属类矿物将被负极吸 引而进入非金属矿物出料口22-23中，按其质荷比和粒度的大小排序， 自上而下地进行分级处理，上部排矿粒度小，下部矿粒粒度大，根据 需要将其分别存入0.01mm、0.028mm、0.053mm、0.074mm±5％四种粒 度的储料仓中，通过开关控制，依次送入下步工序分选。

第三步，目的是分离弱金属和金属类矿物，分选金属类矿物中的各 种金属元素矿物；首先将粒度为0.074mm储料仓的矿物送入附图1所 示的分选系统，当再次在进入附图2结构的设备后，对矿物继续进行 磨矿、磁选、电选；将磁性类矿物、磁性中矿、非金属类矿物中的硫、 砷、二氧化硅及尾矿选分后汇集处理；此时，双圆滚筒的磨矿、磁选 的作用已经不是主要目的，而是调整两个圆滚筒轴中心距，控制一定 的进矿数量，使金属类矿物获得准确的运动初速度进入电场电选，使 其达到电选规定的运动速度；调整高压电场17的电压值，可彻底选分 出金属类矿物中的非金类属矿物及其尾矿；弱金属和金属类矿物进入 下步工序进行电选。

弱金属类(金属氧化物)和金属类矿物高速进入附图3结构的S 状圆形高压电场后，根据说明书中的公式(3)可知，在待选金属类矿 物为已知元素矿物时，其质荷比也是已知的，只要调整其运动速度及 静电场的电压，就可将其调整到规定的运动轨道半径上，故只需调整 各参数使金属类矿粒的运动半径大于R3，使弱金属类(金属氧化物) 矿粒的运动半径小于R3，可以使运动的弱金属矿粒利用其离心和向心 力进入金属中矿网筛27、28，落入金属中矿出料口29；金属类矿粒 则进入附图4结构的分选工序，从而实现二者的分选和分离；转动调 节26、27角度，可调节弱金属和金属类矿物的精矿品位和回收率。

当金属矿粒进入图4结构的分选设备后，经排斥聚焦负极33的作 用被聚焦于P点，经加速极34加速进入35、36、37构成的静电速度 选择器，之后进入磁场质量分析器38，按金属类矿物中多种金属元素 的质荷比进行分离，由于其质荷比不同则运动半径不同，其半径大小 的次序为：Cu＜Zn＜Mo＜Ag＜Au＜Pb＜Bi，并分别落入分矿处理系统40所 构成的7个分矿漏斗M4：Cu、M5：Zn、M6：Mo、M7：Ag、M8：Au、 M9：Pb、M10：Bi中；真空系统可减少金属矿粒在系统中的运动阻力 和提高分辨率。

至此，上述系统完成了选矿业中铜铁矿的分选作业。

矿物分析表1：铜铁矿中多种元素矿物选矿技术指标

  矿物元素   原矿品位   精矿品位％   尾矿品位   回收率   S   3.41   41.23   2.14   37.24   As   0.28   36.23   0.19   47.37   SiO2   35.43   65.56   29.78   15.95   TiO2   0.79   38.23   0.02   97.47   Al2O3   5.78   47.13   0.08   98.62   CaO   9.33   73.18   0.21   97.75   MgO   17.26   53.45   0.48   97.22   Pb   0.22   63.67   0.04   81.82   Zn   0.43   55.69   0.06   86.05   Mo   0.24   50.36   0.03   87.50   Fe   17.92   66.47   1.90   89.40   Co   0.002   含在铁精矿   0   Ni   0.005   含在铁精矿   0   Cu   1.28   28.96   0.04   96.88   Bi   0.12   38.24   0.01   91.67   Au    g/t   0.63   148.39   0.08   87.30   Ag    g/t   13.76   1389.34   0.79   94.26   其余   92.27

2、江西铜业某铜冶炼厂白烟尘中多元素矿物的分选与回收： 矿物分析表2：矿物中含有1种磁性类矿物、3种非金属类矿物、1种 金属氧化矿物和6种金属类矿物。

分选设备组成：附图2选矿设备一台，附图1选矿设备一台，串联直 立放置，设备尺寸：2×1.8×6米，处理量：10吨/小时，功率：8KW。 选矿工艺流程为：待选矿物为铜冶炼厂的烟尘，细度为200号粒度 (-0.074mm占50％以上)，因粒度较细，无需进行磨矿、分级，可直接 进入分选统系，选矿工艺流程和设备如附图6所示。

第一步，目的是对烟尘矿粒进行磨矿、磁选、分级、电选；烟尘 矿物进入附图2机构的分选设备系统，进行磨矿、磁选，继续磨细较 粗的矿粒，将分选的铁磁性类矿物、磁性中矿分别收集；电选机为负 极接地方式，非金属类矿物中的硫、砷、二氧化硅等因价值不高，为 了节省选矿成本，与分选出的非金属类尾矿一并废弃；弱金属(金属 氧化物)和金属类矿物将被负极吸引而进入非金属出料口22-23；根 据需要将其分别存入0.01mm、0.028mm、0.053mm、0.074mm±5％四种 粒度的储料仓，并依次送入下步工序分选；如果想要继续回收尾矿中 的非金属类矿物中的硫、砷、二氧化硅等矿物，可使再利用附图2所示 的设备，电选机采用正极接地方式，对其进行选分。

第二步，目的是分选弱金属(金属氧化物)和金属类矿物，并分离 金属类矿物中的多种元素矿物；将粒度为0.074mm储料仓中的矿物送 入附图1所示的磁电联合分选机；首先进入附图2设备继续对矿物进 行磨矿、磁选、电选；将分选出的磁性类矿物、磁性中矿与上步分选 的矿物汇集处理；调整高压电场17的电压值，使非金属类矿物中的硫、 砷、二氧化硅及其尾矿被分选出来，弱金属(金属氧化物)和金属类 矿物进入下步工序进行电选分离。

当弱金属(金属氧化物)和金属类矿物进入附图3结构的S状圆 形高压电场后，调整电场负极24的电压，使七氧化二铼(金属氧化物 矿物)的运动半径小于R3，这样可以使运动的弱金属矿粒利用其离心 和向心力，进入金属中矿网筛27、28，落入金属中矿出料口29；使金 属类矿物半径大于R3，进入下一步分选工序，从而实现金属与弱金属 类矿物分离。

当金属矿物进入附图4结构的分选系统后，进入磁场质量分析器 38，按金属矿物中各种金属元素的质荷比进行分离，其运动半径大小 次序为：Cu＜Zn＜Mo＜Ag＜Au＜Pb，并分别落入分矿处理系统40所构成的 6个分矿漏斗M4：Cu、M5：Zn、M6：Mo、M7：Ag、M8：Au、M9： Pb中。

至此，上述系统完成了烟尘中多种元素矿物分选和回收作业。

矿物分析表2：白烟尘中多种元素矿物选矿技术指标

  矿物元素名称   原矿品位％   精矿品位％   尾矿品位％   回收率％   S   8.12   40.47   5.32   33.48   As   5.10   37.23   3.43   32.75   SiO2   6.76   66.34   4.81   28.85   Re2O7   0.03   28.46   0.001   96.00   Pb   19.62   63.78   0.27   98.62   Zn   6.30   54.67   0.36   94.29   Mo   0.10   47.26   0.01   90.00   Fe   0.24   65.62   0.01   95.83   Cu   8.91   29.35   0.47   94.73   Au    g/t   0.50   142.91   0.01   95.91   Ag    g/t   123.80   2129.05   3.34   97.30   其余   47.81

3、钢铁冶炼企业所需超纯铁精矿的精选

利用附图2和附图2中II所示设备所构成的选矿系统，可广泛用 于钢铁冶炼企业所需铁精粉的再次精选，即先经过附图2设备分选出 铁磁性类矿物和非磁性类矿物。铁磁性类矿物再次通过附图2II中所 示的设备选分出铁磁性类矿物中的非金属类矿物二氧化硅、硫、磷等 非金属尾矿，同时也可回收其它金属矿物。可使铁精粉中铁(Fe)含 量大于66％，铁矿粉中的杂质SiO2小于1％，可除去铁精粉中的硫、磷 有害元素，使其含量小于0.3％，从而可提高钢铁的品质，减少钢铁冶 炼过程中的能量消耗，节省炼钢成本。

4、黑色、有色和稀有贵金属类矿物的粗选和精选

例如对磁铁矿、赤铁矿、锰矿、铬铁矿、钽铌矿、独居石、钛铁 矿、红金石矿、白钨矿与锡石矿、黄金矿等矿物的粗选和精选，可减 少选矿设备，提高选矿效率和精矿品位。

5、非金属类矿物的分选

非金属类矿物的分选可利用附图2的设备，从石英中分选长石，从 磷灰石中分选石英，从钾盐中分选出岩盐。

例如对石英和磷灰石进行选分，首先非金属类矿物在磁选机中可 以被去除铁磁性类矿物，以及其它金属类矿物等，当矿物颗粒进入到分 选机的电选阶段时，矿粒接触摩擦带电、并在高压电晕静、电复合电 场中感应带电，各自获得相反符号的表面电荷，因磷灰石介电常数比 石英的介电常数大，磷石灰带正电荷，石英带负电荷，在电场中运动 轨迹相反而得到分离。

例如对膨润土、石英、金刚石矿、石墨矿、磷石灰矿、石英、长 石矿、锆石矿、含硫煤矿等非金属类矿物，均可进行精选和去杂质。

6、各种物料的精密分级

利用附图2的分选设备，可对各种物料按形状和粒度进行分级， 与目前的网筛分级机械设备相比，重量轻、体积小、节能省电，分级 出料速度快、产量高、分级粒度范围精确，一次可分出多种同级粒度 规格产品，可适合于各种后续选矿工艺的需要。例如，本发明中的多 种元素矿物分选设备，待选矿物进入选矿机时，必须是同级粒度的矿 物粒子，故需要对其预先进行严格地精密分级。

7、废弃尾矿中有用资源的综合回收利用

本发明的技术方法和设备，可综合利用和回收我国多年来废弃的 矿产资源，可高效开发和利用过去矿山企业废弃尾矿，从中继续选取各 种有用的矿物元素，且回收的矿产资源成本低、见效快、效益高，是 选矿企业急需选用的选矿设备，存在着巨大的需求市场，将给国家和 矿山企业带来巨大的资源财富，属于国家中长期科学和技术发展规划 纲要战略部署中，环境综合治理与废弃物循环利用的优先研究课题。

8、矿产资源的高效开发和综合利用

本发明中的多种元素矿物的磁电联合分选的方法和设备，通过一 系列新的工艺方法和技术措施，实现了对多种元素矿物的分选，解决了 人们多年来希望从已选的尾矿中尽可能分选出更多有用的矿产品，尽 可能降低选矿的成本的愿望，这也是当今国内外选矿业始终希望实现 但尚未圆满解决的问题。

本发明专利属矿产资源综合利用技术、高效选矿的新技术方法和 设备，应用于我国的矿山选矿企业，将会对国内外的矿产资源综合利 用领域产生重大的影响。目前，矿产资源高效开发综合利用项目已被 国务院列入国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)的 战略部署中。