磁选设备用高性能永磁铁氧体材料的应用及开发

目前，在磁选设备中应用的永磁材料主要为永磁铁氧体和钕铁硼合金^[1]。钕铁硼合金虽然磁性能优异，但是由于其主要成分为稀土元素“钕”，因此价格比较昂贵。特别是在近几年，我国对稀土资源开采进行严格的控制，导致钕铁硼合金价格大幅上涨，最高时价格达到700元/kg。因此，选用钕铁硼合金将会极大的增加磁选设备的制造成本。在此背景下，北方重工集团在永磁铁氧体材料的生产过程中，通过改变添加剂的种类及含量，开发出Br≥400mT和Hcj≥310KA/m的两种高性能永磁铁氧体磁体，并将其应用到磁选设备的生产中。结果表明：在不使用钕铁硼合金的情况下，只采用上述两种高性能永磁铁氧体磁体，所生产的磁选设备的表面磁场场强仍以可以达到200mT以上。通过此项技术，节约了磁选设备制造使用钕铁硼合金的用量，降低了磁选设备的制造成本。

1  高性能永磁铁氧体材料的开发

永磁铁氧体产品一般要经过球磨掺杂、磁场成型、高温烧结、磨加工四道工序完成^[2]，我们在不改变生产工艺的条件下，通过改变添加剂的种类及含量方法，生产出两种较高档次的永磁铁氧体磁体。考虑到生产成本，所选用的添加剂主要为CaCO₃、Al₂O₃和葡萄糖酸钙。通过以往的实验结果表明^[3]：在永磁铁氧体材料的生产中，加入适量的葡萄糖酸钙不仅可以提高研磨效率，同时也有助于提高磁体的磁性能，最佳的添加量应为0.4wt％。而作为添加剂使用的CaCO₃，则在800℃左右热分解后生成CaO，除少量Ca²⁺进入磁铅石结构外，多数会起到助熔剂作用，即在烧结过程中产生低熔点产物，降低反应温度，促进固相反应，增大产品密度和剩磁^[4]。而添加的Al₂O₃则可以提高磁晶各向异性场，抑制晶粒生长，提高产品的矫顽力^[5]。添加剂对磁体的磁性能的影响见表1。添加不同量的CaCO₃、Al₂O₃和葡萄糖酸钙添加剂后，磁体断面的扫描电镜照片见图1、图2。

表1 添加剂对磁体的磁性能的影响

图1 添加CaCO₃0.8wt％+Al₂O₃0.5wt％       图2 添加CaCO₃0.5wt％+Al₂O₃1.0wt％

+葡萄糖酸钙0.4wt％后磁体的SEM照片      +葡萄糖酸钙0.4wt％后磁体的SEM照片

由表1可知，适当的增加CaCO₃的添加量，增加了磁体的致密度（图1），显著的提高了产品的剩磁，但是随着磁体内部晶粒的增大，而产品的内禀矫顽力也会随之下降。由此可认为CaCO₃的添加量不应超过0.8wt％，否则产品的矫顽力会降至243kA/m以下，将会影响产品的使用年限。同样，增加Al₂O₃的添加量，抑制了磁体内部晶粒生长（图2），可以显著的提高产品的矫顽力，但也会降低产品的剩磁。在保证产品具有一定剩磁的情况下，Al₂O₃的最大添加量应为1.0wt％。

2  磁选设备新旧磁系设计方案比较

以往，表面场强为200mT的磁选设备的传统设计方案为：磁系的磁极底部磁体全部采用Y30BH档次的永磁铁氧体材料，磁极上表面粘贴一层6mm钕铁硼合金，见图1a。实验所采用的方案为：磁系的主磁极全部采Br≥400mT性能的永磁铁氧体磁体粘结而成，相邻的两个主磁极之间则增加辅助磁极组，辅助磁极组则由Hcj≥310 kA/m性能的永磁铁氧体磁体粘结而成，见图1b。

图1  新旧设计方案的磁系结构示意图

以CTB1230型磁选机为例，采用以上2种方案进行磁系组装，并分别测量其中12个部位的磁场强度，计算平均值并进行比较。新旧设计方案磁系12个部位的磁场强度见表2。

              表2    新旧设计方案磁系12个部位磁场强度              /mT

由表2可知，与传统的设计方案相比，实验所采用的新设计方案，虽然未使用钕铁硼合金，但是由于磁系的主极磁体全部为Br≥400mT性能的高档永磁铁氧体，因此在相同的①⑤⑨部位，2种设计方案的磁场强度数值相近。但是，由于实验方案采用了高矫顽力的辅助磁极，因此在③⑦等部位的磁场强度要略高于传统设计方案。很明显，在不使用钕铁硼合金的条件下，采用高性能永磁铁氧体材料仍然可以设计出表面磁场强度为200mT以上的磁选设备。

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