磁気選別と鉄鉱石選鉱：効率的な鉄精鉱化のための先進技術

磁気選別は、鉄鉱石の精鉱化とトランプアイロン（混入鉄）の除去のための古い技術です。1849年以来、米国で多数の磁気選別に関する特許が発行されており、1910年以前の特許のいくつかは鉱物処理用の多様な磁気セパレータを記述しています。

磁気選別の原理

磁気選別法は、鉄鉱石と非磁性の関連脈石物質の磁気特性の差を利用して分離するために用いられます。磁気選別は乾式または湿式のいずれかの環境で実施できますが、湿式システムがより一般的に使用されています。

磁気選別は、(i) 磁気力、(ii) 重力、流体力学的抗力、摩擦力、慣性力、(iii) 粒子間の引力または斥力の3者競合に基づく離散粒子の物理的分離です。これらの力が組み合わさって、供給物質中の異なる磁気特性を持つ粒子に差異的に作用します。図1は磁気選別の原理を示しています。

図1 磁気選別の原理

磁気セパレータ内で磁気力と競合し、セパレータを通過するすべての粒子に作用する力は、重力、流体力学的抗力、摩擦、慣性です。磁気セパレータのタイプによって、これらの力の重要度は高くも低くもなります。

重力は大粒子に対して重要であり、流体力学的抗力は小粒子に対して重要です。したがって、乾式で大粒子を処理する磁気セパレータでは、供給物質は重力の力を通過します。磁気力は、競合する重力に対して磁性粒子を保持するのに十分でなければなりません。小粒子用の湿式セパレータでは、磁気力はスラリーストリームによって捕捉された粒子に作用する流体力学的抗力より大きくなければなりません。

磁気セパレータ内での磁気力と競合力の競合が、磁性粒子が磁気セパレータで捕捉または回収される可能性を決定します。磁性粒子と非磁性粒子の間の粒子間力が、磁気選別の製品の精度を決定します。粒子間の力が磁気力と競合力より大きい場合、多くの非磁性粒子が磁性粒子とともに捕捉される可能性があります。逆に、多くの磁性粒子が非磁性粒子とともに運ばれ、捕捉されない可能性があります。

磁性粒子の高い回収を達成するには、磁気分離力が競合力の合計より大きくなければなりません。しかし、磁気力が競合力よりはるかに大きい場合、様々な磁化可能粒子の区別がつかないため選択性は低下します。プロセスの選択性は、セパレータ自体の正しい選択とその運転パラメータによって影響を受ける磁気力と競合力の相対値によって決定的に決まります。

作動する磁気力、競合力、粒子間力がセパレータ性能を決定します。これらの力は、分離される供給の性質と磁気セパレータの特性の両方に依存します。供給の性質には、関与する様々な力に影響を与えるそのサイズと物理的特性が含まれます。磁気セパレータの特性には、設計とその可変パラメータ、特に磁場と処理速度が含まれます。これらのパラメータ間には一般的な関係が存在します。また、セパレータ内の磁気力は、磁場勾配を粒子サイズに合わせることで最大化できます。

磁気セパレータは鉄鉱石供給物質を2つ以上の成分に分離します。目的が磁性精鉱鉄鉱石を生産することであれば、非磁性の他方の成分はテーリングとなります。場合によっては、弱磁性の第3成分（ミドルリング）を分離する可能性もあります。これらの物質ストリームはそれぞれ、セパレータ内へ、セパレータを通って、またはセパレータから輸送されます。

磁気力と競合する重力、摩擦、流体力学的抗力、慣性力は粒子を分離する傾向がありますが、引力的な粒子間力は分離度を低下させる傾向があります。実際の分離状況では、磁性粒子と非磁性粒子の両方が通常テーリングやミドルリングに見られ、完全な磁気選別が可能なのは限定的なケースのみです。磁気選別効率は通常、回収率（精鉱中の磁性物質の割合 / 供給中の磁性物質の割合）と品位（精鉱中の磁性物質の割合）の両方で表されます。これらは磁気セパレータの有効性に用いられる2つの独立した指標です。これらの指標は、牽引磁気力、重力、流体力学的抗力、摩擦力または慣性力、引力または斥力的粒子間力の相対的大きさに依存します。

磁気選別では、効率的な分離の条件は明確に定義されていますが、力の相対的重要性が主に粒子サイズによって決定されるため、複雑さがあります。これは主に競合力が粒子サイズに依存するためです。乾式磁気選別では、抗力は通常粒子サイズに対して無視できる効果しかなく、したがって分離効率に大きな影響を与えません。逆に、乾式磁気選別では粒子サイズが磁気力と重力に大きく依存します。一方、流体力学的抗力が重要になりうる湿式選別では、分離の選択性は粒子サイズ分布によってかなり影響を受けます。粒子サイズが減少すると、磁気力に対する流体力学的抗力の相対的重要性が増加します。

磁気セパレータの設計では、磁場に加えて、粒子を所望の方向に移動させるための磁場強度の勾配も提供する必要があります。均一な磁束の場では、磁性粒子は磁束に集まり、その体内に濃縮されるように配向しますが、移動しません。一方、収束場を生成することで、粒子をより高い磁束領域に引き寄せる結果となります。

すべての磁気セパレータで粒子に作用する磁場と磁場勾配は、多様な方法で生成され、広範に変化する磁場幾何学と強度をもたらします。一部のケースでは永久磁石が直接磁場を生成し、他のケースではコイルと鉄磁気回路を用いて強磁性構造を磁化し、その磁場勾配で磁性粒子を引き寄せます。

選鉱される鉱石と他の基準に基づいて必要な磁場を可能にするように設計された、様々なタイプの磁気セパレータがあります。磁気セパレータは大きく2つのグループに分類されます。(i) 低強度、(ii) 高強度。両グループとも湿式または乾式操作タイプがあります。一般的に使用される磁気セパレータのタイプには、(i) 湿式および乾式低強度磁気選別（LIMS）、(ii) 高勾配磁気選別（HGMS）、(iii) 湿式高強度磁気選別（WHIMS）、(iv) 弱磁性鉱石処理用ロール磁気セパレータ、(v) 乾式鉱石精鉱用誘導ロール磁気選別（IRMS）などがあります。磁場は通常、(i) 永久磁石、(ii) アイアンコア付き電磁石、(iii) ソレノイド、(iv) 超伝導磁石などのいくつかの方法で生成されます。

磁気選別操作は、低強度または高強度に分類されることが多いです。低強度セパレータは0.1〜0.3テスラの磁場を使用します。低強度技術は通常、磁鉄鉱鉱石に安価で効果的な分離法として使用されます。高強度セパレータは1〜2テスラの強い磁場を使用します。この方法は、非磁性または弱磁性の脈石物質から赤鉄鉱などの弱磁性鉄鉱石を分離するために使用されます。どのタイプの磁気セパレータシステムを使用するかを決定する上で重要な他の要因には、粒子サイズと鉱石スラリー供給の固形分含有量が含まれます。

磁気セパレータは一般的に、乾式/湿式低強度磁気セパレータ、乾式/湿式高強度磁気セパレータ、高勾配磁気セパレータにグループ化されます。磁場強度に基づくグループ化は図2に示されています。さらに、乾式高強度グループに分類されるセパレータもいくつかあり、永久ロール磁気セパレータ、等方性セパレータ、開勾配磁気セパレータ、振動高勾配磁気セパレータ/フィルター、超伝導高勾配磁気セパレータなどがあります。高強度乾式磁気セパレータは、永久磁石または誘導磁場によってより高い磁場強度を付与し、粒子を磁気感受性に基づいて分離します。

図2 磁場強度に基づく磁気セパレータのグループ化

磁気セパレータにはいくつかのグループ化がありますが、ここでは2タイプのセパレータ（ドラム型と高強度型）による分離原理を説明します。ドラムセパレータは従来型の低勾配磁気セパレータの代表例です。このセパレータでは（図3）、乾式供給物質が回転ドラムの上部に導入されます。鉱石粒子は、重力と摩擦力の複合作用によりドラムの回転が粒子に伝達されることで、ドラムに沿って下方に運ばれます。ドラム内の固定磁石によって生成される磁気力が、より高い磁性を持つ粒子を回転ドラムに保持します。これらの粒子は、磁石の末端をドラムが通過するときに右側に堆積します。非磁性粒子は自由落下でドラムから左側に落下します。このようなセパレータでは永久磁石または電磁石のいずれかを使用できます。この類の磁気セパレータは、磁鉄鉱を含む鉄鉱石の選鉱に広く使用されています。

図3 2種類の磁気セパレータの例

図3には高強度磁気セパレータの模式図も示されています。この高勾配磁気セパレータでは、容器体積内で強力な調整可能な磁場を生成する磁石が使用されます。この体積は、フィラメント状の強磁性材料のマトリックスで充填されます。フィラメントの端部における高磁場勾配によって生成される強い磁気力は、非常に微細な（100ミクロン未満）弱磁性物質の粒子さえも捕捉するのに効果的です。これらのフィラメントは、供給粒子のサイズに合わせて選択され、磁気力を最適化します。流体（通常は水）スラリー状の鉄鉱石供給が容器を下向きに通過します。流体と非磁性粒子は、マトリックスの比較的開いた構造を容易に通過します。捕捉された磁性粒子は、印加磁場をゼロに減らすことで容易に洗い出されます。このタイプの磁気セパレータは、ペレットフィード用の鉄鉱石処理において微細磁性粒子の精鉱化または除去に有用です。

磁気セパレータは、低品位鉄鉱石選鉱システムの不可欠な部分です。低品位鉄鉱石の焙焼により磁化を高め（赤鉄鉱から磁鉄鉱への転換）、従来型磁気セパレータの適用範囲を拡大します。磁気セパレータは特定の鉄リサイクル用途でも使用されます。

磁気セパレータの種類

鉄鉱石選鉱に使用されている磁気セパレータにはいくつかのタイプがあります。最も一般的なのは、鉄鉱石選鉱に使用される乾式および湿式ドラムセパレータです。誘導ロールセパレータは弱磁性鉄含有鉱石の処理に使用され、プーリーセパレータは様々な供給からのトランプアイロン除去に最もよく使用されます。これらのセパレータは永久磁石または電磁石を使用し、連続モードで動作します。ドラムセパレータと高勾配磁気セパレータについて以下に詳しく説明します。

ドラムセパレータ

ドラムセパレータはおそらく最も一般的なタイプの磁気セパレータで、多くの種類があります。これらには、プーリー、乾式ドラム、湿式ドラム、誘導併流、逆回転、対向流タイプのロールセパレータが含まれます。

乾式ドラム、誘導ロール、プーリーセパレータは、図3に示され先に説明したセパレータと同様に動作します。乾式供給は、粒子に作用する磁気力、遠心力、重力の相対的大きさに応じて、ドラムまたはプーリーの一方または他方の側から投げ出されます。これらのタイプのセパレータでは、ミドルリング分画を回収することが可能です。ミドルリング粒子は精鉱粒子よりも弱く磁気力に引き付けられるため、精鉱とテーリングのビンの間のビンに落下するようになっています。これらのミドルリングは一般に、磁性成分と非磁性成分の両方を含む部分的に解離した粒子で構成されます。鉱石の粉砕は高コストであるため、最初に乾式ドラムセパレータで鉱石を処理し、ミドルリング分画を再粉砕してから再度磁気処理することが経済的に魅力的であることがよくあります。

乾式ドラムセパレータは100ミクロンまでの粒子を処理するために使用されています。これらのセパレータの精鉱生産における性能は、供給鉱石の水分含有量によって強く影響を受けます。水分含有量が高い場合、小粒子が大きな粒子に付着し、不完全な分離につながる可能性があります。図1の非磁性ドラムがドラム内の固定磁極を通過して回転するため、ドラム表面を移動する磁性粒子は変化する大きさの磁気力を経験することがわかります。この磁気力の強さの変化は、捕捉された粒子の転倒運動を生み出し、不要な非磁性粒子からの分離を助けます。磁極間の磁場反転も、残留モーメントを持つ粒子の回転をもたらします。粒子の具体的な運動は粒子サイズに強く依存します。

湿式ドラムセパレータには3つの主要タイプがあります（図4）。これらは(i) 併流型、(ii) 逆回転型、(iii) 対向流型です。ドラム内の磁石は図3に示されるものと類似し、回転方向を示す矢印とほぼ同じ弧をカバーしています。併流型ドラム磁気セパレータでは、供給スラリーがドラムの回転と同じ方向に槽を通過します。磁性粒子は、ドラム内の固定磁石によって非磁性ドラムの回転表面に引き付けられます。非磁性粒子は槽の最下点に沈み、テーリングとして引き出されます。磁性精鉱は回転ドラムによってウィアを越えて右側に運ばれます。このタイプのセパレータは、数ミリメートルオーダーの粒子に対して高品位の精鉱を生成します。分離は比較的クリーンで、磁性粒子はドラム周縁全体で競合する磁気力と流体力学的抗力の影響を受けるためです。このクリーニングは、ドラム内の交互磁極による力の変化が乾式セパレータで見られるのと同じ程度の粒子運動をドラム上で生み出さない（スラリーの粘性力がないため）にもかかわらず起こります。併流槽セパレータはしばしば比較的大量の磁性物質を含むテーリングを生成するため、テーリングはしばしば逆回転ドラムセパレータで再処理されます。

逆回転セパレータは図4に示されています。供給はドラム回転と反対方向に槽を通過します。磁性粒子はドラム表面で拾われ、左側に上部まで運ばれます。このセパレータは高い回収率を生み出しますが、一般的に低品位の精鉱となります。なぜなら、ほとんどの磁性粒子がドラムの短い区間で捕捉され、捕捉された粒子の物質が巻き込まれた非磁性粒子を放出する機会が少ないためです。高い回収率は、粒子がさらに下流でドラムによって拾われ、精鉱として運び戻される機会にも起因します。このようなセパレータは通常、100ミクロンまでの粒子を処理します。すぐに捕捉されない磁性粒子を拾う能力があるため、このセパレータは併流型よりも大きな処理能力を持ちます。

第3の湿式ドラム磁気セパレータである対向流ドラムは、約70ミクロンまでの粒子に対して非常にクリーンな精鉱を良好な回収率で生成するため、仕上げセパレータとしてよく使用されます。このセパレータは併流型と逆回転型の両方の特徴を一部保持しています。このセパレータは図4に3ドラムタンデムセパレータとして示されています。このセパレータでは、供給はドラムの磁気部分のほぼ中点で導入されます。供給スラリーの流れはドラム回転と反対方向ですが、巻き込まれた粒子は同じ方向に移動します。これらの巻き込まれた粒子は、タンクの左側で導入される水によって洗浄されます。 クリーンな精鉱は左側にオーバーフローします。

すべての湿式ドラムセパレータに共通する特徴は、槽の末端での精鉱スラリーのオーバーフローです。これは、磁性粒子が気水界面を通過して引き込まれ、磁性粒子の損失が生じるのを防ぐために望ましいです。一部のセパレータでは脱水精鉱が望まれる場合、磁性粒子がスラリー表面より上に引き上げられ、ドラムからスクレープオフされます。これらの場合、スラリーは失われた磁性粒子を回収するために再循環させる必要があります。

湿式ドラムセパレータにおける主要な競合力は、流体力学的抗力です。これは、捕捉された粒子を通過するスラリーまたは洗浄水の相対速度に起因します。併流セパレータではこの速度は周速程度ですが、逆回転セパレータではこれらの速度が加算されます。一般的に、周速はスラリー速度よりかなり高くなっています。ドラム速度は相対抗力速度への影響に加えて、ドラムセパレータの処理能力にも影響します。速度が遅いと処理能力が低下し、速度が速いと抗力速度が高くなり回収率が低下し、ドラム表面の摩耗が大きくなります。

一部の磁気セパレータは高強度セパレータと呼ばれます。これは一般的に、通常より強い磁石を採用した従来型設計のセパレータを指します。これらは高強度磁場を発生させ、低強度磁気セパレータでは反応しない粒子を除去できます。

図4 磁気ドラムセパレータの種類

高勾配セパレータ

高磁場勾配が大きな磁気力を生み出せるという事実に基づいて、いくつかのタイプの高勾配磁気セパレータが開発されています。これらのセパレータは「誘導極」セパレータとも呼ばれます。なぜなら、磁場勾配は、比較的均一な背景磁場を強磁性構造（グリッド、スクリーン、溝付きプレート、スチールウール）に適用し、適切に配向された端部に磁極を誘導することで生成されるからです。大きな磁場勾配は一般的に小さな体積でのみ存在できるため、これらのセパレータは微小磁性粒子の分離向けに設計されています。実用的な粒子数を捕捉するのに十分な表面積で高勾配と大きな磁気力を生成することは主要な課題です。印加磁場に平行な軸を持つ針は、比較的低い磁場で高勾配を生成しますが、利用可能な捕捉表面積は非常に限られています。対照的に、長軸に垂直に磁化されたフィラメントは大きな消磁係数を持ちますが、はるかに大きな表面積を持ちます。