磁選機(jī)磁系仿真及優(yōu)化研究

張 健

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.唐山國選精煤有限責(zé)任公司，河北 唐山 063012；3.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

弱磁場磁選機(jī)一般指磁極表面的磁場強(qiáng)度(H0)在80～120 kA/m之間，磁場力在3×105～6×105kA2/m3之間的磁選設(shè)備。在弱磁場磁選設(shè)備中，筒式磁選機(jī)廣泛應(yīng)用于磁鐵礦、磁赤鐵礦、磁黃鐵礦等強(qiáng)磁性礦物的提純及選煤用磁性介質(zhì)的回收等。該磁選機(jī)主要由磁系、筒體、槽體、機(jī)架和驅(qū)動裝置組成，磁系作為核心部件對磁選機(jī)的磁性物回收率有著決定性作用。磁系主要由永磁材料組成，通過一定的空間布置并固定，形成一定強(qiáng)度及范圍的永久磁場。由于永磁鐵氧體材料剩磁高，矯頑力大，能量密度較高且較為廉價，故目前市場上的弱磁場磁選機(jī)磁系一般選用鐵氧體材質(zhì)，剩磁約在0.38～0.42 T之間，年退磁率小于1%。

除了磁系材料對磁系的磁場分布及強(qiáng)度影響較大外，磁系中磁極的布置方式亦對磁系的磁場分布及強(qiáng)度有較大的影響。傳統(tǒng)的筒式磁選機(jī)磁極數(shù)為5極或7極，極性沿周向交替變化，沿軸向極性相同，磁系包角在106°～135°之間，磁極間隙較大，磁場強(qiáng)度較低且周向磁場不均勻，故其磁性物回收率和磁選效率均較低。為了提高生產(chǎn)能力和分選效果，美國ERIEZ公司在主磁極之間增加輔助磁極，并將主、輔助磁極按照海爾貝克陣列的方式排布，增加了磁場的強(qiáng)度和作用深度，表面磁場強(qiáng)度可達(dá)179 mT，周向磁場更加均勻，從而提高了磁性物回收率；沈陽隆基電磁科技股份有限公司在磁系掃選區(qū)增加了高剩磁、高矯頑力的釹鐵硼材料，使掃選區(qū)磁場強(qiáng)度達(dá)到200 mT以上，有效提高了磁性物回收率，但釹鐵硼材料較為昂貴，導(dǎo)致該磁選機(jī)成本較高；天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的TDC系列磁選機(jī)在傳統(tǒng)磁選機(jī)的基礎(chǔ)上，增加了磁極數(shù)量，并利用磁極擠壓聚磁技術(shù)，采用常規(guī)性能的磁性材料獲得了高強(qiáng)度的磁場，磁性物回收率達(dá)到了99.9%以上。

磁系作為磁選機(jī)產(chǎn)生磁場的核心部件，其磁場的強(qiáng)度及梯度直接影響到磁性顆粒的比磁力及回收率，因此對磁選機(jī)磁系結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究具有重要意義。鑒于磁系在磁選過程中的重要作用，利用計(jì)算機(jī)軟件對磁系進(jìn)行仿真優(yōu)化。

1 磁選原理

磁選是在不均勻的磁場中利用礦物之間的磁性差異實(shí)現(xiàn)礦物分離的一種分選方法[1-2]。礦物進(jìn)入分選空間后，受到磁力、重力、浮力、離心力、流體阻力等共同作用，磁性介質(zhì)被成功分選的必要條件是：作用在磁性介質(zhì)上的磁力必須大于所有與磁力作用方向相反的機(jī)械力的合力，同時作用在弱磁性或非磁性顆粒上的作用力必須小于機(jī)械力的合力[3-4]。在磁選中常用到比磁力的概念，即單位質(zhì)量顆粒所受到的磁力，其計(jì)算公式為[5]：

f=F/m=μ0χHgradH=χBgradB/μ0，

(1)

式中：f為比磁力，m/s2；F為作用在顆粒上的磁力，N；m為顆粒的質(zhì)量，kg；μ0為真空磁導(dǎo)率；χ為顆粒的比磁化率，kg/m3；H為外磁場強(qiáng)度，kA/m；gradH為外磁場梯度；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；gradB為磁感應(yīng)強(qiáng)度的梯度。

由式(1)可知，影響比磁力的因素有磁性顆粒的比磁化率、外磁場強(qiáng)度(H)和外磁場梯度(gradH)。

2 仿真研究

以市場上直徑為914 mm的磁選機(jī)作為研究對象，對其磁系結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真研究。該磁選機(jī)磁系結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知：該磁選機(jī)磁系由6個主磁極和4個輔助磁極組成。磁極采用永磁鐵氧體材料，磁軛為低碳鋼板，磁包角為128.5°，磁極間隙超過20 mm，主磁極和輔助磁極極性沿周向交替排列，沿軸向相同。

圖1 磁系結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Strutural sketch of the magnetic system

應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件對該磁系進(jìn)行電磁仿真[6-7]。由于磁系具有單一截面的特點(diǎn)，故空間維度選擇二維，物理場選擇“磁場，無電流(mfnc)”，研究類型為“穩(wěn)態(tài)”；磁極材料選擇BMHFa30/31，剩磁Br為0.39 T；主磁極采用徑向充磁，輔助磁極采用切向充磁。對磁系進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到磁系磁場分布云圖，如圖2所示。

圖2 磁系磁場分布云圖Fig.2 Distribution cloud map of the original magnetic system′s magnetic field

磁鐵礦粉的比磁化率不是一個定值，與磁鐵礦粉的產(chǎn)地有關(guān)，其大小隨磁鐵礦粉顆粒的粒徑減小而減小，并隨外磁場強(qiáng)度增加呈現(xiàn)先增加后減小的特點(diǎn)[8-9]。參照GB/T 38891—2020《磁力分選試驗(yàn)方法》的規(guī)定，將仿真研究的磁鐵礦粉比磁化率(χ)定為9.2×10-5m3/kg[10]，據(jù)此即可得出距離磁選機(jī)滾筒表面不同距離處的比磁力。磁系磁場強(qiáng)度和比磁力分布如圖3所示。

從圖3可以看出，磁系總體磁場強(qiáng)度較低，0，30，50 mm處平均磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為179.5，108，79.3 mT，比磁力分別為43.68，13.63，6.98 m/s2，原因?yàn)橹鞔艠O與輔助磁極間隙相對較大，磁路較長，磁阻增加，磁通密度低使磁系右側(cè)兩主磁極處磁場強(qiáng)度較低且衰減較快，從而使?jié)L筒表面處比磁力較大，而遠(yuǎn)離滾筒表面處比磁力較低。分析產(chǎn)生根源為：主磁極限于安裝位置要求，磁極間隙較大，導(dǎo)致磁場強(qiáng)度低，磁場梯度大，且由于磁場衰減較快，故遠(yuǎn)離筒表面后比磁力降低較為明顯。

圖3 磁場強(qiáng)度和比磁力分布Fig.3 The magnetic field intensity and specific magnetic lines of flux of the original magnetic system

3 磁選機(jī)磁系優(yōu)化

3.1 增加磁極以減小磁極間隙

根據(jù)磁系結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果，考慮減小各磁極間隙[11]，由于右側(cè)兩主磁極的間隙限于磁極尺寸原因無法減小，故在其間增加一個梯形輔助磁極，改進(jìn)后磁系包角為134.5°，磁極間隙約為15 mm。對改進(jìn)后的磁系進(jìn)行電磁仿真，得到磁極間隙減小后的磁系磁場強(qiáng)度和比磁力分布如圖4所示。由圖4可知：0，30，50 mm處平均磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為189，114.7，84.7 mT，比原磁系分別增加了5.29%，6.20%，6.81%；0，30，50 mm處平均比磁力分別為47.37，15.15，7.83 m/s2，分別增加了8.45%，11.15%，12.18%，增幅較為明顯。

圖4 磁極間隙減小后的磁系磁場強(qiáng)度和比磁力分布Fig.4 The magnetic field intensity and specific magnetic lines of flux of the original magnetic system after reduction of gaps between magnetic poles

3.2 選別區(qū)主磁極增加高強(qiáng)磁鐵

增加磁極的方法可較為明顯地提高磁系磁場強(qiáng)度及比磁力，但發(fā)現(xiàn)主磁極正上方磁場強(qiáng)度及比磁力明顯低于輔助磁極，且波動較大，故考慮在不改變主磁極高度的情況下，將礦漿主要流經(jīng)的選別區(qū)的主磁極極面增加寬A0(主磁極寬度)或0.6A0、厚度為5 mm的釹鐵硼高強(qiáng)磁鐵[12]，主磁極增加寬0.6A0、A0的強(qiáng)磁鐵后的磁系結(jié)構(gòu)分別如圖5、圖6所示。主磁極增加寬0.6A0、A0強(qiáng)磁鐵后的磁系磁場強(qiáng)度和比磁力分別如圖7、圖8所示。

圖5 主磁極增加寬0.6A0強(qiáng)磁鐵后的磁系結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Sketch showing the widening of each main pole by 0.6 A0 with NdFe strip

圖6 主磁極增加寬A0強(qiáng)磁鐵后的磁系結(jié)構(gòu)簡圖Fig.6 Sketch showing the widening of each main pole by A0

圖7 主磁極增加寬0.6A0強(qiáng)磁鐵后磁場強(qiáng)度和比磁力分布Fig.7 The mapnetic field intensity and specific lines of flux after widening of each main pole by 0.6 A0

圖8 主磁極增加寬A0強(qiáng)磁鐵后磁場強(qiáng)度和比磁力分布Fig.8 The magnetic field intensity and specific lines of flux after widening of each main pole by A0

由圖7可知：在圓周方向磁系磁場強(qiáng)度的均勻性明顯改善，0，30，50 mm處平均磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為197.3，119.8，88.5 mT，較原磁系分別增加9.92%，10.93%，11.60%；0，30，50 mm處平均比磁力分別為50.23，16.52，8.56 m/s2，較原磁系分別增加15.00%，21.20%，22.64%，增幅較為明顯。主磁極加寬0.6A0的強(qiáng)磁鐵后可使磁場有效作用深度增加約5～6 mm，處理量增加約14%。

由圖8可知：主磁極邊緣(0 mm處)磁場強(qiáng)度和比磁力大幅增加，峰值分別達(dá)到250，180 m/s2，0，30，50 mm處平均磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為202.4，122.7，90.6 mT，較原磁系分別增加12.76%，13.61%，14.25%；0，30，50 mm處平均比磁力分別為57.04，17.47，8.99 m/s2，較原磁系分別增加30.59%，28.17%，28.80%，增幅非常明顯。主磁極增加寬為A0的強(qiáng)磁鐵后，可使磁場有效作用深度增加約7～8 mm，處理量增加約21%。

雖然增加寬為A0的強(qiáng)磁鐵的方案成本增加較多，但綜合考慮磁選回收率和處理量提高帶來的經(jīng)濟(jì)效益確定選擇該方案對磁極進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

3.3 增加選別區(qū)主磁極高度

除上述兩種方法外，從磁路設(shè)計(jì)角度考慮，還可以采用增加主磁極的高度，從而增加磁勢的方法來增加磁場強(qiáng)度及其作用深度[13]。對選別區(qū)的三組主磁極高度增加25%的磁系并進(jìn)行仿真，得到0，30，50 mm處平均磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為193.6，117.5，86.7 mT，較原磁系分別增加7.86%，8.80%，9.33%，但較增加磁極的方案僅增加2.43%，2.44%，2.36%；0，30，50 mm處平均比磁力分別為49.54，15.9，8.21 m/s2，較原磁系分別增加13.42%，16.65%，17.62%，但較增加磁極的方案分別僅增加4.58%，4.95%，4.85%，增幅不明顯，并且磁極高度增加會導(dǎo)致磁系尺寸偏大，因此該方案性價比不高，且會使充磁和安裝難度提高。

4 結(jié)論

基于磁選機(jī)分選原理，通過對增加磁極、選別區(qū)增加高強(qiáng)磁鐵和增加主磁極高度三種方案進(jìn)行仿真分析，可得出如下結(jié)論：

(1)現(xiàn)有磁選機(jī)主磁極與輔助磁極間隙相對較大，磁路較長，磁阻增加，磁通密度低，是導(dǎo)致磁選機(jī)磁選效果不佳的主要因素。

(2)在現(xiàn)有磁系上增加一個梯形輔助磁極后，可使在距離滾筒表面0，30，50 mm處的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度和平均比磁力得到明顯增加。

(3)在選別區(qū)主磁極上增加釹鐵硼強(qiáng)磁鐵能大幅增加磁系的磁場強(qiáng)度和比磁力，可使磁場作用深度增加7～8 mm，處理量增加約21%，為高效磁選機(jī)的開發(fā)提供了參考。