基于Halbach永磁阵列的新型磁选机磁系设计及应用_陈中航.pdf

收稿日期2019-08-10 作者简介陈中航 （1971） ， 男， 讲师。 总第 521 期 2019 年第 11 期 金属矿山 METAL MINE 基于Halbach永磁阵列的新型磁选机磁系设计 及应用 陈中航 1 （辽宁科技大学矿业工程学院， 辽宁 鞍山114051） 摘要常规贫磁铁矿石干式预选抛尾工艺的主要设备磁滑轮和上吸式干选机的磁系产生的都是双面磁场， 而真正作用于选分空间的只是双面磁场的一部分即只有其中一面磁场作用于选分空间， 因此磁能利用率较低。提 出了基于Halbach永磁阵列的新型磁系， 即非对称结构的磁场分布， 将绝大部分磁场能汇聚在磁体阵列作用于分选 作业的一侧， 并且采用该新型磁系对磁滑轮和上吸式干选机进行了优化。优化后的新型磁系具有单边增强性、 较 高的气隙磁密和较大的磁场利用率等优点。以磁系优化后的磁选机对辽宁某磁铁矿石进行抛尾试验， 获得了抛尾 产率为26.92、 磁性铁回收率为2.62的指标， 磁性铁损失率仅为1.31。基于Halbach永磁阵列的新型磁系磁选 机是一种结构合理、 磁能利用率高的贫磁铁矿石干式预选设备， 可以有效提高分选效率， 降低入磨矿量。 关键词永磁阵列 磁滑轮 上吸式干选机 干式预选 中图分类号TD924.1文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -11-151-04 DOI10.19614/ki.jsks.201911025 Application and Magnetic Design of a New Magnetic Separator Based on Halbach Permanent Magnet Array Chen Zhonghang2 （School of Mining， University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， China） AbstractIt is pointed out that the magnetic system of the magnetic pulley and the updraft dry separator produces dou- ble-side magnetic field， while only one-side magnetic field acts on the separation space， so the utilization rate of magnetic en- ergy is relatively low. Therefore a new magnetic system based on Halbach permanent magnet array is proposed and used to op- timize the magnetic pulley and the updraft dry separator. On the basis of comparison between the old and new magnetic sys- tem，it can be seen that the new magnetic system enjoy much obvious advantages such as unilateral enhancement，high air gap magnetic density， and relatively large magnetic field utilization rate. Furthermore the tailings discarding experiment of the new magnetic system separator on a magnetic ore from Liaoning was carried out, discarding productive rate is 26.92, magnet- ic iron recovery is 2.62, loss rate of magnetic iron is 1.31. The new magnetic separator based on Halbach permanent mag- net array is a dry pre-beneficiation equipment for lean iron ore with reasonable structure and high-usage magneic energy. It can increase separation efficiency and reduce the amount of grinding capacity. KeywordsMagnetic array， Magnetic pulley， Updraft dry separator， Dry pre-beneficiation Series No. 521 November2019 在我国已经探明的铁矿资源中， 90以上是贫铁 矿， 对于这部分矿石一般采用干式预选抛尾技术来 处理， 这种工艺既可以提高入选矿石的给矿品位， 又 可以降低磨选工序处理量， 从而提高选别效率、 压缩 选矿成本 ［1］。 20世纪70年代以来， 磁滑轮预选抛尾技术被各 大中小型磁铁矿选厂广泛应用， 取得了较好的效果。 比较典型的有通钢板石选矿厂的大小粒度干选技 术， 分别在中碎和细碎后对产品根据粒度不同合理 抛尾， 极大地提高了磨选作业的入选品位， 有效降低 了生产成本。尽管如此， 磁滑轮抛废工艺还存在一 定问题， 主要表现在当料层较厚时， 抛尾效果不好， 处于较上层的磁性矿由于所受磁力较小易被抛出， 造成磁性铁损失。 机电与自动化 151 ChaoXing 金属矿山2019年第11期总第521期 21世纪初以来， 上吸式干选机的出现， 又使贫磁 铁矿石干式预选抛尾指标有了较大提高。目前， 我 国多家选矿厂采用磁滑轮与上吸式干选机组合技术 抛尾， 获得的预选指标更加优异。尤其是近几年高 压辊磨技术的普及， 可以有效降低预选矿石给料粒 度， 为磁滑轮与上吸式干选机组合抛尾工艺提供了 更加合适的给矿粒级。 本文从磁滑轮与上吸式干选机的磁系入手， 探 讨了对磁滑轮与上吸式干选机的磁系进行优化的可 能性， 并进行了相关实验。 1磁滑轮和上吸式干选机的磁系特征 1. 1磁滑轮和上吸式干选机组合分选原理 磁滑轮与上吸式干选机组合技术的结构示意如 图1、 图2所示， 上吸式干选机设置在磁滑轮前方皮带 上部， 上吸式干选机的皮带走向与磁滑轮皮带走向 垂直。当磁滑轮皮带上的物料通过上吸式干选机的 下表面时， 在上吸式干选机高场强磁系产生的较大 磁力作用下吸出皮带上物料中 40～60 的磁性矿 粒， 特别是物料层中粉状磁性物料较多时吸出的磁 性矿粒的量更大。经过上吸式干选机提前选出绝大 部分磁性矿粒后， 留在皮带上的矿层大大变薄， 而且 磁性强的矿粒数量大大减少， 物料再经过磁滑轮分 选时不再存在磁性强的矿块压住废石矿块的现象， 从而使磁滑轮分选时废石中的磁性铁品位显著降 低， 有利于磁滑轮在较薄的料层下进行分选， 提高磁 滑轮的分选效率 ［2-6］。 1. 2磁滑轮磁系结构特点 磁滑轮磁系的结构如图3所示， 其主要组成部分 是一个回转的多级磁系， 套在磁系外面的是用不锈 钢或铜、 铝等不导磁材料制成的圆筒。磁系的包角 是360， 目前使用的磁滑轮的磁系主要是磁极沿物 料运动方向异极性排列的磁系。从图中磁力线的分 布可见其磁场不仅在选别空间有广泛的分布， 而且 在非选别空间也有大量分布。选别空间的磁场分布 是必不可少的， 而非选别空间的分布没有任何意义。 1. 3上吸式干选机磁系结构特点 上吸式干选机磁系结构及磁力线分布如图4所 示。 从图4可以看出， 其磁场不仅在选别空间有广泛 的分布， 而且在非选别空间也有大量分布。选别空 间的磁场分布是必不可少的， 而非选别空间的分布 没有任何意义。 2Halbach永磁阵列 1979年， 美国劳伦斯伯克利国家实验室著名学 152 ChaoXing 2019年第11期陈中航 基于Halbach永磁阵列的新型磁选机磁系设计及应用 者klaus Halbach针对永磁体的构造提出了一种新颖 的磁系结构Halbach永磁阵列。图5为Halbach阵 列的典型磁场排列， 分析其磁场分布可以看出， 如果 忽略端部效应， 那么Halbach永磁阵列结构将形成单 边磁场， Halbach永磁阵列采用独特的永磁磁体排列 方式， 可以获得非对称结构的磁场分布， 将绝大部分 磁场能汇聚在磁体阵列的一侧， 从而增大工作气隙 内的磁密分布， 提高磁能利用率。这就是Halbach永 磁阵列的一个显著特点， 这一点也可以从磁场的叠 加效应来看出 （图6） 。图6 （c） 的磁场可以近似为图 6 （a） 的径向磁场与图 6 （b） 的轴向磁场这 2 个磁场 的叠加。由于切向磁场与径向磁场的相互叠加与 抵消， 使得永磁体一侧的磁场大幅度增加， 而另一 侧的磁场大幅度削弱。分析 Halbach 永磁阵列结 构， 可以看出采用此种阵列结构有如下特点 可以 得到单边加强型磁场分布， 可以获得比常规排列更 高的气隙磁密， 可以提高磁场利用率。这说明在保 持永磁体体积不变的情况下， 可以通过采用 Hal- bach永磁阵列结构来提高选分空间的气隙磁密， 从 而提高选分效率 ［7］。本文的研究就是从磁系的排 列方式入手， 尽量使选别空间的磁力线分布较多， 使非选别空间的磁力线分布较少， 达到尽量增加磁 能利用效率的目的。 3磁滑轮与上吸式干选机的新型磁系 3. 1磁滑轮的新型磁系 根据磁滑轮的选分特性， 选分空间在磁滑轮头 轮圆周外部空间， 因此采用能够增强外部磁场的圆 柱形Halbach永磁阵列结构， 如图7所示。图7 （a） 表 示圆柱形Halbach永磁阵列磁条结构， 它主要由16个 充磁方向互相垂直的磁极组成， 构成360磁系包角。 图7 （b） 是其磁力线分布简图， 从图中可以看到， 磁滑 轮的新型磁系使磁辊筒圆周外选分空间的磁场得到 加强， 而磁辊筒圆周内部的磁场大大削弱。 3. 2上吸式干选机的新型磁系 根据上吸式干选机的选分特性， 选分空间在干 选机的下表面空间， 因此采用能够增强下部磁场的 直线型Halbach永磁阵列结构， 由单层磁极组构成， 共分7排， 每排7个磁块组， 每个磁块组充磁方式及 组合磁系磁力线分布如图8所示。从图8可以看出， 上吸式干选机的新型磁系使上吸式干选机下表面下 部选分空间的磁场得到增强， 而上吸式干选机上表 面的磁场大大削弱， 这样既增加了选分区的磁通密 度， 又减少了非选分区的不必要的磁通。 3. 3新型磁系磁选机干式预选试验 为了验证新型磁系的选分效果， 应用新型磁系磁 选机对辽阳弓长岭某磁铁矿进行了抛尾试验。矿石 为条带状透闪磁铁石英岩型铁矿石， 主要金属矿物 为磁铁矿， 其次为磁黄铁矿、 黄铁矿， 少部分赤铁矿 和褐铁矿， 脉石矿物主要是石英， 其次为角闪石、 灰 石、 绿泥石、 磷灰石等。试验给料为现场细碎产品， 采用磁滑轮与上吸式干选机组合配置， 磁系采用 Halbach永磁阵列结构， 给矿粒度为-12 mm， 上吸式 153 ChaoXing 干选机的磁场强度320 kA/m， 带速1.5 m/s， 磁滑轮表 面磁场强度120 kA/m， 带速2.0 m/s。把磁滑轮选别 精矿和上吸式干选机选别精矿合在一起作为总精 矿， 磁滑轮尾矿作为总尾矿， 选别结果见表1。 由表 1 可见， 新型磁系干选机的抛尾产率为 26.92， 尾矿磁性铁品位仅为1.31， 磁性铁损失率 仅为2.62， 磁性铁损失较少， 该选别结果与原磁选 机结果大体相同， 但该磁选机在保证选分结果与原 磁选机相近的情况下， 有效提高了磁能利用率， 减少 了磁性材料的有效用量。 4结论 （1） 作为一种静态磁场产生装置， Halbach永磁阵 列结构具有优异的磁场特性， 将其运用于磁滑轮与 上吸式干选机进行干式预选， 能够充分利用磁场叠 加效应， 合理有效地布置磁块的组合排列方式， 使磁 场高效率作用于选分空间， 在不增加磁块体积的前 提下， 既增加了选分空间的磁密， 又合理减少了非选 别空间的磁通量， 有效提高了磁场的利用率， 相应提 高了选别效率。 （2） 生产实践表明， 新型磁系磁选机使吸出和吸 住2种磁场吸附方式有效配合， 实现磁性矿物的高效 预富集和合格尾矿的高效抛废， 既提高了磨选车间 的入选品位， 又降低了入磨量， 最大程度地实现了多 碎少磨， 能抛早抛。 参 考 文 献 郭小飞， 赵通林. 我国贫铁矿石磁选预选现状及发展趋势 ［J］ . 金属矿山， 2016 （4） 91-94. Guo Xiaofei，Zhao Tonglin. Application and development tendency of magnetic separation for pre-concentration of lean ore in China ［J］ . Metal Mine， 2016 （4） 91-94. 刘秉裕， 徐银全， 薛凤琦， 等. 悬磁干选机及其应用 ［J］ . 金属矿 山， 2015 （9） 135-138. Liu Bingyu， Xu Yinquan，Xue Fengqi，et al. Hang dry separator and its application ［J］ . Metal Mine， 2015 （9） 135-138. 纪莹华， 王德志， 王艳玲， 等. 悬浮式干选机在柏泉铁矿的工业 试验 ［J］ . 金属矿山， 2012 （12） 54-56. Ji Yinghua. ， Wang Dezhi ， Wang Yanling， et al.Industrial test of suspension-type dry separator in Baiquan Iron Mine［J］ . Metal Mine， 2012 （12） 54-56. 付相仕. 磁滑轮预选抛尾在密地选矿厂的应用前景 ［J］ . 工程建 设， 2009 （12） 35-37. Fu Xiangshi. Application prospect of pre-concentration with mag- netic pulley for discarding tailings in Midi concentration plant ［J］ . Engineering Constuction， 2009 （12） 35-37. 陈洲， 杨任新， 王炬， 等.司家营铁矿废石选矿工艺研究 ［J］ . 金属矿山， 2016 （2） 56-60. Chen Zhou， Yang Renxin，Wang Ju，et al. Beneficiation technolo- gy study on iron waste rock from Sijiaying［J］ .Metal Mine，2016 （2） 56-60. 刘兴华，陈雯. 新疆某低品位细粒磁铁矿选矿工艺研究 ［J］ . 金属矿山， 2014 （5） 64-69. Liu Xinghua， Chen Wen.Beneficiation process of a low-grade mag- netite from Xinjiang ［J］ . Metal Mine， 2014 （5） 64-69. Halbach K. Application of permant magnets in accelerators and electron storge rings ［J］ . Journal of Applied Physics， 1985， 51 （1） 3605-3608. （责任编辑王亚琴） 金属矿山2019年第11期总第521期 ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ 154 ChaoXing