一种新型开放式旋转磁场磁系分析与仿真.pdf

2 0 1 5 年第4 期有色金震 选矿部分 6 3 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s m ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 5 ．0 4 ．0 1 6 一种新型开放式旋转磁场磁系分析与仿真 赵海亮，尚红亮 北矿机电科技有限责任公司，北京1 0 0 1 6 0 摘 要旋转磁场作为开放式磁场的一种新型磁场形式，目前应用逐步广泛，对于该类磁系的深入研究与分析可为相关 的磁路优化、工艺流程优化以及相关工程设备的选型提供依据。借助于C O M S O LM u l t i p h y s i c s 软件，仿真并分析了旋转磁系的 磁场特性，根据磁场分布特性与动力学相关理论，从微观角度研究了不同转向条件下的磁性颗粒在磁场中的运动状态。并通 过试验确立了最佳的磁系转向方案，最后对旋转磁系的磁系固定方法进行了讨论。 关键词旋转磁场；开放式磋场；C O M S O LM u h i p h y s i c s 中图分类号T D 4 5 7文献标志码A 文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 5 0 4 - 1 0 6 3 - 0 5 A n a l y s i sa n dS i m u l a t i o no faT y p i c a lO p e n i n gM a g n e t i cS y s t e m Z t t A OH a i l i a n g ，S H A N G H o n g l i a n g B G R I M MM a c h i n e r ya n dA u t o m a t i o nT e c h n o l o g yC o ．，L t d ．，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t R o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d a san e wf o r mo fo p e n i n gt y p em a g n e t i cf i e l d ．t h ec u r r e n ta p p h c a t i o n g r a d u a l l ym a t u r e s ，b r o a d s ，i n d e p t hl e s e a l c ha n da n a l y s i st op r o v i d et h eb a s i sf o rt h es e l e c t i o no fm a g n e t i cl i n e sc a n b er e l a t e dt ot h em a g n e t i cc i r c u i to p t i m i z a t i o n ，o p t i m i z a t i o no fp r o c e s sf l o wa n dr e l a t e de n g i n e e r i n ge q u i p m e n t ．W i t h t h eh e l po fC O M S O LM u h i p h y s i c ss o f t w a r e ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em a g n e t i cf i e l do fr o t a t i n g m a g n e t i cs y s t e ma n dt h es i m u l a t i o na c c o r d i n gt ot h er e l a t e dt h e o r ya n dd y n a m i c sp r o p e r t i e so ft h em a g n e t i cf i e l d ，a n d I e s e 眦h e st h em o t i o ns t a t eo ft h em a g n e t i cp a r t i c l e si nt h em a g n e t i cf i e l d 。f i n a l l yp r o s p e c t st h ed e v e l o p m e n tp r o s p e c t o ft h er o t a t i n gm a g n e t i cs y s t e m ． K e yw o r d s r o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d ；o p e nm a g n e t i cf i e l d ；C O M S O LM u h i p h y s i e s 旋转磁场作为一种新型开放式磁场形式，相比 于静态磁场。在其高速旋转过程中，可产生近似正弦 波形磁场。本文以旋转磁系为研究对象，从分析其 磁场特性人手，借助于多物理场耦合分析软件 C O M S O LM u l t i p h y s i c s 和相关动力学分析方法，研究 开放型旋转磁场的磁系设计，为今后的磁路优化、工 艺流程优化以及相关工程设备的选型提供依据⋯。 1 旋转磁系磁场特性分析 最优的磁场特性设计方案应具备以下两个特 征1 在径向方向上具有较高的磁通密度，产生较 大的磁场力即具有较高的磁场强度和径向磁场梯 度；2 在圆周方向上，磁场应均匀分布即具有较小 的周向磁场梯度。由以上两点可知，影响旋转磁系 磁场特性的设计因素主要有磁极深度、磁极间距、极 面极隙宽度比值三个方面。 1 ．1 磁极深度 主要是指开放式磁路中磁源沿磁化方向上的深 度，一般而言，在一定的范围内可以通过增加该深度 来提高磁场强度。对于小于2 0 0m T 的磁场强度，采 用锶铁氧体组成的磁极组即可满足磁场强度条件； 对于大于2 0 0r a T 而小于4 0 0n a t 的磁场强度，可采 用钕铁硼与锶铁氧体组成的复合磁系即可满足磁场 强度要求对于大于4 0 0r a T 的磁场强度，采用全钕 铁硼磁系即可满足磁场强度要求，同时全磁钢磁系 由于磁极组重量较小，可有效降低磁系重量；对于磁 场强度大于7 0 0m T 的磁系，综合考虑永磁材料性能 及经济指标目前并不常见悼J 。 1 ．2 极距 磁选机的极距决定磁选机的磁场性能及磁系重 量，开放型磁系的极距决定于被选矿石的粒度或被 选矿石层的厚度和矿石层到磁极表面的距离，因此 箨莩品羿i 翟甚；战0 4 1 9 8 6 亨贸霈j 器葛；炙箍士，工程师。从事磁选设备设计和优化研究- I - 作。作者筒介赵海亮- ，男，河北廊坊人。硕士，工程师。从事磁选设备设计和优化研究作。 万方数据 ．6 4 ． ．．．堕垒全墨 垒芏璺坌2 兰Q 生箜兰塑_ ●- _ ●- _ - ●●_ - - _ ●一一 需要确定最适宜的极距。已知作用在磁性矿粒上的 比磁力为p 1 ％ 脚戈o 魄a r d H ／z o x o 氓2 e 。2 吖 1 式中帆一真空的磁导率，4 , t r 1 0 ～W b ／ A m ； ‰一颗粒的物体比磁化率，m 3 ／k g ； 删H 一磁场力，A 2 ／m ’； c ∥Z 1 ／R ，一磁场的非均匀系数； 尺，一磁筒半径，m ； Z 一极距，m ； 风一磁极表面磁场强度，k A ／m ； r 距离磁极表面最远的矿粒距磁极表面的距 离，m 。 将式 1 对c 求导 d F 磁／d c p o X o H 0 2 [ e 一铆 c d e - 2 r ／d c ] 1 1 ．o x o ％2 e 一研 1 2 叮 2 d F 磁／d c O 时，F 磁最大； c r r ／z I ／R ． 1 ／2 y 1 ／[ 2 0 ．5 d △ ] ； 3 由此得出最适宜的极距大小为 Z 一, t r R l d 2 △ ／[ R l 一 d 2 △ ] m ； 4 式中d 一被选分矿块的粒度上限，m ； △一圆筒表面距离磁极表面的距离，m 。 以工业型q 8 0 0 旋转磁系干选机为例，其分选矿 石粒度约为1 0m m ，由式 4 可计算得出最佳极距为 1 0 0m m 。 1 ．3 磁系极面宽度与极隙宽的比值 对于常规磁选机，由经验易知主磁极宽度a 和 辅助磁极宽度b 的比值一般约为2 ～3 ，因此按照最 佳极距设计可选取方案a 7 0m m ，b 3 0m m ；而在 日常生产中综合考虑到磁性材料的规格和装配难度 等因素，空8 0 0 型干选磁筒选别一1 0m m 细粒矿石时 也常采取方案二a 1 0 0m m ，b 4 0m m 以及方案三 a 6 0m m ，b 3 0m m 的磁系设计方案。综合考虑以 上三个设计因素，从磁场强度、磁场梯度以及磁力指 数三个方面来考虑以上三种方案的优劣。 由图1 所示，在距离磁系表面1 0m m 处，采用 C O M S O LM u h i p h y s i c s 软件在相同磁极深度不同极距 和比值的条件下对三种方案进行磁场模拟，最终从 磁场强度及径向磁场梯度的角度可获得如下结论 方案一能够获得较高的磁场强度；方案二由于具有 较大的磁场深度，磁筒密度在径向上分布较均匀，无 法获得较高的表面磁场强度；方案三由于磁场深度 较小，在1 0m m 处磁场强度衰减的最快，因此，方案 一、方案二获得的磁场强度较高。 图1 磁极组表面1 0m m 处磁场强度 F i g ．1M a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yo fm a g n e t i cp o l e g r o u po nt h es u r f a c eo f1 0n 肌 线 图2 方案一磁极组表面1 0m m 处磁场曲线云图 F i g ．2M a g n e t i cf i e l dc u r v ec l o u dp i c t u r eo fm a g n e t i c p o l eg r o u po fs c h e m eo n eo nt h es u r f a c eo f1 0m m 线 图3 方案二磁极组表面1 0m l n 处磁场曲线云图 F i g ．3M a g n e t i cf i e l dc u r v ec l o u dp i c t u r eo fm a g n e t i c p o l eg r o u po fs c h e m et w oo nt h es u r f a c eo f1 0m i n 黾、髓蕊螺帮 万方数据 2 0 1 5 年第4 期赵海亮等一种新型开放式旋转磁场磁系分析与仿真稻 由图2 和图3 所示，采用C O M S O LM u l t i p h y s i c s 软件在相同磁极组厚度不同极距和比值的条件下对 方案一和方案二进行磁场模拟，最终从周向磁场梯 度角度得出如下结论磁场分布曲线在整个磁场区域 内分布为光滑的圆形曲线，无明显的波峰和波谷，这 种磁场效果表明磁场周向磁场梯度较小；方案二磁场 分布曲线在整个磁场区域内分布为波峰波谷较为明 显的正弦曲线，这种磁场效果表明磁场周向磁场梯度 较大，表现在磁性颗粒微观受力上为磁性颗粒受到较 大的切向磁滞力，阻碍磁性矿粒运输，最终影响分选 效率。由此可知，在距离磁极表面1 0m i n 处，方案一 具有较小的周向磁场梯度，更有利于分选。 图4 三种方案磁力指数曲线 F i g ．4M a g n e t i ci n d e xc u r v eo ft h et h r e es c h e m e s 图4 绘制出了三种方案的磁力指数曲线，由图4 可以看出，在距离磁极表面小于5 一范围内，方案 三磁力指数较高；在7 1 3m i l l 范围内，方案一磁力 指数较高；在大于2 0n n n 范围内，方案二磁力指数较 高；因此，对于粒度1 0n l l n 左右的矿石，采用方案一 磁力指数较高。由此推得，采用小极距磁系，在极面 和离极面很近的地方，磁场力很大，但离开极面稍远 些，磁场力下降很多，即磁场力作用深度较小，适用 于细粒甚至粉状物料的干式磁选。相反地，大极距 磁系。随着远离极面的距离加大，磁场力下降的不 多，磁力作用深度较大，适用于大块物料的干式磁 选。当矿石层厚度小时，矿粒靠近磁系表面移动，我 们可以采用小极距的磁系，当矿石厚度较大时，采用 大极面的磁系H - 。 2 旋转磁系转向分析 常规磁选机磁系是静止不动的，与常规磁选机 不同，采用旋转磁系的磁选机其磁系和磁筒之间是 异步旋转的，不同的磁系转向在宏观上表现为最终 的分选指标不同，在微观上表现在矿石颗粒的受力 上，对同种设备的研究仅限于磁系与筒体反向转动 试验，本文将通过研究矿石颗粒在旋转磁场中的运 动状态来最终确定最适宜的磁系的转向。 磁性颗粒在旋转磁场中的运动状态比较复杂， 在原有磁团聚遭到破坏的同时总有新的磁团聚不断 形成，然后再遭破坏，周而复始，我们可将其运动状 态简化，即认为磁性颗粒是下述两种运动的合运动 一方面受到磁场力作用吸附在永磁磁筒表面随滚筒 一起转动，另一方面受到极性交替的旋转磁系的作 用产生自身翻滚。6 0 。 由于采用湿式磁选和干式磁选矿粒受力情况不 同，因此需要对两种情况分别进行分析。 图5 颗粒在矿浆中的受力分析 №5S t r e s s 舳d y s i sdl 咖t i d e si nt h e 岫 对于湿式磁选，如图5 所示，矿粒在矿浆中运动 时，受到自身的重力，孙简体对颗粒的摩擦力B 、矿 浆对颗粒的黏滞阻力‰、颗粒自身做圆周运动的离 心力F 。以及颗粒所受磁场力F t 等，由公式 1 可 得磁场力 ‰ 脚A y P c 4 r r R 2 2 R I ∞ 5 式中尺磁性颗粒的半径，m ； ∞一磁筒转速，r ／m i n ； B A F m F c e o s O m ‘0 2 R I 6 式中 口矿粒沿磁筒的法线方向与竖直方向的夹角； A 摩擦系数； m 一矿物颗粒质量，k g 。 如图5 所示，进行颗粒沿磁筒圆周方向的切向 受力分析，可得 F 镪2 F f F 幡一F c s i n O 若保证磁性矿粒沿磁筒表面而不脱离，则需 F 钌 B F m F 6 s i n 0 入 F m F c e o s O 一 咖2 R I 一P c 4 1 r R 2 2 R I ∞一F c s i n 0 ≥0 7 F c r a g ．．目置．皇目占I杂_鬻R簟 万方数据 6 6 有色金属 选矿部分2 0 1 5 年第4 期 由上式可得 O J ≤ 一2 1 I ／z o R l R 2 A m R l ～． { A m R l 。1 [ 4 霄k 2 R 1 2 R 2 2 一A m R l m g s i n O A r n ‰x o H g r a d H A m g c o s 0 ] 当0 y 时 y 是磁筒在矿浆中的浸入角 ，颗粒 沿切向方向的角速度最大，由此可得颗粒随磁筒运 动的最大切向速度 ‰ R l 一2 ％R l R 2 A m R I “ { A m R l ‘1 [ 4 1 『k 2 R 1 2 R 2 2 一A m R l m g s i n 7 一 A r n ‰x o H g r a d H A m g c o s y ] 由此可知，颗粒随磁筒做圆周运动时，主要受磁 场强度和0 的影响，磁系转向影响不大。 对于颗粒自身所作的翻滚运动，颗粒做磁滚翻 的翻转频率 厂 n l 托2 ／6 0 N 1 ／2 ； 8 式中，n 。一磁系转速，r ／m i n ，当磁系与磁筒同向 旋转时，n ，为负值，反之，则为正值； n 2 一磁筒转速，r ／r a i n ； Ⅳ1 一磁极数。 由此磁性颗粒翻转次数 Z ，l ； 9 式中卜一磁性颗粒处于分选状态时间，s ；当磁筒 与磁系同向转动时t t 。，当磁筒与磁系异向旋转时， t t ，由于同向转动时，矿粒翻转方向逆着矿浆流 向，因此，t 。 t 2 ，最终可得 Z l ％一r t l ／6 0 N 1 t l ／2 1 0 Z 2 r t 2 n 1 ／6 0 N l t 2 ／2 1 1 根据式 1 0 、 1 1 可得， Z n 2 ，1 1 ／6 0 N l t ／2 1 n 2 ／n 1 ／6 0 N l t ／2 对于旋转磁系磁选机．n 。，1 2 ，则n 2 ／n l 一0 ，因 此t 是影响颗粒翻转次数的关键因素，因为t ， t 2 ， 固磁系与筒体同向旋转，颗粒翻转次数较多，有利于 脉石的抛除，同时由于颗粒翻转方向和矿浆流向相 反，矿粒中夹杂了大量的水粒，对精矿起到了一定的 冲洗水的作用，分选效果较好。 对于干式磁选，如图6 所示，矿粒在皮带上运动 时，受到自身的重力凡、皮带对颗粒的摩擦力毋、颗 粒自身做圆周运动的离心力n 以及颗粒所受磁场 力‰，无需考虑矿浆对颗粒运动状态的影响，其中 吩 入 F 蠢 m g c o s 0 一m o J 2 R I ，‰由公式 1 可以推得。 如图6 所示，进行颗粒沿磁筒圆周方向的切向 受力分析，可得 F m ■一F c s i n O 1 2 图6 磁性颗粒在干选过程中的受力分析 F i g ．6 S t r e s sa n a l y s i so fm a g n e t i cp a r t i c l e s i nd r ys e p a r a t i o np r o c e s s 为保证磁性矿粒沿皮带运动而不脱离，则需 F m2 F f F c s i n 口≥0 即A ，蠢 m g c o s 0 一／n o 2 R 1 一m g s i n 0 一 0 ， 即o J ， [ m R l 。1 ％ m g c o s 0 一一m g s i n 0 ] 眈 对于颗粒自身所作的翻滚运动，由于干式磁选 无需考虑矿浆对颗粒的影响，t 。一￡，由式 9 1 0 ， 1 1 可知，厂是影响颗粒翻转次数的关键因素；当磁 系与磁筒反向旋转时，颗粒翻转次数较多，进而更有 利于脉石的抛除，分选效果较好。 表l河北某矿湿式磁选转向试验数据 T a b l elW e tm a g n e t i cs e p a r a t i o ns t e e r i n gt e s td a t ao fa m i n eo fH e b e i／％ 表2内蒙古某矿干式磁选转向试验数据 T a b l e2D r ym a g n e t i cs e p a r a t i o ns t e e r i n gt e s td a t ao fa m i n eo fI n n e rM o n g o l i a，％ 茎塑堕蔓曼篁焦芝曼焦星芏曼篁垫壅皇 相同 2 0 ．5 4 2 6 ．7 66 ．8 83 1 ．3 塑垦垫竺 兰竺旦 表l 所示数据为河北某鞍山式磁铁矿进行湿式 旋转磁场磁选机磁系与筒体转向对比试验结果。表 2 所示数据为内蒙古某细粒级磁铁矿进行干式旋转 磁场磁选机磁系与筒体转向对比试验结果。由表l 和表2 可知，当采用湿式磁选时，磁系与磁筒同向旋 转，分选指标较好；当采用干式磁选时，磁系与磁筒 反向旋转，分选指标较好；由此证明，磁系转向是影 万方数据 垫 刍E 箜兰塑赵海亮等二种新型开放式旋转磁场磁系分析与仿真 6 7 响旋转磁场磁选机分选指标的重要设计因素。 3 旋转磁系固定方式设计 常规磁系采用螺栓固定磁极底板和磁轭的方 式，此种方法的优点是装配简单易行，技术要求较 低；缺点是仅适用于磁系静止或者转速较小的情况。 而在实际生产中，旋转磁系磁选机磁系转速一般要 求≥1 0 0r ／r a i n ，常规磁系的固定方式已经无法克服 由于磁系高速旋转所产生的较大的离心力，因此需 要优化磁系固定方式以满足设计要求。在采用常规 螺栓固定磁极组的同时，若在磁极组外表面及磁极 间隙处灌装一种1 3m m 厚的新型纤维增强型聚氨 酯，该聚氨酯在灌装后立即固化，在磁系外表面形成 一层韧性较高的保护软体，即可克服磁系较大的离 心力同时还具有防腐蚀防水的优点，有效增长磁系 的使用寿命，经试验，该种保护方式可满足磁系转速 大于3 0 0r ／r a i n 的情况。 4 结论 1 从微观角度进行颗粒在旋转磁场中的运动状 态分析，掌握了颗粒在磁系与简体同向和反向旋转 状态下的运动状态，最终确立了在干式和湿式磁选 状态下最佳的磁系转向，并通过对比试验验证了上 述结论。 2 针对旋转磁系磁选机在磁系高速旋转状态下 磁极组的固定问题，本文提出了一种新型磁系固定 方式，采用此种方式，可克服磁极组在高速旋转过程 中产生的较大的离心力，同时增强型聚氨酯组成的 保护体还能起到防水的作用，极大地提高了磁系的 使用寿命。 3 旋转磁系作为开放型磁场的一种典型形式， 具备磁路结构简单、磁场分布均匀，在相当大的分选 空间内仍存在的磁场强度等普遍特点，同时旋转磁 系具有径向磁场梯度大，周向磁场梯度小的特点，磁 场曲线在整个磁场区域内分布为光滑的圆形曲线， 无明显的波峰和波谷。磁性颗粒在磁场中运动受到 较小的切向磁滞力，分选效率较高，具有广泛的推广 应用前景。 参考文献 [ I ] 胡永会，王晓明，冉红想，等．磁选机典型开放式磁路分析 与仿真[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 4 3 7 6 - 8 2 ． [ 2 ] 周寿增，董清飞．超强永磁体稀土铁系永磁材料 [ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 9 I ． [ 3 ] 王常任．磁电选矿E M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 6 6 - 8 ． [ 4 ] 赵瑞敏，史佩伟，田华伟，等．细碎磁铁矿干式磁选机研制 [ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 l 5 4 2 - 4 5 ． [ 5 ] A l i e nNR ．M i n e r a lp a r 6 c l e r o t s f i o nm e a s u r e m e n t sf o r m a g n e t i cr o t a t i o ns e p a r a t i o n [ J ] ．M a g n e t i ca n dE l e c t r i c a l S e p a r a t i o n ，2 ∞2 ，1 1 3 1 5 5 - 1 鹋． [ 6 ] J a nS v o b o d a ．M a g n e t i ct e c h n i q u e sf o r t h et r e a t m e n to f m a t e r i a l s [ M ] ．N e wY o r k S p r i n g e r - V e r l a g ，2 0 0 4 1 2 1 8 ． 上接第5 3 页 表7闭路浮选试验结果 T a b l e7R e s u l to fc l o s e d - c i r c u i tt e s t／％ 闭路试验获得银精矿银品位83 4 9 ．4 7g ／t 、回收 率7 2 ．0 0 ％，尾矿银品位仅为8 3 ．2 6g ／t ，银得到较好 回收，试验结果较为理想。 3结论 1 锌冶炼酸浸渣银品位2 0 0 ．2 9g ／t ，部分溶于 水，可溶物中锌、铅、铁等离子会对浮选造成不良影 响。因此在浮选前进行溶解脱水，有利于银的回收。 2 Y L Y S 为分散剂、丁基铵黑药为捕收剂、松 醇油为起泡剂，经一次粗选、三次扫选、两次精选的 浮选工艺，获得银品位83 4 9 ．3 7g ／t 、回收率7 2 ．0 0 ％ 的银精矿，较好的对酸浸渣进行了资源化利用，增加 了经济效益，并减缓了酸浸渣堆放对环境的影响。 参考文献 [ 1 ] 张丽军，严志明，罗仙平，等．从锌湿法冶炼酸浸渣中综合 回收铅锌银[ J ] ．四川有色金属，2 0 0 8 3 1 3 - 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