永磁强磁选机磁系仿真模拟及结构优化.pdf

2 0 1 5 年第5 期有色金属 选矿部分 7 3 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 5 ．0 5 ．0 1 7 永磁强磁选机磁系仿真模拟及结构优化 王芝伟，冉红想 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘要对现有永磁挤压磁系结构存在的问题进行了分析，提出了一种新型挤压磁系设计方案。通过仿真模拟，确定了新 型磁系导磁板尺寸和磁极配比等关键参数，使磁场强度和磁场作用深度均得到大幅提高，满足了粗颗粒弱磁性矿分选的要求。 关键词永磁强磁；挤压磁场；仿真模拟；磁场深度；弱磁性矿 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 5 - 0 0 7 3 - 0 4 S i m u l a t i o na n dO p t i m i z a t i o no fM a g n e t i cS y s t e mo fH i g h - i n t e n s i t y P e m m n e n tM a g n e t i cS e p a r a t o r W A N GZ h i w e i ，R A NH o n g x i a n g ＆承，l gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fI I 以n i n ga n dM e t a l l u r g y ，n e i j i n gJ o D J 6 D ，C h i n a A b s t r a c t I nt h i sp a p e r ，t h ee x i s t i n gs t r u c t u r eo ft h ee x t r u d e dp e r m a n e n tm a g n e t i cs y s t e mw e r ea n a l y z e d ，a n e w t y p ee x t r u d e dm a g n e t i cs y s t e md e s i g nw a sp r o p o s e d ．T h r o u g hs i m u l a t i o n ，t h ek e yp a r a m e t e r so fm a g n e t i cb o a r d s i z ea n dt h ep r o p o r t i o no fm a g n e t i cp o l e sw e r ed e f i n e d ，w h i c hm a k et h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ha n dt h ed e p t ho f m a g n e t i cf i e l dh a v eb e e ng r e a t l yi m p r o v e dt om e e ts o r t i n gr e q u i r e m e n t so ft h ec o a r s ep a r t i c l e so fw e a km a g n e t i co r e ． K e yw o r d s h i g h i n t e n s i t yp e r m a n e n tm a g n e t i c ；e x t r u d e dm a g n e t i cf i e l d ；s i m u l a t i o n ；f i e l dd e p t h ；w e a k m a g n e t i cO r e 强磁选机主要应用于弱磁性矿分选及非金属矿 除铁提纯作业，在矿物加工中占有重要地位。强磁 选设备种类很多，主要包括电磁设备和永磁设 备引。最具代表性的电磁设备为电磁立环高梯度 磁选机，如S L o n 型电磁立环强磁选机，和仿琼斯s h p 型强磁选机、感应辊式强磁选机等旧刮。永磁强磁选 机主要包括辊式永磁强磁选机、筒式永磁强磁选机 和永磁立环强磁选机等，如R T G 永磁强磁干式磁选 机。永磁强磁选机具有磁性持久稳定、无需电耗、设 备维护成本低的特点，越来越受到研究人员的重视。 近年来，永磁筒式强磁选机在弱磁性铁矿石大颗粒 预选领域得到了逐渐推广和应用∞J 。随着矿石贫、 细、杂化的日益严重，对永磁强磁选设备的磁场强度 提出更高的要求，本文就现有永磁筒式强磁选设备 磁系结构进行了深入分析并提出了优化方案。 1 永磁强磁选机磁系结构特点 磁系结构决定磁场分布特性，磁场特性包含磁 场强度 磁感应强度 、磁场梯度 深度 、磁场方向 等，合理、有效的磁系结构是磁选机设计的核心。 1 ．1 磁系结构 筒式强磁选机磁系设置在筒体内部，具有维护 简便，使用寿命长的特点。目前，在筒式磁选设备中 的常用的磁系为开放式磁系，常规磁系磁极极性沿 磁系圆周方向N 、S 极交替，或沿轴向N 、S 级交替。 这种磁系磁场分布特点是，磁场作用深度大，磁感应 强度值高，适用于强磁性矿物分选，目前工业应用的 磁感应强度均值约最高达7 0 0m T 。 另一种典型磁系结构是挤压磁系，N 极与N 极、 S 极对S 极对极布置，这种磁系磁场通过磁极间的导 磁介质将磁场强行挤压到空气中，之后再形成磁系 回路，在导磁介质对应的位置形成强磁场区域。磁 场强度值远远高于常规开放式磁系，磁系表面磁感 应强度可达1T 以上。同时挤压磁系沿圆周方向极 性不变，没有磁翻滚现象，减少了磁性物的流失，适 用于对弱磁性矿物的分选。 基金项目国家国际科技合作专项资助 2 0 1 5 D F R T 0 6 6 0 投稿日期2 0 1 5 - 0 2 - 2 0修回日期2 0 1 5 - 0 7 1 0 作者简介王芝伟 1 9 8 5 - ，男，河北廊坊人，硕士，工程师，从事矿物加工设备研究及工程转化方面的研究。 万方数据 7 4 有色金属 选矿部分2 0 1 5 年第5 期 对赤铁矿、褐铁矿等弱磁性矿石进行粗颗粒预 选时，所需的磁感应强度在0 ．8T 以上，同时需要一 定的磁场深度。常规磁系受结构限制，无法提供足 够的磁场强度，不适于对弱磁性矿物的选别。 1 ．2 磁场模拟 永磁辊式强磁选机和永磁挤压筒式磁选机的磁 系结构基本相同，均是采用两个同极性的磁极挤压 在一起，使磁力线沿着两者之间的导磁板传递出去， 形成N 、S 极沿轴向交替的磁系形式。导磁介质上的 磁通密度很大，在其两端产生比较高的磁场，磁系结 构如图l 所示。 NSN ．1S S o N2N 一SS N N 一SS 刈 图l两面挤压磁系结构示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fe x t r u s i o nm a g n e t i cs y s t e m 传统两面挤压磁系结构中，由于导磁介质的两 端均处于开放状态，磁力线从两端同时发散出去，在 磁系内外均形成较强磁场。如图2 所示。 ●_ ’’。。’1 1 1 ’。。。。。。。。。。’。。。。。。。●_ _ 。- 8 。} o ．7 5 }导甓板主I o 哆 ㈣爹铲 t 膏 0 ．6 5 凛蔫 。∞【 o ．5 5 } 7 鬻 黛 最大值2 ．9 8 3 4 ．‘1 5 4 ．’i o一4 ．0 5 4 o o 一3 1 9 5二 轴I 二．t ／m 最小值1 ．0 9 3 1 0 4 图2 两面挤压磁系磁场模拟图 F i g ．2 S i m u l a t i o nd i a g r a mo fm a g n e t i c f i e l do fe x t r u s i o nm a g n e t i cs y s t e m 两面挤压磁系内外磁场分布特性相似，磁系近 表 5m m 处 值较高，可达lT 以上，不过磁场衰减 较快，1 5m m 处接近5 0 0m T ，磁场高值降幅已达 5 0 ％，5 0m m 处已经较低，约4 0m T 左右，如图3 所 示。由于挤压磁系近高远低、衰减快的特点，决定了 该种磁系主要利用近表磁场进行分选，分选空间小， 分选颗粒粒度小。 1 ．1r 1 ．o ㈧M 0 ．9 l f／1 O ．8 } 1|1 皂 魁 静 赠 撞 0 0 0 i 趱 3 r 、、二 2 I 1 卜＼ 0 6 1 加 轴向距离，m 图3两面挤压磁系磁感应强度曲线 F i g ．3M a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t yC U l V eo f e x t r u s i o nm a g n e t i cs y s t e m 两面挤压磁系结构中，由于导磁介质的两端均 处于开放状态，磁力线从两端同时发散出去，这就降 低了导磁板一端的磁场强度，使简体或辊体表面的 磁场降低，而且降低了磁场的作用深度。 2 永磁强磁选机的磁系优化 挤压磁系只有具备足够的磁感应强度和较高的 磁场作用深度，才能满足大颗粒矿石的分选要求。 为了提高磁感应强度，在上述的双面挤压磁系结构 中，导磁板对磁路的形成起到重要的作用，导磁板构 成了磁力线的主要通道，所以要想调节挤压磁系表 面的磁场特性，可以先从导磁板结构人手。 在传统磁系结构的基础上，将导磁板的位置及 尺寸进行调整，导磁板与磁极在磁系外表面仍然对 齐，降低导磁板径向尺寸，如图4 。观察该磁系的磁 场分布情况，可见内部磁感应强度有所降低，外部磁 感应强度得到了提高，如图5 所示。这说明，改变导 磁板结构可以有效提高磁系表面的磁感应强度。 ’ ●⋯一一 N S N ／，S 一 夕 ／7，√ r 童 ／ Sw ’NN 一tSS ⋯’N N - ～一Sj ／S ⋯一’N 『 一 一 。 图4 新型磁系结构图 F i g ．4 S t r u c t u r ed i a g r a mo fn e wt y p em a g n e t i cs y s t e m 2 ．1 磁极径向尺寸分析 调整后挤压磁系与常规挤压磁系相比，调整了 2 2 l 1 ●■■■●■■■■圈图㈠ 万方数据 2 0 1 5 年第5 期王芝伟等永磁强磁选机磁系仿真模拟及结构优化 7 5 导磁板尺寸与导磁板配合，通过导磁板向磁系外发 射磁力线。导磁板的结构直接关系到挤压空间磁力 线的传导效果。 0 ．1 5 } | 导 0 ．1 0 } 醚l 墨o ．0 5 0 螽 | 0 ．0 0 } l - 0 ．0 5 } r7 。曹 凳霸霹碟 黼㈥I _ 撩2 ∞ 料。“t 。睁穗 最大值3 ．0 6 3 0 ．0 1 } 1 0 ．5 { 。 o ．‘o o 。o 白So ． l oo ． 1 50 ．’2 0o ． 2 5 轴向，m 最小值2 ．1 2 5 1 0 - 图5 新型磁系磁场模拟图 F i g ．5 S i m u l a t i o nd i a g r a mo fn e wt y p em a g n e t i cs y s t e m 为了探索导磁板尺寸对磁系磁场的影响因素， 假设一种磁系参数结构，为了满足粗粒分选要求，设 定导磁板厚度为较大值，日 9 0 ，W 4 8 ，W 。 1 6 ，然 后对不同导磁板尺寸磁系进行模拟，得到了相应的 磁场变化曲线，如图6 。 图6 导磁板尺寸变化磁感应强度曲线 F i g ．6 R e l a t i o nc u r v eo fm a g n e t i cb o a r ds i z ea n d m a g n e t i ci n d u c t i o n 由图6 可见，随着导磁板尺寸且的递增，磁系5 m m 处磁感应强度依次递增，导磁板尺寸约4 5m m 时，磁感应强度最高。从5 0 8 0m m ，磁感应强度呈 下降趋势，下降趋势小于曲线上升趋势。也就是当 磁系尺寸H ，日 0 ．5 0 ．6 5 时磁感应强度较高。初 步分析产生这种现象原因，主要是因为，当导磁板尺 寸风较小时，传导磁力线的导磁介质较小，降低了 主磁极挤压磁场磁能的集中扩散，导致磁系表面磁 场较弱，当日，处于合理尺寸时，有利于主磁极磁力 线的传导，磁感应强度达到最大值。 在主磁极尺寸和导磁板宽度相同的情况下，对 比常规挤压磁系与调整后挤压磁系磁场特性，调整 后磁系磁感应强度最大值提高了1 1 ．1 ％。在磁系表 面1 0m m 处，磁感应强度提高了5 ．3 ％，如图7 所示。 图7 径向磁感应强度对比曲线 F i g ．7 C o n t r a s tC H I V eo fr a d i a lm a g n e t i c i n d u c t i o ni n t e n s i t y 2 ．2 磁极厚度比例分析 主磁极参数是影响三面挤压磁系磁场特性的重 要因素。直接影响磁系磁感应强度和磁场作用深 度。固定导磁板的位置，对主磁极的厚度形参数进 行分析，设定形不变，改变导磁板形，，设置W ，W 等 于l 3 、l 4 、l 5 的三种磁系，对其分别进行分析。 由于主磁极径向尺寸日仅会影响磁系实际磁场 的强度水平，要分析其厚度规律，可以预先设定尺寸 风值。上节中分析到H ，H 0 ．5 ～0 ．6 5 时，磁感应 强度值较高，因此设定H 。 5 0 ，见表1 。 对三种磁系进行仿真模拟，分别获得磁场衰减 曲线，并进行对比，如图8 所示。0 ～1 0m m 范围内， 磁感应强度从大到小依次为l 5 磁系，1 4 磁系， 1 3 磁系，即1 5 磁系表面以及近表面区域磁感应强 度较高，说明主磁极与导磁板厚度之比较大时，对磁 感应强度的提高作用明显。1 0 ～8 0m m ，磁感应强度 从大到小依次为l 3 磁系、l 4 磁系、1 5 磁系，此种 顺序与0 ～1 0m m 范围内情况相反，说明主磁极与导 磁板厚度之比较大时虽然能够提高磁系近表区域磁 感应强度，但是距离磁系较远区域磁感应强度不易 提高，即该种比例磁系，磁场作用深度较差。l 3 磁 系虽然具有较好的磁场深度，不过磁系近表区域磁 感应强度较之其它两种磁系均较低，例如5n l m 处磁 感应强度小于1T ，不利于粗粒级弱磁性矿的分选。 醪≮一督 舛吆∞％％舛昵∞黯嘶M l 1 1 O O O O O 0 O O ∈趟糖圈裰E目n 万方数据 7 6 有色金属 选矿部分2 0 1 5 年第5 期 表1磁系主磁极参数 T a b l e1P a r a m e t e rt a b l eo fm a i n m a g n e t i cp o l e o f m a g n e t i cs y s t e m 图8 磁场衰减曲线对比图 F i g ．8C o m p a r i s o nc h a ao fm a g n e t i cf i e l d d e c a yc u r v e 总体来看，当W ．W 1 4 时，磁系磁场分布情 况较好，此种磁极配比磁系，不仅距离磁系5m m 处 磁感应强度大于lT ，同时具有较高的磁场梯度值和 较好的磁场作用深度。 2 ．3 周向N 、S 极交替磁系方案 通过分析，新型挤压磁系具有较好的磁场分布 特性，可以将新型挤压磁系结构应用在周向N 、S 极 交替磁系上，如图9 。与轴向N 、s 极交替磁系相比， 整体磁感应强度略有降低，不过仍然具有较高的磁 场强度和磁场作用深度，比传统两面挤压磁系高 2 ％，提高幅度降低是因为周向N 、S 极交替磁系磁力 线发散所致，如图1 0 。同时5m m 处场强接近1 T ，满 足弱磁性矿分选对磁场强度的要求，不过实际应用 效果有待进一步试验验证。 图9 磁系结构示意图 F i g ．9 S t r u c t u r ed i a g r a mo fm a g n e t i cs y s t e m 鼍 越 韶 昭 钽 0 周向距离／m m 图1 0 磁系模拟曲线 F i g ．1 0M a g n e t i z a t i o nc u r v eo fn e wm a g n e t i cs y s t e m 3结论 1 传统挤压磁系结构中，导磁板是磁系的关键 组成部件，主磁极通过导磁板向内外发散磁力线，使 磁系内外均形成较强磁场分布，这种磁场分布特性 造成了磁能的浪费，不利于对矿石的分选。通过调 整导磁板尺寸设计了新型挤压磁系，该磁系提高了 磁能利用率，可以有效提高外侧磁场强度和磁场作 用深度，在主磁极规格和导磁板宽度相同的情况下， 通过计算机磁场仿真模拟，调整导磁板，磁系磁感应 强度最大值提高了1 1 ．1 ％。在磁系表面1 0m i l l 处， 磁通密度提高了5 ．3 ％。 2 为了探讨磁极尺寸配比问题，对新型磁系导 磁板径向尺寸和磁极厚度比例分别进行了多条件仿 真模拟，结果证明当导磁板与主磁极径向尺寸比为 0 ．5 ～0 ．6 5 时，磁感应强度值较高，导磁板与主磁极 宽度比为1 4 时，具有较好的磁场分布特性。 3 将新型挤压磁系结构运用在周向N 、S 极交替 磁系上，与轴向交替磁系相比，磁感应强度略有降 低，但磁场分布特性仍较好，其应用效果有待验证。 参考文献 [ 1 ] 冉红想，史佩伟，刘永振．干式磁选设备的现状与应用进 展[ J ] ．有色设备，2 0 1 0 6 1 1 ．1 3 ． [ 2 ] 赵昱东．分选弱磁性矿磁选机的技术进展[ J ] ．江西冶金， 2 0 0 0 3 2 2 - 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