GCG型强磁选机高梯度磁场中弱磁性矿粒动力学分析.pdf

2 0 1 4 生篁 塑 苎全墨 兰芏塑坌翌一●_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ ●- _ - _ _ _ _ _ - ●_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - ●- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ●_ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 d o i l O ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 4 ．0 2 ．0 2 0 G C G 型强磁选机高梯度磁场中弱磁性 矿粒动力学分析 魏红港，冉红想 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘要c , c c 型电磁感应辊强磁选机目前已经广泛应用于非金属矿物的除铁提纯及弱磁性矿物回收领域。从分析感应 辊分选间隙磁场特性人手，分别求解出磁场强度日和磁场梯度目m d J j 『函数曲线，通过对矿粒的受力分析求解出脱离角日与辊 体转速∞和矿粒比磁化系数x 。的关系，建立了单颗粒弱磁性矿物运动轨迹数学模型，并通过试验分析了该模型的合理性。 为有关数值计算和生产应用提供了一定的理论基础， 关键词感应辊；高梯度磁场；磁场强度；弱磁性矿粒；动力学分析 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 4 0 2 - - 0 0 7 7 - 0 5 D y n a m i cA n a l y s i so fW e a kM a g n e t i cM i n e r a lP a r t i c l ei nH i g hG r a d i e n tM a g n e t i cF i e l do fG C G l 噩g hI n t e n s i t yM a g n e t i cS e p a r a t o r W 酎H o n g g a n g 。R A NH o n g x i a n g B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e 扰叼1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t G C Gi n d u c e dr o l l e rh i g hi n t e n s i t ye l e c t r o m a g n e t i cs e p a r a t o rh a sb e e nw i d e l yu s e di n t h e a r e a so fd e ．i r o n i n gr e f i n e m e n to fn o n ．m e t a l l i cm i n e r a l sa n dr e c y c l i n gw e a km a g n e t i cm i n e r a l s ．T h ef u n c t i o n 0 ft l l em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ha n dm a g n e t i cf i e l dg r a d i e n tw a ss o l v e dr e s p e c t i v e l yw h i c hs t a r t 8f r o ma n a l y z i n g t h em a g n e t i cf i e l dc h a r a c t e r i s t i co ft h em i l e r ’ss e p a r a t i o ng a p ．’1 1 I er e l a t i o n s h i po fr e l e a s ea n g l e ，s p e e da n d s u s c e p t i b i l i t yb ya n a l y s i so ft h em i n e r a lp a r t i c l ef o r c ew a ss o l v e dt o o ．M a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et r a j e c t o r y o f s i n g l ep a r t i c l ew e a km a g n e t i c m i n e r a l sw a se s t a b l i s h e da n dv a l i d i t yo ft h em o d e lw a sv e r i f i e db yt e s t i n g a n a l y s i s ．I tc o u l dp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rr e l a t e dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n dp r o d u c t i o na p p l i c a t i o n s ． K e yw o r d s i n d u c e dr o l l e r ；h i g hg r a d i e n tm a g n e t i cf i e l d ；m a g n e t i c f i e l di n t e n s i t y ；w e a km a g n e t i c m i n e m lp a r t i c l e ；d y n a m i ca n a l y s i s G C G 型电磁感应辊强磁选机是北京矿冶研究 总院研制的一种干式高精度强磁选设备，适用于 一2m m 细粒级矿物的分选。该设备磁场强度高达 17 0 0k M m 以上，磁场梯度也高达6 ．2 x 1 0 5k A ／m 2 以上，从而保证了在分选空间强大的磁力，主要用于 非金属矿物睡渎渺、蓝晶石、钾长石、硅线石和红 柱石等 的提纯，可以分离出比磁化系数为1 ．9 1 0 。7 ．5 x 1 0 巧范围内的弱磁性矿物，也可用于弱磁 性矿物 锰矿、钻矿、赤铁矿等 的回收利用[ 1 圳。 本文是以北京矿冶研究总院最新研制的 G C G l 5 5 0 4 型干式电磁感应辊强磁选机为研究对 象，从分析其磁场特性人手，用试验仿真方法拟合 出感应辊径向分选间隙磁场强度与磁场梯度函数方 程，在此基础之上建立了单颗粒弱磁性矿物分选过 程受力模型，研究了脱离角与矿物比磁化系数和辊 体转速之间的关系，求解出单颗粒矿粒在分选间隙 的运动模型，并通过石英砂的分选试验验证了该模 型的合理性。 1分选原理 图1 表示矿物通过G C G l 5 5 0 4 型电磁感应辊 式强磁选机分选原理。该机工作时，线圈通以直流 收稿日期2 0 1 3 0 5 2 1修回日期2 0 1 4 _ 0 1 1 6 作者简介魏红港 1 9 8 4 一 ，男，河北望都人，硕士，工程师，主要从事磁选设备的研究。 万方数据 7 8 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第2 期 电，在磁轭和感应辊组成的磁回路中产生磁通，在 磁轭与感应辊之间的工作间隙处产生很高的磁场。 矿物经过自重力给料装置沿着感应辊轴线方向使矿 物呈单颗粒层状态均匀给入感应辊和极头之间的分 选间隙，顺磁物料在磁场力的作用下被吸附于感应 辊表面并随感应辊的旋转逐步带离磁场区落入接料 斗排出；非磁性矿粒和磁性极弱的矿粒由于不受磁 场力作用，在离心力和重力的作用下，沿抛物线方 向落人接料斗，并进入下感应辊进行二次分选，从 而在一台设备上完成一次粗选、一次精选两次分选 作业[ 5 | 。 多7 -’＼、弋 非磋瘫矿物 、非磁性矿物 图1 分选原理图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fs e p a r a t i o n G C G 型电磁感应辊强磁选机另一个突出的特 点是具有两个完全相同的分选通道，并且这两个通 道之间可以独立运行，互不干涉，可以同时分选两 种不同的矿物，增强了分选的灵活性，整机相当于两 台同类型的垂直双辊磁选机，处理能力成倍提高。 2G C G 型磁选机磁场特性分析 感应辊式磁选机在进行矿物分选时，矿物颗粒 所受到的磁场力F 是一个矢量，可以分解为指向感 应辊中心的径向力芦和感应辊轴平行的轴向力矿， 即 F E E 其中，轴向力万使矿物颗粒产生轴向移动作 用，对矿物分选没有实际意义，径向力∥为磁性矿 物的吸出力，是分选的有效磁场力[ 6 ] 。本文以下 所述的磁场力指的就是矿粒所受的径向磁场力。 G C G 型感应辊分选空间磁场分布复杂，为了 研究问题的方便，作如下假设物料分选空间分选 区磁轭极头距离感应辊表面的距离相等，且分选空 间足够大；矿物粒子以单颗粒状态通过分选空间， 且彼此互不影响。基于以上假设，用C O M S O L 磁 场模拟软件建立起感应辊磁路结构，模拟出激磁电 流为2 5A 时磁场分布图，拾取距离感应辊不同距 离各点磁场强度值 见表1 ，并用M A T L A B 模拟 出拾取点的拟合曲线，如图2 所示。 表1 拾取点磁场强度值 T a b l e1 M a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yo fs e l e c t e dp o i n t s 里塞生竺壁竺 塑 塑 塑 旦 竺 堂 场强／ k A m - m 16 1 812 7 911 9 211 7 011 7 511 9 112 0 2 f g 、 越 骥 塔 橙 7 0 0 r 6 0 0 l 一拟合曲线 5 0 0 h_ 拟合点 4 0 0 } ＼ ＼ 3 0 0 F ＼ ●＼ 2 0 0 } 迫 舅T ～I 一一． 10 0L L L J - J _ 一 012345 距离辊体表面的距离，m 图2 磁场强度日拟合曲线 F i g ．2F i t t i n gc u r v eo fm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y 该拟合曲线的函数关系式为 H ． e ， 2 ， 6 ．4 7 7 5 x 1 0 ‰4 - 7 ．9 1 9 x 1 0 7 h 3 3 ．3 6 9 7 x 1 0 5 h 2 5 7 2 ．5 h 7 - 3 8 2 4 3 其中h 为距离辊体表面的距离，m ； 由此可得磁场梯度函数g r a d ／- ／为 g r a d H 号} 可， 危 e m ’ 4 U 邝 磁场力函数H g r a d H 为 H g r a d H f I e 2 f 5 图3 为磁场梯度函数g r a d ／／曲线，由图3 可见 在感应辊表面时I g r a d H I 值最大，随着距离感应辊 表面的距离的增加，I g r a d H I 值逐渐减小，当距离 在大干2B i n 时，磁场梯度I g r a d H I 在0 附近波动。 这是由于感应辊表面聚磁作用十分明显，能大幅度 改变磁力线的走向，使磁力线向聚磁辊的尖点集 中，但是这种聚磁作用影响范围有限，只能作用于 离辊体表面很近的范围内，在离开感应辊表面一定 值时，磁场则接近均匀。通过以上对磁场力的分析 可见，感应辊式磁选机适用于分选粒度较小的弱磁 性颗粒，但要说明的是当粒度太小成粉状时，矿粒 万方数据 2 0 1 4 年第2 期魏红港等G C G 型强磁选机高梯度磁场中弱磁性矿粒动力学分析 ‘7 9 间的粒子间作用力明显，易产生黏辊或者团粉现F F G c o s O 为单颗粒矿物所受摩擦力，方向与辊 象，不利于分选。体转动速度切向相反方向，由于矿粒和辊体无相对 ．⋯。滑动故此时毋为静摩擦力； 距离辊体表面的距离／i n 图3 磁场梯度g r a d H 曲线 F i g ．3 C u r v eo fm a g n e t i cf i e l dg r a d i e n t 3 单个弱磁性颗粒动力学分析 矿粒被吸附于感应辊分选表面，随感应辊一起 做匀速圆周运动时，弱磁性矿粒将受到磁力L 、 重力G 、摩擦力B 和弹力Ⅳ的共同作用，受力分 析见图4 。且满足下式 m r t 0 2 I 芹石G 何茸I 6 I B Ⅳ 毋I【6 J 图4 弱磁性矿粒受力分析 F i g ．4 F o r c ea n a l y s i so fw e a km a g n e t i cm i n e r a l p a r t i c l e 式 6 中F ．, m l z o X 。H g r a d H 为单颗粒矿物 所受磁力，方向指向感应辊圆心，其中m 为真空 磁导率／a o 4 叮r x l O 。7w b ， A m ；X o 为颗粒的物体比 磁化系数，m 3 ／k g ；H g r a d H 为磁场力，A 2 ，m 3 ；m - - ￡罄，为颗粒的质量，其中￡为矿物粒度，m ；8 为 单个矿粒的密度，k g ／m 3 ；G m g ，为单颗粒矿物所受 重力，方向竖直向下； Ⅳ为单颗粒矿物所受弹力，方向为指向圆心的 反方向； r 为感应辊直径，m ； ∞为感应辊角速度，r a d ／s 。 式 6 为单个弱磁性颗粒被吸附于感应辊分选 表面做匀速圆周运动公式，当颗粒随着感应辊转动 到一定的角度0 时，弱磁性矿粒所受重力的切向分 力大于矿粒的最大静摩擦力时，矿粒和感应辊之间 产生相对运动，继而矿粒将脱离感应辊，定义0 角 作为矿粒的脱离角。 矿粒与感应辊之间产生相对运动时，矿粒与感 应辊之间的摩擦力由静摩擦力转化为滑动摩擦力、 为了计算问题的方便将滑动摩擦力视为最大静摩擦 力，即 F F * NA 为摩擦系数 7 矿粒与感应辊发生相对滑动的瞬间，式 6 仍然成立，将各力转化为在法线方向的分力，即 F ．, G c o s O N m r t 0 2 8 由式 7 和式 8 得出最大静摩擦力的表达 式为 F F A F m G c o s O - m r t u 2 9 根据之前分析可知当满足式 1 0 时，矿粒和 感应辊产生相对滑动 G s i n 0 一 F t 1 0 式 1 0 取等号后和式 9 整理得 芈一c o s - ／，吒． 一m ，’r o II 式 1 1 中摩擦系数入为与接触面粗糙度相关 的常数，采用试验法标定入值，做一个结构、材质 和粗糙度与感应辊外表面相同的平板，倾斜放置该 板作为斜面，将一矿粒放在斜面体上沿其下滑，逐 渐减小斜面的角度，当倾角达到一定数值时，物体 匀速下滑，测得该角度值约为f l 2 9 0 1 7 ’由此得摩擦 系数为 A t a n f l t a n 2 9 。1 7 ’ 1 2 将式 1 2 带入式 1 1 整理得 查掣显一m r ．o 13GGs i 鹇 ⋯7 由式 1 3 可得 O - a r e s i n 争s i 印一旦害竺- s i n f l f l 1 4 由式 1 4 可见，分选条件相同时，脱离角0 与矿物的比磁化系数朐和感应辊角速度O J 有关。 铲_珊．vg、越冀爨帮 万方数据 8 0 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第2 期 分别做出脱离角0 与比磁化系数X o 和感应辊角速度 ∞的关系图，如图5 6 所示。 f 恻 姬 褪 婆 比磁化系数x o ／ 矗k g - 1 图5 比磁化系数X 0 和脱离角0 的关系 F i g ．5 R e l a t i o nb e t w e e ns p e c i f i cs u s c e p t i b i l i t yX o a n dr e l e a s ea n g l e0 由图5 可以看出，在相同的分选条件下，随着 分选矿物颗粒比磁化系数舶的增大，脱离角0 有逐 渐增大的趋势，这是因为比磁化系数洳越大，颗 粒所受到的磁场力也就越大。 o 一 、 越 般 键 婆 Z 4 681 0 感应辊角速度， m d 8 - 1 图6 感应辊角速度∞和脱离角口关系曲线 F i g ．6 R e l a t i o nb e t w e e na n g u l a rv e l o c i t y ∞a n d r e l e a s ea n g l e0 由图6 可见，在其他条件相同的条件下，随着 感应辊角速度∞的增大，脱离角0 逐渐变小，这是 因为转速越大，矿粒所受到的离心力越大，矿物也 就越容易脱离感应辊。 当颗粒脱离辊体表面后仅受重力G 和磁力以 的作用，由牛顿第二定律得矿粒的加速度 a a ，i a y j 1 - - - f ≯C 1 5 m 将式 1 5 整理得矿粒加速度a 在水平方向和 竖直方向的表达式为 舻一厶L 型生 牛m 日g r a d 日s i n 俚 1 6 H L 鲈厶塑壁垒盟平吠栅g r a d H c o s a g m 矿粒离开辊体表面的初速度t ，。在水平方向和 竖直方向的分量分别为 口o ，z 7 0 c o s O - - - w r t c o s O 1 7 V o y - - - v o s i n O - - - t o r t s i n O 根据运动学公式得矿粒离开辊体表面后在水平 和竖直方向的运动距离为 S ，- - v o 。抖旦磬 1 8 二 S ，- - vo 计旦 二 将式 1 6 一 1 7 代入式 1 8 中整理得 S E 越o r t c o s 乒幽丝掣塑迪￡2 1 9 二 S y ∞n s i n 0 4 g 1 ．t 吖o H g ．r a d H e o s a f 2 二 由式 1 9 可见弱磁性颗粒运动路径与感应辊 直径r ，角速度∞，比磁化系数朐及磁场力H g r a d H 有关，与颗粒的质量无关。对于同一磁选设备分选 一特定矿物可以通过控制转速和磁场强度来控制矿 粒的运动达到分选的最佳值。 4 工业试验分析 试验现场为江苏某高纯石英砂制品企业，试验 磁选机为G C G l 5 5 0 4 双通道电磁感应辊强磁选机， 该机主要参数见表2 。考察磁场强度日和感应辊转 速对于分选效果的影响。 表2 见l b l e2 技术参数 T e c h n i c a lp a r a m e t e r 磁场强度， k A m - I ≥17 0 0 感应辊直径，r m 转速， r r a i n - ‘ 分选粒度／r a m 1 5 0 O 一1 2 0 ≤2 试验1 入选物料含铁量为2 ．1 x l O 巧，感应辊 转速n 8 0d m i n ，磁场强度分别为11 0 0 、13 0 0 、 15 0 0 、和17 0 0k A ／m ，试验结果见图7 。 堡 棚 蟠 扣 龚 婆 1 1 0 0l2 0 0l3 0 01 4 1 1 01 5 0 01 6 0 01 7 0 0 磁场强度／ k A m ．1 图7 试验结果 F i g ．7 T e s tr e s u l t 蓬 胬 钆 葜 瑙 4 3 2 l O 9 8 7 6 5 万方数据 2 0 1 4 年第2 期魏红港等G C G 型强磁选机高梯度磁场中弱磁性矿粒动力学分析 ‘8 1 ‘ 由图7 可见，随着磁场强度的增加，精料含铁 量有减小的趋势，废料产率有增大的趋势。这是因 为随着磁场强度的增加，分选空间磁场力有增大的 趋势，一些原本不能吸附于感应辊表面的颗粒也被 感应辊捕捉吸附，改变原有的运动轨迹，被带入磁 性废料中。 试验2 入选物料含铁量为2 ．1 x 1 0 ’6 ，磁场强 度为17 0 0k A ／m ，感应辊转速分别为4 0 、6 0 、8 0 和1 0 0d r a i n ，试验结果见图8 。 堡 蛔 举 托 套 蜒 逞 锵 { L 亲 岱 感应辊科逯／ r I I l i n - ‘J 图8 试验结果 F i g ．8 T e s tr e s u l t 由图8 可见，随着感应辊转速的增加，精料含 铁量有增大趋势，废料产率有减小的趋势。这是因 为随着感应辊转速的增加，矿物颗粒所受到的离心 力增大，致使其脱离角变小，一些原本被感应辊捕 捉的弱磁陛颗粒过早地与辊体分离进入精料中。 5 结论 1 通过建立感应辊式磁选机分选间隙中磁场 特性曲线，可以看出，由于感应辊导磁介质聚磁作 用明显，致使其辊体表面磁场强度日和磁场梯度 g r a d ／／都很大，但是磁场深度较小，这种磁场特点 适合于细粒弱磁性矿物的分选。 2 在感应辊式磁选机运行条件相同的条件下， 弱磁性颗粒的比磁化系数朐越大，其脱离角度0 越 大，可以推断当洳大到一定值，将会一直被感应 辊吸引，故感应辊式磁选机不适合于强磁性矿物的 分选；在分选比磁化系数洳相同的矿物时，感应 辊角速度∞越大，脱离角0 越小，在实际生产中可 以通过调节感应辊转速来控制精矿和尾矿的产率 比。 3 矿物脱离感应辊后在磁场力和重力的作用 下做类抛物线运动，通过受力分析和运动分析求解 出运动轨迹函数，表明分选颗粒运动轨迹受到颗粒 比磁化系数肋，感应辊角速度∞，感应辊直径r 及 磁场力H g r a d H 的影响。在用该设备分选一特定矿 物时可以通过改变磁场强度感应辊转速来控制矿物 颗粒的运动轨迹，达到分选的最佳状态。 参考文献 [ 1 ] 梁殿印，徐翔．G C G 型干式电磁感应辊强磁选机的研 制[ n 矿冶，1 9 9 5 ，4 4 4 6 - 5 3 ． [ 2 ] 徐翔．G C G 2 0 厅5 干式电磁感应辊强磁选机提纯硅线 石浮选精矿的研究[ J ] ．国外金属矿选矿，1 9 9 6 ，3 钺5 3 5 - 3 垒 [ 3 ] 冉红想，张振权．G C G 型干式电磁感应辊强磁选机在高 纯石英砂生产中的应用[ J ] ．有色金属 选矿部分 ， 2 0 0 7 3 4 3 4 6 ． [ 4 ] 冉红想，卢刚．强磁选设备在非金属矿除铁中的应用 [ J ] ．有色金属 选矿部分 。2 0 1 1 z 1 1 5 0 - 1 5 4 ． [ 5 ] 冉红想，魏红港．双通道电磁感应辊强磁选机的研制及 应用[ J ] ．矿山机械，2 0 1 2 ，4 0 1 0 8 7 - 9 1 ． [ 6 ] 谢强．强磁物磁链的分选磁力[ J ] ．国外金属矿选矿， 2 0 0 0 。3 8 1 0 1 7 2 0 ． 万方数据