资源描述:
8 4 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第4 期 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 4 .0 4 .0 2 0 特殊截面形状磁介质的磁场特性及抗弯强度分析 郑霞裕1 ,李茂林- 一,崔瑞1 ,郭娜娜1 ,颜亚梅1 ,张仁丙1 1 .武汉科技大学冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室,武汉4 3 0 0 8 1 ; 2 .长沙矿冶研究院有限责任公司,长沙4 1 0 0 1 2 摘 要针对磁介质在应用过程中出现弯曲变形的问题,需寻求既能表现出较高抗弯强度又能产生较高磁场力的磁介 质。对几种特殊截面磁介质的磁场特性和抗弯强度进行了模拟和计算分析,并与常规圆形截面介质作对比,结果表明几种 特殊截面形状的磁介质产生的磁场力都要大于直径2m i l l 的圆形截面磁介质产生的磁场力;当量直径3t o n i 和4n l l n 的椭圆 截面和正方形截面介质的抗弯强度比直径2n l n l 圆形截面介质大得多;几种介质中当量直径4n l l l l 的正方形截面介质的抗弯 强度和产生的磁场力都是最大的。 关键词特殊截面;磁介质;磁场特性;抗弯强度 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 4 - 0 0 8 4 - 0 6 A n a l y s i so fM a g n e t i cC h a r a c t e r i s t i c sa n dF l e x u r a lS t r e n g t ho fM a g n e t i cM e d i u mw i t hS p e c i a l C r o s s - S e c t i o n a lS h a p e Z H E N GX i a y u l ,L IM a o l i n l 君,C U IR u i l ,G U ON a n a l ,Y A NY a m e i l ,Z H A N GR e n b i n 9 1 1 .K e yL a b o r a t o r yo fE f f i c i e n tU t i l i z a t i o no fM e t a l l u r g i c a lM i n e r a lR e s o u r c e sa n d A g g l o m e r a t i o no fH u b e iP r o v i n c e ,W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ,W u h a n 4 3 0 0 8 1 ,C h i n a ;2 .C h a n g s h aR 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 yC o .,L t d ., C h a n g s h a4 10 0 1 2 ,C h i n a A b s t r a c t M a g n e t i cm e d i u mw h i c hc a ng e n e r a t eh i 【g hm a g n e t i cf o r c ea n dp r e s e n th i g hf l e x u r a ls t r e n g t h s h o u l db ed e v e l o p e db e c a u s eo ft h eb e n d i n gd e f o r m a t i o no fm e d i u m sw h e na p p l i e di nh i g h g r a d i e n tm a g n e t i c s e p a r a t o r .T h em a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n df l e x u r a ls t r e n g t ho fs e v e r a ls p e c i a lc r o s s - s e c t i o n a ls h a p em a t r i c e s a r es i m u l a t e da n dc a l c u l a t e da n da r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo fc o n v e n t i o n a lc i r c u l a rC r o S S ..s e c t i o n a l s h a p e m a t r i c e s ,t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a g n e t i cf o r c e sg e n e r a t e db ys p e c i a lc r o s s - s e c t i o n a ls h a p e sm e d i u m sa r e l a r g e rt h a nt h o s eo ft h e2r a i nc i r c u l a rC r o S S s e c t i o n a ls h a p em e d i u m s ,t h ef l e x u r a ls t r e n g t ho fe l l i p t i c a la n d s q u a r eC R O S S - s e c t i o n a ls h a p em e d i u m sw i t he q u i v a l e n td i a m e t e r s3m i l la n d4I n I na r em u c hl a r g e rt h a nt h a t o f2m mc i r c u l a rc r o s s s e c t i o n a l s h a p em e d i u m s .s q u a r eC r o S S s e c t i o n a ls h a p em e d i u m sw i t h ae q u i v a l e n t d i a m e t e ro f4m l nc a ng e n e r a t eh i g hm a g n e t i cf o r c ea n dp r e s e n th i g hf l e x u r a ls t r e n g t ha tt h es a n l et i m e . K e yw o r d s s p e c i a lc r o s s - - s e c t i o n a ls h a p e ;m a g n e t i cm e d i u m s ;m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c s ;f l e x u r a ls t r e n g t h 高梯度磁选是处理微细粒弱磁性矿物的一种有 效手段,随着高梯度磁选相关理论的日益完善,高 梯度磁选技术在矿产资源开发中发挥着越来越大的 作用,高梯度磁选机也在各大选矿厂广泛使用。磁 介质是高梯度磁选机的重要组成部分,介质的材 质、形状、尺寸等对磁选机的选别效果影响很大。 酒钢选矿厂投入生产的高梯度磁选机使用圆棒状磁 介质,在使用的过程中发现尺寸较小的介质如直径 2m m 棒介质极易出现弯曲变形.本来有序排列的 介质体由于弯曲变形变得无序混乱且易脱落,导致 分选环境恶化,分选效果变差。采用大尺寸如直径 4n l l n 的磁介质,介质的弯曲变形情况明显好转, 但随之而来的是磁性矿物的回收率变得很低,这主 要是由于大尺寸的圆棒磁介质产生的磁场力较小, 不足以捕集粒度细的磁性颗粒,特别是微细粒级的 磁性颗粒[ t - 2 ] 。因此,寻求一种既能够产生高磁场 力又能表现出较高抗弯强度的磁介质显得很有必 要。对于相同材料的磁介质,介质的截面形状对介 收稿日期2 0 1 3 - 0 9 - 2 4 修回日期2 0 1 4 - 0 5 一1 8 作者简介郑霞裕 1 9 8 9 一 ,男,湖北鄂州人,硕士研究生,研究方向为磁选。 万方数据 2 0 1 4 年第4 期郑霞裕等特殊截面形状磁介质的磁场特性及抗弯强度分析路 质周围的磁场分布影响较大,具有合适截面的磁介 质能产生较高的磁场强度及较高的磁场梯度,可以 在保证足够大的磁力的前提下适当增大其尺寸以增 强其抗弯强度,达到高磁场力与高抗弯强度相结 合,以优化分选环境并提高细粒级磁性矿物的回收 率。笔者利用A N S Y S 模拟了常规的圆形截面磁介 质和两种特殊截面的不同尺寸的磁介质的磁场特 性,比较了几种介质产生的磁场的磁场强度、磁场 梯度及磁场力,对几种介质的抗弯强度也作了比较 分析,为新型高梯度磁介质的开发和应用提供一定 的理论依据。 1 介质的类型及模拟条件 由于能耗与背景场强的平方是成正比的,为获 圆形截面 o o O o Ooo O O O 椭圆截面 得高磁场力进一步提高背景场强是极其不经济的, 且高场强常常会由于磁絮凝形成磁性颗粒簇,导致 机械夹杂E 3 ] ,因此更多考虑的是提高磁场梯度。提 高介质截面曲率可以有效提高磁场梯度[ 4 】,故本研 究选取圆形截面、椭圆截面、正方形截面3 种截面 形状介质作为研究对象,其中椭圆截面的长短轴之 比为2 1 ,圆形截面有3 种尺寸,D 分别为2 、3 和4m m ,椭圆截面和正方形截面介质分别都有两 种尺寸,当量直径D 分别为3 和4m l n ,即两种尺 寸介质的截面面积与D 3m m 和D 4r a i n 的圆形 截面介质相等。介质材料选4 5 号钢,介质的排列 方式如图1 所示。 背景场强设定为0 .5T ,分别模拟几种截面形 状不同尺寸介质周围的磁场分布,沿背景场强方向 图l介质的排列方式 F i g .1 T h ea r r a n g e m e n to fm e d i u m 的介质截面对称线上的磁场反映了介质周围磁场的 大小,通过比较截面对称线上的磁场特性 磁场强 度、磁场梯度及磁场力 来比较介质的聚磁性能的 差异。 2 圆形截面介质的磁场特性分析 2 .1 圆形截面介质周围的磁场分布 通过A N S Y S 软件模拟的西2 和4 4 圆形截面介 质周围的磁场分布云图如图2 所示。图中显示介质 截面左右部分附近磁场强度小,高磁场区域主要集 中在介质截面的上部附近和下部附近,这些位置磁 场强度变化较大,产生一定的磁场梯度及磁场力。 2 .2 圆形截面介质的磁场强度及磁场梯度随介质 尺寸的变化 直径为2 、3 、4r a i n 的圆形截面介质沿背景场 强方向的截面对称线上的磁场强度和磁场梯度随离 开介质表面距离的变化如图3 所示。从图3 可以看 出,在靠近介质表面处,介质直径越大,磁场强度 越小;当离开介质的距离大于0 .2r a i n 时,介质的 尺寸越大,磁场强度也越大,但之间的差值很小。 ◆◆◆ ◆◆◆◆ ◆◆◆ ◆◆◆ ◆◆◆◆ ◆ 一 躅 口 口 [ ] 口 口 口 _ 曷薰芋 r - - 1 2 3 5 3 6 3 r - - 1 n 3 { 9 9 爿3 9 1 6 3 6 兰兰4 6 9 1 7 3 ,L ._ n J 5 4 7 9 1 0 冒黑; A /m 图2 截面直径为2 和4m m 的棒介质周围磁场分 布云图 F i g .2 T h ec l o u dm a po ft h em a g n e t i cb r c e d i s t r i b u t i o nw i t hc r o s s s e c t i o nd i a m e t e r 咖2m m a n d 国4l a i no fr o dm e d i u m 万方数据 8 6 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第4 期 从磁场梯度变化来看,越靠近介质表面磁场梯度越 大,且直径越小梯度越大,靠近表面处直径2m i l l 介质产生的磁场梯度约是直径4m l n 介质产生的磁 场梯度的2 倍。离开介质表面较远处 0 .8m m , 3 种尺寸介质的磁场梯度差别不大。 , E g 、 魁 鹱 寒 翅 矿 E b o \ 越 窭 蠼 桓 离开介质表面距离/m m 图3 圆形截面介质的磁场强度和磁场梯度 F i g .3 T h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ha n dg r a d i e n t a r o u n dt h ec i r c u l a rc r o s s - s e c t i o n a ls h a p em e d i u m 2 .3 圆形截面介质的磁场力随尺寸的变化 磁性颗粒所受磁力关系到磁性颗粒的捕集[ 5 】 及颗粒在介质表面的聚集[ 6 - 7 ] ,磁性颗粒在磁选机 中所受磁力 只掣o V S V H g r a d H 1 式中肛广一真空磁导率,/比o 4 , t r x l 0 - 7H /m ; 天一磁性颗粒的比磁化系数; 6 磁性颗粒的密度; y 磁性颗粒的体积; 日g r a d 蝴粒所在点处的磁场强度和磁场梯 度的乘积。 对于同一颗粒,在不同磁场中所受磁力的大小 取决于颗粒所在位置的磁场的磁场强度和磁场梯度 的乘积H g r a d H 的大小,因此,可用H g r a d //来比 较颗粒在磁场中所受磁力的大小。3 种尺寸的圆形 截面介质的磁场力的比较如图4 所示,图中可以看 出磁场力的变化趋势与磁场梯度的变化趋势相近。 距离介质表面越近磁场力越大,介质的尺寸越大, 产生的磁场力越小,靠近介质表面处直径2a i m 介 质产生的磁场力约为直径4t o n i 介质产生的磁场力 的2 倍。当离开介质表面距离较大时 O .8m m , 3 种尺寸介质产生的磁场力基本相等。 f 暮 文 兰 爸 、 R 鎏 桓 离开介质表面距离/r a m 图4 圆形截面介质的磁场力 F i g .4 T h em a g n e t i cf o r c eg e n e r a t e db yc i r c u l a r c r o s s - s e c t i o n a ls h a p em e d i u m s 根据上述分析结果,对于圆形截面介质,尺寸 小的介质产生的磁场力比尺寸大的介质要大得多, 直径2m m 介质表面的磁场力是直径4l m n 介质磁 场力的1 .5 。2 倍。采用尺寸较大的介质磁性颗粒的 回收率降低主要是由于大尺寸介质产生的磁场梯度 较小,导致磁场力也较小,达不到捕集细颗粒磁性 物料所需要的磁场力,因而寻求特殊截面形状的磁 介质很有必要。 3 特殊截面介质的磁场特性分析 3 .1 特殊截面介质周围的磁场分布 当量直径为4n l l n 的椭圆截面和正方形截面介 质周围的磁场分布云图如图5 所示。 3 .2 特殊截面介质的磁场强度与磁场梯度的比较 对于椭圆形截面和正方形截面两种特殊截面磁 介质,介质磁场强度和磁场梯度的比较如图6 所 示,分析其磁场特性并与直径2n l l l l 的圆形截面介 质作对比。两种特殊截面介质均有两种尺寸,当量 直径D 分别为3 和4r 砌,当量直径为与椭圆截面 和正方形截面面积相等的圆形截面的直径。从磁场 强度变化图中可以看出,在距离介质表面较近处两 种特殊截面介质产生的磁场强度大于直径2m l n 的 圆形截面介质产生的磁场强度,在距离介质表面较 远处小于圆形截面介质产生的磁场强度,这说明特 殊截面介质能产生比2m i l l 圆形截面介质更大的磁 场梯度。从磁场梯度比较图中可以清楚地看出两种 尺寸的特殊截面磁介质产生的磁场梯度都要明显大 于直径2r a i n 介质产生的磁场梯度,在离开介质表 面距离较远处,几种介质的磁场梯度相近。 万方数据 2 0 1 4 年第4 期郑霞裕等特殊截面形状磁介质的磁场特性及抗弯强度分析 .盯. 1 圜 口 口 口 [ ] [ ] 口 ● - 豳 口 [ ] [ ] 口 口 口 I 图5当量直径为4m I n 的椭圆介质和正方形介质 周围磁场分布云图 F i g .5 C l o u dm a po ft h em a g n e t i cf i e l do ft h e e H i p f i c Ma n ds q u a r ec r o s s - s e c t i o n a ls h a p em a t r i c e s o fe q u i v a l e n td i a m e t e r4m /n 从图6 还可以看出,当量直径为3l n l l l 的椭圆 形截面介质在其表面附近的磁场强度和磁场梯度都 要大于当量直径为4m /n 的椭圆截面磁介质,而对 于正方形截面介质,当量直径为3m /n 的介质表面 附近的磁场强度和磁场梯度却小于当量直径为4 m m 的正方形截面介质。当量直径相等的正方形截 面介质产生的磁场强度和磁场梯度都要大于椭圆形 截面介质。 3 .3 特殊截面介质的磁场力的比较 特殊截面介质与直径2I S I S 圆形截面介质的磁 场力的比较如图7 所示。图中显示,两种尺寸的 特殊截面形状的磁介质在介质表面产生的磁场力都 要大于直径2I T l l n 的圆形截面磁介质,正方形截面 介质产生的磁场力要比圆形截面和椭圆截面介质大 得多。当量直径为3r a i n 的椭圆形截面介质在表面 附近的磁场力要大于当量直径为4m i l l 的椭圆截面 磁介质,而对于正方形截面介质,当量直径为 3t o n i 的介质表面附近的磁场力小于当量直径为 4r a i n 的正方形截面介质,这与介质的磁场梯度的 变化是一致的。 } 暑 、 蜊 骥 霹 翅 、 吕 毒 、 嫠 鹱 塞 糖 离开介质表面距离/r a m 图6 特殊截面介质与q r 2m l T l 圆形截面介质磁场 强度和磁场梯度的比较 F i g .6C o m p a r i s o no fm a g n e t i cf i e l ds t 弛n g t ha n d g r a d i e n to ft h es p e c i a lc r o s s - s e c t i o n a ls h a p e m e d i u ma n dt h e 巾2l n /nc i r c u l a rm a t r i c e s 4 几种截面介质的抗弯强度的比较 具有一定横截面积的棒状材料在一定弯矩作用 下,其变形后的曲率与弯矩的关系[ 8 ] 上旦 2 一 一 IZJ P E / ⋯ 式中l H 形后的曲率,m 4 ; 7 4 0 6 7 6 5 嘻3 2 1 9,、 .8 7 6 5 噜3 2 O E 加 8 9 5 1 7 3 9 5 1 ■ 9 3 6 9 3 { 6 9 2 0 .一 3 l 2 3 5 6 7 8 O l l 2 3 4 5 6 7 9 . 7 7 7 7 1 O O O 0 7 6 l 6 l 6 i 3 5 6 8 9 E E E E n .0 9 8 7 6 7 5 2 O t l 8 5 3 l 9 O 2 4 6 U 2 7 5 3 l 8 l l l 1 , 1 1 3 S 7 8.... 万方数据 8 8 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第4 期 离开介质表面距离/w a n 图7 特殊截面介质与圆形截面介质磁场力的比较 F i g .7C o m p a r i s o no ft h em a g n e t i cf o r c eo fs p e c i a l c r o s s - s e c t i o n a ls h a p em e d i u ma n dt h e 西2c i r c u l a r m e d i u m 胁一弯矩,N m ; 卜材料的弹性模量,P a ; 卜横截面的惯性矩,m 4 。 根据式 2 可知,介质弯曲变形后的曲率l /p 与弯矩M 成正比,与肼成反比,因而肼称为材 料的抗弯强度。由于弹性模量E 只与介质材料种 类有关,因而对于同种材料的磁介质,其抗弯强度 只与横截面的惯性矩,刁宁关,抗弯强度的比较即为 介质截面惯性矩的比较。川向计算式为 l F \。尹a A 仁』.x 2 d A 对于圆形截面介质, 的惯性矩 3 4 通过积分可以得到横截面 扛仁孚 5 广- 圆形截面的半径。 对于椭圆截面介质,积分得到横截面的惯 性矩 皓孕;仁孚 6 口,6 一分别为椭圆截面的长轴和短轴长度的 一半。 对于正方形截面介质,通过积分可以得到 扛仁手 7 c 一正方形截面对角线长度的一半。 根据上述各式,可以得到几种尺寸截面介质的 惯性矩如表1 所示 椭圆截面和正方形截面的D 表示当量直径 。 表1介质截面的惯性矩 T a b l elT h em o m e n to f i n e r t i a o ft h ec r o s s s e c t i o n o fm e d i u m 由表1 的结果来看,直径为2n u n 的圆形截面 介质的惯性矩只有7 .8 5 0 x 1 0 。1 3m 4 ,而直径4m m 的圆形截面介质的惯性矩为1 .2 5 6 x 1 0 。1 1m 4 ,后者 比前者大得多,这也解释了为什么直径2m m 介质 弯曲变形严重,而用直径4m m 介质变形情况明显 好转。相比于D 2m m 圆形截面介质,另外几种特 殊截面介质的惯性矩也都相对较大。椭圆截面对x 轴的惯性矩大于对y 轴的惯性矩,D 3m m 椭圆截 面对y 轴的惯性矩相对较小,只有1 .9 9 x 1 0 q 2m 4 。 正方形截面的惯性矩都较大,特别是直径4m i l l 介 质,其对X 轴和对y 轴的惯性矩都为1 .3 1 5 x 1 0 ’1 1 m 4 ,大于直径4m m 圆形截面介质。根据上述分析 结果,椭圆截面对x 轴的抗弯强度较大,对l ,轴 的抗弯强度较小,正方形截面介质的抗弯强度较大 且都大于同等当量直径的圆形截面介质。 5 结论 通过对常规圆形截面介质和几种特殊截面介质 的磁场特性及抗弯强度计算分析,可以得到以下 结论 1 直径2m m 圆形截面介质表面的磁场力是 直径4m m 圆形截面介质表面磁场力的1 .5 ~2 倍, 介质尺寸越大磁场力越小,这也是大直径介质回收 率较低的原因。 2 当量直径为3 和4m m 的椭圆截面和正方 形截面介质产生的磁场力都要大于直径2m m 介 质产生的磁场力,且正方形截面介质产生的磁场 力最大。 3 椭圆截面介质对长轴的抗弯强度较低,正 方形截面介质的抗弯强度较大且大于同等当量直径 的圆形截面介质。 万方数据 2 0 1 4 年第4 期郑霞裕等特殊截面形状磁介质的磁场特性及抗弯强度分析 豹 4 几种介质中当量直径4m m 的正方形截面 介质的磁场力和抗弯强度都是最大的,此种介质能 达到高抗弯强度和高磁场力相统一。 参考文献 [ 1 ] 张去非,穆晓东.微细粒弱磁性铁矿石资源的特征及分 选工艺[ J ] .矿冶工程,2 0 0 3 ,2 3 4 2 3 2 6 . 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[ 7 ] F r i e n d l a e n d 盯F ,T a k a y a s uM ,R e t t i n gJ ,e t a 1 .P a r t i c l e f l o wa n dc o l l e c t i o np r o c e s si ns i n g l ew i r eH G M Ss t u d i e s [ J ] .I E E ET r a n s a c t i o n s o n M a g n e t i c s ,1 9 7 8 ,1 4 6 1 1 5 8 - 1 1 6 4 . [ 8 ] 陈传尧.工程力学[ M ] .北京高等教育出版社,2 0 0 6 2 1 5 - 2 1 7 . 、 /斗 /佘 /会 /玉 ,玉 /仝 /佘 /≯ /争 /佘 /佘 /i 、 /佘 /佘 /佘 /佘 /佘 /;、 /玉 一,乱 /佘 /小 /i 、 /;、 /佘 /;、 /乱 /乱 /乱 /乱 ,,乱 /乱 /乱 卜 上接第3 5 页 中矿顺序返回进行了闭路试验,两次再磨流程试验 结果见表7 。 表7两次再磨流程闭路试验结果 T a b l e7R e s u l t so fc l o s e dc i r c u i te x p e r i m e n t sb y t w i c er e g r i n d i n gf % 3 结论 1 该矿石矿物组成比较简单,但容矿岩石类 型比较复杂,以蚀变的基性岩为主,形成以碎粒结 构为主的结构类型。 2 辉钼矿矿物粒度范围从0 .0 2 加.1t o n i ,粒 度较细且分布不均匀,而且辉钼矿也多以充填裂隙为 主。由于辉钼矿的特殊结构,使得解离难度比较大。 3 经过细磨后,矿粒的比表面积显著增大, 增大的表面能减小不同矿物间表面性质的差异,导 致有用矿物与脉石矿物问的黏附,是影响钼选矿指 标的根本原因。而常规的煤油与松醇油及混合抑制 剂的配合选择性较差,不能很好地解决该矿石钼矿 物与脉石矿物有效分离问题。因此对该矿石中钼的 回收采用新型捕收剂T M 一8 与调整剂T Z 一1 0 ,得到 了很好的技术指标。 4 该试验流程获得了钼精矿品位4 3 .2 1 %、钼 回收率6 9 3 1 %1 燃指标,使钼得到了有效地回收。 参考文献 [ 1 ] 刘军华.钼矿选矿试验分析[ J ] .能源与节能,2 0 1 2 7 1 0 一1 3 . [ 2 ] 鲁军,孔晓薇.青海某钼矿选矿试验研究[ J ] .矿业快 报,2 0 0 6 1 0 2 3 2 5 . [ 3 ] 崔长征.陕西某难选钼矿工艺矿物学研究[ J ] .金属矿 山,2 0 1 2 1 1 8 7 8 9 . [ 4 ] 林春元.钼的选矿与深加1 - [ M ] .北京冶金工业出版 社。1 9 9 6 3 7 - 6 0 . [ 5 ] 张树宏.某钼矿浮选工艺试验研究[ J ] .矿产综合利用, 2 0 0 8 2 l o - 1 3 . 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