永磁筒式磁选机开放式磁场特性的分析.pdf

1 4 6 有色金属 选矿部分2 0 1 1 年增刊1 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／／j ．i s s n l 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 1 ．z 1 ．0 3 2 永磁筒式磁选机开放式磁场特性的分析 魏红港，史佩伟，冉红想，王芝伟 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 7 0 摘要永磁筒式磁选机是黑色金属矿选矿领域广泛应用的选矿设备，而其磁系结构及磁场特性设计是影响磁选机性 能的关键因索。对选矿效果有着至关重要的影响。本文通过对永磁筒式磁选机磁系设计及其磁场特性的阐述，着重分析了 磁性单元结构参数、辅助磁极匹配等影响磁场特性的因素。期望对永磁简式磁选机的设计及工业选型应用能够起到较好的 指导作用。 关键词永磁筒式磁选机；磁场强度；磁场梯度；磁场深度 中图分类号T D 4 5 7文献标识码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 1 s o - 0 1 4 6 - 0 4 A n a l y s i so fO p e nM a g n e t i cF i e l dC h a r a c t e r i s t i co fP e r m a n e n tD r u mM a g n e t i cS e p a r a t o r 。 W E ／H o n g g a n g ，S H IP e i w e i ，R A NH o n g x i a n g ，W A N GZ h i w e i 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 i j i n g10 0 0 7 0 ，C h i n a A b s t r a c t P e r m a n e n tm a g n e t i cd r u ms e p a r a t o ri sw i d e l yu s e di nt h ef i e l do ff e r r o u sm e t a lo r ed r e s s i n g ． T h es t r u c t u r eo fm a g n e t i c s y s t e ma n dt h ec h a r a c t e ro fm a g n e t i cf i e l da r et h ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gm a g n e t i c p e r f o r m a n c e 。w h i c hp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nt h eo r ed r e s s i n ge f f i c i e n c y ．B a s e do nt h ee l a b o r a t i o no f d e s i g no fp e r m a n e n tm a g n e t i cd r u ms e p a r a t o ra n dc h a r a c t e r i s t i c so fm a g n e t i cf i e l d ，t h ep a p e rf o c u s e do nt h e a n a l y s i so ft h ei m p a c tf a c t o r s ，s u c ha st h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fm a g n e t i cu n i t ，a s s i s tm a g n e t i cp o l e sm a t c h i n g a n de t c ，w h i c hc a nb eo fg o o dg u i d i n gf u n c t i o nf o rp e r m a n e n td r u mm a g n e t i cs e p a r a t o rd e s i g n i n ga n di n d u s t r y m o d e ls e l e c t i o n ． K e yw o r d s p e r m a n e n td r u mm a g n e t i cs e p a r a t o r ；m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y ；m a g n e t i cf i e l dg r a d i e n t ； m a g n e t i cf i e l dd e p t h 磁选是在不均匀磁场中利用矿物之间磁性的差 异而使不同的矿物实现分离的一种方法。因为其工 艺洁净无污染，方法成本低和分选效率高，在很多 领域都有广泛的应用，尤其是矿物加工领域，被广 泛地应用于黑色金属矿石的选别，例如重介质选煤 中回收磁性介质、非金属矿中除去含铁杂质等。 近些年来，随着矿石开采的边界品位降低，弱磁性 矿的开发利用趋势日益增加，致使磁选设备向着规 模大型化、结构多样化、产品系列化方向发展，设 备性能上向着高场强、大处理量和高回收率的方向 发展[ 1 J 。 永磁筒式磁选机是应用最广泛的磁选设备之 一．而其中磁系是组成永磁简式磁选机最核心的部 件，对于磁选机的效果起着举足轻重的作用，因此 对磁系的研究十分重要。根据矿石性质确定适宜的 收稿日期2 0 1 1 ．0 6 - 1 3 作者简介魏红港 1 9 8 4 ． 。男，河北保定人，硕士，助理工程师。 磁系结构参数、设计合适的磁场强度、合理匹配磁 系磁场梯度与磁场作用深度、采用合理的极数和包 角，保证磁性能得到最大限度利用，提高选矿效率 是磁系设计的主要任务。 1 磁系设计的原则 磁系是磁选机的核心部件，磁系的设计对于磁 选机至关重要，在设计磁系时，在考虑矿物性质的 同时要注意以下几个方面[ 抽】。 1 具有较高的磁场强度 根据磁场力公式F 蠢确茗H 目r a d H 可知，要 获得高的磁场力可采用高场强H ，或者采用高梯度 g 陋d 日来实现。由于常规筒式磁选机是以开放式磁 系设计为前提的，因此提高磁选机的磁场强度主要 是以选择高磁能积 B H ，高矫顽力鼠和高剩磁最 万方数据 2 0 11 年增刊1魏红港等永磁筒式磁选机开放式磁场特性的分析1 4 7 材料钕铁硼 N d F e B ，还可以设计出合理的磁 系结构参数以增加磁场强度。 2 合适的径向磁场梯度和磁场作用深度 磁系的径向磁场梯度越大越好，但是磁场梯度 和磁场深度是矛盾的，磁场梯度越大，表明磁场在 距磁系单位距离减小的越快，则磁场的作用深度也 就越小，两者兼顾，是磁系设计的一项主要任务。 3 周向磁场梯度应尽可能的小 对于筒式磁选机来说只有作用于径向的磁场力 是有用的，其将矿粒吸附于筒表。当矿粒被吸附于 筒体表面后，则在运送至磁性物料排矿处的整个过 程中，都要求一直被吸附于简体表面，由于磁场周 向变化产生的周向磁场梯度，进而产生周向磁场 力，其方向指向高场强区。周向磁场梯度越大，周 向磁场力也就越大，该力将矿粒吸到高场强区，并 且滞留在磁场峰值附近，阻碍了磁性颗粒的顺利排 出，吸附于外层的磁性颗粒由于磁场强度低、矿浆 流速快，磁性颗粒很容易损失于尾矿中，导致了 尾矿品位的增加，因此磁系设计时要尽量减小周 向磁场梯度，使周向磁场力分布均匀，提高分选 效率。 4 根据分选要求，确定合理极数 磁选机磁极沿圆筒周向极性交替排列，磁性矿 粒经过许多磁极并做多次翻转易剔出夹杂在其间的 脉石和贫连生体。因此根据分选要求，需合理确定 磁系极数，如果需强化分选作业，极数越多，翻转 的次数越多，对于提高精矿品位是有利的，如以提 高分选回收率为目标，则极数不宜过多，过多的翻 转次数对于选矿的回收率有负面影响。 2 磁场特性的分析 2 ．1 磁系的结构 目前国内外使用的永磁筒式磁选机一般都是常 规开路磁系，它是由4 ～1 2 个主磁极按极性交替排 列，安装在一个固定的扇形托架上。如图1 所示。 图1 永磁筒式磁选机的结构 F i g ．1 S t r u c t u r eo fm a g n e t i cs y s t e m 2 ．2 磁系结构对磁场特性的影响 在磁性材料相同的条件下，永磁筒式磁选机的 磁场特性主要由磁系的极面宽度b 、磁极间隙c 、 磁极高度h 、有无辅助磁极等几个方面决定。 1 主磁极宽b 对磁场特性的影响 为了便于更好的分析，设计以下两种磁系进行 比较研究 磁系A 主磁极组宽度b 1 7 0l n l n ，无辅助磁 极，全铁氧体，6 极，高度h 为1 3 6m m ； 磁系B 主磁极组宽度b 1 3 0m i l l 。无辅助磁 极，全铁氧体，6 极，高度h 为1 3 6m m ； 为了说明磁极组宽度对磁场特性的影响，做出 磁系A 和磁系B 距离磁系表面不同距离的磁场强 度分布曲线图，图2 为磁系A 的磁场强度分布图， 图3 为磁系B 的磁场强度分布图。通过对比很容易 发现，在距磁系表面相同距离的位置上，宽度为 1 7 0m m 的磁系比宽度为1 3 0t r i m 的磁系磁场强度 的峰值、谷值和平均值都大。表1 为此两不同宽度 磁系的不同距离平均磁场强度对比，可以发现两者 平均磁场强度都是随着距磁系表面的距离的增加而 减少，但是极面宽度越大，平均磁场强度越大；在 距离磁系表面5 0m i l l 处，磁系A 的磁场强度值大 于磁系B 的磁场强度值，可见极面越大，磁场作用深 度越大；从磁系表面1 0m m 处到距磁系表面5 0 栅 处，磁系A 的径向平均磁场梯度为 1 6 0m T 一8 5 m T ／4 0m m 1 ．8 7 5m T ／m i l l ，磁系B 的径向平均磁 场梯度为 1 4 0n a t 一5 0m T ／4 0m m 2 ．2 5n a T ／ l n l n ，可见极面宽度越小，径向磁场梯度越大。 沿圆周方向弧长，m 图2 磁系A 的磁场强度分布 F i g ．2 D i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yo f m a g n e t i cs y s t e mA 2 磁极组高度h 对磁场特性的影响 做出主磁极高度h 6 8m m ，其他参数均和磁 系A 相同磁场强度分布图，如图4 所示。对比图4 和图2 很容易发现，磁选机的主磁极高度对磁系表 -I，鹤骥霹颦 万方数据 1 4 8 有色金属 选矿部分 2 0 1 1 年增刊1 厅同 l ；黜I 刨 沿圆周方向弧长，m 图3 磁系B 的磁场强度分布 F i g ．3 D i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yo f m a g n e t i cs y s t e mB 表l磁系A 与磁系B 平均磁场强度对比 T a b l el C o m p a r i s o no fa v e r a g em a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y b e t w e e nm a g n e t i cs y s t e mAa n dB 距离／r a m l O2 03 04 05 0 1 6 01 2 5 1 0 09 08 5 1 4 01 0 08 57 0 5 0 磁系M I n T 磁系B ／m T 面场强强度有影响。磁极组的宽度一定时，磁极组的 高度越大，磁场强度也就越高，磁场深度也就越大。 l l 董1 越1 瑟 糖 沿圆周方向弧长／i n 图4 磁极组高度为6 8m m 磁场强度分布 F i g ．4 D i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yw i t h6 8 m l nm a i np o l eh e i g h t 但是根据经验，磁场强度不能无限地随着磁极 高度的增加而增加，当磁极组高度增大到一定范围 时，由于漏磁的增加，磁场强度将趋于平缓而不会 再增加。 3 辅助磁极对磁场强度的影响 做出磁系A 的有辅助磁极和无辅助磁极两种 磁系的磁场分布图，图5 为有辅助磁极磁系的磁场 分布，图6 为无辅助磁极磁系的磁场分布，对比两 图可以发现，图5 主磁极的绝大部分磁场都射向磁 系分选区域，形成有效地分选磁场，而图6 中主磁 极磁力线有一部分并没有经过磁系的分选区域，而 是在非分选区域闭合，这样造成分选区域的磁通密 度减少，形成漏磁，因而使磁场强度减小。 对有楔形辅助磁极的磁系A 进行研究，做出 其不同距离内磁场强度分布图，见图7 所示。对比 图7 和图2 可以看出，磁场强度都是随着与磁系距 离的增加而下降，夹在两主磁极组间隙处的辅助磁 极可以明显地提高其轴线附近的磁场强度，但是主 磁极轴线附近的磁场强度变化却不大，因而距磁系 不同距离的面上磁场强度的变化幅度增大。 图5 有辅助磁极磁系磁场分布 F i g ．5 D i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l dw i t ha s s i s t p o l e s 图6 无辅助磁极磁系磁场分布 F i g ．6 D i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l dw i t h o u ta s s i s t p o l e s 根据公式[ m a x 飓 一r a i n n t ] ／m a x U t ，计算各 面磁场强度变化幅度，其结果见表2 。表2 表明。 有辅助磁极和无辅助磁极的磁系的磁场变化幅度都是 随着与磁系距离的增加而减小，但是在相同距离面 上，有辅助磁极比无辅助磁极磁场强度变化幅度大。 根据图7 粗略地估计一下从距磁系表面1 0 ～2 0 ／1 1 ／／1 处的磁场梯度，在图1 所示的对称中心上。即 0 - - 0 0 时，磁场梯度为 2 4 0n a t 一1 8 5r o T ／1 0m m 5 ．5r o T ／r a m ；在0 - - 1 1 0 ，即主磁极的中心线上磁场 梯度为 1 4 0n a t 一1 2 8m T ／1 0m m 1 ．2r o T ／r a m ， ．I_I，毯疆螺糖 万方数据 2 0 11 年增刊1 魏红港等永磁筒式磁选机开放式磁场特性的分析1 4 9 同闻 陲慕I l 兰竺I 沿圆周方向弧长，m 图7 磁系A 有辅助磁极磁场强度分布 F i g ．7 D i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yw i t h a s s i s tp o l e so fs y s t e mA 表2磁系周向各面磁场幅度变化情况对比 7 I a b l e2C o n t r a s to fv a r i a t i o ns c o p ei nc i r c u m f e r e n t i a l s u r f a c e 距离／r a m1 02 03 04 05 0 无辅助磁极磁场变化幅度，％2 9 ．82 5 ．32 1 ．2 2 0 ．41 9 ．6 有辅助磁极磁场变化幅度，％4 2 ．93 5 ．92 8 ．12 4 ．7 2 3 ．6 相应地径向磁力因素 日g r a d H r 分别为1 1 6 8 ．7 5 m T 2 ／m m 和1 6 0 ．8m T 2 ／m m ，这表明径向磁场力相差近 7 ．3 倍。同样可以估算出0 5 ．5 0 附近的周向磁力因 素 日g r a d H r a 2 3 2 ．4m T 2 ／m m ，与径向磁力因素为同 一数量级，这种力将阻碍矿粒沿圆周表面运动。 4 极面宽和间隙的比值b ／c 极面宽度b 和c 的比值对于磁场特性影响很 大，为了在周向获得较小的磁场梯度，就要使磁选 机极面宽b 与极间隙C 的比值尽可能小，从而使间 隙处与磁极表面磁场强度尽量均匀。北京矿冶研究 总院研制的B K B 一咖1 0 5 0 x 2 4 0 0 是一种典型的表面 磁场比较均匀的磁选机，该机磁系有1 0 个磁极， 极面宽为1 0 0m m ，极间隙为4 4m l n ，距离磁系表 面不同距离磁感应强度见图8 ，不难发现其径向磁 场梯度很大，但是其周向磁场变化比较均匀，特别 是在据磁系表面6 0 。7 5m m 的区域，磁场更加均 匀，这样的磁场分布有利于物料的分选及输送，有 利于提高磁选机的选别精度。 5 磁系半径R 磁选机磁系的半径尺对磁选机单位筒长的处 理能力影响很大，随着磁系半径的加大 即筒径 加大 ，选别工作区相应地加长，这样可以安排更 多的磁极，对于提高精矿品位和回收率都有帮助。 所以永磁筒式磁选机的筒径大型化成为其发展趋势 之一。 冬 越 骥 墀 龆 沿圆周方向弧长／m 图8B K B l 0 2 4 磁场强度分布 F i g ．8 D i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yo f B K B1 0 2 4 3 结论 1 磁系的极面宽度越大，磁场的作用深度也 越大，极面越小磁场径向磁场梯度越大；磁系的磁 极高度增加，磁场强度亦随之增加，但是磁场强度 不能无限地随磁极高度增加而增加，当磁极高度增 加到一定值时，磁场强度的增加就趋于平缓。 2 楔形辅助磁极可以有效地防止漏磁，提高 磁场强度，对于磁性能的利用是有益的，但是亦会 使磁系周向磁场梯度变大，在一定程度上不利于矿 物分选。 3 采用小极面宽度、小的磁极宽与间隙比可 以有效地增加径向磁场梯度，减小周向磁场梯度， ‘对于矿物分选提高品位十分有利。 4 增大磁系半径可以增大磁选机处理能力， 设置更多磁极，强化分选作业效果。 5 在磁系设计与选型时，不能仅以磁场表面 磁场强度作为选型的唯一依据，应该综合考虑矿物 特性、处理能力、选矿目标等因素，提出表面磁场 强度、磁场深度、极距及极数等要求。 参考文献 [ 1 ] 夏红峰．国内磁选设备的研究现状及发展趋势E J ] ．金属 矿山。2 0 1 0 9 l l l 1 1 4 ． [ 2 ] 史佩伟，陈雷，谭达，等．多级永磁磁选机的实验研 究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 0 7 1 4 1 4 3 ． [ 3 ] 刘永振．永磁中场强磁选设备的现状及发展方向[ C ] ／／ 矿冶科学与工程新进展一庆祝北京矿冶研究总院建院4 0 周年论文集 上册 ，北京冶金工业出版社，1 9 9 6 7 4 9 7 5 6 ． [ 4 ] 王常任。磁电选矿[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 6 6 9 ． [ 5 ] 现代铁矿石选矿编委会．现代铁矿石选矿 上册 [ M ] ． 合肥中国科学技术大学出版社，2 0 0 9 ． h．m，越骥爨帮 万方数据