干式永磁筒式磁选机分选腔流场及磁场分析.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 中文题目中文题目干式永磁筒式磁选机分选腔流场及磁场分析 英文题目英文题目Analysis of the flow field and magnetic field in the separation chamber of a dry permanent magnet drumseparator 学位类学位类别别硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名张逸学号学号2017023099 学科学科领域领域名称名称机械制造及其自动化 指导教指导教师师曹丽英职称职称教授 2020 年 06 月 04 日 分类号分类号T TD457D457密密级级公开公开 U D C 学校代码学校代码1012710127 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘要要 干式永磁筒式磁选机是铁精粉干选设备的重要组成部分，其分选腔内磁场特性参 数、气固两相流场特性参数和分选腔的结构参数是影响磁选机分选性能和分选品位的重 要因素。研究干式永磁筒式磁选机分选腔内磁场特性和气固两相流的流场特性对提高干 选工艺中磁选机分选性能和分选品位具有重要意义。因此，本文采用数值模拟和台架试 验相结合的方法对磁选机的磁感应强度分布规律进行了研究，获得了分选腔中磁感应强 度分布规律的数学模型，并对磁选机分选腔内的磁场-气固两相流场的耦合场和供风系 统内的单相气流场进行了数值仿真分析，探索提高磁选机分选性能和分选品位的有效途 径，为磁选机的优化设计提供理论支撑。开展的工作主要有 （1）干式永磁筒式磁选机的磁场特性研究。通过运用 ANSYS Maxwell 2D 软件对 干式永磁筒式磁选机的磁系的磁感应强度进行数值仿真分析，并采用 MATLAB 对其分 布规律进行统计学分析，得到了磁选机磁感应强度分布规律的数学模型，为磁场和气固 两相流场耦合分析提供理论依据。 （2）磁选机分选腔内的磁场-气固两相流场的耦合分析。先建立磁选机分选腔的有 限元模型，并将磁选机磁感应强度分布规律的数学模型加载到 ANSYS fluent 中，再对 分选腔内气固两相流进行数值仿真分析，获得磁-流耦合场的仿真结果，分析磁场特性 参数、气固两相流场特性参数及分选腔结构参数与磁选机分选腔出口浓度之间的影响规 律，为磁选机的优化设计提供理论依据。 （3）分选腔内气固两相流场的数值仿真分析和供风装置结构改进设计。以供风速 度、入风角度、气腔结构为参数对分选腔中的气固两相流场进行了数值分析，获取了这 些参数对流场特性的影响规律，为供风装置的结构设计提供了理论依据。 （4）磁选机的分选试验研究。为了验证供风系统对分选腔内料层厚度、磁选机分 选效率、分选品位的影响规律，通过台架试验的方法，在课题组自行研发的三级干式永 磁筒式磁选机试验台上进行了分选试验研究，得到了与数值分析较为一致的结论。 本研究方法及结论为探索矿物颗粒的运动规律以及磁选机的优化设计提供了理论依 据，为选矿行业技术进步起到了积极的推动作用。 关键词关键词磁选机；磁场；气固两相流；磁流耦合分析；数值分析 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract Dry permanent magnet drum-type magnetic separator is an important part of iron powder dry separator. The magnetic field characteristic parameters, gas-solid two-phase flow characteristic parameters and structure parameters of the separator are the important factors affecting the perance and grade of the magnetic separator.It is of great significance to study the characteristics of magnetic field and gas-solid flow in the separation chamber of a dry permanent magnet drum separator to improve the separation perance and grade of the magnetic separator in the dry separation process.Therefore, this article adopts the of combining the numerical simulation and bench test of magnetic separator magnetic induction intensity distribution was studied, and the separation chamber, a mathematics model of the magnetic induction intensity distribution in the magnetic field and the magnetic separator separation cavity - gas-solid two-phase flow field of the coupling field and air supply system of single phase flow field numerical simulation analysis, to explore and improve the magnetic separator separation perance ways of sorting grade, provide theoretical support for optimal designofmagneticseparator.Theworkcarriedoutmainly includes 1 Studyonmagneticfieldcharacteristicsofdrypermanentmagnetdrum separator.Through the numerical simulation analysis of magnetic induction intensity of the magnetic system of the dry permanent magnet drum separator by using ANSYS Maxwell 2D software, and the statistical analysis of its distribution law by using MATLAB, the mathematical model of magnetic induction intensity distribution law of the magnetic separator is obtained, which provides theoretical basis for the coupling analysis of magnetic field and gas-solid two- phaseflowfield. 2 Coupling analysis of magnetic field and gas-solid flow field in magnetic separator.To establish finite element model of the magnetic separator separation chamber and the magnetic separator magnetic induction intensity distribution mathematical model of the load to the ANSYS fluent software, and of the separation chamber gas solid two phase flow numerical simulation analysis, get the magnetic - coupling flow field simulation results and analysis of the magnetic field parameters, the gas-solid two phase flow field characteristic parameters and the 内蒙古科技大学硕士学位论文 III structural parameters of separation chamber and the influence law of magnetic separator separation chamber between the concentration of export, and provide theoretical basis for optimaldesign ofmagneticseparator. 3 Numerical simulation analysis of gas-solid two-phase flow field in separation chamber and design of improved structure of air supply device.The gas-solid two-phase flow field in the separation chamber was numerically analyzed with the parameters of air supply velocity, air inlet Angle and air chamber structure, and the influence rules of these parameters on the characteristics of the flow field were obtained, which provided a theoretical basis for the structuraldesign oftheairsupplydevice. 4 Experimental study on magnetic separators.In order to verify the influence of the air supply system on the thickness of the material layer in the separation chamber, the separation efficiency and grade of the magnetic separator, the separation test was carried out on the three-stage dry permanent magnet drum magnetic separator test bed developed by the research group,andtheresults wereconsistentwith thenumericalanalysis. This research and conclusion provide a theoretical basis for exploring the movement rules of mineral particles and the optimal design of magnetic separator, and play a positiverole inpromoting thetechnological progressofmineralprocessing industry. Key words Magnetic separator；Magnetic field；Gas-solid two-phase flow；Magnetic - flow couplinganalysis；Numericalanalysis 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 目目录录 摘要...........................................................................................................................I Abstract.........................................................................................................................II 1 研究背景......................................................................................................................1 1.1 引言..................................................................................................................1 1.2 干式磁选机国内外研究现状..........................................................................2 1.2.1 磁选技术发展现状..................................................................................2 1.2.2 干式磁选机的研究现状.......................................................................... 2 1.3 国内外干式磁选技术存在的主要问题..........................................................7 1.4 选题的目的和意义..........................................................................................8 1.5 课题研究内容..................................................................................................9 2 干式永磁筒式磁选机磁场分析...................................................................................11 2.1 磁选理论........................................................................................................11 2.2 磁场特性........................................................................................................12 2.2.1 磁场强度和磁感应强度.........................................................................12 2.2.2 磁系结构................................................................................................13 2.3 磁场分析方法................................................................................................13 2.4 干式永磁筒式磁选机磁系仿真....................................................................16 2.4.1 磁系模型建立........................................................................................16 2.4.2ANSYSMaxwell 仿真结果分析.............................................................18 2.4.3MATLAB 数据处理...............................................................................20 2.5 磁流耦合分析................................................................................................21 2.5.1 建立磁选机分选腔的有限元模型.........................................................21 2.5.2 不同入风速度对气固两相流场特性的影响..........................................22 2.5.3 不同入料量对气固两相流场特性的影响..............................................26 2.5.4 不同给矿粒度对气固两相流场特性的影响..........................................29 2.6 本章小结........................................................................................................31 3 干式永磁筒式磁选机流场分析...................................................................................33 3.1 计算流体力学基础........................................................................................33 3.2 计算流体力学数学模型................................................................................33 3.3 层流流动和湍流流动....................................................................................36 3.4 干式永磁筒式磁选机分选腔流场特性分析................................................37 3.4.1 分选腔流场特性仿真设置.....................................................................38 3.4.2 入风速度对分选腔流场特性的影响分析..............................................41 3.4.3 进风角度对分选腔流场特性的影响分析..............................................47 3.5 供风装置结构改进........................................................................................50 内蒙古科技大学硕士学位论文 II 3.5.1 供风装置模型建立................................................................................50 3.5.2ANSYS 仿真结果分析...........................................................................52 3.6 本章小结........................................................................................................55 4 干式永磁筒式磁选机通风试验...................................................................................57 4.1 试验材料及试验设备....................................................................................57 4.2 试验方法........................................................................................................57 4.3 试验结果........................................................................................................58 4.4 本章小结........................................................................................................59 本课题创新点................................................................................................................61 结论与展望....................................................................................................................62 6.1 结论.................................................................................................................62 6.2 研究展望.........................................................................................................63 参考文献........................................................................................................................64 附录 1 分选腔内磁场分布规律拟合公式...................................................................... 70 在学研究成果................................................................................................................71 致谢........................................................................................................................72 内蒙古科技大学硕士学位论文 -1- 1 研究背景研究背景 1.1 引言引言 据2019 中国矿产资源报告显示，我国已成为全球最大矿产品贸易国和矿产品 生产国，其中钢铁、煤炭等主要矿产品产量跃居世界前列。据统计，截至 2018 年底， 铁矿查明资源储量增长 9.93 亿吨，总储量为 852.19 吨，同比 2017 年年底增长 0.4， 但多为伴生矿和难选矿，二者总量占总储量的 2/3，富铁矿仅占总储量的 2。2018 年 对铁、锰等黑色金属矿采选业固定资产投资投入 790 亿元，增长 5.1，钢铁产品的产 量和消费量依然处于世界首位，铁精粉作为钢铁原料，其产能和铁品位直接影响钢铁产 业的发展。在报告中指出，在保证矿产资源开发生产的同时，要加快脚步开展矿山生态 恢复，推动绿色矿山建设。选矿工艺及选矿设备作为铁精粉生产直接因素，在面临产能 稳步增长和绿色矿山建设双重标准下，需要加快创新发展进程[1]。 铁矿石的分选通常使用磁选和浮选[2]。浮选工艺需要使用浮选药剂对矿物进行疏水 性处理，然后借助浮选设备（自吸机械搅拌式浮选机、充气机械搅拌式浮选机和气升式 浮选机等）进行矿物分离。浮选药剂具有毒害性、难降解性等特点，易对选矿厂周边水 体、土壤、空气等环境造成污染。在生态环境脆弱地区，使用浮选工艺会对环境造成极 大的破坏，因此选矿厂通常选择磁选工艺进行铁矿石分选，磁选机是磁选工艺的主要设 备。磁选机按磁场类型的不同，可分为永磁磁选机和电磁磁选机；按分选介质可分为干 式磁选机和湿式磁选机。电磁磁选机可根据分选矿石磁性的不同调节磁场强度，但设备 结构复杂，维护费用较高；湿式磁选机生产的铁精粉品位较高，但是整个流程下来设备 投入较大，并且对于高寒、干旱地区而言，湿式磁选机浪费大量水资源，且在寒冷天气 水体容易结冰，影响选矿工作正常进行。相对于以上磁选机的复杂工艺流程以及局限性 而言，干式磁选机具有下列明显优点（1）无需用水即可实现矿物分离，工艺简单； （2）可以实现较大颗粒或者大块矿石预选，抛去大量废石，精炼选矿工艺；（3）具有 较高的磁感应强度和磁场梯度；（4）设备简单，节能环保。这些优点使其在近年来获 得了更多的应用与研究，具有更好的发展前景[3]。 在内蒙古地区，铁矿资源丰富但是品位普遍不高，并且存在“贫、细、杂”的特 点，开采生产成本高。再者内蒙古处于生态脆弱、环境保护力度大的高寒干旱地区，水 资源匮乏，霜冻期长，使用浮选工艺或者湿选设备对周边土壤、水资源都是极大的污染 和浪费，且影响铁精粉的年生产量。因此，选用干式永磁式磁选机可以解决环境污染、 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2- 水资源浪费和生产效率低等问题[4,5]。 1.2 干式磁选机国内外干式磁选机国内外研究现状研究现状 1.2.1 磁选技术发展现状磁选技术发展现状 磁选作为铁精粉生产的一项重要技术，在近 30 年得到迅速发展，其应用范围也 不仅仅局限于铁精粉生产，在整个矿业加工乃至环保、煤炭领域都有应用。磁选技 术的发展主要体现在新型磁系的设计方面[6,7]。 磁系设计是促进磁选技术发展的前提，磁系设计是否合理直接影响分选空间内 的磁场分布情况，进而影响磁选机的分选性能。磁系设计是磁选机研发的前提，合 理的计算磁系结构参数、合理的选择磁路结构及永磁材料，能够缩短研发周期，节 约研发经费。但是国内外的学者通常只针对磁选机如何提高分选性能、如何增大处 理能力和如何增强可靠性做大量的研究，而忽视了磁系设计及磁场特性研究，制约 了磁选技术及磁选设备的发展。 对磁系设计及磁场特性的研究，通常使用解析解法和有限元法。武汉理工大学 彭会清教授采用解析解法进行了磁场分布的研究，并通过数理方程法得到了开放性 磁场的指数公式、楔形和双曲线型磁极的磁场分布公式以及齿板介质磁场分布理论 公式，并以此研制了新型开放性平面磁系，开发了 YDQC 系列永磁磁选机[8,9]。胡明 振博士[10]运用解析解法，对对称圆角齿极磁系进行推导，得到了对称圆角齿极磁系 的磁场分布规律，并设计了一种新型挤压磁系应用在盘式永磁强磁选机上。相对于 解析解法的庞大工作量和繁重的数学公式推导，有限元法的方便更容易受到研究人 员的喜爱。胡永会[11]等人借助多物理场耦合分析软件 COMSOL multiphysics 针对目 前常使用的磁系结构进行仿真计算，通过对磁场分布情况的分析为磁系结构优化、 工艺流程优化提供参考，为选矿厂合理选择布置磁选机提供方便。史佩伟[12]等人借 助 COMSOL multiphysics 软件对 8 极三吊挂磁系结构仿真分析，对 DLC1545 大型多 力场磁选机进行技术参数优化，提高了铜浮选尾矿的磁性铁回收率。 随着磁选技术的发展，磁选设备的研发更加科学，磁选设备的发展也日趋向轻 量化、大型化和高效化发展。 1.2.2 干式磁选机的研究现状干式磁选机的研究现状 国外对磁选机的研究起源于十九世纪，Ball、Norton、Edison 等研究团体通过实 内蒙古科技大学硕士学位论文 -3- 验研究发现，强磁性矿物可以在磁场力的作用下从非磁性矿物中分选出来。1890 年，Ball-Norton 采用电磁磁源研制了电磁圆筒磁选设备，这台设备是世界上最早用 来分选磁性矿物的电磁设备。20 世纪 60 年代，高性能永磁材料的出现促进了永磁 磁系的研究进程，提升了永磁磁选设备的发展。20 世纪 70 年代，国外学者在 1974 年发表了第一篇关于永磁强磁场磁路的研究论文，并于 1989 年利用研究成果研制出 第一台磁感应强度为 0.5T 的圆筒式永磁中场强磁选机[13]，1994 年，随着研究深入 研制出 0.7T 的第二代圆筒式永磁中磁场磁选机。1983 年高性能永磁材料钕铁硼 （NdFeB）的出现，促进了永磁磁选设备的发展，加快了新的磁分离设计理念的发 展[14,15]。我国研制磁选机始于 20 世纪 60 年代，是一台辊式磁选机，主要应用于贫 锰矿；20 世纪 70 年代先后研制出平环、立环等强磁场磁选机；在 20 世纪 70 年代 后期出现连续式 SALA 型平环高梯度磁选机；20 世纪 90 年代有一种回收有色金属 的涡流磁选机出现[16]。 磁选机根据不同的磁场类型，常分为永磁磁选机、电磁磁选机；根据磁系及磁 感应强度等不同的磁场特性分为弱磁磁选机、中磁磁选机和强磁磁选机；根据分选 原矿的形态分为干式磁选机和湿式磁选机；根据结构的不同又可以分为筒式磁选 机、盘式磁选机、辊式磁选机等。在内蒙古地区，随着干式永磁磁选机的性能不断 改善，将逐渐替代湿式磁选机成为选矿厂的首选设备[17]。 1.2.1.1 干式弱场强磁选机 干式弱磁选机主要用于选别磁场特性强的矿物。主要有干式永磁圆筒式磁选 机、大块矿石式磁选机、细粒磁性物料干选机[18,19]。 目前，干式永磁圆筒式磁选机主要包括 CTG 型永磁圆筒式磁选机和 LCG 型永 磁筒式磁选机。CTG 型磁选机属于粉矿干式磁选机用于选别细粒的矿粉，在抛出废 矿的时候对矿物有富集作用，对嵌布粒度较细的细粒级原矿的富集作用是显著的， 尤其是对于 5mm 以下粒级的已经解离部分，品位提高很多。CTG 型磁选机一般由 传动装置、筒体、调整装置等组成，且根据不同的工作需求调整设备转速，以得到 不同的精矿品位和尾矿，操作简单，维护方便[20]。2006 年，北京矿冶研究院研制出 CT-1424（Φ14002400mm）大型磁辊筒用于鞍钢大孤山选矿厂，其磁感应强度为 3 50mT，处理能力达到 2000t/h[21]。2011 年，抚顺隆基电磁科技有限公司研制了一款 用于粉矿磁选的 LCG 型永磁干式磁选机，辊筒转速可调，磁筒表面磁感应强度最大 可以达到 500mT，给矿粒度-8mm，其磁系采用大包角（150160）多磁极（8-12 极）的结构，获得了均匀的磁场密度，提高了颗粒的翻转次数更有益于矿物的分 内蒙古科技大学硕士学位论文 -4- 选，在河北、辽宁、新疆等地均取得了良好的推广[22]。2013 年北方重工集团尹晓飞 等人开发了 CTG-1030 永磁干式磁选机，用于粉矿选别，该设备采用了 209大磁系 包角，19 极磁极，磁感应强度最高可以达到 450mT，磁场梯度大，具有一定的磁场 深度，其有效深度可以达到 50mm，对于-3mm 粒级的低品位磁铁矿具有良好的分选 效果[23]。 大块矿石干式磁选机也叫做永磁磁辊筒，性能好、结构简单、运行成本少，主 要用于低品位铁矿石细碎或磨前预选，因此发展迅速，性能不断提升。大块矿石干 式磁选机磁系采用永磁材料，随着永磁材料的不断发展，钕铁硼等永磁材料的应 用，大块矿石干式磁选机复合磁系辊筒表面的磁感应强度已经从原来的 150180mT 提升到了 240mT，而全钕铁硼永磁磁系的磁辊筒表面分选区的磁感应强度可以达到 500mT，并且分选深度和分选粒度也不断扩大，通常可以分选 75mm 以上粒度的矿 石。北京矿冶研究院所研制的 CT 系列磁选机的分选粒度更大，可以达到 100200m m[24]。马鞍山矿业研究所所研究的 CTDG 型大块矿石干式磁选机性能更加优良。CT DG 型大块矿石干式磁选机不仅磁筒表面分选区的磁场强度大，平均磁场强度可以 达到 2700Oe（1Oe80A/m），而且磁场深度大，距筒表 50mm 处的磁场强度仍可以 达 160021000Oe。由于其特殊的结构，磁系在辊筒中位置可调，因此在不同的带速 下，都可以使大块矿石处于最大磁力区内[25]。 细粒磁性物料干选机的研制是为了应对进口铁矿石价格的不断攀升以及大规模 的选矿。采用细碎工艺的选矿厂一般采用的磁选机有磁辊筒干选机或者由北京矿冶 研究院所研制的 BKY 型预选机。由于前者流程复杂、辅助环节多、能耗高、精矿品 位波动大，并且后者为湿式磁选机，在高寒、水资源缺乏地区选矿难以推广，因此 北京矿冶研究院研制了 XCTG0404 型细粒磁性物料磁选机。该机分选能力强，可以 分选 25mm 甚至 12mm 以下的粗矿粒。钕铁硼 360满磁系、小极面、12 组磁系周向 极性交替布置，这种满磁系、小截面结构，可以增大磁场梯度和吸附力，有利于磁 性矿物回收。该设备采用上部振动给料器给料，将矿物通过皮带送到磁场。物料在 进入磁场过程中受到磁场力的影响，运动轨迹发生变化，在随着皮带向前运动的同 时，由于受到高速旋转的动态磁场的影响，自身在磁场中也发生翻转。磁性颗粒在 磁场中翻滚的次数会随着磁系即磁场的旋转速度的增大而增加，使得料层剧烈翻 动，可以增加打散磁团聚次数，以提高精矿的分选品位[26]。 1.2.1.2 干式中场强磁选机 中磁场磁选机的磁场强度介于弱磁场磁选机和强磁场磁选机之间，磁感应强度 内蒙古科技大学硕士学