分选分级脱泥多功能磁力旋流器设计与研究.pdf

万方数据 万方数据 硕士学术学位、硕士非工程类专业学位 学位论文答辩信息表 论文题目 分选分级脱泥多功能磁力旋流器设计与研究 课题来源* 非立项 论文答辩日期 2020.06.11 答辩秘书 杨宏丽 学位论文答辩委员会成员 姓名 职称 博导/硕导 工作单位 答辩委员 会主席 王怀法 教授 博导 太原理工大学 答辩委员 1 李志红 副教授 硕导 太原理工大学 答辩委员 2 董连平 副教授 硕导 太原理工大学 *课题来源可填国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、 国家社科基金项目、教育部人文社科项目、国家其他部委项目、省科技厅 项目、省教育厅项目、企事业单位委 万方数据 摘 要 I 摘 要 在铁矿的选别过程中，原矿中大量的细泥和粗粒连生体是影响铁精矿 品位的主要因素。底流型和溢流型磁力旋流器可以分别实现铁矿的脱泥与 分选分级，但这两种旋流器均难做到脱泥与分选分级的同步进行。因此，本 论文设计了一种脱泥与分选分级同步的多功能磁力旋流器，实现一次性脱 除细泥和粗粒连生体，从而达到提铁降硅的目的。 新型多功能磁力旋流器可完成粗粒连生体与磁铁矿的分离，一方面避 免了一些单体解离且粒度合格的磁铁矿矿粒进入旋流器的沉砂中，作为返 砂导致过磨； 另一方面， 粗粒连生体与磁铁矿分离后， 减少了后续细筛的处 理量， 减轻了细筛环节的负担， 甚至可省去细筛环节。 在磁铁矿的精选时， 可替代磁力重选柱或反浮选工艺脱去大量细泥和连生体，提高铁精矿品位。 对多功能磁力旋流器在无磁系下进行了内部流场的模拟，发现在径向 速度上 20 mm 底流口的径向速度基本大于 10 mm 底流口，轴向速度上两种 底流口差异并不明显，切向速度上 10 mm 底流口时更大。因切向速度决定 了流场中颗粒所受离心力的大小， 并直接影响磁力旋流器的分选效率， 在三 种速度中占据主导地位，所以切向速度较大的 10 mm 底流口更有利于磁力 旋流器的分选。 针对新型的磁力旋流器设备，进行了脱泥和分选分级试验。（1）在溢 流管的下方添加磁场（磁极头）后，发现在底流口小时溢流量较大，磁性物 的回收作用明显；在底流口较大时，溢流量较小，磁性物总含量低，磁性物 的回收作用不明显。（2）对溢流管插入深度进行了优化试验，发现在添加 磁系后，溢流中磁性物的回收率明显下降。 尤其在有磁系时， 溢流管插入深 度为 165 mm 时，磁性物的回收率最低，对磁铁矿的回收效果最好，脱泥效 果也最好。（3）对磁力旋流器的向心径向磁场进行了比较研究，且对比了 空白（无磁系）、4N 和正螺旋磁系下底流与侧流的磁性物回收率，发现正 螺旋磁系的分选分级效果最好，在正螺旋磁系下底流的回收率达到了 74.84％，比空白条件下磁性物回收率高了 10 个百分点。 运用ANSYS MAXWELL对磁极头以及径向磁场磁系进行了磁场模拟， 并对比了各磁系之间磁场力的差异。 发现在磁极头的三种磁系中， 随着与磁 极头磁系的距离增大，磁系 1、磁系 2 和磁系 3 之间的磁场力差异越明显， 且磁系 3 的磁场梯度最大，产生的磁场力及磁场影响范围最广，可对磁性 颗粒产生更强的磁场力。对径向磁场的 5 种磁系模拟结果对比，发现 4N 磁 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 II 系的磁场影响范围更广，产生的磁场力最强，其次是 3N 磁系，最后是 N-S 磁系。螺旋磁场力与 3N 磁系和 N-S 磁系接近，比 4N 磁系弱，且正反螺旋 磁系磁场力大小相同， 两者的磁场力沿相反方向延伸， 并在磁力旋流器中根 据流体的旋转方向分别形成了加速或减速的作用。 关键关键词词磁力旋流器；分选分级；脱泥；流场模拟；磁场 万方数据 ABSTRACT III ABSTRACT In the process of iron ore separation, a large number of fine mud and coarse ore are the main factors affecting the grade of iron concentrate. The overflow type and the bottom flow type magnetic cyclone can realize the desliming and separation and classification of iron ore respectively, but it is difficult to realize the desliming and separation and classification synchronously with the two types of cyclone. Therefore, this paper designs a kind of multifunctional magnetic cyclone which synchronizes desliming with separation and classification, which can remove the fine mud and coarse particles at one time, so as to achieve the purpose of lifting iron and reducing silicon. On the one hand, it can avoid the separation of some monomer and qualified magnetite particles into the sand settling of the cyclone, and then lead to over- grinding as sand returning. On the other hand, the separation of the coarse particles and magnetite can reduce the processing capacity of the subsequent fine screen, reduce the burden of the fine screen, and even eliminate the fine screen. In the separation of magnetite, it can replace the magnetic gravity separation column or reverse flotation process to remove a lot of fine mud and connective body, and improve the grade of iron concentrate. The internal flow field of a multifunctional magnetic cyclone was simulated in a non-magnetic system. It was found that the radial velocity of the underflow port of 20mm was basically greater than that of the underflow port of 10mm at the radial velocity. The difference between the two underflow port at the axial velocity was not obvious, and the difference was greater at the underflow port of 10mm at the tangential velocity. Because tangential velocity determines the centrifugal force of particles in the flow field and directly affects the separation efficiency of the cyclone, it occupies a dominant position among the three speeds. Therefore, the underflow port with a large tangential velocity of 10mm is more conducive to the separation of the magnetic cyclone. Desliming and separation tests were carried out for a new type of magnetic cyclone. 1 after adding a magnetic field magnetic pole head to the underflow port, it is found that the overflow flow is large at the bottom of the flow mouth, and the recovery effect of magnetic material is obvious; When the underflow port 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 IV is large, the discharge is small, the total content of magnetic material is low, and the recovery effect of magnetic material is not obvious.2 an optimization test was carried out on the insertion depth of the overflow tube, and it was found that the recovery rate of the magnetic substance in the overflow decreased significantly after adding the magnetic system. Especially in the magnetic system, when the depth of the overflow tube is 165mm, the recovery rate of the magnetic material is the lowest, the recovery effect of magnetite is the best, the effect of mud removal is also the best.3 The radial magnetic field of magnetic cyclone has carried on the comparative study, and compared the blank no magnetic department, 4N and positive spiral magnetic flow from bottom and side stream magnetic material recovery, find best is spiral in the department of magnetic separation classification effect, under the positive spiral magnetic department bottom flow rate reached 74.84, higher than blank magnetic material under the condition of recovery of 10. The magnetic field simulation of the magnetic pole head and the radial magnetic field system was carried out by ANSYS MAXWELL, and the differences of the magnetic field gradients among the magnetic systems were compared. It is found that among the three magnetic systems of magnetic pole head, the magnetic field gradient difference between magnetic system 1, magnetic system 2 and magnetic system 3 becomes more obvious as the distance from the magnetic system of magnetic pole head increases, and magnetic field gradient of magnetic system 3 is the largest, and the magnetic field force generated and the influence range of magnetic field is the widest, which can generate stronger magnetic field force on magnetic particles. By comparing the simulation results of 5 kinds of magnetic systems of radial magnetic field, the magnetic field of 4N magnetic system has a wider influence range and generates the strongest magnetic field force, followed by 3N magnetic system and N-S magnetic system. The helical magnetic field force is close to the 3N magnetic system and the N-S magnetic system, but weaker than the 4N magnetic system, and the magnetic field gradient of the positive and negative helical magnetic system is the same. Keywords magnetic cyclone; classification and separation; desliming; flow field simulation; magnetic field 万方数据 目 录 V 目 录 摘 要 ......................................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................. III 第一章 绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1 选题目的和意义 .......................................................................................................................... 1 1.2 磁铁矿分选设备研究现状 ........................................................................................................ 2 1.2.1 磁铁矿脱泥工艺与设备 ..................................................................................................... 2 1.2.2 磁铁矿的分选分级工艺与设备 ........................................................................................ 5 1.2.3 磁力旋流器 ............................................................................................................................ 7 1.3 主要研究内容 ............................................................................................................................. 15 第二章 多功能磁力旋流器的结构设计与流场模拟 .......................................................... 17 2.1 磁力旋流器的结构设计 ........................................................................................................... 17 2.1.1 磁力旋流器的构想 ............................................................................................................ 17 2.1.2 磁力旋流器结构参数 ........................................................................................................ 20 2.2 多功能磁力旋流器的流场模拟 ............................................................................................. 25 2.2.1 模型的建立及网格的划分 ............................................................................................... 25 2.2.2 Fluent 基本介绍 .................................................................................................................. 28 2.2.3 对磁力旋流器的不同底流口模拟结果 ........................................................................ 29 2.3 本章小结 ...................................................................................................................................... 34 第三章 试验系统与研究方法 .............................................................................................. 35 3.1 矿样性质 ...................................................................................................................................... 35 3.2 分析测试仪器 ............................................................................................................................. 35 3.3 试验系统与试验过程 ............................................................................................................... 36 第四章 多功能磁力旋流器脱泥研究 .................................................................................. 39 4.1 磁极头的设计 ............................................................................................................................. 39 4.1.1 磁极头的位置 ..................................................................................................................... 39 4.1.2 磁极头的磁系布置 ............................................................................................................ 40 4.2 磁极头的磁场特性 .................................................................................................................... 41 4.2.1 3 种磁系的磁感应强度云图 ........................................................................................... 41 4.2.2 三种磁系的磁场强度变化曲线 ...................................................................................... 43 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 VI 4.2.3 磁场强度与位置的关系 ....................................................................................................45 4.3 基于磁极头的脱泥试验 ...........................................................................................................47 4.4 本章小结 .......................................................................................................................................54 第五章 多功能磁力旋流器分选分级研究 .......................................................................... 55 5.1 磁系设计 .......................................................................................................................................55 5.1.1 对称磁系 ...............................................................................................................................55 5.1.2. 螺旋磁系 ..............................................................................................................................56 5.2 磁系的磁场特性 .........................................................................................................................56 5.2.1 对称磁系的立体磁场图与磁场云图 .............................................................................56 5.2.2 螺旋磁场的立体磁场曲线 ...............................................................................................58 5.2.3 磁场强度与空间位置的关系 ...........................................................................................59 5.3 基于磁系的分选分级试验 .......................................................................................................63 5.3.1 底流口 10 mm 的分选分级试验 .....................................................................................63 5.3.2 底流口 20 mm 的分选分级试验 .....................................................................................68 5.4 磁力旋流器磁系的受力分析 ..................................................................................................75 5.4.1 磁性颗粒在旋流器内的受力 ...........................................................................................75 5.4.2 磁性颗粒径向和轴向的受力分析 ..................................................................................77 5.5 本章小结 .......................................................................................................................................78 第六章 结论与展望 .............................................................................................................. 81 6.1 论文完成的主要研究内容及结论 .........................................................................................81 6.2 后续的研究及改进方向 ...........................................................................................................82 参考文献 .................................................................................................................................. 83 攻读学位期间取得的科研成果 .............................................................................................. 87 致 谢 ...................................................................................................................................... 89 万方数据 绪 论 1 第一章 绪论 1.1 选题目的和意义 随着我国经济迅速发展，对钢铁产品的需求也飞速增涨，导致了对铁矿石资源的巨 大的需求以及消耗。炼铁行业对铁矿石的品位要求也越来越严格。我国铁矿石资源的总 量很大，当前已经探查清楚的铁矿储量甚至超过了六百亿吨[1]，但是由于影响铁矿形成 的因素很多，导致了有很大一部分矿石难选冶和加以利用。当前已经探明的铁矿石资源 中，可直接投入使用的富铁矿资源在全国铁矿石资源总储量中所占比例极低，很难满足 当前我国钢铁工业和国民经济的需求。因此，国内钢铁企业需要不断地从国外进口高品 质的铁矿石，导致了中国需要的铁矿石大部分依赖于从国外进口，受国际市场的控制程 度很高， 国际上铁矿石的供应优势致使价格不合理的波动对中国钢铁行业及中国经济造 成沉重的压力，对中国的铁矿石资源安全保障产生威胁[2-3]。因此，需要采取有效的措施 充分开发国内低品位的铁矿石， 为我国钢铁行业的稳定发展提供高品位的铁精矿。 为此， 国内铁矿石企业分析我国铁矿石资源的现状，加大科技的投入，提高铁矿选矿技术，进 一步提高铁精矿的品位，保障国内资源的自给自足[4]。 为了对我国的铁矿资源充分开发，降低对外依赖度和提高炼铁的经济效益、降低生 产所需要的成本[5]，余永富院士提出了“提铁降硅”的思想，中心思想是提高选矿过程中 精矿品位，降低二氧化硅的含量。随着这种思想的提出，国内许多大型钢铁企业下属的 选矿厂开始进行选矿方面技术和设备的创新，都已经取得了良好的进展，促进了我国在 铁矿选矿行业的进步，获得巨大经济效益[6]。 国内外选别铁矿技术方面的发展趋势主要包括磁选、浮选或反浮选工艺和磁选-反 浮选联合选矿工艺。目前多数选矿厂在磁选工艺之后进一步采用反浮选来脱硅提质，虽 然获得了优良的分选效果，但反浮选过程中药剂制度比较复杂，且不利于环境保护，提 高了选矿的成本[7]。 在选矿过程中，由于存在大量的细泥和粗粒连生体会对铁矿的分选造成影响，降低 精矿品位。为了使选矿的分选过程更加方便，得到所需要的精矿品位，通常会对物料进 行预先脱泥，在过滤之前提前进行脱泥可以减小滤饼比阻、加快过滤的速度；溢流中粗 粒产率降低，导入浓缩机脱水，可以使浓缩机直径减少，降低絮凝剂的用量[8]。 为了提高对磁性物料的分选效果，本论文设计了一种多功能磁力旋流器，它将溢流 型和底流型磁力旋流器的优点集中在一起，设置三个排料口，产品分别是细泥、铁精矿 和粗粒连生体，在磁力旋流器的中心添加永磁磁系，磁性物料受到磁场力、离心力和重 力等，实现了在复合力场下对铁矿脱泥与分选分级的同步进行。 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 2 1.2 磁铁矿分选设备研究现状 在铁矿的精选过程中，影响磁铁矿分选效果的因素主要是原矿中含有大量的细泥以 及粗粒连生体，提高铁精矿的品位就需要除去铁矿中混杂的细泥和脉石矿物。而对于当 前难选矿石资源，使用单一磁场力的磁选设备分选效果逐渐变差，这就需要引进磁力、 重力、离心力等多种复合力场的新型设备。当前，利用磁场力和重力为主的磁-重联合分 选设备在铁矿分选中应用非常广泛。磁选与重选的结合实质上是磁场力与重力的组合， 颗粒在受到重力的同时，再引入磁场力，导致物料中的磁性颗粒与非磁性颗粒受到的力 不相同，实现磁性物料与脉石矿物的分离。 1.2.1 磁铁矿脱泥工艺与设备 图 1-1 磁选柱的结构图 Figure 1-1 Structure of magnetic separation column 常规磁选设备往往存在磁性物料和非磁性物料夹杂现象，为了解决这种磁性与非磁 性夹杂问题，许多学者进行了大量试验，鞍山钢铁学院设计了一种新型的铁矿分选设备 -磁选柱[9-10]。将磁选与重选相结合，其中重力起主导作用，磁场力为辅助，磁系是通过 多个电磁线圈组成的电磁磁系，由供电电源产生周期性可变的电流，形成循环往复、顺 序下移特殊磁场机制。通过采用特殊的供电机制，在其分选空间中产生一种交变磁场， 万方数据 绪 论 3 对矿浆进行“聚集-松散-聚集”持续过程，实现磁性物料与非磁性物物料的分离。磁选 柱的结构图 1-1 所示。 矿浆从入料口进入磁选柱的中上部，磁性颗粒受到向下的磁场力，使其不断发生聚 集和松散交替运动，同时受到从磁选柱下部产生的切向上升水流的持续冲刷，从而导致 非