新型三级干式磁选机分选品位影响因素分析与研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目新型三级干式磁选机分选品位影响因素分析与研究 英文题目英文题目Analysis and research on the factors affecting the grade of the new three-stage dry magnetic separator 学位类学位类别别硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名刘文凯学号学号2018022156 学科学科领域领域名称名称机械工程 指导教指导教师师曹丽英职称职称教授 协助指导教协助指导教师师汪建新职称职称教授 2020 年 6 月 7 日 分类号分类号TD457TD457密密级级公开公开 U D C 学校代码学校代码1012710127 万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘要要 磁选机作为重要的选矿设备被广泛应用于选矿行业中，根据磁选介质的不同可分为 干式和湿式两类。较湿式磁选机而言干式磁选机因分选品位低、分选工艺粗放、金属损 失率较高的问题，导致其应用并不广泛。内蒙古地区冬季寒冷干燥，选矿厂无法开展湿 式选矿作业，多采取干式磁选。精矿品位是磁选机性能优劣的重要衡量指标，因此，针 对如何提高干式磁选机分选品位的研究，对寒冷干旱的西北部地区的选矿行业具有十分 重要的意义。本文以课题组研发的新型三级干式筒式磁选机为研究对象，通过 COMSOL Multiphysics 仿真分析与磁选试验相结合的方法，对影响磁选机分选品位的三 种因素进行分析，进而获取不同工作参数对分选腔内粒子运动规律的影响，得到较好的 工作指标，提升新型干式磁选机分选品位的同时，推广新设备在西北部寒冷地区的应 用，主要研究工作包括 首先，对滚筒磁场排布方式进行分析利用 COMSOL 软件中磁场无电流模块对磁滚 筒外表面进行了二维静态磁场特性分析，得到了磁选机分选腔内的磁力线分布；再进行 磁场与固体颗粒的耦合仿真分析，得到在高中低与低中高磁场排布方式时固体颗粒的运 动轨迹。进一步试验研究表明在三个磁滚筒磁场强度排布方式为高中低时能得到更高的 精矿品位与金属回收率。 其次，对滚筒转速进行分析添加切向旋转壁模拟真实滚筒旋转现象，分别在通风 与无风条件下对分选腔内的速度场及压力场进行分析，并在两种条件下，分别获得了粒 子在分选腔内不同的运动状态。并通过改变滚筒转速观察了粒子运动状态的改变。试验 结果显示对于低品位矿石，提高滚筒转速，有利于分选高品位精矿，磁选试验结果确定 了滚筒转速的合理范围。 最后，入料粒级磁选台架试验研究通过对不同筛分粒级的原矿物料进行了磁选试 验，得到了入料粒级对分选品位的影响规律。对于低品位矿石，较小的入料粒级能得到 较高的精矿品位。通过多组试验对比以及考虑到通风后干式磁选的粉尘影响，确定了能 够获得较高精矿品位的原矿入料粒级。 本论文的研究方法和结论为进一步提高三级干式永磁筒式磁选机的分选性能和磁选 机产品的更新换代提供设计依据和理论支撑，也为低品位铁矿石资源开发和利用提供了 研究基础。 关键词磁选机；干选；COMSOL；铁精粉；气固两相流 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract Magnetic separators are widely used as important mineral processing equipment in the mineral processing industry. According to the different magnetic separators, they can be divided into dry and wet types. Compared with the wet magnetic separator, the dry magnetic separator is not widely used due to the problems of low sorting grade, extensive sorting process and high metal loss rate.In Inner Mongolia, it is cold and dry in winter, so the concentrator cant carry out wet concentrator operation, and adopts dry magnetic separation. Concentrate grade is an important index to measure the perance of magnetic separators. Therefore, the study on how to improve the grade of dry magnetic separators is of great significance to the mineral processing industry in the cold and dry northwest region.Based on the research development of new tertiary dry drum magnetic separator as the research object, through COMSOL Multiphysics simulation analysis combined with magnetic separation test , factors affecting the magnetic separator sorting grade three is analyzed, and then get different working parameters on the separation chamber the influence of particle motion, get better perance measures, promote new dry type magnetic separator sorting grade at the same time, promote the applicationofnewequipment incoldareainnorthwestern,themain researchworkincludes Firstly, the arrangement of the magnetic field of the drum was analyzed. The magnetic field without current module in the COMSOL software was used to analyze the characteristics of the two-dimensional static magnetic field on the outer surface of the drum, and the magnetic force line distribution in the separation chamber of the magnetic separator was obtained. Then the coupling simulation analysis of magnetic field and solid particles is carried out, and the movement trajectory of solid particles is obtained when the magnetic field is arranged in high, medium and low, medium and high.Further experimental studies show that higher concentrate grade and metal recovery can be obtained when the magnetic field intensity of the three magneticrollersishigh, mediumandlow. Secondly, the rotating speed of the drum was analyzed tangential rotating wall was added to simulate the real rotating phenomenon of the drum, and the velocity field and pressure field 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III in the sorting chamber were analyzed under the conditions of ventilation and no wind, and the different motion states of particles in the sorting chamber were obtained under the two conditions.The change of particle motion state was observed by changing the rotating speed of the drum.The test results show that for low grade ore, increasing the drum speed is beneficial to the separation of high grade concentrate, and the magnetic separation test results determine the reasonablerangeofdrumspeed. Finally, the magnetic separation bench test of incoming grain size was carried out the magnetic separation test of raw mineral materials with different sieve grain size was carried out, and the influence rule of incoming grain size on the grade of separation was obtained. For low grade ore, a smaller feed size can result in a higher concentrate grade.Through the comparison of multiple tests and considering the dust effect of dry magnetic separation after ventilation, the raworefeedsizewhichcanobtain higherconcentrategradeisdetermined. The research s and conclusions of this paper provide the design basis and theoretical support for further improving the sorting perance of the three-stage dry permanent magnet drum magnetic separator and upgrading the magnetic separator products, and also provide the research basis for the development and utilization of low-grade iron ore resources. KeyKeywordswords Magnetic separator; Dry separator; COMSOL; Iron ore;Gas-solid two-phas e flow 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 IV 目目录录 摘要.................................................................................................................................I Abstract...............................................................................................................................II 1 研究背景..............................................................................................................................1 1.1 引言...........................................................................................................................1 1.2 磁选机国内外发展现状............................................................................................2 1.2.1 磁选机国外发展现状.....................................................................................2 1.2.2 磁选机国内发展现状.....................................................................................3 1.2.3 磁选技术国内外发展现状............................................................................. 4 1.3 干式磁选机研究现状与存在的问题.........................................................................6 1.4 新型三级干式磁选机研发背景.................................................................................7 1.5 本课题主要研究内容................................................................................................9 2 新型三级干式磁选机简介.................................................................................................10 2.1 磁选机结构与工作原理..........................................................................................10 2.2 磁选机滚筒磁系结构与磁场强度...........................................................................11 2.3 磁选试验磁性矿粒对滚筒转速的要求...................................................................12 2.4 干式磁选机其它工作参数简介...............................................................................14 3 磁选机分选品位影响因素的仿真分析..............................................................................17 3.1 磁选机计算区域建模..............................................................................................17 3.2 磁选机仿真步骤及参数设置.................................................................................. 18 3.2.1 COMSOL 物理场设置.....................................................................................18 3.2.2 磁选机仿真分析条件设置........................................................................... 18 3.2.3 计算区域网格划分.......................................................................................19 3.2.4 求解器设置与结果分析...............................................................................21 3.3 磁滚筒磁场强度排布方式的仿真分析...................................................................21 3.3.1 三级磁滚筒的磁力线分布........................................................................... 21 3.3.2 不同磁场排布方式的仿真参数设置............................................................23 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 V 3.3.3 物理场边界条件设置...................................................................................23 3.3.4 求解器设置.................................................................................................. 25 3.3.5 仿真结果分析...............................................................................................26 3.4 不同磁滚筒转速的仿真分析.................................................................................. 28 3.4.1 无风条件下滚筒转速的仿真分析................................................................30 3.4.2 通风条件下滚筒转速的仿真分析................................................................32 4 干式磁选试验验证.............................................................................................................34 4.1 选矿试样与试验设备..............................................................................................34 4.2 不同磁场排布方式的磁选试验...............................................................................36 4.2.1 磁辊排布为高中低的干式磁选试验............................................................36 4.2.2 磁辊排布为低中高的干式磁选试验............................................................37 4.3 不同滚筒转速的干式磁选试验...............................................................................39 4.4 不同进料粒度的干式磁选试验...............................................................................42 本课题创新点.......................................................................................................................44 结论...............................................................................................................................45 参考文献...............................................................................................................................46 在学研究成果.......................................................................................................................51 致谢...............................................................................................................................52 万方数据 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 我国铁矿资源储量丰富，排名全球第四，占全球铁矿储量的 12.4，据 2019 年 自然资源部公布，截至 2018 年底，我国铁矿石查明资源储量为 852.19 亿吨，同比 增长 0.4；新增查明资源储量 3.31 亿吨[1]，全国新发现矿产地 109 处，其中铁矿新 发现矿产地 4 处[2]。但我国铁矿资源多呈“贫、细、杂”等特点[3,4]，平均铁品位较 低，只有不到 32，比世界平均铁品位低 11[5]，其中有大约 97的铁矿石需要进 行选矿处理，并且矿石成分复杂的赤铁矿石约占我国铁矿石储量的 20.8以上[68]， 导致铁矿石分选困难，分选品位较低。 铁矿资源是保障国民经济的重要物质基础，是钢铁工业的命脉，更是我国重要 的战略资源之一，所以选矿行业在国民经济中扮演了重要角色。近年来，铁精粉价 格不断向上攀升，已经由 2018 年 580 元/吨上涨到 680 元/吨，铁精粉价格的不断提 高，刺激国内铁精粉的生产。随着矿山的大规模开发，导致高品位铁矿石资源日益 匮乏，企业为了保证铁精粉的产量，部分矿山大力开发贫铁矿，但整体分选品位较 低。为了能够向冶炼厂提供高产高质量铁精矿，同时实现企业经济效益最大化，所 以对常规的磁选设备提出了更高的要求[9]。而作为重要的磁选设备，磁选机在国内 外选矿行业得到广泛应用。 图 1.1 磁选原理图 传统磁选机的磁选工作原理如图 1.1 所示被加工的原矿物料进入分选空间 后，由于不同颗粒的比磁化系数不同，所以会受到不同的磁场力作用沿着不同的路 径运动，进而实现矿物分离，即磁力选矿的实质就是利用矿物颗粒在分选空间受到 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2- 不同作用而实现的。 目前，随着磁选技术的不断发展，国内生产了多种磁选机。其中，以磁源为永 磁体的筒式磁选机是磁力选矿行业应用最广泛的一种设备[10]。根据分选介质的不 同，磁选设备可以分为干式与湿式两种磁选机，干式磁选机相比湿式磁选机发展较 缓慢，湿式磁选机具有较好的分选品位。但湿式磁选机机身笨重、配套设施多、用 水量大，所以存在占地面积大、能耗高、安全性低、浪费资源的缺点。而干式磁选 机设备结构简单、生产成本低、运转安全可靠，并且，相较于电磁磁选设备，永磁 磁选不需要冷却系统，具有操作维护方便、机体较轻、性能稳定和节省能耗等优点 [1113]。所以在我国干旱少雨，水资源匮乏的西北部地区，如能提高磁选机分选品 位，干式永磁筒式磁选机将具有极为广阔的发展前景。 1.2 磁选机国内外发展现状磁选机国内外发展现状 1.2.1 磁选机国外发展现状磁选机国外发展现状 国外学者对磁选技术的研究起源于十九世纪，Ball、Norton、Edison 等国外研究 团体在磁选试验中偶然发现，在一批矿石中，强磁性大颗粒矿物在相同磁场力的作 用下可以从非磁性矿物中选别[14]。随着对这一现象研究的不断深入，1890 年， Ball-Nortony 团队利用磁性颗粒分选技术研制了第一台以电为磁源的筒式磁选设 备，从此，磁选机开始进入人们的视野[15]。到了 19 世纪末期，各国学者已经证明强 磁性矿石颗粒能够从磁性弱的颗粒中分选出来的可行性[16]，推动了磁选行业的发 展，各国学者开始了对磁选机性能的研究。到了 20 世纪 60 年代，性能稳定的永磁 材料的出现，使得永磁磁系不需要电能和冷却系统，这一性能决定了永磁磁源比电 磁磁源更具有结构简单、性能稳定、安全节能的优势，极大地促进了永磁磁选设备 的发展[1719]。1983 年，高性能永磁材料钕铁硼材料的问世，进一步加快了新的磁分 离设计理念的发展[20]。以美国埃里兹磁力公司为代表，该公司利用新型钕铁硼永磁 体研制了第一台筒体表面磁感应强度达 0.6T 的稀土磁系筒式磁选机，加以推广使 用。1995 年，德国科研团队为了解决磁选卸料困难的问题，研制了“Permos”鼓式 磁选机，该磁选机利用钕铁硼永磁棒制造磁系，通过磁棒不断变换磁体极性，改善 了出料问题[21]。近年来随着磁选技术的不断发展，弱磁场磁选机、中磁场磁选机、 强磁场磁选机、高梯度磁选机相继问世，为磁选行业带来了便利。 1969 年 MEA 公司研制了第一台用于工业的高梯度磁选机[22]。目前，高梯度磁选 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -3- 机作为现代磁选的重要标志，主要通过磁介质与颗粒的相互作用来提高磁场力和磁 选机的处理能力，用于微细粒级矿物的分选问题，国内外学者对高梯度磁选机做了 大量的理论、工作研究，但由于国内多种类型的高梯度磁选机多采用电磁激励方 式，存在耗电大，结构复杂的缺陷，目前选矿厂应用的高梯度磁选机主要有 Sala 磁 选机、VMS 磁选机、SLON 磁选机[23,24]。近年来，运用超导技术成为磁选行业的一项 重大突破，利用超导技术，捷克布拉格制冷工程研究所自主研发了第一台超导磁选 机[25]。伴随着超导技术的兴起，美国、英国等国家纷纷投入到超导磁选机的研制， 十年内世界各国研制的各类型超导磁选机约有 20 多种，并且很多已获得专利，并于 1986 年先后投入使用。而在超导磁选机的发展史上，英国 OFXOED 仪表公司研制的 低温磁系为超导高梯度磁选机的发展做出了重要贡献，相比于高梯度磁选机，精矿 品位有很大提升且回收率提高 10[26]。目前市场上已经出现了筒式往复式新型超导 磁选机，也出现了超导线圈改装的常规高梯度磁选机，具有不错的发展前景[27]。 1.2.2 磁选机国内发展现状磁选机国内发展现状 相比于国外对磁选机的研究进程，我国对磁选机的研究起步较晚。20 世纪 60 年 代，我国研制了第一台应用于贫锰矿的辊式磁选机，磁选机研制工作在国内逐渐兴起。 而随着电磁磁系被价格低廉，原料充足的铁氧铁磁铁磁系取代之后，加快了我国永磁磁 选机的研究进程。以沈阳矿务局为代表，研发了第一台永磁筒式磁选机，推动了永磁弱 磁选机在国内选矿行业的应用。随着研究的不断深入，在 1965 年，我国研发出以锶铁 氧体为磁系的湿式磁选机，并在本钢南芬选矿厂试验成功，从此，电磁弱磁选开始被永 磁弱磁选代替，逐渐成为各选矿厂的主要应用设备[28]。到了 20 世纪70 年代，由于选矿 品位的问题，用于细粒级强磁性矿石富集及除去物料中强磁性杂质和铁屑的干式磁选机 逐渐被湿式磁选机代替[29]。 而随着湿式磁选技术的发展，磁力脱水槽、磁选柱成为主要的新型设备得以推广使 用。CT 系列成为湿式永磁磁选机的主流设备，为了增加 CT 系列永磁筒式磁选机的磁场 强度，国内研发人员将高性能的永磁材料钕铁硼与铁氧体组成复合磁系，使磁滚筒表面 磁场强度达到 160KA/m，增加了设备处理量并拥有不错的分选效果[30]。但在实际的生产 应用中经常会有磁漏现象发生，面对此种问题，包头新材料应用设计研究院研制出了 BX 系列永磁磁选机，该磁选机能够有效剔除精矿中的脉石和贫连生体，提高分选品 位，并于 2003 年包钢选矿厂验证表明，精矿品位可提高 2.07，尾矿品位可降低 1.55，带来了巨大的经济效益，如今也受到不少选矿企业的青睐。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -4- 随着国内研究人员对磁选机研究的不断深入，中磁场磁选机，强磁场磁选机也不断 更新换代，分选效果逐渐提高。以广州有色金属研究院的 DYC 带式中磁场磁选机为代 表，该设备结构简单、操作方便，表面与磁系贴合，适用于钛铁矿和假性赤铁矿石的分 选，能够提高磁场强度增加回收率，在降低成本的同时增强了安全系数。针对强磁场磁 选机磁场强度不足的问题，在 2002 年，长沙矿冶研究院发明了广义分选空间湿式永磁 强磁选机，为分选-6mm 弱磁性矿物提供了有利条件，并于 2015 年针对微细粒弱磁性矿 物研制了湿式永磁辊式强磁选机[31]，进一步推动了湿式磁选机的发展。而随着磁选技术 深入研究，高梯度磁选机因其节能高效的优势逐渐成为主流设备，以赣州金环磁选设备 有限公司的 SLON 立环脉动高梯度磁选机为代表，该设备性能优异，相比于旧式 SLON 磁 选机处理量可提高约 40，回收率提高 20，尾矿铁品位下降 3-7[32]。近年来，超导材 料的兴起促进了超导磁选机的发展，我国对超导磁选工艺的研究进程比较缓慢，大多采 用水平往复串罐式运转的超导磁选机，但存在着处理量较低，控制系统复杂的缺点，为 了改善此问题，赣州金环磁选设备有限公司利用超导磁体作为磁系，制造了背景磁场强 度远超于普通磁场强度的高梯度磁选设备[33]。 近年来高性能稀土永磁材料的大规模应用，加快了永磁磁选设备的研究进程，随着 稀土材料的发展和环保意识的提高。未来，在磁选工艺中引入超导技术用于矿石选别将 成为新的发展方向，同时，也标志着磁选设备将向着专用化、高效化特别是节能环保的 方向发展，提高分选精度，降低生产成本将作为市场竞争的焦点。 1.2.3 磁选技术国内外发展现状磁选技术国内外发展现状 瑞典对于磁选工艺及设备的研究有着较为丰富的经验，萨拉公司在 19 世纪研制 出第一台筒式磁选机之后，在 19 世纪 50 年代，弱磁场磁选机得到了快速发展，到 了本世纪 20 年代，国内外各种磁选设备层出不穷，磁力滚筒、永磁辊式强磁选机、 高梯度磁选机等[3436]。近代各种选矿技术基本已经成型，形成了系统的选矿理论和 科学体系，选矿技术已从一门纯工程技术向工程科学转化，而在这期间，磁选技术 的发展起到了重要的推动作用。 磁选工艺的发展主要体现在以下三个方面。1）磁源的发展从利用电磁技术研制的 磁选机使磁选设备进入大众视野之后，弱磁选技术得到了发展。随着永磁材料的发现到 钕铁硼等性能优良的稀土材料的大规模应用，进一步推动了永磁强磁场磁选设备的发 展。2）引入导磁介质产生高梯度磁场1990 年，美国公司率先将永磁材料钕铁硼与磁 导率较高的工程纯铁交替排列组合，研制的 High-Force 型永磁辊式强磁选机，磁场梯 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -5- 度大，场强最高可达 2.2T，成为了当时强磁选机研究制造过程中突破最大的研究成 果，推动了高梯度磁选技术的发展[37,38]。在国内，马鞍山矿冶研究院利用此技术在 2002 年研制了 YCG 系列永磁辊式强磁选机，辊表面磁场强度可达 1.3T，能够处理 30-50mm 的矿石颗粒，并且具有优良的分选效果[39,40]。2018 年，成磊,史佩伟等人研制了一种开 放磁系永磁湿式高梯度磁选机，能够在筒体表面产生超过 8000Gs 的磁场强度，磁场梯 度更是比常规开放磁系提高了 10 倍以上，并且具有良好的分选效果[41]。3）新型磁路设 计也就是在新型材料研发的基础上根据实际的工艺要求进行磁路设计。加拿大和美国 等国家对这方面的研究起步较早，且多集中于磁选的机理性研究，磁选工艺都具有细磨 深选的特点，美国埃里兹磁力公司针对磁选过程中的磁漏现象进行了多次磁路设计，最 有效的方法是在磁极之间加入了相同极性的辅助磁极，并在磁滚筒外侧配置一组极性相 反的辅助磁极，经检测，该方法使磁漏现象减弱，同时使磁场深度得以提高。20 世纪 初，包头新材料研究所在德国 KHD 公司所研制的“PERMOS”磁系的基础上，研制了 BX 系列永磁磁选机，该磁选机的磁系由异型磁块挤压而成，磁极极性呈一定角度变化，使 产生的磁力线径向磁力高，周向磁力小，不但具有合理的磁场强度和磁场深度，还能够 最大限度的消除造成分选指标下降的切向力[4244]，该设备在选矿行业得到广泛应用。 磁系设计作为磁选设备的核心，也是磁选设备研发的关键，分析磁选机分选腔内的 磁系磁场分布，对确定磁块尺寸和形状、磁块间隙以及矿粒早分选空间内的受力情况有 着十分重要的意义。国内外学者对如何提升磁选机处理能力、提高分选品位、增强设备 可靠性等方面做了大量的研究。武汉理工大学彭会清曾在自己的博士论文中用解析法对 辊式磁选机磁场的大小及分布等方面，做出了严密的分析与计算，同时