基于ANSYS的高梯度磁選機磁場特性影響因素分析

鄭霞裕 李茂林，2 崔 瑞 郭娜娜

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院;2.長沙礦冶研究院有限責任公司)

高梯度磁選機的2大關鍵部分是背景磁場和磁介質。背景磁場提供分選所需的磁場強度，磁介質產生高磁場梯度，因而高梯度磁選機中磁介質的磁場特性對磁選機的選別性能影響很大［1］。磁場特性除了受單根磁介質特性的影響，還受磁介質排列組合方式的影響。大量的研究表明，合適的磁介質排列組合方式有利于改善分選效果、提高分選指標。

筆者利用ANSYS軟件模擬了不同磁介質排列組合方式下的磁介質區域磁場特征，并對排列組合方式進行了優選。

1 磁介質排列方式對區域磁場特征的影響

高梯度磁選機中介質的排列方式可以有多種，最常見的是上下對齊排列和上下間隔(錯位)排列。在磁介質充填率相同的情況下，ANSYS模擬的磁介質上下對齊排列和上下間隔排列的磁場磁力線圖見圖1(背景磁場的方向為上下方向，下同)，磁場強度等值圖見圖2，圖中圓圈表示圓柱狀磁介質的截面，直徑為2 mm，背景磁場強度為3.98×105A/m。

從圖1可以看出，磁力線在遠離磁介質的區域近乎直線，在靠近磁介質的區域彎向磁介質，并以接近90°的角度進入和穿出磁介質;磁介質內部磁力線密集，越遠離磁介質越稀疏，這就產生了磁場梯度。

圖1 圓柱狀磁介質上下對齊與上下間隔排列的磁力線圖

圖2 圓柱狀磁介質上下對齊與上下間隔排列磁場強度等值圖

從圖1還可以看出，磁介質上下對齊排列區與間隔排列區的磁場分布差異較大。圖1(a)中間部分有代表性的磁介質周圍的磁力線在介質的上下部相對集中，因而磁場也較強;圖1(b)中間部分有代表性的磁介質周圍的磁力線在介質的上下部也相對集中，但集中程度不及圖1(a)中的磁介質上下部，因而該排列方式下磁介質周圍的磁場分布相對均勻;圖1(a)中有部分磁力線沒有穿過磁介質而直接貫穿介質區，這部分磁力線對于高梯度磁選所要求的磁場梯度沒有貢獻(這種磁力線的多少與介質充填率有關)，但圖1(b)中則沒有這種磁力線。

從圖2可以看出，磁介質上下對齊排列區與間隔排列區的磁場強度大小變化范圍基本一致:磁場最強區的磁場強度差別很小，分別為7.41×105A/m和7.47×105A/m;最弱區的磁場強度也非常接近，分別為6.01 A/m和6.03 A/m。說明2種排列方式下磁介質上下部分附近的磁場強度及磁場梯度大小基本相同，即磁介質的捕集范圍和每個磁介質能夠聚集的磁性顆粒數也基本相同。

從圖2還可以看出，圖2(a)中左右相鄰磁介質之間區域的磁場強度和磁場梯度都很小，如果介質的捕集作用不足以將這一區域的磁性顆粒捕捉，則這部分磁性顆粒將一直沿著該區域運動，直至離開分選區，這無疑對分選不利;而按上下間隔方式排列磁介質則發生這種情況的概率要小得多。

2 磁介質充填率對區域磁場特征的影響

磁介質充填率是高梯度磁選機的重要的參數，是表示單位截面積內磁介質數量的物理量，是磁介質間距離的具體表征。為了方便，本研究固定磁介質縱向距離(圓心距)為4 mm，以磁介質橫向距離6、4、3、2.4 mm為例，研究了上下間隔排列的這4種磁介質充填率下的磁場強度特征，其磁場強度等值圖見圖3，圖中圓圈表示圓柱狀磁介質的截面，直徑為2 mm，背景磁場強度為3.98×105A/m。

從圖3可以看出，隨著磁介質充填率的增大，分選區中高磁場強度區域的面積也隨之增大，但區域內最大磁場強度隨著充填率的增大而減小，圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)中介質周圍的最大磁場強度依次為7.48 ×105、7.25 ×105、7.04 ×105、6.77×105A/m。由于磁性顆粒所受磁力與多種因素有關［2］，其中磁場強度及磁場梯度(HgradH)是主要正相關因素，隨著磁場強度的減小，磁性顆粒所受磁力也將會減小。

圖3 不同磁介質充填率下的磁場強度等值圖

對于周期式高梯度磁選機來說，當磁介質充填率較低時，由于磁性顆粒在磁場中所受的磁力與其體積成正比，因此磁介質對確定粒度的磁性顆粒的捕集力和捕集范圍就一定，如果磁介質間的水平距離過大，超過該粒度磁性顆粒的捕集范圍，該粒度的磁性顆粒就不能被磁介質捕捉到。因為單根磁介質吸附的磁性顆粒總量是有限的，也就是介質對磁性顆粒的吸附有一個飽和值，低磁介質充填率意味著磁選機在1個周期內處理的原礦量較少，這會降低選別效率。當然，磁介質充填率也不是越大越好，過大的磁介質充填率會導致磁介質周圍最大磁場強度下降，磁性顆粒所受的磁力也會下降，這也會導致一部分磁性顆粒難以被介質捕集，降低磁性顆粒的回收率，而且磁介質充填率過高，流體阻力也增大，分選環境也會惡化。因此，合適的磁介質充填率對于高梯度磁選機相當重要，這需要考慮單根磁介質對所需回收的磁性顆粒的捕集作用范圍。Watson等人最先研究了單根磁介質捕集磁性顆粒的數學模型并得到了捕集半徑的一般關系式［3］。王發輝等通過Fluent軟件模擬研究了一定直徑的柱狀磁介質捕集磁性顆粒的作用半徑［4］。確定最佳介質充填率應綜合考慮介質的作用半徑及磁性物料的磁特性。

3 不同特征磁介質組合對區域磁場特征的影響

高梯度磁選機磁介質周圍的磁場梯度一般沿礦漿流動的方向逐漸增大，特定的磁性顆粒所受的磁力也增大。由于磁性顆粒所受磁力與其體積成正比，因而上部磁介質捕捉粒度較大磁性顆粒，下部磁介質捕捉粒度較小磁性顆粒。下面對如何科學、高效、低成本地實現磁介質周圍磁場梯度的這種變化進行了研究。

3.1 不同尺寸磁介質的組合

以同一種材料、橫截面直徑不同的圓柱形磁介質為對象進行了不同尺寸磁介質組合對磁場特性的影響研究。為便于分析，磁介質采用上下對齊排列方式，磁介質的直徑依次為 2、1.6、1.2、0.8 mm，背景磁場強度為3.98×105A/m。ANSYS模擬的磁介質區域磁場強度等值圖見圖4。為便于觀察和對比4種不同尺寸磁介質周圍的磁場強度及磁場梯度，以圖4中左起第3列的磁介質中心連線由下至上定義一條路徑，將磁場強度投影到該路徑中，得到的磁場強度路徑圖見圖5，其中的豎直線為磁介質的邊界。

圖4 不同尺寸磁介質組合的磁場強度等值圖

圖5 不同尺寸介質組合指定路徑的磁場強度圖

從圖4可以看出，磁介質上下部分附近的磁場強度最強，左右部分最弱;磁介質最大磁場強度達7.89×105A/m，大于排列方式及背景磁場強度相同但磁介質直徑均為2 mm的磁介質區的最大磁場強度;左右相鄰磁介質之間區域的磁場強度和磁場梯度較小。

從圖5可以看出，隨著磁介質橫截面直徑的減小，磁介質表面的最大磁場強度增大，兩相鄰磁介質間的最小磁場強度則隨之減小，因而磁介質直徑減小，其周圍的磁場梯度增大，即直徑0.8 mm的磁介質周圍磁場梯度最大。因而，在實際應用中可以根據需要選擇直徑較小的磁介質來實現所需的較高磁場梯度。

3.2 不同橫截面形狀介質的組合

磁介質橫截面的形狀對磁介質的磁場特性影響較大［5］。改變磁場梯度的另一種常用方法是采用面積相同、截面形狀不同的磁介質。圖6為橫截面為圓形和等邊三角形的磁介質組合且上下對齊排列下ANSYS模擬的磁介質區域磁場強度等值圖，圖中圓的直徑為2 mm，磁介質中心距為4 mm，背景磁場強度為3.98×105A/m。為了便于觀察和對比2種不同形狀磁介質周圍的磁場強度及磁場梯度，在圖6中選取與3.1節一樣的路徑，將磁場強度投影到該路徑中，得到的磁場強度路徑圖見圖7，其中的豎直線為磁介質的邊界。

圖6 橫截面為圓形和三角形磁介質的磁場強度等值圖

圖7 橫截面為圓形和三角形磁介質組合指定路徑的磁場強度圖

從圖6可以看出，橫截面為圓形的磁介質的上下部分附近的磁場強度比其他方位強，但磁場強度最強處在橫截面為三角形的磁介質的上角尖處，達1.06×107A/m，明顯大于排列方式及背景磁場強度相同但磁介質均為橫截面直徑為2 mm的磁介質區的最大磁場強度;左右相鄰磁介質之間區域的磁場強度和磁場梯度較小。

從圖7可以看出，橫截面為三角形的磁介質在上角尖處的磁場強度明顯大于橫截面為圓形的磁介質的最大磁場強度，且磁場梯度也較圓柱形介質大得多，但其高磁場強度區域較小;橫截面為三角形的磁介質下邊線處磁場強度遠遠低于橫截面為圓形的磁介質下部分處的磁場強度。

3.3 不同飽和磁化強度介質的組合

不同材料的磁介質，其磁場特性差別很大，影響介質磁場特性的材料因素是介質的磁化特性，可以通過介質的B－H曲線描述［6］。利用ANSYS模擬橫截面直徑均為2 mm，中心距為4 mm、但飽和磁化強度不同的2種圓柱形磁介質的磁場特性，背景磁場強度為1 T，2種介質的B－H曲線見圖8，模擬的磁場強度等值圖見圖9，在圖9中選取與3.1節一樣的路徑，將磁場強度投影到該路徑中，得到的磁場強度路徑圖見圖10。

圖8 2種不同飽和磁化強度的磁介質B－H曲線

圖9 不同飽和磁化強度磁介質的磁場強度等值圖

圖10 不同飽和磁化強度磁介質指定路徑的磁場強度圖

從圖9可以看出，下部磁介質周圍的磁場強度要比上部磁介質大得多，且下部磁介質內部磁場強度明顯低于上部磁介質內部磁場強度，根據2種介質的B－H曲線可知，介質都已達到磁飽和狀態，但下部介質的磁場強度比上部介質的磁場強度要大得多。

從圖10可以看出，高飽和磁化強度磁介質周圍的磁場強度及磁場梯度明顯大于低飽和磁化強度磁介質周圍的磁場強度及磁場梯度。

4 結論

(1)磁介質上下對齊排列與上下交替排列對其產生的磁場強度和磁場梯度基本沒影響，但上下交替排列的磁介質區的高磁場強度及高磁場梯度在空間分布上更均勻，因而更有利于對磁性顆粒的捕集。

(2)磁介質的充填率不足，磁介質的捕集范圍也就有限，磁場利用就不充分;過高的磁介質充填率不僅阻礙礦漿的正常流動，還會使磁介質周圍的磁場強度和磁場梯度降低，磁性顆粒所受磁力也會減小。因此，應根據磁介質對磁性顆粒的捕集范圍及處理物料的粒度確定合適的磁介質充填率。

(3)采用橫截面積更小的磁介質、選取橫截面為三角形的磁介質、選取更大飽和磁化強度的磁介質都能有效地提高磁介質周圍的磁場強度及磁場梯度，產生多梯度磁場，優化磁選條件。

［1］ 李文博，韓躍新，湯玉和，等.高梯度磁選機聚磁介質的研究概況及發展趨勢［J］.金屬礦山，2012(9):129-133.

［2］ 謝 強.梯度磁場中磁性礦粒所受磁力及影響因素［J］.金屬礦山，2001(1):26-27.

［3］ Watson J H P.Magnetic filtration［J］.Appl Phys，1973(9):4209-4213.

［4］ 王法輝，王秀芳，張 丹.高梯度磁場中多根磁介質捕集磁性微粒的數值模擬［J］.金屬礦山，2012(2):103-106.

［5］ 翟宏新.高梯度磁分離設備的介質體新結構［J］.過濾與分離，1994(1):16-20.

［6］ 徐建成.鋼毛磁化狀態對磁選的影響［J］.有色金屬，1995(4):38-42.