高梯度磁分離技術在液壓油凈化中的研究

， (北京化工大學 機電工程學院, 北京　100029)

引言

介紹了利用高梯度磁分離技術去除液壓油中鐵磁性顆粒的方法。目前高梯度磁分離技術已經應用到凈化工業廢水、控制大氣污染、金屬礦的分選等領域[1-3]。高梯度磁分離技術主要有永磁分離和電磁分離兩種方法，電磁分離需要持續通電，耗費能源較大，同時通電時會產生較大的熱量，需采用有效的冷卻系統來降低試驗溫度，故試驗采用永磁分離的方法，簡單方便。試驗中，永久磁鐵堆積成海爾貝克陣列，從而在永久磁鐵堆積的空間內產生較強穩定磁場, 當液壓油中污染物濃度達到一定程度時將會對系統造成磨損等破壞，通過高梯度磁分離技術可以去除液壓油中的大部分磁性顆粒使得液壓系統可以正常工作。在液壓系統工作過程中由于鐵磁性顆粒所受到的磁場力大于其所受到的拖曳力而吸附到聚磁介質上，達到與液壓油分離的目的。

1　原理

1.1　受力分析

不同物質在磁場中分別體現為鐵磁、順磁和抗磁三種特性。該實驗分離的目標顆粒為鐵磁性顆粒(Fe3O4)。Fe3O4顆粒在隨著液壓油的流動的過程中同時受到磁力和拖曳力。公式(1)和公式(2)分別代表Fe3O4所受到的磁力和拖曳力[4]：

▽H

(1)

FD=6πηr(Vf-Vp)

(2)

M=χH

(3)

式中，FM代表磁力，N；FD代表拖曳力，N；r代表粒子半徑，m；M代表磁化強度，A/m；H代表磁場強度，A/m；η代表黏度，Pa·s；Vr代表流體流速，m/s；Vp代表粒子流速，m/s；χ代表球形Fe3O4顆粒的磁化系數，由于Fe3O4顆粒為鐵磁性顆粒，故為3。

1.2　海爾貝克陣列

圓柱過濾空間是由永久磁鐵堆積成海爾貝克陣列而構成的，磁鐵采用立方體形狀，均勻固定到鋁板上。圖1表示每層磁鐵在鋁板上的布置圖以及磁場空間的磁場分布圖。磁鐵陣列有m=4層，每層有n=12塊立方體磁鐵，磁鐵是邊長為40 mm的立方體，每層磁鐵環中相鄰兩塊磁鐵的磁化方向變化量為60°，由于每層有12塊磁鐵，磁化方向的總變化量為720°，這樣做的目的是為了保證過濾空間內磁場強度均勻分布。黑色實線代表磁鐵的磁化方向，箭頭的指向為N級，反方向即為S級。黑色虛線箭頭表示磁場空間的磁場方向。x為磁場空間中心沿過濾空間軸線的坐標，單位是mm。當n>4時，空間內磁場的計算公式可由公式(4)近似表示[5]：

(4)

其中,

式中，Br代表釹鐵硼磁鐵的剩磁，購買的釹鐵硼磁鐵型號為N50，剩磁為1.4 T；si代表過濾空間中心(x=0)沿過濾空間軸線到各個磁鐵環中心的距離，mm；r代表過濾空間中心沿圓柱截面到磁鐵中心的距離，mm。

圖1　磁鐵在鋁板上的布置

2　液壓系統設計

2.1　液壓回路設計

目前評價液壓系統過濾器性能的試驗主要有單次和多次通過兩種不同的方法。單次通過指的是加入液壓系統的污染物只通過過濾器一次，多次通過是指連續向油箱中加入污染物，油液從油箱流出，通過過濾器然后返回油箱中，并多次循環通過過濾器。為了更可能接近過濾器的實際工作條件(外界污染物不斷侵入系統)和更加良好的重復性，故采用多次通過的方法進行測試。

圖2為高梯度磁過濾器性能試驗系統圖。試驗采用的油箱體積為30 L，油液為32號的汽輪機油，選用的油泵為齒輪泵，公稱壓力為1.6 MPa，額定流量為33 L/min，并采用配套的電機。通過改變閥門6和8的開度，利用燒杯和秒表的讀數得到通過磁過濾器油液的流量。取樣閥11和12的作用是分別取出上下游一定量的油樣進行顆粒濃度測試，從而得到過濾效率。

1.溫度計　2.試驗油箱　3.電機　4.油泵　5～8.開關閥 9.壓力表　10.磁過濾器　11、12.取樣閥　13.減壓閥

2.2　磁過濾器設計安裝

磁過濾器由磁鐵陣列和過濾空間構成。如圖1所示，永久磁鐵分別固定在圓環形鋁板上，由于安裝過程中相鄰磁鐵之間的引力較大，固定比較困難，在這里借助螺柱螺母的緊固作用將磁鐵固定在鋁板上。圖3a為單層磁鐵的安裝圖，裝上第一層后按照同樣的方法進行其它層的安裝，圖3b為四層磁鐵全部安裝后的布置。鋁板的厚度為10 mm，開槽深度為9 mm，這樣做的目的是為了方便固定磁鐵。鋁板上開了8個通孔，通孔直徑為10 mm，通過8根拉桿實現各層鋁板之間的固定，鋁板的內外徑分別為135 mm和255 mm[6]。圖4表示過濾空間內磁場大小的理論計算值和實際測量值。理論計算值是由公式(4)得到的，而實際值是通過霍爾傳感器測量得到的。該實驗中由于每層永久磁鐵之間有縫隙，同時上下層磁鐵有一定的距離，磁場實際測量值與理論計算值有一定的差距，大概在20%左右。

圖3　磁鐵的安裝

圖4　理論值和測量值

磁場中的過濾空間由鋁制圓筒及其兩端螺紋蓋構成，圓筒的外徑為134 mm，壁厚為3 mm，高度為200 mm，與m層磁鐵的高度相對應。螺紋蓋中間設置通孔接頭，以便與液壓系統的管路相連。在圓筒內部填充聚磁介質，材料為SUS430，它是一種鐵素體不銹鋼，絲徑為50 μm到60 μm，其填充率在5%到10%為宜[7]。聚磁介質放置在磁場中被磁化，其表面能夠產生高梯度磁場，使得Fe3O4顆粒在流動過程中吸附到聚磁介質上，達到與液壓油分離的目的。

3　實驗儀器與材料

3.1　取樣瓶

試驗過程中需要取樣以便分析磁過濾器進、出口油液中的顆粒含量，計算磁過濾器的分離效率。取樣瓶必須清洗干凈并烘干后使用。

3.2　天平

試驗過程中需要稱量磁性顆粒污染物的重量。由于所添加的磁性顆粒污染物的量級為幾百毫克，稱量顆粒污染物使用的天平量程為200 g，精度為0.1 mg，可以滿足使用要求。

3.3　自動顆粒計數器

自動顆粒計數器可以測量單位體積(每100 mL)的油液中不同尺寸(5、15、25、50、100) μm顆粒的數量，通過上下游不同尺寸的顆粒數可以得到各個尺寸顆粒的分離效率。

3.4　試驗污染物

試驗中選用的污染物為Fe3O4顆粒，它是一種常用的磁性材料。它相對于Fe2O3更容易被吸附，試驗效果更加顯著。

4　評價磁性過濾器的性能

如表1～表3，實驗上游基礎濃度為15 mg/L，污染物為Fe3O4粉末，粒徑為325目(經過325目篩網篩選的分離效果為98%)，相當于45 μm。實驗中通過改變聚磁介質的填充度、流體的流速進行不同的實驗對比。表1至表3為在填充度為8%，流速分別為3 L/min、5 L/min和10 L/min的情況下的分離效率。由于過濾空間容積為3 L，為了保證上下游取樣更接近，在3 L/min、5 L/min和10 L/min三種情況下，上下游的取樣時間間隔分別為60 s、36 s和18 s。

表1　流量為3 L/min的分離情況

表2　流量為5 L/min的分離情況

表3　流量為10 L/min的分離情況

通過對比以上表格可以看出流量在3 L/min和5 L/min 的情況下，過濾效率相對穩定，維持在較高的數值，可達90%左右。當流量達到10 L/min時，分離效率有所下降，在70%到80%。

5　結論

具體闡述了利用高梯度磁分離技術去除液壓油中鐵磁性顆粒的方法，包括液壓回路和磁過濾器的具體設計、磁場的計算與測量以及通過改變聚磁介質的填充率以及流體流速等參數來進行不同的實驗。在流速較低的情況下隨著流速的增加，分離效率幾乎不變，當流速上升到一定程度時，分離效率有所下降。該試驗利用海爾貝克陣列的方法，在過濾空間內產生單向穩定磁場并加入聚磁介質，磁性顆粒隨著液壓油的流動由于受到磁場力的作用,從而吸附到聚磁介質上，達到分離的效果，由于永久磁鐵產生的磁場大小有限，流量不易過高，需要控制在10 L/min以下。當聚磁介質從過濾空間內取出后，磁場消失，吸附到聚磁介質上的磁性顆粒很容易脫落，用煤油清洗之后可重復使用，而市場上的一般濾芯需要定期更換，屬于不可再利用元件。該實驗中由于永久磁鐵之間有縫隙，磁場實際測量值與理論計算值有一定的差距。在以后的研究可以進一步改變磁鐵的布置來達到更強的磁場，從而增加液壓油的處理量，利用海爾貝克陣列產生的磁場運用到液壓油凈化上會有較好的前景。

參考文獻：

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