基于仿真模擬的強(qiáng)磁選機(jī)磁系結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

賀 丹

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備約翰芬雷洗選技術(shù)設(shè)備有限公司，山西 大同 037305）

引言

強(qiáng)磁選機(jī)作為弱磁性礦物分選及非金屬礦物提純作業(yè)的重要設(shè)備，在礦物加工中占有重要地位。強(qiáng)磁選機(jī)主要分為電磁和永磁兩類[1]。電磁設(shè)備需要消耗大量的電能來產(chǎn)生高強(qiáng)度磁場，但線圈容易發(fā)熱且整機(jī)設(shè)計(jì)復(fù)雜、笨重，較易出現(xiàn)故障；而永磁強(qiáng)磁選機(jī)內(nèi)部是采用高剩磁，高矯頑力的特殊永磁體“釹鐵硼”等材料組成復(fù)合磁系結(jié)構(gòu)，具有無電耗、磁力強(qiáng)且持久、安裝方便易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在氧化鐵礦等弱磁性礦物分選領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2-3]。但隨著礦物資源的日益枯竭，所選礦石的貧化、雜化程度也逐漸增大，現(xiàn)有永磁強(qiáng)磁選機(jī)的磁場強(qiáng)度無法滿足分選要求，為解決這一問題，本文深入分析現(xiàn)有永磁強(qiáng)磁選機(jī)的磁系結(jié)構(gòu)并對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1 傳統(tǒng)強(qiáng)磁選機(jī)的磁系結(jié)構(gòu)

強(qiáng)磁選機(jī)的磁性特征由其內(nèi)部的磁系結(jié)構(gòu)決定，合理的磁系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使磁選機(jī)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場梯度得到大幅提升，充分發(fā)揮對較粗弱磁性礦物顆粒的分選能力[4-6]。

1.1 磁系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

常規(guī)強(qiáng)磁選機(jī)磁系結(jié)構(gòu)為擠壓磁系，即N級、S級分別對級布置。該種磁系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是磁極間分布有導(dǎo)磁介質(zhì)，可以將磁場擠壓到空氣中，隨后磁場沿著導(dǎo)磁介質(zhì)分布的位置形成強(qiáng)磁場區(qū)域，其磁場強(qiáng)度相較于普通的開放式磁系結(jié)構(gòu)提升了很多，同時(shí)，擠壓磁系的磁性不會沿圓周方向改變，防止了磁翻滾現(xiàn)象的發(fā)生，可以保留住大量的磁性礦物，因此更適用于弱磁性礦物的分選[7-8]。但目前只有當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到0.8 T以上，且磁場作用深度較好時(shí)，才能充分預(yù)選出粗顆粒弱磁性礦物，而常規(guī)磁系結(jié)構(gòu)的磁場特性并不能提供這樣的強(qiáng)度。

1.2 磁場仿真模擬

傳統(tǒng)擠壓磁系結(jié)構(gòu)為兩個(gè)同極性磁極擠壓在導(dǎo)磁板兩邊構(gòu)成，擠壓產(chǎn)生的磁力沿軸向交替?zhèn)鬟f，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)磁系結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可以看出，導(dǎo)磁板上下兩端為自由面，磁力會從兩端向外發(fā)散，在磁系結(jié)構(gòu)外部也形成磁場，其磁場的仿真模擬如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)磁系磁場模擬圖

由圖2可知，傳統(tǒng)擠壓磁系結(jié)構(gòu)的磁場在內(nèi)外分布的情況相近，均存在較高密度的磁場線。為了更直觀地分析傳統(tǒng)磁系結(jié)構(gòu)磁場強(qiáng)度的分布特征，沿軸向提取磁系的磁通密度值繪制成磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線，如下頁圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)磁系磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

由圖3可知，在距磁系表面5 mm處的磁場強(qiáng)度高達(dá)1 T以上，但隨著距離增加，磁場的衰減程度也較明顯，在15 mm處的磁場強(qiáng)度值降至500 mT左右，降低了一半之多，而在50 mm處僅有50 mT左右。由此可以得出，傳統(tǒng)擠壓磁系的特點(diǎn)為近高遠(yuǎn)低且衰減較快，這就導(dǎo)致了該種磁系結(jié)構(gòu)僅有近表磁場可以滿足分選要求，其分選空間較小，且不足以分選較大的礦物顆粒。

2 磁系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

由以上分析可知，擠壓磁系結(jié)構(gòu)要想能分選大顆粒礦物，必須具有足夠的磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)作用深度。而導(dǎo)磁板是決定該磁系結(jié)構(gòu)磁場強(qiáng)度和作用深度的重要因素之一，可通過調(diào)整導(dǎo)磁板來對磁系結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 導(dǎo)磁板長度優(yōu)化分析

導(dǎo)磁板的結(jié)構(gòu)直接影響到擠壓磁系磁力線的傳導(dǎo)效果，導(dǎo)磁板結(jié)構(gòu)包括其長度和寬度，首先對其長度進(jìn)行優(yōu)化分析。為了降低磁系結(jié)構(gòu)的磁能浪費(fèi)，將導(dǎo)磁板下端向上調(diào)整，減小了其徑向長度，如圖4所示。

圖4 新型磁系結(jié)構(gòu)示意圖

新型磁系結(jié)構(gòu)與常規(guī)磁系結(jié)構(gòu)相比，改變了導(dǎo)磁板尺寸及配合方式。通過模擬仿真了新型磁系結(jié)構(gòu)的磁場分布特征，如圖5所示。

由圖5可知，新型磁系結(jié)構(gòu)的內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁場強(qiáng)度）相對降低，但磁系的外部磁場卻有明顯的提高，這說明調(diào)整導(dǎo)磁板結(jié)構(gòu)后，磁系表面的磁場強(qiáng)度得到了提升，增大了分選空間和分選能力。

圖5 新型磁系磁場模擬圖

為了分析導(dǎo)磁板長度H1對磁系磁場強(qiáng)度的影響，設(shè)定了一組滿足粗粒礦物分選的磁系結(jié)構(gòu)參數(shù)，主磁極場長度H=88 mm，主磁極寬度W=46 mm，導(dǎo)磁板厚度W1=15 mm，然后模擬了不同導(dǎo)磁板長度下的磁系磁場強(qiáng)度，得到了相應(yīng)的磁場強(qiáng)度變化曲線，如圖6所示。

圖6 導(dǎo)磁板長度對磁場強(qiáng)度的影響

有圖6可知，隨著導(dǎo)磁板長度H1的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在導(dǎo)磁板長度約為45 mm時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度最高，隨后開始逐漸下降，但曲線整體下降的幅度要低于上升的幅度，也就是說當(dāng)導(dǎo)磁板長度H1：主磁極長度H為0.5～0.65時(shí)，磁系結(jié)構(gòu)的磁感應(yīng)強(qiáng)度較高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)椋?dāng)導(dǎo)磁板長度H1較小時(shí)，導(dǎo)磁介質(zhì)的分布空間也較小，無法較好地傳到磁力線，主磁極擠壓磁場產(chǎn)生的磁能也就不能充分地集中擴(kuò)散，使得磁系結(jié)構(gòu)表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度較低，而當(dāng)導(dǎo)磁板長度H1在合理尺寸范圍內(nèi)（45~50 mm）時(shí)，可以較充分地傳導(dǎo)主磁極磁力線，磁系表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度也較高，若導(dǎo)磁板長度H1長度超過合理范圍，主磁極的擠壓磁能向外發(fā)散過多，導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度開始逐漸降低。

通過模擬對比在其他磁系結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的條件下，原擠壓磁系結(jié)構(gòu)和優(yōu)化導(dǎo)磁板長度后擠壓磁系結(jié)構(gòu)的磁場強(qiáng)度分布情況，如下頁圖7所示。

由圖7可知，優(yōu)化后的擠壓磁系結(jié)構(gòu)的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度相比原擠壓磁系結(jié)構(gòu)提高了12.1%，另外，在磁極表面（距磁極中心10 mm處）的磁感應(yīng)強(qiáng)度也提高了6.2%。

圖7 徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度對比曲線

2.2 導(dǎo)磁板寬度比例分析

導(dǎo)磁板長度得到確定后，需對導(dǎo)磁板的寬度進(jìn)行分析，由于磁系的磁力線是沿著軸向傳遞的，磁場強(qiáng)度和磁場作用深度受導(dǎo)磁板寬度W1和主磁極寬度W的共同影響，因此需優(yōu)化分析出合理的寬度比例。將導(dǎo)磁板的位置固定，設(shè)定導(dǎo)磁板長度H1、主磁極長度H及主磁極寬度W等參數(shù)不變，只調(diào)整導(dǎo)磁板寬度W1，分別設(shè)置W1∶W為1∶3、1∶4、1∶5的三種擠壓磁系進(jìn)行對比分析。

上節(jié)分析中得出導(dǎo)磁板長度H1與主磁極長度H的比值為0.5～0.65時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度較高，為了避免主磁極和導(dǎo)磁板長度對磁場強(qiáng)度的影響，將H和H1統(tǒng)一設(shè)定為80 mm、45 mm，則三種寬度比例磁系的參數(shù)見表1所示。

表1 不同寬度比例磁極參數(shù)

通過仿真模擬對比分析不同比例磁系的磁場衰減程度，其磁場衰減曲線如圖8所示。

由圖8可知，距離范圍為0~10 m時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的大小情況為：1∶5磁系＞1∶4磁系＞1∶3磁系，也就是說在磁系表面和近距離區(qū)域內(nèi)，1∶5磁系的磁感應(yīng)強(qiáng)度較高，這表明導(dǎo)磁板寬度與主磁極寬度之比較小時(shí)，可明顯提高磁系表面區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度。而距離為10~80 mm時(shí)，其磁場強(qiáng)度大小的排列情況與0~10 m時(shí)相反，說明導(dǎo)磁板寬度和主磁極寬度的比值較小時(shí)，雖然磁系近表面區(qū)域的磁場強(qiáng)度得到了提高，但隨著距離的增加，較遠(yuǎn)區(qū)域的磁場強(qiáng)度提升卻不明顯，即隨著比例的增加，磁場作用的深度會逐漸變?nèi)酢?∶3磁系的磁場作用深度較高，但近表面區(qū)域的磁場強(qiáng)度較低，不足以分選粗顆粒礦物。

圖8 磁場衰減曲線對比圖

因此，總體來看，當(dāng)導(dǎo)磁板寬度和主磁極寬度比例為1∶4時(shí)的磁場分布情況較好，其近表面區(qū)域的磁場強(qiáng)度均在1 T以上，同時(shí)還具有較高的磁場作用深度。

3 結(jié)論

1）傳統(tǒng)擠壓磁系結(jié)構(gòu)的磁能浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，不利于粗顆粒弱磁性礦物的分選，通過改變導(dǎo)磁板尺寸優(yōu)化了磁系結(jié)構(gòu)，提高了磁能利用率，使得磁系的磁場強(qiáng)度及磁場作用深度都得到了明顯的提高。

2）通過仿真模擬對新型磁系結(jié)構(gòu)的導(dǎo)磁板長度及寬度進(jìn)行可優(yōu)化分析，結(jié)果得出，當(dāng)導(dǎo)磁板長度與主磁極長度的比值為0.5～0.65時(shí)，磁系結(jié)構(gòu)的磁感應(yīng)強(qiáng)度較高，當(dāng)導(dǎo)磁板寬度與主磁極寬度之比為1∶4時(shí)，其磁場強(qiáng)度和磁場作用深度均較好。