磁選機磁系仿真及優化研究

張 健

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.唐山國選精煤有限責任公司，河北 唐山 063012；3.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012)

弱磁場磁選機一般指磁極表面的磁場強度(H0)在80～120 kA/m之間，磁場力在3×105～6×105kA2/m3之間的磁選設備。在弱磁場磁選設備中，筒式磁選機廣泛應用于磁鐵礦、磁赤鐵礦、磁黃鐵礦等強磁性礦物的提純及選煤用磁性介質的回收等。該磁選機主要由磁系、筒體、槽體、機架和驅動裝置組成，磁系作為核心部件對磁選機的磁性物回收率有著決定性作用。磁系主要由永磁材料組成，通過一定的空間布置并固定，形成一定強度及范圍的永久磁場。由于永磁鐵氧體材料剩磁高，矯頑力大，能量密度較高且較為廉價，故目前市場上的弱磁場磁選機磁系一般選用鐵氧體材質，剩磁約在0.38～0.42 T之間，年退磁率小于1%。

除了磁系材料對磁系的磁場分布及強度影響較大外，磁系中磁極的布置方式亦對磁系的磁場分布及強度有較大的影響。傳統的筒式磁選機磁極數為5極或7極，極性沿周向交替變化，沿軸向極性相同，磁系包角在106°～135°之間，磁極間隙較大，磁場強度較低且周向磁場不均勻，故其磁性物回收率和磁選效率均較低。為了提高生產能力和分選效果，美國ERIEZ公司在主磁極之間增加輔助磁極，并將主、輔助磁極按照海爾貝克陣列的方式排布，增加了磁場的強度和作用深度，表面磁場強度可達179 mT，周向磁場更加均勻，從而提高了磁性物回收率；沈陽隆基電磁科技股份有限公司在磁系掃選區增加了高剩磁、高矯頑力的釹鐵硼材料，使掃選區磁場強度達到200 mT以上，有效提高了磁性物回收率，但釹鐵硼材料較為昂貴，導致該磁選機成本較高；天地(唐山)礦業科技有限公司生產的TDC系列磁選機在傳統磁選機的基礎上，增加了磁極數量，并利用磁極擠壓聚磁技術，采用常規性能的磁性材料獲得了高強度的磁場，磁性物回收率達到了99.9%以上。

磁系作為磁選機產生磁場的核心部件，其磁場的強度及梯度直接影響到磁性顆粒的比磁力及回收率，因此對磁選機磁系結構進行優化研究具有重要意義。鑒于磁系在磁選過程中的重要作用，利用計算機軟件對磁系進行仿真優化。

1 磁選原理

磁選是在不均勻的磁場中利用礦物之間的磁性差異實現礦物分離的一種分選方法[1-2]。礦物進入分選空間后，受到磁力、重力、浮力、離心力、流體阻力等共同作用，磁性介質被成功分選的必要條件是：作用在磁性介質上的磁力必須大于所有與磁力作用方向相反的機械力的合力，同時作用在弱磁性或非磁性顆粒上的作用力必須小于機械力的合力[3-4]。在磁選中常用到比磁力的概念，即單位質量顆粒所受到的磁力，其計算公式為[5]：

f=F/m=μ0χHgradH=χBgradB/μ0，

(1)

式中：f為比磁力，m/s2；F為作用在顆粒上的磁力，N；m為顆粒的質量，kg；μ0為真空磁導率；χ為顆粒的比磁化率，kg/m3；H為外磁場強度，kA/m；gradH為外磁場梯度；B為磁感應強度，T；gradB為磁感應強度的梯度。

由式(1)可知，影響比磁力的因素有磁性顆粒的比磁化率、外磁場強度(H)和外磁場梯度(gradH)。

2 仿真研究

以市場上直徑為914 mm的磁選機作為研究對象，對其磁系結構進行仿真研究。該磁選機磁系結構如圖1所示。由圖1可知：該磁選機磁系由6個主磁極和4個輔助磁極組成。磁極采用永磁鐵氧體材料，磁軛為低碳鋼板，磁包角為128.5°，磁極間隙超過20 mm，主磁極和輔助磁極極性沿周向交替排列，沿軸向相同。

圖1 磁系結構簡圖Fig.1 Strutural sketch of the magnetic system

應用計算機軟件對該磁系進行電磁仿真[6-7]。由于磁系具有單一截面的特點，故空間維度選擇二維，物理場選擇“磁場，無電流(mfnc)”，研究類型為“穩態”；磁極材料選擇BMHFa30/31，剩磁Br為0.39 T；主磁極采用徑向充磁，輔助磁極采用切向充磁。對磁系進行網格劃分，得到磁系磁場分布云圖，如圖2所示。

圖2 磁系磁場分布云圖Fig.2 Distribution cloud map of the original magnetic system′s magnetic field

磁鐵礦粉的比磁化率不是一個定值，與磁鐵礦粉的產地有關，其大小隨磁鐵礦粉顆粒的粒徑減小而減小，并隨外磁場強度增加呈現先增加后減小的特點[8-9]。參照GB/T 38891—2020《磁力分選試驗方法》的規定，將仿真研究的磁鐵礦粉比磁化率(χ)定為9.2×10-5m3/kg[10]，據此即可得出距離磁選機滾筒表面不同距離處的比磁力。磁系磁場強度和比磁力分布如圖3所示。

從圖3可以看出，磁系總體磁場強度較低，0，30，50 mm處平均磁感應強度分別為179.5，108，79.3 mT，比磁力分別為43.68，13.63，6.98 m/s2，原因為主磁極與輔助磁極間隙相對較大，磁路較長，磁阻增加，磁通密度低使磁系右側兩主磁極處磁場強度較低且衰減較快，從而使滾筒表面處比磁力較大，而遠離滾筒表面處比磁力較低。分析產生根源為：主磁極限于安裝位置要求，磁極間隙較大，導致磁場強度低，磁場梯度大，且由于磁場衰減較快，故遠離筒表面后比磁力降低較為明顯。

圖3 磁場強度和比磁力分布Fig.3 The magnetic field intensity and specific magnetic lines of flux of the original magnetic system

3 磁選機磁系優化

3.1 增加磁極以減小磁極間隙

根據磁系結構仿真結果，考慮減小各磁極間隙[11]，由于右側兩主磁極的間隙限于磁極尺寸原因無法減小，故在其間增加一個梯形輔助磁極，改進后磁系包角為134.5°，磁極間隙約為15 mm。對改進后的磁系進行電磁仿真，得到磁極間隙減小后的磁系磁場強度和比磁力分布如圖4所示。由圖4可知：0，30，50 mm處平均磁感應強度分別為189，114.7，84.7 mT，比原磁系分別增加了5.29%，6.20%，6.81%；0，30，50 mm處平均比磁力分別為47.37，15.15，7.83 m/s2，分別增加了8.45%，11.15%，12.18%，增幅較為明顯。

圖4 磁極間隙減小后的磁系磁場強度和比磁力分布Fig.4 The magnetic field intensity and specific magnetic lines of flux of the original magnetic system after reduction of gaps between magnetic poles

3.2 選別區主磁極增加高強磁鐵

增加磁極的方法可較為明顯地提高磁系磁場強度及比磁力，但發現主磁極正上方磁場強度及比磁力明顯低于輔助磁極，且波動較大，故考慮在不改變主磁極高度的情況下，將礦漿主要流經的選別區的主磁極極面增加寬A0(主磁極寬度)或0.6A0、厚度為5 mm的釹鐵硼高強磁鐵[12]，主磁極增加寬0.6A0、A0的強磁鐵后的磁系結構分別如圖5、圖6所示。主磁極增加寬0.6A0、A0強磁鐵后的磁系磁場強度和比磁力分別如圖7、圖8所示。

圖5 主磁極增加寬0.6A0強磁鐵后的磁系結構簡圖Fig.5 Sketch showing the widening of each main pole by 0.6 A0 with NdFe strip

圖6 主磁極增加寬A0強磁鐵后的磁系結構簡圖Fig.6 Sketch showing the widening of each main pole by A0

圖7 主磁極增加寬0.6A0強磁鐵后磁場強度和比磁力分布Fig.7 The mapnetic field intensity and specific lines of flux after widening of each main pole by 0.6 A0

圖8 主磁極增加寬A0強磁鐵后磁場強度和比磁力分布Fig.8 The magnetic field intensity and specific lines of flux after widening of each main pole by A0

由圖7可知：在圓周方向磁系磁場強度的均勻性明顯改善，0，30，50 mm處平均磁感應強度分別為197.3，119.8，88.5 mT，較原磁系分別增加9.92%，10.93%，11.60%；0，30，50 mm處平均比磁力分別為50.23，16.52，8.56 m/s2，較原磁系分別增加15.00%，21.20%，22.64%，增幅較為明顯。主磁極加寬0.6A0的強磁鐵后可使磁場有效作用深度增加約5～6 mm，處理量增加約14%。

由圖8可知：主磁極邊緣(0 mm處)磁場強度和比磁力大幅增加，峰值分別達到250，180 m/s2，0，30，50 mm處平均磁感應強度分別為202.4，122.7，90.6 mT，較原磁系分別增加12.76%，13.61%，14.25%；0，30，50 mm處平均比磁力分別為57.04，17.47，8.99 m/s2，較原磁系分別增加30.59%，28.17%，28.80%，增幅非常明顯。主磁極增加寬為A0的強磁鐵后，可使磁場有效作用深度增加約7～8 mm，處理量增加約21%。

雖然增加寬為A0的強磁鐵的方案成本增加較多，但綜合考慮磁選回收率和處理量提高帶來的經濟效益確定選擇該方案對磁極進行改進和優化。

3.3 增加選別區主磁極高度

除上述兩種方法外，從磁路設計角度考慮，還可以采用增加主磁極的高度，從而增加磁勢的方法來增加磁場強度及其作用深度[13]。對選別區的三組主磁極高度增加25%的磁系并進行仿真，得到0，30，50 mm處平均磁感應強度分別為193.6，117.5，86.7 mT，較原磁系分別增加7.86%，8.80%，9.33%，但較增加磁極的方案僅增加2.43%，2.44%，2.36%；0，30，50 mm處平均比磁力分別為49.54，15.9，8.21 m/s2，較原磁系分別增加13.42%，16.65%，17.62%，但較增加磁極的方案分別僅增加4.58%，4.95%，4.85%，增幅不明顯，并且磁極高度增加會導致磁系尺寸偏大，因此該方案性價比不高，且會使充磁和安裝難度提高。

4 結論

基于磁選機分選原理，通過對增加磁極、選別區增加高強磁鐵和增加主磁極高度三種方案進行仿真分析，可得出如下結論：

(1)現有磁選機主磁極與輔助磁極間隙相對較大，磁路較長，磁阻增加，磁通密度低，是導致磁選機磁選效果不佳的主要因素。

(2)在現有磁系上增加一個梯形輔助磁極后，可使在距離滾筒表面0，30，50 mm處的平均磁感應強度和平均比磁力得到明顯增加。

(3)在選別區主磁極上增加釹鐵硼強磁鐵能大幅增加磁系的磁場強度和比磁力，可使磁場作用深度增加7～8 mm，處理量增加約21%，為高效磁選機的開發提供了參考。