干式預選磁選機的電磁仿真分析與冷卻結構設計

杜靜娟 黃新雨 趙 堅 李朝江

(天津城建大學控制與機械工程學院,天津 300384)

我國釩鈦磁鐵礦分布廣泛,儲量豐富,尤其是攀枝花地區,釩鈦磁鐵礦保有儲量達60億 t[1]。隨著社會發展,經過多年開采,攀枝花地區釩鈦磁鐵礦的入選品位逐漸下降,隨著資源綜合利用以及綠色發展要求的提出,對提高入磨礦石的磁性鐵品位也提高了要求。部分礦區中低品位礦石需要使用干式預選工藝提前拋尾,才能有效降低磨機入磨量,并降低能耗。預選過程中磁選機的激磁線圈或永磁體是實現圍巖與預選精礦分離的核心部分。常規的干式預選過程中使用的永磁干式預選機在磁場衰減后,會造成尾礦的磁性鐵品位過高,達不到預選效果;干式預選的磁場強度需0.2～0.5 T,對釩鈦磁鐵礦進行預選能取得較好的預選效果[2-3];永磁干式預選機內的磁系使用了釹鐵硼磁材,存在原材料成本較高、易退磁等問題。因此采用高效的激磁線圈替代釹鐵硼永磁體作為干式預選機的重點研究方向。激磁線圈在工作中發熱量大,受此限制使得磁選機體積增大,背景磁感應強度下降,同時有燒毀的風險[4]。提高磁選機激磁線圈的散熱效率,有效降低激磁線圈工作溫度,是提高磁選機磁感應強度,減小磁選機體積的必要條件。而以往的磁選機存在體積大、磁感應強度低、分選效率低等特點。一些磁選機為防止散熱裝置堵管,改變冷卻介質,將水更換為乙二醇,以此提高冷卻效率[5];文獻[6]分析比較了水冷卻、強風冷卻及強迫油冷卻技術的發展、原理、優缺點及工業應用情況。

針對釩鈦磁鐵礦干式預選的現狀,本文提出一種新型板式冷卻結構的電磁磁選機,通過應用有限元方法,對磁選機的電磁、溫度場進行研究。最后通過實際測試電磁磁選機的散熱裝置的效果,為電磁磁選機長期使用進行驗證,以實現替換強磁永磁干選機。

1 軸向電磁滾筒結構

磁選機廣泛用于鐵礦、水泥、資源回收等行業物料的分選過程。永磁磁選機以其體積小、操作簡單,磁性能強作為優勢,但稀土價格高,隨著使用年限增加會導致磁體退磁以及軸部磁化[7-8]。以與永磁磁選機同直徑同長度的?1.5 m×1.5 m磁選機為例,稀土磁體價格就高達10萬以上,而我國稀土材料開采與出口受到限制,導致稀土材料在國際上的價格不斷提高,增加了磁選機成本。而且隨著稀土礦的限制開采,稀土價格逐年升高。相比之下,電磁線圈鋁線價格僅為2.5萬元/t。電磁線圈鋁線用量小于2 t,成本價格是永磁機的1/3左右。電磁磁選機可以替代稀土元素的使用,有效降低設備成本,且卸料方便簡單。

本文針對永磁磁選機磁性能,設計直徑1.5 m、長度1.5 m的電磁磁選機,其外部結構如圖1所示,結構參數如表1所示。

圖1 電磁磁選機形貌Fig.1 Electromagnetic separator profile

表1 磁選機的結構參數Table 1 Structural parameters of magnetic separators

當激磁線圈連續工作時,線圈溫度升高,高溫會加速漆包線或絕緣紙等絕緣材料老化,令磁選機使用年限縮短。為提高散熱效果與減小體積,激磁線圈繞組采用扁鋁線,絕緣采用陽極氧化鋁涂層,如圖2所示。陽極氧化鋁絕緣層厚度僅1～6μm,且維氏硬度達HV250-350,比漆包線和絕緣紙更耐磨。陽極氧化鋁絕緣層化學性質穩定,絕緣等級達到C級,耐溫200℃。該絕緣層極其薄,用其繞制線圈比使用漆包線或絕緣紙能更好地增強散熱能力。使用鋁線繞制比銅線降低了生產成本。在該線圈的制造工藝中,線圈通過環氧樹脂進行固化處理,使其不易破壞絕緣層,且線圈不易松散,重要的是該工藝對于線圈的散熱非常有利,為冷卻結構提供很好的設計空間。

圖2 線圈的扁鋁線和絕緣層結構Fig.2 Flat aluminum wire and insulating layer of coil

2 電磁場有限元分析

在分選過程中,鐵礦石原礦進入分選空間,受到磁場力、重力、離心力的綜合作用,磁性產品被吸附到滾筒表面,被滾筒帶至非分選部位脫離磁場,成為精礦。而尾礦由于受到的磁吸力較弱,不足以克服重力和離心力產生的慣性與磁性產品的運行軌跡產生差異,進而實現分離。因此,在磁選機分選過程中,磁感應強度和磁場力密度是衡量磁選機分選效果的兩個重要指標。

該電磁磁選機在軸向長度上有兩個線圈并列放置,兩個線圈在尺寸和性能上是完全一致的。應用SolidWorks三維軟件對電磁線圈進行建模,通過有限元法對該模型進行電磁仿真計算。為減少仿真時間,可采用對稱的半模型,僅對一個激磁線圈進行分析,可實現整個模型的分析效果。一個線圈的冷態下的三維仿真圖如圖3所示。

圖3 某線圈的冷態有限元仿真分析Fig.3 FE simulation diagram analysis of a coil in cold status

對于電磁磁選機,規定取線圈的中心點作為檢測點,以衡量磁選機的性能。在冷態下,根據該模型的仿真曲線圖,計算得到距離電磁磁選機表面不同位置處的磁感應強度數值,其仿真曲線如圖4所示。整個輥筒的軸向長度為1 500 mm,半個模型的軸向尺寸為750 mm,橫坐標表示軸向長度,橫坐標零點為軸向長度的中點。

圖4 不同距離下冷態磁選機的軸向磁感應強度分布Fig.4 Axial magnetic distribution pattern of electromagnetic separator with different distances in cold

冷態下,電磁輥筒軸向長度中心處375 mm處為線圈中心,該測試點的表面場強為0.3 T,該磁選機表面的峰值高達0.45 T。磁感應強度在軸向距離為0(磁選機中心點)表面處為0.217 3 T;在距離25mm處為0.199 7 T,在距離50 mm處為0.181 6 T;在距離75 mm處為0.163 2 T;在距離 100 mm處為0.145 3 T。依次可得知,該電磁磁選機每25 mm距離的變化下,磁場的變化為0.02 T,磁場的梯度小。從磁場作用深度來看,磁感應強度的衰減較小,作用深度深,能保持住高場強,因此本文設計的電磁磁選機不屬于高梯度磁選機,屬于高強度磁選機,該類設備處理大顆粒物料分選效果好,適合應用于磁鐵礦粗粒預選階段或者剝離圍巖混入的低品位礦石預選階段。

磁選機的磁包角決定了分選的廣度和分選效率,也是分選中的重要因素。圖5為磁感應強度隨著角度的分布規律。

圖5 磁感應強度隨磁包角的分布規律Fig.5 Distribution of magnetic flux density with magnetic-angle pattern

由圖5可知,磁感應強度在0.2 T以上的角度分布在110～170°間,峰值夾角為 60°;工作磁包角為100°,篩選角度大,作用面積大,分選效果好。磁包角角度大還能增大礦石在輥筒表面的停留時間,提高篩選效率。

如果電磁磁選機替代永磁磁選機,必須在磁感應強度、磁場力密度和磁包角等重要分選指標上達到相當的性能結果。在設計磁選機的過程中,結合磁鐵礦分選要求的指標,設計電磁磁選機的冷態磁場值要高于永磁磁選機的磁場值,熱態磁場近似永磁磁選機的磁場值,這樣才能替代永磁機設備,實現同樣的分選效果。

對永磁磁選機和電磁磁選機分別建模,應用有限元軟件對兩種設備進行仿真計算,選取半模型的軸向長度375 mm處的測試點(圖4虛線標記)作為仿真計算點,從輥筒表面0到300 mm處的磁感應強度仿真結果如圖6所示,磁場力密度仿真結果如圖7所示。對于電磁磁選機來說,采用恒壓控制方式,因此隨著溫度升高,電阻增大,致激磁線圈電流降低,熱態的場強降低。

圖6 永磁磁選機與電磁磁選機磁感應強度比較Fig.6 Magnetic flux density of PM and EM separators

圖7 永磁磁選機與電磁磁選機磁場力密度比較Fig.7 Comparison of magnetic force density of PM and EM separators

由圖6的磁感應強度可知,距離滾筒表面300 mm處,無論永磁磁選機,還是電磁磁選機,都能達到0.05 T左右,說明該類設備磁場的作用深度較深,處理量很大。

磁場力密度與磁感應強度、梯度的關系如公式(1)所示。

磁場力F與磁場力密度FD的關系如式(2)所示,由于選礦中鐵礦石體積無法精確計算,因此在分析中常用磁場力密度作為分選的指標之一,可忽略體積的變化。

式中:F為磁場力;k為形狀補償系數;FD為磁場力密度;V為顆粒體積;m為顆粒質量;ρ為顆粒密度;g為重力加速度。

當鐵礦石受到的磁吸力大于重量F≥D時,實現吸附分選。對于不同形狀的補償系數k,與礦石的長徑比、形狀等有關,詳見如表2中的具體數值。表中的永磁機和電磁熱態的工作距離根據圖7仿真的磁場力密度數值得到。

表2 不同形狀的補償系數Table 2 Compensation factor for objects of different shapes

由圖7的磁場力密度曲線與式(2)計算得出,對1 cm3(與體積無關)的磁鐵礦來說,無論永磁機與電磁機,設備在150～200 mm處仍然能吸起球狀鐵磁性物質,在200～300 mm處可吸起類似螺母、螺栓、棒狀等磁性物。進而說明該設備屬于高強度磁選機,該類設備適合處理大塊磁鐵礦石分選。

在自然冷卻情況下,當達到電磁線圈的熱態穩定時,磁感應強度為冷態的74%,線圈溫度約為110℃。相比于永磁磁選機,電磁磁選機冷態時在磁感應強度與磁場力密度這兩個指標上高于永磁磁選機的性能,但是,熱態時電磁磁選機性能迅速下降,比冷態時的磁感應強度下降了26%,磁場力密度數值更是下降了50%左右。

因此電磁磁選機必須要有良好的散熱,需要有高效的冷卻結構,以提升熱態下的磁感應強度,才能保證性能與永磁磁選機的性能相當。

3 新型板式冷卻結構設計與仿真

電磁仿真的數據表明,電磁磁選機熱態性能受溫度影響較大,必須要對激磁線圈進行有效冷卻才能替代永磁磁選機,才能達到減少稀土的使用、節約成本的目的。

由于激磁線圈安裝在滾筒內,滾筒內空氣幾乎不流動,產生熱量很難及時散出,導致線圈溫度高,影響磁場的熱態性能,而且長期處于高溫下,嚴重影響線圈使用年限。所以,高效的冷卻裝置非常重要。冷卻結構是激磁線圈溫度的直接影響因素之一,激磁線圈溫度低是保證磁選機性能與使用年限的關鍵。

本文提出一種新型的板式冷卻結構,將冷卻板安裝在激磁線圈兩側和線圈之間。一臺磁選機安裝2個線圈,3塊冷卻板。在外部制冷機提供強冷的循環變壓器油,冷油導入線圈內的冷卻板內,帶走激磁線圈熱量。該板式冷卻結構的模型如圖8所示。考慮到線圈絕緣、環境溫度等因素,該冷卻結構的介質采用變壓器油,雖然變壓器油的散熱系數不如水媒介,但0℃以下,不影響變壓器油的流動,即使變壓器油泄漏,對于線圈也是安全的,不會被短路擊穿。

圖8 板式冷卻結構三維模型Fig.8 Three-dimensional model of plate cooling structure

冷卻板的熱場性能可以用牛頓冷卻定律描述對流換熱過程:

式中,P為傳熱功率;h為物質對流傳熱系數;tw為固體表面溫度;tf為流體平均溫度;A為傳熱面積。

在冷卻板的溫度場計算中,帶走的熱量與進出油口的溫度差的公式如下:

式中,Q為熱量;ρ為液體密度;v為流速;to為出油口溫度;ti為進油口溫度;Cp為散熱面積。

采用有限元法對于線圈的溫度場進行耦合分析,設置線圈功率為6 kW作為熱源,進油口溫度設置為25℃,經參數化分析確定流速為5 m/s,進出口油孔直徑為10mm。板式冷卻結構的尺寸為700mm×400 mm×20 mm,內部選用“己”字形油路,詳見冷卻板的溫度仿真圖(圖9)。仿真結果表明,進出口的油溫差值為10℃。然而,線圈溫度是決定熱態磁場性能和線圈絕緣使用年限的關鍵。應用流固耦合仿真計算,對兩個線圈整體進行計算分析,圖10給出了線圈熱態穩定時溫度分布圖。

圖9 冷卻板的溫度仿真結果Fig.9 Thermal simulation result of the cooling plate

圖10 整體線圈的溫度場分布Fig.10 Thermal-field distribution diagram of integral coil

由圖9和圖10得知,給激磁線圈增加板式冷卻器后,激磁線圈最高溫度由原來的110℃降至70.68℃,降低了近40℃,線圈溫度大幅下降,起到了非常好的冷卻效果,進而可使得熱態磁場有明顯的升高。

4 電磁磁選機試驗

4.1 溫升試驗

對該冷卻結構設計的電磁磁選機進行了樣機的制作和溫升試驗,樣機采用陽極氧化鋁絕緣和扁鋁線,并進行環氧樹脂的固化處理,線圈呈棕色,樣機測試照片如圖11所示。在室溫為20℃時,對冷卻板式的電磁磁選機進行溫升試驗,在磁選機冷卻板,線圈等部位粘貼溫度指示貼紙(藍色),當線圈與冷卻板運行時,測試記錄不同時間下相應的溫度值,溫度記錄表見表3所示。

表3 電磁磁選機溫度測量結果Table 3 Temperature measurement results of EM

圖11 樣機溫度測試現場Fig.11 Temperature test of prototype

由表3可知,當磁選機連續工作7 h,線圈處于穩定狀態,其溫度值為75.1℃;中冷卻板雙面接觸線圈,能有效吸收線圈產生的熱量,溫度達47℃;外冷卻板由于單面接觸線圈,吸收熱量較少,溫度達33℃。對于線圈最高溫度進行比較,仿真結果為70℃,測試結果為75.1℃,存在一定誤差,誤差為6%。因此,由試驗結果可知,使用冷卻板能有效散熱,確保激磁線圈溫度較低,遠低于絕緣材料所能承受的200℃限值,因此大大增加線圈使用年限。

4.2 電磁試驗

在安裝了冷卻板的條件下,取線圈中心點F作為測試點,如圖12所示,這樣與仿真點相一致。當激磁線圈測試溫升試驗,工作7 h處于熱態穩定時,測試F點的磁感應強度的數值,此時對增加冷卻結構后的熱態進行仿真計算,測試與仿真結果的比較值如表4和圖13所示。

圖12 電磁磁選機熱態磁感應強度測量點Fig.12 Measuring point of thermal B value

表4 電磁磁選機熱態下磁感應強度測量與仿真結果Table 4 Measurement and FEA gauss results of electromagnetic separator in hot status

圖13 永磁磁選機與電磁磁選機磁性能(有無冷卻結構)Fig.13 Performance comparison of PM and EM separators(without and with cooling)

由表4和圖13可得,熱態穩定時,在300mm處,增加冷卻結構后的樣機測試值為0.047 5 T,仿真結果為0.046 0 T,誤差在3%;在300 mm處,永磁磁選機的場強為0.048 6 T,電磁機的熱態場強為0.047 5 T,是永磁機場強95%以上,非常接近。因此,經過冷卻結構的設計,改善后的熱態場強大幅增加,與永磁磁選機的磁場分布基本接近。可替代永磁磁選機的性能參數,達到基本一致的分選效果。

5 結 語

(1)隨著稀土材料的稀缺和價格的上漲,電磁磁選機為永磁磁選機替代產品。設計了直徑1.5 m、長度1.5m的電磁磁選機,同尺寸代替永磁磁選機。電磁磁選機采用先進陽極氧化鋁絕緣層,絕緣等級達到C級,耐溫為200℃;線圈采用扁鋁線,應用環氧樹脂固化工藝,達到很好的散熱效果。

(2)通過有限元法對磁選機進行電磁分析,對永磁機與電磁機在磁感應強度和磁場力密度兩方面進行性能對比,探討電磁磁選機替代永磁機的方案可行性。通過仿真計算結果,進而驗證該磁選機為高強度磁選機,作用深度深,大顆粒分選效果好,適合應用于釩鈦磁鐵礦預選分選階段。

(3)在電磁磁選機的設計中,較大的磁包角增大了磁選機的分選空間,能提高含磁鐵礦的分選效率,對提高釩鈦磁鐵礦的鐵品位更加有利。

(4)鑒于熱態場強低的不足,本文提出一種新型板式冷卻結構作為解決方案,安裝冷卻裝置將磁選機激磁線圈通過變壓器油帶走熱量,在冷卻板內將油道布置為“己”字形,有效降低激磁線圈溫度,繞組最高溫度僅為70℃,這保證了磁選機長時間工作時的熱態磁感應強度,與永磁磁選機性能基本接近,確保磁選機的分選效果。

(5)通過溫升與電磁試驗,電磁與溫度的仿真值與測試值非常接近,誤差在5%左右,驗證了電磁計算與溫度場仿真的精確性。因此進一步驗證了安裝冷卻裝置的電磁磁選機,在熱態下與永磁磁選機性能近似,可作為替代,可節省大量成本,也可防止退磁的情況發生,延長了線圈的使用年限,發揮出更好的性能。