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周期式高梯度磁选机线圈的计算机模拟分析
2016-04-14
周期式高梯度磁选机所用磁介质激磁线圈长度与分选空间高度的关系对分选空间磁场强度的分布影 响很大,合适的激磁线圈长度与分选空间高度的比例可以提高磁性矿物回收率、降低选矿能耗。采用ANSYS 软件分 析了长线圈、短线圈对分选空间磁场强度、磁场梯度、磁场力的影响,结果表明:长线圈所产生的磁场强度分布不均匀, 短线圈所形成的磁场强度较均匀;当背景磁感应强度小于1. 0 T 时,长线圈产生的磁场梯度大于短线圈,当背景磁感 应强度大于1. 0 T 时,两种线圈的磁场梯度都趋于稳定;背景磁感应强度相同时,长线圈产生的磁场力大于短线圈。 长线圈产生的磁场有利于弱磁性矿物的选别,短线圈产生的磁场有利于非金属矿物...
Series No. 478ꢀ Aprilꢀ 2016 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 478期 METAL MINE 2016 年第 4 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 周期式高梯度磁选机线圈的计算机模拟分析 1 ,2,3 1,2 1,2 1,2 1,2 李作敏 ꢀ 冯安生 ꢀ 张颖新 ꢀ 程晓峰 ꢀ 于岸洲 1. 中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所,河南 郑州 450006;2. 国家非金属矿资源综合利用工程 技术研究中心,河南 郑州 450006;3. 中国地质科学院研究生部,北京 100037) ( 摘ꢀ 要ꢀ 周期式高梯度磁选机所用磁介质激磁线圈长度与分选空间高度的关系对分选空间磁场强度的分布影 响很大,合适的激磁线圈长度与分选空间高度的比例可以提高磁性矿物回收率、降低选矿能耗。 采用 ANSYS 软件分 析了长线圈、短线圈对分选空间磁场强度、磁场梯度、磁场力的影响,结果表明:长线圈所产生的磁场强度分布不均匀, 短线圈所形成的磁场强度较均匀;当背景磁感应强度小于 1. 0 T 时,长线圈产生的磁场梯度大于短线圈,当背景磁感 应强度大于 1. 0 T 时,两种线圈的磁场梯度都趋于稳定;背景磁感应强度相同时,长线圈产生的磁场力大于短线圈。 长线圈产生的磁场有利于弱磁性矿物的选别,短线圈产生的磁场有利于非金属矿物的除杂。 长线圈产生的磁场强度 较强的区域集中在筒柱的中间位置以及距离分选空间较近的磁极头处;短线圈产生的磁场强度较强区域集中在筒柱 与线圈交汇处,短线圈分选空间的磁场强度云图中磁场强度分布较均匀,与测得的磁感应强度变化趋势相一致。 关键词ꢀ 周期式高梯度磁选机ꢀ 磁场强度ꢀ 磁场梯度ꢀ 磁场力 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TP15,TD457ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2016)-04-114-04 Computer Simulation Analysis on Cycle Type High Gradient Magnetic Separator Coil 1 ,2,3 1,2 1,2 1,2 1,2 Li Zuomin ꢀ Feng Ansheng ꢀ Zhang Yinxin ꢀ Cheng Xiaofeng ꢀ Yu Anzhou ( 1. Zhengzhou Institute of Multipurpose Utilization of Mineral Resources,CAGS,Zhengzhou 450006,China; . China National Engineering Research Center for Utilization of Industrial Minerals,Zhengzhou 450006,China; . Graduate School of Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China) 2 3 Abstractꢀ The relationship of the excitation coil of magnetic medium and the length of the separation space height of cy- cle type high gradient magnetic separator can greatly influence on the distribution of magnetic field intensity. The ratio of exci- tation coil length and height of the appropriate separation space can improve the recovery rate of magnetic minerals and reduce the energy consumption. The effect of long coil and short coil on the magnetic field strength,magnetic field gradient and mag- netic force in the separation space was analyzed using ANSYS software,The results indicated that magnetic field intensity is not uniformity in sorting space of long coil,magnetic field intensity is uniformity in sorting space of short coil. When the back- ground magnetic induction intensity is less than 1. 0 T,long coil magnetic field gradient is greater than the short coil magnetic field gradient,when the background magnetic induction intensity is greater than 1. 0 T,two kinds of coil magnetic field gradient will go stable. The background magnetic field intensity of the two coil is same,the magnetic force produced by long coil is grea- ter than the short coil. Magnetic field produced by long coil is beneficial for low intensity magnetic minerals separation, while for short coil is beneficial for impurities removal of non-metallic minerals. The strong area of magnetic field intensity produced by the long coil is concentrated in the middle position of the cylinder column and the magnetic pole head of the distance sepa- rating space;the strong magnetic field intensity region generated by the short coil is concentrated in the intersection of the cyl- inder and the coil,the magnetic field intensity strength of the magnetic field nephogram of short coil separation space substan- tially uniform,similar with the change trend of the measured magnetic induction intensity. Keywordsꢀ Cycle type high gradient magnetic separator,Magnetic field intensity,Magnetic field gradient,Magnetic field force ꢀ ꢀ 近年来我国磁选设备的研制发展很快,在磁选设 备的设计中,磁系设计对磁选设备分选空间的磁场分 收稿日期ꢀ 2016-01-07 基金项目ꢀ 中国地质大调查项目(编号:12120113088300)。 作者简介ꢀ 李作敏(1988—),女,硕士研究生。 · 114· ꢀ ꢀ ꢀ 李作敏等:周期式高梯度磁选机线圈的计算机模拟分析ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 4 期 布有重要影响。 在处理微细粒弱磁性物料方面,相比 于其他选矿方法, 高梯度磁选机具有很大的优越 从下磁极头流出,而磁性矿粒被吸附在分选空间的磁 介质上,线圈断电后,磁场力消失,磁性矿粒与磁介质 分离,在重力和冲洗水的作用下,从下磁极头流出。 [ 1] 性 。 矿粒所受磁力与磁系结构密切相关,电磁式 高梯度磁选机的磁系结构主要由激磁线圈、磁轭、磁 极头和磁介质组成,激磁线圈是磁系结构的核心,线 2ꢀ 模拟模型与评价方法 为了论证 ANASYS 软件二维条件下模拟结果的 的可靠性与准确性,对二维与三维条件下的模拟结果 进行对比,见图 2。 [ 2] 圈类型不同,所产生的磁场特性会有很大差异 。 周期式高梯度磁选机所用激磁线圈按其长度与 分选空间高度的关系分为长线圈与短线圈两种,长线 圈的线圈长度比分选高度大,一般是分选空间高度的 [ 3] 1 . 5 ~ 2 倍,短线圈的线圈长度与分选高度相等 ,在 本研究中,设定长线圈的线圈长度为分选空间高度的 倍。 本研究对长、短线圈两种磁系结构进行模拟仿 2 真,分析磁系结构特点及磁场分布规律,为周期式高 梯度磁选机线圈的设计提供理论依据。 1 ꢀ 磁系结构设计理论依据 本研究应用截面形状为 10 mm × 10 mm × 2. 5 2 图 2ꢀ 二维模拟与三维模拟对比 Fig. 2ꢀ Comparison of 2D and 3D simulation mm、截面积为 75 mm 的空心方铜管线圈,分别采用 长、短线圈两种方案设计磁系,两种磁系的分选空间 高度均为 100 mm、线圈内径均为 50 mm、线圈能够产 生的最高磁场强度均为 1 592 kA/ m、分选空间的最 高背景磁感应强度为 2 T,由经验公式算得两种线圈 ■ ▲ —二维模拟; —三维模拟 图 2 表明,二维与三维模拟的磁感应强度基本一 致,因此可以认为分选空间的二维模拟结果可以代表 整个磁系结构的模拟结果,且由于二维模拟计算量较 三维模拟的要小很多,建模也更加简便,因此本研究 将使用二维模拟进行磁系的模拟计算。 [ 3] 的结构参数如图 1 所示 。 3 ꢀ 软件模拟结果分析 3. 1ꢀ 线圈形式对磁场强度分布的影响 设置两种线圈耗电功率相同条件下,考察两种线 圈分选空间磁场强度的轴向分布规律(由于分选空 间为直径 50 mm,长度 100 mm 的圆柱体,横坐标选 取圆柱体的中心点为横轴的零点),距离上磁极头 10、20、30、40、50 mm 处的磁场强度(由于分选空间的 对称性,仅分析上半部分的分选空间)分布见图 3。 从图 3 可以看出:长线圈产生的磁场强度分布不 均匀,轴向磁场强度随着距离磁极头距离的增加而降 低,距离磁极头 10 mm 处最大磁场强度与距离磁极 头 50 mm 处最大磁场强度相差 200 kA/ m;短线圈产 生的磁场强度在轴向上随着距离磁极头距离的增加 也逐渐降低,但相差甚微,距离磁极头 10 mm 处最大 磁场强度与距离磁极头 50 mm 处最大磁场强度相差 只有 130 A/ m,可以忽略不计,短线圈分选空间的磁 场强度可近似看成是均匀的磁场。 长线圈产生的磁 力线在磁轭中形成磁回路后,磁力线由上磁极头进入 分选空间,由于分选空间的磁阻减小,磁力线迅速向 四周扩散,上磁极头中心处的磁场强度略低,四周的 磁场强度较高,即图中离磁极头 10 mm 时零点处磁 场强度较低,而周围的磁场强度较高;随着离上磁极 头距离的增加,磁力线重新聚集在分选空间的中心轴 图 1ꢀ 线圈磁系结构 Fig. 1ꢀ Magnetic structure of coil —上磁极头;2—筒柱上盖;3—筒柱;4—筒柱下盖; 1 5 —线圈;6—下磁极头;7—分选空间 由图 1 可知:长线圈为激磁线圈时线圈外半径为 2 56 mm,筒柱厚 53 mm,上、下盖厚相等,均为 68 mm; 短线圈为激磁线圈时线圈外半径为 396 mm,筒柱厚为 8 0 mm,上、下盖厚相等,均为 99 mm。 短线圈的磁轭厚 度和线圈的外半径都大于长线圈,即采用短线圈时的 耗材量远大于长线圈。 在矿物分选时,物料从磁极头 的上方进入分选空间,非磁性矿粒直接通过分选空间 · 115· 总第 478 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 4 期 强度均随背景磁感应强度的提高呈线性逐渐提高;长 线圈在距离磁极头 10 mm 处的磁场强度随背景磁感 应强度增加提高最快,随着距离磁极头距离的增大, 磁场强度随背景磁感应强度增加提高变缓;短线圈的 磁场强度大于长线圈距离磁极头 20 mm 处的磁场强 度而小于长线圈距离磁极头 30 mm 处的磁场强度。 3. 3ꢀ 背景磁感应强度对磁场梯度分布的影响 将由 ϕ1 mm 的圆柱导磁钢棒焊接而成的磁介质 盒分别放置到两种磁系所形成的分选空间中,考察距 上磁极头 20 mm(距钢棒表面 0. 2 mm)处的磁场梯度 随背景磁感应强度的变化趋势,结果如图 5 所示。 图 3ꢀ 分选空间轴向磁场强度分布 Fig. 3ꢀ Axial magnetic field strength of the coil separation space 图 5ꢀ 磁场梯度与背景磁感应强度的关系 Fig. 5ꢀ Relationship between magnetic field gradient and background magnetic field ▼ —距离磁级头 10 mm; ■ —距离磁级头 20 mm; —距离磁 ● 级头 30 mm; ▲ ◆ —距离磁级头 40 mm; —距离磁级头 50 mm ■ ● —短线圈; —长线圈 处,所以离磁极头 20 ~ 50 mm 处的磁场强度呈中间 高、四周低的特点。 图 5 表明:两种线圈产生的磁场梯度均随背景磁 感应强度的增加先提高然后趋于稳定;长线圈的磁场 梯度增长快于短线圈;背景磁感应强度为 1. 0 T 时, 3 . 2ꢀ 背景磁感应强度对磁场强度分布的影响 两种线圈的分选空间相同,但磁场分布不同,为 8 2 两种线圈的磁场梯度均趋于饱和,为 1. 0×10 A/ m 。 3. 4ꢀ 背景磁感应强度对磁场力分布的影响 了进一步考察分选空间的磁场特性,考察不同背景磁 感应强度时分选空间磁场强度的径向分布规律(长 线圈的磁场强度的轴向分布是变化的,故用平均值表 示;短线圈的轴向磁场强度相差很小,可忽略不计,选 取分选空间中任意轴向的磁场强度皆可表示其变化 趋势),见图 4。 磁场力越大,磁性颗粒在分选空间所受磁力越 7-8] ,磁场力用磁场梯度和磁场强度的乘积来表示, [ 大 距离上磁极头 20 mm 处、距钢棒表面 0. 2 mm 处两种 线圈产生的磁场力分布如图 6 所示。 图 4ꢀ 磁场强度与背景磁感应强度的关系 Fig. 4ꢀ Relationship between magnetic field strength and background magnetic field 图 6ꢀ 距离磁介质表面 0. 2 mm 处磁场力 与背景磁感应强度的关系 Fig. 6ꢀ Relationship between magnetic field force and background magnetic field intensity at the distance of 0. 2 mm beyond matrices surface ■—短线圈;●—长线圈 ■ —长线圈距离磁级头 10 mm; —长线圈距离磁级头 30 mm; ● —长线圈距离磁级头 20 mm; —长线圈距离磁级头 40 mm; ▲ ○ ◆ ▼ —长线圈距离磁级头 50 mm; —短线圈 由图 4 可以看出,两种线圈分选空间的径向磁场 从图 6 可以看出,两种线圈产生的磁场力均随背 · 116· ꢀ ꢀ ꢀ 李作敏等:周期式高梯度磁选机线圈的计算机模拟分析ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 4 期 景磁感应强度的增加而提高,在所模拟的磁感应强度 范围内,长线圈产生的磁场力均大于短线圈。 景磁感应强度的提高,该处最先达到磁饱和,磁极头 处的磁场强度较弱;短线圈分选空间产生的磁场可近 似为均匀磁场,与测得的短线圈的磁感应强度变化趋 势相一致。 3 . 5ꢀ 模拟结果分析 根据两种线圈的模拟结果,对于相同尺寸的分选 空间,耗电功率一定时,长线圈分选空间的平均磁场 强度高于短线圈的,但并非越高越好。 当其他条件一 定时,固定的线圈产生的磁场强度是定值,即产生磁 力线的数量一定。 线圈高度越高,磁力线在轴向上分 就越多,相应在径向方向的磁力线分布将减少,使分 选空间的磁场强度分布不均匀,使得分选空间的磁场 强度呈现两头大、中间小的现象,本研究中长线圈即 为此特点,不利于磁性矿物的捕集。 长线圈产生的磁 场强度高但不均匀,有利于弱磁性矿物的选别;短线 圈产生的磁场强度较弱但均匀,有利于非金属矿物的 除杂。 在背景磁感应强度为 1. 6 T 时,采用 ANASYS 软件考察两种线圈的磁场强度云图,结果如图 7 所 示。 4ꢀ 结ꢀ 论 (1)磁选机磁介质合适的激磁线圈长度与分选 空间高度的比例可以提高磁性矿物回收率、降低选矿 能耗。 ( 2)长线圈产生的磁场强度较强的区域集中在 筒柱的中间位置以及距离分选空间较近的磁极头处; 短线圈产生的磁场强度较强区域集中在筒柱与线圈 交汇处,短线圈分选空间的磁场强度云图中磁场强度 分布较均匀,与测得的磁感应强度变化趋势相一致。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ [ [ 1]ꢀ 何健全,许丽敏. 高梯度磁选机磁系结构设计校核及优化[ J]. 机电工程技术,2009,38(11):72-73. He Jianquan,Xu Limin. Magnetic system structure design,checking and optimization of high gradient magnetic separator[J]. Mechanical & Engineering Technology,2009,38(11):72-73. 2]ꢀ 胡明振. 湿式永磁强磁选机磁系研究及设备研制[ D]. 武汉:武 汉理工大学,2011. Hu Mingzhen. Magnetic System Analysis of Wet High Intensity Per- manent Magnetic Separator and Equipment Manufacture[ D]. Wu- han:Wuhan University of Technology,2011. 3]ꢀ 孙仲元. 选矿设备工艺设计原理[M]. 长沙:中南大学出版社, 2 006. Sun Zhongyuan. Principle of the Technology Design of Mineral Pro- cessing Equipment[M]. Changsha:Central South University Press, 2 006. 4]ꢀ 张ꢀ 博,张洪亮. Ansoft12 在工程电磁场上的应用[M]. 北京:中 国水利水电出版社,2010. Zhang Bo,Zhang Hongliang. Application of Ansoft12 in Engineering Electromagnetic Field [ M ]. Beijing: China Water Power Press, 2 010. [ [ [ 5]ꢀ 陈ꢀ 斌. 磁电选矿技术[M]. 北京:冶金工业出版社,2014. Chen Bin. Magnetoelectricity Separation Technology [ M]. Beijing: Metallurgical Industry Press,2014. 图 7ꢀ 两种线圈磁场强度云图 Fig. 7ꢀ Nephogram of magnetic field 6]ꢀ 孙仲元. 磁选理论(修订版)[M]. 长沙:中南大学出版社,2007. Sun Zhongyuan. Magnetic Separation Theory(Revision)[M]. Chan- gsha:Central South University Press,2007. strength of the two type coil 由图 7 可以看出:两种线圈所产生的磁场在磁轭 中形成回路,筒柱的边角处的磁场强度最低,避免了 漏磁现象;长线圈产生的磁场强度较强的区域集中在 筒柱的中间位置以及距离分选空间较近的磁极头处, 也说明了随着磁场强度的提高,这两处最先达到磁饱 和。 分选空间的磁场强度云图的分布与测得的磁场 强度呈中间低四周高的分布特点相同;短线圈产生的 磁场强度较强区域集中在筒柱与线圈交汇处,随着背 7]ꢀ Nesset J,Todd I,Finch J et al. A loading equation for high gradient magnetic separators [ J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1980 ( 16):833-835. [8]ꢀ Friendlaender F J. Particle flow and collection process in single wire HGMS studies [ J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1978 ( 6 ): 1 158-1163. ( 责任编辑ꢀ 王亚琴) · 117·
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