基于開(kāi)環(huán)式電磁系統(tǒng)的新型比磁化系數(shù)測(cè)定儀的模擬研究

王學(xué)濤，李　萌，牛福生，王　超，白麗梅

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.沈陽(yáng)隆基電磁科技股份有限公司，遼寧 撫順 113122)

基于開(kāi)環(huán)式電磁系統(tǒng)的新型比磁化系數(shù)測(cè)定儀的模擬研究

王學(xué)濤1，李萌1，牛福生1，王超2，白麗梅1

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.沈陽(yáng)隆基電磁科技股份有限公司，遼寧 撫順 113122)

摘要：為了探究開(kāi)環(huán)式電磁系統(tǒng)對(duì)比磁化系數(shù)測(cè)定儀磁場(chǎng)特性的影響，采用Ansys Maxwell 對(duì)其電磁系統(tǒng)的磁場(chǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)了新型比磁化系數(shù)測(cè)定儀磁場(chǎng)特性可視化；發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)的磁場(chǎng)特性關(guān)于勵(lì)磁線圈中垂面對(duì)稱，磁場(chǎng)強(qiáng)度沿勵(lì)磁線圈到極間夾角方向呈遞減趨勢(shì)；并得出開(kāi)環(huán)式磁系結(jié)構(gòu)的極間夾角為60°時(shí)，其磁場(chǎng)特性更適合比磁化系數(shù)的測(cè)定；通過(guò)莫爾氏鹽比磁化系數(shù)定標(biāo)試驗(yàn)和鈦鐵礦精礦測(cè)定試驗(yàn)，驗(yàn)證了基于Maxwell數(shù)值模擬的可靠性和儀器工作的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：比磁化系數(shù)測(cè)定儀；開(kāi)環(huán)式磁系；磁場(chǎng)特性；數(shù)值模擬

比磁化系數(shù)是礦物磁性重要參數(shù)，對(duì)磁選設(shè)備選擇以及選礦工藝指標(biāo)的設(shè)定有著重要的意義[1-5]。比磁化系數(shù)測(cè)定儀采用質(zhì)動(dòng)力法直接測(cè)定物質(zhì)磁性強(qiáng)弱，具有裝置簡(jiǎn)單、精度高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)[6]。比磁化系數(shù)測(cè)定儀的磁系機(jī)構(gòu)作為物質(zhì)磁性測(cè)定的空間磁場(chǎng)勵(lì)磁源，其結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)對(duì)比磁化系數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)定有著至關(guān)重要的作用。根據(jù)現(xiàn)有簡(jiǎn)易比磁化系數(shù)測(cè)定裝置的磁系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種場(chǎng)強(qiáng)高、梯度大的開(kāi)環(huán)式電磁勵(lì)磁系統(tǒng)。

隨著Ansys Maxwell仿真模擬技術(shù)在工程電磁場(chǎng)中的廣泛應(yīng)用，電磁勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化得到了很大提高[7]，本文針對(duì)比磁化系數(shù)測(cè)定儀開(kāi)環(huán)式電磁勵(lì)磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)其磁系機(jī)構(gòu)采用有限元法進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，為研制一種開(kāi)環(huán)式電磁勵(lì)磁系統(tǒng)的新型比磁化系數(shù)測(cè)定儀提供了技術(shù)參考。

1新型比磁化系數(shù)測(cè)定儀的研制

1.1主要結(jié)構(gòu)

以現(xiàn)有比磁化系數(shù)測(cè)定裝置的水平對(duì)稱磁極為基礎(chǔ)，在獲得較大磁場(chǎng)強(qiáng)度的前提下選擇環(huán)柱開(kāi)口式勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，研制了開(kāi)環(huán)式電磁勵(lì)磁系統(tǒng)的新型比磁化系數(shù)測(cè)定儀。儀器主要包括開(kāi)環(huán)式電磁勵(lì)磁系統(tǒng)、質(zhì)動(dòng)數(shù)字測(cè)量機(jī)構(gòu)、高精度磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量計(jì)、電氣控制裝置和比磁化系數(shù)測(cè)定系統(tǒng)(CMDS)軟件，比磁化系數(shù)測(cè)定儀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1　比磁化系數(shù)測(cè)定儀示意圖

1.2工作原理

比磁化系數(shù)測(cè)定系統(tǒng)(CMDS)通過(guò)PID反饋調(diào)節(jié)技術(shù)自動(dòng)控制、調(diào)節(jié)勵(lì)磁機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)時(shí)采集質(zhì)動(dòng)數(shù)字測(cè)量機(jī)構(gòu)、磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量計(jì)的數(shù)字信息進(jìn)行分析運(yùn)算并同步繪制坐標(biāo)圖像，其中質(zhì)動(dòng)數(shù)字測(cè)量機(jī)構(gòu)檢測(cè)物質(zhì)的質(zhì)量m并實(shí)時(shí)測(cè)定物質(zhì)在磁場(chǎng)空間受到的磁場(chǎng)力f，系統(tǒng)根據(jù)比磁化系數(shù)計(jì)算公式[6]得出物質(zhì)的比磁化系數(shù)(式(1))。

(1)

式中：χ0為比磁化系數(shù)；f為作用在磁性物體顆粒上的磁力，N；m為樣品的質(zhì)量，kg；μ0為真空磁導(dǎo)率；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；gradH為磁場(chǎng)梯度。

2計(jì)算模型的建立

2.1物理模型的建立

根據(jù)環(huán)柱開(kāi)口式勵(lì)磁機(jī)構(gòu)建立物理模型，模型幾何尺寸見(jiàn)表1，并選取30°、45°、60° 3個(gè)極間夾角作為模擬參考。采用Maxwell的自適應(yīng)四面體網(wǎng)格對(duì)電磁勵(lì)磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，勵(lì)磁鐵芯網(wǎng)格自動(dòng)加密，經(jīng)檢查網(wǎng)格質(zhì)量滿足數(shù)值模擬要求，幾何模型見(jiàn)圖2。

2.2求解控制的選擇

參考研制的比磁化系數(shù)測(cè)定儀，勵(lì)磁鐵芯材料定義為steel1008，勵(lì)磁線圈材料選擇copper銅材質(zhì)，安匝數(shù)設(shè)定為10000安匝，求解域大小設(shè)定值為200，激磁源加載在繞組線圈上，設(shè)定電流由線圈繞組內(nèi)部的電流面流入，在線圈繞組內(nèi)做環(huán)形流動(dòng)。

3模擬結(jié)果與分析

3.1磁場(chǎng)矢量特征

在上述設(shè)定條件下，分別對(duì)極間夾角為30°、45°、60°的開(kāi)環(huán)柱式磁系機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。沿磁系中截面，其磁場(chǎng)矢量模擬結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

表1　環(huán)柱開(kāi)口式磁系模型幾何尺寸/mm

圖2　開(kāi)環(huán)式磁系幾何模型

圖3　極間夾角30°磁場(chǎng)矢量圖

圖4　極間夾角45°磁場(chǎng)矢量圖

由圖3可知，當(dāng)極間夾角為30°時(shí)，環(huán)柱式磁系的開(kāi)口處，也就是比磁化系數(shù)測(cè)定的物質(zhì)所在磁場(chǎng)空間，其磁力線分布不均勻，而由圖4、圖5可知，當(dāng)極間夾角為45°和60°時(shí)，其磁力線分布較均勻，且分布在豎直中心線上的磁力線基本保持水平。由于磁場(chǎng)方向與磁力線方向垂直，所以當(dāng)極間夾角為45°和60°時(shí)，磁系中心線處的磁場(chǎng)方向一致，且沿中心線指向圓心，這保證了待測(cè)物質(zhì)在該磁場(chǎng)中受力的準(zhǔn)確測(cè)定。開(kāi)環(huán)柱式磁系內(nèi)部和外部的磁場(chǎng)沿磁系中心線成對(duì)稱式分布，保證了物質(zhì)在水平方向所受磁場(chǎng)力的平衡。

3.2磁場(chǎng)強(qiáng)度分布特征

對(duì)極間夾角為45°和60°的磁系磁場(chǎng)強(qiáng)度特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖5　極間夾角60°磁場(chǎng)矢量圖

圖6　極間夾角45°磁場(chǎng)云圖

圖7　極間夾角60°磁場(chǎng)云圖

由圖6、圖7可知，當(dāng)極間夾角為45°和60°時(shí)，開(kāi)環(huán)式磁系的磁場(chǎng)強(qiáng)度由磁隙到開(kāi)口指向圓心方向逐漸增強(qiáng)，最高可達(dá)2.0T，由于磁系開(kāi)口處磁氣隙的存在，磁能損耗較高，磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較低。極間夾角為60°時(shí)，空間最低磁場(chǎng)強(qiáng)度高于極間夾角為45°的最低磁場(chǎng)強(qiáng)度，且勵(lì)磁線圈周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于極間夾角為45°的磁系機(jī)構(gòu)，為獲得較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度選定極間夾角為60°。

沿極間夾角為60°的磁系作中心線 Polyline2，如圖7所示，沿中心線Polyline2向下距離隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線如圖8所示。

由圖8可知，沿磁系中心線Polyline2向下，磁場(chǎng)強(qiáng)度先升高后逐漸降低，磁系中心線上的磁場(chǎng)強(qiáng)度最高為1967Gauss。指向圓心方向，磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增高，結(jié)合圖7可知?jiǎng)?lì)磁鐵芯磁場(chǎng)強(qiáng)度最高可達(dá)2.0T，空間磁場(chǎng)梯度較高，滿足比磁化系數(shù)測(cè)定所需的磁場(chǎng)環(huán)境。

4測(cè)試試驗(yàn)

4.1模擬結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

采用型號(hào)為CH-1500磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量?jī)x對(duì)中心線Polyline2上9個(gè)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖9。

圖8　磁系開(kāi)口中心線的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線

圖9　模擬與測(cè)試對(duì)比

由圖9可知，磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)定結(jié)果略偏低于數(shù)值模擬結(jié)果，平均相對(duì)誤差為4.41%，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果具有較好的一致性，在誤差允許范圍內(nèi)數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的可靠性，可以為開(kāi)環(huán)式電磁勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

4.2比磁化系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)

用已知比磁化系數(shù)的莫爾氏鹽進(jìn)行標(biāo)定。莫爾氏鹽的比磁化系數(shù)χm與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系見(jiàn)式(2)[8-9]。

(2)

當(dāng)溫度為26.5℃時(shí)，莫爾氏鹽的比磁化系數(shù)為3.971×10-7m3/kg。通過(guò)CMDS設(shè)定磁場(chǎng)強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)范圍為400～1100kA/m，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)100 kA/m，自動(dòng)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖10。由圖10可知，莫爾氏鹽比磁化系數(shù)測(cè)試平均值為3.975×10-7m3/kg，理論誤差為0.1%，滿足校準(zhǔn)精度。

圖10　莫爾氏鹽標(biāo)定結(jié)果

對(duì)河北某地釩鈦磁鐵礦原礦的比磁化系數(shù)和比磁化強(qiáng)度進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)定，其中原礦含F(xiàn)e30.55%，TiO210.42%，V2O50.30%，磁場(chǎng)強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)范圍為300～1100 kA/m，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為100 kA/m，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖11。由圖11可知，外磁場(chǎng)強(qiáng)度為300～1100kA/m時(shí)，釩鈦磁鐵礦原礦的比磁化系數(shù)在50.3×10-7～20.5×10-7m3/kg范圍內(nèi)變化，平均值為30.35×10-7m3/kg。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，比磁化系數(shù)逐漸降低，比磁化強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到900～1100kA/m時(shí)，其比磁化系數(shù)在基本21.0×10-7m3/kg左右，變化趨勢(shì)很小。即使是同一礦物，由于晶格構(gòu)造不同或存在類質(zhì)同相置換等原因，其比磁化系數(shù)和比磁化強(qiáng)度也不相同，該釩鈦磁鐵礦原礦的比磁化系數(shù)的測(cè)定可為磁選工藝參數(shù)的設(shè)定提供參考依據(jù)。

圖11　釩鈦磁鐵礦原礦測(cè)定結(jié)果

5結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)開(kāi)環(huán)式電磁勵(lì)磁系統(tǒng)磁場(chǎng)特性的數(shù)值模擬研究，實(shí)現(xiàn)了新型比磁化系數(shù)測(cè)定儀磁場(chǎng)特性可視化，發(fā)現(xiàn)其勵(lì)磁系統(tǒng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)于勵(lì)磁線圈中垂面對(duì)稱，并沿勵(lì)磁線圈到極間夾角方向呈遞減趨勢(shì)。

2)基于對(duì)開(kāi)環(huán)式電磁勵(lì)磁機(jī)構(gòu)磁場(chǎng)特性的仿真模擬，確定了磁系極間夾角為60°的磁場(chǎng)特性更適合比磁化系數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)定。

3)通過(guò)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了基于Maxwell對(duì)開(kāi)環(huán)式電磁勵(lì)磁系統(tǒng)仿真計(jì)算的可靠性。應(yīng)用新型開(kāi)環(huán)式比磁化系數(shù)測(cè)定儀，采用莫爾氏鹽定標(biāo)，對(duì)某地釩鈦磁鐵礦原礦的比磁化系數(shù)和比磁化強(qiáng)度進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)定，其測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性和儀器工作的穩(wěn)定性。

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Simulation study on new susceptibility tester of open-loop magnetic system

WANG Xue-tao1，LI Meng1，NIU Fu-sheng1，WANG Chao2，BAI Li-mei1

(1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China；2.Shenyang Longji Magnet Co.，Ltd.，F(xiàn)ushun 113122，China )

Abstract:In order to explore the influence on magnetic field characteristics of susceptibility tester based on open-loop electromagnetic system，the magnetic field characteristics is numerically simulated by Ansys Maxwell.The magnetic field characteristics of susceptibility tester is visual and symmetrical on the midperpendicular plane of the excitation system；and when the angle of magnetic pole of open-loop magnetic system is 60°，the magnetic field characteristics is more suitable for the testing of susceptibility，the magnetic field strength shows a decreasing trend along the direction between excitation coil and the angle of the magnetic pole.Through the susceptibility testing experiment on Ammonium iron(Ⅱ) sulfate hexahydrate as standard and scientific experiment on Ilmenite iron ore concentrate，the reliability of numerical simulation and working stability of equipment is proved based on Maxwell.

Key words：susceptibility tester；open-loop magnetic system；magnetic field characteristics；numerical simulation

收稿日期：2015-08-25

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51474087)；河北省百名優(yōu)秀創(chuàng)新人才支持計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào)：BR2-214)

作者簡(jiǎn)介：王學(xué)濤(1990-)，男，碩士研究生，攻讀華北理工大學(xué)礦業(yè)工程專業(yè)，主要從事選礦工藝方面的研究工作。E-mail：taoxuewang11@126.com。

中圖分類號(hào)：TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)06-0125-04