磁選柱中螺線管型磁系的模擬優(yōu)化研究

張洺睿 郭小飛 任偉杰 代淑娟

（遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

磁選柱作為磁鐵礦選礦廠常用的精選設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、效率高及操作方便等特點(diǎn)［1-2］。隨著磁選柱設(shè)備的大型化，螺線管型磁系存在的中心區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度低和磁場(chǎng)梯度小等問題易導(dǎo)致微細(xì)粒磁鐵礦精礦流失［3］，影響了磁鐵礦精選技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。磁選柱精選的實(shí)質(zhì)是根據(jù)礦石顆粒之間的磁性差異，利用強(qiáng)磁性礦物的磁團(tuán)聚現(xiàn)象并控制受力條件形成高選擇性的磁團(tuán)聚體，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁性礦物的高效精選［4］。選礦工作者為解決磁選柱精選過程中磁鐵礦顆粒與連生體的無(wú)選擇性磁團(tuán)聚和機(jī)械夾雜等問題進(jìn)行了深入研究。一方面通過對(duì)磁選柱磁系結(jié)構(gòu)、極距和磁極數(shù)量等磁場(chǎng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過在交變磁場(chǎng)或復(fù)合磁場(chǎng)作用下對(duì)磁鐵礦和連生體進(jìn)行選擇性的團(tuán)聚與分散，實(shí)現(xiàn)磁鐵礦與連生體的有效分離，如陳廣振等［5］研制的磁選環(huán)柱、袁致濤等［6］研制的脈沖振動(dòng)磁選柱、劉鵬等［7］研制的變徑磁選柱和王泰安等［8］研制的淘洗磁選機(jī)。另一方面，采用復(fù)合力場(chǎng)強(qiáng)化磁選柱的精選過程，結(jié)合磁鐵礦和連生體顆粒的沉降特性差異，通過優(yōu)化分選區(qū)中的流體壓強(qiáng)分布，使微細(xì)粒的連生體顆粒能夠被有效脫離，如王偉芝等［9］研制的磁力旋流分選機(jī)、徐國(guó)印［10］等研制的旋流磁選柱、楊興滿等［11］研究的底錐旋流和葉輪式給水磁選柱等。

為進(jìn)一步改進(jìn)磁選柱的磁場(chǎng)特性和分選效果，本論文在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用有限元法對(duì)磁選柱的螺線管型磁系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化研究。對(duì)不同結(jié)構(gòu)的螺線管型線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)特性進(jìn)行分析，并利用改進(jìn)磁系后的磁選柱對(duì)遼寧本溪地區(qū)的磁鐵礦進(jìn)行了階段磁選試驗(yàn)，為解決磁選柱磁系中心磁感應(yīng)強(qiáng)度低和磁場(chǎng)梯度小等問題提供了研究基礎(chǔ)。

1 磁選柱的結(jié)構(gòu)及分選原理

磁選柱主要由給礦管、尾礦溢流口、勵(lì)磁線圈、切向給水管、精礦斗以及控制系統(tǒng)組成，工作原理如圖1所示。在磁選柱分選過程中，不同磁極交替激磁產(chǎn)生的循環(huán)磁場(chǎng)，使磁鐵礦和連生體產(chǎn)生周期性的“團(tuán)聚—分散—再團(tuán)聚”。磁聚團(tuán)中的連生體及脈石顆粒在流體曳力作用下上浮成為尾礦。磁鐵礦顆粒由于聚團(tuán)后的重量增大，下沉成為高品位精礦。

2 磁選柱螺線管型磁系的設(shè)計(jì)

2.1 理論計(jì)算

磁選柱螺線管型磁系軸線方向磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算方法如圖2所示，磁系中某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算方法如式（1）所示。

式中，BP為P點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度，mT；μ為真空磁導(dǎo)率，H/m；n為線圈總匝數(shù)，匝；I為電流大小，A；L1為P點(diǎn)距線圈左端距離，mm；L2為P點(diǎn)距線圈右端距離，mm；r1為螺線管型磁系內(nèi)徑，mm；r2為螺線管型磁系外徑，mm。

采用公式（1）對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的螺線管磁系中心區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，其中徑向列數(shù)代表線圈長(zhǎng)（b），軸向?qū)訑?shù)代表線圈寬（a），計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

如圖3所示，相同工作電流下，在螺線管型磁系的徑向列數(shù)由15列增加至25列時(shí)，中心區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度提高了41.23%～41.77%。當(dāng)軸向?qū)訑?shù)由22層增加至32層時(shí)，中心區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度提高了52.86%～53.44%。設(shè)定磁選柱螺線管型勵(lì)磁線圈端面中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)為15 mT，選用直徑為1.8 mm的紫銅導(dǎo)線，初步確定勵(lì)磁線圈的結(jié)構(gòu)尺寸為18層×32列（576）、19層×30列（570匝）、20層×28列（560匝）、21層×28列（588匝）。

當(dāng)最大工作電流強(qiáng)度I=15A時(shí)，導(dǎo)線中的電流密度為：

因此，設(shè)計(jì)的螺線管磁系符合紫銅銅線允許的電流密度范圍5×106～12×106A/m2［12］。

2.2 螺旋管型磁系的有限元模擬

2.2.1 磁選柱數(shù)值模型構(gòu)建

對(duì)磁選柱螺線管型線圈的磁場(chǎng)進(jìn)行模擬，采用有限元分析法對(duì)ANSY Workbench建立的模型進(jìn)行模擬計(jì)算，并選用Maxwell模塊進(jìn)行磁場(chǎng)分析。模擬計(jì)算時(shí)，分別設(shè)置勵(lì)磁線圈與分選區(qū)的材料屬性如表1所示。根據(jù)磁選柱磁系建立實(shí)體模型如圖4所示，選取靜態(tài)磁場(chǎng)對(duì)磁選柱的螺線管型線圈進(jìn)行分析［13］，在仿真模型中，中間分選區(qū)域?yàn)榭諝庥颍瑢⒛Ｐ鸵酝獾膮^(qū)域設(shè)置成磁絕緣區(qū)域來(lái)模擬實(shí)際的工作環(huán)境，同時(shí)將模型邊界條件設(shè)置為Balloon，定義x=0，y=0，z=0處為磁系中心。對(duì)螺線管型線圈的模型采用自適應(yīng)網(wǎng)格進(jìn)行劃分后，針對(duì)網(wǎng)格最密處進(jìn)行細(xì)化，如圖5所示，得到網(wǎng)格劃分模型［14］。

2.2.2 可靠性驗(yàn)證

對(duì)有限元法模擬得到的線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

如圖6所示，在分選區(qū)中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的有限元模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。隨著長(zhǎng)度b與寬度a比值增加，實(shí)際模擬值與理論值的差異在0.13%～1.95%之間，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算模型分析磁場(chǎng)特性的可靠性。

2.2.3 模擬結(jié)果分析

對(duì)4種不同結(jié)構(gòu)螺線管線圈在分選區(qū)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)梯度（以P點(diǎn)為例，如圖2）進(jìn)行分析，研究軸向方向距離對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)梯度的影響，線圈結(jié)構(gòu)對(duì)螺線管磁系磁場(chǎng)特性的影響如圖7所示。

由于螺線管型磁系產(chǎn)生的磁場(chǎng)為非均勻磁場(chǎng)，距磁系邊緣越近，磁力線越密集，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大。從圖7（a）中可以看出，軸向方向上距離磁系邊緣越近，磁感應(yīng)強(qiáng)度越高。分選區(qū)軸向方向距磁系距離每減少0.1 m，不同結(jié)構(gòu)磁系的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別增加81.54%、110.01%、85.54%、96.32%。隨著磁系尺寸（b/a）比值增加（圖7（b）），分選區(qū)軸向方向距磁系距離每減少0.02 m，不同結(jié)構(gòu)磁系的磁場(chǎng)梯度分別增加79.91%、32.34%、20.77%、54.84%。

不同結(jié)構(gòu)螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖（沿圖4中z軸方向剖面）如圖8所示。當(dāng)b/a分別為1.33、1.40、1.58和1.78時(shí)，螺線管磁系軸向截面的最高磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為 3.47×10-2T、3.59×10-2T、3.22×10-2T、3.20×10-2T。磁感應(yīng)強(qiáng)度最高的地方位于磁系的邊緣處，在徑向方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化不大。在軸向方向上，磁場(chǎng)作用的深度較小。當(dāng)b/a為1.4時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度較其它結(jié)構(gòu)高3.46%～12.19%。計(jì)算機(jī)模擬得到的磁力線分布規(guī)律與《電磁選礦學(xué)》［15］中對(duì)螺線管磁系磁場(chǎng)分布特性的描述相似。

結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)新型磁選柱磁系：采用直徑為2.2 mm的紫銅導(dǎo)線（由于采用漆包線，實(shí)際導(dǎo)線直徑為1.8 mm），線圈內(nèi)半徑為75 mm；螺線管線圈總匝數(shù)為560匝（28列×20層），電阻為1.13 Ω；線圈間距為33 mm；磁選柱磁系包括1組恒定磁場(chǎng)線圈、6組循環(huán)磁場(chǎng)線圈。

2.3 新型磁選柱磁選試驗(yàn)

采用磁系改進(jìn)后的新型磁選柱對(duì)遼寧本溪地區(qū)的磁鐵礦進(jìn)行階段磁選試驗(yàn)，試驗(yàn)流程如圖9所示，試樣的化學(xué)多元素分析結(jié)果如表2所示。試樣的TFe品位為29.63%，粒度為-0.074 mm占83.96%。

試驗(yàn)主要考察磁選柱軸向中心磁感應(yīng)強(qiáng)度、上升水流速度和磁場(chǎng)變化周期對(duì)分選指標(biāo)的影響。一段磁選試驗(yàn)的主要目的在于拋除已經(jīng)單體解離的脈石，尾礦TFe品位與回收率隨不同試驗(yàn)參數(shù)的變化規(guī)律如圖10所示。

由圖10可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度越高、上升水流速越低、磁場(chǎng)變化周期越短，尾礦的TFe品位越低，回收率也越低。隨著一段磁選磁感應(yīng)強(qiáng)度的升高（圖10（a）），尾礦TFe品位由7.53%降到7.13%。隨著上升水流速度增大（圖10（b）），尾礦TFe品位由6.57%降到6.03%。當(dāng)磁場(chǎng)變化周期逐漸增大時(shí)（圖10（c）），尾礦TFe品位由4.68%上升到8.19%。在磁選柱分選過程中，磁鐵礦顆粒主要受到周期性的磁力產(chǎn)生聚團(tuán)沉降并成為精礦，當(dāng)磁選柱線圈內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)均勻程度得到提高后，對(duì)于降低尾礦中的金屬流失更加有利。采用新型磁選柱實(shí)現(xiàn)一段粗選的適宜磁感應(yīng)強(qiáng)度、上升水流速度和磁場(chǎng)變化周期分別為22.68 mT、0.61×10-2m/s和1.5 s。

對(duì)新型磁選柱的一段磁選精礦進(jìn)行二段選別，主要目標(biāo)在于獲得合格品位的鐵精礦，精礦TFe品位與回收率隨不同試驗(yàn)參數(shù)的變化規(guī)律如圖11所示。

由圖11可以看出，在新型磁選柱的磁感應(yīng)強(qiáng)度、上升水流速度和磁場(chǎng)變化周期分別為12.7 mT、1.53×10-2m/s和2 s的情況下，鐵精礦TFe品位和回收率達(dá)到了69.31%和63.83%，中礦的TFe品位和回收率分別為27.64%和28.81%。磁選柱精選階段的主要目的是實(shí)現(xiàn)磁鐵礦單體和連生體的有效分離，較低的磁化磁場(chǎng)能夠減小兩種成分之間的磁團(tuán)聚力，但是穩(wěn)定均勻的磁場(chǎng)能夠降低上升水流速增大造成的微細(xì)粒磁鐵礦單體進(jìn)入磁選柱溢流成為尾礦［16］。

3 結(jié) 論

（1）與傳統(tǒng)磁選柱相比，優(yōu)化后的磁選柱螺線管線圈最佳尺寸配比（b/a）為1.40，中心區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度提高了2.93%，磁場(chǎng)梯度增大了16.29%。利用新型磁選柱對(duì)細(xì)度為-0.074 mm占83.96%、TFe品位為29.63%的磁鐵礦進(jìn)行階段磁選試驗(yàn)，能夠獲得TFe品位分別為69.31%、27.64%和5.21%的鐵精礦、中礦和尾礦，3種產(chǎn)品的回收率分別為63.83%、28.81%和7.36%，在獲得高品位的鐵精礦的前提下還能夠拋除合格尾礦。

（2）采用有限元法仿真模擬與理論計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)磁選柱的螺線管型磁系進(jìn)行優(yōu)化研究，能夠改進(jìn)磁選柱分選區(qū)域的磁場(chǎng)特性，為電磁柱式精選設(shè)備磁系的優(yōu)化提供新的研究基礎(chǔ)。