基于計(jì)算機(jī)軟件模擬的板式磁選機(jī)磁系設(shè)計(jì)

盧俊穎 王化軍,2 方 昊 馮志遠(yuǎn) 張開(kāi)路(.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 00083；2.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 00083)

基于計(jì)算機(jī)軟件模擬的板式磁選機(jī)磁系設(shè)計(jì)

盧俊穎1王化軍1,2方 昊1馮志遠(yuǎn)1張開(kāi)路1(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

板式磁選機(jī)是北京科技大學(xué)新研制的一款用于20 mm以下貧磁鐵礦石干式預(yù)選的設(shè)備。運(yùn)用A.M.軟件對(duì)板式磁選機(jī)的磁系進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化研究。確定的釹鐵硼磁塊牌號(hào)為N50，厚度為30 mm，磁塊縱向間隙為40 mm，磁系底板材料為Q235；依據(jù)模擬結(jié)果制作的實(shí)物模型的磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與模擬結(jié)果基本一致，模擬結(jié)果可靠性好。研究結(jié)果表明，利用計(jì)算機(jī)軟件模擬磁系的磁場(chǎng)分布，可大大減少磁系設(shè)計(jì)的工作量，提高磁系設(shè)計(jì)的可靠性。

板式磁選機(jī) 磁系設(shè)計(jì) 模擬計(jì)算 磁感應(yīng)強(qiáng)度

近年來(lái)我國(guó)磁選設(shè)備的研制進(jìn)展很快。在磁選設(shè)備中，磁系設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，了解磁選設(shè)備分選空間磁場(chǎng)分布十分重要，它對(duì)分析磁選設(shè)備的性能，進(jìn)而確定適宜的磁系結(jié)構(gòu)參數(shù)、磁塊形狀和尺寸，以及研究磁性顆粒受力情況起著重要的作用[1-3]。同時(shí)，為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)、節(jié)省材料，設(shè)計(jì)制造供不同用途且能滿足特定磁場(chǎng)要求的磁系體系，就必須對(duì)其磁場(chǎng)的大小與分布做出嚴(yán)密的分析與準(zhǔn)確的計(jì)算[4-5]。

本研究利用A.M.軟件[6]進(jìn)行磁系磁場(chǎng)分布仿真模擬，優(yōu)化磁系參數(shù)，主要包括釹鐵硼磁塊的性能牌號(hào)、磁塊的厚度、磁塊的縱向間隙及磁系底板材料等，為板式磁選機(jī)磁系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造提供理論指導(dǎo)。

1 模擬模型與評(píng)價(jià)方法

板式磁選機(jī)主要是為-20 mm的貧磁鐵礦的干式預(yù)磁選而設(shè)計(jì)的分選設(shè)備。考慮該磁選機(jī)的皮帶厚度、主要磁場(chǎng)作用區(qū)域及磁場(chǎng)作用深度等因素，模擬結(jié)果真實(shí)、準(zhǔn)確與否的考察標(biāo)準(zhǔn)為垂直距離磁系表面0，3，8，30 mm處磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況。良好的磁系磁路設(shè)計(jì),應(yīng)在盡量減少永磁材料使用[7]的前提下讓磁路中更多的磁通量聚集到作業(yè)空間，以滿足磁場(chǎng)強(qiáng)度最大的要求。由于該設(shè)備用于分選強(qiáng)磁性礦物，分選區(qū)只要有足夠高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，而不需要太高的磁場(chǎng)梯度，因此分選磁系磁性材料均使用釹鐵硼永磁磁塊，其長(zhǎng)×寬為80 mm×60 mm。

針對(duì)磁系不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立如圖1所示模型，設(shè)置好每種參數(shù)對(duì)應(yīng)的模型后分別進(jìn)行磁場(chǎng)模擬，可模擬出磁系磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間上的分布，然后，在垂直距離永磁體磁系表面0，3，8，30 mm處分別做一與極面平行的直線，對(duì)直線上各點(diǎn)的磁場(chǎng)大小求解，即可得到距離磁系表面不同距離處磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況，對(duì)直線上各點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后選擇合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 仿真模擬模型

基于二維模擬可以表示磁系縱向上的結(jié)構(gòu)形式，但沒(méi)有考慮橫向磁極對(duì)縱向磁場(chǎng)分布的影響，因此，三維模擬條件下建立的模型更貼近實(shí)際，模擬結(jié)果也更具真實(shí)性。為了論證二維條件下模擬結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性，對(duì)二維與三維條件下的模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)圖2。

圖2 二維模擬與三維模擬對(duì)比

模擬對(duì)比表明，二維與三維模擬的磁感應(yīng)強(qiáng)度基本一致，因此可以認(rèn)為縱向磁極的二維模擬結(jié)果可以代表整個(gè)板式磁選機(jī)磁系的模擬結(jié)果，且由于二維模擬計(jì)算量較三維模擬的要小很多，建模也更加簡(jiǎn)便，因此，本研究將使用二維模擬進(jìn)行磁系的模擬計(jì)算。

2 軟件模擬結(jié)果分析

2.1 釹鐵硼磁塊牌號(hào)的選擇

釹鐵硼永磁磁塊有多種不同性能的牌號(hào)，較常見(jiàn)的有燒結(jié)型的N50，N38，N27。不同的數(shù)字牌號(hào)表示不同大小的磁能積。磁能積是退磁曲線上任何一點(diǎn)的B和H的乘積，是衡量磁體所儲(chǔ)存能量大小的重要參數(shù)之一。在能滿足所需磁感應(yīng)強(qiáng)度的前提下，希望使用的磁性材料越便宜、來(lái)源越廣泛越好。在釹鐵硼磁塊尺寸等可能影響磁感應(yīng)強(qiáng)度因素相同的情況下，若低牌號(hào)的釹鐵硼磁塊能達(dá)到所需要的磁感應(yīng)強(qiáng)度，則應(yīng)盡可能使用低牌號(hào)磁塊。

在磁系底板材料為Q235，釹鐵硼磁塊厚度為30 mm，磁塊縱向間隙40 mm的條件下，利用A.M.軟件模擬了使用牌號(hào)分別為N50，N38和N27的釹鐵硼永磁磁塊所形成的不同的磁系，并求解了距離磁系表面不同距離處磁場(chǎng)的分布情況。由于磁系磁場(chǎng)具有對(duì)稱(chēng)性，因此，截取考察直線上的部分點(diǎn)就可以表達(dá)清楚磁場(chǎng)分布趨勢(shì)和強(qiáng)度。模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。需要說(shuō)明的是，凡是和磁系模擬相關(guān)的圖表中，橫坐標(biāo)的距離指的均是該點(diǎn)到模型坐標(biāo)原點(diǎn)的橫向距離。

圖3 不同牌號(hào)磁塊構(gòu)成的磁系的磁場(chǎng)分布

由圖3可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度在垂直方向上衰減速度很快，當(dāng)達(dá)到一定的磁場(chǎng)作用深度后，磁場(chǎng)分布變得十分平緩，以一條直線為中心窄幅波動(dòng)；隨著磁塊磁能積的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰、谷值也增大，但不同牌號(hào)磁塊構(gòu)成的磁系磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰、谷值之差基本一致。由于板式磁選機(jī)是貧磁鐵礦石的干選設(shè)備，應(yīng)在盡可能拋除廢石的同時(shí)控制住尾礦中磁性鐵的含量，因而希望分選區(qū)的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大越好，磁場(chǎng)作用深度越深越好。

由圖3還可以看出，在距離磁系表面0 mm處不同牌號(hào)的磁塊構(gòu)成的磁系表面磁感應(yīng)強(qiáng)度差距最顯著，N50磁塊形成的最高磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)到1.5 T，而N27磁塊形成的最高磁感應(yīng)強(qiáng)度只能達(dá)到1 T；隨著距離磁系表面的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，不同牌號(hào)的磁塊所形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度差異越來(lái)越小，尤其是N50磁塊和N38磁塊之間。但是在實(shí)際磁塊充磁過(guò)程中，磁塊的性能往往不能達(dá)到理論水平，再考慮安裝時(shí)可能造成的磁塊邊角損壞會(huì)降低磁塊場(chǎng)強(qiáng)，因此，為了盡可能確保較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，選用磁能積較大的N50釹鐵硼永磁磁塊更好。

2.2 釹鐵硼磁塊厚度的選擇

在磁體使用時(shí)對(duì)應(yīng)于一定能量的磁體，要求磁體的體積盡可能小。影響磁場(chǎng)分布情況的主要是磁塊的厚度，因此使用A.M.軟件考察了長(zhǎng)×寬為80 mm×60 mm的磁塊不同厚度情況下的磁場(chǎng)分布。

在磁系底板材料為Q235，釹鐵硼磁塊性能牌號(hào)為N50，磁塊縱向間隙40 mm的條件下，模擬厚度分別為10，20，30，40和50 mm的釹鐵硼永磁磁塊形成的不同的磁系在距離磁系表面不同距離處的磁場(chǎng)的分布情況。模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出：①磁塊越厚，產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，磁場(chǎng)作用深度越深。②厚度為10 mm的磁塊，距離磁系表面3 mm處的最高、最低磁感應(yīng)強(qiáng)度已衰減到400 mT和150 mT左右，磁場(chǎng)作用深度太淺，可以排除。③厚度為20 mm的磁塊，磁系表面磁感應(yīng)強(qiáng)度最高達(dá)1.3 T，距離磁系表面3 mm處的最高、最低磁感應(yīng)強(qiáng)度已衰減到550 mT和300 mT左右，距離磁系表面8 mm處進(jìn)一步衰減至400 mT和270 mT左右，距離磁系表面30 mm處則衰減到了170 mT左右，該磁塊基本滿足磁感應(yīng)強(qiáng)度要求。④厚度為30 mm的磁塊，距離磁系表面8 mm處的最高、最低磁感應(yīng)強(qiáng)度為500 mT和350 mT，距離磁系表面30 mm處則衰減到210 mT左右，作用深度比20 mm厚的磁塊要深，在主要選別區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)較適宜。⑤當(dāng)磁塊厚度達(dá)到40 mm和50 mm時(shí)，能夠達(dá)到的磁感應(yīng)強(qiáng)度更高，接近中場(chǎng)強(qiáng)。

按照磁塊選擇原則，磁能積一定的情況下，在能夠滿足磁感應(yīng)強(qiáng)度的前提下，選擇體積小的磁塊。貧磁鐵礦的選別屬于弱磁選，考慮貧磁鐵礦中磁性鐵含

圖4 不同磁塊厚度磁系的磁場(chǎng)分布

量較低，磁選場(chǎng)強(qiáng)可以稍高，因此選擇厚度為30 mm的釹鐵硼永磁磁塊。

2.3 磁系縱向間隙的確定

氣隙會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)強(qiáng)迅速減弱，但合適的間隙不影響磁性物料在磁場(chǎng)中的磁翻轉(zhuǎn)作用，并且可以節(jié)省磁性材料的使用，也便于磁系的安裝。磁塊在橫向布置上一般是緊密布置的，對(duì)于板式磁選機(jī)而言，物料的磁翻轉(zhuǎn)作用主要發(fā)生在縱向的搬運(yùn)過(guò)程，橫向都是極性相同的磁極，若是存在橫向間隙，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致在分選過(guò)程中出現(xiàn)一條一條的物料層，造成回收率的損失，因此只需確定縱向間隙的大小。

在磁系底板材料為Q235，釹鐵硼磁塊性能牌號(hào)為N50，磁塊厚度為30 mm的條件下，對(duì)磁塊縱向間隙分別為0， 10，30，40和50 mm磁系進(jìn)行軟件模擬，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同縱向間隙磁系的磁場(chǎng)分布

由圖5可以看出，與磁系表面的距離無(wú)論多少，除了間隙為0 mm和50 mm時(shí)波谷有較大的波動(dòng)外，間隙為10 mm，30 mm和40 mm時(shí)磁場(chǎng)波谷差別不大，只是波峰有差異，但都能滿足磁感應(yīng)強(qiáng)度的要求。當(dāng)磁極間隙為0 mm時(shí)，磁系表面磁感應(yīng)強(qiáng)度不論是峰值還是谷值均較強(qiáng)，雖能滿足磁選機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度上的要求，但意味著將消耗更多的磁性材料。當(dāng)磁極間隙為50 mm時(shí)，由于氣隙的影響，磁場(chǎng)衰減很快，作用深度也受到影響。綜合考慮節(jié)約磁性材料和磁感應(yīng)強(qiáng)度因素，確定磁系縱向間隙以40 mm為宜。

2.4 磁系底板材料的確定

磁系底板對(duì)磁場(chǎng)的大小和分布有著重要的影響，底板材料大致分為2類(lèi)：導(dǎo)磁材料和不導(dǎo)磁材料。為了方便原材料的采購(gòu)，選擇不銹鋼板(不導(dǎo)磁材料)、鐵板、Q235鋼板作為磁系底板候選材料，分別對(duì)這些材料進(jìn)行軟件模擬，選擇出適合的磁系底板。

在釹鐵硼磁塊性能牌號(hào)為N50，磁塊厚度為30 mm，磁系縱向間隙為40 mm的條件下，對(duì)不同的磁系底板材料進(jìn)行軟件模擬，考察各材料的漏磁情況，主要參考磁力線的分布情況，距離磁系表面不同距離處的磁場(chǎng)分布情況作為輔助參考，從而確定合適的底板材料。模擬磁力線的分布情況見(jiàn)圖6，磁系表面一定距離處的磁感應(yīng)強(qiáng)度見(jiàn)圖7(以3 mm處為例)。

由圖6可以看出，由于不銹鋼板是不導(dǎo)磁材料，無(wú)法閉合磁力線，因而底板兩側(cè)的磁力線幾乎呈對(duì)稱(chēng)分布，造成磁場(chǎng)分散；而純鐵板和Q235鋼板是導(dǎo)磁材料，磁力線到達(dá)底板后閉合，沒(méi)有磁塊的一側(cè)幾乎沒(méi)有磁力線分布，說(shuō)明沒(méi)有磁塊的一側(cè)磁場(chǎng)力很小，這樣的磁力線分布情況便于磁系的安裝。

由圖7可以看出，純鐵板和Q235鋼板作為底板能夠達(dá)到的磁感應(yīng)強(qiáng)度比以不銹鋼板為底板的更高，作用深度也更深，且純鐵板和Q235板為底板形成的磁場(chǎng)分布情況幾乎一致，磁系表面其他距離處的情況完全類(lèi)似，不贅述。考慮原材料的價(jià)格與采購(gòu)難易度，選擇Q235鋼板作為磁系底板材料。

3 磁系模型實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)軟件模擬結(jié)果確定的磁系參數(shù)，制作了磁系的實(shí)物模型。使用高斯計(jì)對(duì)實(shí)物模型距磁系3 mm處的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖8。

由圖8可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果和模擬結(jié)果基本一致，說(shuō)明了模擬結(jié)果的可靠性。至于實(shí)測(cè)結(jié)果略低于模擬結(jié)果，這既可能與釹鐵硼磁塊實(shí)際充磁值達(dá)不到理論值有關(guān)，也可能與磁系安裝過(guò)程中造成的磁塊損壞、安裝精度不夠造成氣隙等有關(guān)。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)根據(jù)板式磁選機(jī)的實(shí)際用途，運(yùn)用A.M.軟件對(duì)板式磁選機(jī)磁系磁場(chǎng)分布的仿真模擬，確定的磁塊為牌號(hào)為N50的釹鐵硼磁塊，磁塊厚度為30 mm，磁塊的縱向間隙為40 mm，磁系底板材料為Q235。

圖6 不同底板材料磁系的磁力線分布

圖7 距離磁系表面3 mm處磁場(chǎng)分布

圖8 實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

(2)根據(jù)模擬研究確定的磁系參數(shù)制作了實(shí)物模型，其磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與模擬結(jié)果基本一致，說(shuō)明模擬結(jié)果非?？煽?。

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(責(zé)任編輯 羅主平)

Plate-type Magnetic System Design Based on Computer Software Simulation

Lu Junying1Wang Huajun1,2Fang Hao1Feng Zhiyuan1Zhang Kailu1
(1.SchoolofCivilandEnvironmentEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.StateKeyLaboratoryofHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMines，MinistryofEducation，Beijing100083，China)

Plate-type magnetic separator is a kind of new dry pretreatment equipment，developed by University of Science and Technology Beijing，applicable to poor magnetic ore at 20 mm or below.Magnetic system in plate-type magnetic separator is optimized by A.M.software.It is determined that magnetic block brand of NdFeB is N50，thickness 30 mm，vertical clearance 40 mm，Q235 for the magnetic backplane; On the base of simulation results，the measured magnetic induction intensity of physical model is closed to the simulated results，that is，the simulated results has good reliability.Results show that using computer software to simulate the magnetic field distribution of magnetic system can greatly reduce the workload and improve the reliability of the magnetic system design.

Plate-type magnetic separator，Magnetic system design，Simulation calculation， Magnetic induction intensity

2014-10-24

盧俊穎(1990—)，女，碩士研究生。通訊作者 王化軍(1963—)，男，教授，碩士。

TP15，TD457

A

1001-1250(2015)-01-108-05