高效立環(huán)高梯度強(qiáng)磁磁選機(jī)的研制及應(yīng)用

歐剛良

（岳陽大力神電磁機(jī)械有限公司，湖南岳陽 414100）

0 引言

目前我國的鐵礦石以貧礦為主，大部分鐵礦石必須經(jīng)過選礦才能用于工業(yè)生產(chǎn)，高效立環(huán)高梯度強(qiáng)磁磁選機(jī)可廣泛應(yīng)用于鈦鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、鉭鈮礦、墨鎢礦、錳等弱磁性礦物的分選，以及硅線石、霞石、鋰輝石、螢石、高嶺土、長石、石英等非金屬礦物的除鐵提純。岳陽大力神電磁機(jī)械有限公司在現(xiàn)有電磁技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展對立環(huán)高梯度磁選機(jī)背景磁場、高梯度磁場的優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大提高了對弱磁性礦物的分選能力，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，擴(kuò)大立環(huán)高梯度磁選機(jī)對弱磁性礦物的應(yīng)用范圍，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 高效立環(huán)高梯度強(qiáng)磁磁選機(jī)結(jié)構(gòu)

YYDLS 立環(huán)高梯度強(qiáng)磁磁選機(jī)主要由沖程箱、轉(zhuǎn)環(huán)、鐵軛、勵磁線圈、液位智能系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以給礦斗、尾礦斗、精礦斗和漂洗斗裝置等組成（圖1），其中轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)裝有自主權(quán)知識產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)磁介質(zhì)盒。其工作原理是利用各種礦物的不同導(dǎo)磁性能，在電磁磁力、脈動流體力和重力等綜合力場的作用下，對非磁性礦物與弱磁性礦物的進(jìn)行分離。本文在研制YYDLS 磁選機(jī)的過程中，總結(jié)了現(xiàn)有立環(huán)脈動高梯度磁選機(jī)設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)，對磁路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制的立環(huán)高梯度磁選機(jī)具有自主知識產(chǎn)權(quán)，技術(shù)性能處于領(lǐng)先地位（表1）。同時(shí)，立環(huán)高梯度磁選機(jī)實(shí)現(xiàn)了機(jī)電智能控制，大大提升了設(shè)備的選礦性能。

表1 YYDLS-3000 立環(huán)高梯度強(qiáng)磁磁選機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 高效立環(huán)高梯度強(qiáng)磁磁選機(jī)結(jié)構(gòu)

2 背景場強(qiáng)設(shè)計(jì)

背景磁場由一組線圈產(chǎn)生，包括線圈、磁軛、鐵芯等組件。根據(jù)磁選機(jī)的尺寸，采用ANSYS 有限元計(jì)算磁體和線圈中心部位的磁場分布。根據(jù)立環(huán)脈動高梯度磁選機(jī)磁體本身結(jié)構(gòu)的對稱性，只需建立其1/4 結(jié)構(gòu)模型就可以滿足計(jì)算要求。具體結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示，其中深紅色部分為鐵軛，淺藍(lán)色部分為鐵芯，粉紅色部分為環(huán)形內(nèi)部磁極，中間部分為放入磁介質(zhì)盒間隙，即轉(zhuǎn)環(huán)通過的部位。磁體的環(huán)形區(qū)域中心切面上磁場分布情況如圖3 所示，通過提取中心切面上每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的磁場強(qiáng)度值，得到中心磁場強(qiáng)度在1.3 T 以上。而磁體內(nèi)鐵軛、鐵芯及磁極上的磁場分布情況如圖4 所示。

圖2 三維實(shí)體模型

圖3 中心切面磁場

圖4 磁場分布

從計(jì)算結(jié)果可以看出，鐵芯及磁極上的磁場強(qiáng)度已接近所選用材料的磁飽和強(qiáng)度，尤其是鐵芯。如果要增大中心磁場強(qiáng)度，就會增大磁路上的磁阻，但可以適當(dāng)增加鐵芯截面積并減小線圈截面。因此，在設(shè)計(jì)磁路時(shí)除了線圈的安匝數(shù)外，鐵芯截面積、線圈截面、材料的磁飽和強(qiáng)度都會影響中心磁場強(qiáng)度。在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，磁軛和鐵芯選用較高磁飽和強(qiáng)度的材料，而線圈采用長方形，中心平面與立環(huán)相切，磁軛與鐵芯有最短的磁回路，鐵芯截面積大，磁路的氣隙磁阻小、漏磁少，立環(huán)磁選區(qū)大，單個(gè)線圈所需安匝數(shù)小，磁路中產(chǎn)生的磁場最大。

后續(xù)研制了YYDLS-150、YYDLS-175、YYDLS-200、YYDLS-250、YYDLS-300、YYDLS350、YYDLS400 等系列立環(huán)高梯度強(qiáng)磁磁選機(jī)，均基于上述設(shè)計(jì)路線，結(jié)構(gòu)科學(xué)，磁極氣隙中心強(qiáng)度理論計(jì)算可以達(dá)到1.5 T（15 000 GS）以上。

勵磁線圈由傳統(tǒng)的鋁管或銅管繞制，間接油冷改進(jìn)為采用空心銅管繞制，匝與匝之間用環(huán)氧樹脂填充固定，自來水從管子的一端流入另一端流出，冷卻水貼著銅管內(nèi)壁流動，帶走線圈產(chǎn)生的熱量。此外，水位、水溫均采用智能監(jiān)控，具有先進(jìn)的故障診斷和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的智能化運(yùn)行控制。

3 磁路設(shè)計(jì)

立高梯度強(qiáng)磁磁選機(jī)的磁場是由磁性介質(zhì)（如介質(zhì)棒），在背景磁場中磁化后，其表面產(chǎn)生較高的梯度磁場，對進(jìn)入磁選機(jī)的磁性細(xì)微顆粒物產(chǎn)生吸附作用，將其直接吸附在介質(zhì)盒的表面。最后通過強(qiáng)大的水流將磁性細(xì)微顆粒物沖走，進(jìn)入下面的精礦斗。高效立環(huán)高梯度強(qiáng)磁磁選機(jī)的介質(zhì)棒進(jìn)行了搓齒棒處理，搓齒后的介質(zhì)棒表面凹凸起伏，形成了很多尖角，有利于磁力線的集中。采用ANSYS 有限元分析搓齒棒與圓柱棒的表面磁場差異。分析時(shí)為建模方便，將搓齒棒放在已知磁場強(qiáng)度為1.5 T 的均勻磁場中。磁矢量方向沿Y 軸，并垂直于搓齒棒。放入搓齒棒之后的磁場分布見圖5，加入圓形棒后磁場分布見圖6。

圖5 加入搓齒棒后磁場分布

圖6 加入圓形棒后磁場分布

對比圖5、圖6，搓齒后介質(zhì)棒周圍的磁場強(qiáng)度明顯高于沒有搓齒的圓形介質(zhì)棒周圍的磁場強(qiáng)度。搓齒后介質(zhì)棒的最高磁場強(qiáng)度可達(dá)3.15 T（31 500 GS），而沒有搓齒的圓形介質(zhì)棒的最高磁場只有2.58 T（25 800 GS）。搓齒后介質(zhì)棒周圍的磁場強(qiáng)度明顯增加，且梯度db/dy 變化值也明顯增加；而沒有搓齒的圓形介質(zhì)棒的磁場強(qiáng)度增加較小，且梯度db/dy 變化也不明顯。這是因?yàn)榇挲X后介質(zhì)棒的表面形成了凹凸?fàn)?，并產(chǎn)生很多的尖角，磁化后尖角附近磁力線聚集，使局部磁場增大。

其次是磁介質(zhì)材料的影響，介質(zhì)盒的導(dǎo)磁介質(zhì)棒由原來的0Cr12 或1Cr15 導(dǎo)磁不銹鋼改為導(dǎo)磁性能更高的材料，大大提高了磁介質(zhì)表面的磁場強(qiáng)度和磁場梯度，從而提高了磁介質(zhì)對弱磁性物質(zhì)的捕獲能力。導(dǎo)磁不銹鋼的磁飽和是11 000 GS，最高梯度也不超過16 000 GS，而高勵磁性能的材料磁飽和可達(dá)23 000 GS，最高梯度可達(dá)到32 000 GS 以上。

4 液位自動平衡控制系統(tǒng)

維持礦漿液面高度是使高頻振動充分發(fā)揮作用、保證良好分選效果的關(guān)鍵因素。礦漿液位的控制通過在液位箱設(shè)置液位傳感器監(jiān)測，控制電磁閥自動補(bǔ)礦。當(dāng)?shù)V漿液位過低時(shí)，液位壓力傳感器給出信號，電磁閥自動啟動，開始補(bǔ)礦；液位達(dá)到設(shè)定時(shí)，電磁閥自動復(fù)位，停止補(bǔ)礦。當(dāng)?shù)V漿液位過高時(shí)，礦漿從液流管流入尾礦池的同時(shí)，液位傳感器給出信號，報(bào)警器報(bào)警提示操作人員處理；當(dāng)給礦量有0～10%的波動時(shí)，磁選機(jī)可以靠本身的自我調(diào)節(jié)能力穩(wěn)定液位。如果給礦量的波動很大，用戶應(yīng)在給礦前面安裝恒壓箱，讓多余的礦漿回流到原礦池，保證磁選機(jī)給礦量的波動小于10%。礦漿液位長期維持在設(shè)定范圍，可以保證穩(wěn)定的精礦品位和高回收率。

5 磁選機(jī)分選試驗(yàn)

在高梯度磁選機(jī)中，礦物處在背景磁場與梯度磁場的疊加磁場之中，當(dāng)不改變激磁電流，即不改變背景磁場的大小時(shí)，在能耗基本不變的前提下，對立環(huán)高梯度強(qiáng)磁磁選機(jī)的介質(zhì)棒進(jìn)行搓齒處理，使其表面形成凹凸不平，增加其周圍的磁場強(qiáng)度，能有效的提高礦物的回收率和生產(chǎn)效率。

試驗(yàn)采用海南聯(lián)合礦業(yè)有限公司經(jīng)過弱磁磁選后的尾礦，該樣品構(gòu)成以赤鐵礦為主，此外還有少量的磁鐵礦和硫鐵礦，全鐵品位為42.67%。在其他磁選條件基本不變的前提下，采用搓齒棒與圓棒磁介質(zhì)進(jìn)行對比試驗(yàn)，磁選試驗(yàn)結(jié)果見表2。對搓齒棒與圓棒的精礦進(jìn)行粒級分析，分析結(jié)果見表3、表4。

表2 搓齒棒與圓棒磁介質(zhì)對比試驗(yàn)結(jié)果 %

表3 圓棒介質(zhì)精礦粒級分布

表4 搓齒棒介質(zhì)精礦粒級分布

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對于細(xì)粒級的礦物，在不增加背景磁場強(qiáng)度的前提下，介質(zhì)棒的表面經(jīng)過搓齒處理，磁選介質(zhì)就能更好地回收精礦。

6 結(jié)論

高效立環(huán)脈動高梯度磁選機(jī)磁路設(shè)計(jì)具有背景磁場大、介質(zhì)梯度磁場大、自動化程度高的優(yōu)點(diǎn)。YYDLS 系列立環(huán)高梯度強(qiáng)磁磁選機(jī)可用于對鐵礦石、褐鐵礦、黑鎢礦、錳礦、赤泥、長石、高嶺土等礦物質(zhì)的純度提高。由于采用自動化控制電路、水位、水溫以及介質(zhì)棒的搓齒工藝，大大提高了立環(huán)高梯度強(qiáng)磁磁選機(jī)工作效率，節(jié)能減排，是一種用于弱磁性礦物分選現(xiàn)階段的高效磁選設(shè)備。