簡述高梯度磁選機磁場的影響因素

摘要：本文主要闡述了立環高梯度磁選機的構造、工作原理。以及影響磁場強度的三個主要因素：線圈安匝數；磁路結構及其材料；磁介質材料及結構。

關鍵詞：背景場強；梯度場強；磁路結構及其材料；線圈安匝數；磁介質材料

1 引言

DLS系列立環高梯度磁選機是筆者公司結合國內外強磁磁選機的特點，自行研制開發的一種新型強磁磁選機。該系列產品是目前國內外性能最好、技術最先進的強磁磁選設備之一。它具有富集比大、對給礦粒度、濃度和品位波動適應性強、工作可靠、操作維護方便等優點。同時適用范圍廣泛，既能對弱磁性礦物進行選礦，例如：赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦、鈦鐵礦、鉻鐵礦、黑鎢礦、鉭鈮礦等；又能對非金屬礦物進行除鐵、提純，例如：石英、長石、霞石、螢石、硅線石、鋰輝石、高嶺土等。

影響立環高梯度磁選機磁選效果的最主要因素是磁路結構、背景場強、梯度場強的大小及分布。背景磁場越大，吸附力就越大，其在磁介質中所產生的梯度場強也越大，磁選效果就越好。

如何提高背景磁場及梯度場強，是本文研究的主要問題。根據立環磁選機及磁介質盒的結構和特點，主要研究以下幾個因素對磁場的影響：線圈安匝數；磁路結構及其材料；磁介質材料及結構。

2 立環磁選機構造及工作原理

2.1設備構造

DLS磁選機主要由高頻振動機構、轉環、勵磁線圈、上下鐵軛及各種礦斗、供水裝置等組成。其結構圖如圖1所示。

2.2工作原理

轉環內裝有導磁不銹鋼棒介質盒或不銹鋼網磁介質堆。選礦時，轉環作順時針旋轉，礦漿從給礦斗給人，沿上鐵軛縫隙流經轉環內圓周，磁介質在磁場中被磁化，表面形成高梯度磁場，礦漿中磁性顆粒被吸附在磁介質表面，轉環轉動時將其帶至頂部無磁場區，被沖洗水沖入精礦斗中，非磁性顆粒經內圓周流至外圓周沿下鐵軛縫隙流入尾礦斗中排出。

2.3磁路構造及原理

磁路（即礦粒分選區）由磁軛、勵磁線圈組成日字形，具有磁路短、磁阻小、磁損小，在相同的電耗下能夠產生更大的磁場。磁軛是由上鐵軛、下鐵軛及密封環板構成的日字形磁路結構。勵磁線圈由方形銅管、熱塑管、樹脂及不銹鋼外殼構成。根據安培右手定則，當勵磁線圈通人直流電流，日字形磁路周圍將會產生巨大的電磁場，在上下磁軛構成的100°～120°的縫隙范圍內（裝有磁介質的轉環通過此縫隙）會形成一個巨大均勻的平行磁場。磁介質在磁場中被磁化，表面形成高梯度磁場。礦漿中磁性顆粒通過磁介質時將被吸附在磁介質表面。磁路結構示意圖如圖2所示。

2.4磁介質

高梯度磁選機是利用導磁介質在磁場中產生感應磁場而使均勻磁場產生畸變，人為造成磁場的劇烈變化，從而使磁場變化率（梯度）大增，磁性礦物受到的吸力也變大增。這樣提高了分選效果，使比磁率很低的礦物，如赤鐵礦、褐鐵礦、錳礦等弱磁性礦物也能用磁選的方法進行分選。

3 影響磁場的主要因素

3.1線圈安匝數的影響

根據安培環路定理B=μ₀NI/2πR（μ₀為常數），磁場B與線圈匝數N及通過電流I成正比。當線圈匝數增加時，磁場強度也會相應地增加，但磁路空間及設備體積、重量也會大大增加。在考慮到整個立環高梯度磁選機磁系結構合理的情況下，一般設定線圈匝數小于150匝。而線圈電阻和匝數一定時，根據Q=I²·R·t，當電流越大時，線圈發熱就越大，線圈過熱使絕緣及冷卻問題難以解決，所以筆者通過參數優化設計，一般將工作電流設定為≤1500A。

3.2磁路及其材料

常用磁路材料有Q235和DT4（電工純鐵）兩種，磁體材料采用Q235時，其最高場強只能達到11000GS左有，此時材料的磁通達到飽和；而磁體材料采用DT4電工純鐵時，其最高場強能達到13000GS左右，這時磁通才達到飽和。所以當需要較高磁場時，可以增高電流來提高磁場強度，直到磁通飽和為止，而同樣條件時，使用DT4材料可以達到更高的飽和磁場。

3.3磁介質材料及結構的影響

高梯度磁選機是利用導磁介質在磁場中產生感應磁場，使均勻磁場產生畸變，人為造成磁場的劇烈變化，從而使磁場的變化率（梯度）增大，使得磁性礦物受到的磁場吸力更大。

（1）礦物在磁場中的受力分析和高梯度產生原理

F_m=μ·υ·B·gradB （1）

其中：μ-礦物的比磁率；

υ-礦物的體積；

B-磁場強度；

gradB-磁場梯度，磁場在空間的變化率。

礦物如果在均勻磁場中（大小和方向均無改變），即gradB為零時，所受的磁場力為零。由于磁力線總是走最短的路程，從圖3（c）中可以看出，磁力線是從N極先走到介質棒上，然后再到S極。那么，感應在介質棒上的磁感應強度B₂要遠遠地大于場強B₁。這樣在介質棒附近產生了一個畸變的磁場。在棒介質的表面磁感應強度很高，也就是說在離開介質棒表面微小的距離時，磁場的變化會很大；磁場變化率越大，梯度越高。

（2）介質棒的尖角效應

由于空氣的磁阻遠遠大于鐵磁介質的磁阻，因此磁力線總會在鐵磁介質中通過，然后再進入空氣中。磁場的尖角效應是指磁力線都流向尖角處，尖角處的磁力線密集，因此在尖角處的磁感應強度要高很多。

利用磁介質在磁場中的尖角效應，通過將磁介質加工成帶有菱角和尖角的形狀，可以增加磁介質的表面磁感應強度和提高磁場梯度。

筆者通過實際應用，對于同樣比磁率的弱磁性礦物，在有棱角和帶尖角的介質（異形介質）中，同樣大小的礦粒，異形介質所受到的磁場力比光滑圓面介質大很多，而且其回收細粒級的礦粒要比光滑圓柱面介質的多，粒級也更高。也就是說用帶有棱角和尖角的異形介質比相同導磁率的光滑圓柱面介質的回收下限要大。

4 運用ANSY S有限元分析軟件分析影響磁場的因素

本文采用ANSYS有限元分析軟件，建立三維磁體模型（見圖4），以計算其對磁場的影響。

4.1材料參數

（1）本文所采用的主要參數有：磁軛、鐵芯均選用電工純鐵DT4；線圈材料：22cm×28cm×5cm紫銅管：線圈匝數：140；線圈內的電流為1400A。

（2）ANSYS有限元計算模型

根據磁體本身結構的對稱性及磁體主要的磁力線回路，建立其主要部件的1/2結構模型就可以滿足計算要求。其中，由于原磁體結構中上下鐵芯中的空氣間隙與鐵芯整體相比寬度過小，計算中網格劃分過于繁多，且造成計算結果不收斂。因此，在此次計算中將相鄰的空氣間隙合并，中間鐵軛也相應合并，與原來相比減少了一半。具體結構模型見圖5～6。

（3）計算結果分析（DT4）

磁體工作區間內磁場分布情況如圖7～圖8所示：磁體內鐵軛、鐵芯上的磁場分布情況如圖9～11所示；工作區上、下邊表面中心線上磁場分布曲線如圖12～13所示。

（4）小結

從分析結果圖可知，線圈安匝數為140×1400時，磁場工作區的最大背景場強達到1.44T。但由于建模計算考慮工作區上下磁極中有通料孔比原來設計的少，而實際的占空比是一致的，所以計算結果與原來結構值差別不大，主要區別是空氣隙中的磁場最小值會比此次計算的結果稍大。

4.2改變磁路材料

磁路結構及磁路參數均不變，僅將磁路材料由DT4改為Q235。

（1）結果分析（Q235）

磁體工作區間內磁場分布情況如圖14～圖15所示；磁體內鐵軛、鐵芯上的磁場分布情況如圖16～圖18所示；工作區上、下邊表面中心線上磁場分布曲線如圖19～圖20所示。

（2）小結

從分析結果可以看出，當鐵軛材料改為Q235時，工作區背景場最大磁感應強度為1.42T，與前面相比降低并不明顯。這是因為在改變安匝數條件下，鐵軛內的磁場大部分為1.8～2.1T，相對于DT4，磁場距離磁飽和還有一定裕度，而對于Q235則已經達到了磁飽和；如果繼續增加磁體的安匝數，工作區磁場在DT4上還有一定的上升空間，而對于0235則不明顯；同時由于磁飽和的原因，Q235下磁體的漏場范圍會更大一些。

4.3改變線圈安匝數

（1）主要參數

材料參數選取：磁軛、鐵芯均選用電工純鐵DT4：銅線圈：22mm×28mm×5mm紫銅管；線圈總匝數為：120：線圈內的電流為1400A。

（2）分析結果（120匝）

磁體工作區間內磁場分布情況以及磁體內鐵軛、鐵芯上的磁場分布情況如圖21～圖26所示；工作區上、下邊表面中心線上磁場分布曲線如圖27～圖28所示。

（3）小結

從分析結果圖可知，磁場工作區的最大背景場強為1.3T，較140匝所得的最大背景場強1.44T要小0.14T。但由于建模計算考慮工作區上下磁極中有通料孔比原來設計的少，但實際的占空比一致，所以計算結果與原來結構值差別不會太大，主要區別是空氣隙中的磁場最小值會比此次計算的結果稍大。

5 結語

根據立環高梯度磁選機的結構和工作原理，及對影響磁路中的磁場強度的三個因素的分析和研究，可以發現：（1）當線圈安匝數增加時，立環高梯度磁選機中的磁場也會相應增強（磁軛達到飽和前）；（2）選用DT4電工純鐵作為磁軛材料時，因為DT4電工純鐵的磁飽和度比Q235要大，所以可以獲得更高的磁場強度；（3）在有棱角和帶尖角的介質（異形介質）中，所獲得的梯度磁場更高，所以礦漿中磁性顆粒通過磁介質時將吸附在磁介質表面。其受到的磁場力比光滑圓面介質大，而且其回收細粒級的礦粒要比光滑網柱面介質多，粒級也更高。特別是在進行非金屬礦除鐵時，因為要求磁場較高，在進行設計和生產中，更加要注意這幾個方面的影響。