基于ANSYS對永磁筒式磁選機(jī)磁塊排布變化對磁場特性影響的研究

李作敏，馮安生，張穎新，程曉峰，于岸洲(1.中國地質(zhì)科學(xué)院鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所，河南 鄭州 450006；2.國家非金屬礦資源綜合利用工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450006；3.中國地質(zhì)科學(xué)院研究生部，北京 100037)

基于ANSYS對永磁筒式磁選機(jī)磁塊排布變化對磁場特性影響的研究

李作敏1，2，3，馮安生1，2，張穎新1，2，程曉峰1，2，于岸洲1，2
(1.中國地質(zhì)科學(xué)院鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所，河南 鄭州 450006；2.國家非金屬礦資源綜合利用工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450006；3.中國地質(zhì)科學(xué)院研究生部，北京 100037)

永磁筒式磁選機(jī)的磁系結(jié)構(gòu)參數(shù)、磁塊形狀和尺寸千差萬別，所形成的磁場也有很大的區(qū)別。運(yùn)用ANSYS對其磁系優(yōu)化研究，分析其永磁體排布的變化所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度、磁場梯度的不同特點(diǎn)。從而得到結(jié)論：主磁極的寬度對圓周方向的磁場梯度沒有直接影響，垂直方向的磁場梯度隨著主磁極寬度的減小而變大；寬度不一致的主磁極間歇放置可提高磁場強(qiáng)度與磁場梯度，且可增加磁翻滾次數(shù)；添加輔助磁極提高了磁場較高區(qū)域的作用空間，同時(shí)提高圓周方向的磁場梯度。

永磁筒式磁選機(jī)；磁系結(jié)構(gòu)；磁場強(qiáng)度；磁場梯度

近年來我國磁選設(shè)備的研制進(jìn)展很快，磁選設(shè)備的磁系設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，了解磁選設(shè)備分選空間的磁場分布十分重要，它對分析磁選設(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作用[1-3]。國內(nèi)外的選礦工作者也對筒式磁選機(jī)做了大量的研究，主要圍繞著提高分選效率、增大處理能力、增強(qiáng)機(jī)械可靠性和節(jié)省能源消耗等方面做了大量卓有成效的工作[4-5]。然而針對磁系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其磁場特性的研究卻明顯滯后，極大地制約了磁選技術(shù)的發(fā)展。本文通過四種永磁磁系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及磁場分布的模擬，得出了特定結(jié)構(gòu)形式下的磁場特性數(shù)據(jù)，由此揭示了幾種磁系結(jié)構(gòu)和磁場分布的關(guān)系數(shù)據(jù)以及適用的礦物特性，從而為磁系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供研究思路與研究方法。

前人對永磁筒式磁選機(jī)磁系結(jié)構(gòu)的研究主要采用有限差分的數(shù)值計(jì)算方法研究磁系結(jié)構(gòu)表面的磁場大致分布規(guī)律[6-7]，但并未指出磁塊排布與磁場特性的關(guān)系以及適用的礦物特性。本研究利用ANSYS軟件[8]，模擬幾種不同的磁系結(jié)構(gòu)的磁場特性，全面分析磁塊排布對磁場特性的影響，為永磁筒式磁選機(jī)磁系的設(shè)計(jì)、研發(fā)、應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 磁系設(shè)計(jì)原則

磁系要根據(jù)具體的用途來區(qū)別設(shè)計(jì)。一般來講，若以提高精礦品位為目的，則應(yīng)該適當(dāng)增加磁極數(shù)即增加磁性物質(zhì)在分選區(qū)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)；若以提高回收率為目的，則是保證一定品位的前提下適當(dāng)減小磁極數(shù)，增加磁場強(qiáng)度和作用深度，增大磁包角來保證鐵磁性物質(zhì)的充分回收，同時(shí)要減小圓周方向磁場梯度，保證吸附礦物的順利排出[9]。

永磁筒式磁選機(jī)為開放式磁場，磁場特性根據(jù)磁極組的寬度以及是否利用輔助磁極有密切的關(guān)系。此設(shè)計(jì)主要研究磁塊排布對磁場的影響，為了更好的對比分析，把其它條件進(jìn)行統(tǒng)一。每組磁系包角固定在140～150°之間，每組主磁極由規(guī)格為85×65×18的鍶鐵氧體構(gòu)成，緊鄰?fù)财みx擇梯形磁塊，磁塊厚度固定在108mm，環(huán)繞圓筒直徑為1000mm，且每組相鄰主磁極之間都緊鄰?fù)财ぞo密排列。磁組設(shè)計(jì)一共分為四組：A組為單個(gè)規(guī)格的磁塊相鄰排列，B組為兩兩磁塊相結(jié)合組成一組主磁極，C組是A組和B組的主磁極相交叉緊密排列，D組的主磁極和B組相同，但在相鄰主磁極間加入輔助磁極。四種磁系系統(tǒng)分布特點(diǎn)見表1。

表1 磁系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 磁系結(jié)構(gòu)磁場云圖分析

ANSYS軟件是基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼猓诒ＷC其計(jì)算的準(zhǔn)確性和快捷性前提下，通過模擬仿真分析，得到真實(shí)有效的數(shù)據(jù)[8]。

以上四種磁系結(jié)構(gòu)取橫截面圖，導(dǎo)入ANASYS有限元分析軟件，通過二維分析仿真，得到磁感強(qiáng)度云圖。磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖表示磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，隨著強(qiáng)度的遞增顏色由淺到深。為了更清楚的了解磁場特性的不同，把場強(qiáng)大小的相近的區(qū)域給予劃分標(biāo)注，如圖1～4所示。

圖1 A組磁系系統(tǒng)磁感應(yīng)云圖

圖2 B組磁系系統(tǒng)磁感應(yīng)云圖

圖3 C組磁系系統(tǒng)磁感應(yīng)云圖

圖4 D組磁系系統(tǒng)磁感應(yīng)云圖

由圖1、圖2得知，主磁極寬度越大，磁場強(qiáng)度相對較高區(qū)域面積越大，圖1中磁塊內(nèi)部的磁力線集中在磁塊內(nèi)部，根據(jù)磁力線分布規(guī)律往磁塊邊角處發(fā)散，形成外表面的磁場強(qiáng)度相對均勻，由于磁塊之間的距離較近，圓周方向的磁場變化較小。圖2中磁塊的頂部磁場強(qiáng)度偏小，磁場強(qiáng)度最大值集中在磁塊的邊角處，符合磁力線易集中在尖性物質(zhì)的分布規(guī)律[8]。

由圖1、圖2、圖4可以看出，相鄰的磁塊的磁場特性是相同的，唯獨(dú)圖3是每兩塊磁塊呈周期性變化，因?yàn)榇蟠艍K產(chǎn)生的磁力線較多，和小磁塊形成回路后，小磁塊的磁場強(qiáng)度明顯增加。但由于大磁塊的磁力較強(qiáng)，從小磁塊發(fā)射出的磁力線被迅速吸附，而形成異于其它三種磁系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：區(qū)域1的磁場強(qiáng)度面積大于區(qū)域2。另外三種磁極結(jié)構(gòu)隨著磁場強(qiáng)度的遞減，所占區(qū)域面積遞增。

由圖4觀察，主磁極內(nèi)部的磁力線集中在磁塊的兩側(cè)，和兩側(cè)的輔助磁極形成回路，磁力線在進(jìn)或出輔助磁極時(shí)，磁力線密集的排布在輔助磁極中，所以磁場強(qiáng)度較大區(qū)域集中在輔助磁極的外表面，而主磁極的外表面磁場強(qiáng)度較低，在圓周方向上形成較大的磁場梯度，下文中有更深入的研究。

2.2 磁系外表面磁場分布的研究

為了得到磁場強(qiáng)度具體數(shù)值的分布規(guī)律，對磁系外表面膜的磁場分布進(jìn)行研究。在距離磁系外表面10mm、20mm、30mm、40mm、50mm處取一條圓滑的曲線，進(jìn)一步觀察磁場分布規(guī)律，如圖5～8所示。

圖5 A組磁系系統(tǒng)磁場分布

圖6 B組磁系系統(tǒng)磁場分布

圖7 C組磁系系統(tǒng)磁場分布

由圖5～8磁系系統(tǒng)的磁場分布曲線得知，A組圓周方向的磁場梯度最小，降低了磁翻滾次數(shù)，適合分選比較單一的磁性礦物；B組距離磁系10mm磁場感應(yīng)曲線圖成兩兩波峰組合，印證了磁場強(qiáng)度集中在磁塊表交出的分析，最大值為0.162T，最小值為0.135T，但最大值與最小值都成點(diǎn)狀，距離磁系50mm處的磁場強(qiáng)度平均值為0.065T，比A組的磁場強(qiáng)度增加了0.035T，整體而言B組磁場變化規(guī)律大致相同，但節(jié)省了磁塊材料總用量的1/8。

由圖7所示，距離磁系10mm的磁場強(qiáng)度變化范圍更廣，最大值為0.19T，相較于B組增大了0.03T，最小值為0.115T，相對于B組減小了0.02T，磁場強(qiáng)度變化范圍提高了0.048T，更有利于磁翻滾，距離磁系50mm的磁場強(qiáng)度平均值為0.045T，比B組降低了0.02T，相同距離范圍內(nèi)磁場強(qiáng)度變化范圍很大，可以適當(dāng)擴(kuò)大磁選機(jī)的分選空間，提高工作效率；由圖9所示距離磁系10mm的相較于C組最大值并沒有增加，不同的是提高了最大值的作用范圍，圖4也有所體現(xiàn)。C組距離磁系10mm的磁場強(qiáng)度最大值成點(diǎn)狀，而D組的最大值成線狀，大大提高分選效果。

由于每組磁系系統(tǒng)都是周期性的，四組磁系分別在距離磁系10mm的路徑上選取一個(gè)周期，進(jìn)一步研究磁場梯度，如圖9所示。

圖8 D組磁系系統(tǒng)磁場分布

圖9 磁場強(qiáng)度單個(gè)周期

如圖9所示，A組在距離磁系10mm處，磁場強(qiáng)度最高點(diǎn)(450，0.16)，最低點(diǎn)(468，0.141)。根據(jù)磁場梯度公式(式(1))，那么A組距離磁系10mm處的圓周方向的磁場梯度見式(2)。

(1)

式中：B為磁場梯度；x為兩點(diǎn)之間的距離；B2為某一點(diǎn)的磁場強(qiáng)度；B1為另一點(diǎn)的磁場強(qiáng)度；x2為某一點(diǎn)距離；x1為另一點(diǎn)距離。

(2)

式中：BA為A組距離磁系10mm處的圓周方向的磁場梯度。

由圖5所示距離磁系10mm處的平均磁場強(qiáng)度為0.145T，20mm處的平均磁場強(qiáng)度為0.100T，距離磁系10mm與20mm之間的磁場梯度見式(3)。

(3)

式中：BA1為距離磁系10mm與20mm之間的磁場梯度。其他間距之間運(yùn)算與此相同，不再做詳細(xì)運(yùn)算，詳細(xì)結(jié)果見表2。

表2 磁場梯度

表注：BA1為距離磁系10mm與20mm之間的磁場梯度；BA2為距離磁系20mm與30mm之間的磁場梯度；BA3為距離磁系30mm與40mm之間的磁場梯度；BA4為距離磁系40mm與50mm之間的磁場梯度；B、C、D組磁場梯度表示方式與A組一致。

由表2所見，C組在距離磁系10mm處圓周方向上的磁場梯度最小，僅為0.00089T/mm，然而它的極值點(diǎn)相較于其他三組卻是最大的，說明此磁系系統(tǒng)在單個(gè)周期內(nèi)作用范圍廣，較有利于用在回收磁性礦物的粗選階段；A、B組距離磁系10mm處的磁場梯度大致相同，D組磁場梯度最大，磁翻滾次數(shù)多，適用與磁性礦物的精選。四組徑向磁場梯度由表2得知，隨著徑向距離的增加，磁場梯度減小，C組徑向磁場梯度最大，可以利用較大的磁場梯度分選磁性范圍較廣的礦物。

3 結(jié) 論

本文通過對常規(guī)磁選磁系的四種典型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及磁場特性模擬，揭示了四種磁系設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及與其相對應(yīng)的磁場特征。

1)A組磁系結(jié)構(gòu)圓周方向的磁場強(qiáng)度變化范圍小，保證磁性礦物的回收率，可應(yīng)用與磁性礦物的粗選階段；另外，在一定的磁包角內(nèi)，磁場強(qiáng)度周期變化比較頻繁，增加了磁翻滾次數(shù)。

2)B組磁場強(qiáng)度大小與A組一致，垂直方向的磁場梯度有所減小，源于主磁極寬度的增加，提高了磁場作用深度。

3)C組磁系在磁塊材料用量一致的情況下，提高了磁場強(qiáng)度；圓周方向的磁場大小變化范圍雖廣，但變化區(qū)域也較大，所以磁場梯度并不大，磁翻滾次數(shù)較少，適用于組成類型比較復(fù)雜的礦物的拋尾。

4)D組磁系輔助磁極的添加，減少漏磁，提高磁場強(qiáng)度；圓周方向磁場梯度大，且磁場強(qiáng)度較大區(qū)域作用范圍廣，適用于磁性礦物的精選。

以上四組磁系系統(tǒng)的組成說明磁系結(jié)構(gòu)的變化直接影響磁場特性的變化，我國礦種資源類型繁多，在磁選機(jī)的應(yīng)用上，要根據(jù)礦物資源稟賦特點(diǎn)，柔性設(shè)計(jì)磁選機(jī)的研究思路及方法，對于我國礦種資源的開發(fā)利用具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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Study on the effect of permanent magnetic drum magnetic separator magnetic block layout changes on magnetic field characteristics based on ANSYS

LI Zuo-min1，2，3，F(xiàn)ENG An-sheng1，2，ZHANG Ying-xin1，2，CHENG Xiao-feng1，2，YU An-zhou1，2

(1.Zhengzhou Institute of Multipurpose Utilization of Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Zhengzhou 450006，China;2.China National Engineering Research Center for Utilization of Industrial Minerals，Zhengzhou 450006，China;3.Graduate School，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China)

The magnetic system structure parameters of permanent Magnetic Drum Separator，shape and size of the magnetic block is differ in thousands of ways，also have different effects on the mineral separat-ion influence.Optimized research the magnetic system structure of drum magnet separator using on ANS-YS，analyzing the changes in the permanent magnet arrangement lead to the different characteristics of the magnetic field strength，magnetic field gradient change of its permanent magnet arrangement.The conclusion:there is no direct impact on the width of the main magnetic pole in the circumferential direction of the magnetic field gradient，the magnetic field gradient in the vertical direction with the decrease of the wi-dth of the main magnetic pole becomes large;inconsistent width of the main magnetic pole disposed in-termittently can improve the strength of the magnetic field and the magnetic field gradient，and increase t-he frequency and the magnetic roll；add auxiliary magnetic pole increases the effect of the higher magn-etic field region of space，while increasing the magnetic field gradient in the circumferential direction.

permanent drum magnetic separator；magnetic system structure；magnetic field intensity；magnetic field gradient

2015-05-21

礦產(chǎn)資源高效綜合利用技術(shù)與實(shí)用化研究項(xiàng)目資助(編號：12120113088300)

李作敏(1988-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)檫x礦裝置與設(shè)備。

張穎新(1979-)，男，大學(xué)本科，高級工程師，主要從事選冶裝備的研究工作。

TD457

A

1004-4051(2015)12-0126-05