錐部外部導磁結構對重介旋流器分選效果的影響

馮 聰，任曉汾，許國超，張成安，樊民強

(太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024)

錐部外部導磁結構對重介旋流器分選效果的影響

馮 聰，任曉汾，許國超，張成安，樊民強

(太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024)

為了調控重介旋流器二段分選密度以改善分選效果，在其錐部附加導磁結構，并施加電磁場，研究了導磁結構在磁場作用下的旋流器的分選效果，通過考察不同磁場強度，進行介質分配試驗和粗煤泥(-3mm)分選試驗。試驗結果表明，當在旋流器錐部的線圈上部附加內導磁結構時，同單獨使用線圈相比，在特定的磁場強度下，精煤灰分降低，尾煤灰分升高，提高了分選效率。利用有限元軟件ANSYS對磁系進行模擬分析，模擬結果表明，附加導磁結構可人為改變磁場走向，增大對磁場能量的富集，提高磁場力，從而提高分選效果。

導磁結構；磁屏蔽；重介旋流器；分選效果；ANSYS

重介質分選是一種利用離心力場分選的高效分離設備，是目前選煤業中應用最廣泛的一種選煤方法[1-3]，具有體積小、無運動部件、分選效率高、處理量大、分選密度調節范圍寬、對原煤適應性強等優點。目前，國內廣泛采用三產品重介旋流器，巧妙地利用非均質分選介質的濃縮現象，以單一密度的懸浮液，同時分選出精煤、中煤以及矸石三種產品，其優點顯而易見；但在實際應用中，一般很難實現以單一密度的懸浮液既保證精煤分選質量，同時又要保證中煤與矸石的分選。因此，重介旋流器二段分選密度的在線調控問題[4]，成為了選煤行業亟待解決的技術性難題。

近年來，在重介旋流器中引入磁場得到了廣泛應用，高效的磁力重介旋流器設備也應運而生。南非學者J.Svoboda等[5]在旋流器周圍環繞螺線圈來施加磁場，得到通過調節磁場強度和線圈合理位置，可使底、溢流密度差發生變化，并能夠降低旋流器分選密度的結論。馬亭亭[6]將重介旋流器置于同軸的螺線圈磁場中進行試驗，發現旋流器柱體上端的低磁場強度可提高分選密度；旋流器錐體下端的高磁場強度可降低分選密度，為實現二段分選密度的在線調控提供了一定的技術支持。趙龍[7]在旋流器錐部施加磁場進行試驗，結果表明：旋流器外加磁場作用，可以達到在線調整分選密度的效果。劉佳[8]將線圈纏繞在旋流器筒部，發現隨電流的增大，溢流密度不斷升高，底流密度不斷降低，分選密度值在兩者作用下表現為不斷升高，介質大幅度地從溢流排出，說明磁力的存在可大幅度提高分選密度。樊盼盼[9-10]通過在旋流器錐部設置軸向電磁場，得到了位于錐段的電磁場能夠在保證分選精度基本不變的前提下有效提高重介旋流器分選密度的結論。

磁場形態對重介旋流器分選效果有很大影響，而附加導磁結構能夠改變磁場走向，增強磁場強度，改變磁場梯度，進而影響磁場整體分布形態。因此，本文擬考察在置于旋流器錐部的勵磁線圈上附加內導磁結構來改變磁場分布形態，進一步強化旋流器的分選效果。

1 試驗

1.1 試驗系統

試驗系統主要由煤泥重介旋流器、攪拌桶、回流閥、渣漿泵、流量計、壓力表、密度計組成，如圖1所示。

圖1 試驗系統流程圖

1.2 試驗裝置

試驗選用內導磁結構，即導磁體是深入到線圈內部。因導磁體的磁阻小、導磁率高，所以線圈內部的磁感線會集中到導磁結構附近，從而對磁場分布形態產生影響。導磁結構材質為低碳鋼，厚度為3mm，具體內導磁結構參數及與線圈相對位置如圖2所示。

表1 旋流器結構參數

2 試驗與結果分析

2.1 導磁結構作用下的介質分配試驗

用磁鐵礦粉配置密度為1.30g/cm3的重介懸浮液，在攪拌桶中充分攪拌，待均勻穩定后用渣漿泵給入重介旋流器，入料壓力0.08MPa。線圈及導磁結構如圖2放置，并將線圈中心位置固定在旋流器錐部如圖3所示，通過改變線圈中勵磁電流的大小，以研究不同磁場強度下旋流器底、溢流的介質分配規律。試驗系統采用PLC自動控制系統，通過密度計對旋流器底、溢流的密度進行實時檢測，并生成實時數據記錄以及數據曲線圖。

圖2 內導磁結構參數及與線圈相對位置

圖3 置于旋流器錐部的線圈

圖4和圖5為無導磁結構和有導磁結構兩種條件下底、溢流介質密度隨電流的變化情況和溢流介質產率隨電流的變化情況。

圖4 電流強度對底、溢流介質密度的影響

圖5 電流強度對溢流介質產率的影響

由圖4可知，隨電流逐漸增大，在無導磁結構和有導磁結構兩種情況下，底、溢流的密度變化規律基本不變，均是溢流密度先增大后減小，底流密度先減小后增大。當附加導磁結構，0～5A時，溢流密度由1.160g/cm3增大到1.191g/cm3，底流密度由2.070g/cm3減小到1.659g/cm3；5～10A時，溢流密度減小到1.150g/cm3，底流密度增大到1.864g/cm3。從圖5可以看出，兩者溢流介質產率變化趨勢雖然相同，但附加導磁結構后，溢流介質產率普遍提高。

電流5A，磁場強度為1.76×104A/m時，附加導磁結構情況下，溢流介質密度增大到最高點，底流介質密度減小到最低點。底、溢流之間的密度差小，介質分配均勻，旋流器內懸浮液穩定性強；且此時的溢流介質產率最大，預示著分選密度的提高?？梢园l現，在合適的磁場強度下，附加導磁結構能夠對旋流器內進入底、溢流的重介質分配產生進一步的影響，增大進入溢流的介質產率，從而影響旋流器內的分選效果。

2.2 導磁結構作用下的粗煤泥分選試驗

采用圖1試驗系統，在配置好的重介懸浮液中加入-3mm粗煤泥煤樣，煤樣礦漿濃度為100g/L。攪拌均勻后以入料壓力0.08MPa給入重介旋流器內進行分選，系統穩定后對旋流器底、溢流產物同時進行采樣。經由0.125mm標準篩對底、溢流產物進行脫介，然后將篩上產物烘干、分級、稱重，做灰分化驗，得到在無導磁結構和有導磁結構兩種情況下溢流(精煤)和底流(尾煤)的各粒級灰分，試驗結果如圖6和圖7所示。

圖6 精、尾煤各粒級灰分(無導磁結構)

圖7 精、尾煤各粒級灰分(有導磁結構)

由圖6和圖7可知，在無導磁結構和有導磁結構兩種情況下：0～5A，精煤灰分快速增長，尾煤灰分略有降低然后增長；5～10A，精煤灰分基本穩定或略有降低，尾煤灰分降低，分選效果變差。

電流5A，磁場強度為1.76×104A/m時，無導磁結構和附加導磁結構兩種條件下精、尾煤灰分同時增加，分選效果提高。兩種條件下的精、尾煤各粒級灰分如圖8和圖9所示(電流0A、無導磁結構5A和附加導磁結構5A三種情況在圖8、圖9的橫軸上分別由0、1、2指代)。

圖8 不同導磁條件下精煤各粒級灰分

圖9 不同導磁條件下尾煤各粒級灰分

由圖8、圖9可知，導磁結構作用于旋流器錐部對旋流器分選效果有較明顯的影響。電流由0A升到5A，無導磁結構情況下，各粒級精煤灰分均增長，尾煤灰分總體增長，0.5～0.125mm粒級尾煤灰分下降。0.5～0.125mm粒級精煤灰分上升，尾煤灰分下降，分選效果不如粗顆粒，分選效果變差。

附加導磁結構后，較之無導磁結構情況下，精煤總灰分略有下降；各粒級尾煤灰分均增長，3～1mm灰分增長0.88%，1～0.125mm灰分增長5%左右。3～0.5mm粒級精煤灰分下降，尾煤灰分增加，說明附加導磁結構提高了分選精度，減少了精煤在底流中的損失，對分選起到了促進作用。由此可見，在原磁場的基礎上，導磁結構的施加對粗煤泥的分選起到了進一步的強化作用，提高了分選效果。

3 磁場特性分析

3.1 磁場分布分析

實驗采用ANSYS16.0有限元分析軟件進行模擬，通過仿真對磁系的磁場特性進行直觀的分析。電流5A時，對無導磁結構及附加導磁結構后的磁系進行磁場模擬，磁感線分布和磁場強度云圖的仿真結果如圖10和圖11所示。

圖10 磁感線分布

從圖10中可以看出，附加導磁結構明顯改變了磁感線走向，由于導磁結構對磁感線的引導，磁感線優先通過導磁體而不會繼續消散，且在導磁體端部產生集聚。因此，導磁結構的施加減小了磁場的作用范圍，正是由于導磁結構這種對磁場的“聚磁”作用，增大了屏蔽端部的磁場強度和磁場梯度。從圖11中可以更清晰的看出，由于導磁結構的作用，磁場能量損失小，導磁結構端部附近的磁場強度由2.26×104A/m增大到3.09×104A/m。

3.2 磁場強度與磁場力分析

磁性顆粒在磁場中所受磁力表達為式(1)。

Fc=μ0κVHgradH

(1)

式中，μ0為真空磁導率，κ為體積磁化率，V為體積，三者均為常數。所以由磁力計算式(1)可知，磁力的大小決定于磁場強度和磁場梯度的乘積HgradH。

對磁場作用范圍內各點的磁場強度和磁力進行提取分析，選取縱向線L1、L2、L3和橫向線L4、L5、L6六條線段上的各點作為提取點，O為中心點，線段具體位置如圖12所示。

圖11 磁場強度云圖

圖12 提取點位置示意圖

圖13 軸向位置的磁場強度與磁場力

縱向線段L1、L2、L3上的磁場強度和磁場力如圖13所示，當附加導磁結構后，磁場作用范圍內的磁場強度和磁場力均有明顯地變化，并改變了軸向磁場的對稱性。線圈所受磁場力原本是空間對稱分布，磁場力較弱；施加導磁結構后，導磁體附近位置由于磁場強度和梯度比未加導磁結構下大很多，因此，磁場力也迅速增大。尤其位于線圈中心導磁結構端部位置即中心點O附近，此處由于導磁體對磁場的“富集”，磁場強度增大，磁場力也隨之增大。

圖14 徑向位置的磁場強度與磁場力

橫向線段L4、L5、L6上的磁場強度和磁場力如圖14所示，無導磁結構時，徑向位置的磁場強度和磁場力均緩慢增長；附加導磁結構后，由于導磁體對磁場的“富集”，使得磁場強度和磁場力隨著徑向位置的改變發生迅速變化，越是遠離中心點O而接近導磁體附近，這種變化越是明顯。

可以看出，距線圈中心平面越近，磁場強度和磁場力的這種變化趨勢越是顯著。橫向線段L4上，磁場強度由1.57×104A/m增大至3.09×104A/m，徑向磁場力由3.32×103A2/m3增大到2.54×1010A2/m3，軸向磁場力由2.07×109A2/m3增大到3.64×1010A2/m3。線圈中心平面以下，當逐漸遠離線圈中心平面時，所受導磁體的影響隨徑向位置的變化開始變小，磁場力也迅速變小。這一點和軸向位置上中心點磁場強度和磁場力變化大，沿軸線方向遠離中心點磁場強度和磁場力變化較小相一致。

由圖13和圖14模擬結果可知，導磁結構的施加，縮小了磁場作用范圍，減小了磁場能量損失，使磁場“密而集中”，改變了磁場特性，進而改變了磁性顆粒的受力狀態；并在磁場作用區域內產生濃度較高的重介質富集區，改變重介質在旋流器中的分布。在線圈中心平面線段L4上，由磁系中心到旋流器邊壁，在導磁結構的作用下，磁場強度顯著增強，徑、軸向磁場力迅速增大，更大的磁場力對旋流器中磁性顆粒的離心運動起到了強化作用，從而提高分選效果。

4 結論

通過在置于旋流器錐部的線圈上部附加內屏蔽導磁結構的試驗，可以得到以下結論。

1)電流5A，磁場強度為1.76×104A/m時，附加導磁結構能夠進一步影響旋流器內的介質分配，溢流密度升高，底流密度降低，溢流介質產率最大，為45.84%。

2)電流5A，磁場強度為1.76×104A/m條件下，粗煤泥分選試驗表明，附加導磁結構可以調整旋流的分選效果，同未加導磁結構相比，精煤灰分略有降低，尾煤灰分升高5%左右。

3)由ANSYS軟件模擬可知，附加導磁結構縮小了磁場作用范圍，增大了磁場強度，顆粒受到的磁場力顯著增大，強化了顆粒的離心運動，從而提高旋流器的分選效果。

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[2] 趙樹彥. 中國選煤的發展和三產品重介質旋流器選煤技術[J]. 潔凈煤技術，2008，14(3)，12-14，25.

[3] 郭德，皮運正. 重介質旋流器分選機理研究[J]. 淮南工業學院學報，2002，22(3):25-28.

[4] 楊建國，王羽玲. 重介旋流器結構參數對分選效果的影響[J]. 中國礦業大學學報，2005，34(6):770-773.

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[7] 趙龍. 磁場對重介旋流器密度場影響的實驗研究[J]. 煤炭技術，2014，33(9):285-287.

[8] 劉佳，趙龍. 磁場中旋流器二段分選密度在線調控探究[J]. 電子測試，2014(1):22-24.

[9] 樊盼盼，孔令帥，彭海濤，等. 置于錐部的軸向電磁場對重介旋流器分選效果的影響[J]. 煤炭學報，2015，40(7):1615-1621.

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Influences of an external magnetic structure located in the conical part on dense medium cyclone separation effects

FENG Cong，REN Xiaofen，XU Guochao，ZHANG Cheng′an，FAN Minqiang

(College of Mining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

In order to regulate and control the dense medium cyclone separation effects for separation density of the second segment, the paper added a magnetic structure to the coils located in the conical part of cyclone, under the electromagnetic field, by changing the intensity of magnetic field, the medium distribution test and -3mm coal slime separation test had been done. The test results show that when the inner magnetic structure was added to the upper part of coils located in the conical part of cyclone, compared with using coils only, under certain condition of intensity of magnetic field, lower ash of clean coal and high ash of coal tailing indicated the improvement of the separation efficiency. The magnetic system was analyzed by the finite element software ANSYS, the results showed that the additional magnetic structure can change the direction of the magnetic field, increase the concentration of the magnetic field energy and improve the magnetic force, so as to improve the separation effect.

magnetic structure; magnetic shielding; dense medium cyclone; separation effect; ANSYS

2016-09-20

國家自然科學基金項目資助(編號：51274148)

馮聰(1992-)，男，江蘇淮安人，碩士研究生。

簡介：樊民強(1964-)，男，教授，博士生導師，E-mail：fanminqiang@sohu.com。

TD94

A

1004-4051(2017)01-0119-06