基于多類型勵磁系統對電磁磁選機磁場特性、選礦指標的分析

李作敏，張穎新，于岸洲

(1.中國地質科學院鄭州礦產綜合利用研究所，河南 鄭州，450006；2.國家非金屬礦資源綜合利用工程技術研究中心，河南 鄭州，450006)

電磁選機以電場產生磁場的基本原理，通過一定的磁系設計與機械結構實現礦物分選[1-2]。近幾十年來，電磁磁選機迅速發展，為弱磁性礦物分選提供了高效的設備支撐，代表性的電磁磁選機有瓊斯高梯度磁選機、立環高梯度磁選機與漿料高梯度磁選機[3-4]，供電電源作為設備磁場的統一配置，激勵磁場的生成，而激勵磁場的勵磁系統有多種組成形式，本文考察多種勵磁形式下的磁場差異性，進而檢驗不同磁場特性對礦物分選效果的影響。

1 電磁磁選機實驗室模型的設計

以小型電磁鐵為研究對象，配置不同的勵磁系統，考察其磁場特性的不同，設計一臺最高磁場感應強度為1 000 mT的電磁鐵，確定兩磁極頭間距為12 mm，線圈包裹在連接磁極頭的磁軛處，有利于磁場強度最大化利用[5]，線圈選用直徑為2 mm的漆包銅線，考慮刷漆與導線間隙，每根導線按照4 mm計算，應用磁位降法[2,5-6]確定磁軛尺寸與線圈匝數，線圈總匝數270匝，橫向30匝，長度為120 mm，縱向9匝，長度為36 mm；磁軛為長方體結構，橫向上磁軛的長127 mm，寬60 mm，其兩側對稱，下磁軛長390 mm，寬60 mm；縱向磁軛長200 mm，寬60 mm。電磁鐵外形結構如圖1所示。

圖1 電磁鐵外形結構

2 多類型勵磁系統的研究

2.1 直流穩壓電源勵磁系統

選用能提供最大輸出電流20 A，電壓14 V的直流穩壓電源為電磁鐵的勵磁裝置，正常供電后，調節輸出電流的大小，使磁場感應強度為400 mT。利用高頻率高斯計CH-1600探頭放置于兩端磁極頭間隙處監測磁場瞬時變化，應用9針串口(RS232)與計算機相連，接收實時監測數據，把數據導入至Origin分析整理，數據見圖2。

圖2 直流穩壓電源生成磁感應強度分布圖

磁場波形隨著電流輸入波形的波動而發生瞬時變化，磁感應強度在399.5 mT浮動，最大值為399.9 mT，最小值為399.2 mT，磁感應強度的波動范圍在0.7 mT內，直流穩壓電路產生非常穩定的磁感應強度。

2.2 移相觸發調壓式勵磁系統

采用移相觸發電路作為電磁鐵的勵磁系統，觀察電流波形的變化對其所產生磁場特性的影響，其電路接線方式如圖3所示。

圖3中虛線部分左一為半控移相調壓電路，只能調節二分之一電壓波形，其變壓器輸出端a接入調壓裝置輸入端1、2和3并聯使調壓裝置形成回路與整流裝置的c端串聯，變壓器輸出端b與整流裝置d串聯后形成主回路系統。觸發器的220與ON端外接一個220 V交流電給觸發器供電，其公共端、主輸入與+5V的端子分別與電位器的o、p、q相接，實現手動功率調節功能，觸發器的兩個觸發端子分別于調壓可控硅G1、K1相接完成觸發。按照圖3半控移相調壓接入電磁鐵，測定磁感應強度分布，如圖4所示。

圖3 電磁鐵勵磁系統電路圖

圖4 半控移相調壓控制電路生成磁感應強度分布圖

圖4中每兩個正弦波組成一個周期，相鄰正弦波的磁場感應強度峰值相差1 mT，磁感應強度最大值為400 mT，最小值為397 mT，相差3 mT，每個周期的波動在4 s左右，確定其為較穩定的磁感應強度分布[7]。

圖3中虛線框左二為全控移相調壓電路，其調壓端子K2、G2與觸發器的觸發端子2相接完成控制[8-10]，其他電路與半控移相調壓一致，其周期內上下波形均可調節，調試完成后得到的磁感應強度波形如圖5所示。

圖5 全控移相調壓控制電路生成磁感應強度分布圖

圖5中為兩個完整的周期，與半控移相調壓控制電路相比，每個周期波形可控部分增多，三個波峰兩個谷值，磁場感應強度最大值為411.5 mT，最小值為406 mT，相差5.5 mT。與半控移相調壓電路相比，磁感應強度波動值增加了2.5 mT。

2.3 過零觸發調壓式勵磁系統

過零觸發調壓電路的調壓特點是在一定的時間周期里，根據所設定的電壓值，瞬間關斷或開啟數個完整周期的電壓，所呈現的通電電壓波形依然是完整的周期波[11]，過零觸發調壓式電路接線方式與移相觸發調壓電路一致見圖3，不同的是置換觸發器中觸發板的DIP開關[12]，第三位功能鍵OFF變為ON，使之為過零觸發方式[13-14]。測定過零觸發調壓控制電路產生的磁場感應強度見圖6。

由圖6可見，每個磁場波形為完整的正弦波，波峰值大小在一定的時間內呈有規律的變化，磁感應強度波動頻率較大，每兩個相鄰周期約隔1 s，磁感應強度最大值為415 mT，最小值為396.5 mT，相差18.5 mT。為了進一步確定磁場波動與電流的關系，對過零觸發半控電路變換為過零觸發全控調壓，考察組成的勵磁系統所產生的磁場特性，見圖7。

圖6 半控過零觸發調壓電路生成磁感應強度分布圖

圖7 全控過零觸發調壓電路生成磁感應強度分布圖

全控過零觸發調壓系統所產生的磁場波動頻率進一步增大20次/s的采集點有5個完整的周期，平均每兩個相鄰的波峰之間相隔約0.2 s，其磁感應強度最大值為421 mT，最小值為396 mT，相差25 mT；每5個周期波呈有規律性的逐漸降低。

由此可得出結論：直流穩壓電源產生的磁場較穩定，移相調壓控制電路產生的磁場強度有微小波動，而過零觸發控制電路產生的磁場波動范圍較大，頻率較高。可見不同的勵磁系統產生具有不同特性的磁場，電壓輸出波形與輸出頻率直接影響所產生的磁場特性，磁場波動范圍與波動頻率因其不同而發生改變，磁選機的勵磁系統不是單一的供電系統，其直接影響輸出磁場模式。在磁選機選型中，往往只考慮磁場強度的強弱，而忽略磁場特性對選礦指標的影響。

3 多類型勵磁系統對礦物分選的影響

根據不同的勵磁系統產生不同特性的磁場，考察不同勵磁系統對礦物分選的影響，電磁鐵無法直接進行礦物分選，選擇上述設計中產生磁場特性差異較大的三種勵磁系統(直流穩壓勵磁系統、全控移相調壓式勵磁系統與全控過零調壓式勵磁系統)配置給周期式高梯度磁選機Ф200，對原礦鐵品位(TFe)為19%，-0.075 mm占62.7%的磁鐵尾礦進行分選，試驗流程如圖8所示，試驗結果見表1。

圖8 不同勵磁系統應用試驗流程圖

試驗編號產品名稱產率/%TFe品位/%TFe回收率/%直流穩壓電源精礦45．0624．7458．3掃精17．0514．5913．01尾礦37．8914．4828．69合計10019．12100移相觸發調壓控制電路精礦38．8328．2755．19掃精14．1815．9711．38尾礦46．9914．1533．43合計10019．68100過零觸發調壓控制電路精礦19．1134．0133．98掃精20．0818．5719．49尾礦60．8114．6446．53合計10019．13100

由表1可知，分別應用三種勵磁系統匹配的磁選機對磁鐵礦作磁選試驗，直流穩壓電源勵磁系統分選的精礦TFe為24.74%，移相觸發調壓控制電路分選的精礦TFe為28.27%，過零觸發調壓勵磁系統分選的精礦TFe為34.01%，可見精礦品位隨著磁場震蕩頻率與磁場波動范圍的增大而提高。礦物被分選的過程中，磁場強度波動范圍與波動頻率的加大，磁性顆粒完成被磁場吸附→松散→吸附的多次分選過程[15-16]，有效地排除了磁性礦粒中夾雜的非磁性礦物，提高了精礦品位[17]。

4 結 論

1) 不同勵磁方式產生具有不同特性的磁場強度。勵磁系統為直流穩壓電路時，其產生的磁場波動范圍極小，可稱之為穩定磁場；當勵磁系統的控制方式移相觸發調壓電路，其產生的磁場強度范圍變大，并隨觸發方式的不同形成波動幅度強弱變化的磁場；過零觸發調壓電路組成的勵磁系統產生的磁場波動周期小，波動范圍最大，波動頻率最高。

2) 應用三種勵磁系統做磁鐵礦選礦試驗，直流穩壓型勵磁系統分選精礦品位最低，回收率最高；過零觸發型勵磁系統分選精礦品位最高，回收率最低。電磁式磁選機的勵磁系統不能單一理解成為普通機器供電的供輸電系統，當供給與調壓方式發生改變時，其產生的磁場特性也發生相應的變化，并影響礦物分選指標，可見勵磁系統是衡量電磁式磁選機性能的重要因素之一。

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