干式預(yù)選磁選機(jī)的電磁仿真分析與冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計

杜靜娟 黃新雨 趙 堅 李朝江

(天津城建大學(xué)控制與機(jī)械工程學(xué)院,天津 300384)

我國釩鈦磁鐵礦分布廣泛,儲量豐富,尤其是攀枝花地區(qū),釩鈦磁鐵礦保有儲量達(dá)60億 t[1]。隨著社會發(fā)展,經(jīng)過多年開采,攀枝花地區(qū)釩鈦磁鐵礦的入選品位逐漸下降,隨著資源綜合利用以及綠色發(fā)展要求的提出,對提高入磨礦石的磁性鐵品位也提高了要求。部分礦區(qū)中低品位礦石需要使用干式預(yù)選工藝提前拋尾,才能有效降低磨機(jī)入磨量,并降低能耗。預(yù)選過程中磁選機(jī)的激磁線圈或永磁體是實現(xiàn)圍巖與預(yù)選精礦分離的核心部分。常規(guī)的干式預(yù)選過程中使用的永磁干式預(yù)選機(jī)在磁場衰減后,會造成尾礦的磁性鐵品位過高,達(dá)不到預(yù)選效果;干式預(yù)選的磁場強(qiáng)度需0.2～0.5 T,對釩鈦磁鐵礦進(jìn)行預(yù)選能取得較好的預(yù)選效果[2-3];永磁干式預(yù)選機(jī)內(nèi)的磁系使用了釹鐵硼磁材,存在原材料成本較高、易退磁等問題。因此采用高效的激磁線圈替代釹鐵硼永磁體作為干式預(yù)選機(jī)的重點研究方向。激磁線圈在工作中發(fā)熱量大,受此限制使得磁選機(jī)體積增大,背景磁感應(yīng)強(qiáng)度下降,同時有燒毀的風(fēng)險[4]。提高磁選機(jī)激磁線圈的散熱效率,有效降低激磁線圈工作溫度,是提高磁選機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度,減小磁選機(jī)體積的必要條件。而以往的磁選機(jī)存在體積大、磁感應(yīng)強(qiáng)度低、分選效率低等特點。一些磁選機(jī)為防止散熱裝置堵管,改變冷卻介質(zhì),將水更換為乙二醇,以此提高冷卻效率[5];文獻(xiàn)[6]分析比較了水冷卻、強(qiáng)風(fēng)冷卻及強(qiáng)迫油冷卻技術(shù)的發(fā)展、原理、優(yōu)缺點及工業(yè)應(yīng)用情況。

針對釩鈦磁鐵礦干式預(yù)選的現(xiàn)狀,本文提出一種新型板式冷卻結(jié)構(gòu)的電磁磁選機(jī),通過應(yīng)用有限元方法,對磁選機(jī)的電磁、溫度場進(jìn)行研究。最后通過實際測試電磁磁選機(jī)的散熱裝置的效果,為電磁磁選機(jī)長期使用進(jìn)行驗證,以實現(xiàn)替換強(qiáng)磁永磁干選機(jī)。

1 軸向電磁滾筒結(jié)構(gòu)

磁選機(jī)廣泛用于鐵礦、水泥、資源回收等行業(yè)物料的分選過程。永磁磁選機(jī)以其體積小、操作簡單,磁性能強(qiáng)作為優(yōu)勢,但稀土價格高,隨著使用年限增加會導(dǎo)致磁體退磁以及軸部磁化[7-8]。以與永磁磁選機(jī)同直徑同長度的?1.5 m×1.5 m磁選機(jī)為例,稀土磁體價格就高達(dá)10萬以上,而我國稀土材料開采與出口受到限制,導(dǎo)致稀土材料在國際上的價格不斷提高,增加了磁選機(jī)成本。而且隨著稀土礦的限制開采,稀土價格逐年升高。相比之下,電磁線圈鋁線價格僅為2.5萬元/t。電磁線圈鋁線用量小于2 t,成本價格是永磁機(jī)的1/3左右。電磁磁選機(jī)可以替代稀土元素的使用,有效降低設(shè)備成本,且卸料方便簡單。

本文針對永磁磁選機(jī)磁性能,設(shè)計直徑1.5 m、長度1.5 m的電磁磁選機(jī),其外部結(jié)構(gòu)如圖1所示,結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 電磁磁選機(jī)形貌Fig.1 Electromagnetic separator profile

表1 磁選機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of magnetic separators

當(dāng)激磁線圈連續(xù)工作時,線圈溫度升高,高溫會加速漆包線或絕緣紙等絕緣材料老化,令磁選機(jī)使用年限縮短。為提高散熱效果與減小體積,激磁線圈繞組采用扁鋁線,絕緣采用陽極氧化鋁涂層,如圖2所示。陽極氧化鋁絕緣層厚度僅1～6μm,且維氏硬度達(dá)HV250-350,比漆包線和絕緣紙更耐磨。陽極氧化鋁絕緣層化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,絕緣等級達(dá)到C級,耐溫200℃。該絕緣層極其薄,用其繞制線圈比使用漆包線或絕緣紙能更好地增強(qiáng)散熱能力。使用鋁線繞制比銅線降低了生產(chǎn)成本。在該線圈的制造工藝中,線圈通過環(huán)氧樹脂進(jìn)行固化處理,使其不易破壞絕緣層,且線圈不易松散,重要的是該工藝對于線圈的散熱非常有利,為冷卻結(jié)構(gòu)提供很好的設(shè)計空間。

圖2 線圈的扁鋁線和絕緣層結(jié)構(gòu)Fig.2 Flat aluminum wire and insulating layer of coil

2 電磁場有限元分析

在分選過程中,鐵礦石原礦進(jìn)入分選空間,受到磁場力、重力、離心力的綜合作用,磁性產(chǎn)品被吸附到滾筒表面,被滾筒帶至非分選部位脫離磁場,成為精礦。而尾礦由于受到的磁吸力較弱,不足以克服重力和離心力產(chǎn)生的慣性與磁性產(chǎn)品的運行軌跡產(chǎn)生差異,進(jìn)而實現(xiàn)分離。因此,在磁選機(jī)分選過程中,磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場力密度是衡量磁選機(jī)分選效果的兩個重要指標(biāo)。

該電磁磁選機(jī)在軸向長度上有兩個線圈并列放置,兩個線圈在尺寸和性能上是完全一致的。應(yīng)用SolidWorks三維軟件對電磁線圈進(jìn)行建模,通過有限元法對該模型進(jìn)行電磁仿真計算。為減少仿真時間,可采用對稱的半模型,僅對一個激磁線圈進(jìn)行分析,可實現(xiàn)整個模型的分析效果。一個線圈的冷態(tài)下的三維仿真圖如圖3所示。

圖3 某線圈的冷態(tài)有限元仿真分析Fig.3 FE simulation diagram analysis of a coil in cold status

對于電磁磁選機(jī),規(guī)定取線圈的中心點作為檢測點,以衡量磁選機(jī)的性能。在冷態(tài)下,根據(jù)該模型的仿真曲線圖,計算得到距離電磁磁選機(jī)表面不同位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值,其仿真曲線如圖4所示。整個輥筒的軸向長度為1 500 mm,半個模型的軸向尺寸為750 mm,橫坐標(biāo)表示軸向長度,橫坐標(biāo)零點為軸向長度的中點。

圖4 不同距離下冷態(tài)磁選機(jī)的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布Fig.4 Axial magnetic distribution pattern of electromagnetic separator with different distances in cold

冷態(tài)下,電磁輥筒軸向長度中心處375 mm處為線圈中心,該測試點的表面場強(qiáng)為0.3 T,該磁選機(jī)表面的峰值高達(dá)0.45 T。磁感應(yīng)強(qiáng)度在軸向距離為0(磁選機(jī)中心點)表面處為0.217 3 T;在距離25mm處為0.199 7 T,在距離50 mm處為0.181 6 T;在距離75 mm處為0.163 2 T;在距離 100 mm處為0.145 3 T。依次可得知,該電磁磁選機(jī)每25 mm距離的變化下,磁場的變化為0.02 T,磁場的梯度小。從磁場作用深度來看,磁感應(yīng)強(qiáng)度的衰減較小,作用深度深,能保持住高場強(qiáng),因此本文設(shè)計的電磁磁選機(jī)不屬于高梯度磁選機(jī),屬于高強(qiáng)度磁選機(jī),該類設(shè)備處理大顆粒物料分選效果好,適合應(yīng)用于磁鐵礦粗粒預(yù)選階段或者剝離圍巖混入的低品位礦石預(yù)選階段。

磁選機(jī)的磁包角決定了分選的廣度和分選效率,也是分選中的重要因素。圖5為磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著角度的分布規(guī)律。

圖5 磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁包角的分布規(guī)律Fig.5 Distribution of magnetic flux density with magnetic-angle pattern

由圖5可知,磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.2 T以上的角度分布在110～170°間,峰值夾角為 60°;工作磁包角為100°,篩選角度大,作用面積大,分選效果好。磁包角角度大還能增大礦石在輥筒表面的停留時間,提高篩選效率。

如果電磁磁選機(jī)替代永磁磁選機(jī),必須在磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場力密度和磁包角等重要分選指標(biāo)上達(dá)到相當(dāng)?shù)男阅芙Y(jié)果。在設(shè)計磁選機(jī)的過程中,結(jié)合磁鐵礦分選要求的指標(biāo),設(shè)計電磁磁選機(jī)的冷態(tài)磁場值要高于永磁磁選機(jī)的磁場值,熱態(tài)磁場近似永磁磁選機(jī)的磁場值,這樣才能替代永磁機(jī)設(shè)備,實現(xiàn)同樣的分選效果。

對永磁磁選機(jī)和電磁磁選機(jī)分別建模,應(yīng)用有限元軟件對兩種設(shè)備進(jìn)行仿真計算,選取半模型的軸向長度375 mm處的測試點(圖4虛線標(biāo)記)作為仿真計算點,從輥筒表面0到300 mm處的磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真結(jié)果如圖6所示,磁場力密度仿真結(jié)果如圖7所示。對于電磁磁選機(jī)來說,采用恒壓控制方式,因此隨著溫度升高,電阻增大,致激磁線圈電流降低,熱態(tài)的場強(qiáng)降低。

圖6 永磁磁選機(jī)與電磁磁選機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度比較Fig.6 Magnetic flux density of PM and EM separators

圖7 永磁磁選機(jī)與電磁磁選機(jī)磁場力密度比較Fig.7 Comparison of magnetic force density of PM and EM separators

由圖6的磁感應(yīng)強(qiáng)度可知,距離滾筒表面300 mm處,無論永磁磁選機(jī),還是電磁磁選機(jī),都能達(dá)到0.05 T左右,說明該類設(shè)備磁場的作用深度較深,處理量很大。

磁場力密度與磁感應(yīng)強(qiáng)度、梯度的關(guān)系如公式(1)所示。

磁場力F與磁場力密度FD的關(guān)系如式(2)所示,由于選礦中鐵礦石體積無法精確計算,因此在分析中常用磁場力密度作為分選的指標(biāo)之一,可忽略體積的變化。

式中:F為磁場力;k為形狀補(bǔ)償系數(shù);FD為磁場力密度;V為顆粒體積;m為顆粒質(zhì)量;ρ為顆粒密度;g為重力加速度。

當(dāng)鐵礦石受到的磁吸力大于重量F≥D時,實現(xiàn)吸附分選。對于不同形狀的補(bǔ)償系數(shù)k,與礦石的長徑比、形狀等有關(guān),詳見如表2中的具體數(shù)值。表中的永磁機(jī)和電磁熱態(tài)的工作距離根據(jù)圖7仿真的磁場力密度數(shù)值得到。

表2 不同形狀的補(bǔ)償系數(shù)Table 2 Compensation factor for objects of different shapes

由圖7的磁場力密度曲線與式(2)計算得出,對1 cm3(與體積無關(guān))的磁鐵礦來說,無論永磁機(jī)與電磁機(jī),設(shè)備在150～200 mm處仍然能吸起球狀鐵磁性物質(zhì),在200～300 mm處可吸起類似螺母、螺栓、棒狀等磁性物。進(jìn)而說明該設(shè)備屬于高強(qiáng)度磁選機(jī),該類設(shè)備適合處理大塊磁鐵礦石分選。

在自然冷卻情況下,當(dāng)達(dá)到電磁線圈的熱態(tài)穩(wěn)定時,磁感應(yīng)強(qiáng)度為冷態(tài)的74%,線圈溫度約為110℃。相比于永磁磁選機(jī),電磁磁選機(jī)冷態(tài)時在磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場力密度這兩個指標(biāo)上高于永磁磁選機(jī)的性能,但是,熱態(tài)時電磁磁選機(jī)性能迅速下降,比冷態(tài)時的磁感應(yīng)強(qiáng)度下降了26%,磁場力密度數(shù)值更是下降了50%左右。

因此電磁磁選機(jī)必須要有良好的散熱,需要有高效的冷卻結(jié)構(gòu),以提升熱態(tài)下的磁感應(yīng)強(qiáng)度,才能保證性能與永磁磁選機(jī)的性能相當(dāng)。

3 新型板式冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

電磁仿真的數(shù)據(jù)表明,電磁磁選機(jī)熱態(tài)性能受溫度影響較大,必須要對激磁線圈進(jìn)行有效冷卻才能替代永磁磁選機(jī),才能達(dá)到減少稀土的使用、節(jié)約成本的目的。

由于激磁線圈安裝在滾筒內(nèi),滾筒內(nèi)空氣幾乎不流動,產(chǎn)生熱量很難及時散出,導(dǎo)致線圈溫度高,影響磁場的熱態(tài)性能,而且長期處于高溫下,嚴(yán)重影響線圈使用年限。所以,高效的冷卻裝置非常重要。冷卻結(jié)構(gòu)是激磁線圈溫度的直接影響因素之一,激磁線圈溫度低是保證磁選機(jī)性能與使用年限的關(guān)鍵。

本文提出一種新型的板式冷卻結(jié)構(gòu),將冷卻板安裝在激磁線圈兩側(cè)和線圈之間。一臺磁選機(jī)安裝2個線圈,3塊冷卻板。在外部制冷機(jī)提供強(qiáng)冷的循環(huán)變壓器油,冷油導(dǎo)入線圈內(nèi)的冷卻板內(nèi),帶走激磁線圈熱量。該板式冷卻結(jié)構(gòu)的模型如圖8所示。考慮到線圈絕緣、環(huán)境溫度等因素,該冷卻結(jié)構(gòu)的介質(zhì)采用變壓器油,雖然變壓器油的散熱系數(shù)不如水媒介,但0℃以下,不影響變壓器油的流動,即使變壓器油泄漏,對于線圈也是安全的,不會被短路擊穿。

圖8 板式冷卻結(jié)構(gòu)三維模型Fig.8 Three-dimensional model of plate cooling structure

冷卻板的熱場性能可以用牛頓冷卻定律描述對流換熱過程:

式中,P為傳熱功率;h為物質(zhì)對流傳熱系數(shù);tw為固體表面溫度;tf為流體平均溫度;A為傳熱面積。

在冷卻板的溫度場計算中,帶走的熱量與進(jìn)出油口的溫度差的公式如下:

式中,Q為熱量;ρ為液體密度;v為流速;to為出油口溫度;ti為進(jìn)油口溫度;Cp為散熱面積。

采用有限元法對于線圈的溫度場進(jìn)行耦合分析,設(shè)置線圈功率為6 kW作為熱源,進(jìn)油口溫度設(shè)置為25℃,經(jīng)參數(shù)化分析確定流速為5 m/s,進(jìn)出口油孔直徑為10mm。板式冷卻結(jié)構(gòu)的尺寸為700mm×400 mm×20 mm,內(nèi)部選用“己”字形油路,詳見冷卻板的溫度仿真圖(圖9)。仿真結(jié)果表明,進(jìn)出口的油溫差值為10℃。然而,線圈溫度是決定熱態(tài)磁場性能和線圈絕緣使用年限的關(guān)鍵。應(yīng)用流固耦合仿真計算,對兩個線圈整體進(jìn)行計算分析,圖10給出了線圈熱態(tài)穩(wěn)定時溫度分布圖。

圖9 冷卻板的溫度仿真結(jié)果Fig.9 Thermal simulation result of the cooling plate

圖10 整體線圈的溫度場分布Fig.10 Thermal-field distribution diagram of integral coil

由圖9和圖10得知,給激磁線圈增加板式冷卻器后,激磁線圈最高溫度由原來的110℃降至70.68℃,降低了近40℃,線圈溫度大幅下降,起到了非常好的冷卻效果,進(jìn)而可使得熱態(tài)磁場有明顯的升高。

4 電磁磁選機(jī)試驗

4.1 溫升試驗

對該冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計的電磁磁選機(jī)進(jìn)行了樣機(jī)的制作和溫升試驗,樣機(jī)采用陽極氧化鋁絕緣和扁鋁線,并進(jìn)行環(huán)氧樹脂的固化處理,線圈呈棕色,樣機(jī)測試照片如圖11所示。在室溫為20℃時,對冷卻板式的電磁磁選機(jī)進(jìn)行溫升試驗,在磁選機(jī)冷卻板,線圈等部位粘貼溫度指示貼紙(藍(lán)色),當(dāng)線圈與冷卻板運行時,測試記錄不同時間下相應(yīng)的溫度值,溫度記錄表見表3所示。

表3 電磁磁選機(jī)溫度測量結(jié)果Table 3 Temperature measurement results of EM

圖11 樣機(jī)溫度測試現(xiàn)場Fig.11 Temperature test of prototype

由表3可知,當(dāng)磁選機(jī)連續(xù)工作7 h,線圈處于穩(wěn)定狀態(tài),其溫度值為75.1℃;中冷卻板雙面接觸線圈,能有效吸收線圈產(chǎn)生的熱量,溫度達(dá)47℃;外冷卻板由于單面接觸線圈,吸收熱量較少,溫度達(dá)33℃。對于線圈最高溫度進(jìn)行比較,仿真結(jié)果為70℃,測試結(jié)果為75.1℃,存在一定誤差,誤差為6%。因此,由試驗結(jié)果可知,使用冷卻板能有效散熱,確保激磁線圈溫度較低,遠(yuǎn)低于絕緣材料所能承受的200℃限值,因此大大增加線圈使用年限。

4.2 電磁試驗

在安裝了冷卻板的條件下,取線圈中心點F作為測試點,如圖12所示,這樣與仿真點相一致。當(dāng)激磁線圈測試溫升試驗,工作7 h處于熱態(tài)穩(wěn)定時,測試F點的磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值,此時對增加冷卻結(jié)構(gòu)后的熱態(tài)進(jìn)行仿真計算,測試與仿真結(jié)果的比較值如表4和圖13所示。

圖12 電磁磁選機(jī)熱態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度測量點Fig.12 Measuring point of thermal B value

表4 電磁磁選機(jī)熱態(tài)下磁感應(yīng)強(qiáng)度測量與仿真結(jié)果Table 4 Measurement and FEA gauss results of electromagnetic separator in hot status

圖13 永磁磁選機(jī)與電磁磁選機(jī)磁性能(有無冷卻結(jié)構(gòu))Fig.13 Performance comparison of PM and EM separators(without and with cooling)

由表4和圖13可得,熱態(tài)穩(wěn)定時,在300mm處,增加冷卻結(jié)構(gòu)后的樣機(jī)測試值為0.047 5 T,仿真結(jié)果為0.046 0 T,誤差在3%;在300 mm處,永磁磁選機(jī)的場強(qiáng)為0.048 6 T,電磁機(jī)的熱態(tài)場強(qiáng)為0.047 5 T,是永磁機(jī)場強(qiáng)95%以上,非常接近。因此,經(jīng)過冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計,改善后的熱態(tài)場強(qiáng)大幅增加,與永磁磁選機(jī)的磁場分布基本接近。可替代永磁磁選機(jī)的性能參數(shù),達(dá)到基本一致的分選效果。

5 結(jié) 語

(1)隨著稀土材料的稀缺和價格的上漲,電磁磁選機(jī)為永磁磁選機(jī)替代產(chǎn)品。設(shè)計了直徑1.5 m、長度1.5m的電磁磁選機(jī),同尺寸代替永磁磁選機(jī)。電磁磁選機(jī)采用先進(jìn)陽極氧化鋁絕緣層,絕緣等級達(dá)到C級,耐溫為200℃;線圈采用扁鋁線,應(yīng)用環(huán)氧樹脂固化工藝,達(dá)到很好的散熱效果。

(2)通過有限元法對磁選機(jī)進(jìn)行電磁分析,對永磁機(jī)與電磁機(jī)在磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場力密度兩方面進(jìn)行性能對比,探討電磁磁選機(jī)替代永磁機(jī)的方案可行性。通過仿真計算結(jié)果,進(jìn)而驗證該磁選機(jī)為高強(qiáng)度磁選機(jī),作用深度深,大顆粒分選效果好,適合應(yīng)用于釩鈦磁鐵礦預(yù)選分選階段。

(3)在電磁磁選機(jī)的設(shè)計中,較大的磁包角增大了磁選機(jī)的分選空間,能提高含磁鐵礦的分選效率,對提高釩鈦磁鐵礦的鐵品位更加有利。

(4)鑒于熱態(tài)場強(qiáng)低的不足,本文提出一種新型板式冷卻結(jié)構(gòu)作為解決方案,安裝冷卻裝置將磁選機(jī)激磁線圈通過變壓器油帶走熱量,在冷卻板內(nèi)將油道布置為“己”字形,有效降低激磁線圈溫度,繞組最高溫度僅為70℃,這保證了磁選機(jī)長時間工作時的熱態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度,與永磁磁選機(jī)性能基本接近,確保磁選機(jī)的分選效果。

(5)通過溫升與電磁試驗,電磁與溫度的仿真值與測試值非常接近,誤差在5%左右,驗證了電磁計算與溫度場仿真的精確性。因此進(jìn)一步驗證了安裝冷卻裝置的電磁磁選機(jī),在熱態(tài)下與永磁磁選機(jī)性能近似,可作為替代,可節(jié)省大量成本,也可防止退磁的情況發(fā)生,延長了線圈的使用年限,發(fā)揮出更好的性能。