CXG350型磁选管结构优化及数值模拟研究_孙娜.pdf

CXG350 型磁选管结构优化及数值模拟研究 孙 娜1,2 1. 煤科集团沈阳研究院有限公司, 2. 煤矿安全技术国家重点实验室, 辽宁 抚顺 113122 摘 要 通过对 CXG350 型磁选管结构进行优化, 利用 ANSYS 软件对不同安匝数和磁间距 的 “C” 型电磁铁所产生的磁场强度进行数值模拟, 确定了高磁感应强度磁选管的最终参数, 即磁极锥角为 109, 圆柱形磁极半径为 32 mm, 铁轭断面为 90 mm90 mm, 磁极间隙为 50 mm, 线圈总匝数为 25 000 匝时, 磁选管的空气间隙正中心的磁场强度最高, 通过制作样机的 试验数据证明了数值模拟的准确性。 关键词 磁选管; 结构优化; 数值模拟; 磁感应强度; 试验研究 中图分类号 TD457 文献标识码 A 文章编号 1005-8397202008-0004-05 收稿日期 2020-02-25 DOI 10. 16200/ j. cnki. 11-2627/ td. 2020. 08. 002 作者简介 孙 娜1993, 女, 山东枣庄人, 2019 年毕业于煤炭科学研究总院矿物加工工程专业, 工学硕士, 煤科集团沈阳研究院有 限公司研究实习员。 引用格式 孙 娜. CXG350 型磁选管结构优化及数值模拟研究 [J]. 煤炭加工与综合利用, 20208 4-8. 目前, 实验室用于磁性物含量测试的设备 中, 使用最广泛、 发展历程最久远的就是磁选 管[1]。 从 1921 年被研发出至今, 因其构造简单、 操作方便, 被世界上多个国家和地区的选矿行业 推广使用[2-5]。 虽然磁选管的应用很广泛, 但很 少有学者对其进行详细的理论研究, 关于磁选管 的设计准则和对磁场计算的相关文献也屈指可 数。 现如今, 磁选管的开发研究工作都是依靠工 程经验, 在确定磁选管结构大小以后, 通过调节 电流大小、 线圈匝数以及磁极的空气间隙来改变 磁场强度大小[6-9]。 如果达不到所需要的磁感应 强度, 需要继续进行调节, 但磁极的空气间隙一 旦确定很难再做更改, 因此往往通过继续增大电 流或者增加线圈匝数来加大磁感应强度, 直至达 到所需数值为止。 这种方式不仅效率低, 而且还 会造成资源浪费; 通常需要过高的电流, 还会造 成经济损失和能源浪费[10-12]。 另一方面, 整个选矿行业对磁性物含量测试设 备磁场的需求呈现多样化的趋势, 因此需要对传统 磁选管进行结构优化, 并结合 ANSYS 软件进行数值 模拟, 在提高磁感应强度的同时, 确定出最优的结 构参数。 这不仅可以满足选矿行业对磁性物含量测 试设备的磁感应强度的不同需求, 而且还可以在今 后的研发工作中尽可能减少资源浪费[13-15]。 1 磁选管模型的建立 “C ” 型电磁铁由铁芯和线圈组成, 接通电 源后, 电流通过导线时产生的磁场与铁芯被磁化 所产生的磁场相互叠加, 在两磁极的空气间隙处 产生较大的磁场, 磁通通过铁芯和气隙形成一个 闭合的回路, 称为磁路[16-17]。 1. 1 结构特点 选取1 台常用的 CXG350 型磁选管, 磁场结构 如图1 所示, 其中圆柱形磁极半径为 45 mm, 铁轭 断面为90 mm90 mm, 包含 2 个线圈, 总匝数为 7 500 匝, 磁极锥角为90, 磁极间隙为50 mm。 图 1 CXG350 型磁选管磁场结构参数 4 煤炭加工与综合利用 COAL PROCESSING 当磁极 锥角为 90时, 磁感应强度仅为 1. 063 T, 由此可 以得出, 在磁极锥角为 90时磁选效果没有磁极 锥角为 109时效果好。 通过不同锥角下磁感应强 度变化曲线能直观地看出, 在相同条件下磁极锥 角为 109时所产生的磁感应强度最大。 因此, 可 以认为理论分析得到的磁极锥角为 109时为最优 值成立。 3 试验研究及结果分析 根据理论分析及 ANSYS 磁场模拟的结果, 按照优化后的参数制造出新型的磁选管样机, 通 过改变电流大小使试验中的磁场强度达到 1 T, 并利用特斯拉计测量不同电流下的磁场强度。 3. 1 试验研究 新型磁选管试验样机如图 11 所示。 图 11 新型的磁选管样机 在两磁极之间放置量程为 50 mm 的刻度尺, 使特斯拉计的霍尔传感器有效作用点与两磁极之 间相互垂直。 然后接通电源, 调节电流强度, 分 别记录在不同的电流情况下, 距离磁极锥角为 0 mm、 10 mm、 20 mm、 22. 5 mm 时特斯拉计的 读数。 不断增加电流值, 当磁极中心处的磁感应 强度达到 1 T 时停止记录, 磁感应强度变化情况 如图 12 所示。 6 煤炭加工与综合利用2020 年第 8 期 ChaoXing 图 12 磁极间隙处磁感应强度变化曲线 为了与传统磁选管进行对比, 显示优化效 果, 分别对传统的 CXG350 型磁选管和优化后的 磁选管进行测试, 分别记录 2 种磁选管的两磁极 正中心处达到相同的磁感应强度时对应的工作电 流大小。 由于 CXG350 型磁选管磁感应强度最大 理论值为 350 mT, 但在实际中很难达到该数值, 因此将磁感应强度范围选定为 50300 mT, 间隔 为 50 mT, 分别记录每一次达到设定磁感应强度 时的电流大小, 并绘成曲线图。 3. 2 结果分析 根据上述试验步骤测得的磁极间隙处的磁感 应强度变化情况绘成曲线图, 如图 12 所示。 通过图 12 看出, 距离磁极间隙中心处越近, 磁感应强度越大, 并且随着工作电流的增大, 磁 感应强度也越来越大, 与之前的数值模拟结果一 致; 当工作电流达到 4. 5 A 时, 两磁极中心处的 磁感应强度均达到了预期的 1 T。 当继续增加电 流时, 磁感应强度变化幅度很小, 说明此时的导 磁材料已处于磁饱和状态, 没有必要继续增加电 流。 为了研究磁极中心处磁感应强度随工作电流 的变化情况, 将其单独绘制成曲线, 如图 13 所 示。 从图 13 可以看出, 在初始阶段, 随着电流 的增加, 磁感应强度值迅速增加; 但当电流增加 到 3 A 时, 磁感应强度增长趋势开始变得缓慢; 当电流增加到 4. 5 A 时, 磁感应强度只从 3 A 时 的 921 mT 增加到了 1 006 mT, 说明此时两磁极 已经接近磁饱和状态。 为了与传统磁选管进行对比, 显示优化效 果, 分别对传统的 CXG350 型磁选管和优化后的 图 13 磁极中心处磁感应强度变化曲线 磁选管进行测试, 对比结果如图 14 所示。 图 14 2 种磁选管试验结果对比 由图 14 可知, 与传统的 CXG350 型磁选管 相比, 通过改变磁极锥角和增加线圈匝数进行结 构优化后的磁选管, 在相同的磁感应强度情况 下, 所需电流值远远小于前者, 大大降低了能 耗, 同时还可以避免电流过大造成线圈温度升高 的现象。 综上所述, 在 05 A 的安全电流内, 结构 优化后的磁选管磁感应强度可以在 501 000 mT 的范围内自由调节。 该磁选管不仅能实现在低磁 感应强度下检测磁铁矿粉的磁性物含量, 而且能 在高磁场强度下对各种有色金属中有用矿物的含 量进行检测。 4 结 论 通过理论计算结合 ANSYS 软件模拟得出磁 选管优化的参数, 并对优化后的结构进行三维电 磁场模拟, 最后利用样机进行了试验研究, 得出 以下结论 1磁极锥角为 109时, 磁感应强度达到最 大值, 并利用 ANSYS 软件对其进行了磁极锥角 最优值验证; 2CXG350 型磁选管结构优化后, 磁极半 径为 32 mm, 铁轭断面为 90 mm90 mm, 磁极间 7 2020 年第 8 期孙 娜 CXG350 型磁选管结构优化及数值模拟研究 ChaoXing 隙为 50 mm, 线圈总匝数为 25 000 匝; 并进行了 三维电磁场模拟; 3通过 2 种磁选管试验结果对比得出, 结 构优化后的磁选管大大降低了能耗, 同时可以避 免电流过大造成线圈温度升高的现象。 参考文献 [1] 彭 垠. 选煤用磁铁矿粉的性质及其消耗 [J]. 煤炭加 工与综合利用, 20056 10-13. 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