选矿设备中永磁结构磁场的模拟和分析.pdf

7 4 ‘ 有色t - , g 选矿部分2 0 1 4 年第1 期 d o i 1 0 0 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 4 ．0 1 ．0 1 9 选矿设备中永磁结构磁场的模拟和分析 王芝伟，尚红亮，史佩伟 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘 要应用有限元分析软件对3 种选矿设备永磁结构的磁场分布特性进行了仿真模拟，尤其是对磁力旋流分选机的 模拟进行了详细介绍。运用仿真模拟技术可以优化产品设计，提高产品的设计效率，降低设计成本，同时提高设备功能 稳定性。 关键词有限元分析；磁场模拟磁场特性 中图分类号T D 4 5 7 ；T D 4 5 3 “ ．1文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 4 0 1 - 0 0 7 4 - 0 6 M a g n e t i cF i l e dS i m u l a t i o na n dA n a l y s i so fP e r m a n e n tM a g n e tS t r u c t u r ei nM i n e r a l P r o c e s s i n gE q u i p m e n t s W A N GZ h i w e i ，S H A N GH o n g l i a n g ，S H IP e i w e i B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g10 0 16 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h es o f t w a r e o ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s W a Sa p p l i e dt os i m u l a t et h e m a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o no fp e r m a n e n ts t r u c t u r eo ft h r e em i n e r a lp r o c e s s i n ge q u i p m e n t si n t h i sp a p e r ，a n dt h es i m u l a t i o n f o r m a g n e t i cc y c l o n es e p a r a t o rw a sd e s c r i b e d i nd e t a i l ．T h eu s eo fs i m u l a t i o n t e c h n o l o g y c a ni m p r o v e e f f i c i e n c yo fp r o d u c td e s i g na n dr e d u c ed e s i g nc o s t s i nt h em e a n t i m et h es t a b i l i t yo ft h ed e v i c ef u n c t i o n s C a nb ei m p r o v e d ． K e yw o r d s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；m a g n e t i cf i e l ds i m u l a t i o n ；m a g n e t i cf i e l dc h a r a c t e r i s t i c 近年来，计算机仿真模拟技术越来越多的应用 于选矿行业，推动了该行业的技术发展。该技术应 用于永磁磁性结构的分析和设计，有利于研究和探 索磁场的分布规律和特性。计算机模拟技术的应用 可以优化产品设计、缩短产品开发周期、降低开发 成本。 本文基于C O M S O LM u l t i p h y s i c s 多物理场数值 模拟软件，对选矿厂三种选矿设备磁性结构磁场进 行仿真模拟，并分析它们的磁场特性，这三种设备 为磨机 装有磁性衬板 、磁选机、磁力旋流分 选机。C O M S O LM u l t i p h y s i c s 是以有限元法为基础， 通过求解偏微分方程 单场 或偏微分方程组 多 场 来实现真实物理现象的仿真。 1 永磁磁场理论 任何物质在外磁场的作用下，除了外磁场日 外，还要产生一个附加的磁场。物质内部的外磁场 和附加磁场的综合称之为磁感应强度曰。真空中的 磁感应强度与外磁场成正比【1 3 。 B ／z o H 1 式中为真空磁导率。在物体内部磁感应强度为 B - - - 敞∞ 艇 } B ／z o H p 4 1 ／} 2 J u u l ／ I 其中曰的单位为T ；．，为极化强度，单位为T ； H 为磁场强度，肘为磁化强度，单位均为M m 。 本文模拟的三种选矿设备产生磁场的结构均为 永磁结构。其磁场的形成主要基于以上理论，本 文采用磁通密度B ，即磁感应强度来描述磁场 强弱。 基金项目北京矿冶研究总院科研基金资助项目 Y J 一2 0 1 2 2 2 收稿日期2 0 1 3 - - 0 6 2 8修回日期2 0 1 3 - 0 9 2 7 作者简介王芝伟 1 9 8 5 一 ，男，河北廊坊人，工程师，主要从事磁选理论和设备的研究。 万方数据 2 0 1 4 年第1 期王芝伟等选矿设备中永磁结构磁场的模拟和分析 7 5 2 磨机内磁性衬板磁场模拟 衬板是磨机中的重要组成部件，衬板材质有铬 钼合金钢、中合金钢、高铬铸铁、锰钢、橡胶、聚 氨酯等。形状有凸棱、波纹、角螺旋等。衬板是球 磨机的易损部件，它在工作时会受到钢球及矿料的 冲击和磨剥作用，以及矿浆的腐蚀作用，而不断损 坏。磁性衬板在球磨机内壁上交替排布，形成曲面 磁系，在磨机内部形成强磁场，工作过程中碎钢球 和磁性矿物被吸附到衬板表面，形成保护层[ 2 - 31 。 均匀的保护层依赖于均匀的磁场分布，为了更加准 确的描述磁性衬板磁场分布特性以及探讨磁场强度 与保护层厚度的关系，计算机仿真模拟技术逐渐应 用于衬板磁场模拟上。本文对一种常用磁性衬板进 行仿真模拟，并进行磁场特性分析。 2 ．1 建立模型 图1 磁性衬板模型示意图 F i g ．1 S t r u c t u r ed i a g r a mo ft l l em o d e lo fm a g n e t i c h n i n g 磁性衬板模型如图1 所示，磁块依次排布在球 磨机圆筒内壁上，设定圆筒切向为X 方向，径向 为y 方向，同时填充材料及黏接剂的厚度对结构 尺寸的影响忽略不计。衬板壳体为不导磁材料，设 其磁导率为l 。圆筒内壁为导磁材料，．材质设置为 铁。球磨机筒径27 0 0n l l n ，衬板内磁块截面尺寸 为6 5m m 3 4r a i n ，一组衬板宽度为1 6 8I n l n 。 2 ．2 磁性衬板的磁场特性 对磁性衬板模型划分网格，并对网格进行一次 细化处理，然后进行运算，图2 为模拟结果，可以 清楚的看到磁性衬板表面的磁通密度值，红色箭头 为磁力线方向，闭合曲线为磁感应强度。可见，在 磁性衬板表面，磁极中心位置磁通密度低于两极中 间部位数值。以衬板壳体表面为0 基点，沿圆周方 向分别读取径向0 1 0 0t o n i 距离的磁场数据，结果 如图3 所示，Z 轴为磁通密度值。 为了便于分析，由图3 得到磁通密度在y 胡 一一一 图2 磁性衬板磁场模拟分布图 F i g ．2 S i m u l a t i o nd i a g r a mo ft h em a g n e t i cf i e l do f m a g n e t i cl i m n g 0 1 4 0 1 2 巳0 ．1 0 嚣。∞ 衄j0 嵋 挺。叫 0 ∞ 0 1 ∞ 图3 磁性衬板磁场分布数据云图 F i g ．3 D a bg r a p ho ft I l em a g n e t i ci n t e n s i t yo f m a g n e t i ch m n g 面和x - H 面的投影图，分别为图4 和图5 。由图5 可以清晰的看到，在衬板表面磁通密度呈波峰一波 谷一波峰交替变换，波动周期为8 2t o n i ，这与衬板 磁块间距相同。波峰与波谷数值相差较大，磁通密 度最大值处约0 ．1 2T ，最小值处约0 ．1T ，相差 0 ．0 2T ，变化率约为1 6 ．6 ％，由图4 可见这种变化 趋势随着离衬板表面距离的增加而逐渐变缓，在距 离衬板表面1 0 0r f l i n 处，磁通密度已经很弱，趋近 于0 。从0 1 0 0I T l m 磁场衰减过程均匀。 对磁性衬板磁场进行模拟的目的，主要在于优 化其磁体排布结构，在保证磁场强度的前提下，降 低磁场变化率，提高磁场均匀性。这样磨机内磁性 物才能够均匀的分布在衬板表面，避免矿物“鼓包” 现象，有效防止钢球对衬板的损坏，提高衬板使用 寿命。 3 筒式磁选机磁系的模拟 筒式磁选机是选厂尤其是铁矿选厂中的一种 万方数据 7 6 有色金属 选矿部分 2 0 1 4 年第1 期 X14 0 6 卜 01 0 2 0 ∞柏∞劬 7 0 ∞∞1 加 r ，m m 图4 Ⅳ的云图在y B 上的投影 F i g ．4 H p r o j e c t i o no np l a n eY B J’i I 刘1 ‘UJ j l_ j I ，j ，h n m 图5 Ⅳ的云图在石曰上的投影 F i g ．5 H p r o j e c t i o no np l a n eX B 重要设备，筒式磁选机的种类很多，不同种类的筒 式磁选机可以应用在不同的工艺流程中。从矿石的 大块预选、粉矿干选到细粒矿粗选、精选、扫选都 要用到筒式磁选机。磁系部分是磁选机的关键部 分，直接影响到磁选机磁场强度与磁场分布特性， 关系到矿石分选指标，对磁选机的性能起决定作 用。本文对筒式磁选机的开放式磁场磁系进行仿真 模拟，分析其磁场特性。影响该种磁场特性的因素 很多，主要有磁性材料性能、磁极高度、极面宽 度、磁极极距等。 3 ．1 常规极面磁系模拟 图6 为一种常规宽极面含加楔开放磁系仿真 结果，磁极极性沿圆周方向交替排布，磁极数6 ， 极面宽1 7 0m i l l ，极面宽和极隙宽之比同样为2 ．6 。 图7 为宽极面磁系磁场模拟数据曲线，从整体上 看，筒表表面磁场沿周向呈“跳跃”状态分布，可 以看出磁极中心和加楔处的磁通密度均大于0 ．1 5T ， 高点处磁通密度达0 ．2 6T ，磁系加楔部位的磁通密 度明显高于磁极中心部位，差值约0 ．0 9T 。6 0m i l l 处磁通密度处于0 ．0 7 0 ．0 8T ，并且数值波动较小。 可以清楚的看到O ．0 9T 的磁通密度等位线覆盖了 6 0m m 距离的区域。 图6 宽极面磁系磁场模拟结果 F i g ．6 S i m u l a t i o nd i a g r a mo fm a g n e t i cf i e l do f m a g n e tw i t hw i d ep o l a r ≤ 蜊 稍 昭 翅 周向长度／m 图7 宽极面磁系磁场模拟数据曲线 F i g ．7 D a t ag r a p ho fs i m u l a t e dm a g n e tw i t hw i d e p o l a r 3 ．2 多极面磁系模拟 多磁极磁系具有极数多，磁场梯度大，磁翻滚 次数多的特点，但并不是磁极数越多越好，同时要 保证分选区内具有足够的磁场作用深度，即在分选 区内要满足磁场梯度与磁场强度均足够大，才能对 磁性颗粒产生足够的磁场力，实现对磁性矿粒的有 效捕集。 使用3 ．1 节所述方法对多极窄极面磁系进行模 拟，为了具有可比性，该窄极面磁系极宽为1 3 0m i l l ， 8 个磁极，极面宽和极隙宽之比与上述磁系相同。 根据磁场力公式F g o x o H o g r a d H 。[ 4 ] ，就磁力指数 H o g r a d H 。 的不同将其与常规极面磁系进行对比， 如图8 。可见两条曲线在4 0t o n i 处有且仅有唯一交 点，说明该多极磁系在筒表0 4 0f i l m 内磁场力指 4 2 0 日 B 阻 口 叫 ㈣ ㈣ 岫 憾 呲 呲 巴越酾昭餐 万方数据 2 0 1 4 年第1 期王芝伟等选矿设备中永磁结构磁场的模拟和分析 7 7 数高于常规宽极面磁系，即矿粒捕集能力前者强于 后者；4 0m l n 以外，多极磁系磁力指数略低于常规 磁系，捕集能力稍有下降。这说明在同等磁系结构 参数下，多极磁系在分选区域内的选别能力被分成 了两个区域，4 0t o n i 以内捕集能力强于常规磁系， 4 0 ～6 0m m ，则有所下降，也就是说，如果要达到 与后者相同的捕集能力，势必要对磁系结构进行调 整和优化，进一步提高其磁力指数。这里也说明单 纯靠降低极面宽度，增加磁极极数，虽然增加了筒 表近距离区域磁场力，但势必会造成远距离磁场力 的衰减。 o E E 隹 E 一 、 籁 船 穴 桓 f - _- 宽磁町一 ■卜- 窄极面 心 N X 、 弋． N q ‰咱 口2 0●06 0 e 01 0 0 距筒表高度／m m 图8 宽极面、窄极面磁系磁力指数曲线 F i g ．8G r a p h so fm a g n e t i ci n d e xo fm a g e t 访t I l w i d ep o l a ra n dn a r r o wp o l a r 在实际生产应用中，窄极面，小极距磁系，磁 性矿磁翻滚次数较多，脉石脱除率更高，有利于提 高矿石品位，适于磁性矿精选作业。宽极面，大极 距磁系，磁翻滚次数较少，脉石脱除率较低，有利 于提高矿石回收率，适于磁性矿预选、粗选作业。 在某些环境下，如大块矿石预选领域，为了有效回 收大块矿石，磁极宽度往往更大[ s ] 。 以上仅是对两种常见磁系的磁场特性进行了模 拟，对于筒式磁选机磁系种类还很多，包括钕铁硼 材料磁系、钕铁硼和铁氧体材料组合磁系等，均可 以运用上述方法进行模拟分析，这样既可以明确磁 性材料的用量，提高产品开发周期，又能确保产品 磁场参数，提高设备的稳定性。 4 螺旋磁系磁场分布模拟 以上介绍的磨机磁性衬板结构和筒式磁选机磁 系结构，均具有对称性、均匀性的特点，所以采用 二维建模方法进行仿真即可以表征其磁场特性。对 于一些结构不对称设备就要采用其它的方法。 磁力旋流分选机是北京矿冶研究总院开发的一 种基于复合力场分选原理的新型精选设备旧] 。其 内部磁系结构为螺旋形永磁磁系，如果用二维方法 便不能清楚的描述其磁场特性。因此本文采用三维 模拟方法。 4 ．1 建立模型 由于磁系为锥形，磁系采用螺旋布置，为了更 直观的分析磁系磁场分布特性，本文对磁系进行三 维建模，并且建模中不考虑机械工艺结构，例如螺 纹孔、磁轭筋板、磁轭腹板及影响网格划分的圆角 和倒角结构等。然后将三维模型导入三维工作空 间，使磁系轴线与彳轴重合，下端面与x o y 面重 合，并设置陡融多僦，以便进行求J 弹{ 溅。 4 ．2 网格划分和求解 在模型网格划分的过程中要进行选择性划分， 网格太粗，计算误差太大，结果没有参考价值；网 格太细，会增加方程迭代次数，将增大计算机内存 占用量，导致计算时间变长，甚至内存溢出，计算 失败。从以上两点出发，针对磁力旋流分选机磁系 的特点和分选基本原理，我们将磁极部分网格划分 较细，设置其最大网格尺寸为1 0m m ，增长率为 1 ．2 ；非磁极部分的网格划分采用软件内建网格尺 寸，并细化网格。网格划分结果如图9 。 图9 模型及网格划分结果 F i g ．9 T h em o d e la n dm e s h i n gr e s u l t 网格划分后，可以对求解域进行求解计算。在 求解计算前，要设置合理的求解器参数，这里我们 将求解器设置为稳态，线性系统求解器设置为共轭 梯度法；预处理器设置为代数多重网格。求解后， 在后处理绘图参数中设置边界显示磁位能，流线显 示磁通密度，结果如图1 0 。 本文采用先局部后整体的方法来获得磁场特性 信息。基本步骤首先设定欲模拟磁场位置到磁系 的距离，这个区域即为一个圆台的侧面。然后，为 万方数据 7 8 有色金属 选矿鄯分 2 0 1 4 年第1 期 ／＼p { 多／碟 图1 0 磁系磁场模拟结果 F i g ．10 S i m u l a t i o n d i a g r a mo ft h ef i e l do fm a g n e t 了获得更多的数据较真实的反应磁场特性，这里利 用圆台的母线，把它的侧面以5 。为一份等分为7 2 份，如图11 所示。在每一条母线的位置存储磁场 数据，通过对所有母线磁场数据进行汇总，就可以 得到该位置的磁场分布云图． 图1 1 磁场数据采集区域展开图 F i g ．11E x p a n d e dv i e wo fa c q u i s i t i o na r e ao ft h e m a g n e t i cf i e l dd a t a 4 ．3 磁场特性分析 4 ．3 ．1 筒表面的磁场分布 筒表的磁场强度是磁系磁场特性的最主要表现 形式，决定了分选机能否在矿物分选过程中吸附磁 性矿物，完成磁力分选过程。 由图1 2 可以更直观地观察出筒表面磁通密度 的数值分布情况，图中“峰”“谷”分明。“山 峰”部为磁极处的磁通密度分布情况，“谷底”部 为非磁极处的磁通密度分布情况。在磁性矿物分选 中，前者使磁性矿粒形成磁团聚，加速矿物沉降； 后者为无磁区或弱磁区，磁团聚在重力、离心力、 水流力等力的作用下，容易分散，脱离非磁性矿粒。 4 ．3 ．2 筒表7 0i n ／n 的磁场分布 同理，我们获得了距筒表7 0t o n i 的磁通密度 分布情况，如图1 3 ，相比之下，7 0l n n l 处磁通密 度分布峰值降低，最小值在0 ．0 4T 左右。筒表的 皂”_ 髑“_ 1 糖u _ 昭。1 挺”1 ～、‘～～～一‘ 角度／ 。 沿内简方向／m m 图1 2 筒表磁通密度分布图 F i g ．1 2 S i m u l a t i o nd i a g r a mo fm a g n e t i ci n t e n s i t yo n t h ed r u m 峰顶有凹陷的现象，而7 0I n t o 处的峰顶更趋向于 尖形，这说明与筒表相比，正对磁极部分的磁通密 度差值小，磁场梯度小，但是作用深度大，这样即 使在距筒表7 0m m 处的磁性矿粒也将容易被捕集。 魁。” 静o “． 昭 翅o 0 2 。 ‘。 C 6 。 一角j 著“。亍 3 。c ，* 一。。’。8 沿内筒方向／r a m 角度／f 。 一 “} 内伺方向 图1 3 距离筒表7 0m i l l 处磁通密度分布图 F i g ．1 3 S i m u l a t i o nd i a g r a mo fm a g n e t i ci n t e n s i t yo n 7 0n l l l lf r o mt l I ed r u m 4 ．4 模拟值与实际值对比 将螺旋磁系磁极从上到下依次编号l 一1 1 ，将 实测筒表磁通密度和模拟数据进行对比。实测与模 拟磁场磁通密度吻合性良好。由于磁块模拟时初始 条件理想化，实际中磁块磁性材料的均匀度和磁轭 的磁导率变化、充磁条件的控制、磁场测量手段等 因素，均会影响磁场测量结果，所以会存在一定误 差，相对误差最大值小于5 ％，在工程要求范围之 内，所以认为是合理的。 对比筒表和7 0m l T l 的磁通密度值可以发现， 7 。11 磁极处磁通密度值相差较小，磁场作用深度 大，与之前模拟的情况基本相符。 5 结论 1 应用计算机仿真模拟技术，可以直观地描 述典型选矿设备磁性结构的磁场分布，提高设备的 万方数据 2 0 1 4 年第1 期王芝伟等选矿设备中永磁结构磁场的模拟和分析 ’7 9 ‘ 设计和开发效率。 2 对于具有对称特征的选矿设备磁性结构进 行模拟，采用二维建模求解方法求解速度快，可靠 度高。通过对磁性衬板和筒式磁选机磁系的模拟， 有助于该类产品的进一步优化。 3 对于像磁力旋流分选机这类不规则磁系结 构，采用三维建模求解方法更能准确的表达其磁场特 征，为该机分选机理的深入研究可以提供数据支持。 参考文献 [ 1 ] 周寿增，董清飞．超强永磁体一稀土铁系永磁材料[ M ] ． 北京冶金工、世出版社，1 9 9 9 1 8 2 1 ． [ 2 ] 吴建明．H M 型磁性衬板及其在包钢选厂的应用[ J ] ．金 属矿山，2 0 0 2 9 4 6 5 0 ． [ 3 ] 冯泉，赵骞，于忠淇，等．磁性衬板磁场强度对吸 附层厚度影响的数值模拟[ J ] ．金属矿山，2 0 1 2 3 l1 9 1 2 2 ． [ 4 ] 王常任．磁电选矿[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 6 6 - 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