磁选机典型开放式磁路分析与仿真.pdf
7 6 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第3 期 d o i l O .3 9 6 9 ,j .i s s l l .1 6 7 1 9 4 9 2 .2 0 1 4 .0 3 .0 1 9 磁选机典型开放式磁路分析与仿真 胡永会1 ,一,王晓明1 ,一,冉红想1 ,2 1 .北京矿冶研究总院,北京1 0 0 1 6 0 ;2 .北矿机电科技有限责任公司,北京1 0 0 1 6 0 摘要开放式磁路是一种应用最早、广泛、成熟且仍不断创新的磁路形式,对该磁路的深入研究可为目标磁路设计、 工艺流程优化及工程设备选型提供有益指导。借助于c O M s O LM u h i p h y s i c s 软件,仿真并研究若干种典型的开放式磁路,并 分析磁源、磁极深度、配比、辅助极、磁化方向等相关因素对磁路的影响,之后给出几种磁路下磁性颗粒的运动轨迹。 关键词开放式磁路;c o M s o LM u h i p h y s i c s ;磁性颗粒;运动轨迹 中图分类号T D 4 5 7文献标志码A文章编号1 6 7 l 一9 4 9 2 2 0 1 4 0 3 0 0 7 6 0 r 7 A n 蚰y s i sa n dS i m u k t i 蚰o fT y p i c a lo l 啦M a 和e 廿cC i №l l i t si nM a 黜廿cs e p a m t 0 璐 日【厂功叼h 记一,Ⅵ硝2 \7 .G 墨∞棚n 9 1 ”,R a Ⅳ日。凹n 佣矿’霉 I .B e 彬叼G e n e m Zj 沁觚n 哦I h S 蹴n 钯。厂尬n i 叼n n dm t n 地n 眄,B 嘟叼J D D l 6 D ,饥i 船; 2B 僦m 嘶贩砌讯删鲫d 么M t D 撇t 加孔曲,l D 锄隗,五玩,髓彬阳j D D J 卯,吼打劫 A b s t r a c t O p e n i n gm 醒n e t i cc i r c u i ti sak i n do fc i r c u i tt y p ew h i c hh a st h ee a r l i e s t , 埘d e , m a t u r e a n di n n o v a t i v ea p p l i c a t i o n .Ac o m p r e h e n s i v es t u d yo ft h ec i r c u i t sw o u l db ev e r yu s e f u lf .o rt a I 瑁e tc i r c u i t d e s 酒,p m c e s sn o wo p t i I I l i z a t i o na n de n 舀n e e r i n ge q u i p m e n ts e l e c t i o n .B y 眦锄so fC O M S O LM U d t i p h y s i c s F E Ms o f t w a r e ,s e v e r a lt v p i c a lo p e I l i n gm a g n e t i cc i r c u i t sw e r es i m ul 砒e da n d 肌a l y 孺d ,a n dt h e nt h er e l a t i v e i n f l u e n c i n g f 如t o r so f m a g n e t i c s o u r c e , m a g n e t i cp o l ed e p t l l ,m a t c h i n gp r o p o r t i o n , a u 】【i l i a r yp o l e锄d m a g n e t i z i n gd i r e c t i o nt ot h ec i r c u i t sw e r ea I l a l y z e d . B 鹊e do nt h e s i m u l a t i o n锄d粕a l y s i st h em o t i o n t I a i e c t o r i e so fm a 擘皿e t i cp a r t i c l e su n d e rs e v e r a lm a 擘m e t i cc i r c u i t sw e r ed e s c r i b e d 粕dd i s c u s s e d . K e yw o r d s 叩e n i n gm a g n e t i cc i r c u i t ;C O M S O LM u l t i p h y s i c s ;m a g n e t i cp a n i c l e ;m o t i 伽t r a j e c t o r y 由于开放式磁路简单易行,故较早地应用于磁 铁矿的磁选作业。如在1 7 世纪初人们即采用手持 永久磁铁的方式选别磁铁矿石,1 9 世纪中叶出现 沿物料移动方向磁极极性交替的带式磁选机,1 9 世纪末则出现了现代常规筒式磁选机的雏形,其磁 极极性沿圆周方向交替[ 1 - 2 ] 。上述提到的这些磁选 设备中的磁路都属于开放式磁路。随着磁选工艺愈 加复杂,也得益于磁性材料与导流材料的迅速发 展,广大研究者针对磁选工艺的特殊要求研究并开 发出一系列磁场性能大幅改善的新型开放式磁路结 构,广泛应用于筒式、辊式、带式、盘 环 式、 柱式、笼式等磁选设备,并不断拓宽磁选技术的应 用领域。 开放式磁路结构纷繁多样,适用于多种应用场 合,不同的给矿物料、矿浆浓度、给矿速度等对分 选区内的磁场分布有特定要求。本文借助于多物理 场耦合分析软件C O M S O LM u l t i p h y s i c s ,针对目前 若干典型开放式磁路进行仿真与分析,旨在为目标 磁路设计、工艺流程优化与工程设备选型提供有益 参考。 1 磁路特点 如图l 所示为早期筒式磁选常采用的磁路示意 图及磁场分布仿真,该磁路目前仍广泛应用。 由图l 可见,这种磁路结构简单、磁场分布均 匀、衰减速度慢,在相当大的空间内仍存在较为可 观的磁场强度,为强磁性矿物如磁铁矿、磁黄铁矿 等的物理分选提供了便利,故得到了广泛应用与发 展。选别磁性铁的筒式磁选机、带式磁选机、除去 铁磁性杂物的悬挂式除铁器、回收尾矿中磁性铁的 基金项目首都设计产业提升计划资助项目 Z 1 3 1 1 1 0 0 0 0 2 1 3 0 4 2 收稿日期2 0 1 3 0 9 2 6 修回日期2 0 1 4 - 0 3 一1 7 作者简介胡永会 1 9 8 5 一 ,男,江苏徐州人,硕士,工程师,主要从事磁选设备的研究与开发。 万方数据 2 0 1 4 年第3 期胡永会等磁选机典型开放式磁路分析与仿真 7 7 } 曼 、 越 慧 签 桓 ■ g 、 魁 想 螺 翅 ≤鬻鳖爹 \\~一一一/ a 磁场分布等值线 周向位置 2 叮r ,r a d b 周向磁场分布 距表面的径向距离,m m c 径向磁场分布 图1早期筒式磁选机采用的磁路磁场分布 F i g .1M a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n so fp r i I l l i t i v ed 1 1 l m m a g n e t l cs e p a r a t o r s 仿真参数剩磁O .3T ,磁极面宽1 3 0m m ,磁极深度1 4 lm m ,极 间夹角2 2 .8 0 立盘式磁选机大多采用这种磁路结构。但值得注意 的是,这种磁路采用发散性磁极结构,磁力线处于 半自由散射状态,磁场分布空间大,但磁场强度 低,且磁极间隙易造成磁场空区,限制了其在分选 弱磁性矿用磁选设备中的应用。 图1 所示磁极沿周向交替,目前应用最为广 泛,但也有针对某些特殊场合设计出的磁极沿物料 运动方向 对于筒式磁选机为周向,而对于带式磁 选机为直线方向 同极,但垂直于物料运动方向交 替。如广泛应用的滑轮式磁选机,它主要用于选别 大块贫磁铁矿石,该类矿石沿不同方向的磁化率差 异较大,为充分回收有用矿石,不希望矿石在吸附 前进过程中产生磁翻转而造成不必要的损失,故常 采用上述磁路结构[ 3 ] 。沟槽式圆筒磁选机也采用周 向同极轴向异极交替磁路结构,这种磁选机在选别 局部氧化铁矿石,如浸染磁铁矿的半假象赤铁矿、 含镍磁黄铁矿等曾得到广泛应用。它主要利用了开 放式磁路中磁极宽与磁极间隙宽的配比关系[ 4 ] ,关 于这一关系将在后文进行描述。还有一种采用类似 磁路结构的是挤压辊式磁选机,不同的是这种磁路 磁力线被强制引导汇聚于发散极,之后再与异极闭 合,这种磁路在磁极表面产生很高的磁场,适应于 如锰等中粗粒弱磁性矿石选别或石英砂除铁提纯等 干式磁选作业[ 5 ] 。挤压磁路的磁场特性主要由导 磁发散源宽与挤压磁源宽的配比控制,关于这一关 系同样将在后文描述。 随着开放式磁路的广泛应用与深入研究,研究 者发现这种磁路的磁极间存在“磁短路”现象,即 磁力线倾向于选择较短路径与异极闭合,在较早的 仅含主磁极的磁路结构中严重降低了有效磁场利用 率。故随后出现了在磁极间隙增加辅助极 磁化方 向与磁短路方向相反 的方法挤出磁力线,提高有 效磁场利用率并改善磁场分布状态,这一点后文将 进一步阐述。 2 影响因素分析 2 .1 磁源 毋庸置疑,磁源是直接影响磁路设计的最重要 因素。对于永磁磁路,常用的第三代高性能钕铁硼 材料其剩磁高达1 .2 5T ,是以锶铁氧体为代表的第 二代永磁材料的4 倍以上。所以,随着钕铁硼材料 的出现,磁场强度得到大幅提高,磁选技术得到广 泛应用,一方面表现在采用最原始最简单的开放式 磁路即可满足强磁性铁矿石的选别,如滑轮式磁选 机周向同极轴向交替的磁路结构已被常规的周向交 替轴向同极的磁路方式取代,更加有利于贫磁铁矿 的预选作业。磁场强度的显著提高极大地改善了磁 性矿石的吸附能力,其适用范围并不局限于大块矿 石,也适用于选别粒度分布较广非磁性物夹杂严重 的贫磁铁矿,高效抛尾的同时也能保证磁铁矿石的 回收率,间接促进了“多碎少磨”工艺的发展与应 用,显著节约能耗。另一方面成功设计出分选区磁 场强度 1T 的挤压磁路辊式磁选机,部分取代电 磁磁选设备,成功并广泛应用于粗粒赤铁矿、褐铁 矿、锰矿等弱磁性矿物预选,可极大地降低能耗。 对于电磁磁路,令人瞩目的就是超导技术的引人, 超导筒式磁选机与超导悬挂式除铁器应运而生,其 万方数据 7 8 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第3 期 开放式磁路中有效分选区内的磁场强度高达2T 以 上,应用领域得到极大拓展[ 6 ] 。 2 .2 磁极深度 主要是指永磁开放式磁路中磁源磁化方向的深 度,通常可简单的通过增大该深度提高磁场强度, 但饱和磁化后增幅缓慢。一般而言,对于小于1 8 0 m T 的磁场强度,选择锶铁氧体即可满足要求;对 于18 0 ~6 0 0m T 的磁场强度,需要组合或全部使用 钕铁硼磁块;而对于大于6 0 0m T 的磁场强度限于 材料性能、经济性等方面考虑目前并不常见。 2 .3 配比 包括带式、筒式等磁选机磁路中磁极宽与磁极 间隙宽的配比,及挤压辊式、鼓式等磁选机磁路中 导磁发散源宽与挤压磁源宽的配比。 如图2 所示为磁极深度相同,但磁极宽与磁极 间隙宽的比值不同时的磁场分布状态。 ■ { 型 骤 蜜 餐 ■ g 、 型 鹱 盥 桓 距相邻磁极一侧的距离/m m a 磁极表面2m m 距磁极表面的垂直距离,m m b 磁极表面径向5 0m m 内 图2 磁极宽与磁极间隙宽不同配比的磁场分布 F i g .2M a g n e t i cn e l dd i s t r i b u t i o n su n d e rd i ⅡI e r e n t w i d t hm a t c h i n gp r o p o n i o n sb e t w e e nm a g n e t i cp o l e a n dt h eg a pb e t w e e nt h e m 仿真参数剩磁0 .3T ,磁极面宽1 3 0m m ,磁极深度1 3 6m m 由图2 可见,当6 忆 1 .5 时则相反。比值 6 /。增大,磁极表面磁场强度增大,沿磁极中心径 向的磁场强度与磁场梯度缓慢增加,但沿磁极间隙 中心径向的磁场强度与磁场梯度显著增大。由于磁 力等于磁场强度与磁场梯度的乘积,故磁极间隙中 的磁场利用潜力较大。在常规的周向交替轴向同极 磁路的筒式磁选机中,增加6 /Ⅱ值可保证吸附的团 聚磁性颗粒在磁极间隙处发生磁翻转时不至于损失 磁性铁。而在沟槽式圆筒磁选机中,磁极周向同极 轴向交替,增加6 /n 值可显著提高分选区内的磁场 强度,从而可有效分选中强磁性矿石,如图3 所示。 ■ 量 ~ 趟 鹱 盛 翅 } { 蜊 疆 黛 挺 距相邻磁极一侧的距离/m m a 磁极表面1 3 与1 8m m 处 距磁极表面的垂直距离,n u n b 磁极表面径向1 3 ~6 3m m 内 图3 沟槽式圆筒磁选机有效分选区中的磁场分布 F i g .3M a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o n so ft h eg r o o v e d d r u mm a g n e t i cs e p a r a t o r s 仿真参数剩磁O .6T ,磁极面宽1 3 0m m ,磁极间隙5 2m m ,磁 极深度1 3 6m m 挤压磁路的配比关系主要体现在挤压磁源宽与 导磁发散源宽之间。如图4 所示为双面挤压磁路中 磁极深度相同,但挤压磁源宽与导磁发散源宽的比 值 6 /n 不同时的磁场分布状态。该种磁路磁场 梯度大,能够提供足够的磁力实现一定粒度范围内 弱磁性矿石的回收,粒度过大或过小均不能有效回 收,通常控制在5 ~2 5m m 。由于这种磁路主要用 于分选中粗粒弱磁性矿石,要求其有效分选区中的 期望磁场强度 1T ,故常采用较大的6 /口值 3 ~ 5 。本例中得到的磁场分布在磁极表面处沿轴向呈 现波状,磁场强度极大值达1 .3 6 忆 3 ~1 .6T 6 尼 5 ,越远离磁极面则波动程度越不明显,但 万方数据 2 0 1 4 年第3 期胡永会等磁选机典型开放式磁路分析与仿真7 9 磁场强度衰减迅速,表面5m m 处相应的磁场强度 极值已降至约0 .9 6 /仁3 ~1 .1T 6 /仁5 。 ∈ 蜊 想 塞 嫠 1 ,而为得到最均匀的周向磁场分布 可选择m 肮≤2 。特别考虑到重介质选煤工艺中, 在煤中加入的重介质为单一的高纯细粒强磁性铁, 目前用于回收该重介质的主要设备为常规筒式磁选 机,其磁路即具有这种特点,磁场沿筒周向均匀分 布,可保证分选过程的稳定性。 2 .5 磁化方向 在采用开放式磁路结构的筒式磁选机分选矿石 过程中,为提高分选的稳定性与磁性精矿品位,一 万方数据 8 0 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第3 期 方面希望在保证磁筒径向磁场深度的前提下沿其周 向具有均匀的磁场强度,又要求矿石颗粒在有效分 选带内发生更有利的翻转以抛出非磁性夹杂。为同 时满足这两个要求,一种大磁包角多磁极多磁化方 向的开放式磁路得到发展与推广,该磁路结构由 K H DH u m b o l d tW e d a gA G 公司首先提出并应用到 P E R M O S 中场强永磁筒式磁选机[ 7 | 。如图6 所示 为该典型磁路的结构示意图及其磁场分布。该磁系 不再由磁化方向沿径向交替向里或向外的磁极组构 成,而是沿周向逐渐改变磁化方向。随着周向磁块 数增加,不仅径向平均磁场强度高于传统磁系结 构,而且周向磁场分布愈加均匀,故干扰磁性物料 运动的切向力趋于减小。 周向位置,r a d a 磁极表面轴向l O 、2 0 与5 0m m 处 住问距磁极表面距离/n l n l b 沿磁极中心径向 图6 渐变磁化方向开放式磁路的磁场分布 F i g .6M a g n e t i c6 e l dd i s t r i b u t i o n so ft h eo p e n i n g m a g n e t i cc i r c u i t w i t hg r a d u a l l yc h a n g i n g m a g n e t i z a t i o nd i r e c t i o n s 仿真参数剩磁1 .2 5T ,磁极面宽6 5m m ,磁极深度5 1m m ,极 间夹角1 0 3 磁性颗粒运动轨迹 磁选过程中决定分选效果的直接因素是磁性与 非磁性颗粒的运动轨迹,磁路设计的主要目标是提 供合理有效的磁场分布以满足颗粒运动所需轨迹的 要求。 3 .1 轴向同极周向异极交替磁路 常规筒式磁选机一般采用这种磁路结构,带式 磁选机与悬挂式除铁器类似,只是磁极沿直线布 置。如图7 所示为该磁路下磁性颗粒的运动轨迹。 磁性颗粒沿周向运动过程中在各磁极极性转变处发 生一次磁翻转,抛除非磁性夹杂以提高磁性产品品 位,且磁场逐渐减弱以便于卸料。 重力方向 磁性颗粒 ●运动轨迹 、●k 图7 典型轴向同极周向异极磁路中磁性颗粒运动 轨迹 F i g .7 M a g n e t i cp a n i c l et 阳j e c t o “e s i nt y p i c a l m a g n e t i cc i r c u i t sw i t hs a m em a g n e t i z a t i o ni na x i a l d i r e c t i o nw h i l ed i f f e r e n ti nc i r c u m f 毫r e n t i a ld i r e c t i o n 磁场周向交替下,少磁极 4 ~6 极 大极面带 辅助极磁路有利于增加磁场深度并保证周向磁场的 均匀性,广泛应用于磁滑轮中,用于干式预选大块 宽粒级分布的贫磁铁矿石。而多磁极 ≥8 极 小 极面带辅助极磁路有利于提高表面磁场强度,并借 助多次磁翻转提高磁性产品精度,如常规精选用湿 式筒式磁选机大多采用该磁极布置。 3 .2 周向同极轴向异极交替磁路 滑轮式磁选机即具有该典型磁路,适于大块、 细粒夹杂少、回收率要求较高的场合,因为磁化取 向各异的颗粒在磁场空间中总是选择磁力最大取 向,但由于磁性颗粒沿运动方向不发生翻转,细粒 极易被磁性颗粒包裹夹杂。如图8 所示,另一种具 有该磁路结构的设备是分选中强磁性矿物的沟槽式 圆筒磁选机,利用磁极间隙进行分选,但轴向给矿 区域分布在特定范围内,且磁极宽与间隙宽比值大 3 ,磁性颗粒在接近沟槽处向其强磁场区偏转, 故有效分选区仅为常规筒式磁选机的3 0 %左右。 挤压辊式磁选机中的磁性颗粒运动轨迹与之类 似,如前所述,该磁路磁极表面磁场强度高,但沿 径向衰减迅速,故一般适用于中粗粒级弱磁性矿的 干式分选或非金属矿的干法除铁提纯。分选过程 中,径向有效分选区受限,一般采用振动给料机沿 轴向均匀单层颗粒布料。为得到更高的磁场强度, 万方数据 2 0 1 4 年第3 期胡永会等磁选机典型开放式磁路分析与仿真8 1 磁性 偏转 \i L / \ - _●- - ‘一 磁 \ 性 颗 粒 l 延i 动 轭 轨 轭 铁 迹 铁 l ;逮 j f 图8 典型周向同极轴向异极磁路中磁性颗粒运动 轨迹 F i g .8 M a g n e t i cp a r t i c l et r a j e c t o r i e s i nt y p i c a l m a g n e t i cc i r c u i t s w i f hs a I n em a g n e t i z a t i o ni n c i r c u m f b r e n t i a ld i r e c t i o nw h i l ed i f f 色r e n ti na x i a l d i T P r t i n n 挤压磁源宽与导磁发散源宽的比值 6 /n 通常较 大,轴向低磁场分选性能欠佳区占比例较大,造成 铁精矿回收率降低,尾矿铁品位增加,而对于非金 属矿的提纯一次除铁指标也不理想,故一般采用一 机多辊垂直布置实现多次处理以改善分选指标或一 次选别多种比磁化系数不同的矿物。 3 .3 其他开放式磁路 在较为干燥的环境中,7 5 恤m 粒度以下颗粒 间的分子引力、静电引力、毛细力等微观作用力远 强于所受的磁力、重力、流体力等宏观作用力[ 8 ] , 尚未研发出可有效干法选别微细粒磁性颗粒的磁选 设备。如图9 所示为一种垂直给矿式磁路结构的两 种形式,前者适用于比磁化系数较为均匀的物料, 后者适用于比磁化系数差异较大的若干矿物混合物 料。均匀给矿配合一定的压强、气流作用有利于微 细粒散布,并在磁场作用下将磁性颗粒从矿流中 偏离出来,为微细粒磁性颗粒干选提供了一个有益 参考。 而图1 0 所示为国内广泛使用的立盘式尾矿回 收磁选机常采用的两种开放式磁路结构,前者盘体 单面磁极磁化方向一致,相邻两盘相对的盘体磁极 磁化方向相异,有效分选空间为两盘间隙,在两盘 面间形成磁场回路,磁场强度低,但磁场均匀,磁 场深度大,且无磁场零区;后者盘体单面磁极磁化 方向周向或径向交替形成磁场回路,磁场强度高, 口.扩 ] 疆i 弓搿 口≤匙 图9 垂直给矿式磁路中磁性颗粒运动轨迹 F i g .9 M a g n e t i cp a r t i c l et r a j e c t o r i e s i n m a g n e t i c c i r c u i t so fV e r t i c a l f 宅e d i n gt y p e s e p r a t o r s 但磁场衰减迅速,磁场深度小,且在分选空间中心 存在磁场零区。常规筒式磁选机有效分选区为简体 底部与槽体间隙,为保证一定的磁场强度,该间隙 不可过大,一般控制在4 0 。7 0m m ;而立盘式磁选 机利用相邻盘间隙进行分选,有效分选区大大增 加,故特别适用于低浓度、大体积量、宽粒级分布 的尾矿中磁性铁的回收。 表示磁性颗 粒优先聚焦区 图1 0 ,立盘式磁选机磁路中磁性颗粒运动轨迹 F i g .10M a g n e t i cp a n i c l et r a j e c t o r i e si nm a g n e t i c c i r c u i t so fV e r t i c a l d i s k t y p es e p a r a t o r s 4 结论 开放式磁路自出现发展至今已经过若干次重大 创新,由原始的粗放式设计逐渐向精细化、针对性 设计过渡,基本满足了目前各种工况条件下强磁性 矿石的有效分选或除杂。相对而言,开放式磁路可 提供较大的有效分选空间且能适应多种复杂环境. 但较低的磁场强度严重限制其在弱磁性矿物选别工 艺中的应用。对于永磁磁路结构,日、美等发达国 家一直致力于更新一代高性能磁性材料的研发,磁 ● {,, 藿錾尊錾 ●●l,J.., ● I●。 d翟联期蘑_i莺祝逮 ●f 万方数据 8 2 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第3 期 性材料的更新换代往往能将磁性能提高数倍,将极 大限度地提升永磁磁路的磁场性能。而对于电磁磁 路结构,日、美、英、德等国已研发成熟且广泛应 用低、高温超导磁体,但主要应用于闭合式高梯度 磁路结构中,2 0 世纪9 0 年代K H DH u m b o l d t W e d a gA G 公司研制成功的D E S C O S 鼓式开放式磁 路结构超导磁选机也由于采用低温超导源,冷却用 液氦消耗大,且使用条件苛刻,未能得到迸一步研 究与应用。随着目前高温超导技术的成熟完善,并 为突破第三代永磁磁性材料的性能极限,高效选别 储量巨大、分布极广的弱磁陛矿石或预选大块低品 位弱磁性矿石等,将高温超导技术引入开放式磁路 结构其应用潜力将十分巨大。 参考文献 [ 1 ] R o c h , C I o c k e t t .E v 0 1 u t i o no fm a g n e t i cm i Ⅱi n ga ts c r u b o a k [ J ] .E n 西n e e r i n ga n dM i I l i n gJ o u m a l ,1 9 3 3 ,1 3 4 7 2 4 1 2 4 4 . 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