超大型永磁筒式磁选机的探索性研究.pdf

3 2 有色金属 选矿部分2 0 0 6 年第5 期 超大型永磁筒式磁选机的探索性研究 陈雷1 ，史佩伟1 ，谭达1 ，王清力2 ，刘锡敏s 1 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 ；2 ．鞍山矿业公司，鞍山1 1 4 0 3 1 ；3 ．包钢 集团 公司，内蒙古包头0 1 4 0 1 0 摘要作者从超大型磁选设备的机械结构、磁系设计、工艺参数等方面进行了探索性研究，认为0 1 5 0 0 m m 4 5 0 0 r a m 永磁筒式磁选机的研制是可行的，其性能优于目前国内外普遍选用的0 1 2 0 0 m m x 3 0 0 0 m m 永磁简式磁选机，它 的研制成功将使筒式磁选机的大型化研究上一个新的台阶，创造更好的经济效益和社会效益。 关键词永磁筒式磁选机；湿式分选；大型化研究 中图分类号T D 4 5 7文献标识码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 0 6 0 5 0 0 3 2 - ．- 0 4 我国是一个钢铁生产大国，2 0 0 5 年的钢产量已 突破3 亿吨，高炉冶炼的铁原料需求量大幅度增长， 且列质量要求也越来越高。然而，我国又是一个铁矿 资源不足的国家，且大部分铁矿石资源为贫矿，嵌布 粒度细，难选矿居多。从贫磁铁矿中获得磁铁精矿， 是几十年来我国选矿科技工作者为之奋斗的目标， 并已取得了卓有成效的进展，其中，磁选法是不可替 代的有效选矿方澍，众所周知，湿式筒式磁选机是 磁选法的主要选别设备，多少年来，人们为改善这类 设备的选矿技术指标进行了不懈的努力，设备的进 步使贫铁矿选矿技术提高到一个新的水平，设备大 型化是当前选矿设备发展的主要特点。 永磁筒式磁选机的筒径从0 6 0 0 m m 发展到 0 1 2 0 0 r a m 经历了4 0 年，目前，已经接近淘汰的筒径 规格0 6 0 0 、0 7 5 0 m m 两种小规格磁选机，而正在大 量使用的有0 9 0 0 、0 1 0 5 0 、0 1 2 0 0 m m 三种规格，它的 发展史表明，规格每增加一个档次，大致要经历6 ～8 年的研制、试验、考察、推广阶段，随着筒径的增加， 设备的机械性能、磁场特性等技术水平也不断提高。 从目前的发展趋势看，现有最大规格磁选机 0 1 2 0 0 m m 设备的处理能力在某些大型选矿厂也嫌 不足，要求研制0 1 5 0 0 m m 规格的超大型筒式磁选 机的呼声越来越高。进入二十一世纪以来，超大型永 磁筒式磁选机的研究设计提到了议事日程，笔者对 超大型设备的磁路设计、给矿方式、槽体结构、机械 强度计算等方面的可行性进行了探索性研究，认为 开发0 1 5 0 0 m m x 4 5 0 0 m m 湿式永磁筒式磁选机是可 行的，设备的机械结构和工艺参数是可以实现的。 1 设备机械结构设计 收稿日期2 0 0 6 0 5 2 9 作者简介陈雷 1 9 4 3 一 ，男，江苏常热人，机械研究所研究员。 1 ．1 磁路设计 大型选矿厂要求磁选机的体积生产率大，磁力 作用范围应与工作容积相适应，根据磁场力公式．厂_ B g r a d B ，在设计时，如何建立更合理的磁系结构参 数，使磁场梯度和磁场深度这一矛盾统一起来，从而 获得最大磁场力是磁路设计的一项主要任务。 磁场、场梯度及磁场力随着离开磁极表面距离 的增加而下降是磁选机的一般特性，对超大型磁选 机的设计而言，知道一个大约的距离是有益的，即超 过这一距离，将产生平均磁场、磁场力的跌落，而在 此距离内，磁选机的筒体表面有高的平均磁场和场 梯度，控制这一距离是重要的。影响这一距离的因素 颇多，取决于磁系结构本身的特点。如常规开放式磁 系，磁场作用深度较小，且漏磁通较多；在主磁极间 嵌入辅助磁极，磁场作用深度可提高5 0 ％；双向聚磁 磁系则使筒表磁场及场梯度大大增加，且圆周方向 磁场分布较为均匀，当然，与磁系所使用的永磁材料 的性能、数量等有直接关系。 对于选别中等磁性物料的磁系，可以考虑采用 稀土磁钢与锶铁氧体磁性材料组成复合材料磁极 组，稀土磁钢可以提高筒体表面的磁场强度及梯度， 而锶铁氧体材料则可以增加磁场作用深度。 在磁铁矿精选的工艺段，并不要求磁选设备有 过高的磁场力，这时，可以全部采用由锶铁氧体组成 的磁极组，根据使用材料的数量，筒表磁场一般可达 到1 6 0 1 8 0 m T 。 当然，对于较难选或粒级较细的物料，为提高回 收效果，往往要增加设备的磁场力，这时，可以考虑 全部采用稀土磁钢组成磁系，根据磁极组高度的变 万方数据 2 0 0 6 年第5 期 3 3 化，筒表磁场最高可达到6 0 0 m T 以上，这时距离筒 表6 0 r a m 处的磁场还可达到1 8 0 r o T ，显然，磁场作用 深度较大，适于大工作间隙，即大处理能力的设备需 求。 磁系包角设计是磁路设计的重要部分，磁系包 角是指磁系中心与磁极组外圆两边缘半径间的夹 角。对大规格磁选机，为保证其特有的大选别带，磁 系包角要设计的大一些。对于巾1 5 0 0 m m 规格磁选 机，可考虑采用多极磁系，初定磁包角1 3 2 。，其分选 区长度为1 2 8 4 m m ，较目前常使用的①1 2 0 0 m m 型磁 选机的分选带长5 4 0 r a m ，这样，就充分利用了筒式 磁选机大型化的优点，为矿物分选创造了充分的分 选时间与空间。 1 ．2 给矿方式 筒式磁选机待分选物料的给人要求在筒体轴向 均匀给料，矿浆流速一般在0 ．5 ～1 ．1 m ／s e e 。给矿方式 有多种，如矿浆经历分配器后直接进入槽体的入料 端，该方法结构简单，适于小型设备的给料；配备分 体给矿箱，矿浆进入给矿箱前部，经内设溢流堰再进 入槽体，该方法适用于中等规格磁选机；也有用梯形 平面给料器，窄端人料，经由梯形平面内布置的分矿 板，扩展到磁选机的整个轴向长度，再进人磁选机槽 体，该方法布料均匀，适用于中小规格磁选机，缺点 是给料器占地面积大，不适于大型磁选机应用。 超大型磁选机，分选磁筒轴向长度为4 5 0 0 r a m ， 均匀布料的难度较大。必须设计一种独特的给料装 置。笔者认为，可以在常规分体给料箱的基础上进行 创新。我们知道，如果在一段封闭的管道内充满矿 浆，再开一长缝排料，则当管道水平放置时，矿浆会 在缝隙的整个长度排出，因此，只要根据矿浆处理量 计算出采用合适的矿浆管道规格及加工合理的管道 缝隙，就能够实现轴向4 5 0 0 m m 的均布矿浆流，将它 与分体给矿箱合理地结合起来，就可以解决均匀布 料的难题。 1 ．3 槽体结构 槽体是矿浆进行分选的容器，对于大型设备而 言，由于磁包角大，矿物分选带长，故不管设计顺流 型、逆流型还是半逆流型槽体，都必须设计成高液位 槽体，使矿浆在槽体内有充分的时间和空间进行分 选。为适应矿浆流的波动变化，还应将液位设计成可 控型，即可根据矿石性质、矿浆流速、处理量、矿浆浓 度等因素，调整矿浆液位高度，以获得满意的分选效 果。 在高液位隋况下，引导粗颗粒脉石预先排出槽 体是必不可少的，否则将引起矿浆沉槽、堵塞而失去 分选作用，显然，设计槽体的排粗装置是必要的，使 粗颗粒物料尚未到达尾矿溢流堰时就排出槽体。 槽体给料区折射板的应用可使矿浆一进入槽体 便被导向槽体分选区，磁性颗粒在有一定初速的情 况下，直接被简体磁场区吸引，减少颗粒吸引路程所 需时间，提高分选效率。 在精矿排出区，隔磁装置的设计是有利的。尽管 在精矿排出区的磁场已经大大减弱，但磁力线仍能 穿过精矿排出堰板，这部分磁场的存在，将吸引已排 到精矿堰板的磁性物料，使其不易落人精矿箱，造成 精矿堵塞或精矿损失，对于大型设备而言，这点显得 尤为重要。 完善的槽体结构设计必须与筒体的磁系设计相 匹配，即矿浆的分选区、精矿输送区、精矿排出区要 与筒体上的三个区域相对应，稍有偏差，便会影响设 备的选别指标或回收效果，大型设备的设计更应引 起重视。 1 ．4 筒体机械强度 筒体内装配永磁磁系，筒体表面用于吸引和输 送磁性产品，圆柱形筒体受到矿浆的冲击力及磁性 产品的压力和摩擦力。筒体可以看作薄壁筒，其表面 承受的额定平均表面压强是根据圆周力与轴向长度 的比值来确定的，因此，可以通过验算滚筒直径来确 定滚筒的承载能力。 滚筒直径D 的验算公式为 n 一 2 E ”一西[ 盯] B 式中，【盯卜滚筒表面许用压强，M P a ； R 一圆周力，N ； 西一磁系包角，o ； 曰一滚筒轴向长度，m i l l 筒体的扭转变形与扭转剪应力很小，可以忽略， 在设计筒体时，一般不必考虑扭矩对简体的作用。 但筒体必须校核弯曲变形及弯曲应力。由材料 力学中薄壁圆筒的计算公式验算其挠度和强度[ 2 1 。 薄壁圆筒最大弯曲变形公式 挠度 榭．0 6 7 鲁[ 丽惫可 i q 6 t 霞K 万】 滚筒最大弯曲应力计算公式 弘等[ 击 虿Q 面 万K 1 式中 R 厂_ 简体平均半径，e m ； 万方数据 3 4 有色金属 选矿部分 2 0 0 6 年第5 期 一简体壁厚，c m ； E 一材料弹性模量，G P a ； 肛简体轴向长度，6 m ； 膨一筒体允许最大扭矩，k N m ； Q 一筒体允许最大干矿处理量，1 0 3 k g ／h ； 秽一筒体线速度，c m ／s e c ； j 卜磁力系数； K 广筒体利用系数； 旷筒体与磁性物料摩擦系数； 卜板梁的弹性变形系数 J k - { V ／必R 0 2 h 2 其中，t 广泊松比 通过计算，分别得到A 及o r ，与队】及H 比较，检 验筒体的安全与否。这样，就可以设计超大型设备的 筒体部件。 1 ．5 轴的设计 轴是组成磁筒的重要零件之一，它用来安装筒 体及传动套，使筒体绕其轴线转动，传动套传递转 矩，并通过轴承与机架相连接；产生磁场的磁系部件 也固定在轴上，这样就形成了轴系部件，在轴的设计 时，不能只考虑轴本身，必须和轴系零部件的整个结 构密切联系起来。 本轴只支撑旋转机件而不传递转矩，即只承受 弯矩作用，在结构上受力合理，选择优质碳素结构 钢，如4 5 号钢即可。然后，通过设计计算来确定其直 径，保证轴的足够强度 静强度和疲劳强度 、必要的 刚度，并应使零件在轴上的定位可靠，装配适当和方 便等。在进行轴的结构设计时，应尽量避免或减少应 力集中，采用提高强度的结构措施；为了节约材料， 减轻重量，尽量采用等强度外形尺寸或大的截面系 数的截面形状翻。通过以上各种措施，超大型设备可 以获得满意的轴系部件。 2 关于设备的工艺参数确定 2 ．1 圆筒转速 由于筒径增大，随圆筒旋转，矿粒在圆筒上受到 的离心力增大很多，有一部分磁性较弱的连生体或 细粒磁性颗粒，由于受磁场吸引力小而被抛进尾矿； 而在低简体转速中，筒体对精矿的拖曳力小，因而， 磁选机的排矿能力降低，在排矿间隙下部的精矿密 度增加，在较高的给矿速率下，磁铁矿损失量将增 加。为得到好的分选指标，根据矿物性质等条件，可 以设定特定的筒体线速度。通常，筒式磁选机的线速 度为1 ．0 ～1 ．3 m ／s e c ，对于 1 5 0 0 m m 磁选机，可以将 线速度设计为1 ．1 ～1 ．2 m ／s e c ，这时圆筒转速为1 3 ～ 1 5 r ／m i n 。 2 ．2 磁偏角调整 磁偏角是指磁系中心线偏离筒体铅垂线的角 度，一般是向精矿排出口偏离。调节磁偏角的目的在 于既保证在尾矿排出口附近保持一定磁场，防止磁 性颗粒流失，还要使已经吸附在筒体表面的磁性颗 割I 顷利输送到精矿排出口，以利于精矿的收集。在生 产实践中，应进行磁偏角的条件试验，以确定磁偏角 的调整度数。 2 ．3 工作间隙 工作问隙是指圆筒下表面与槽体分选区底面之 间的距离，工作间隙大小是影响设备处理能力和选 别指标的一个重要因素，在设计磁场深度允许的情 况下，应适当增加工作间隙，以增加设备的处理能 力，对超大型磁选设备的磁场设计将可满足工作间 隙8 0 。l1 0 m m 的选别需求，可在工艺条件试验中最 终确定其最佳工作间隙。 2 ．4 排矿间隙 对于超大型磁选设备，给矿量及给矿速率的增 加，使磁选机的排矿负荷增加，在排矿区停留的时间 减少，不仅导致排矿时间缩短，而且导致排矿间隙下 部的积存量加大，堆积的磁铁矿将在距排矿间隙稍 远的地方被吸住，而此处的磁场强度与磁场梯度却 小，磁铁矿容易损失到尾矿中去，因此，排矿间隙应 视给矿及排矿的速率来调整。 2 ．5 生产能力 设备生产能力与设备的设计尺寸，特别是工作 间隙及有效磁系长度有密切关系，除此之外，其体积 生产能力还与给矿浓度、干矿量、干矿真比重等因素 有关。 假如按照设计，为保证在体积处理能力6 0 0 m 3 ／h 时的分选指标，应验算矿浆经过工作间隙时的流动 速度。矿浆流速与分选指标有极密切的关系。对于大 筒径磁选机，矿浆流速在0 ．8 ～1 ．1 m ／s e c 时有较好分 选指标。 可以根据B V 卡尔马金提出的矿浆流速公式 进行验算 一k V ．r 1 也 “旷3 6 0 0 d a 1 一r 式中 ％经工作间隙时的矿浆流速，m ／s e e ； y 一体积处理量，m 油； 口一工作间隙高度，m ； 万方数据 2 0 0 6 年第5 期陈雷等超大型永磁筒式磁选机的探索性研究3 5 z 一工作区轴向有效长度，m ； r 矿浆密度，g e m 3 ； k 一矿浆浓度，％； a 一千矿的真比重，g ／m 如果移。的计算结果超过额定矿浆流速，则应减 小设备处理能力，当小于额定矿浆流速，才能取得好 的分选指标。 3 结语 1 ．在湿式永磁筒式磁选机大型化的研究中，把 筒径扩大到1 5 0 0 r a m 是合理的，筒径增大后，除了可 加长分选区、提高处理能力外，还由于分选区轮廓已 趋于平缓，矿浆在分选区中的流动条件也相应变好， 最适于大处理量的应用领域。 2 ．在增大磁选机筒径和使设备大型化的同时， 改进磁路设计，实现分选区有较深的磁场和较大的 磁力是重要的，采用有效的给料装置，稳定的机械结 构，可以确保大型磁选机运转的可靠稳定，更易维 修。 3 ．选择合理的工艺参数，使设备运转和分选指 标达到最佳化将有利于选矿厂节能降耗，降低选矿 成本，提高选矿厂劳动生产率，创造更好的经济效 益。 参考文献 [ 1 ] 谢广元，选矿学[ M ] ．徐州中国矿业大学出版社，2 0 0 1 [ 2 ] 刘鸿文，材料力学[ M ] ．北京高等教育出版社，2 0 0 4 ． [ 3 ] 邱宣怀，机械设计[ M ] ．北京高等教育出版社，1 9 9 6 ， T H EE X P L o R A T o R Y 斟V E S T I G A T I o NO FS U P E RS I Z E DP E R ⅣU 悯N T D R I I Mm G N E T I CS E P A R A T I o N C l t F , Nk S H IP e i w e P ，，T A ND 以W A N G Q i n g h LL I UX i m i n s 1 ．B e i f 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 g ＆M e t a l l u r g y , B e i j i n g10 0 0 4 4 , C h i n a ； 2 ．A n s h a nM i n i n gC o , A n s h a nL i a o n i n g11 4 0 3 1 ，C h i n a ； 3 ．B a o t o uI r o n ＆S t e e l G r o u p C o , B a o t o uN e i m e n g g u0 1 4 0 10 , C h i n a A B S ’I ’R A C ．I ’ T h r o u g ht h ee x p l o r a t o r yi n v e s t i g a t i o ni nm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，m a g n e t i cs y s t e md e s i g n i n g ，t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r o fs u p e rs i z e dm a g n e t i cp l a n t ，t h ea u t h o r sd r a wt h ec o n c l u s i o nt h a t t h e d e v e l o p m e n t o f 0 1 5 0 0 m mx 4 5 0 0 m mp e r m a n e n td r u mm a g n e t i cs e p a r a t i o ni s p r a c t i c a b l e ，w h i c hp e r f o r m a n c ep r e c e d e t h e m 1 2 0 0 m m x 3 0 0 0 m mp e r m a n e n td r u mm a g n e t i cs e p a r a t i o na p p l i e da th o m ea n da b r o a da tp r e s e n t ，a n dt h e r e s e a r c hs u c c e s s i o nw i l lp r o m o t i n gt h em a c r o - s c a l eo p e r a t i o n st e c h n o l o g ya n dc r e a t i n gm o r ee c o n o m i ca n d s o c i a lb e n e f i t ． K E YW O R D S p e r m a n e n td r u mm a g n e t i cs e p a r a t i o n ；w e ts e p a r a t i o n ；m a c r o - s c a l eo p e r a t i o n s t e c h n o l o g yr e s e a r c h 万方数据