溢流型磁力旋流器径向磁场分析.pdf

第3 3 卷第5 期 2 0 1 3 年1 0 月 矿冶工程 M I N I N GA N D ⅧT A L L U R G I C A LE N G n 忸E R Ⅱ呵G V 0 1 ．3 3N 0 5 O c t o b e r2 0 l3 溢流型磁力旋流器径向磁场分析① 郭娜娜1 ，李茂林1 ’2 ，崔瑞1 ，郑霞裕1 ，颜亚梅1 ，张仁丙1 1 ．武汉科技大学冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北武汉4 3 0 0 8 1 ；2 ．长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙4 1 0 0 1 2 摘要设计了一种改善反富集溢流型磁力旋流器，通过外加磁场，增加指向旋流器中心的磁场力，使得高密度磁性矿物向旋流器 中心运动而不是向底流运动。通过理论推导确定了磁性颗粒向中心运动的磁场条件，通过A N S Y S 模拟软件和o r i g i n 数据处理软件 分析了溢流型磁力旋流器的径向磁场，分析结果表明柱体空间中r ，2 r 。区域，磁场力指向中心，且在r 2 r 。圆柱面上径向磁场强 度日和径向磁场力H g r a d t t 达到极大值；上锥体空间由于中心导磁棒的作用，磁场力方向均指向中心，径向磁场强度日在r o ．4 8 r o 圆柱面上达到最大，径向磁场力H g r a d H 在靠近最大切线速度轨迹面处达到最大值。 关键词磁力旋流器；溢流；径向磁场力；切向速度；磁场强度 中图分类号T D 4 5 5 文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 5 ．0 1 5 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 5 - 0 0 5 9 0 4 A n a l y s i so fR a d i a lM a g n e t i cF i e l do fO v e r f l o wM a g n e t i cC y c l o n e G U ON a n a l ，L IM a o l i n l ，2 ，C U IR u i l ，Z H E N GX i a y u l ，Y A NY a m e i l ，Z H A N GR e n ．b i n g 1 ．K e yL a b o r a t o r yo fE f f i c i e n tU t i l i z a t i o no fM e t a l l u r g i c a lM i n e r a lR e s o u r c e sa n dA g g l o m e r a t i o no fH u b e iP r o v i n c e ，W u h a n U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 81 ，H u b e i ，C h i n a ；2 ．C h a n g s h aR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n d M e t a l l u r g yC oL t d ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t A no v e r f l o wm a g n e t i cc l o n ed e s i g n e dt oi n t e n s i f yc e n t r i p e t a lm a g n e t i cf o r c eb ya na d d i t i o n a le x t e r n a lm a g n e t i c f i e l d ，r e s u l t i n gi nm a g n e t i cm i n e r a lp a r t i c l e sw i t hh i g hd e n s i t ym o v i n gt o w a r d st h ec e n t e ro ft h ec y c l o n er a t h e rt h a nt h e u n d e r f l o w ，c a ns o l v et h ed e r i c h m e n tp r o b l e m ．T h em a g n e t i cf i e l dp a r a m e t e r s t oe n s u r et h ec e n t r i p e t a lm o v e m e n to f m a g n e t i cp a r t i c l e sw e r ed e t e r m i n e db yt h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na n dt h er a d i a lm a g n e t i cf i e l dc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo v e r f l o w m a g n e t i cc y c l o n ew e r ea n a l y z e dw i t hA N S Y Sa n dO R I G I N ．R e s u l t ss h o wt h a t ，w i t h i nt h ec o l u m ns p a c ew h e r er ≥2 r 。， t h em a g n e t i cf o r c ep o i n t st ot h ec e n t e r ，a l s ob o t ht h er a d i a lm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t hHa n dm a g n e t i cf o r c eH g r a d Hr e a c h t h em a x i m u ma tt h es u r f a c eo fc y l i n d e rw i t hr 2 r o ．O w i n gt ot h ee f f e c to fm a g n e t i cb a rl o c a t e da tt h ec y c l o n ec e n t e r ，t h e m a g n e t i cf o r c ew i t h i nt h eu p p e rv e r t e b r a ls p a c ep o i n t st o t h ec e n t e ra n dHr e a c h e st h em a x i m u ma tt h es u f f a c ew i t h c y l i n d e rw i t hr 0 ．4 8 r 。，w h i l eH g r a d Hr e a c h e st h em a x i m u mv a l u en e a rt h et r a j e c t o r ys u r f a c ew i t ht h em a x i m u m t a n g e n t i a lv e l o c i t y ． K e yw o r d s m a g n e t i cc y c l o n e ；o v e r f l o w ；r a d i a lm a g n e t i cf o r c e ；t a n g e n t i a lv e l o c i t y ；m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y 磁力旋流器是一种在普通水力旋流器力场里增加 了磁力的设备，磁力的方向有与离心力一致的，有指向 水力旋流器按等降关系实现分级，这种等降现象 使得溢流中混有大直径、低密度的颗粒，沉砂中混有小 中心的，也有与离心力垂直的m3 | 。磁力方向不同用 直径、大密度的颗粒‘7 圳。在广泛使用的铁矿磨矿分 途不同，磁力方向与离心力一致的磁力旋流器用于含级回路中，这一缺陷导致了①已经单体解离了的部 磁性颗粒的矿浆脱涮4 I 、脱水作业‘引；磁力方向指向 分细颗粒铁矿物由于密度大进入沉砂，返回磨机再磨， 中心的磁力旋流器能使高密度的单体磁性颗粒进入溢 流区 问题 ，可以解决磨矿分级过程中水力旋流器的反富集 既浪费了能量，又造成了不必要的过磨㈨；②铁品位 低的粗颗粒贫连生体由于密度低，进入溢流，直接送入 ㈣，该类型旋流器称为溢流型磁力旋流器；磁力下段的磁选作业，这些颗粒进入精矿产品势必降低精 与离心力垂直的磁力旋流器用于重介质选别作业。矿品位，进入尾矿则降低铁的回收率‘m 1 。所以研制用 ①收稿日期2 0 1 3 0 4 1 4 作者简介郭娜娜 1 9 8 8 一 ，女，甘肃庆阳人，硕士研究生，主要研究方向为分级设备的研发及应用。 通讯作者李茂林 1 9 6 3 一 ，男，湖南长沙人，教授，博士研究生导师，主要从事磨矿、分级设备及工艺研究工作。 万方数据 6 0 矿冶工程第3 3 卷 于铁矿分级的溢流型磁力旋流器非常有必要。 1 溢流型磁力旋流器的设计 为了改善水力旋流器的反富集问题，设计了一种 溢流型磁力旋流器。溢流型磁力旋流器由4 根绕有线 圈的U 形铁芯、中心导磁棒、溢流管、给矿段、柱体、上 锥体、下锥体和沉砂嘴组成，铁芯呈十字形连接在溢流 管和柱体外壁，中心导磁棒通过连接翅片焊接在溢流 管底部。给矿段、下锥体和沉砂嘴采用不导磁材料，其 他均采用导磁材料。柱体和上锥体作为外磁极，溢流 管和中心导磁棒作为内磁极1 | ，外磁极、内磁极和铁 芯构成闭合磁路，给四个线圈通产生磁通一致的电流 时，在柱体和上锥体空间可形成指向中心的磁场。中 心导磁棒是溢流型磁力旋流器的关键部位，对扩大磁 场范围起到非常重要的作用。溢流型磁力旋流器的设 计构思如图1 所示。 图1溢流型磁力旋流器设计构思 2 溢流型磁力旋流器中颗粒平衡粒径分析 用于铁矿分级的溢流型磁力旋流器的磁场力指向 旋流器中心，磁性颗粒受到这个磁场力的作用向中心 运动，粒度合格的磁性颗粒在磁力、离心力和径向阻力 等径向力的共同作用下进入溢流。 非磁性颗粒在溢流型磁力旋流器径向上受到两个 力，即离心力F 离和径向阻力F 阻，当这两个力平衡时， 被分离的非磁性颗粒沿径向的粒度分布为2 I d l 者‰ ㈩ 2 丽赢 q 式中d ，为非磁性颗粒直径；s 为阻力系数；U ，．为非磁 性颗粒的径向速度；p 。为矿浆密度；r 为半径 颗粒距 离旋流器中心的瞬时距离 ；∽为切向速度；占。为非磁 性颗粒的密度。 磁性颗粒在溢流型磁力旋流器的径向上受到3 个 力，分别是离心力F 离、径向阻力F 阻和磁力‰2 | ，当 F 离 F 磁 F 阻时，被分离的磁性颗粒沿径向的粒度分布为 d ． 竺丝兰 f 2 、． 二二一r、 2 1 T [ 6 2 一P 。 玑2 6 2 p o Y 咤r a d 月，] 、7 式中d 为磁性颗粒直径；U ，为磁性颗粒的径向速度； 6 为磁性颗粒的密度；p 。为真空磁导率；疋为比磁化 率；日为径向磁场强度；铲a d H 为径向磁场梯度。 溢流型磁力旋流器的目的是为了克服普通水力旋 流器中按密度和粒度差分级引起的等降现象，通过外 加磁力使颗粒尽可能完全按粒度大小来分级，也就是 说粒度相同的大密度磁性颗粒和小密度非磁性颗粒在 同一旋转半径处沉降速度以， U r ．，同一旋转半径处非 磁性颗粒的粒度d ，与磁性颗粒的粒度d 相等。由式 1 和 2 得 6 8 U ，．2 p 。r6 F ．U r ，2 p 。r 订 占l P 。 ∽21 T [ 6 2 一P 。 阢2 6 2 肛0 ] I f 日g r a d 月r r ] 3 由式 3 可得到铁矿完全按粒度分级时溢流型磁力旋 流器所需的径向磁场力H g r a d H H g r a d H - 警熹 ㈩孚乇 4 公式 4 表明溢流型磁力旋流器中磁场力H g r a d H 与半径r 成反比，与U 。2 成正比，而旋流器大部分区域 的切向速度配随着半径r 的减小而先增大后减 小3 | ，由此可确定溢流型磁力旋流器的磁场力分布特 性应符合径向磁场力H g r a d H 随着半径r 的减小而先 增大后减小，在最大切线速度轨迹面 r r 。，r 。为溢 流管半径 上所需的径向磁场力H g r a d H 最大。 3 溢流型磁力旋流器的磁场分析 3 ．1 有限元模型的建立 采用A N S Y S 软件对溢流型磁力旋流器的磁场进行 模拟。建立的实体模型见图2 ，模型中的媒质有空气、旋 流器给矿段、内外磁极、铁芯和励磁线圈。空气、给矿 段、内外磁极和铁芯的单元类型为S O L I D 9 6 ，励磁线圈 的单元类型为S O U R C 3 6 。空气和给矿段相对导磁率为 0 ，磁极的相对导磁率设为l0 0 0 ，铁芯的相对导磁率设 为1 0 0 0 0 。内外磁极、铁芯和励磁线圈构成磁系，定义 Z 0 ，Y 0 ，X 0 处为旋流器顶壁中心，插人旋流器的溢 流管深度为1 5 9r n l n ，溢流管内径d 。 2 6m n l ，溢流管外 径d ， 4 0l n ／n ，中心导磁棒的半径r 4n l n l ，中心导磁棒 的下端在z 3 1 4m m 处，每个线圈的I V ／ 70 0 0 安匝 数 ，磁系加载后的有限元模型如图3 所示。 万方数据 第5 期郭娜娜等溢流型磁力旋流器径向磁场分析 图2 实体模型 图3 磁系加载后的有限元模型 3 ．2 模拟结果 对建立的有限元模型进行求解得到模拟结果，图 4 为磁场强度日s 。。矢量图。图5 为径向磁场强度日分 布云图 图4 磁场强度H s 。．矢量图 图5 径向磁场强度H 分布云图 由模拟结果可看出溢流型磁力旋流器产生的磁场 深入到锥体部分，磁场范围较大。溢流型磁力旋流器 的径向磁场强度日随着半径r 的减小而呈先增大后减 小的趋势，柱体空间不同高度截面上最大径向磁场强 度日几乎在同一圆柱面上，上锥体空间不同高度截面 上最大径向磁场强度日也几乎在同一圆柱面上。 3 _ 3 结果分析 3 ．3 ．1柱体空间磁场强度、磁场力分布分析径向磁 场梯度g r a d H d H ／d X ，将模拟的径向磁场强度日结果 通过o r i g i n 软件求导处理，得到径向磁场梯度g r a d H 。 根据A N S Y S 模拟结果和o r i g i n 求导结果，计算径向磁 场力H g r a d H 。图6 是Z 1 5 0m m 平面上分离区域径 向磁场强度H 和径向磁场力H g r a d H 的路径图 图中 横坐标距离s 。是指柱体空间分离区域内某一点距溢 流管外壁的距离 。 2 ．5 0 X 1 0 5 2 ．2 5 1 0 5 E 2 ．0 0 1 0 5 吾1 ．7 5 x 1 0 5 巡1 ．蜘x 1 0 5 释 喀1 ．2 5 1 0 5 帮 ．匡1 ．0 0 1 0 5 挝 7 ．5 0 1 0 | 5 ．∞1 0 ． 距离S i I m m 图6 Z 1 5 0m m 平面上H 和H g r a d H 的路径图 箸 丢 吾 景 鲁 R 枣 挺 足 娆 从图6 可看出，柱体空间的最大径向磁场强度日 在S ． 6 一处，即柱体空间的最大径向磁场强度日 在r 2 r 。圆柱面上。J s 。 6m m 时径向磁场力H g r a d H 的方向与离心力一致，磁性颗粒在0 S ， 6m m 时径向磁场力H g r a d H 指向旋 万方数据 矿冶工程 第3 3 卷 流器中心，径向磁场力H g r a d H 在S ， 6m m 处达到最 大，即柱体空间的有效磁场在r ≥2 r 0 区域，在r 2 r 。圆 柱面上径向磁场力H g r a d H 达到极值 注本文的有效 磁场是指径向磁场力方向指向旋流器中心的磁场 。 3 ．3 ．2 上锥体空间磁场强度、磁场力分布分析将 A N S Y S 软件模拟出的上锥体空间的径向磁场强度日 结果求导得到径向磁场梯度g r a d H ，从而计算出径向 磁场力H 铲a d H ，图7 是Z 2 1 5I B m 平面上分离区域径 向磁场强度日和径向磁场力H g r a d H 的路径图 图中 横坐标距离S 是指上锥体空间分离区域内某一点距 中心导磁棒外壁的距离 。 ， 昌 i ∑ 毫 趟 释 曝 糖 尽 娆 4 ．0 X l i P 2 ．0 1 0 ． 1 0 n 1 0 n X 1 0 ” 1 0 n X 1 0 u 1 0 1 2 1 0 t z 1 0 1 2 X 1 0 “ 1 0 n 1 0 1 2 管 H 。 要 毫 暑 鲁 R 辫 攫 匠 蹬 距离墨／m m 图7Z 2 1 5m m 平面上分离区域H 和H g r a d H 的路径图 从图7 可见，上锥体空间由于导磁棒的作用，形成 了磁场强度指向中心的磁场，最大径向磁场强度H 在 S 2 ．3m m 处，即上锥体空间的径向磁场强度日在 r 0 ．4 8 r 。圆柱面上达到最大。S 2 ．3m m 时径向磁场 力H 铲a d H 方向与离心力一致，则磁性颗粒在r 6 ．3 m m 时受到的F 磁指向旋流器壁，阻碍磁性颗粒进入溢 流中，但是分离过程中旋流器内会形成空气柱，空气柱 半径L 与r 0 成线性关系，在忽略轴向流动的条件下 L 0 ．6 r 。[ 1 4 。16 | ，因此r 6 ．3m m 区域对磁性颗粒的分级 影响可忽略。2 ．3m m 、 S ≤4 0m m 区域内上锥体空间 的径向磁场力H g r a d H 指向旋流器中心，H g r a d H 随着 5 的减小呈先增大后减小趋势，在S 4 ．6m m 面上最 大，即上锥体空间的磁场几乎全部为有效磁场，径向磁 场力H g r a d H 在靠近最大切线速度轨迹面处达到最 大值。 4 结论 设计了一种用于克服反富集的溢流型磁力旋流 器，外加磁场的磁场力指向中心，可以克服磁性颗粒由 于密度高进入底流的趋势，通过数学推导和软件分析， 得到如下结论 1 铁矿完全按粒度分级时溢流型磁力旋流器所 8 ．一6 ．U ．z 需径向磁场力H g r a d H 二了二，最大切线速度轨 D ，1 2 , 矾r ，， 迹面 r r 。 上所需H g r a d H 最大。 2 溢流型磁力旋流器产生的磁场深入到锥体部 分，磁场范围较大。 3 柱体空间中r ≥2 r 。区域，磁场力指向中心，在 r 2 r 。圆柱面上径向磁场强度H 和径向磁场力H g r a d H 达到极大值。上锥体空间磁场力方向指向中心，径向 磁场强度日在r 0 ．4 8 r 。圆柱面上达到最大，径向磁场 力H g r a d H 在靠近最大切线速度轨迹面处达到最 大值。 参考文献 [ 1 ] 褚良银，罗茜．磁力水力旋流器[ J ] ．中国矿业，1 9 9 3 ，2 4 7 2 7 4 ． [ 2 ] T p o a n x a f iBB ，H e c B e r o sBB ，茅志一．电磁水力旋流器工作的研 究[ J ] ．国外金属矿选矿，1 9 6 5 9 3 7 3 8 ． [ 3 ] S v o b o d aJ ，C o e t Z e eC ，C a m p b e l lQP ．E x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o ni n t o t h ea p p l i c a t i o no fa m a g n e t i cc y c l o n ef o rd e n s em e d i u ms e p a r a t i o n [ J ] ． M i nE n g ，1 9 9 8 ，1 1 6 5 0 1 5 0 9 ． [ 4 ]汤玉和，刘敏娉，尤罗夫I - 1 1 7 ．新型磁力水利旋流器的研究及其复 合立场的研究[ J ] ．广东有色金属学报，1 9 9 8 2 7 9 8 5 ． [ 5 ] P r e m a r a t n eWA P J ，R o w s o nNA ．D e v e l o p m e n to fam a g n e t i ch y d r o c y c l o n es e p a r a t i o nf o rt h er e c o v e r yo ft i t a n i u mf r o mb e a c hs a n d s [ J ] ． P h y s i c a lS e p a r a t i o ni nS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，1 2 4 2 1 5 2 2 2 ． [ 6 ] F r i c k e rAG ．M a g n e t i ch y d m c y e l o n es e p a r a t o r [ J ] ．T r a n sI n s t nM i n M e t a l lS e c tC M i n e r a lP r o c e s sE x t rM e t a l l ，1 9 8 5 ，9 4 9 1 5 8 1 6 3 ． [ 7 ]庞学诗．水力旋流器理论与应用[ M ] ．长沙中南大学出版社， 2 0 0 5 ． [ 8 ]王升贵，陈文梅，褚良银，等．水力旋流器分离理论的研究与发展 趋势[ J ] ．流体机械，2 0 0 5 ，3 3 7 3 6 4 0 ． [ 9 ]彭长发，梅国生，李观英，等．M V S 高频振网筛在铁选厂再磨工艺 中的应用效果[ c ] ∥2 0 0 5 年全国选矿高效节能技术及设备学术 研讨与成果推广交流会论文集，2 0 0 5 3 4 8 3 5 0 ． [ 1 0 ]余永富．我国铁矿山发展动向、选矿技术发展现状及存在的问题 [ J ] ．矿冶工程，2 0 0 6 ，2 6 1 2 1 2 5 ． [ 11 ]G a n gS h e n ，F i n c hJA ．T h e o r e t i c a lA n a l y s i so fM u h i p o l eM a g n e t i c H y d r o c y c l o n e s [ J ] ．C a n a d i a nM e t a l l u r g i c a lQ u a r t e r l y ，1 9 9 0 3 1 7 1 1 7 6 ． [ 1 2 ]刘啸时，张曾科．选矿过程中水力旋流器溢流粒度分布软测量研 究[ J ] ．矿冶，2 0 0 5 ，1 4 1 7 4 7 7 ． [ 1 3 ]任连城，梁政，周秋沙．水力旋流器内部流体切向速度研究 [ J ] ．过滤与分离，2 0 0 8 ，1 8 2 1 5 - 1 8 ． [ 1 4 ] F o n t e i nFJ ．T h ei n f l u e n to fs o m ev a r i a b l e su p o nh y d r o c y c l o n ep e r - f o r m a n c e [ J ] ．B r i tC h e mE n g i n g ，1 9 6 2 7 4 1 0 4 2 1 ． [ 1 5 ]徐继润，罗茜．水力旋流器流场理论[ M ] ．北京科学出版社， 1 9 9 8 ． [ 1 6 ] 苗青，袁惠新，王跃进．水力旋流器内空气柱直径的研究[ J ] ． 金属矿山，2 0 0 4 6 3 3 - 3 5 ． 8 6 4 2 0 0 O l l 1 l l 8 6 万方数据