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硕士学位论文硕士学位论文 中文题目导流板形状对干式磁选机分选品位的影响中文题目导流板形状对干式磁选机分选品位的影响 英文题目英文题目Influence of deflector shape on the grade of dry magnetic separator 学位类学位类别别工程硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名孔令辉学号学号2018022161 学学科科领领域域名名称称机械工程 指导教指导教师师汪建新职称职称教授 2020 年 5 月 20 日 分类号分类号TD457TD457密密级级公开公开 U D C 学校代码学校代码1012710127 万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘要要 钢铁广泛应用于我们日常生活中的各个行业， 我国作为世界上最大的发展中 国家，未来对于钢铁的需求是刚性的。虽然我国的铁矿资源储量丰富，但是在开 采铁矿石的过程中，由于综合利用技术的欠缺，工艺水平相对比较落后，对生态 环境造成了很大的破坏。在众多的选矿工艺中，传统的选矿工艺为湿式磁选，但 是湿式磁选的弊端是过于依赖水资源，耗能比较大。而干式磁选对铁矿石的利用 率高，又不需要大量的水资源，因此对生态环境的破坏也比较小，非常契合内蒙 古这样的内陆地区。本文主要从理论分析、模拟仿真和实验验证三个阶段研究导 流板形状对干式磁选机分选品位的影响， 为磁选机的优化设计提供了一定的参考 价值。主要研究工作如下 其一，为了确定最佳导流板的形状，通过有限元仿真软件 COMSOL Multiphysics 对波浪形导流板分选腔、弓形导流板分选腔和 C 形导流板分选腔中 磁性和非磁性颗粒运动情况进行了仿真分析，在 COMSOL Multiphysics 中对磁 场和流场进行耦合，首先分析导流板形状对分选腔内部流场的影响，然后分别添 加四种不同粒级的粒子进行仿真分析，得出以下结论在磁场强度为 220mT， 通入风速为 25m/s 的强风时， 波浪形导流板分选腔和弓形导流板分选腔中因为湍 流的形成，使得大量的弱磁性颗粒与分选腔壁面发生了碰撞，大大增加了弱磁性 颗粒和磁辊的接触机会，在 C 形导流板分选腔内弱磁性颗粒没有与磁辊再次接 触，因此波浪形导流板和弓形导流板的分选效果要好于 C 形导流板。 其二，为了验证前面的仿真结果，用课题组所设计的新型三级干式磁选机进 行实验。分别用粒级大小为 1mm、2mm、3mm 和 4mm 的原矿物料进行多次实 验，对同一粒级的原矿物料进行多次实验，整理多次实验数据进行对比，取其中 最具代表性的实验结果绘成折线图，得出以下结论在 90r/min140r/min 的磁 辊转速范围内， 磁场强度为 220mT， 通入 25m/s 的强风时， 随着磁辊转速的增加， 最终精矿中磁性铁品位也会增加；在其他参数不变的前提下，带波浪形导流板的 磁选机最终精矿中磁性铁的品位最高；带 C 形导流板的磁选机最终精矿中磁性 铁品位次之；不带导流板的磁选机最终精矿中磁性铁品位最低，得到干式磁选机 理想导流板形状为波浪形，验证了前面的仿真结果。 该研究可为干式磁选机导流板的选择和提高干式磁选机的分选品位提供一 定的参考价值，希望通过本文的仿真研究和实验分析，得出的结论能逐步应用在 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II 内蒙古乃至全国符合工况条件的矿区，为提高铁精粉的产量提供新的方向。 关键词关键词干式磁选机；导流板形状；分选品位；COMSOL Multiphysics 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III AbstractAbstract Steel is widely used in various industries in our daily life. As the worlds largest developing country, my countrys future demand for steel is rigid. Although my countrys iron ore resources are abundant, in the process of mining iron ore, due to the lack of comprehensive utilization technology, the technology level is relatively backward, which has caused great damage to the ecological environment. Among the many beneficiation processes, the traditional beneficiation process is wet magnetic separation, but the disadvantage of wet magnetic separation is that it is too dependent on water resources and consumes a lot of energy. The dry magnetic separation has a high utilization rate of iron ore and does not require a lot of water resources, so the damage to the ecological environment is relatively small, which is very suitable for inland areas such as Inner Mongolia. This article mainly studies the influence of the shape of the deflector on the separation grade of the dry magnetic separator from three stages theoretical analysis, simulation and experimental verification, which provides a certain reference value for the optimal design of the magnetic separator. The main research work is as follows Firstly, in order to determine the shape of the optimal deflector, the finite element simulation software COMSOL Multiphysics was used to select the magnetic and non Simulation and analysis of the magnetic trajectory of the magnetic particles. First, the magnetic field and flow field were coupled in COMSOL Multiphysics to analyze the influence of the shape of the deflector on the flow field inside the sorting cavity. , Draw the following conclusions when the magnetic field strength is 220mT and the strong wind with a wind speed of 25m / s is passed, a large number of weak magnetic particles are ed in the wave-shaped deflector and bow-shaped deflectors due to the ation of turbulence A collision with the wall surface of the sorting chamber greatly increases the chance of contact between the weak magnetic particles and the magnetic roller. In the C-shaped baffle, the weak magnetic particles 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 IV do not come into contact with the magnetic roller again, so the wave-shaped deflector and the bow shape The separation effect of the deflector is better than that of the C-shaped deflector. Secondly, in order to verify the previous simulation results, the experiment was conducted with a new three-stage dry magnetic separator designed by the research group. Multiple experiments were carried out with raw mineral materials with grain sizes of 1mm, 2mm, 3mm and 4mm respectively, and multiple experiments were conducted on raw mineral materials with the same grain size, and the experimental data were collated and compared to obtain the most representative experimental results. Draw a line chart and draw the following conclusions in the range of 90r / min-140r / min of the magnetic roller speed, the magnetic field strength is 220mT, when 25m / s of strong wind is passed, as the magnetic roller speed increases, the final concentrate The grade of medium magnetic iron will also increase; on the premise that other parameters remain unchanged, the grade of magnetic iron in the final concentrate of the magnetic separator with wavy guide plates is the highest; the final concentrate of the magnetic separator with C-shaped guide plates The grade of medium magnetic iron is second; the magnetic separator without deflector has the lowest magnetic iron grade in the final concentrate. The ideal shape of the deflector of the dry magnetic separator is wavy, which verifies the previous simulation results. This research can provide a certain reference value for the selection of the deflector of the dry magnetic separator and the improvement of the sorting quality of the dry magnetic separator. It is hoped that the conclusions drawn by this papers simulation research and experimental analysis can be gradually applied to Inner Mongolia. Even the mining areas that meet the working conditions nationwide provide a new direction for increasing the output of iron concentrate. K KeywordseywordsDry magnetic separator；Deflector shape；Sorting grade；COMSOL Multiphysics 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 目录 摘要.........................................................................................................................I Abstract........................................................................................................................ III 1 绪论............................................................................................................................1 1.1 课题研究背景和意义......................................................................................1 1.2 国内外磁选技术发展现状...............................................................................1 1.3 国内外磁选设备发展现状...............................................................................2 1.3.1 国内磁选设备发展现状..........................................................................3 1.3.2 国外磁选设备发展现状..........................................................................5 1.4 多相流的内容和发展.......................................................................................7 1.5 本文的主要研究内容.......................................................................................9 1.6 课题创新点.......................................................................................................9 2 磁学理论..................................................................................................................11 2.1 磁选理论.........................................................................................................11 2.2 磁场分类.........................................................................................................12 2.3 磁场相关物理量.............................................................................................13 2.4 本章小结.........................................................................................................14 3 流体力学理论..........................................................................................................15 3.1 流体力学知识.................................................................................................15 3.1.1 流体的物理性质...................................................................................15 3.1.2 几何特征及相关流动问题....................................................................16 3.1.3 层流和湍流...........................................................................................17 3.2 多相流体动力学............................................................................................18 3.2.1 多相流的研究方法...............................................................................19 3.2.2 气固两相流模型...................................................................................20 3.2.3 气固两相流描述方法...........................................................................21 3.2.4 气固两相流连续方程...........................................................................22 3.2.5 气固两相流动量方程...........................................................................23 3.2.6 气固两相流能量方程...........................................................................24 3.3 多物理场之间的耦合..............................................................................26 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 3.4 本章小结.........................................................................................................27 4 不同形状导流板分选腔中粒子运动数值模拟......................................................28 4.1 分选腔模型的建立和边界条件的施加........................................................28 4.1.1 不同形状导流板分选腔模型的建立...................................................29 4.1.2 边界条件的确定和施加.......................................................................31 4.1.3 分析选项和条件...................................................................................32 4.1.4 波浪形导流板和 C 形导流板分选腔内空气流线图对比..................33 4.2 波浪形导流板仿真结果.................................................................................34 4.2.1 波浪形导流板分选腔中粒子运动轨迹图...........................................34 4.2.2 波浪形导流板分选腔中流体速度图...................................................35 4.2.3 波浪形导流板分选腔中压强特性图...................................................36 4.3 弓形导流板仿真结果.....................................................................................37 4.3.1 弓形导流板分选腔中粒子运动轨迹图...............................................37 4.3.2 弓形导流板分选腔中流体速度图.......................................................39 4.3.3 弓形导流板分选腔中压强特性图.......................................................40 4.4 C 形导流板仿真结果......................................................................................40 4.4.1 C 形导流板分选腔中粒子运动轨迹图................................................40 4.4.2 C 形导流板分选腔中流体速度图........................................................42 4.4.3 C 形导流板分选腔中压强特性图........................................................43 4.5 本章小结........................................................................................................43 5 不同形状导流板实验结果分析..............................................................................45 5.1 实验过程........................................................................................................45 5.2 实验结果分析................................................................................................47 5.3 本章小结........................................................................................................48 结论与展望..................................................................................................................49 参考文献......................................................................................................................51 在学研究成果..............................................................................................................55 致谢......................................................................................................................56 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 1 绪论绪论 1.1 课题研究背景和课题研究背景和意义意义 包头地区是我国重要的铁矿产区，白云鄂博含有丰富的铁矿和稀土战略资 源。铁矿石在人们的日常生活中有很广泛的应用，但是铁矿石资源越来越少，包 头矿区可开采的铁矿石资源不够国家需要 [1]。铁矿石资源是我国重工业的基础资 源，虽然我国铁矿石含量多，同时我国每年消耗的铁矿石资源也处在世界前列。 但是由于现在的技术不成熟和开采困难，我国每年的铁矿石开采数量并不是很 多。因此要想使我国的经济进一步发展，就要解决铁矿石供应问题 [2]。 随着我国选矿行业的不断发展，选矿设备的性能和效率变得越来越重要。磁 选机作为选矿设备其中的一种，在铁矿石的分选中有举足轻重的地位。随着入选 铁矿石品位不断下降，最终分选出来的尾矿也越来越多，铁精粉数量越来越少， 这就导致选矿效率低下 [3]。矿山资源高效利用的途径之一就是提高铁精粉选矿技 术 [4]。 内蒙古自治区是我国的内陆地区，常年干旱少雨，水资源十分珍贵，而干式 磁选可以不需要水，对环境污染小，完美契合了自治区生态保护的要求。但是现 在整个自治区绝大多数的铁精粉采选厂都采用的是湿法分选工艺。 在铁精粉产量 相同的前提下，原矿的品位越低，所需开采的原矿量就越大，消耗的水也越多。 发展干式磁选工艺技术，对高效利用贫铁矿资源，节约水资源等具有重要意义。 课题组研制出了一台新型三级干式风磁选机， 导流板作为新型干式磁选机中 重要的组成部分，其与磁辊组成了理想的分选空间。在通风的条件下，添加导流 板有助于改善内部流场，提高风机风能利用率。装有不同形状导流板的磁选机的 分选品位是不同的，为了提高新型干式磁选机的分选品位，就需要选择合适形状 的导流板。 1.2国内外磁选技术发展现状国内外磁选技术发展现状 中国是第一个发现磁性现象的国家，早在公元 1000 年前就利用磁铁的极性 造出了指南针。在 17 和 18 世纪，人们开始尝试使用手持式永磁体从锡石和其他 稀有金属精矿中去除铁。 在 19 世纪末， 工业开始通过磁选对矿石进行分选。1890 年，湿式圆柱形磁选机出现在瑞典。为了磁性分离弱磁性矿物，美国开发了一种 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 用于封闭磁系统的强力磁带磁选机。后来苏联开发了带盘式的磁选机，其他国家 研制出鼓式的磁选机，但是它们的处理能力无法满足需求。大约在 1890 年， Ball-Nortony 成功研制出台直流电磁圆筒磁选设备 [5]。到 1955 年，几乎所有的磁 选机都是电磁的。 从 1955 年开始，随着永磁材料的成功研究和广泛应用，磁选机磁系统的材 料开始使用合金，然后逐渐使用铁氧体。近年来，随着稀土永磁体的问世，磁选 机的分选效率得到了大大提高。这种稀土永磁体具有很好的性能，制成的稀土永 磁磁选机具有优异的性能，它具有高处理能力，高表面磁场强度，较宽的分选粒 度范围和高处理能力。 1960 年代，琼斯型强磁磁选机首次在英国推出。其强大的处理能力是强磁 选机的重要进步。 高梯度磁选机是 1970 年代开发的一项磁选工艺，其优点是能有效回收具有 非常弱的磁性能和小颗粒的磁性矿石颗粒， 这就为氧化铁矿石分选提供了一种新 的方向。 1974 年，外国学者发表了关于永磁电路研究的第一篇文章，研究人员开始 注意到永磁体，并在 1989 年，第一台永磁磁钢作为磁性系统的圆筒式永磁磁选 机得以问世 [6]。 近几年来， 国内外关于磁选设备的研究主要向磁选装置的大型化， 通用设计， 控制方法的自动化和高梯度方面进行 [7,8]。 1.3国内外磁选设备发展现状国内外磁选设备发展现状 磁选设备的目的从字面上理解， 主要是把包含有磁性的材料和其他非磁性材 料分离。因此，磁选设备在不同的地方有着不同的区别首先，磁选机中磁场的 强弱不同，磁场弱的磁选装置叫弱磁场磁选机，磁场最强的磁选装置叫高梯度磁 选机，中间还有中磁场和高磁场的磁选机；二是按照磁性材料沉积的途径分类， 可以分为抽气式磁选机和吸注；三是按照磁场类型分类，可以分为磁场不发生变 化的磁选机、磁场可以偏转的磁选机、磁场交替变化的磁选机、磁场形式是脉动 的磁选机；第四，根据磁源分类，可分为永磁体，电磁体，超导磁体。第五，通 过磁性粒子在磁场中的运动， 可以分为磁性滚筒式磁选机和没有磁性翻滚的磁性 设备 [9]。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 1.3.1 国内磁选设备发展现状国内磁选设备发展现状 （1）弱磁场永磁磁选机 弱磁湿式磁选设备是采矿公司在强磁矿物和粗选粗精矿方面中使用的一种 磁选设备，主要用于分选磁铁矿、磁黄铁矿、菱镁矿、磁赤铁矿和硅铁等矿物。 马鞍山矿山研究所就是其中的代表， 它开发了由稀土钕铁硼和铁氧体永磁材 料组合在一起的可调复合磁系统，开发了1050 型永磁滚筒式磁选机，磁感应 强度在筒体外尾部的位置达到最强，筒的外表面连接有耐磨橡胶材料，减少机筒 磨损，提高磁性材料的分离效果，筒体外表面背景场强高，磁场作用深度大 [10]。 后来将此磁选机用于实际的生产应用，选矿效率、回收率和精矿品位都分别有了 显著的提高。 内蒙古包头钢选厂研制的 CBN1050mm4100mm 永磁磁选机 [11]，槽体特 殊构造使分选效果有了明显的提高。 考虑到重力，浮力和磁力等多种力对分选空间的影响，北京矿冶研究院开发 了一种新型的永磁磁选机，该磁选机使用了较大的分选空间和较大的磁转角。该 机在低磁场下粗选，在高磁场下扫选，大大提高了磁性矿物和非磁性矿物的分离 效率。 最近一段时间，为了响应国家的号召，保护环境，节约能源，以前广泛使用 的电磁感应磁选机已经被淘汰， 含有永磁材料的磁选机成为了新的最受欢迎的磁 选设备，永磁化日趋明显 [12]。超导技术在磁选设备上的应用主要体现在提高磁感 应强度上，降低能耗，提高效率。提高高岭土纯度的机器就是用超导技术研究制 成的 [13，14，15]。另外，计算机也提高了磁选机效率。简而言之，磁选设备的大规模 专业化和绿色化是磁选设备以后的发展方向。 （2）中磁场永磁磁选机 中永磁体磁选机是弱磁场和强磁场之间的磁选机。 主要用于提高磁铁矿的纯 度、除铁、去除非金属矿物和破碎矿物的回收，使用起来方便，结构也不复杂。 中等磁场强度永磁体磁选机具有代表性的是北京矿山冶金研究总院的挤压 式磁系，它在轴向上设计有交替的磁棒，以减少由于原矿在筒内分选时引起筒体 的发热现象，圆柱筒体表面最大背景场强为 0.75T。 ZC 和 NCT 系列磁选设备是马鞍山矿业研究院设计制成的， 该机器的磁系材 料有两种材料组成，分别是铁氧体和稀土汝铁硼。ZC 系列永磁筒式磁选机表面 背景磁场强度最低达到了 350mT，最高为 500mT，NCT 系列永磁筒式磁选机表 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 面背景磁场强度最低达到了 500mT,最高可达 800mT。 长沙矿业研究院设计制造了带有永磁体的中场磁选机 [16]， 该机器的尺寸大小 为1000mm2400mm。圆柱体外表面磁场的最大背景强度为 0.8T，这种机器的 进料粒度宽，磁堵塞的问题得到了解决。其中6001200mm 尺寸干式永磁体强 磁选机在分离粒径为 30 至 0.5mm 的矿石颗粒时性能表现优异。 吉林省矿山设备厂开发了 CTN1050mm2400mm 型中场强永磁磁选机， 该机是通过磁复合系统和附加磁系统开发的， 磁系统的主极是钕铁硼磁钢等永磁 材料，其中还添加有别的辅助磁极，圆柱筒体表面磁性材料场强为 450mT。吉 林 8272 工厂采用了一种由铁氧体和钌铁硼组成的开路多向中心磁系统，以开发 出一种强磁场永久磁中场分离器，在磁系统的外表面，磁场的分布比较均匀。值 得一提的是包头市新材料应用研究所也开发了一种使用高性能永磁材料 NdFeB 的 NTC 系列中场磁选机，这种机器已经广泛用于褐铁矿和赤铁矿的分离。 （3）强磁场永磁磁选机 强磁场磁选机的结构多样，一般为盘式，笼式等等，它在分选强磁性矿物方 面效果不明显，一般用来分选锰矿，褐铁矿。 长沙矿冶院在组装磁辊组件时使用了高质量的 DT4 材料，并为 CRIMM 系 列开发了一种永磁辊强磁选机，磁辊的技术数据为6001200mm，无级变速器 传动，转速最高为 600r/min，进料粒度要求最大为 20mm，磁辊表面背景磁场强 度可达 1.