立环磁选机磁场影响因素的几点论述_立环式磁选机计算
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高梯度磁选机磁场影响因素的几点论述
刘建义，陈宏武，周少川
（岳阳大力神电磁机械有限公司，湖南 岳阳 414100）
【摘要】本文主要概述了立环高梯度磁选机的构造、工作原理，以及影响磁场强度的三个主要因素：1.线圈安匝数 2.磁路及磁路材料 3.磁介质材料及结构。
关键词：背景场强；梯度场强；磁路结构及材料；线圈安匝数；磁介质材料及结构。
DLS系列立环高梯度磁选机是我公司（岳阳大力神电磁机械有限公司）结合国内外强磁磁选机的特点，自行研制开发的一种新型强磁磁选机。该系列产品是目前国内外性能最好、技术最先进的强磁磁选设备之一。该机采用转环立式旋转、反冲精矿，并配有高频振动机构，它具有富集比大、对给矿粒度、浓度和品位波动适应性强、工作可靠、操作维护方便等优点。同时适用范围广泛，既能对弱磁性矿物进行选矿，例如：赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿、钛铁矿、铬铁矿、黑钨矿、钽铌矿等；又能对非金属矿物进行除铁、提纯，例如：石英、长石、霞石、萤石、硅线石、锂辉石、高岭土等。
影响立环高梯度磁选机磁选效果的最主要因素是磁路结构、背景场强、梯度场强的大小及分布。背景磁场越大，吸附力就越大；背景场强越大，其在磁介质中所产生的梯度场强也越大，磁选效果就越好。如何提高背景磁场及梯度场强，就是我们现在要探讨的问题。根据立环磁选机及磁介质盒的结构和特点，我们研究下面几个因素对磁场的影响：1.线圈安匝数；2.磁路及其材料； 3.磁介质材料及结构。1.立环磁选机构造及工作原理 1.1设备构造
DLS磁选机主要由高频振动机构、转环、励磁线圈、上下铁轭及各种矿斗、供水装置等组成。
DLS立环高梯度磁选机结构图
1.高频振动机构 2.下铁轭 3.励磁线圈 4.转环 5.上铁轭 6.给矿斗 7.漂洗水斗 8.精矿斗 9.中矿斗 10.尾矿斗 11.液位箱 12.精矿冲洗装置 13.转环驱动机构 14.机架 F—给矿 W—清水 C—精矿 M—中矿 T—尾矿
1.2工作原理
转环内装有导磁不锈钢棒介质盒或不锈钢网磁介质堆。选矿时，转环作顺时针旋转，矿浆从给矿斗给入，沿上铁轭缝隙流经转环内圆周，磁介质在磁场中被磁化，表面形成高梯度磁场，矿浆中磁性颗粒被吸着在磁介质表面，转环转动时将其带至顶部无磁场区，被冲洗水冲入精矿斗中，非磁性颗粒经内圆周流至外圆周沿下铁轭缝隙流入尾矿斗中排出。
1.3磁路构造及原理
磁路（即矿粒分选区）由磁轭、励磁线圈组成日字形，具有磁路短，磁阻小，磁损小，在相同的电耗下能够产生更大的磁场。磁轭是由左右上铁轭、下铁轭及密封环板构成的日字形磁路结构；励磁线圈由方形铜管、热塑管、树脂及不锈钢外壳构成。根据安培右手定则，当励磁线圈通入直流电流，日字形磁路周围将会产生巨大的电磁场，在上下磁轭构成的100°～120°的缝隙范围内（装有磁介质的转环通过此缝隙）会形成一个巨大均匀的平行磁场；磁介质在磁场中被磁化，表面形成高梯度磁场；矿浆中磁性颗粒通过磁介质时将被吸附在磁介质表面。
磁路结构示意图
1.4磁介质：高梯度磁选机是利用导磁介质在磁场中产生感应磁场而使均匀磁场产生畸变，人为造成磁场的剧烈变化，从而使磁场变化率（梯度）大增，磁性矿物受到的吸力亦大增。这样提高了分选效果，使比磁率很低的矿物如赤铁矿、褐铁矿、锰矿等弱磁性矿物也能用磁选的方法来进行分选。
2.影响磁场的几个主要因素。2.1线圈安匝数的影响
根据安培环路定理B=μ0NI/2πR（μ0为常数），磁场B与线圈匝数N及通过电流I成正比。当线圈 匝数增加时，磁场强度也会相应的增加，但磁路空间及设备体积、重量也必将大大增加；在考虑到整个 立环高梯度磁选机磁系结构合理的情况下，一般设定线圈匝数小于150匝。而线圈电阻和匝数一定时，根据Q=I2*R*t，当电流越大时，线圈发热就会越大，线圈过热使绝缘及冷却问题又难以解决，所以我们通过参数优化设计，一般将工作电流设定为小于等于1500安培。2.2磁路及其材料
常用磁路材料有Q235和DT4（电工纯铁），磁体材料采用Q235时最高场强只能达到11000GS左右，此时材料的磁通达到饱和，而磁体材料采用DT4电工纯铁时最高场强能达到13000GS左右，这时磁通才达到饱和，所以当需要较高磁强时，我们可以增高电流来提高磁场强度，直到磁通饱和为止，而同样条件时，使用DT4材料可以达到更高的饱和磁场。
2.3磁介质材料及结构的影响
高梯度磁选机是利用导磁介质在磁场中产生感应磁场使均匀磁场产生畸变，人为造成磁场的剧烈变 化，从而使磁场的变化率（梯度）增大很多，使得磁性矿物受到的磁场吸力更大。（1）矿物在磁场中的受力分析和高梯度产生原理
Fm=μ·υ·Β·gradΒ
μ—矿物的比磁率
υ—矿物的体积
Β—磁场强度
gradB—磁场梯度，磁场在空间的变化率
矿物如果在均匀磁场中（大小和方向均无改变）的情况下，即gradΒ为零，所以所受的磁场力为零。磁力线总是走最短的路程，从图3中我们可以看出，磁力线是从N极先走到介质棒上，然后再到S极。那么，感应在介质棒上的磁感应强度B2要远远地大于原 背景场强B1。这样在介质棒附近产生了一个畸变的磁场。在棒介质的表面磁感应强度很高，也就是说在离开介质棒表面微小的距离时，磁场的变化会很大；磁场变化率越大，这样梯度也就越高。
图1
图2
图3（2）介质棒的尖角效应
前面我们提到过，磁力线总是走最近的路程。也就是说走阻力最小的路程。由于空气的磁阻远远地大于铁磁介质的磁阻，因此磁力线总会在铁磁介质中通过，然后再进入空气之中。磁场的尖角效应是指磁力线都流向尖角处，尖角处的磁力线密集，因此在尖角处的磁感应强度要高很多。
利用磁介质在磁场中的尖角效应，通过将磁介质加工成带有菱角和尖角的形状，可以增加磁介质的表面磁感应强度和提高磁场梯度。
我们通过实际应用，对于同样比磁率的弱磁性矿物，在有棱角和带尖角的介质（异形介质）中，同样大小的矿粒，异形介质所受到的磁场力比光滑圆面介质大很多，而且其回收细粒级的矿粒要比光滑圆柱面介质的多，粒级也更高。也就是说用带有棱角和尖角的异形介质比相同导磁率的光滑圆柱面介质的回收下限要大。
3.我们根据以上3个因素，运用ANSYS有限元分析计算软件，来计算和分析他们对磁场的影响。计算方法：采用ANSYS有限元分析计算软件，建立三维磁体模型。3.1材料参数选取：磁轭、铁芯均选用电工纯铁DT4。
图4 磁体磁系部分三维视图
磁路主要参数：
线圈材料：22×28×5紫铜管 线圈匝数：7×2×10＝140；
取线圈内的电流为1400A，即每匝线圈内通有1400A电流。ANSYS有限元计算模型
根据磁体本身结构的对称性及磁体主要的磁力线回路，建立其主要部件的1/2结构模型就可以满足计算要求。其中由于原磁体结构中间上下铁芯中的空气间隙与铁芯整体相比宽度过小，计算中网格划分过于繁多，且造成计算结果不收敛，因此在此次计算中将相邻的空气间隙合并，中间铁轭也相应合并，与原来相比减少了一半
具体的结构模型见下图，其中紫色和红色部分为铁轭，图5中浅蓝色部分为工作区空气，图6环形浅蓝色部分为线圈：
图5 三维实体模型
图6 三维有限元网格划分及线圈模型
计算结果（DT4）：
（1）磁体工作区间内磁场分布情况
图7 区间内的三维磁场云图（紧贴上铁轭）
图8区间内的三维磁场云图（紧贴下铁轭）
（2）磁体内铁轭、铁芯上的磁场分布情况
图9 铁轭上磁场分布云图
图10 铁轭上磁矢量分布图
（3）工作区上边表面中心线上磁场分布曲线（图11的黑色曲线路径）：
图11选磁场曲线路径位置
图12下表面磁场中心磁场分布曲线
图13上表面磁场中心磁场分布曲线
小结：
从计算结果及图13看出，线圈安匝数为140*1400时，磁场工作区的最大背景场强达到1.44T。但由于建模计算考虑工作区上下磁极中有通料孔比原来设计的少，而实际的占空比是一致的，所以计算结果与原来结构值差别不大，主要区别是空气隙中的磁场最小值会比此次计算的结果稍大。
3.2磁路结构及磁路参数均不变，仅将磁路材料由DT4改为Q235。计算结果（Q235）：
（1）磁体工作区间内磁场分布情况
图14 区间内的三维磁场云图（紧贴上铁轭）
图15 区间内的三维磁场云图（紧贴下铁轭）
（2）磁体内铁轭、铁芯上的磁场分布情况
图16 铁轭上磁场分布云图
图17 铁轭上磁矢量分布图
（3）工作区上边表面中心线上磁场分布曲线（图18的黑色曲线路径）：
图18选取磁场曲线路径位置
图19下表面磁场中心磁场分布曲线
图20上表面磁场中心磁场分布曲线
小结：
从计算结果及图20看出，当铁轭材料改为Q235时，工作区背景场最大磁感应强度为1.42T，与前面的相比降低并不明显。这是因为在改安匝数下，铁轭内的磁场大部分为1.8-2.1T，相对于DT4，磁场距离磁饱和还有一定裕度，而对于Q235则已经达到了磁饱和；如果继续增加磁体的安匝数，工作区磁场在DT4上还有一定的上升空间，而对于Q235则不明显；同时由于磁饱和的原因，Q235下磁体的漏场范围会更大一些。3.3当其他条件不变，只改变线圈安匝数时
材料参数选取：磁轭、铁芯均选用电工纯铁DT4。磁体主要参数：
铜线圈：22×28×5紫铜管 线圈总匝数为6×2×10＝120；
取线圈内的电流为1400A，即每匝线圈内通有1400A电流。计算结果（120匝）：
（1）磁体工作区间内磁场分布情况
图21区间内的三维磁场云图（紧贴上铁轭）
图22 区间内的三维磁场云图（紧贴下铁轭）
（2）磁体内铁轭、铁芯上的磁场分布情况
图23 铁轭上磁场分布云图
图24 铁轭上磁矢量分布图
（3）工作区上边表面中心线上磁场分布曲线（图25，26的黑色曲线路径）：
图25 选取磁场曲线路径位置1
图26选取磁场曲线路径位置2
图27下表面磁场中心磁场分布曲线
图28上表面磁场中心磁场分布曲线
小结：
从计算结果看出，磁场工作区的最大背景场强为1.3T，较140匝所得的最大背景场强1.44T要小0.14T。但由于建模计算考虑工作区上下磁极中有通料孔比原来设计的少，但实际的占空比是一致的，所以计算结果与原来结构值差别不会太大，主要区别是空气隙中的磁场最小值会比此次计算的结果稍大。四，结束语
根据立环高梯度磁选机的结构和工作原理，及对影响磁路中的磁场强度的三个因素的分析和研究，我们可以发现：（1）当线圈安匝数增加时，立环高梯度磁选机中的磁场也会相应增强（磁轭达到饱和前）；（2）选用DT4电工纯铁作为磁轭材料时，因为DT4电工纯铁的磁饱和度比Q235要大，所以可以获得更高的磁场强度；（3）在有棱角和带尖角的介质（异形介质）中，所获得的梯度磁场更高，所以矿浆中磁性颗粒通过磁介质时将被吸附在磁介质表面。其受到的磁场力比光滑圆面介质大很多，而且其回收细粒级的矿粒要比光滑圆柱面介质的多，粒级也更高。在实际生产中，也证实以上几点。特别是在进行非金属矿除铁时，因为要求磁场较高，在进行设计和生产中，更加要注意这几个方面的影响。
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