鄭霞裕 李茂林，2 崔 瑞 郭娜娜

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院;2.長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司)

高梯度磁選機(jī)的2大關(guān)鍵部分是背景磁場(chǎng)和磁介質(zhì)。背景磁場(chǎng)提供分選所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁介質(zhì)產(chǎn)生高磁場(chǎng)梯度，因而高梯度磁選機(jī)中磁介質(zhì)的磁場(chǎng)特性對(duì)磁選機(jī)的選別性能影響很大［1］。磁場(chǎng)特性除了受單根磁介質(zhì)特性的影響，還受磁介質(zhì)排列組合方式的影響。大量的研究表明，合適的磁介質(zhì)排列組合方式有利于改善分選效果、提高分選指標(biāo)。

筆者利用ANSYS軟件模擬了不同磁介質(zhì)排列組合方式下的磁介質(zhì)區(qū)域磁場(chǎng)特征，并對(duì)排列組合方式進(jìn)行了優(yōu)選。

1 磁介質(zhì)排列方式對(duì)區(qū)域磁場(chǎng)特征的影響

高梯度磁選機(jī)中介質(zhì)的排列方式可以有多種，最常見的是上下對(duì)齊排列和上下間隔(錯(cuò)位)排列。在磁介質(zhì)充填率相同的情況下，ANSYS模擬的磁介質(zhì)上下對(duì)齊排列和上下間隔排列的磁場(chǎng)磁力線圖見圖1(背景磁場(chǎng)的方向?yàn)樯舷路较颍峦?，磁場(chǎng)強(qiáng)度等值圖見圖2，圖中圓圈表示圓柱狀磁介質(zhì)的截面，直徑為2 mm，背景磁場(chǎng)強(qiáng)度為3.98×105A/m。

從圖1可以看出，磁力線在遠(yuǎn)離磁介質(zhì)的區(qū)域近乎直線，在靠近磁介質(zhì)的區(qū)域彎向磁介質(zhì)，并以接近90°的角度進(jìn)入和穿出磁介質(zhì);磁介質(zhì)內(nèi)部磁力線密集，越遠(yuǎn)離磁介質(zhì)越稀疏，這就產(chǎn)生了磁場(chǎng)梯度。

圖1 圓柱狀磁介質(zhì)上下對(duì)齊與上下間隔排列的磁力線圖

圖2 圓柱狀磁介質(zhì)上下對(duì)齊與上下間隔排列磁場(chǎng)強(qiáng)度等值圖

從圖1還可以看出，磁介質(zhì)上下對(duì)齊排列區(qū)與間隔排列區(qū)的磁場(chǎng)分布差異較大。圖1(a)中間部分有代表性的磁介質(zhì)周圍的磁力線在介質(zhì)的上下部相對(duì)集中，因而磁場(chǎng)也較強(qiáng);圖1(b)中間部分有代表性的磁介質(zhì)周圍的磁力線在介質(zhì)的上下部也相對(duì)集中，但集中程度不及圖1(a)中的磁介質(zhì)上下部，因而該排列方式下磁介質(zhì)周圍的磁場(chǎng)分布相對(duì)均勻;圖1(a)中有部分磁力線沒有穿過磁介質(zhì)而直接貫穿介質(zhì)區(qū)，這部分磁力線對(duì)于高梯度磁選所要求的磁場(chǎng)梯度沒有貢獻(xiàn)(這種磁力線的多少與介質(zhì)充填率有關(guān))，但圖1(b)中則沒有這種磁力線。

從圖2可以看出，磁介質(zhì)上下對(duì)齊排列區(qū)與間隔排列區(qū)的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小變化范圍基本一致:磁場(chǎng)最強(qiáng)區(qū)的磁場(chǎng)強(qiáng)度差別很小，分別為7.41×105A/m和7.47×105A/m;最弱區(qū)的磁場(chǎng)強(qiáng)度也非常接近，分別為6.01 A/m和6.03 A/m。說明2種排列方式下磁介質(zhì)上下部分附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)梯度大小基本相同，即磁介質(zhì)的捕集范圍和每個(gè)磁介質(zhì)能夠聚集的磁性顆粒數(shù)也基本相同。

從圖2還可以看出，圖2(a)中左右相鄰磁介質(zhì)之間區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度都很小，如果介質(zhì)的捕集作用不足以將這一區(qū)域的磁性顆粒捕捉，則這部分磁性顆粒將一直沿著該區(qū)域運(yùn)動(dòng)，直至離開分選區(qū)，這無疑對(duì)分選不利;而按上下間隔方式排列磁介質(zhì)則發(fā)生這種情況的概率要小得多。

2 磁介質(zhì)充填率對(duì)區(qū)域磁場(chǎng)特征的影響

磁介質(zhì)充填率是高梯度磁選機(jī)的重要的參數(shù)，是表示單位截面積內(nèi)磁介質(zhì)數(shù)量的物理量，是磁介質(zhì)間距離的具體表征。為了方便，本研究固定磁介質(zhì)縱向距離(圓心距)為4 mm，以磁介質(zhì)橫向距離6、4、3、2.4 mm為例，研究了上下間隔排列的這4種磁介質(zhì)充填率下的磁場(chǎng)強(qiáng)度特征，其磁場(chǎng)強(qiáng)度等值圖見圖3，圖中圓圈表示圓柱狀磁介質(zhì)的截面，直徑為2 mm，背景磁場(chǎng)強(qiáng)度為3.98×105A/m。

從圖3可以看出，隨著磁介質(zhì)充填率的增大，分選區(qū)中高磁場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)域的面積也隨之增大，但區(qū)域內(nèi)最大磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著充填率的增大而減小，圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)中介質(zhì)周圍的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度依次為7.48 ×105、7.25 ×105、7.04 ×105、6.77×105A/m。由于磁性顆粒所受磁力與多種因素有關(guān)［2］，其中磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)梯度(HgradH)是主要正相關(guān)因素，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的減小，磁性顆粒所受磁力也將會(huì)減小。

圖3 不同磁介質(zhì)充填率下的磁場(chǎng)強(qiáng)度等值圖

對(duì)于周期式高梯度磁選機(jī)來說，當(dāng)磁介質(zhì)充填率較低時(shí)，由于磁性顆粒在磁場(chǎng)中所受的磁力與其體積成正比，因此磁介質(zhì)對(duì)確定粒度的磁性顆粒的捕集力和捕集范圍就一定，如果磁介質(zhì)間的水平距離過大，超過該粒度磁性顆粒的捕集范圍，該粒度的磁性顆粒就不能被磁介質(zhì)捕捉到。因?yàn)閱胃沤橘|(zhì)吸附的磁性顆?？偭渴怯邢薜模簿褪墙橘|(zhì)對(duì)磁性顆粒的吸附有一個(gè)飽和值，低磁介質(zhì)充填率意味著磁選機(jī)在1個(gè)周期內(nèi)處理的原礦量較少，這會(huì)降低選別效率。當(dāng)然，磁介質(zhì)充填率也不是越大越好，過大的磁介質(zhì)充填率會(huì)導(dǎo)致磁介質(zhì)周圍最大磁場(chǎng)強(qiáng)度下降，磁性顆粒所受的磁力也會(huì)下降，這也會(huì)導(dǎo)致一部分磁性顆粒難以被介質(zhì)捕集，降低磁性顆粒的回收率，而且磁介質(zhì)充填率過高，流體阻力也增大，分選環(huán)境也會(huì)惡化。因此，合適的磁介質(zhì)充填率對(duì)于高梯度磁選機(jī)相當(dāng)重要，這需要考慮單根磁介質(zhì)對(duì)所需回收的磁性顆粒的捕集作用范圍。Watson等人最先研究了單根磁介質(zhì)捕集磁性顆粒的數(shù)學(xué)模型并得到了捕集半徑的一般關(guān)系式［3］。王發(fā)輝等通過Fluent軟件模擬研究了一定直徑的柱狀磁介質(zhì)捕集磁性顆粒的作用半徑［4］。確定最佳介質(zhì)充填率應(yīng)綜合考慮介質(zhì)的作用半徑及磁性物料的磁特性。

3 不同特征磁介質(zhì)組合對(duì)區(qū)域磁場(chǎng)特征的影響

高梯度磁選機(jī)磁介質(zhì)周圍的磁場(chǎng)梯度一般沿礦漿流動(dòng)的方向逐漸增大，特定的磁性顆粒所受的磁力也增大。由于磁性顆粒所受磁力與其體積成正比，因而上部磁介質(zhì)捕捉粒度較大磁性顆粒，下部磁介質(zhì)捕捉粒度較小磁性顆粒。下面對(duì)如何科學(xué)、高效、低成本地實(shí)現(xiàn)磁介質(zhì)周圍磁場(chǎng)梯度的這種變化進(jìn)行了研究。

3.1 不同尺寸磁介質(zhì)的組合

以同一種材料、橫截面直徑不同的圓柱形磁介質(zhì)為對(duì)象進(jìn)行了不同尺寸磁介質(zhì)組合對(duì)磁場(chǎng)特性的影響研究。為便于分析，磁介質(zhì)采用上下對(duì)齊排列方式，磁介質(zhì)的直徑依次為 2、1.6、1.2、0.8 mm，背景磁場(chǎng)強(qiáng)度為3.98×105A/m。ANSYS模擬的磁介質(zhì)區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度等值圖見圖4。為便于觀察和對(duì)比4種不同尺寸磁介質(zhì)周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)梯度，以圖4中左起第3列的磁介質(zhì)中心連線由下至上定義一條路徑，將磁場(chǎng)強(qiáng)度投影到該路徑中，得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度路徑圖見圖5，其中的豎直線為磁介質(zhì)的邊界。

圖4 不同尺寸磁介質(zhì)組合的磁場(chǎng)強(qiáng)度等值圖

圖5 不同尺寸介質(zhì)組合指定路徑的磁場(chǎng)強(qiáng)度圖

從圖4可以看出，磁介質(zhì)上下部分附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)，左右部分最弱;磁介質(zhì)最大磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)7.89×105A/m，大于排列方式及背景磁場(chǎng)強(qiáng)度相同但磁介質(zhì)直徑均為2 mm的磁介質(zhì)區(qū)的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度;左右相鄰磁介質(zhì)之間區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度較小。

從圖5可以看出，隨著磁介質(zhì)橫截面直徑的減小，磁介質(zhì)表面的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，兩相鄰磁介質(zhì)間的最小磁場(chǎng)強(qiáng)度則隨之減小，因而磁介質(zhì)直徑減小，其周圍的磁場(chǎng)梯度增大，即直徑0.8 mm的磁介質(zhì)周圍磁場(chǎng)梯度最大。因而，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要選擇直徑較小的磁介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)所需的較高磁場(chǎng)梯度。

3.2 不同橫截面形狀介質(zhì)的組合

磁介質(zhì)橫截面的形狀對(duì)磁介質(zhì)的磁場(chǎng)特性影響較大［5］。改變磁場(chǎng)梯度的另一種常用方法是采用面積相同、截面形狀不同的磁介質(zhì)。圖6為橫截面為圓形和等邊三角形的磁介質(zhì)組合且上下對(duì)齊排列下ANSYS模擬的磁介質(zhì)區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度等值圖，圖中圓的直徑為2 mm，磁介質(zhì)中心距為4 mm，背景磁場(chǎng)強(qiáng)度為3.98×105A/m。為了便于觀察和對(duì)比2種不同形狀磁介質(zhì)周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)梯度，在圖6中選取與3.1節(jié)一樣的路徑，將磁場(chǎng)強(qiáng)度投影到該路徑中，得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度路徑圖見圖7，其中的豎直線為磁介質(zhì)的邊界。

圖6 橫截面為圓形和三角形磁介質(zhì)的磁場(chǎng)強(qiáng)度等值圖

圖7 橫截面為圓形和三角形磁介質(zhì)組合指定路徑的磁場(chǎng)強(qiáng)度圖

從圖6可以看出，橫截面為圓形的磁介質(zhì)的上下部分附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度比其他方位強(qiáng)，但磁場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)處在橫截面為三角形的磁介質(zhì)的上角尖處，達(dá)1.06×107A/m，明顯大于排列方式及背景磁場(chǎng)強(qiáng)度相同但磁介質(zhì)均為橫截面直徑為2 mm的磁介質(zhì)區(qū)的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度;左右相鄰磁介質(zhì)之間區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度較小。

從圖7可以看出，橫截面為三角形的磁介質(zhì)在上角尖處的磁場(chǎng)強(qiáng)度明顯大于橫截面為圓形的磁介質(zhì)的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度，且磁場(chǎng)梯度也較圓柱形介質(zhì)大得多，但其高磁場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)域較小;橫截面為三角形的磁介質(zhì)下邊線處磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于橫截面為圓形的磁介質(zhì)下部分處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

3.3 不同飽和磁化強(qiáng)度介質(zhì)的組合

不同材料的磁介質(zhì)，其磁場(chǎng)特性差別很大，影響介質(zhì)磁場(chǎng)特性的材料因素是介質(zhì)的磁化特性，可以通過介質(zhì)的B－H曲線描述［6］。利用ANSYS模擬橫截面直徑均為2 mm，中心距為4 mm、但飽和磁化強(qiáng)度不同的2種圓柱形磁介質(zhì)的磁場(chǎng)特性，背景磁場(chǎng)強(qiáng)度為1 T，2種介質(zhì)的B－H曲線見圖8，模擬的磁場(chǎng)強(qiáng)度等值圖見圖9，在圖9中選取與3.1節(jié)一樣的路徑，將磁場(chǎng)強(qiáng)度投影到該路徑中，得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度路徑圖見圖10。

圖8 2種不同飽和磁化強(qiáng)度的磁介質(zhì)B－H曲線

圖9 不同飽和磁化強(qiáng)度磁介質(zhì)的磁場(chǎng)強(qiáng)度等值圖

圖10 不同飽和磁化強(qiáng)度磁介質(zhì)指定路徑的磁場(chǎng)強(qiáng)度圖

從圖9可以看出，下部磁介質(zhì)周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度要比上部磁介質(zhì)大得多，且下部磁介質(zhì)內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度明顯低于上部磁介質(zhì)內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)2種介質(zhì)的B－H曲線可知，介質(zhì)都已達(dá)到磁飽和狀態(tài)，但下部介質(zhì)的磁場(chǎng)強(qiáng)度比上部介質(zhì)的磁場(chǎng)強(qiáng)度要大得多。

從圖10可以看出，高飽和磁化強(qiáng)度磁介質(zhì)周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)梯度明顯大于低飽和磁化強(qiáng)度磁介質(zhì)周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)梯度。

4 結(jié)論

(1)磁介質(zhì)上下對(duì)齊排列與上下交替排列對(duì)其產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度基本沒影響，但上下交替排列的磁介質(zhì)區(qū)的高磁場(chǎng)強(qiáng)度及高磁場(chǎng)梯度在空間分布上更均勻，因而更有利于對(duì)磁性顆粒的捕集。

(2)磁介質(zhì)的充填率不足，磁介質(zhì)的捕集范圍也就有限，磁場(chǎng)利用就不充分;過高的磁介質(zhì)充填率不僅阻礙礦漿的正常流動(dòng)，還會(huì)使磁介質(zhì)周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度降低，磁性顆粒所受磁力也會(huì)減小。因此，應(yīng)根據(jù)磁介質(zhì)對(duì)磁性顆粒的捕集范圍及處理物料的粒度確定合適的磁介質(zhì)充填率。

(3)采用橫截面積更小的磁介質(zhì)、選取橫截面為三角形的磁介質(zhì)、選取更大飽和磁化強(qiáng)度的磁介質(zhì)都能有效地提高磁介質(zhì)周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)梯度，產(chǎn)生多梯度磁場(chǎng)，優(yōu)化磁選條件。

［1］ 李文博，韓躍新，湯玉和，等.高梯度磁選機(jī)聚磁介質(zhì)的研究概況及發(fā)展趨勢(shì)［J］.金屬礦山，2012(9):129-133.

［2］ 謝 強(qiáng).梯度磁場(chǎng)中磁性礦粒所受磁力及影響因素［J］.金屬礦山，2001(1):26-27.

［3］ Watson J H P.Magnetic filtration［J］.Appl Phys，1973(9):4209-4213.

［4］ 王法輝，王秀芳，張 丹.高梯度磁場(chǎng)中多根磁介質(zhì)捕集磁性微粒的數(shù)值模擬［J］.金屬礦山，2012(2):103-106.

［5］ 翟宏新.高梯度磁分離設(shè)備的介質(zhì)體新結(jié)構(gòu)［J］.過濾與分離，1994(1):16-20.

［6］ 徐建成.鋼毛磁化狀態(tài)對(duì)磁選的影響［J］.有色金屬，1995(4):38-42.