陳海軍　李茂林，3　鄭霞?！〈蕖∪稹〗稹?1.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；3.長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

基于A(yíng)NSYS的高梯度磁選機(jī)介質(zhì)截面形狀影響研究

陳海軍1,2李茂林1,2，3鄭霞裕1,2崔瑞1,2金喬1,2
(1.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；3.長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

磁介質(zhì)的截面形狀對(duì)介質(zhì)的磁場(chǎng)特性影響很大，合適的介質(zhì)截面形狀有利于提高微細(xì)粒磁性礦物的回收率并降低選礦能耗。利用ANSYS仿真軟件分析了圓形截面、橢圓截面、菱形截面等3種不同截面形狀磁介質(zhì)在不同的背景場(chǎng)強(qiáng)下表現(xiàn)出的磁場(chǎng)特性。結(jié)果表明：在整個(gè)背景場(chǎng)強(qiáng)變化范圍內(nèi)，長(zhǎng)短軸比為2∶1的橢圓截面介質(zhì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)力大于圓形截面介質(zhì)和菱形截面介質(zhì)的磁場(chǎng)力，相同背景場(chǎng)強(qiáng)下產(chǎn)生的磁場(chǎng)力約為圓形截面介質(zhì)的1.5～2倍；菱形截面介質(zhì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)力在背景磁感應(yīng)強(qiáng)度小于0.8 T時(shí)大于圓形截面介質(zhì)，在背景磁感應(yīng)強(qiáng)度大于0.8 T時(shí)小于圓形截面介質(zhì)，產(chǎn)生這種結(jié)果的主要原因是菱形截面介質(zhì)端部較尖銳，在較小的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度下介質(zhì)端部就達(dá)到磁飽和。

磁介質(zhì)截面形狀磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)梯度

在處理微細(xì)弱磁性物料上，相比于其他選礦方法，高梯度磁選機(jī)具有極大的優(yōu)越性。但是由于微細(xì)粒礦物本身的難處理特性，要獲得理想的回收率，提高礦粒所受的磁力非常重要。磁力的提高可通過(guò)增大背景磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁介質(zhì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)梯度實(shí)現(xiàn)。由于能耗與背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比，進(jìn)一步提高背景磁感應(yīng)強(qiáng)度極不經(jīng)濟(jì)，且高磁感應(yīng)強(qiáng)度常常會(huì)由于弱磁性顆粒集聚而形成機(jī)械夾雜[1]，因此，實(shí)踐中更多考慮采用提高磁場(chǎng)梯度的方法[2-3]。

對(duì)于尺寸相當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)，介質(zhì)的截面形狀對(duì)介質(zhì)周?chē)拇艌?chǎng)分布影響很大，研究介質(zhì)截面形狀與磁性顆粒所受磁力的關(guān)系，尋求能產(chǎn)生高磁場(chǎng)梯度的磁介質(zhì)，對(duì)提高微細(xì)粒磁性礦物的回收率有極大意義。另外，要得到相同的磁力，采用高梯度的磁介質(zhì)能有效降低背景磁感應(yīng)強(qiáng)度，這對(duì)降低設(shè)備能耗意義重大。前人對(duì)介質(zhì)截面形狀的研究主要采用有限差分的數(shù)值計(jì)算方法，研究了正多邊形和矩形等不同截面介質(zhì)表面附近的磁場(chǎng)大致分布[4-7]，但都未對(duì)介質(zhì)截面形狀的具體影響作出較中肯評(píng)述。筆者利用ANSYS仿真軟件，模擬幾種不同截面介質(zhì)的磁場(chǎng)特性，全面分析了介質(zhì)的截面形狀對(duì)介質(zhì)周?chē)艌?chǎng)分布及礦物所受磁力的影響，為新型高梯度介質(zhì)的研發(fā)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1　模擬條件

提高介質(zhì)截面曲率可以有效提高磁場(chǎng)梯度，故本研究選取圓形截面、橢圓截面、菱形截面等3種截面形狀介質(zhì)為研究對(duì)象，以圓形截面為標(biāo)準(zhǔn)，保證3種截面介質(zhì)的截面面積一樣，即3.14 mm2，且橢圓截面和菱形截面的長(zhǎng)短軸長(zhǎng)度之比為2∶1，介質(zhì)的材質(zhì)選用45鋼，其B-H曲線(xiàn)如圖1所示。通過(guò)介質(zhì)的B-H曲線(xiàn)可以得知介質(zhì)的磁化狀態(tài)，這對(duì)分析介質(zhì)周?chē)艌?chǎng)的變化很重要[8]。

圖1　介質(zhì)材料的B-H曲線(xiàn)

利用ANSYS 軟件，分別模擬3種不同截面介質(zhì)的周?chē)艌?chǎng)隨背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化規(guī)律，跟蹤介質(zhì)的磁化狀態(tài)，考察沿背景磁感應(yīng)強(qiáng)度方向中心線(xiàn)上距介質(zhì)表面0.2 mm處的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)梯度、磁場(chǎng)力的變化，研究不同背景磁感應(yīng)強(qiáng)度下不同截面介質(zhì)的磁場(chǎng)特性規(guī)律。

2　模擬結(jié)果與分析

2.1介質(zhì)內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化

介質(zhì)內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度反映了介質(zhì)的磁化狀態(tài)，通過(guò)介質(zhì)內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度及介質(zhì)的B-H曲線(xiàn)，可以得知介質(zhì)是否達(dá)到磁飽和。介質(zhì)達(dá)到或未達(dá)到磁飽和時(shí)，介質(zhì)的磁場(chǎng)特性差異很大[9]。3種截面形狀的介質(zhì)內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度與背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖2，其中圓形和橢圓截面介質(zhì)內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度分布較均勻，菱形截面介質(zhì)內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度是兩邊大于中間，因此，對(duì)于菱形截面介質(zhì)，考察的是內(nèi)部尖角附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖2　介質(zhì)內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度與背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系

從圖2可以看出，隨著背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，菱形截面介質(zhì)、橢圓截面介質(zhì)、圓形截面介質(zhì)依次達(dá)到磁飽和，達(dá)到磁飽和時(shí)的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度分別約為0.3、0.6、1 T。根據(jù)處于背景磁場(chǎng)中介質(zhì)的磁化規(guī)律，達(dá)到磁飽和后介質(zhì)內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度變化值等于背景磁感應(yīng)強(qiáng)度變化值。

2.2距離介質(zhì)表面0.2 mm處磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化

3種截面介質(zhì)沿背景磁感應(yīng)強(qiáng)度方向中心線(xiàn)上距離介質(zhì)表面0.2 mm處的磁場(chǎng)強(qiáng)度與背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3　距離介質(zhì)表面0.2 mm處磁場(chǎng)強(qiáng)度與背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系

從圖3可以看出，3種截面介質(zhì)距離介質(zhì)表面0.2 mm處的磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線(xiàn)拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度與介質(zhì)內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線(xiàn)拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度一致，即在磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線(xiàn)拐點(diǎn)處介質(zhì)達(dá)到磁飽和；在未達(dá)到磁飽和之前，3種截面介質(zhì)曲線(xiàn)斜率均大于達(dá)到磁飽和后的斜率；橢圓截面介質(zhì)的磁場(chǎng)強(qiáng)度始終大于另2種介質(zhì)，菱形截面介質(zhì)的場(chǎng)強(qiáng)在背景磁感應(yīng)強(qiáng)度小于0.6 T時(shí)大于圓形截面介質(zhì)，在背景磁感應(yīng)強(qiáng)度大于0.6 T時(shí)小于圓形截面介質(zhì)。背景磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0.4 T和1 T時(shí)，3種介質(zhì)的磁場(chǎng)強(qiáng)度等值見(jiàn)圖4、圖5。

圖4　背景磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.4 T時(shí)3種介質(zhì)的磁場(chǎng)強(qiáng)度等值圖

圖5　背景磁感應(yīng)強(qiáng)度為1 T時(shí)3種介質(zhì)的磁場(chǎng)強(qiáng)度等值圖

2.3距離介質(zhì)表面0.2 mm處的磁場(chǎng)梯度的變化

3種介質(zhì)距離介質(zhì)表面0.2 mm處的磁場(chǎng)梯度與背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)6。

圖6　距離介質(zhì)表面0.2 mm處磁場(chǎng)梯度與背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系

從圖6可以看出，3種介質(zhì)的考察點(diǎn)處的磁場(chǎng)梯度隨背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大先增大，然后趨于穩(wěn)定；橢圓截面介質(zhì)的磁場(chǎng)梯度曲線(xiàn)斜率最大，圓形截面介質(zhì)的磁場(chǎng)梯度曲線(xiàn)斜率最小，且達(dá)到最大值時(shí)的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度正是介質(zhì)達(dá)到磁飽和時(shí)的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度；橢圓截面介質(zhì)的磁場(chǎng)梯度在整個(gè)背景磁感應(yīng)強(qiáng)度變化范圍內(nèi)均大于圓形截面和菱形截面介質(zhì)，而菱形截面介質(zhì)的磁場(chǎng)梯度在背景磁感應(yīng)強(qiáng)度小于0.8 T時(shí)大于圓形截面介質(zhì)的磁場(chǎng)梯度，在背景磁感應(yīng)強(qiáng)度大于0.8 T時(shí)小于圓形截面介質(zhì)的磁場(chǎng)梯度。

2.4距離介質(zhì)表面0.2 mm處的磁場(chǎng)力的變化

磁性顆粒所受磁力關(guān)系到磁性顆粒的捕集[10]及在顆粒介質(zhì)表面的聚集[11-12]，用磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度的乘積表示某點(diǎn)處的磁場(chǎng)力，距離介質(zhì)表面0.2 mm處的磁場(chǎng)力隨背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。

圖7　距離介質(zhì)表面0.2 mm處磁場(chǎng)力與背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系

從圖7可以看出：①3種截面介質(zhì)的磁場(chǎng)力隨著背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大先較快增長(zhǎng)，在介質(zhì)達(dá)到磁飽和后磁場(chǎng)力增長(zhǎng)速度變慢。②在整個(gè)背景磁感應(yīng)強(qiáng)度變化范圍內(nèi)，橢圓截面介質(zhì)提供的磁場(chǎng)力都要大于菱形和圓形截面介質(zhì)；當(dāng)背景磁感應(yīng)強(qiáng)度小于0.8 T時(shí)，菱形截面介質(zhì)的磁場(chǎng)力大于圓形截面介質(zhì)；當(dāng)背景磁感應(yīng)強(qiáng)度大于0.8 T時(shí)，菱形截面介質(zhì)的磁場(chǎng)力小于圓形截面介質(zhì)。③當(dāng)背景磁感應(yīng)強(qiáng)度為1 T時(shí)，圓形截面介質(zhì)在距離介質(zhì)表面0.2 mm處產(chǎn)生的磁場(chǎng)力約為1015A2/m3；橢圓截面介質(zhì)表面0.2 mm處要達(dá)到1015A2/m3的磁場(chǎng)力，背景磁感應(yīng)強(qiáng)度約為0.5 T就可以了，因此，根據(jù)能耗與背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的二次方成正比的關(guān)系可得出，要想得到1015A2/m3的磁場(chǎng)力，采用橢圓截面介質(zhì)的能耗大約是采用圓形截面介質(zhì)的1/4。④在相同的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度下，橢圓截面介質(zhì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)力為圓形截面介質(zhì)產(chǎn)生磁場(chǎng)力的1.5～2倍。

2.5模擬結(jié)果分析

根據(jù)3種截面磁介質(zhì)的模擬結(jié)果，對(duì)于同種材質(zhì)的磁介質(zhì)，適當(dāng)使介質(zhì)截面變得“狹長(zhǎng)”有利于提高介質(zhì)表面磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)梯度，如橢圓截面介質(zhì)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)梯度較圓形截面介質(zhì)要大得多。但也并非介質(zhì)截面越狹長(zhǎng)、越尖銳越好，如果介質(zhì)沿磁場(chǎng)強(qiáng)度方向的兩端變得過(guò)于尖銳，介質(zhì)表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)梯度并不一定會(huì)有較大增長(zhǎng)，這主要是由于棱角處越尖銳，該處越容易達(dá)到磁飽和狀態(tài)，即在較低的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度下介質(zhì)棱角處就達(dá)到磁飽和，磁力線(xiàn)穿過(guò)3種介質(zhì)時(shí)的走向見(jiàn)圖8。

圖8　3種截面介質(zhì)的磁感線(xiàn)圖

從圖8可以看出，圓形截面介質(zhì)和橢圓截面介質(zhì)內(nèi)部的磁力線(xiàn)平行，即內(nèi)部各點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度相等，磁化狀態(tài)相同，而菱形介質(zhì)內(nèi)部磁力線(xiàn)不平行，中間疏，兩端密，兩端的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于中間部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度,中間部分和兩端的磁化狀態(tài)不一樣，兩端容易達(dá)到磁飽和。

達(dá)到磁飽和狀態(tài)后，介質(zhì)表面附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度的增量即為背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的增量，且介質(zhì)表面的磁場(chǎng)梯度也已經(jīng)達(dá)到最大值。因此，對(duì)于菱形截面介質(zhì)，在未達(dá)到磁飽和時(shí)，表面附近磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)梯度都要大于圓形截面介質(zhì)，但菱形截面介質(zhì)極易達(dá)到磁飽和，圖2中菱形截面介質(zhì)在背景磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.3 T時(shí)就達(dá)到磁飽和，其磁場(chǎng)梯度已經(jīng)達(dá)到最大，且表面磁場(chǎng)強(qiáng)度增大量為背景磁感應(yīng)強(qiáng)度增大量。但在背景磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.3 T時(shí)，圓形截面介質(zhì)還遠(yuǎn)未達(dá)到磁飽和，其磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度隨著背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而較快增大，這使得在背景磁感應(yīng)強(qiáng)度大于0.8 T時(shí)，菱形截面介質(zhì)的磁場(chǎng)力反而小于圓形截面介質(zhì)。

根據(jù)上述分析還可以推斷出，長(zhǎng)短軸比為2∶1的橢圓截面介質(zhì)在聚磁性能上雖然較好，但這并不一定是最佳形狀的橢圓截面磁介質(zhì)；長(zhǎng)短軸比為2∶1的菱形截面介質(zhì)雖然聚磁性能不理想，但是適當(dāng)改變其長(zhǎng)短軸之比、增大其尖角角度或?qū)饨翘幉扇∧テ交虻箞A角處理，提高尖角處達(dá)到磁飽和的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度，其聚磁性能也會(huì)得到改善[13]。

3　結(jié)　論

(1)研究的3種截面磁介質(zhì)中，橢圓截面介質(zhì)的磁性能最好，在整個(gè)背景磁感應(yīng)強(qiáng)度變化范圍內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)力都要大于另外2種截面形狀的介質(zhì)；菱形截面介質(zhì)在背景磁感應(yīng)強(qiáng)度小于0.8 T時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)力大于圓形截面介質(zhì)，在背景磁感應(yīng)強(qiáng)度大于0.8 T時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)力小于圓形截面介質(zhì)。要得到相同的磁力，使用橢圓介質(zhì)的能耗約為使用圓形截面介質(zhì)的1/4，在相同的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度下，橢圓截面介質(zhì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)力為圓形截面介質(zhì)的1.5～2倍。

(2)菱形介質(zhì)的聚磁性能之所以不理想，主要是由于介質(zhì)端部在背景磁感應(yīng)強(qiáng)度很小時(shí)就已達(dá)磁飽和。一般地，端部越尖銳的介質(zhì)越容易達(dá)到磁飽和，達(dá)到磁飽和后，介質(zhì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)梯度不再變化，且磁場(chǎng)強(qiáng)度增大變緩。研究的3種介質(zhì)中，菱形介質(zhì)端部在背景磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.3 T時(shí)已經(jīng)達(dá)到磁飽和，而橢圓截面介質(zhì)和圓形截面介質(zhì)達(dá)到飽和時(shí)的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0.6 T和1 T。介質(zhì)表面附近產(chǎn)生的磁場(chǎng)梯度隨背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大先增大，在介質(zhì)2端達(dá)到磁飽和后趨于穩(wěn)定，圓形截面介質(zhì)達(dá)到磁飽和后產(chǎn)生的磁場(chǎng)梯度比菱形介質(zhì)大，在較高的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度下，菱形截面介質(zhì)的磁性能反而不及圓形截面介質(zhì)。

(3)采用截面形狀較狹長(zhǎng)的介質(zhì)可以提高磁場(chǎng)力，但并非介質(zhì)端部越“尖銳”越好，介質(zhì)端部的磁化狀態(tài)對(duì)介質(zhì)磁場(chǎng)力影響很大，要想得到最佳截面形狀的磁介質(zhì)，需綜合考慮介質(zhì)截面尺寸、介質(zhì)的磁特性曲線(xiàn)、磁選機(jī)工作時(shí)的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度等各種因素。

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(責(zé)任編輯羅主平)

Study on Effect of Cross-sectional Shape of Magnetic Matrices Based on ANSYS

Chen Haijun1,2Li Maolin1,2,3Zheng Xiayu1,2Cui Rui1,2Jin Qiao1,2
(1.HubeiKeyLaboratoryforEfficientUtilizationandAgglomerationofMetallurgicMineralResources，Wuhan430081，China；2.SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China；3.ChangshaResearchInstituteofMiningandMetallurgyCo.,Ltd.,Changsha410012,China)

The cross-sectional shape of the magnetic media has great influence on the magnetic field characteristic,and suitable matrix cross-sectional shape can improve the recovery of micro-fine magnetic materials and reduce processing energy consumption.The magnetic field characteristics of three kinds of matrix,circular cross-section,elliptical cross-section,rhombus cross-section,with different cross-sectional shape under different background magnetic field strength were analyzed with ANSYS.The results showed that: within the entire range of background magnetic field strength,the magnetic force generated by elliptical cross-sectional shape matrix is higher than that of circular and rhombus,and the magnetic force is 1.5～2 times as much as that of circular matrix under a certain background magnetic field strength; when the background magnetic field strength is lower than 0.8 T,magnetic force generated by diamond cross-sectional matrix is higher than that of circular cross-sectional shape matrices.The relationship is opposite when the background magnetic field strength is higher than 0.8 T,the main reason for which is the magnetic saturation of the matrix ends under a low background magnetic field owning to its sharpness shape.

Magnetic matrix，Cross-sectional shape，Magnetic field strength，Magnetic field gradient

2014-10-15

陳海軍(1988—)，男，碩士研究生。通訊作者李茂林(1963—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師。

TP15，TD457

A

1001-1250(2015)-01-113-05