馮 聰，任曉汾，許國(guó)超，張成安，樊民強(qiáng)

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

錐部外部導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)對(duì)重介旋流器分選效果的影響

馮 聰，任曉汾，許國(guó)超，張成安，樊民強(qiáng)

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

為了調(diào)控重介旋流器二段分選密度以改善分選效果，在其錐部附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)，并施加電磁場(chǎng)，研究了導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)在磁場(chǎng)作用下的旋流器的分選效果，通過(guò)考察不同磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)行介質(zhì)分配試驗(yàn)和粗煤泥(-3mm)分選試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)在旋流器錐部的線圈上部附加內(nèi)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)時(shí)，同單獨(dú)使用線圈相比，在特定的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，精煤灰分降低，尾煤灰分升高，提高了分選效率。利用有限元軟件ANSYS對(duì)磁系進(jìn)行模擬分析，模擬結(jié)果表明，附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)可人為改變磁場(chǎng)走向，增大對(duì)磁場(chǎng)能量的富集，提高磁場(chǎng)力，從而提高分選效果。

導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)；磁屏蔽；重介旋流器；分選效果；ANSYS

重介質(zhì)分選是一種利用離心力場(chǎng)分選的高效分離設(shè)備，是目前選煤業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種選煤方法[1-3]，具有體積小、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、分選效率高、處理量大、分選密度調(diào)節(jié)范圍寬、對(duì)原煤適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)廣泛采用三產(chǎn)品重介旋流器，巧妙地利用非均質(zhì)分選介質(zhì)的濃縮現(xiàn)象，以單一密度的懸浮液，同時(shí)分選出精煤、中煤以及矸石三種產(chǎn)品，其優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)；但在實(shí)際應(yīng)用中，一般很難實(shí)現(xiàn)以單一密度的懸浮液既保證精煤分選質(zhì)量，同時(shí)又要保證中煤與矸石的分選。因此，重介旋流器二段分選密度的在線調(diào)控問(wèn)題[4]，成為了選煤行業(yè)亟待解決的技術(shù)性難題。

近年來(lái)，在重介旋流器中引入磁場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用，高效的磁力重介旋流器設(shè)備也應(yīng)運(yùn)而生。南非學(xué)者J.Svoboda等[5]在旋流器周?chē)h(huán)繞螺線圈來(lái)施加磁場(chǎng)，得到通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度和線圈合理位置，可使底、溢流密度差發(fā)生變化，并能夠降低旋流器分選密度的結(jié)論。馬亭亭[6]將重介旋流器置于同軸的螺線圈磁場(chǎng)中進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)旋流器柱體上端的低磁場(chǎng)強(qiáng)度可提高分選密度；旋流器錐體下端的高磁場(chǎng)強(qiáng)度可降低分選密度，為實(shí)現(xiàn)二段分選密度的在線調(diào)控提供了一定的技術(shù)支持。趙龍[7]在旋流器錐部施加磁場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：旋流器外加磁場(chǎng)作用，可以達(dá)到在線調(diào)整分選密度的效果。劉佳[8]將線圈纏繞在旋流器筒部，發(fā)現(xiàn)隨電流的增大，溢流密度不斷升高，底流密度不斷降低，分選密度值在兩者作用下表現(xiàn)為不斷升高，介質(zhì)大幅度地從溢流排出，說(shuō)明磁力的存在可大幅度提高分選密度。樊盼盼[9-10]通過(guò)在旋流器錐部設(shè)置軸向電磁場(chǎng)，得到了位于錐段的電磁場(chǎng)能夠在保證分選精度基本不變的前提下有效提高重介旋流器分選密度的結(jié)論。

磁場(chǎng)形態(tài)對(duì)重介旋流器分選效果有很大影響，而附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)能夠改變磁場(chǎng)走向，增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度，改變磁場(chǎng)梯度，進(jìn)而影響磁場(chǎng)整體分布形態(tài)。因此，本文擬考察在置于旋流器錐部的勵(lì)磁線圈上附加內(nèi)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)來(lái)改變磁場(chǎng)分布形態(tài)，進(jìn)一步強(qiáng)化旋流器的分選效果。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由煤泥重介旋流器、攪拌桶、回流閥、渣漿泵、流量計(jì)、壓力表、密度計(jì)組成，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)選用內(nèi)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)磁體是深入到線圈內(nèi)部。因?qū)Т朋w的磁阻小、導(dǎo)磁率高，所以線圈內(nèi)部的磁感線會(huì)集中到導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)附近，從而對(duì)磁場(chǎng)分布形態(tài)產(chǎn)生影響。導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)材質(zhì)為低碳鋼，厚度為3mm，具體內(nèi)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)參數(shù)及與線圈相對(duì)位置如圖2所示。

表1 旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)作用下的介質(zhì)分配試驗(yàn)

用磁鐵礦粉配置密度為1.30g/cm3的重介懸浮液，在攪拌桶中充分?jǐn)嚢瑁鶆蚍€(wěn)定后用渣漿泵給入重介旋流器，入料壓力0.08MPa。線圈及導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)如圖2放置，并將線圈中心位置固定在旋流器錐部如圖3所示，通過(guò)改變線圈中勵(lì)磁電流的大小，以研究不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下旋流器底、溢流的介質(zhì)分配規(guī)律。試驗(yàn)系統(tǒng)采用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)密度計(jì)對(duì)旋流器底、溢流的密度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并生成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄以及數(shù)據(jù)曲線圖。

圖2 內(nèi)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)參數(shù)及與線圈相對(duì)位置

圖3 置于旋流器錐部的線圈

圖4和圖5為無(wú)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)和有導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)兩種條件下底、溢流介質(zhì)密度隨電流的變化情況和溢流介質(zhì)產(chǎn)率隨電流的變化情況。

圖4 電流強(qiáng)度對(duì)底、溢流介質(zhì)密度的影響

圖5 電流強(qiáng)度對(duì)溢流介質(zhì)產(chǎn)率的影響

由圖4可知，隨電流逐漸增大，在無(wú)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)和有導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)兩種情況下，底、溢流的密度變化規(guī)律基本不變，均是溢流密度先增大后減小，底流密度先減小后增大。當(dāng)附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)，0～5A時(shí)，溢流密度由1.160g/cm3增大到1.191g/cm3，底流密度由2.070g/cm3減小到1.659g/cm3；5～10A時(shí)，溢流密度減小到1.150g/cm3，底流密度增大到1.864g/cm3。從圖5可以看出，兩者溢流介質(zhì)產(chǎn)率變化趨勢(shì)雖然相同，但附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)后，溢流介質(zhì)產(chǎn)率普遍提高。

電流5A，磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.76×104A/m時(shí)，附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)情況下，溢流介質(zhì)密度增大到最高點(diǎn)，底流介質(zhì)密度減小到最低點(diǎn)。底、溢流之間的密度差小，介質(zhì)分配均勻，旋流器內(nèi)懸浮液穩(wěn)定性強(qiáng)；且此時(shí)的溢流介質(zhì)產(chǎn)率最大，預(yù)示著分選密度的提高?？梢园l(fā)現(xiàn)，在合適的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)能夠?qū)π髌鲀?nèi)進(jìn)入底、溢流的重介質(zhì)分配產(chǎn)生進(jìn)一步的影響，增大進(jìn)入溢流的介質(zhì)產(chǎn)率，從而影響旋流器內(nèi)的分選效果。

2.2 導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)作用下的粗煤泥分選試驗(yàn)

采用圖1試驗(yàn)系統(tǒng)，在配置好的重介懸浮液中加入-3mm粗煤泥煤樣，煤樣礦漿濃度為100g/L。攪拌均勻后以入料壓力0.08MPa給入重介旋流器內(nèi)進(jìn)行分選，系統(tǒng)穩(wěn)定后對(duì)旋流器底、溢流產(chǎn)物同時(shí)進(jìn)行采樣。經(jīng)由0.125mm標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)底、溢流產(chǎn)物進(jìn)行脫介，然后將篩上產(chǎn)物烘干、分級(jí)、稱(chēng)重，做灰分化驗(yàn)，得到在無(wú)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)和有導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)兩種情況下溢流(精煤)和底流(尾煤)的各粒級(jí)灰分，試驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 精、尾煤各粒級(jí)灰分(無(wú)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu))

圖7 精、尾煤各粒級(jí)灰分(有導(dǎo)磁結(jié)構(gòu))

由圖6和圖7可知，在無(wú)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)和有導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)兩種情況下：0～5A，精煤灰分快速增長(zhǎng)，尾煤灰分略有降低然后增長(zhǎng)；5～10A，精煤灰分基本穩(wěn)定或略有降低，尾煤灰分降低，分選效果變差。

電流5A，磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.76×104A/m時(shí)，無(wú)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)和附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)兩種條件下精、尾煤灰分同時(shí)增加，分選效果提高。兩種條件下的精、尾煤各粒級(jí)灰分如圖8和圖9所示(電流0A、無(wú)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)5A和附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)5A三種情況在圖8、圖9的橫軸上分別由0、1、2指代)。

圖8 不同導(dǎo)磁條件下精煤各粒級(jí)灰分

圖9 不同導(dǎo)磁條件下尾煤各粒級(jí)灰分

由圖8、圖9可知，導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)作用于旋流器錐部對(duì)旋流器分選效果有較明顯的影響。電流由0A升到5A，無(wú)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)情況下，各粒級(jí)精煤灰分均增長(zhǎng)，尾煤灰分總體增長(zhǎng)，0.5～0.125mm粒級(jí)尾煤灰分下降。0.5～0.125mm粒級(jí)精煤灰分上升，尾煤灰分下降，分選效果不如粗顆粒，分選效果變差。

附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)后，較之無(wú)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)情況下，精煤總灰分略有下降；各粒級(jí)尾煤灰分均增長(zhǎng)，3～1mm灰分增長(zhǎng)0.88%，1～0.125mm灰分增長(zhǎng)5%左右。3～0.5mm粒級(jí)精煤灰分下降，尾煤灰分增加，說(shuō)明附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)提高了分選精度，減少了精煤在底流中的損失，對(duì)分選起到了促進(jìn)作用。由此可見(jiàn)，在原磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上，導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)的施加對(duì)粗煤泥的分選起到了進(jìn)一步的強(qiáng)化作用，提高了分選效果。

3 磁場(chǎng)特性分析

3.1 磁場(chǎng)分布分析

實(shí)驗(yàn)采用ANSYS16.0有限元分析軟件進(jìn)行模擬，通過(guò)仿真對(duì)磁系的磁場(chǎng)特性進(jìn)行直觀的分析。電流5A時(shí)，對(duì)無(wú)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)及附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)后的磁系進(jìn)行磁場(chǎng)模擬，磁感線分布和磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖的仿真結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 磁感線分布

從圖10中可以看出，附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)明顯改變了磁感線走向，由于導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)對(duì)磁感線的引導(dǎo)，磁感線優(yōu)先通過(guò)導(dǎo)磁體而不會(huì)繼續(xù)消散，且在導(dǎo)磁體端部產(chǎn)生集聚。因此，導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)的施加減小了磁場(chǎng)的作用范圍，正是由于導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)這種對(duì)磁場(chǎng)的“聚磁”作用，增大了屏蔽端部的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度。從圖11中可以更清晰的看出，由于導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)的作用，磁場(chǎng)能量損失小，導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)端部附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度由2.26×104A/m增大到3.09×104A/m。

3.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)力分析

磁性顆粒在磁場(chǎng)中所受磁力表達(dá)為式(1)。

Fc=μ0κVHgradH

(1)

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率，κ為體積磁化率，V為體積，三者均為常數(shù)。所以由磁力計(jì)算式(1)可知，磁力的大小決定于磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度的乘積HgradH。

對(duì)磁場(chǎng)作用范圍內(nèi)各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁力進(jìn)行提取分析，選取縱向線L1、L2、L3和橫向線L4、L5、L6六條線段上的各點(diǎn)作為提取點(diǎn)，O為中心點(diǎn)，線段具體位置如圖12所示。

圖11 磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖

圖12 提取點(diǎn)位置示意圖

圖13 軸向位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)力

縱向線段L1、L2、L3上的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)力如圖13所示，當(dāng)附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)后，磁場(chǎng)作用范圍內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)力均有明顯地變化，并改變了軸向磁場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性。線圈所受磁場(chǎng)力原本是空間對(duì)稱(chēng)分布，磁場(chǎng)力較弱；施加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)后，導(dǎo)磁體附近位置由于磁場(chǎng)強(qiáng)度和梯度比未加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)下大很多，因此，磁場(chǎng)力也迅速增大。尤其位于線圈中心導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)端部位置即中心點(diǎn)O附近，此處由于導(dǎo)磁體對(duì)磁場(chǎng)的“富集”，磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，磁場(chǎng)力也隨之增大。

圖14 徑向位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)力

橫向線段L4、L5、L6上的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)力如圖14所示，無(wú)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)時(shí)，徑向位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)力均緩慢增長(zhǎng)；附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)后，由于導(dǎo)磁體對(duì)磁場(chǎng)的“富集”，使得磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)力隨著徑向位置的改變發(fā)生迅速變化，越是遠(yuǎn)離中心點(diǎn)O而接近導(dǎo)磁體附近，這種變化越是明顯。

可以看出，距線圈中心平面越近，磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)力的這種變化趨勢(shì)越是顯著。橫向線段L4上，磁場(chǎng)強(qiáng)度由1.57×104A/m增大至3.09×104A/m，徑向磁場(chǎng)力由3.32×103A2/m3增大到2.54×1010A2/m3，軸向磁場(chǎng)力由2.07×109A2/m3增大到3.64×1010A2/m3。線圈中心平面以下，當(dāng)逐漸遠(yuǎn)離線圈中心平面時(shí)，所受導(dǎo)磁體的影響隨徑向位置的變化開(kāi)始變小，磁場(chǎng)力也迅速變小。這一點(diǎn)和軸向位置上中心點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)力變化大，沿軸線方向遠(yuǎn)離中心點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)力變化較小相一致。

由圖13和圖14模擬結(jié)果可知，導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)的施加，縮小了磁場(chǎng)作用范圍，減小了磁場(chǎng)能量損失，使磁場(chǎng)“密而集中”，改變了磁場(chǎng)特性，進(jìn)而改變了磁性顆粒的受力狀態(tài)；并在磁場(chǎng)作用區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生濃度較高的重介質(zhì)富集區(qū)，改變重介質(zhì)在旋流器中的分布。在線圈中心平面線段L4上，由磁系中心到旋流器邊壁，在導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)的作用下，磁場(chǎng)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，徑、軸向磁場(chǎng)力迅速增大，更大的磁場(chǎng)力對(duì)旋流器中磁性顆粒的離心運(yùn)動(dòng)起到了強(qiáng)化作用，從而提高分選效果。

4 結(jié)論

通過(guò)在置于旋流器錐部的線圈上部附加內(nèi)屏蔽導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論。

1)電流5A，磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.76×104A/m時(shí)，附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步影響旋流器內(nèi)的介質(zhì)分配，溢流密度升高，底流密度降低，溢流介質(zhì)產(chǎn)率最大，為45.84%。

2)電流5A，磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.76×104A/m條件下，粗煤泥分選試驗(yàn)表明，附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)可以調(diào)整旋流的分選效果，同未加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)相比，精煤灰分略有降低，尾煤灰分升高5%左右。

3)由ANSYS軟件模擬可知，附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)縮小了磁場(chǎng)作用范圍，增大了磁場(chǎng)強(qiáng)度，顆粒受到的磁場(chǎng)力顯著增大，強(qiáng)化了顆粒的離心運(yùn)動(dòng)，從而提高旋流器的分選效果。

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Influences of an external magnetic structure located in the conical part on dense medium cyclone separation effects

FENG Cong，REN Xiaofen，XU Guochao，ZHANG Cheng′an，F(xiàn)AN Minqiang

(College of Mining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

In order to regulate and control the dense medium cyclone separation effects for separation density of the second segment, the paper added a magnetic structure to the coils located in the conical part of cyclone, under the electromagnetic field, by changing the intensity of magnetic field, the medium distribution test and -3mm coal slime separation test had been done. The test results show that when the inner magnetic structure was added to the upper part of coils located in the conical part of cyclone, compared with using coils only, under certain condition of intensity of magnetic field, lower ash of clean coal and high ash of coal tailing indicated the improvement of the separation efficiency. The magnetic system was analyzed by the finite element software ANSYS, the results showed that the additional magnetic structure can change the direction of the magnetic field, increase the concentration of the magnetic field energy and improve the magnetic force, so as to improve the separation effect.

magnetic structure; magnetic shielding; dense medium cyclone; separation effect; ANSYS

2016-09-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51274148)

馮聰(1992-)，男，江蘇淮安人，碩士研究生。

簡(jiǎn)介：樊民強(qiáng)(1964-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：fanminqiang@sohu.com。

TD94

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1004-4051(2017)01-0119-06