陳志友，石 晴，馮其明

中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長沙 410083

周期式高梯度磁選機(jī)磁系磁場的分析與應(yīng)用

陳志友，石 晴，馮其明*

中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長沙 410083

當(dāng)勵(lì)磁電流為200 A時(shí)，計(jì)算了周期式高梯度磁選機(jī)線圈軸線軸向和距軸線0.15 m處徑向的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件分析了屏蔽鐵鎧和磁極對(duì)線圈磁場特性的影響，同時(shí)采用該設(shè)備進(jìn)行了高嶺土磁分離除鐵實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明，距線圈中心0.1 m軸線軸向?yàn)?.326 T的均勻磁場，隨著與中心距離的增加磁感應(yīng)強(qiáng)度大幅下降；距軸線0.15 m徑向的磁感應(yīng)強(qiáng)度很小，在端面效應(yīng)的作用下達(dá)到最大值0.064 T；安裝屏蔽鐵鎧和磁極，線圈中心均勻磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度提高至0.95 T.在礦漿流速為0.7 cm/s，背景磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.1 T下，一次磁選將高嶺土的Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1.35%降至0.63%，白度由68%提高至89%.

磁選機(jī)；螺線管線圈；磁場特性；仿真；磁分離

為降低高嶺土、鉀鈉長石等非金屬礦中的鐵含量，磁選［1］相對(duì)浮選［2］、還原酸浸［3-4］和氯化焙燒［5］等有無污染、成本低的特點(diǎn).立環(huán)高梯度磁選機(jī)由于工作方式和磁介質(zhì)等因素［6］，對(duì)微細(xì)非金屬礦的除鐵效率較低，針對(duì)微細(xì)非金屬礦除鐵研制的周期式高梯度磁選機(jī)，多為除鐵應(yīng)用效果的報(bào)道［7-8］，磁場特性的研究很少.磁系是磁選設(shè)備的核心［9］，通過對(duì)磁系結(jié)構(gòu)的磁場特性研究，完成設(shè)備磁場特性的研究.

采用ANSYS電磁仿真對(duì)磁系進(jìn)行建模分析，清晰得到磁力線分布和磁場強(qiáng)度云圖［10］.盧東方等［11］仿真分析了履帶式永磁磁選機(jī)磁系的磁場特征，比較了2種磁結(jié)構(gòu)單元的仿真誤差.張榮嶺等［12］對(duì)條形永磁開路漏磁導(dǎo)磁場進(jìn)行仿真計(jì)算.鄭霞裕等［13］模擬了磁介質(zhì)排列組合方式和充填率對(duì)磁場特性的影響.盧東方等［14］對(duì)旋流高梯度磁選機(jī)的磁力場進(jìn)行仿真，計(jì)算了磁性和非磁顆粒的受力.目前，對(duì)周期式高梯度磁選機(jī)磁場的研究，為安裝磁極鎧裝螺線管線圈磁場的仿真，但未研究鐵鎧和磁極對(duì)線圈磁場的影響.本文以周期式高梯度磁選機(jī)的磁系為研究對(duì)象，采用ANSYS軟件對(duì)線圈及增加鐵鎧和磁極的磁場進(jìn)行仿真，得到磁力線分布、磁場分布云圖和磁感應(yīng)強(qiáng)度值，理論計(jì)算螺線管線圈軸向和徑向的磁場特性，清晰了解鐵鎧和磁極對(duì)線圈磁場的影響，并利用設(shè)備對(duì)微細(xì)高嶺土進(jìn)行除鐵試驗(yàn).

1 螺線管線圈磁場計(jì)算

1.1 螺線管磁場計(jì)算公式

多層密繞螺線管的內(nèi)半徑為R1，外半徑為R2，線圈長2L，總匝數(shù)為N，導(dǎo)線中通過的電流為I，多層密匝螺線管磁場模型見圖1.

圖1 多層密匝螺線管磁場模型Fig.1 Magnetic field model of close layers solenoid

則多層密匝螺線管近軸沿中心軸線x軸軸向的磁感應(yīng)強(qiáng)度［15］為：

同理可求出沿中心軸線向線圈y軸的徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度：

1.2 計(jì)算結(jié)果

線圈參數(shù)：R1=0.22 m，R2=0.5 m，L=0.25 m，y=0.15m，N=2124匝，I=200A，μ0=4π×10-7N/A2，利用式（1）和式（2），計(jì)算線圈軸線軸向的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx和距軸線0.15 m徑向的磁感應(yīng)強(qiáng)度By，結(jié)果見圖2.

圖2 磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈中心距離的關(guān)系Fig.2 Relationship between magnetic induction intensity and center distance of coil

由圖2可知，在線圈中心至0.1 m的區(qū)域內(nèi)，軸線軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度變化很小，近似為均勻磁場；當(dāng)與線圈中心的距離繼續(xù)增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度大幅下降，當(dāng)與線圈中心距離由0.1 m增加至0.25 m時(shí)，軸線軸向的磁感應(yīng)強(qiáng)度由0.326 T下降至0.26 T；徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度比軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度小得多，并在端面（x為0.25 m）附近出現(xiàn)最大值為0.064 T.

2 螺線管線圈磁場仿真研究

基于有限元軟件ANSYS的磁場仿真，研究了屏蔽鐵鎧和磁極對(duì)螺線管線圈磁場的影響，線圈的仿真參數(shù)與計(jì)算參數(shù)相同，線圈中心軸線為y軸，徑向?yàn)閤軸.

2.1 螺線管線圈磁場分布特性

勵(lì)磁電流為200 A時(shí)，螺線管線圈的磁力線分布見圖3，磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖見圖4，軸線軸向的磁感應(yīng)強(qiáng)度與距離的關(guān)系見圖5.

由圖3可知，線圈內(nèi)部磁力線向下，外部向上，形成回路，在端面和周圍漏磁嚴(yán)重；由圖4和圖5可知，線圈內(nèi)部中心位置磁感應(yīng)強(qiáng)度最高，沿四周下降；在線圈軸線中心一定距離內(nèi)，為磁感應(yīng)強(qiáng)度0.325 T的均勻磁場，與計(jì)算結(jié)果0.326 T基本一致，當(dāng)與線圈中心距離增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度急劇下降.

圖3 線圈的磁力線分布Fig.3 Magnetic field distribution of solenoid coil

圖4 線圈內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖：（a）剖視圖；（b）俯視圖Fig.4 Distribution of magnetic strength of inside solenoid coil：（a）Sectional view；（b）Top view

圖5 磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈中心距離的關(guān)系Fig.5 Relationship between magnetic induction intensity and center distance of coil

2.2 鎧裝螺線管線圈磁場分布特性

螺線管線圈為開放磁場，為提高線圈內(nèi)部的場強(qiáng)，一是增加線圈匝數(shù)或提高勵(lì)磁電流，但材耗、能耗過高；或在線圈外部和兩端安裝屏蔽鐵鎧和磁極.鐵鎧和磁極被外磁場磁化，使得任意點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為傳導(dǎo)電流和被磁化鐵磁質(zhì)分別作用時(shí)產(chǎn)生的磁場之和［16-17］.

因此，考查螺線管線圈外部安裝屏蔽鐵鎧對(duì)線圈磁場的影響.屏蔽鐵鎧厚度為20 mm，勵(lì)磁電流為200 A，線圈磁力線分布見圖6，磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖見圖7，軸線軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度與距離的關(guān)系見圖8.

由圖6可知，磁力線沿上端面向中心聚集，內(nèi)部向下至下端面指向鐵鎧，沿鐵鎧向上形成回路，在屏蔽鐵鎧的作用下，線圈周圍無磁力線分布，上下端面有漏磁.由圖7和圖8可知，在屏蔽鐵鎧的聚磁作用下，內(nèi)部磁場得到提高，線圈中心的均勻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度由0.326 T提高至0.37 T，當(dāng)與線圈中心距離增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度急劇下降.

圖6 鎧裝線圈的磁力線分布Fig.6 Magnetic field distribution of armored solenoid coil

圖7 鎧裝線圈內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖：（a）剖視圖；（b）俯視圖Fig.7 Distribution magnetic strength of inside armored solenoid coil：（a）Sectional view；（b）Top view

圖8 鎧裝線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈中心距離的關(guān)系Fig.8 Relationship between magnetic induction strength and center distance of armored coil

2.3 安裝磁極的鎧裝螺線管線圈的磁場分布

在鎧裝螺線管線圈端面安裝磁極，進(jìn)一步避免漏磁.磁極厚度為30 cm，孔隙率為25%，則磁力線分布見圖9，磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖見圖10，中心軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度與距離見圖11.

由圖9可知，磁力線沿上磁極向中心聚集，內(nèi)部向下至下磁極指向鐵鎧，沿鐵鎧向上，形成閉合回路，在屏蔽鐵鎧和磁極的聚磁作用下，線圈外部和端面無漏磁，由圖10和圖11可知，磁極被磁化，磁極的磁感應(yīng)強(qiáng)度最高為1.39 T，同時(shí)線圈內(nèi)部均勻磁場得到大幅提高，磁感應(yīng)強(qiáng)度由0.38 T提高至0.96 T.

圖9 安裝磁極的鎧裝線圈磁力線分布Fig.9 Magnetic field distribution of armored solenoid coil with magnetic pole

圖10 安裝磁極的鎧裝線圈內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖：（a）剖視圖；（b）俯視圖Fig.10 Distributions of magnetic strength of armored solenoid coil with magnetic pole：（a）Sectional view；（b）Top view

圖11 安裝磁極的鎧裝線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈中心距離的關(guān)系Fig.11 Relationship between magnetic induction and center distance of armored coil with magnetic pole

3 周期式高梯度磁選機(jī)的除鐵效果

3.1 礦樣性質(zhì)

對(duì)某高嶺土經(jīng)制漿、分級(jí)，-43 μm粒級(jí)進(jìn)行除鐵實(shí)驗(yàn).其主要雜質(zhì)礦物為鐵礦物、少量鈦礦物，其中鐵礦物主要為褐鐵礦和少量磁鐵礦.原料白度為64.4%，多元素分析見表1.

表1 礦樣多元素分析結(jié)果Tab.1 Chemical analysis results of composition of sample %

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

將高嶺土配制為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的礦漿，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的六偏磷酸鈉，攪拌10 min，取10 L礦漿進(jìn)行磁分離試驗(yàn)，磁介質(zhì)不銹鋼毛寬約0.1 mm，厚約0.07 mm，分析磁性和非磁性產(chǎn)品的Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和非磁性產(chǎn)品的白度，研究礦漿流速和背景磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)高嶺土除鐵效果的影響.

3.3 礦漿流速對(duì)磁分離效果的影響

磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.0 T時(shí)，研究礦漿流速對(duì)高嶺土除鐵效果的影響，結(jié)果見表2.

表2 礦漿流速對(duì)除鐵效果的影響Tab.2 Effect of pulp flow rate on iron removal

由表2可知，隨著礦漿流速增大，非磁性產(chǎn)品產(chǎn)率隨之增高，含鐵量亦增高，而白度隨之下降；流速超過0.7 cm·s-1，對(duì)非磁性產(chǎn)品的質(zhì)量影響較大，礦漿流速應(yīng)選擇0.7 cm·s-1.

3.4 磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)磁分離效果的影響

礦漿流速為0.7 cm·s-1，背景磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)高嶺土除鐵效果的影響，結(jié)果見表3.

由表3可知，隨著背景磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，非磁性產(chǎn)品產(chǎn)率隨之增高，含鐵量隨之降低，白度隨之提高，因此提高磁感應(yīng)強(qiáng)度有利于提高非磁性產(chǎn)品的質(zhì)量.

表3 磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)除鐵效果的影響Tab.3 Effect of magnetic induction on iron removal

4 結(jié) 語

本文通過理論計(jì)算和ANSYS仿真，分析了屏蔽鐵鎧和磁極對(duì)周期式高梯度磁選機(jī)勵(lì)磁線圈內(nèi)部磁場特性的影響，并驗(yàn)證了設(shè)備對(duì)高嶺土的除鐵效果.

1）由理論計(jì)算和仿真結(jié)果可知，距螺線管線圈中心100 mm區(qū)域內(nèi)約為0.326 T的均勻磁場，當(dāng)距離繼續(xù)增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度大幅下降.

2）由ANSYS仿真結(jié)果可知，屏蔽鐵鎧和磁極避免了螺線管線圈的漏磁，大幅提高了線圈內(nèi)部均勻磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度.當(dāng)勵(lì)磁電流為200 A時(shí)，螺線管線圈中心均勻磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.325 T，安裝屏蔽鐵鎧后提高至0.38 T，安裝屏蔽鐵鎧和磁極后提高至0.95 T.

3）在背景磁感應(yīng)強(qiáng)度1.1 T，礦漿流速0.7 cm·s-1時(shí)，對(duì)Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.35%、白度為68%的高嶺土進(jìn)行磁分離除鐵實(shí)驗(yàn)，可將Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至0.63%，白度提高至89%.說明周期式高梯度磁選機(jī)對(duì)微細(xì)粒高嶺土除鐵有一定的效果，能適應(yīng)微細(xì)粒非金屬礦的除鐵要求.

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Research and Application of Magnetic Field for Periodic High Gradient Magnetic Separator

CHEN Zhiyou，SHI Qing，F(xiàn)ENG Qiming*
School of Resources Processing and Bioengineering，Central South University，Changsha 410083，China

Magnetic induction intensity of the radial axis and 0.15 m from the axis of the coil in periodic high gradient magnetic separator were calculated at an excitation current of 200 A.The influences of shielded iron armor on magnetic field characteristics of the coil were analyzed by ANSYS finite element analysis software as well.Simultaneously，kaolin magnetic separation and iron removal experiment were carried out.The results showed that axial magnetic induction intensity around 0.1 m of the coil center was in a uniform magnetic field of 0.326 T，and the magnetic induction decreased significantly with the distance from center increasing.The magnetic induction of the site of 0.15 m around the axis was very small in the radial direction，and the maximum value of that was 0.064 T by the end effect.The magnetic induction of the uniform magnetic field in the coil center might increase to 0.95 T after an armored iron and a magnetic pole in the solenoid coil were installed.When the background magnetic induction intensity was 1.1 T at pulp flow rate of 0.7 cm/s，the mass fraction of Fe2O3in kaolin reduced from 1.35%to 0.63%，and the whiteness of it increased from 68%to 89%by one magnetic separation only.

magnetic separator；solenoid coil；magnetic field characteristic；simulation；magnetic separation

2017-05-26

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目（2014cb643400）

陳志友，博士研究生.E-mail：496916449@qq.com

*通訊作者：馮其明，博士，教授.E-mail：qmfeng@126.com

陳志友，石睛，馮其明.周期式高梯度磁選機(jī)磁系磁場的分析與應(yīng)用［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（5）：482-487.

CHEN Z Y，SHI Q，F(xiàn)ENG Q M.Research and application of magnetic field for periodic high gradient magnetic separator［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（5）：482-487.

TD97

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2017.05.014

1674-2869（2017）05-0482-06

苗 變