李作敏，張穎新，于岸洲

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所，河南 鄭州，450006；2.國(guó)家非金屬礦資源綜合利用工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州，450006)

電磁選機(jī)以電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的基本原理，通過(guò)一定的磁系設(shè)計(jì)與機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)礦物分選[1-2]。近幾十年來(lái)，電磁磁選機(jī)迅速發(fā)展，為弱磁性礦物分選提供了高效的設(shè)備支撐，代表性的電磁磁選機(jī)有瓊斯高梯度磁選機(jī)、立環(huán)高梯度磁選機(jī)與漿料高梯度磁選機(jī)[3-4]，供電電源作為設(shè)備磁場(chǎng)的統(tǒng)一配置，激勵(lì)磁場(chǎng)的生成，而激勵(lì)磁場(chǎng)的勵(lì)磁系統(tǒng)有多種組成形式，本文考察多種勵(lì)磁形式下的磁場(chǎng)差異性，進(jìn)而檢驗(yàn)不同磁場(chǎng)特性對(duì)礦物分選效果的影響。

1 電磁磁選機(jī)實(shí)驗(yàn)室模型的設(shè)計(jì)

以小型電磁鐵為研究對(duì)象，配置不同的勵(lì)磁系統(tǒng)，考察其磁場(chǎng)特性的不同，設(shè)計(jì)一臺(tái)最高磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度為1 000 mT的電磁鐵，確定兩磁極頭間距為12 mm，線圈包裹在連接磁極頭的磁軛處，有利于磁場(chǎng)強(qiáng)度最大化利用[5]，線圈選用直徑為2 mm的漆包銅線，考慮刷漆與導(dǎo)線間隙，每根導(dǎo)線按照4 mm計(jì)算，應(yīng)用磁位降法[2,5-6]確定磁軛尺寸與線圈匝數(shù)，線圈總匝數(shù)270匝，橫向30匝，長(zhǎng)度為120 mm，縱向9匝，長(zhǎng)度為36 mm；磁軛為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，橫向上磁軛的長(zhǎng)127 mm，寬60 mm，其兩側(cè)對(duì)稱(chēng)，下磁軛長(zhǎng)390 mm，寬60 mm；縱向磁軛長(zhǎng)200 mm，寬60 mm。電磁鐵外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電磁鐵外形結(jié)構(gòu)

2 多類(lèi)型勵(lì)磁系統(tǒng)的研究

2.1 直流穩(wěn)壓電源勵(lì)磁系統(tǒng)

選用能提供最大輸出電流20 A，電壓14 V的直流穩(wěn)壓電源為電磁鐵的勵(lì)磁裝置，正常供電后，調(diào)節(jié)輸出電流的大小，使磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度為400 mT。利用高頻率高斯計(jì)CH-1600探頭放置于兩端磁極頭間隙處監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)瞬時(shí)變化，應(yīng)用9針串口(RS232)與計(jì)算機(jī)相連，接收實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)導(dǎo)入至Origin分析整理，數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。

圖2 直流穩(wěn)壓電源生成磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

磁場(chǎng)波形隨著電流輸入波形的波動(dòng)而發(fā)生瞬時(shí)變化，磁感應(yīng)強(qiáng)度在399.5 mT浮動(dòng)，最大值為399.9 mT，最小值為399.2 mT，磁感應(yīng)強(qiáng)度的波動(dòng)范圍在0.7 mT內(nèi)，直流穩(wěn)壓電路產(chǎn)生非常穩(wěn)定的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

2.2 移相觸發(fā)調(diào)壓式勵(lì)磁系統(tǒng)

采用移相觸發(fā)電路作為電磁鐵的勵(lì)磁系統(tǒng)，觀察電流波形的變化對(duì)其所產(chǎn)生磁場(chǎng)特性的影響，其電路接線方式如圖3所示。

圖3中虛線部分左一為半控移相調(diào)壓電路，只能調(diào)節(jié)二分之一電壓波形，其變壓器輸出端a接入調(diào)壓裝置輸入端1、2和3并聯(lián)使調(diào)壓裝置形成回路與整流裝置的c端串聯(lián)，變壓器輸出端b與整流裝置d串聯(lián)后形成主回路系統(tǒng)。觸發(fā)器的220與ON端外接一個(gè)220 V交流電給觸發(fā)器供電，其公共端、主輸入與+5V的端子分別與電位器的o、p、q相接，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)功率調(diào)節(jié)功能，觸發(fā)器的兩個(gè)觸發(fā)端子分別于調(diào)壓可控硅G1、K1相接完成觸發(fā)。按照?qǐng)D3半控移相調(diào)壓接入電磁鐵，測(cè)定磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，如圖4所示。

圖3 電磁鐵勵(lì)磁系統(tǒng)電路圖

圖4 半控移相調(diào)壓控制電路生成磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

圖4中每?jī)蓚€(gè)正弦波組成一個(gè)周期，相鄰正弦波的磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度峰值相差1 mT，磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值為400 mT，最小值為397 mT，相差3 mT，每個(gè)周期的波動(dòng)在4 s左右，確定其為較穩(wěn)定的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布[7]。

圖3中虛線框左二為全控移相調(diào)壓電路，其調(diào)壓端子K2、G2與觸發(fā)器的觸發(fā)端子2相接完成控制[8-10]，其他電路與半控移相調(diào)壓一致，其周期內(nèi)上下波形均可調(diào)節(jié)，調(diào)試完成后得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度波形如圖5所示。

圖5 全控移相調(diào)壓控制電路生成磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

圖5中為兩個(gè)完整的周期，與半控移相調(diào)壓控制電路相比，每個(gè)周期波形可控部分增多，三個(gè)波峰兩個(gè)谷值，磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度最大值為411.5 mT，最小值為406 mT，相差5.5 mT。與半控移相調(diào)壓電路相比，磁感應(yīng)強(qiáng)度波動(dòng)值增加了2.5 mT。

2.3 過(guò)零觸發(fā)調(diào)壓式勵(lì)磁系統(tǒng)

過(guò)零觸發(fā)調(diào)壓電路的調(diào)壓特點(diǎn)是在一定的時(shí)間周期里，根據(jù)所設(shè)定的電壓值，瞬間關(guān)斷或開(kāi)啟數(shù)個(gè)完整周期的電壓，所呈現(xiàn)的通電電壓波形依然是完整的周期波[11]，過(guò)零觸發(fā)調(diào)壓式電路接線方式與移相觸發(fā)調(diào)壓電路一致見(jiàn)圖3，不同的是置換觸發(fā)器中觸發(fā)板的DIP開(kāi)關(guān)[12]，第三位功能鍵OFF變?yōu)镺N，使之為過(guò)零觸發(fā)方式[13-14]。測(cè)定過(guò)零觸發(fā)調(diào)壓控制電路產(chǎn)生的磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度見(jiàn)圖6。

由圖6可見(jiàn)，每個(gè)磁場(chǎng)波形為完整的正弦波，波峰值大小在一定的時(shí)間內(nèi)呈有規(guī)律的變化，磁感應(yīng)強(qiáng)度波動(dòng)頻率較大，每?jī)蓚€(gè)相鄰周期約隔1 s，磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值為415 mT，最小值為396.5 mT，相差18.5 mT。為了進(jìn)一步確定磁場(chǎng)波動(dòng)與電流的關(guān)系，對(duì)過(guò)零觸發(fā)半控電路變換為過(guò)零觸發(fā)全控調(diào)壓，考察組成的勵(lì)磁系統(tǒng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)特性，見(jiàn)圖7。

圖6 半控過(guò)零觸發(fā)調(diào)壓電路生成磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

圖7 全控過(guò)零觸發(fā)調(diào)壓電路生成磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

全控過(guò)零觸發(fā)調(diào)壓系統(tǒng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)波動(dòng)頻率進(jìn)一步增大20次/s的采集點(diǎn)有5個(gè)完整的周期，平均每?jī)蓚€(gè)相鄰的波峰之間相隔約0.2 s，其磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值為421 mT，最小值為396 mT，相差25 mT；每5個(gè)周期波呈有規(guī)律性的逐漸降低。

由此可得出結(jié)論：直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)生的磁場(chǎng)較穩(wěn)定，移相調(diào)壓控制電路產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度有微小波動(dòng)，而過(guò)零觸發(fā)控制電路產(chǎn)生的磁場(chǎng)波動(dòng)范圍較大，頻率較高?？梢?jiàn)不同的勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生具有不同特性的磁場(chǎng)，電壓輸出波形與輸出頻率直接影響所產(chǎn)生的磁場(chǎng)特性，磁場(chǎng)波動(dòng)范圍與波動(dòng)頻率因其不同而發(fā)生改變，磁選機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)不是單一的供電系統(tǒng)，其直接影響輸出磁場(chǎng)模式。在磁選機(jī)選型中，往往只考慮磁場(chǎng)強(qiáng)度的強(qiáng)弱，而忽略磁場(chǎng)特性對(duì)選礦指標(biāo)的影響。

3 多類(lèi)型勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)礦物分選的影響

根據(jù)不同的勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生不同特性的磁場(chǎng)，考察不同勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)礦物分選的影響，電磁鐵無(wú)法直接進(jìn)行礦物分選，選擇上述設(shè)計(jì)中產(chǎn)生磁場(chǎng)特性差異較大的三種勵(lì)磁系統(tǒng)(直流穩(wěn)壓勵(lì)磁系統(tǒng)、全控移相調(diào)壓式勵(lì)磁系統(tǒng)與全控過(guò)零調(diào)壓式勵(lì)磁系統(tǒng))配置給周期式高梯度磁選機(jī)Ф200，對(duì)原礦鐵品位(TFe)為19%，-0.075 mm占62.7%的磁鐵尾礦進(jìn)行分選，試驗(yàn)流程如圖8所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖8 不同勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)用試驗(yàn)流程圖

試驗(yàn)編號(hào)產(chǎn)品名稱(chēng)產(chǎn)率/%TFe品位/%TFe回收率/%直流穩(wěn)壓電源精礦45．0624．7458．3掃精17．0514．5913．01尾礦37．8914．4828．69合計(jì)10019．12100移相觸發(fā)調(diào)壓控制電路精礦38．8328．2755．19掃精14．1815．9711．38尾礦46．9914．1533．43合計(jì)10019．68100過(guò)零觸發(fā)調(diào)壓控制電路精礦19．1134．0133．98掃精20．0818．5719．49尾礦60．8114．6446．53合計(jì)10019．13100

由表1可知，分別應(yīng)用三種勵(lì)磁系統(tǒng)匹配的磁選機(jī)對(duì)磁鐵礦作磁選試驗(yàn)，直流穩(wěn)壓電源勵(lì)磁系統(tǒng)分選的精礦TFe為24.74%，移相觸發(fā)調(diào)壓控制電路分選的精礦TFe為28.27%，過(guò)零觸發(fā)調(diào)壓勵(lì)磁系統(tǒng)分選的精礦TFe為34.01%，可見(jiàn)精礦品位隨著磁場(chǎng)震蕩頻率與磁場(chǎng)波動(dòng)范圍的增大而提高。礦物被分選的過(guò)程中，磁場(chǎng)強(qiáng)度波動(dòng)范圍與波動(dòng)頻率的加大，磁性顆粒完成被磁場(chǎng)吸附→松散→吸附的多次分選過(guò)程[15-16]，有效地排除了磁性礦粒中夾雜的非磁性礦物，提高了精礦品位[17]。

4 結(jié) 論

1) 不同勵(lì)磁方式產(chǎn)生具有不同特性的磁場(chǎng)強(qiáng)度。勵(lì)磁系統(tǒng)為直流穩(wěn)壓電路時(shí)，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)波動(dòng)范圍極小，可稱(chēng)之為穩(wěn)定磁場(chǎng)；當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制方式移相觸發(fā)調(diào)壓電路，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍變大，并隨觸發(fā)方式的不同形成波動(dòng)幅度強(qiáng)弱變化的磁場(chǎng)；過(guò)零觸發(fā)調(diào)壓電路組成的勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)波動(dòng)周期小，波動(dòng)范圍最大，波動(dòng)頻率最高。

2) 應(yīng)用三種勵(lì)磁系統(tǒng)做磁鐵礦選礦試驗(yàn)，直流穩(wěn)壓型勵(lì)磁系統(tǒng)分選精礦品位最低，回收率最高；過(guò)零觸發(fā)型勵(lì)磁系統(tǒng)分選精礦品位最高，回收率最低。電磁式磁選機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)不能單一理解成為普通機(jī)器供電的供輸電系統(tǒng)，當(dāng)供給與調(diào)壓方式發(fā)生改變時(shí)，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)特性也發(fā)生相應(yīng)的變化，并影響礦物分選指標(biāo)，可見(jiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)是衡量電磁式磁選機(jī)性能的重要因素之一。

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