基于ANSYS的高梯度磁選機中聚磁介質排布結構優化

李巧英 劉風亮 賈洪利 王寶春 陳傳君 張金慶 王 龍

(山東華特磁電科技股份有限公司)

據海關總署統計，中國2014年鐵礦石進口為9.3250億 t，同比上漲13.8個百分點，全年進口量創紀錄新高，遠超2013年的8.203億t。而我國當前礦產資源中微細粒嵌布的弱磁性鐵礦物資源儲量大、回收率低，導致我國鐵礦石主要依賴國際市場的供給，這樣嚴重制約著我國鋼鐵行業發展。針對目前鐵礦石的亟需形式，在技術上開拓經濟合理的選礦工藝和磁選設備，來開采我國已存的鐵礦資源是非常迫切的［1］。通過研究幾種聚磁介質在強磁選中的最合理的排布結構，以增大材料的磁導率，提高飽和磁感應強度，并保證材料的機械強度;結合不同截面形狀聚磁介質的優勢探索適宜的介質形狀尺寸及合理的排布方式，以提高磁場梯度并減少物料堵塞情況的發生［2］。為此，利用ANSYS有限元仿真模擬技術，理論研究聚磁介質周邊的磁場特性及顆粒捕集機理，直觀的分析多介質單元的相互作用下對磁場分布情況及礦漿在磁介質表面的流態分布的影響。以推動我國非金屬礦和弱磁性金屬礦選礦技術的創新和快速發展，對于擴大我國可工業利用鐵礦資源量，減少對國際鋼鐵市場的依賴，保障鐵礦資源的安全供給及促進鋼鐵工業的可持續發展將具有重大的意義［3］。

1 幾種棒介質的排列方式對磁場特性的影響

在現有高梯度磁選機中，應用最多的聚磁介質類型為棒狀介質(選用導磁不銹鋼材料)，棒介質具有容易實現排列組合的最優化、不受磁場方向的影響和不易堵塞等優點，在實際應用中得到了廣泛認可。聚磁介質通常是以介質群組的形式存在，單絲圓柱形棒介質并不能反映實際分選區多絲介質周圍磁力分布的狀況［4］，此處不再做研究，主要針對多根介質組合不同的介質棒截面形狀、尺寸、排列方式和充填率對磁場特性產生的影響進行仿真分析。

1.1 單一形狀尺寸的介質棒排布結構對磁場特性的影響

高梯度磁選中的介質棒有很多種排列方式，最常見的是上下對齊排列和上下交替排列。以直徑為1.5、2.0 mm 的圓棒以及4 mm ×7 mm 的菱形介質棒(介質棒均采用導磁不銹鋼)分別作為磁選區間的填充介質，利用ANSYS分別對磁介質的對齊排列和交錯排列兩種方式進行仿真模擬，磁場分布情況見圖1～圖3。在保證介質棒中心間距相同(即聚磁介質的充填率相同)的情況下，將介質組合放置于636.94 kA/m的背景場強中，模擬導磁介質棒產生的高梯度磁場(背景磁場的方向為上下方向，下同)。

由圖1～圖3可知:

(1)聚磁介質組合不論是采用對齊排列還是交錯排列的方式，對磁場特性的影響差別不大，但交錯排列方式比對齊排列方式的磁場均勻性更好些。物料的流通區域是在兩磁介質之間，此區間磁場強度值和磁場梯度都相對磁介質表面較小，如果介質的捕集力度不足以捕捉到由此區間通過的磁性顆粒，那么這些磁性顆粒將隨著無磁性物料一起流失，而降低產量，這無疑對分選不利。而上下交錯的方式排列磁介質群可以均勻的將磁場均開，避免出現磁場盲區，因此能夠較好的減少磁性物料流失問題的出現。

圖1 1.5 mm介質棒群感應磁場

圖2 2.0 mm介質棒群感應磁場

圖3 菱形介質棒4 mm×7 mm感應磁場

(2)在縱向感應磁場中，高場強主要分布在介質棒上下表面的中心附近，2種圓形聚磁介質棒磁場強度最大值均達到1488.85 kA/m左右。介質棒的直徑越小，最大磁感應強度越大，但是強磁場區域的面積也就越小，衰減的越快，即磁場梯度越高。菱形介質棒不論是對齊排列還是交錯排列最大磁場強度均達到2587.58 kA/m以上，是1.5 mm圓形介質棒感應磁場強度的1.8倍，說明菱形介質棒的磁場特性更優越。這是因為菱形聚磁介質有尖角出現，介質尖角處的曲率較大，因此在磁場方向上尖角效應就較明顯，導致背景磁場發生畸變的程度也就越大，梯度也越高。

1.2 介質棒混合排列形式對磁場特性的影響

高梯度磁選中由于磁性顆粒所受磁力與其體積、磁性、背景磁場強度成正比，因而體積較大、強磁性顆粒在磁選區間最先被捕捉，超出捕集力度的粒度較小、弱磁性顆粒在流通過程中依次被捕捉?；谶@個原理，研究如何合理的利用磁場空間分布情況進行有機的排列介質棒，以達到高梯度、不堵塞的效果。

1.2.1 同一截面形狀、不同直徑的聚磁介質組合

以介質棒橫截面直徑為2.0 mm和1.5 mm混合的介質群與單一截面直徑的介質群為對象對磁場特性的影響進行對比研究。為便于觀察磁場梯度變化，采用上下對齊的方式排列，且分為上下分區排列、上下交替排列兩種方式，背景磁場強度為636.94 kA/m的磁感應強度等值圖分別見圖4、圖5。為便于觀察和對比兩種磁介質周圍的磁場強度和梯度，只對比圖4、圖5其中一列中心豎直連線的磁場強度數值，將其磁場強度數值連成一條線見圖6、圖7，其中的豎直線為磁介質的邊界。

圖4 2.0 mm與1.5 mm棒對齊、上下分區排列磁場強度等值圖

圖52.0 mm與1.5 mm棒上下交替并對齊排列的磁場強度等值圖

圖6 圖4中指定路徑的磁場強度

圖7 圖5中指定路徑的磁場強度

由圖4～圖7可見，磁介質上下部分附近的磁場強度最強，左右部分最弱，此特性與單一棒一致。磁介質最大磁場強度基本一致，均達到1592.36 kA/m，大于排列方式、背景磁場強度、截面直徑均分別相同的單一磁介質直徑為1.5 mm和2.0 mm的磁介質區的最大磁場強度，并且最大值出現在分區邊界的1.5 mm上部邊界處。直徑1.5 mm的磁介質的最大表面感應磁場強度較大，離開介質表面衰減的也較快，可知聚磁介質棒橫截面直徑越小周圍磁場強度、梯度均較大。因而，在實際應用中可根據磁性形態大小、物料有用礦物的磁特性選擇直徑較小的磁介質來實現較高的磁場梯度。

對比圖4、圖5可知，兩種排列方式對磁場影響效果基本一致，但是結合實際選礦過程中上部磁介質捕捉粒度較大磁性顆粒，下部磁介質捕捉粒度較小磁性顆粒，可得出優先選用上下分區排列結構。這是因為實際介質組合中不同截面尺寸的介質棒充填率不同，只有上下分區填充才能更好的發揮其捕集作用。

1.2.2 不同橫截面形狀、同一中心距的聚磁介質組合

磁介質橫截面的形狀對磁介質的磁場特性影響較大，改變磁場梯度的另一種常用方法是采用截面形狀不同的磁介質組合［5］，菱形4 mm×7 mm與2.0 mm棒交錯排列磁場強度等值圖見圖8。為便于觀察磁場梯度變化，仍采用上下對齊的排列方式。為便于對比單一棒與混合棒磁介質周圍的磁場強度、梯度，將圖8與圖3a中同一列菱形介質棒中心連線的磁場強度數值作為縱坐標，將該中心線作為橫坐標，見圖9，其中的豎直線為磁介質的邊界。

圖8 菱形4 mm×7 mm與2.0 mm棒交錯排列磁場強度等值圖

由圖3(a)、圖8可見，菱形與常規2.0 mm介質棒的混合棒的感應磁場強度明顯高于單一菱形介質棒組合，因此實際應用中可適當加大棒與棒的間距，以減小填充率，節省成本;對比圖9a、9b可知，混合棒的最大磁感應強度(2705.01kA/m)也高于單一菱形介質棒(2516.88 kA/m)，因此可以考慮采用此結構選別弱磁性赤鐵礦。

圖9 指定路徑的磁場強度

1.3 聚磁介質充填率對磁選區間磁場特性的影響

當磁選區間中磁介質充填率較低時，磁介質間的水平間距就會過大，磁場盲區現場更明顯，磁性顆粒流過此區域時所受磁力小，超出磁介質對其的捕集力，就無法被捕集到，因此說明磁介質對一定粒度磁性顆粒的捕集作用是有范圍限制的。由圖3a和圖8對比，也可明顯看出充填率大，高場強區所占面積也較大，這樣有利于介質棒對弱磁性物料的捕集作用。磁介質充填率高也意味著磁選設備對原礦處理量大，這會提高磁選效率和產量。但是充填率不是越高越好，過高的磁介質充填率會導致分選間隙減小，礦漿流動阻力增大，物料堵塞。

2 結語

(1)不同橫截面形狀、尺寸的聚磁介質，其表面曲率不同，背景磁場中磁力線的方向也就不同，因此會產生不同的磁場特性分布。采用橫截面表面曲率大、飽和磁化強度值高的聚磁介質都有利于提高聚磁介質周圍的磁場強度和梯度。借此可以根據礦樣的實際情況選用不同截面形狀的聚磁介質。

(2)在豎直磁場中，磁介質上下對齊排列與上下交替排列對磁場強度和梯度的作用情況基本相同，但介質上下交替排列的方式更有利于對磁性顆粒的捕集;不同磁介質組合可以根據磁性顆粒的大小、特性更合理、有效的利用磁場的空間分部。

(3)磁性顆粒在磁場中所受磁力與多種因素有關，一定程度增大磁介質充填率有利于改善分選效果和處理量，但磁介質充填率過高不僅降低磁場強度和梯度，而且阻礙礦漿的正常流動，影響分選效果。

(4)棒狀介質流通性好，不易堵塞，可適用于金屬礦選礦、非金屬礦除鐵。由于網狀介質表面曲率大，產生的磁場梯度比常用棒狀高，齒板網與鋼板網的組合介質梯度更高，磁場強度更大，但有回收率高、易堵塞的特點，適于鐵礦選礦;鋼毛介質梯度最大，但流通性差，機械捕獲率高，堵塞后易被壓實，適于高嶺土、陶瓷等非金屬礦除鐵。

［1］ 張玉棟.微細粒貧赤鐵礦強磁選中聚磁介質優化研究［D］.河北:河北聯合大學，2013.

［2］ 李文博，韓躍新，湯玉和，等.高梯度磁選機聚磁介質的研究及發展趨勢［J］.金屬礦山，2012(9):129-133.

［3］ 李新軍.鐵礦石國際貿易的經濟學分析—價格和議價能力決定因素的研究［D］.安徽:安徽大學，2010.

［4］ 孫炳泉.近年我國復雜難選鐵礦石選礦技術進展［J］.金屬礦山，2006(3):4-5.

［5］ 翟宏新.高梯度磁分離設備的介質體新結構［J］.過濾與分離，1994(1):16-20.