組合式多極電磁除鐵器的設計及應用

楊 敏，張志剛，韓 臻，陳達坤

(山東博選礦物資源技術開發有限公司，山東 濟寧 272000)

1 組合式多極電磁除鐵器設計方案

通過現場調研分析，被遺漏鐵器埋入煤層深，20%的尺寸大于70 mm、重量約0.5～2 kg、條狀居多、材質磁性中等、量不大(噸煤0.5 kg左右)。選煤廠振動篩篩面煤層薄且散狀移動，所有雜物暴露無遺，因此，選擇在振動篩篩分過程中將其清除[10]。振動篩篩分物料速度為200 mm/s，厚度150 mm，寬度3 000 mm，振幅10 mm，頻率16 Hz。最初設想采用硬磁鐵吊裝在篩面上用以除雜，但是由于其體積大、重量大，不僅會影響篩機維修檢查，且清理雜物難度大，安全系數低，后又考慮將其安裝在篩前落料點，但距離遠時吸力達不到，距離近時會影響篩分。通過市場調研，沒有找到能攔截3 m以上寬度的電磁鐵，因此提出自行研制的想法[11-13]，把電磁鐵單元化進行組裝，利用磁場強度疊加原理達到現場需要的目的。

2 組合式電磁除鐵器工作原理

組合式多極電磁除鐵器(圖1)是以滿足現場使用為目的，基于磁場疊加對磁力合成影響的原理，在現有磁電技術基礎上進行創新，先后從磁體極性、鐵芯結構、磁場強度等方面進行分析，最終達到現場要求。

圖1 組合式多極電磁除鐵器結構示意

(1)設計理念：是對電磁鐵進行單元化結構設計，同時以小重量級磁性雜物為清除對象，吸力一般都在幾千克之內，由于單體磁極結構相同，便于組合在一起，能形成較大的覆蓋范圍，同時，單磁體小型化，結構相同，互換性強，便于不同篩子的調配試用、安裝維護。

(2)磁極中心化向網絡化發展：磁極靠近中心軸方向磁場強度最大，磁力線也最密集。去中心化的優勢是同樣磁功率條件下，產生更大面積磁力分布，達到磁力吸程均衡的效果，同磁極磁力線伸展性好，將多個單元磁體同極性梳狀排列后，中心斷面的磁場強度梯度變化趨向平緩。

(3)提高磁場分布梯度：采用多匝數小電流，具備高梯度、低溫升、低功率節能特性。

(4)電磁鐵整體呈梳狀結構：安裝在有限空間的振動篩內。要求單體磁極小形化，結構相同，便于磁體組合，首臺應用在3 m寬度的振動篩上進行全斷面無間隙攔截磁性雜物。

(5)磁極中心剖面的磁力合成具有均衡性：采取極性異性相間排列，每個磁極的中心線之間的吸力達到吸取磁性雜物的要求，不能出現吸力薄弱空檔，吸力強度在中心線剖面形成一道封閉的攔截墻，避免雜物漏失。200 mm吸程產生的合成力大于垂直分量。

(6)磁體移動具有實時性：顧及到物料量的變化、振動篩的維修以及卸料等因素，要求磁體具有較好的調節性，能在工作中實現前后、上下的移動，所以采取機械式支架結構安裝。雖然整體設備有4 t左右，但是移動起來比較省力，只需要1個人就可以完成操作，后續具有電動驅動的條件。

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(7)產品參數設定：技術參數要求磁場引力吸程200 mm，與物料保持足夠的空間，暢通不堵塞，方便走料；最大吸力滿足45°角度，2 kg磁性雜物能被吸起(因為物料中最重磁性雜物1.7 kg)，保留足夠的冗余度。

3 設備總體要求

(1)設備所有部件工藝制造規范、功能齊全，在正常情況下均能安全、持續運行。

(2)具有良好的表面幾何形狀及合適的公差配合，所有外購配套件必須采用節能、環保、先進的材料配件，并有生產許可證及產品檢驗合格證，禁止采用國家公布的淘汰產品。

(3)因除鐵器安裝在室內，環境潮濕、多塵，設備要求能長時間經受低溫粉塵、濺水振動等工作條件。

(4)除鐵器為懸掛式梳狀多極電磁除鐵器，布置于振動篩上面，全斷面攔截，滿足連續不斷的自動吸取磁性雜物，移動自卸料方式，并且卸料到指定位置，不影響生產。

4 工藝特點及設備性能指標

4.1 工藝特點

(1)除鐵器磁芯(即電磁鐵部分)為超高H級絕緣。具有優良的絕緣和耐腐蝕性能(冷態絕緣電阻≥500 MΩ，熱態絕緣電阻≥200 MΩ)。

(2)除鐵器磁系采用真空環氧灌注和真空浸漆工藝處理，磁系線圈繞線的層匝間隙、線圈與軛板間隙真正實現全填充、全灌注，確保勵磁通電瞬間，線圈固定紋絲不動，有效地防潮、防塵，因而能夠適應各種惡劣環境需要。同時，真空環氧灌注能很好的固定線圈，延長設備的使用壽命。

(3)除鐵器磁系絕緣工藝要使用真空環氧樹脂灌注，不可采用石英砂等其它材料作為填充材料。因為石英砂填充結構松散，不能起到固定線圈作用，使用過程中通電過程會造成線圈磨損和絕緣脫落等問題，嚴重影響使用壽命。

(4)密封導磁筒與大軛板間為連續焊接結構，不采用螺栓固定結構。防止在導磁筒和大軛板之間會留有一定的縫隙，導致潮氣等進入到線圈內部，降低除鐵器的絕緣，影響使用壽命。

(5)采用高導磁率、高飽和磁感應強度的DT4電工純鐵做為鐵芯，降低了冷熱態磁場差異，提高了總磁場的穩定性。除鐵器對外提供的磁場包括兩部分：一是線圈提供的勵磁磁場，它會隨冷熱態發生變化。二是軟磁鐵芯被磁化后提供的磁場。后者是除鐵器磁場的主要提供源，它隨磁化場增大而增大，直到飽和磁化(如彈簧隨壓力變化伸縮，當達到極限時便不再隨壓力變化而變化)。

(6)采用多層繞組加散熱翅片的自然風冷散熱結構，使散熱面積大幅提高，散熱更加均勻，大大降低溫升和磁芯表面溫度，使除鐵器冷熱態性能差異降至最小，也有效地防止了粉塵的沉積，起到阻燃作用。而單線圈繞組結構則使線圈繞組過厚，而散熱的實質就是溫差傳熱過程，過厚的線圈會使內部溫度過高，易破壞線圈的層匝絕緣。

4.2 設備性能指標

組合式多極電磁除鐵器設備性能指標見表1。

表1 設備性能指標

5 組合式電磁除鐵器摸擬實驗

組合式電磁除鐵器設計功率為9.23 kW，電流30～35 A，采取真空浸漆環氧灌注工藝，磁物(鐵板)傾角為45°時，吸程200 mm處吸力約40～45 N。組合式電磁除鐵器進行模擬實驗時，不斷調整柱形鐵芯結構尺寸、安匝數及間隙等參數，從而改變電流大小，以獲得磁極組合體中心軸斷面磁場強度分布的一般規律，圖2、圖3展示了不同形狀磁極組合體進行軟件模擬的測試圖，左側圖形均代表磁極組合體中心軸斷面磁場強度隨電流變化的規律，右側圖形直觀顯示磁極組合體磁場強度大小，其中紅色表示磁場強度最大，外延至綠色表示磁場強度逐漸減弱。圖2是3個圓柱形磁極組合體進行軟件模擬的測試圖，由圖可知，當采用圓柱形磁極組合體時，四周磁場分布不均，磁場強度差異明顯，實際運用中可能出現較多吸力薄弱的空檔。

圖2 圓柱形磁極組合體軟件模擬測試

將磁極由圓柱形改為圖3中間矩形(470mm ×130mm× 482mm)、兩邊半圓(φ130 mm)結構的形式再進行軟件模擬測試，結果顯示，磁極組合體中心軸斷面磁場分布平緩，磁力均衡，采用較小的電流就可使每個磁極的中心線之間的吸力達到吸取磁性雜物的要求，吸力強度在中心線剖面可形成一道封閉的“攔截墻”，避免磁性雜物漏失，效果明顯比圓柱形磁極組合體結構好。

圖3 中間矩形、兩邊半圓磁極組合體軟件模擬測試

6 應用效果

組合式多極電磁除鐵器在亭南選煤廠投入使用后，采用即停即清的方式，每日清理鐵器約20 kg，磁性雜物凈化率可高達100%。通過凈化煤流，一方面減少了鐵器對下游設備的損害，通過對比設備更換周期，混料泵使用周期延長30%，每年可以節省3臺泵，減少設備投入80余萬元；另一方面，減少因鐵器進入混料桶造成的壓桶事故，組合式多極電磁除鐵器投入使用前，為了防止鐵器在混料桶(2個一段混料桶，1個二段混料桶)積攢，每兩個月需要進行一次放桶處理，每個混料桶每次消耗介質10 t左右，組合式多極電磁除鐵器投入使用后，每年可節約介質約180 t，節約成本10余萬元，同時還大大降低了職工的勞動強度。

7 結 語

產品磁性雜物徹底凈化是綠色礦山開采的總體要求，組合式多極電磁除鐵器的成功研發及應用，在設備安全性、生產持續性、解決產品污染等方面具有實際意義，對降低事故率、促進選煤廠安全生產具有重要推動作用。