磁选柱中螺线管型磁系的模拟优化研究

张洺睿 郭小飞 任伟杰 代淑娟

（辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051）

磁选柱作为磁铁矿选矿厂常用的精选设备，具有结构简单、占地面积小、效率高及操作方便等特点［1-2］。随着磁选柱设备的大型化，螺线管型磁系存在的中心区域磁感应强度低和磁场梯度小等问题易导致微细粒磁铁矿精矿流失［3］，影响了磁铁矿精选技术的发展与应用。磁选柱精选的实质是根据矿石颗粒之间的磁性差异，利用强磁性矿物的磁团聚现象并控制受力条件形成高选择性的磁团聚体，从而实现强磁性矿物的高效精选［4］。选矿工作者为解决磁选柱精选过程中磁铁矿颗粒与连生体的无选择性磁团聚和机械夹杂等问题进行了深入研究。一方面通过对磁选柱磁系结构、极距和磁极数量等磁场相关参数进行优化设计，通过在交变磁场或复合磁场作用下对磁铁矿和连生体进行选择性的团聚与分散，实现磁铁矿与连生体的有效分离，如陈广振等［5］研制的磁选环柱、袁致涛等［6］研制的脉冲振动磁选柱、刘鹏等［7］研制的变径磁选柱和王泰安等［8］研制的淘洗磁选机。另一方面，采用复合力场强化磁选柱的精选过程，结合磁铁矿和连生体颗粒的沉降特性差异，通过优化分选区中的流体压强分布，使微细粒的连生体颗粒能够被有效脱离，如王伟芝等［9］研制的磁力旋流分选机、徐国印［10］等研制的旋流磁选柱、杨兴满等［11］研究的底锥旋流和叶轮式给水磁选柱等。

为进一步改进磁选柱的磁场特性和分选效果，本论文在理论计算的基础上，采用有限元法对磁选柱的螺线管型磁系结构进行了优化研究。对不同结构的螺线管型线圈产生的磁场特性进行分析，并利用改进磁系后的磁选柱对辽宁本溪地区的磁铁矿进行了阶段磁选试验，为解决磁选柱磁系中心磁感应强度低和磁场梯度小等问题提供了研究基础。

1 磁选柱的结构及分选原理

磁选柱主要由给矿管、尾矿溢流口、励磁线圈、切向给水管、精矿斗以及控制系统组成，工作原理如图1所示。在磁选柱分选过程中，不同磁极交替激磁产生的循环磁场，使磁铁矿和连生体产生周期性的“团聚—分散—再团聚”。磁聚团中的连生体及脉石颗粒在流体曳力作用下上浮成为尾矿。磁铁矿颗粒由于聚团后的重量增大，下沉成为高品位精矿。

2 磁选柱螺线管型磁系的设计

2.1 理论计算

磁选柱螺线管型磁系轴线方向磁感应强度的计算方法如图2所示，磁系中某点磁感应强度的计算方法如式（1）所示。

式中，BP为P点磁感应强度，mT；μ为真空磁导率，H/m；n为线圈总匝数，匝；I为电流大小，A；L1为P点距线圈左端距离，mm；L2为P点距线圈右端距离，mm；r1为螺线管型磁系内径，mm；r2为螺线管型磁系外径，mm。

采用公式（1）对结构参数不同的螺线管磁系中心区域磁感应强度进行计算，其中径向列数代表线圈长（b），轴向层数代表线圈宽（a），计算结果如图3所示。

如图3所示，相同工作电流下，在螺线管型磁系的径向列数由15列增加至25列时，中心区域磁感应强度提高了41.23%～41.77%。当轴向层数由22层增加至32层时，中心区域磁感应强度提高了52.86%～53.44%。设定磁选柱螺线管型励磁线圈端面中心的磁感应强度应为15 mT，选用直径为1.8 mm的紫铜导线，初步确定励磁线圈的结构尺寸为18层×32列（576）、19层×30列（570匝）、20层×28列（560匝）、21层×28列（588匝）。

当最大工作电流强度I=15A时，导线中的电流密度为：

因此，设计的螺线管磁系符合紫铜铜线允许的电流密度范围5×106～12×106A/m2［12］。

2.2 螺旋管型磁系的有限元模拟

2.2.1 磁选柱数值模型构建

对磁选柱螺线管型线圈的磁场进行模拟，采用有限元分析法对ANSY Workbench建立的模型进行模拟计算，并选用Maxwell模块进行磁场分析。模拟计算时，分别设置励磁线圈与分选区的材料属性如表1所示。根据磁选柱磁系建立实体模型如图4所示，选取静态磁场对磁选柱的螺线管型线圈进行分析［13］，在仿真模型中，中间分选区域为空气域，将模型以外的区域设置成磁绝缘区域来模拟实际的工作环境，同时将模型边界条件设置为Balloon，定义x=0，y=0，z=0处为磁系中心。对螺线管型线圈的模型采用自适应网格进行划分后，针对网格最密处进行细化，如图5所示，得到网格划分模型［14］。

2.2.2 可靠性验证

对有限元法模拟得到的线圈磁感应强度与理论计算结果进行对比，结果如图6所示。

如图6所示，在分选区中产生的磁感应强度的有限元模拟结果与理论计算结果基本一致。随着长度b与宽度a比值增加，实际模拟值与理论值的差异在0.13%～1.95%之间，验证了数值计算模型分析磁场特性的可靠性。

2.2.3 模拟结果分析

对4种不同结构螺线管线圈在分选区产生的磁感应强度及磁场梯度（以P点为例，如图2）进行分析，研究轴向方向距离对磁感应强度及磁场梯度的影响，线圈结构对螺线管磁系磁场特性的影响如图7所示。

由于螺线管型磁系产生的磁场为非均匀磁场，距磁系边缘越近，磁力线越密集，磁感应强度越大。从图7（a）中可以看出，轴向方向上距离磁系边缘越近，磁感应强度越高。分选区轴向方向距磁系距离每减少0.1 m，不同结构磁系的磁感应强度分别增加81.54%、110.01%、85.54%、96.32%。随着磁系尺寸（b/a）比值增加（图7（b）），分选区轴向方向距磁系距离每减少0.02 m，不同结构磁系的磁场梯度分别增加79.91%、32.34%、20.77%、54.84%。

不同结构螺线管内的磁感应强度云图（沿图4中z轴方向剖面）如图8所示。当b/a分别为1.33、1.40、1.58和1.78时，螺线管磁系轴向截面的最高磁感应强度分别为 3.47×10-2T、3.59×10-2T、3.22×10-2T、3.20×10-2T。磁感应强度最高的地方位于磁系的边缘处，在径向方向的磁感应强度变化不大。在轴向方向上，磁场作用的深度较小。当b/a为1.4时，磁感应强度较其它结构高3.46%～12.19%。计算机模拟得到的磁力线分布规律与《电磁选矿学》［15］中对螺线管磁系磁场分布特性的描述相似。

结合上述计算结果设计新型磁选柱磁系：采用直径为2.2 mm的紫铜导线（由于采用漆包线，实际导线直径为1.8 mm），线圈内半径为75 mm；螺线管线圈总匝数为560匝（28列×20层），电阻为1.13 Ω；线圈间距为33 mm；磁选柱磁系包括1组恒定磁场线圈、6组循环磁场线圈。

2.3 新型磁选柱磁选试验

采用磁系改进后的新型磁选柱对辽宁本溪地区的磁铁矿进行阶段磁选试验，试验流程如图9所示，试样的化学多元素分析结果如表2所示。试样的TFe品位为29.63%，粒度为-0.074 mm占83.96%。

试验主要考察磁选柱轴向中心磁感应强度、上升水流速度和磁场变化周期对分选指标的影响。一段磁选试验的主要目的在于抛除已经单体解离的脉石，尾矿TFe品位与回收率随不同试验参数的变化规律如图10所示。

由图10可以看出，磁感应强度越高、上升水流速越低、磁场变化周期越短，尾矿的TFe品位越低，回收率也越低。随着一段磁选磁感应强度的升高（图10（a）），尾矿TFe品位由7.53%降到7.13%。随着上升水流速度增大（图10（b）），尾矿TFe品位由6.57%降到6.03%。当磁场变化周期逐渐增大时（图10（c）），尾矿TFe品位由4.68%上升到8.19%。在磁选柱分选过程中，磁铁矿颗粒主要受到周期性的磁力产生聚团沉降并成为精矿，当磁选柱线圈内部的磁感应强度和磁场均匀程度得到提高后，对于降低尾矿中的金属流失更加有利。采用新型磁选柱实现一段粗选的适宜磁感应强度、上升水流速度和磁场变化周期分别为22.68 mT、0.61×10-2m/s和1.5 s。

对新型磁选柱的一段磁选精矿进行二段选别，主要目标在于获得合格品位的铁精矿，精矿TFe品位与回收率随不同试验参数的变化规律如图11所示。

由图11可以看出，在新型磁选柱的磁感应强度、上升水流速度和磁场变化周期分别为12.7 mT、1.53×10-2m/s和2 s的情况下，铁精矿TFe品位和回收率达到了69.31%和63.83%，中矿的TFe品位和回收率分别为27.64%和28.81%。磁选柱精选阶段的主要目的是实现磁铁矿单体和连生体的有效分离，较低的磁化磁场能够减小两种成分之间的磁团聚力，但是稳定均匀的磁场能够降低上升水流速增大造成的微细粒磁铁矿单体进入磁选柱溢流成为尾矿［16］。

3 结 论

（1）与传统磁选柱相比，优化后的磁选柱螺线管线圈最佳尺寸配比（b/a）为1.40，中心区域磁感应强度提高了2.93%，磁场梯度增大了16.29%。利用新型磁选柱对细度为-0.074 mm占83.96%、TFe品位为29.63%的磁铁矿进行阶段磁选试验，能够获得TFe品位分别为69.31%、27.64%和5.21%的铁精矿、中矿和尾矿，3种产品的回收率分别为63.83%、28.81%和7.36%，在获得高品位的铁精矿的前提下还能够抛除合格尾矿。

（2）采用有限元法仿真模拟与理论计算相结合的方法，对磁选柱的螺线管型磁系进行优化研究，能够改进磁选柱分选区域的磁场特性，为电磁柱式精选设备磁系的优化提供新的研究基础。