永磁滚筒式磁选机的分析和设计

河北T.业大学倾1:学位论义永磁滚筒式磁选机的分析和设计磁选机是近年来逐渐应用的磁力机械，可广泛用于冶金及其它行业，如选矿、清除杂质等，也可作为回收重介质的专用设备。由于传统筒式磁选机只有经营费用低、运行稳定可靠等适合现场生产的优点，因此在磁选中占据着不可替代的地位。木文针对利用永磁滚筒式磁选机回收重介质这一具体情况，对磁选机回收磁性矿粒需要的磁力进行分析，以有限元法为基础对磁选机磁场强度和气隙磁导进行了计算求解，建立了永磁滚筒式磁选机磁系结构的静态磁场计算的数学模型，研究了不同磁系结构对磁场特性的影响。磁路部分是磁选机的主要部分，对磁选机的性能起决定性作用。磁选机采用开放型磁系。本文研究了磁选机磁系的高度、宽度、半径和极数，相邻磁极的磁位差，极距，极面宽和极隙宽的比值，磁极和磁极端面的形状，以及磁极端面到其排列中心的距离对磁场特性的影响，从理论上计算了磁选机磁系的各个参数，分析并且验证了不同磁系排列对磁场产生的不同作用。设计出一种结构先进、构造简单、成本低、工作可靠的永磁滚筒式磁选机。对磁选机磁路进行了设计和仿真分析，应用工程电磁场计算软件OPERA建立了磁选机磁路部分的数学模型，计算出各种磁系结构下磁选机的磁场情况，可以简使地对磁路进行分析设计。关键词：永磁、滚筒式磁选机、磁系设计、有限元分析水磁滚筒式磁选机的分析和没计Magneticseparatorisamagneticmachine,whichiswidelyusedinrecentyears.ItcanbeusedinmetallurgyandotherindustriessuchasmineraItalsocanbeusedasspecialequipmentforreclaimingheavy-medium.Becausetraditionalcylindermagneticseparatorhastheadvantagesoflowoperationcost,stableoperation,fitforlocaleproduction,ittakesupirreplaceablepositioninmagneticseparators.Weanalyzedtheforceofmagneticseparatorreclaimingmagnetismmineralgrainintheconditionofcallbackheavy-medium.Wecalculatedmagneticintensitybasedonelectromagneticvectorpotentialfinite-element-method,establishedmathematicsmodelofmagneticsystem.andstudiedeffectofdifferentmagneticsystemconfigurations.Magneticcircuitisthemainportionofmagneticseparator.Iltdecidestheperformanceofmagnetieseparator.Magneticsystemisopen-ended.Thepaperstudiedtheimpactofmagneticsystemheight.breadth.radius,numberofpoles,magneticdifferenceofpotential,polespan,ratioofmagneticpolebreadthandairspacebreadth.shapeofmagneticpole.distanceofmagneticpoletothemagneticfield'scenter,calculatedparameterofmagneticsystem,analyzedandcertificationdifferentactionofdifferentmagneticseries,designedakindofpermanentmagnetcylindermagneticseparatorwithadvancedconstruction.simpleconstitution,workingreliable.Finally.emulatedthemagneticcircuit,establishedmathematicsmodel.calculatedmagneticfieldcharacteristicwithOPERA,sothattoanalyzethemagneticcircuitsimply,KEYWORDS:permanent-magnet,cylindermagneticseparator.magneticsystemdesign,finite11-1-1磁选技术国内外发展及研究现状美国、加拿大和前苏联是世界上磁选技术水平较高的国家。其工艺流程的特点是细磨深选，磁选设备品种规格齐全，设备大型化，我国近年来随着磁选技术水平的提高，磁选精矿质量有了较大幅度的提高，但在研制高效的、磁场作用深度大，适应回收细粒铁矿物的磁选机方面在国内才刚刚起步。国内外对磁选机都有一定的研究，国外永磁滚筒式磁选机的外筒与磁场间隙小，因此磁场性能高。国内磁力应用工程起步较晚，而且应用面不广，然而，我们可以利用国内较好的磁体材料这一有利条件，在现有的基础上优化磁场，提高磁选机性能，节省原材料，降低成本。近年来，国外磁选设备发展很快121,在设备规模上向大型化发展；在结构形式上向多样化发展；在产品规格上向系列化发展；在控制方式上很多己采用了程序控制、模块电路和自动监控等，并己走进了高科技领域。目前各类型磁选设备均取得了新发展。弱磁场磁选机2]:瑞典在磁选设备的研制和磁选工艺的运用方面有较长的历史和丰富的经验。白1890年世界第一台筒式磁选机在瑞典萨拉公司问世，弱磁场磁选机经历了漫长的纷争时期，到本世纪60年代进入统一发展阶段。随着永磁材料的研制和应用，实现了弱磁场磁选设备的永磁化、系列化、大型化，并向多筒高效发展。近年的磁选机，机架结构适于安装多个筒体，以构成两筒、三筒和四筒磁选机，可作为磁性物料粗选机，也可做精选机，有顺流、逆流和半逆流三种机型。美国埃利兹磁力公司是大型磁选设备制造公司，比较重视磁系的研制工作。筒径1220mm、筒长3050mm的大型磁选机，改进了磁系磁路，多磁系的间隙中装有反斥磁铁，其极性与相邻磁铁相同；圆筒外部也附加了一组磁极，其极性与圆筒内相对应的磁极极性相反，从而能大大减少漏磁，提高磁场作用强度和深度，提高分选效率。芬兰科恩公司研制的弱磁场磁选机新设计筒体可使磁场的吸附作用集中在距离筒体表面0～30mm处，筒体表面的磁感应强度为0.18～0.2T,而距离简体表面50mm处场强下降到0.06～0.07T,形成梯度较高的筒体，其吸附能力可提高40%,不仅提高了处理能力，而且有较高的回收率。俄罗斯生产的大型磁选机，有川BM-120/300和ⅡBM-1501400等型号。筒径达1500mm,筒长4000mm。生产能力达400t/h。其传动机构装在筒内，设备定位容易，安装方便，结构紧凑，节省了占地面积。另外乌拉尔选矿研究设计院研制的旋转磁场磁选机，能有效地破坏磁团聚，提高精矿的质量。冶金部马鞍山矿山研究院研制的直径1050mm型永磁磁选机，采用稀土复合磁系，由少量钕铁硼和铁氧体磁块复合而成，钕铁硼用于尾矿扫选区。使筒体表面磁感应强度从精矿卸矿端至尾矿排矿口逐渐增强，即从精矿端的200mT到尾矿扫选区280mT,距离筒表50mm处平均磁感应强度仍在100mT以上。磁系位置可调，根据生产需要可调整工作间隙和精矿排矿间隙。为防止筒皮磨损，并加强对磁性矿物的携带作用，在筒表刷一层耐磨材料。传动装置安装方便，传动可靠。北京矿冶研究总院研制的多力场分选的BK-1021(直径1050×2100)筒式磁选机，有独特的磁系设计和分选槽体，给矿设反向冲洗水装置，磁力可调，产生了重力、水力和磁力多力场分选效应，一部分脉石随同与磁性矿物反向运动的溢流从后部溢流堰排除槽永磁滚筒式磁选机的分析和设计2体外进入尾矿道，实现了初次精尾分离；随之以一定速度运动的磁精矿，与反向冲洗水相互冲击，打破了磁团聚，使被磁性矿物包裹着的脉石随溢流排出，实现了入选矿物第二次分离；随同脉石被冲掉的细粒级单体铁精矿和富矿连生体，在排出途中仍受到向下磁力作用，重新结链沉降到槽体底部流向扫选段回收。磁力滚筒：国外磁力滚筒主要有电磁磁力滚筒和永磁磁力滚筒两类，其材质、精度及性能均有较大进展。磁力滚筒己向大型化发展、磁感应强度己有很大程度提高。瑞典萨拉公司研制的磁力滚筒有速度可调的，不同直径的、不同场强的、不同磁极的，用户可根据流程要求进行选配。最人滚筒直径达1500mm,处理物料最大粒度为300mm。美国埃利兹公司研制的磁力滚筒采用永磁一电磁复合磁系，滚筒直径1800mm,筒长2000mm筒表磁感应强度250～260mT,处理能力500～600t/h,入选粒度上限350mm。这种复合磁系磁力滚筒的优点在于有较高的磁场强度，取得更好的选分效果。冶金部马鞍山矿山研究院研制的磁力滚筒己形成CTDG系列在全国较多的大中型选厂己有100多台设备使用。滚简直径由500mm到1500mm,带宽500～1600mm,筒表分选区场强160～260mT,处理矿石粒度75~350mm,台时处理量50～600t,机重0.4～5.4t。:要生产指标；尾矿品位8.6%～9.7%,原矿品位高2.24%～10.46%,磁性铁回收率99.35%。该系列磁力滚筒具有效率高，成本低，适应性强，预选工艺简单，经济效益好等优点，是…种理想的预选设备。北京矿冶研究总院研制的CT1416型磁力滚筒处理矿石最大粒度350mm,台时处理能力为450t。该院又研制了CTDY-1214移动式大块磁选机，用高强度无磁铸铁取代不锈钢，制造成本低，处理能力大，有较强的适应能力。鞍山冶金设计研究院研制了电磁磁力滚筒，筒表场强270mT,带表场强240mT,处理最大粒度350mm,处理能力达450t/h。中场强磁选机[多采用筒式结构，筒内采用高效能钕铁硼永磁材料，磁路和磁系结构设计合理，最大限度地提高工作区的磁场强度和磁场力以获得优良的磁选效果。为减少磁极间隙漏磁，往往在磁极间隙处加入辅助磁极，多用开路磁系，结构简单，加工方便，使用可靠，管理方便。80年代中期高磁能积钕铁硼永磁材料的出现，促进了中场强磁选机的进展。高梯度磁场是在包铁螺线管所产生的均匀磁场中，设置聚磁介质，使之磁化后，在径向产生高度不均匀磁场，即高梯度磁场。70年代瑞典萨拉公司研制成功第一台高梯度磁选机使细颗粒弱磁性矿物的分选技术达到一定高度，是磁选设备发展历程的一个飞跃。背景场强并不太高，但可产生较高的磁场力。顺磁性物料在这种磁场中受到一个与外加磁场和磁场梯度的乘积成比例的磁引力。可分选细粒及微细粒(粒度下限为lμm)的弱磁性矿物，如选别赤铁矿和非金属矿物除铁。高梯度磁选机能有效的回收磁性很弱、粒度很细的磁性矿粒，为解决品味低、粒度细、磁性弱的氧化铁矿石的选别开辟了新途径。它不仅用于选别矿石，还可用于选别许多其他细粒和微细粒物料。高梯度磁选新工艺在环境保护领域内也有广泛的应用前景，将来可能成为全球性的环境保护的重要方法之一。强磁选机：1963年琼斯湿式强磁选机首先从英国发展起来，并取得专利。这是强磁场磁选机的一个重要突破。这种磁选机在两原磁极间隙中成功的利用了多层的聚磁介质板，大大增加了选别空间，因而处理能力大大提高。后来德国洪堡·韦达格公司又做了重大改进，成为有效而经济的设备，相继发展了各种类型的强磁场磁选设备。处理微细粒弱磁性铁矿石的有效而经济的湿式强磁选机目前主要是德国生产的琼斯型强磁选机，现有十多个型号，其中应用最多的是DP-317型。近年来，德国洪堡·韦达格公司对该设备做了大量研究改进工作，使之在结构性能上取得了新的进展：(1)用超导磁系取代常规磁河北工业大学硕士学位论文3系：将低温超导磁体开放磁系安装在分选转盘内，其他结构不变。获得了低能耗、高场强、大处理量、材料消耗少和重量轻等优点；(2)增加磁极头：两个分选环的磁极头由4个增至8个，处理量增加一倍；(3)增加分选环：在不改变线圈绕制方式的基础上，增加到8个分选环，降低了单环能耗；(4)将实心铁质转子改为空心铁转子：减轻重量，缩短磁路，减少电耗；(5)改进聚磁分选介质：提高了精矿品位。1991年10月美国国际选矿设备公司研制成功High-Forcer强磁选机，磁辊由钕铁硼永磁材料，厚度为4mm环片和厚度1mm薄钢片交错排列而成。磁辊表面磁感应强度2.2T。该机磁场强度高，应用范围广，分选质量高；处理粒度范围人，可从0.074mm至30mm;处理能力人，结构简单，更换安装皮带装置操作维护方便；传动功率小，能耗低；古地面积小，价格便宜。最近几十年，做选得到了较大的发展，出现了一些新的磁选工艺和新的磁选设备。磁流体选矿(包括磁流体静力分选和磁流体动力分选)是以特殊的流体(如顺磁性溶液，铁磁性胶粒悬浮液和电解质溶液)作为分选介质，利用流体在磁场或磁场和电场的联合作用下产生的“加重”作用，按矿物之间的磁性和密度的差异或磁性、导电性和密度的差异，而使不同矿物实现分离的一种新的选矿方法。当矿物之间磁性差异小而密度或导电性差异较大时，采用磁流体选矿可以有效的分选。磁流体静力分选应用于金刚石的选矿在国内外已进行了一些试验研究工作。结果表明它可以作为金刚石选矿中的精选方法之一。超导电技术近年来已应用于选矿领域，研制出超导电磁选机。这种磁选机采用超导电材料作线圈，在极低的温度(绝对零度附近)下工作。线圈通入电流后可在较大的选分空间内产生1600kA/m(200000e)以上的强磁场，并且线圈不消耗电能，磁场长时间不衰减。这种磁选机的体积小，重量轻，磁场强度大，分选效果好，是用于工业生产的较理想的设备。这种磁选机可用于选别矿石特别是稀有金属矿石以及从非金属矿物原料中除去含铁杂质等等。80年代中期开始，国外制造永磁磁选机的土要有五家，它们是美国的Eriez磁力公司、英国的FertigungsAktiengesellschaftAG,但日前制造筒式中磁场磁选机的主要是Eriez和KHD两家公司。在国内，利用NdFeB永磁材料研究和生产永磁磁选机的单位也有十来家。80年代后期，磁分离技术及设备的主要发展趋势是；(1)粗粒(低于50mm)弱磁性矿物的分选设备的研制，包括适合于干式和湿式分选。(2)减少单位物料的处理费用(包括电耗、水耗、磁介质消耗，减少维修和简化操作),其主要方向是永磁代电磁(电磁磁选机选别指标不稳定、有环境污染、结构复杂、散热困难、耗费电能),机型以圆筒型为代表。由于NdFeB永磁材料的问世，导致近年来世界性的研究永磁磁选机热，目前主要研究和生产的磁选机有三种机型。(1)永磁辊式磁选机：钕铁硼永磁材料投入工业生产后，首先投入研究的就是辊式破碎机。辊径从开始的75mm增大到了现在的300mm,长度为250～1000mm。目前磁体表面磁场己达到2T。国外主要将这种磁选机用于一些粒度较均匀的弱磁性颗粒物料。但这种机型存在一定的局限性，因为磁体的磁极是轴间交替变化，物料在分选过程中没有磁翻滚，因而选别效率低；由于磁体是裸露的，容易受潮氧化而降低磁场，由于橡胶或尼龙传送带厚度不到1mm,很难适用于T业生产。(2)圆筒型永磁磁选机：国外永磁筒式磁选机，在以下几方面有了较大发展；<1>实现设备大型化，提高了处理能力。<2>应用辅助磁极，出现了复合磁系和高梯度磁系。<3>提高磁感应强度，研制出可调水磁磁系。<4>强化分选过程，提高了分选效率。<5>多筒串联使用，提高了磁选能力。这种机型是一永磁滚简式磁选机的分析和设计4种较有发展前景的磁选机，国内外研究得也较多。目前圆筒型中磁场磁选机磁场较高。(3)高梯度磁选机：高梯度磁选机实现永磁化具有重要的意义，囚为对于回收铁矿物，它所需的背景磁场低，0.5T左右的磁场就够了，国外己用于生产。国内有几家己作了不少1作，样机也已用于生产，并且还正在作进一步的工作。不过对于用来除铁的高梯度磁选机来说，由于背景场强很难提高，目前还难于永磁化。另外，由于高梯度磁选机的磁介质在分选空间中的充填率低，一般低于10%,因而介质吸附量有限，设备处理能力小，加上细粒铁矿本身含量少，因此，高梯度磁选机即使永磁化后用来选铁，经济效益仍会1-1-2磁选技术应用磁选是在不均匀磁场中利用矿物之间的磁性差异而使不同矿物实现分离的一种选矿方法。磁选法广泛地应用于黑色金属矿石的选别，有色和稀有金属矿石的精选，重介质选矿中介质的回收，从非金属矿物原料中除去含铁杂质，排出铁物保护破碎机和其他设备，从冶炼生产的钢渣中回收废钢以及从生产和生活污水中除去污染物等。磁选是处理铁矿石的主要选矿方法。按用磁选法选别磁铁矿石的规模来说，磁选法在我国、苏联、美国、加拿大、瑞典和挪威等国家占有重要地位。我国铁矿石资源丰富，目前保有的铁矿石探明储量居世界前列，但贫矿占80%左右，富矿仅占20%左右，而富矿中又有5%由于含有害杂质不能直接冶炼。因此，铁矿石中的80%以上需要选矿。就世界范围来说也大体如此。铁矿石经过选矿以后，提高了品位，降低二氧化硅和有害杂质的含量，给以后的冶炼过程带来许多好处。根据我国的生产实践统计，铁精矿品位每提高1%,高炉利用系数可增加2～3%,焦炭消耗量可降低1.5%,石灰石消耗量可减少2许多有色和稀有金属矿物具有不同程度的磁性，而另一些则没有。采用单独的重选法和浮选法不能获得合格精矿，需要结合磁选和其他方法才能获得合格精矿。例如，钨矿重选所得黑钨粗精矿中，一般含有锡和其他一些有用成分。锡在钨的冶炼过程中是有害杂质。利用黑钨矿具有弱磁性和锡石无磁性这一特点采用磁选法进行处理后，可除去含锡杂质，获得合格的钨精矿。在重介质选矿中使用磁铁矿和硅铁作为介质，它们在重介质选矿过程中有—部分进入轻、重产品的洗水中，通过磁选法可回收它们并使之再用。非金属矿物原料的选矿中，在许多情况下都伴随有除铁的问题，磁选成为一个重要的作业。例如，高岭土中铁是一种有害杂质。含铁高时，高岭土的白度、耐火度和绝缘性都降低，严重影响制品的质量。一般若将含铁杂质除去1~2%时，白度可提高2～4个单位。世界各国对高岭土进行了研究，并应用高梯度磁分离装置除去含铁杂质获得了良好的效果。蓝晶石、石英、红电气石、长石、霞石闪长岩等选别很早以来就用干式磁选法。例如苏联、美国、加拿大、印度等国的霞石闪长岩的选矿，为了除去强磁性矿物，使用了弱磁场磁选机，并用强磁选机除去非磁性产品中的弱磁性矿物(如赤铁矿)。进入选矿厂中的矿石常含有铁物，它易损坏细碎破碎机。为了保护破碎机不受损坏，在破碎机的给矿皮带上方装有悬吊磁铁以吸出矿石中的铁物。永磁滚简式磁选机的分析和设计4种较有发展前景的磁选机，国内外研究得也较多。目前圆筒型中磁场磁选机磁场较高。(3)高梯度磁选机：高梯度磁选机实现永磁化具有重要的意义，囚为对丁回收铁矿物，它所需的背景磁场低，0.5T左右的磁场就够了，国外己用于生产。国内有几家己作了不少工作，样机也已用于生产，并且还止在作进一步的工作。不过对于用来除铁的高梯度磁选机来说，由于背景场强很难提高，目前还难于永磁化。另外，由于高梯度磁选机的磁介质在分选空间中的充填率低，一般低于10%,因而介质吸附量有限，设备处理能力小，加上细粒铁矿本身含量少，因此，高梯度磁选机即使永磁化后用来选铁，经济效益仍会1-1-2磁选技术应用磁选是在不均匀磁场中利用矿物之间的磁性差异而使不同矿物实现分离的一种选矿方法。磁选法广泛地应用于黑色金属矿石的选别，有色和稀有金属矿石的精选，重介质选矿中介质的回收，从非金属矿物原料中除去含铁杂质，排出铁物保护破碎机和其他设备，从冶炼生产的钢渣中回收废钢以及从生产和生活污水中除去污染物等。磁选是处理铁矿石的主要选矿方法。按用磁选法选别磁铁矿石的规模来说，磁选法在我国、苏联、关国、加拿大、瑞典和挪成等国家占有重要地位。我国铁矿石资源丰富，目前保有的铁矿石探明储量居世界前列，但贫矿占80%左右，富矿仅占20%左右，而富矿中又有5%由于含有害杂质不能直接冶炼。因此，铁矿石中的80%以上需要选矿。就世界范用来说也大体如此。铁矿石经过选矿以后，提高了品位，降低二氧化硅和有害杂质的含量，给以后的冶炼过程带来许多好处。根据我国的生产实践统计，铁精矿品位每提高1%,高炉利用系数可增加2～3%,焦炭消耗量可降低1.5%,石灰石消耗量可减少2许多有色和稀有金属矿物具有不同程度的磁性，而另一些则没有。采用单独的重选法和浮选法不能获得合格精矿，需要结合磁选和其他方法才能获得合格精矿。例如，钨矿重选所得黑钨粗精矿中，一般含有锡和其他…些有用成分。锡在钨的冶炼过程中是有害杂质。利用黑钨矿具有弱磁性和锡石无磁性这一特点采用磁选法进行处理后，可除去含锡杂质，获得合格的钨精矿。在重介质选矿中使用磁铁矿和硅铁作为介质，它们在重介质选矿过程中有一部分进入轻、重产品的洗水中，通过磁选法可回收它们并使之再用。非金属矿物原料的选矿中，在许多情况下都伴随有除铁的问题，磁选成为一个重要的作业。例如，高岭土中铁是一种有害杂质。含铁高时，高岭土的白度、耐火度和绝缘性都降低，严重影响制品的质量。一般若将含铁杂质除去1~2%时，白度可提高2～4个单位。世界各国对高岭土进行了研究，并应用高梯度磁分离装置除去含铁杂质获得了良好的效果。蓝晶石、石英、红电气石、长石、霞石闪长岩等选别很早以来就用干式磁选法。例如苏联、关国、加拿大、印度等国的霞石闪长岩的选矿，为了除去强磁性矿物，使用了弱磁场磁选机，并用强磁选机除去非磁性产品中的弱磁性矿物(如亦铁矿)。进入选矿厂中的矿石常含有铁物，它易损坏细碎破碎机。为了保护破碎机不受损坏，在破碎机的给矿皮带上方装有悬吊磁铁以吸出矿石中的铁物。矿皮带上方装有悬吊磁铁以吸出矿石中的铁物。5冶炼生产的钢渣中含有大量钢渣，通过干式磨矿和干式弱磁选可以回收钢渣，在国外有生产实例。应用高梯度磁分离或结合其他一些方法处理生产和生活污水以除去其中的污物。目前世界各国正在进行广泛深入地研究，有的已应用到1.业中去。比较常见的要算是用高梯度磁分离器处埋钢厂废水以除工程中经常遇到的是电磁装置的综合问题I¹,电磁场的逆问题，就是给定电磁装置理想的性能指标或参数，然后通过装置的优化设计来实现。但在综合设计过程中，必然涉及电磁场的数值分析和计算。电磁场逆问题在电磁装置设计中早就受到关注。但是受电磁场数值计算理论、方法以及计算机应用条件的约束，这一问题的研究长期以来局限于学术界讨论的范畴。目前，对于电磁场逆问题的求解，都是将其分解为一系列的正问题，然后利用一定的优化方法进行迭代解算，以最终达到优化设计的目的，由于每·步迭代计算中，需要进行若干次电磁场正问题的数值计算和其他·些辅助计算，囚此相对于电磁场正问题而言，电磁场逆问题的求解，计算量大，占用计算机内存和CPU时间多。也正因如此，随着计算机技术的发展，以及电磁场数值计算理论、方法的不断丰富和完善，才使电磁场逆问题成为电磁场应用研究的热点。现阶段，国内外有关电磁场逆问题的计算主要集中于二维稳态问题，且处于实验室开发阶段。…些世界知名的电磁场计算软件包所提供的优化模块，也仅仅提供了人为改变装置参数的接口条件。因此，充其量只能称之为多输入、多输出分析软件。但由于逆问题更接近于工程实际，采用数值计算方法将能更准确地计算出装置中电磁场的分布、电磁参数和性能指标，进而获得较准确的优化设计结果。因此，尽管与逆问题柑关的各方面的研究成果还很不成熟，理论基础还不十分坚实，但已引起了各国学者的普遍重视。目前，电磁场优化问题的求解计算都是将其分解为一系列正问题，利用一定的优化方法进行迭代求解。因此，电磁场逆问题的研究主要围绕电磁场的数值计算和优化方法这两个主题，以及由此引起的若本课题研究的土要日的是在总结国内外磁选机的设计和使用经验的基础上，结合选矿厂磁选生产的实际要求，借鉴有关研究单位对传统磁选机改造所取得的经验和成果，对磁选机磁路部分进行分析和设计，建立数学模型，确定所用永磁材料的规格、尺寸，合理配置不同的永磁材料，优化磁路结构，确定磁场的特性参数，提高磁选机性能，节省原材料，降低成本。作者完成的主要工作如下：1.进一步研究了磁选技术的工作原理和磁选机的分选方式；2.仔细分析了磁选机现有磁路的特性，找出其优点及不足；3.提出了对现有磁路的改进方案；4.设计了具体实现步骤并给出了实现的数学模型；5.对新磁路进行计算和分析，给出了一定的数值关系，以备进行后续的研究工作。6第二章磁选机结构及工作原理磁选机是近年来逐渐应用的磁力机械，可广泛用于冶金及其它行业，如选矿，清除杂质等，也可作为回收重介质的专用设备。由于传统筒式磁选机具有经营费用低，运行稳定可靠等适合现场生产的优点，因此在磁选中占据着不可替代的地位。一般的磁选机有永磁式和电磁式两种，以前，永磁式磁选机的磁体多用铁氧体。稀土永磁出现后，设计并制造了各种型号和类型的永磁磁选机，尤其是在中高磁场磁选机中，必须用稀土永磁体。磁选是在不均匀磁场中利用矿物之间的磁性差异而使不同矿物实现分离的一种选矿方法。电选是利用白然界各种矿物和物料电性质的差异而使之分选的方法。如常见矿物中的磁铁矿、钛铁矿、锡石自然金等，其导电性都比较好；石英、锆英石、长石、方解石、白钨矿以及硅酸盐类矿物，则导电性很差，从而可以利用它们电性质的不同，用电选分开。磁选机的最基本的分类是根据磁场或磁场力的强弱和排出磁性产品的结构特征进行的。根据磁场力强弱常将选别矿石和矿物的磁选机划分为两大类：强磁性矿石选别用的弱磁场磁选机(LIMS);弱磁性矿石选别及从工业矿物中排除顺磁性杂质用的强磁场磁选机(HIMS)。在工业作业中用的弱磁场磁选机主要是筒式开梯度磁选机(OGHS)。其中的永磁磁系由钡锶铁氧体构成，在分选区产生的磁感应强度不超过0.2T。这些筒式弱磁场磁选机主要用于干或湿选高品味磁铁矿石以及在重介质选厂中回收重介质。用于工业生产中的强磁场磁选机主要是湿式作业介质型的强磁场磁选机(WHIMS)和高梯度磁选机(HGMS),他们有较高的处理能力，用电磁线圈时，在分选区的磁感应强度可以达到1.5T。用超导线圈时，则超过3.0T。其实际应用的主要场合是细粒弱磁性铁矿石、钛铁矿及海滨砂矿，从细粒的工业矿物中排除含铁杂质，如用于提高高岭土的白度。开放式梯度磁选机比一些高梯度磁选机效率高，造价低和实用性强。开放式梯度磁选机的特点是可产生长距离磁力，而高梯度磁选机只能产生短距离磁力，相反的，开放式梯度磁选机的磁力密度比高梯度磁选机低的多。根据磁性，按比磁化率大小把所有矿物分成强磁性矿物、弱磁性矿物和非磁性矿物。应回收到磁性产品中的矿粒的磁化率决定磁选机磁场强度的选择。2-1-2各种类型磁选机特点磁选设备的结构多种多样，分类方法也比较多。各种类型磁选机的特点如下向：(1)根据磁场强度和磁场力的强弱可分为：1)弱磁场磁选机磁极表面的磁场强度H₀为80～120kA/m(1000～1500奥),磁场力(HgradH)河北工业大学硕士学位论文72)强磁场磁选机磁极表面的磁场强度H₀为800～1600KA/m(10000～20000奥),磁场力(HgradH)为(3～12)×10²KA²/m²((2~8)×10?奥²/cm)。用于选分弱磁性矿石。(2)根据选分介质可分为：1)干式磁选机在空气中选分，主要用于选分大块、粗粒的强磁性矿石和细粒弱磁性矿石。当前也力图用丁选分细粒强磁性矿石；2)湿式磁选机在水或磁性液体中选分。主要用于选分细粒强磁性矿石和细粒弱磁性矿石。(3)根据磁性矿粒被选出的方式可分为：1)吸出式磁选机被选物料给到距工作磁极或运输部件一定距离处，做性矿粒从物料中被吸出，经过一定时间才吸在工作磁极或运输部什表面上。这种磁选机一般精矿质量较好。2)吸住式磁选机被选物料直接给到工作磁极或运输部件表面上，磁性矿粒被吸住在工作磁极或运输部件表面上。这种磁选机一般回收率较高；3)吸引式磁选机被选物料给到距工作磁极表面一定距离处，磁性矿粒被吸引到工作磁极表面的周围，在本身的重力作用下排出成为磁性产品。(4)根据给入物料的运动方向和从选分区排出选别产品的方法可分为：1)顺流型磁选机被选物料和非磁性矿粒的运动方向相同，而磁性矿粒偏离此运动方向。这种磁选机一般不能得到高的回收率；2)逆流型磁选机被选物料和非磁性矿粒的运动方向相同，而磁性产品的运动方向与此方向相反。这种磁选机一般回收率较高：3)半逆流型磁选机被选物料从下方给入，而磁性矿粒和非磁性矿粒的运动方向相反。这种磁选机一般精矿质量和回收率都比较高。(5)根据磁性矿粒在磁场中的行为特征可分为：1)有磁翻动作用的磁选机在这种磁选机中，出磁性矿粒组成的磁链在其运动时受到局部或全部破坏。这有利于精矿质量的提高；2)无磁翻动作用的磁选机在这种磁选机中，磁链不受到破坏，这有利于回收率的提高。(6)根据排出磁性产品的结构特征可分为：圆筒式、圆锥式、带式、辊式、盘式和环式，等等。(7)根据磁场类型可分为：1)恒定磁场磁选机这种磁选机的磁源为永久磁铁和直流电磁铁、螺线管线圈。磁场强度的大小和方向不随时间变化；2)旋转磁场磁选机磁选机的磁源为极性交替排列的永久磁铁，它绕轴快速旋转。磁场强度的大小和方向随时间变化；3)交变磁场磁选机磁选机的磁源为交流电磁铁。磁场强度的大小和方向随时间变化；4)脉动磁场磁选机磁选机的磁源为同时通直流电和交流电的电磁铁。磁场强度的大小随时间变化，而其方向不变化。永磁滚筒式磁选机的分析和设计82-2-1磁选的基本条件和方式虽然在一白年前，磁选已在选矿中作为一种分选矿物的方法，但是，直到今天，磁选机还不具有对矿物进行磁分级的能力24],磁分级就是根据矿物的磁化率对矿物进行分类，实际上，直到今天，大多数磁选机只能分出3种产品：磁选产品、中矿和尾矿。尽管已研制了…些典型的对磁性颗粒进行分级的磁选系统，但是这些磁分级任务是由简单的磁选机串联而得到的。在过去几十年，只有少数的研究者研制高选择性的磁选机。选择性定义随磁分级定义不同而不同。实际上，后者是前者的一种特定的定义过程。选择性定义为磁选机将磁性颗粒与其它磁化率与其很接近的颗粒分开的能力。优先磁分级与选择性磁选是相同的，但它是根据矿物的纯度来对同一种磁性矿物颗粒进行分级。对于筒式磁选机的有效作业，只有径向作用力才是有效的，因为它们把颗粒吸到筒面。颗粒一旦被吸引到筒面，依靠筒面的摩擦力得以沿切向输送出排矿口而成为磁性产品。磁力切向分力会干扰磁性颗粒向排矿口平稳移动，因而，强烈减低径向磁场强度(即降低高的径向力),且保持简的周边的磁场尽可能均匀，低切向力是很重要的。磁选是在磁选设备的磁场中进行的。被选矿石给入磁选设备的选分空间后，受到磁力和机械力(包括重力、离心力、水流动力等等)的作用。磁性不同的矿粒受到不同的磁力作用，沿着不同的路径运动。由于矿粒运动的路径不同，所以分别接取时就可得到磁性产品和非磁性产品(或是磁性强的产品和磁性弱的产品)。进入磁性产品中的磁性矿粒的运动路径由作用在这些矿粒上的磁力和所有机械力合力的比值来决定。进入非磁性产品中的非磁性矿粒的运动路径由作用在它们上面的机械力的合力来决定。因此，为了保证把被选分的矿石中的磁性强的矿粒和磁性弱的矿粒分开，必须满足以下条件：fiw>2fn>f2w式中fa:作用在磁性强的矿粒上的磁力；fw:作用在磁性弱的矿粒上的磁力；Zfn:与磁力方向相反的所有机械力的合力。fm>fm保证了磁性矿粒被吸到磁极上，在分离磁性差别较大的易选矿石时，能够顺利的分出磁性部分，但在分离磁性差异小的难选矿石时，如要获得高质量的磁性部分,就需要很好的调整各种磁性矿粒的磁力和机械力关系，使之能有选择性的分离，才能得到良好的效果。2-2-2与磁选有关的磁场的基本概念和磁量(一)磁场、磁感应强度、磁化强度、磁化率磁场是物质的特殊状态，并显示在载电导体或磁极的周围。磁选时在磁场中作用有吸引力(对顺磁性和铁磁性颗粒)和排斥力(对逆磁性或同极性的硬磁性颗粒)。磁选时起作用的物理力场有如磁力场、重力场和离心力场等，它们同样是物质性质的特殊形式。描述磁选设备选分空间某点的磁场用磁感应强度Bo(在SI单位制中单位为Wb/m²或T)。河北工业大学硕士学位论文9m;=i△sM=kH₀m³(kg),即永磁滚筒式磁选机的分析和设计divB=podivH=0由上式得出因此，在没有磁量也没有电流的磁场中，磁场的基本方程是rotH=0和divH÷0河北工业大学硕士学位论文所以这种场是无旋场和无散场。2-2-3回收磁性矿粒所需磁力的计算磁场有均匀场和非均匀场。如果磁场中各点的磁场强度相同，则此磁场是均匀磁场，否则就是非均匀磁场。磁场非均匀性是通过磁极的适当的磁场强度、形状、尺寸和排列产生。磁场的非均匀性用导数表示，它指出在某点沿1方向上磁场强度H对距离的变化率。如磁场强度H方向相同，则这个量在H变化最大的方向上叫做磁场梯度，用gradH表示。矿粒在不同磁场中受到不同的作用。在均匀磁场中它只受到转矩的作用，转矩使它的最长方向取向于磁力线的方向(稳定)或垂直于磁力线的方向(不稳定);在非均匀磁场中它除受转矩外，还受磁力的作用(顺磁性和铁磁性矿粒受引力作用);逆磁性矿粒受排斥力作用。正是由于这种力的存在，才有可能将磁性矿粒从实际上认为是无磁性的矿粒中分出。作用在磁选机磁场中磁性物质颗粒(磁性矿物颗粒)上的磁力，可由它在磁化时所获得的位能来确定，而磁性物质颗粒磁化时所获得的位能用下式求出式中U:被磁化颗粒的磁位；k:颗粒的物质体积磁化率；dV:颗粒的体积元；H:颗粒体积中的磁场强度(即次定颗粒磁化状态的磁场强度，在SI单位制中单位为A/m,1A/m-4π×10²Oe).根据力学定律，作用在颗粒上的力可用带负号的U的梯度表示，因此作用在颗粒上的磁力又可写成式中负号表示磁力fw吸引颗粒所做的功导致位能的降低。将符号grad括在积分式中，并假定体积憾化率在颗粒所占的范围内是常数，则得颗粒尺寸不大时，可假定在它所占据得体积内HgradH的变化不大。这样，IlgradH可以移到积分号外，于是磁力将等于f&=HokVHgruuH永磁滚筒式磁选机的分析和设计fw=μok₀VHogradH₀表2.1公式(2.2)的修正系数a值Table2.1Correctionfactoraofformula(2.2)0.05～0.2修正系数α 从前面知道，为了回收磁性矿粒，必须使作用在其上的磁力大于作用在其上的、与磁力方向相反的所有机械力的合力，即fs=Hok₀VHogruuHo>Efn在通常情况下，准确计算出值是比较困难的，多是根据磁选机的类型并结合实践(包括实验)来估算出Zfm值。矿石通过磁选机时，不仅受到磁力作用，还受到机械力的作用(湿选时还要考虑水力的作用)。根据矿石(或矿浆)通过磁选机磁场的运动形式，所有磁选机可以分成两类：(1)上面给矿，矿粒做曲线运动的磁选机，如上面给矿的筒式和辊式磁选机等；(2)下面给矿，矿粒做直线或曲线运动的磁选机，如下面给矿的带式、盘式、筒式磁选机等等。磁选机圆筒上(或圆辊上)吸住磁性矿粒所需要的磁力图2.1给矿筒慢速运动矿粒受力情况Fig.2.1Stressofmineralgrainwhenexpansioncylinderslowmovement上面给矿，矿粒做曲线运动，所需要的磁力决定于矿粒的磁性和圆筒的旋转速度以及磁选机的磁极在磁场中作用在单位质量磁性矿粒上的力有：(2)重力g。垂直于筒而的分力gcosa和与筒面相切的分力gsina(a:矿粒在简面上的位置)(3)垂直于筒面指向外的离心力。如矿粒尺寸、筒皮厚度小时，离心力(m单位质量，y(4)磁性矿粒和圆筒表面的摩擦力F*。如果圆筒表面上的磁性矿粒很少且表面光滑a=90°,AF=2g,a=180°,AF=4g。为了使磁性矿粒不滑动，圆筒表面不应太光滑且磁性矿粒应受到足够人的比磁力作用。此力可通过以下条件求出永磁滚筒式磁选机的分析和设计式中tgφ:矿粒和圆筒表面的摩擦系数。从上式看出，当v、R、d、φ已知时，所需要的比磁力F露只决定于a。由得a=90°+φ时，吸住磁性矿粒所需要得磁力最大。将a带入公式(2.3)得2-3-1磁选机的整体结构永磁筒式磁选机具有结构简单，工作可靠，节省电耗，适合现场等优点，所以被广泛应用。小筒径磁选机(如直径600mm)的磁系为三极磁系，而筒径大些的(如直径为750mm)磁选机的偏角(磁极中线偏向精矿排出端与垂直线的夹角)为15°~20°,磁系偏角可通过搬动装在轴上的偏角转本文的磁选机结构如图2.2所示：块中心孔固定在磁导板上，磁导板经支架固定在筒体的轴上，磁系固定，筒体旋转。磁极的极性沿圆周交替排列，沿轴向极性相同。套在磁系外面的是不锈钢非导磁材料制成的滚筒，采用非导磁材料是为了其余可用普通钢板或硬质塑料板。槽体底板与圆筒之间的间隙与磁选机的给矿粒度有关，粒度小于1~1.5mm时，间隙为20～25mm,粒度为6mm时，间隙为30～35mm。给矿方向与圆筒的旋转方向和磁性产品的移动方向相反。需要选分的产品为铁粉，粒度上限0.079mm,因此槽体底板与圆筒之间的间隙为20～25mm。NFig.2.2Structureofmagneticseparator2-3-2磁选机的磁路部分筒子内径1040mm,半径520mm,筒壁厚6mm,气隙约3mm。筒转速20.8转/分。简壁外表面距槽体距离25mm,可调整。采用下面给矿方式。磁极板使用A;低碳钢，厚度20mm,简壁使用太原产非导磁不锈钢。永磁材料使用铁氧体(Y30H-1),钕铁硼(N35),磁极高127mm,宽170mm,5个磁极。每个磁极由长85mm宽65mm,高不等的小磁块粘结而成。整个筒长3100mm,由11组65×4的磁极块工业要求为从煤、水、铁粉以及少量杂质的混合物中选出工业用纯铁粉，铁粉粒度上限d0.079mm,选分过程中，物料无团聚，没有磁链。表2.2磁选机性能参数Table2.2Performanceparameterofmagneticseparator磁选机性能参数极距选箱型式给矿粒度铁粉回收率(%)筒表场强筒体转速两产品小于0.1表2.3磁选机规格Table2.3Ordinanceofmagneticseparator磁选机规格磁选机规格整体尺寸(长、宽、高)(mm)整机重量减速机速比电机功率电机转速筒直径4871×1675×13004331×1675×13003791×1675×13002981×1675×13004磁选机单个磁极的结构如图2.3所示：Fig.2.3Sizeofmagneticpole磁选的实质：即磁选是利用磁力和机械力对不同磁性矿粒的不同作用而实现的。磁选机主要由磁系、滚筒、槽体、机架、传动装置等五部分组成。磁系在滚筒内轴上呈下垂位置，通过轴两端支承固定在机架上。滚筒可单独转动，电机通过减速机、链条、链轮带动滚筒转动。槽体与简体全部安装在架子上，筒体中心与槽体半径圆心重合，筒体中心可进行水平方向和垂直方向调整。当来料进入给料箱后，将大块物料过滤并均匀地分配来料。通过磁滚筒工作场时将介质颗粒吸在滚筒表面，由连续转动的滚筒运输到精矿排料口脱料。尾矿由液流口和两个调控口组成，进入机内的大颗粒非磁性物流入调控口后，定期排出，其它液体尾矿经液流口排出。磁选机的磁系将采用新型永磁磁路，漏磁少，磁场强度高，作用深度大，不易退磁。槽体采用筒型结构，功能多，处理能力大，回收率高，运行平稳可靠，操作维护简便，耗能低。磁选机与选煤设备配套数量：最小选煤厂至少也要两台，120万吨选煤厂，配四台3100mm磁选机比较适宜，也可根据实际需要配置。河北工业大学硕士学位论文图2.4矿粒在磁选机中分离的示意图Fig.2.4Mineralgraindeclutchinmagneticseparator磁选机结构的分析是设计的前提，本章对磁选机的分类以及各种类型磁选机的特点作了详细介绍，通过公式推导得出磁选机磁场为无旋场和无散场，同时论述了磁选的基本条件和方式；f>>w。在此基础上利用磁性物质颗粒磁化时所获得的位能得出回收磁性矿粒所需磁力的计算公式。其中fw:作用在磁性强的矿粒上的磁力；:作用在磁性弱的矿粒上的做力；2fn:与磁力方向相反的所有机械力的合力。之后针对需要设计的永磁筒式磁选机，给出实际结构图，磁选机的规格尺寸，性能参数，对筒式磁选机的工作原理进行了详细论述。第三章磁选机磁路设计磁选设备设计的日标；结构先进、构造简单、体积小、重量轻、成本低、工作可靠、操作和检修容易，劳动条件好、选分指标好以及处理最高等。磁选设备解决的主要矛后：利用矿物间的磁性差异，最大限度的回收和选出高质量的精矿。有利于提高回收率的因素有：(1)磁场力和其作用深度大，磁性矿粒在距磁极表面较远处就受到较大的磁力作用而被吸向磁极。(2)磁极沿矿粒移动方向为单一极性排列，矿粒始终处在同一极性磁极的作月，在磁场内不产生翻转作用。(3)扫选带相对长，矿粒在扫选带内受到较允分的回收。(4)给矿点接近磁场力最大的区域，磁性矿粒受到很大的磁力作用。有利于提高磁性精矿产品质量的因素有：(1)磁场力和其作用深度小。(2)磁极沿矿粒移动方向为极性交替排列，矿粒经过许多磁极并做多次翻转运动，翻转次数多，有利于提高质量。(3)精选带相对长，矿粒受到较长时间的精选作用。(4)给矿点离磁场力最大区域有一定的距离，磁性矿粒顺着磁力作用方向运动，经过一段较长的路程，这有助于得到较纯的磁性产品。(5)湿选时向磁性产品喷射洗水，洗出脉石；干选时增大圆筒转数以增加离心力而地出脉石。设计磁选设备时，应结合矿石性质和粒度以及对选分指标的要求。对上述因素做全面考虑。例如，选分致密块状(粒度大于50mm)强磁性矿石时，虽然它的磁性较强，但由于它的粒度较大，形状多呈方形和多角形，就不宜采用沿矿粒移动方向磁极极性交替的磁系，避免“磁翻被翻掉进入尾矿中去。而选分致密条带状结构的强磁性矿石，可采用沿矿粒移动方向极性交替的磁系。因为这类矿石经破碎后多呈扁平块状，在磁系上方总是力图使其与条带方向一致的最长方向和磁场方向一致，在磁极中线上方直竖起来的矿块极其不稳定，而在磁极其他处上方，矿块的条带方向和磁场方向一致最为稳定。因此，绝大多数矿块是平放在磁系上方，由于矿块的矫力较小，它在磁系上方移动时很快地被反复磁化而被吸住，因而不显示“磁翻动”现象。选分细粒强磁性矿石时，就必须采用极性磁系以提高磁性产品的质量。而选分弱磁性矿石时，就不采用上类磁系，因为矿石的磁性很弱，受磁力很小，“磁翻动”会使磁性矿粒掉进尾矿中去。矿粒给在磁场力很大的区域是有利于提高回收率而性产品质量的因素，特别是在干选的条件下。但采用选别带很长的极性交替的磁系，就可提高磁性产品回收率和品味是互相矛盾的。表现在磁性产品的数量和质量上，在一定的条件下，提高产品质量往往会降低回收率；反之，提高回收率，则往往会降低产品质量。设计时如何建立更好的和新的条件，使矛盾在更高的水平上统一起来是一项很重要的任务。新型永磁体磁系的设计必须遵循下述原则：(1)磁选机工作区的磁通密度绝对值应尽可能高；河北工业大学硕土学位论文(2)磁力HgradH的径向分量尽可能大，而切向分量尽可能减小；(3)保证磁场有足够的作用深度；(4)在满足上述条件情况下，多极可以提高精矿品味。倦选机使用的磁性材料及其特性永磁材料的特性参量：永磁材料的性能好坏，一般可用下列几个参量来标志。1.剩磁B,:是退磁曲线(磁滞回线中的第二象限部分称为退磁曲线)上当H=0时的B的值。B,越大，充磁之后的磁性材料磁性越强，所以B,越人磁性能越好。2.矫顽力H:是退磁曲线上使B=0的磁场强度。He大的材料保持磁性的能力强，或者说抵制退磁作用的能力强，永磁性能好。3.最大磁能积(BH)m:是退磁曲线上B和H乘积的最大值。(BH)m越大表示材料单位体积中储存的磁能越大，材料性能越好。3-1-1铁氧体永磁材料特性铁氧体永磁是金属氧化物的陶瓷材料1251,结品结构属于磁铅石型的单轴六角品系。铁氧体永磁材料的优点是具有相当高的矫顽力，故适于退磁场较大的条件下使用。铁氧体的电阻率比金属磁性材料高锝多，所以在高频下也可使用。它最大磁能积虽不大，但最大回复磁能积却很大，因此也适于做动态条件下的永磁体。铁氧体的另一个特点是退磁曲线的很大一部分接近直线，工作稳定。直线部分的斜率接近于回复磁导率。此外铁氧体比重较小(4～5.2g/cm³),原材料价格低廉，制造工艺简单。采用铁氧体材料成本及重量都低。铁氧体的居里温度为450℃,其机械强度和刚度较大，可直接压制成型，必要时也可磨削加工。铁氧体的不足之处是剩磁不高，B,:2000～4000Gs,磁性参量的温度稳定性也较差，所以不适用于环境温度变化大而要求温度稳定性高的场合。3-1-2钕铁硼永磁材料特性稀土永磁是20世纪60年代出现的新型金属永磁材料，迄今为止，经过永磁专家的几十年的共同努力，已经形成了具有规模生产和实用价值的三代稀土永磁。第一代稀土永磁是1:5型SmCo合金；第二代稀上永磁是2:17型SmCo合金，它们均以金属钴为基合金；第三代稀上永磁材料是以NdFeB合金为代表的Fe基稀土永磁。Fe基稀土永磁材料由主相Nd₂Fe₁₄B和少量富Nd相、少量富B相组成。其大体成分为：~36wt%Nd,～63wt%Fe,～1wt%B。当Nd原子和Fe原子分别被不同的R原子和其他金属原子所取代，可发展成多种成分不同，磁性能不同的R-Fe-B系永磁体。目前磁性能最高的是Nd-Fe-B永磁材料，它(1)它的做性能高。它的(BH)m相当丁铁氧体永磁体的5～12倍，铸造AlNiCo永磁的3～10倍。它的矫顽力相当于铁氧体永磁的5～10倍，铸造Al-Ni-Co系永磁的5～15倍。它潜在的磁能积很高，其磁能积的理论值达525.4kJ/m³(66MGOe),B,永磁滚筒式磁选机的分析和设计=1.23T(12300Gs),Hc=880kA/m(11kOe)。它能吸引相当于自身重量640倍的重物，而铁氧体仅能吸引自身重量120倍的重物。Nd-Fe-B系永磁体的应用有利于仪器仪表的小型化，轻量化和薄型化。(2)Nd-Fe-B系永磁体以Fe为基体，含有约～35wt%Nd,～Iwt%B。不含战略元素Co和Ni。在稀土矿中Nd的储量居第三位，仅次Ce和La,它的储量相当于Sm储量的10～16倍。(3)它的机械力学性能比SmCos和AINiCo合金都好。可进行切削和钻孔。它的密度比SmCos合金低。所不足的是它的居里温度低，温度稳定性较差，化学稳定性也欠佳。但这些缺点，通过调整化学成分和采取材料.NdFeB永磁以Fe取代Co,富余的Nd取代稀缺的Sm,形成了一种不含Co的，具有高磁能积和使用价值的新型永磁材料。NdFeB永磁问世，引起世界各国永磁行业开发NdFeBd永磁的高潮，先后形成铁基稀十永磁系列化产品。按照矫顽力大小可以将NdFeB永磁产品分成几种类型；第一种为普通型，矫顽力Hc≥955kA/m;第二种为中矫顽力型，Hc≥1194kA/m;第三种为高矫顽力型，Hc≥1353kA/m;第四种为超高矫顽力型，Hc≥1671kA/m。目前，采用先进的低氧工艺制造，实验室水平最高磁能积可达436.8kJ/m³,与最高理论做能积512kJ/m³相差15%,最高矫顽力已达到2400kA/m。Nd-Fe-B系永磁合金具有良好的磁性能，决定了它的广阔应用前景。1988年仝球Nd-Fe-B系永磁合金产量为600t,占永磁体工业4%,Nd-Fe-B系合金的最大缺点就是居里温度低，最高工作温度不能超过150℃,温度稳定性及环境稳定性差。但目前已采用调整合金成分等手段进行了一系列改进工作，为了克服这些缺点，充分利用Nd-Fe-B系合金具有良好磁性能的优势，尚待开展深入的研究。2:17型RCo水非沉淀R-Co系水磁材水徽材水磁材水磁材系水础系水磁料料料料耐料材料1:S型R-Co水蔗图3.1稀土永磁材料分类示意图9IFig.3.1Sortofpermanent-magnetmaterial随着NdFeB永磁材料的问世及高性能磁性材料的涌现，永磁磁选技术有了很大进展。目前主要研究和生产的有永磁辊式磁选机、圆筒型永磁磁选机和永磁高梯度磁选机三种机型，其中圆筒型永磁中强磁河北工业大学硕士学位论文1984年，钕铁硼(NdFeB)新型三元化合物的发明，使得磁性材料最大磁能积早指数提高。这种稀土永磁材料的1.业生产应用推动了永磁强磁选机的发展，为粗粒弱磁性铁矿、锰矿的分选作业提供了随着我国磁材料行业的发展，新型磁性材料有了长足的进步，其中，钕铁硼磁性材料具有磁力强，性价比高等优点，因而获得了广泛地应用。应用新型全钕铁硼磁系不仅磁力强，磁场作用深度大，磁场特性合理，重最轻和便于组装，而且使永磁人块磁选机的工艺指标得到改善，抛废品味和磁性铁回收率达到较高水平。如果用户为了减少设备投资，选用铁氧体磁系，选别指标必然下降。磁导板使用A₃低碳钢Table3.1PerformanceparameteroflowcarbonsteelAs材料硬度抗拉强度ob(Mpa)弹性模量E(Gpa)屈服强度o0.2(Mpa)A₃钢§3-2磁选机的磁系结构参数磁选设备的磁系按磁极的配置方式可分为开放型和闭合型磁系两大类。所谓开放型磁系是指磁极在同一侧做相邻配置且磁极间无感应铁磁介质的磁系见图3.2。在这类磁系中，磁通通过磁极间的空气隙路程长，磁路的磁阻大，漏磁通多，因而这类磁系的磁场强度低，它只能用于选分强磁性矿石或物料的弱磁场磁选设备中。这类磁系有较大的选分空间，所以采用这类磁系的磁选设备的处理量较高。开放型磁系按照磁极的排列特点又可分为三种型式：(1)平面磁系磁极排列为平面(a)。例如带式磁选机采用的是这种磁系。(2)曲面磁系磁极排列为圆柱面(b)。例如筒式弱磁场磁选机采用的是这种磁系。(3)塔形磁系磁极排列为塔形(c)。某些永磁脱泥槽采用的是这种磁系。弱磁性矿物的比磁化率比强磁性矿物小得多，因此回收弱磁性矿物所需要得磁场力要比回收强磁性矿物大得多。开放型磁系的磁场强度和磁场梯度都小，因而磁场力小，满足不了回收弱磁性矿物的要求。要使开放型磁系的选分空问产生很强的磁场力，只有高磁势，这就需要消耗大量的金属导线和高磁能的磁性材料。这是很不经济很不合理的。为解决上述问题出现了闭合型磁系，所谓闭合型磁系是指磁极做相对配置的磁系，且在磁极中间装置有特殊形状的铁磁介质(如表面带齿的圆辊、带齿的平板、圆球、细丝以及网等。开放型磁系磁极之间如有铁磁介质(如带齿的圆盘和圆球等),则此类磁系也可称为闭磁通通过空气隙的路程短，磁路的磁阻小，漏磁少，因而选分空间的磁场强度大，又由于铁磁介质具有特殊形状，因而磁场梯度人，适用于选分弱磁性矿石的强场磁选设备。永磁滚筒式磁选机的分析和设计图3.2开放型磁系(a)平面磁系(b)曲面磁系(c)塔型磁系Fig.3.2Open-endedmagneticsystem(a)Plainfacemagneticsystem(b)Curvedfacemagneticsystem(c)Towerymagneticsystem3-2-1开放型磁系磁选机的磁场开放型磁系的磁场特性决定于通过相邻一对磁极的磁位差(或自由磁势)Um、极距1(极面宽b和极隙宽a之和)、极面宽b和极隙宽a之比值、磁极或磁极端面的形状，以及磁极端面到其排列中心的距离R1(对于曲面磁系)等。实验研究表明，沿磁极(或极间隙)对称面上的磁场强度的变化可用指数方程表示成以下形式：其中Hy:离磁极面y处的磁场强度，A/m;H₀:极(或极隙面)上的磁场强度(此处y=0),A/m;μm:相邻·对磁极的磁位差(自由磁势),A/m;c:磁场的非均匀系数，m¹;e:自然对数基底。上述方程式用于磁极端面形状和极面宽与极隙宽的比值一定的开放型磁系。在没有磁量也没有电流的磁场区域内，磁场的基本方程式如下：divH=0rotH=0磁场的基本方程式在直角坐标系下可变换成如下形式： lnH和a是共轭调和函数，它们都满足拉普拉斯方程。开放型平面磁系的磁场强度方程式的推导：定坐标的原点在某一磁极中线和极面的交点上如(图3.3)。在此中线上，H方向和X轴的夹角a均Fig.3.3Magneticpolearrayofopen-endedmagneticsystem求解磁场H的问题就是满足上面那些边界条件去解变换的磁场的基本方程式(3.3)的问题。和式(3.3)的一个可能解如下令InH=c₁y+C2InH=c₁y+C2a=cix-C3取边界条件便可求出=于是有或和度这些式子即满足公式(3.3),又满足上述边界条件。还可确定磁场中任一点(x,y)处的磁场强永磁滚筒式磁选机的分析和设计因此，在磁极和极间隙的对成面上，公式有以下形式在磁极对称面上在极面水平上(y=0),和公式(3.6)则有以下形式这样，从理论上证明了由实验得出的表示磁场强度随离极面的距离而改变的公式(3.1)是正确的。当磁极表面按圆柱面排列时，磁场的非均匀系数c等于当R₁→0即相当于磁极表面按平面排列时，从上式看出，随着极距1的增加，磁场的非均匀系数c逐渐下降。将H=H₀e对y取倒数求出磁场梯度式中负号可省略，因为它只表示gradH是随着y的增加而降低。从这个等式就可求出磁场的非均匀系数磁场非均匀系数c在理论上是单位磁场强度的磁场梯度。它是极距1的函数，而对于按圆柱面排列河北工业大学硕士学位论文的磁极，还是圆柱表面半径R₁的函数。系数c比磁场梯度更便于表示磁场的非均匀性，因为磁场梯度不仅取决于极距1,而H还取决于磁场强度H。试验研究表明，在磁选机中，实际上系数c值不是相同的，随x值(即随平行于通过极心平面的平面位置)不同而不同，也随y值不同而不同。产生这种现象是由于实际的磁极的极数通常是有限的，且磁极端面的形状也和指数磁场理论的不相符。从公式(3.7)和(3.11)可求出离开极面(或极问隙)任一点y处的磁场力从上式得出，当极面的磁场强度Ho…定时，磁场力HgradH人小决定于系数c和位置y。如R₁又一定，它就只决定于极距1和位置y,磁场力HgradH随着离开极面距离y的增加下降的很快。指数磁场是由和圆弧形等位面相重合的几个磁极端面产生的。对于电磁铁心和铸造磁铁磁系，由于材料的磁导率值较大，磁极头侧面散发磁通，由磁极端面所形成的等位面成一定偏差。如将磁极端面做成一定半径的弧形，弧的半径为~0.4I,且磁极面宽和极隙宽的比值在1.0~1.5的范围内，才可产生近似于指数关系的磁场。通常，圆弧的半径取为r=(0.4～0.6)l(对于陶瓷材料有其它系数)。当圆筒对固定多极磁系或可动多极磁系做快速相对运动时，在筒面上任何一点将产生正弦转磁场。在旋转磁场中，如磁场强度比强磁性矿粒的娇顽力高得多(HoHc),则吸引矿粒且有磁链产生。由于矿粒受到反复磁化，磁链稍有振动。如磁场强度比强磁性矿粒的矫顽力高的不多(只有儿倍),则矿粒不形成磁链。也不被反复磁化，而以单颗粒状态在磁场中运动。磁场方向变化时，矿粒运动方向则跟着变化。假定筒面任何·点固定，当矿粒运动路途等于二倍磁系的极距时(l₁=21),则该点磁场磁力线与y轴的夹角a变化量为0～2π。磁场的频率为,Hz(3.14)式中v:圆筒对磁系的相对运动速度，m/s;根据公式(3.6),考虑到x=vt(式中t简面所选点对磁系相对运动，从坐标起点，磁极中心线算起的运动时间),可得到磁场强度H的两个分量有这样一个特性，即在圆筒的运动方向上存在着以速度为v的前进的波浪式运动，在筒面上某一定点P(x,y),磁场强度H矢量不改变白己的非矢量值，而以公式(3.14)确定的磁场频率f旋转。3-2-2磁选机磁系的极面宽和极隙宽的比值极面宽b和极隙宽a的比值对磁场特性有很人的影响。在磁选分离过程中，一般要求磁性矿粒在随运输装置(如圆筒、皮带)移动的过程中受到较均匀的磁力，以保证运输装置顺利搬运出磁性产品和防图3.4在极面宽b和极隙宽a不同比值下，磁场强度H沿极距方向的变化曲线Fig.3.4Mutativecurveofintensityofmagneticfieldalongpolespandirection极面宽b和极隙宽a的不同比值下，磁场强度H沿极距1方向的变化曲线如(图3.4)所示，从图看时，磁选机极面中心和极隙中心对面处的磁场强度(筒表面或带表面)几乎一样。随着离开磁极表面距离的增加，磁极及其棱边和极隙上方的磁场强度差值明晁的减少，并趋于相当小。但这一比值适用于电磁系和具有剩余磁感大而矫顽力较小的铸造的铝镍钴磁系。对于各向异性的具有较小的剩余磁感和矫顽力大的锶(钡)铁氧体磁系，上述比值和极面宽有关，当极面宽b=26cm时，适宜的b/a~3;b=19.5cm时，b/a~3;b=13cm时，b/a~2;b=6.5cm时，b/a≈1.3。上述比值的磁系适用丁一般简式和带式磁选机。而对于干式离心筒式磁选机，值可达5。因为这类磁选机的工作原理不同于一般类型的磁选机。517×27.07×π/180≈244.26mm,244.26-170=74.26mm),极面宽极隙宽比值b/a=170/74.26~2.3。则采用极距l=170+74.26~244.26mm。其中517mm为磁选机磁极半径；3-2-3做选机做系的极距磁选机磁系的重量和磁系的极距有关，极距愈小，磁系重量愈轻。由于这种理由，似乎磁选机采用小极距磁系是合理的。可是，极距小，离开磁极表面的磁场强度下降过快，而在选分大块矿石时，一部分矿石将处在磁场强度过低的区域，矿石会损失到非磁性产品中去。极距!5和20曲线如图3.5所示。高极面的距离y,cmFig.3.5CurveofplainfacemagneticsystemindifferentpolespanH₂=fiy)(actualline)and(HgradH)y=fiy)(imaginaryline)从图看出，极距I不同而磁极表面中心处磁场强度H₀相同的磁系，小极距磁系的上方所有点的磁场强度均低于人极距的，而磁场力就不是这样，开始时(y≤1.5cm)高于人极距的，而后是急剧下降并低于大极距的。由此说明，极面场强相同而极距不同的磁系，其中小极距(系数c大)磁系，在极面和离极面很近的地方，磁场力很大，但离开极面稍远些，磁场力便下降很多，即磁场力作用深度较小。相反地，大极距(系数c小)磁系就不这样，离开极面远些，磁场力下降的不多，即磁场力作用深度较大。由此可得出定性结论：当矿石层厚度小时，矿粒靠近磁系表面移动，可采用小极距磁系，而当矿石层厚度大时，可以采用大极距的磁系。开放型磁系的极距决定于被选矿石的粒度或被选矿石层的厚度和矿石层到磁极表面的距离。理论上，最适宜的极距可用下法确定：已知作用在磁性矿粒上的比磁力为式中y:离磁极表面最远的矿粒、矿石层或矿浆层距磁极表面的距离：d:被选分矿块的粒度上限；h:矿石层或矿浆层的厚度；△:圆筒表面到磁极表面的距离。图3.6上面给矿(a)和下面给矿(b)时磁系、圆筒、矿石或矿浆的示意图Fig.3.6Schematicplanofgivenorefromtop(a)andgivenorefromtopunderside(b)c=1/2y,m^¹由此得出最适宜的距离为由此得出最适宜得极距为按公式(3.15)算出得极距值偏高，特别是在上面给矿的筒式磁选机干选大块矿石时，这是因为矿块尺寸大，在对矿块重心处的磁场力进行计算时假定了磁场强度和梯度时按直线规律变化的，其实，它们是按指数规律变化的。考虑后一规律，公式(3.15)有以下形式：河北工业大学硕士学位论文一般说来，干选细粒矿石(上面给矿)时，随着极距的减小，精矿品味提高，而尾矿品味下降；湿选矿石(下面给矿)时，随着极距的减小，同干选相反，精矿品味下降，而尾矿品味提高。这是因为：选分工作区长度相同时，极距愈小，磁系的极数愈多，因而增加了磁链的翻转次数，有利于提高精矿质因而表现出由于极距减小，干选时精矿质量提高，而湿选时精矿质量降低。极距减小，干选时(采用小极距磁系)尾矿品味下降，是因为细粒矿石直接给在磁场力很高处的圆筒上造成的。湿选时(采用较大极距磁系),矿浆(2~3cm厚)给到圆筒下方，此处的磁场力较高。因为极距减小，此处的磁场力降低而使尾矿品味提高。磁性产品中需回收铁矿石的最大粒度d=0.079mm。需要回收的铁粉存在于洗煤后的水和其它杂质的混合物中，需采用湿式选矿方式。本课题的筒式磁选机采用下面给矿方式。利用公式(3.16)进行计算。其中磁系半径R₁=517mm;y:离磁极表面最远的矿粒，矿石层或矿浆层距磁极表面的距离。d:被选分矿块的粒度上限d=0.079mm;h:矿石层或矿浆层的厚度，h=20～25mm(h高度可调整);△=6+3=9mm,圆筒外表面到磁极表面距离。(其中筒壁厚6mm,磁极与筒壁内表面间气隙3mm);将以上值带入(3.16)