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三产品重介旋流器二段密度在线调控机理研究与初步设计 摘要 在1 7 1 前的重介分选设备中，三产品重介质旋流器以其优越的分选精度 和较低的控制难度获得了广泛应用。三产品重介质旋流器一段分选密度控 制方法相对完善，可以比较理想的控制精煤的灰分，二段密度控制则显得 问题较大，一方面二段密度调整裕量不大，仅仅靠调整溢流管插入深度或 更换二段底流口来离线实现，更为困难的是，煤质波动时，中煤灰分无法 获得最具性价比的控制，对选煤厂来讲，要么损失很大，要么无法满足客 户需求。因此对于三产品重介旋流器而言，如何实现二段密度在线可控， 实现对中煤质量的高效控制，这是急需解决的重要研究课题。 有关旋流器j b d i ：l 磁场的文献检索表明：外加磁场能够影响磁性矿物的 产品质量，磁场对产品质量的作用具有变化的拐点。为此提出了对三产品 重介旋流器二段旋流器施加磁场，通过探索外加磁场的形式、结构、位置、 磁场强度等参数，以达到在线调节分选密度的新思路。电磁场仿真相关文 献综述表明，采用a n s y s 有限元分析软件可以更好的描述重介旋流器内重 介质( 磁铁粉) 在外加磁场作用下的受力、磁场分布，也便于从机理上分 析j b 力l ：l 磁场对重介旋流器密度调控的内在规律与本质。基于此，论文采用 了磁场仿真、磁场强度实测和分选实验系统构建并物理模拟的技术路线， 探索j b d l ：i 磁场作用下旋流器密度调控的机理与实现方式，在此基础上提出 工业放大原则，并设计在线调控的样机，开发相应的在线测控系统，以期 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 =二二二_=-一一 为三产品重介旋流器二段密度在线调控提供有益的借鉴。 对重介旋流器的密度场和力场分析表明，包络面附近的磁铁粉分布( 磁 场分布) 变化决定着重介分选密度的变化。对文献中三种磁系进行了仿真， 仿真结果表明采用j s v o b o d a 类型磁系是适合的。以此为依据，设计制作 了用于实验室试验的旋流器和线圈，构建了外加磁场重介旋流器分选试验 系统。初步确定了线圈的电流范围和位置，为旋流器分选实验奠定了基础。 根据经验公式和验证试验，进行了外加磁场下不带煤溢流介质产率试 验，确定了线圈位于锥部和圆柱体各自不同的分选效果以及其电流范围： 线圈位于圆柱体时，弱电流能够提高溢流介质产率，线圈位于锥部时，强 电流能够降低溢流介质产率。 。在上述试验的基础上，在旋流器分选试验系统上进行煤泥分选试验。 煤泥分选试验表明：线圈位置在锥部，强电流能够将分选密度降低到0 ，原 煤全部进入底流；线圈位置在圆柱体，弱电流能够升高分选密度，最大值 出现在线圈位置1 8 、电流为1 5 a ，精煤灰分能够从无电流时的9 8 增大到 1 6 8 。证明外加磁场能够调节旋流器的分选密度。 利用a n s y s 软件对旋流器内磁场进行了仿真，仿真表明：旋流器内部 存在零径向力面，两个零径向力面之间磁力指向器壁，在零径向力面外磁 力指向轴线。对包络面密度产生影响的主要部分就是两个零径向力面构成 的空间。分析了线圈位置对分选效果的影响：线圈位置在锥部，矸石随外 旋流很快就进入底流口排出，精煤灰分和产率随电流增大而快速下降。线 圈位于圆柱体和圆锥上部，精煤很快随着上升旋流进入溢流管而排除，试 验表明能够大幅度地提高精煤灰分和产率。仿真结果也表明，如果减小线 太原理工大学硕：均开究生学位论文 圈轴向厚度，能够更精细地调节分选密度，通过制作薄厚线圈进行了物理 模拟并得到了验证。 在上述仿真和物理模拟的基础上，设计开发了一套三产品旋流器二段 分选密度控制系统。以薄线圈磁力为参照，为工业试验设计放大了线圈， 结构参数为：内直径8 0 0 m m ，外直径1 0 0 0 m m ，轴向厚度2 0 0 m m ，选用标称直 径2 5 m m 铜制漆包线。对旋流器的材质进行了仿真分析，仿真表明传统的 铁制外壳会屏蔽磁场，导致外加磁场失效，因此工业型试验二段旋流器需 要选用金属铝、铝合金或不锈钢等相对磁导率较小的材料。对放大线圈所 产生的磁场进行了计算，考察其是否符号安全标准，发现其超过了导出限 值，提出了防护方法。 开发了基于s 7 2 0 0 p l c 的三产品重介旋流器二段密度在线控制系统： 构建了控制系统所需的软硬件平台。利用m o d b u sr t u 协议实现了p l c 与 h s p y 程控直流稳压电源通信控制，采用0 p c 进行p l c 和组态的人机交互， 设计了基于w i n c c7 7 0 组态环境的人机界面，分析了信号传输稳定性的问 题，对于保障本系统的正常运行提供支持。 关键词：三产品重介旋流器，悬浮液密度，磁场仿真，在线调控 塑墅塑塑塑壅 一 工v t h em e c h a n i s mr e s e a r c ha n d p r e l i m i n a r yd e s i g n o fs e p a r a t i o nd e n s i t yo n l i n e r e g u l a t i o no ft h e s e c o n dp a r a g r a p hi n t h r e e p r o d u c th e a v ym e d i u mc y c l o n e a b s t r a c t a m o n gt h ep o p u l a rh e a v ym e d i u ms e p a r a t i o n e q u i p m e n t s ，t h et h r e e p r o d u c th e a v ym e d i u mc y c l o n eh a sb e e na p p l i e dw i d e l yd u et o i t s s u p e r i o r s o r t i n ga c c u r a c ya n d l e s sd i f f i c u l t yt oc o n t r 0 1 t h es e p a r a t i o nd e n s i t yo ft h ef i r s t p a r a g r a p ho ft h r e e p r o d u c th e a v ym e d i u mc y c l o n eh a sb e e nc o n t r o l l e dw e l l r e l a t i v e l y , a n dt h ea s ho fc l e mc o a li s c o n t r o l l e dp r e c i s e l y , b u ts e cd e n s i t y c o n t r o lh a sal a r g e rp r o b l e m ，o nt h eo n eh a n d ，t h ea d j u s t m e n tr a n g eo fs e c d e n s i t yi ss m a l l ，m e r e l ya c h i e v eb ya d j u s t i n gt h ei n s e r t i o nd e p t ho f t h eo v e r f l o w t u b eo rr e p l a c i n gs e cu n d e r f l o wo r i f i c eo f f i i n e t h em o r e d i f f i c u l t yi s t h a tt h e m i d d l ea s hc a nn o tb ec o n t r o l l e dt ot h em o s tc o s t e f f e c t i v e l e v e li nt h e f l u c t u a t i o n so fc o a lq u a l i t y , s ot h ec o a lp r e p a r a t i o np l a n tm a y l o s so rn o tm e e t c u s t o m e r sd e m a n d t h e r e f o r e ，f o rt h et h r e e p r o d u c th e a v ym e d i u mc y c l o n e ， h o wt oa c h i e v et h es e cc o n t r o l l a b l ed e n s i t yo n l i n e ，a n dt oa c h i e v et h ee f f i c i e n t c o n t r o lo ft h eq u a l i t yo ft h ec o a l ，i sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i cw h i c h i sn e e d e d t oa d d r e s su r g e n t l y l i t e r a t u r ea b o u tm a g n e t i cc y c l o n es u g g e s t st h a t ：t h ee x t e r n a lm a g n e t i c v f i e l dc a na f f l i c tt h ep r o d u c t q u a l i t yo ft h em a g n e t i cm i n e r a l s ，t h ep r o d u c t q u a l i t v a 眠t e db y t h em a g n e t i cf i e l dh a sf l e x i b l et u r n i n g p o i n t t h i sp a p e rp r o p ； t h a tt w os t a g ec y c l o n eo f t h r e e p r o d u c th e a v ym e d i u mc y c l o n ei sa p p l i e dw i t l m a g n e t i cf i e l d ，b ye x p l o r i n gt h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d f o r m ，s t m c t u r e ，p o s i t i o i = i ， t h e 吼r e n g t ho ft h em a g n e t i cf i e l da n do t h e rp a r a m e t e r si no r d e r t og e tn e wi d e a s t o a d j u s td e n s i t ys e p a r a t i o no n - l i n e e l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o na 1 1 d r e l e v a n l _ 1 1 t e r a t u r er e v i e ws h o w st h a ta n s y s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ec a nb e t t e r d e s c r i b et h et h r e ea n d m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o no ft h eh e a v y m e d i u m ( m a g n e t p o w d e r ) i nt h eh e a v ym e d i u mc y c l o n ei na ne x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d a l s o c a l l a n a l y z et h ei t m e rr u l ea n de s s e n c eo ft h eh e a v ym e d i u m c y c l o n ed e n s i t vc o n t r o l a p p l i e dm a g n e t i cf i e l df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fm e c h a n i s m a n a l y s i sc o n v e n i e n t l v b a s e do nt h i s ，t h ep a p e r a d o p t st h em a g n e t i cf i e l ds i m u l a t i o n ，t h em e a s u r e m e n t o fm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ha n dt h ec o n s t r u c t i n g o ft h es e p a r a t i o ne x p e d m e n t s y s t e ma n dt j h ep h y s i c a ls i m u l a t i o n ，e x p l o r et h ec o n t r o lm e c h a n i s ma n dt h e r e a l i z a t i o nw a yo ft h eh y d r oc y c l o n ed e n s i t y a p p l i e db yt h ee x t e m a lm a g n e t i c f i e l d ，o nt h eb a s i so ft h i s ，p u tf o r w a r dt h ei n d u s t r i a l a m p l i f i c a t i o np r i n c i p l e ， d e s i g nt h ep r o t o t y p eo ft h eo n l i n ec o n t r o l ，d e v e l o pt h e c o r r e s p o n d i n go n 1 i n e m e a s u r e m e n t , a n dc o n t r o ls y s t e m ，i no r d e rt op r o v i d eu s e f u lr e f e r e n c et oo n 1 i n e c o n t r o lo fs e ed e n s i t yr e g u l a t i o no f t h r e e p r o d u c th e a v ym e d i u mc v c l o n e t h e a n a l y s i so fh e a v ym e d i u mc y c l o n ed e n s i t yf i e l da n df o r c ef i e l ds h o w s t h a tt h ed i s t r i b u t i o n c h a n g e so fm a g n e tp o w d e r ( m a g n e t i cf i e l d ) n e a rt h e e n v e l o p i n gs u r f a c ed e c i d et h ec h a n g e so f h e a v ym e d i u ms e p a r a t i o nd e n s i t y t h e v i m a g n e t i cs y s t e mo ft h em a g n e t i cc y c l o n e i nt h el i t e r a t u r ea r ea n a l y z e d ，t h e j s v o b o d at y p em a g n e t i cs y s t e m i ss u i t a b l ef o rt h i s s t u d y o n t h i s b a s i s ，d e s i g n t h ec y c l o n ea n dt h ec o i la n db u i l dh e a v ym e d i u mc y c l o n e s e p a r a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e m w i t he x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d i n i t i a l l yd e t e r m i n e t h ee x t e n to fc o i lc u r r e n ta n dl o c a t i o no ft h ec o i l ，l a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h e c y c l o n es e p a r a t i o ne x p e r i m e n t s a c c o r d i n gt ot h ee m p i r i c a lf o r m u l aa n d v a l i d a t i o ne x p e r i m e n t s ，d ot h e o v e r f l o wm e d i ay i e l de x p e r i m e n t sw i t h o u tc o a li nt h em a g n e t i cf i e l d ，d e t e r m i n e d i f f e r e n ts e p a r a t i o ne f f e c ta n di t sc u r r e n tr a n g ew h e nt h ec o i li sl o c a t e di nt h e c o n ea n dc y l i n d e r ：w h e nt h ec o i li sl o c a t e di nt h ec y l i n d e r , t h ew e a k c u r r e n tc a n i m p r o v et h ey i e l do ft h eo v e r f l o wm e d i a ；t h ec o i l i sl o c a t e di nt h ec o n e ，t h e s t r o n gc u r r e n tc a nr e d u c eo v e r f l o wm e d i u my i e l d o nt h eb a s i so ft h ea b o v ee x p e r i m e n t ，d os l i m es o r t i n ge x p e r i m e n ti nh e a v y m e d i u mc y c l o n es e p a r a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e mw i t he x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d f o u n dt h a t ，t h ec o i lp o s i t i o n i nc o n ea n ds t r o n gc u r r e n tc a nr e d u c et h e s e p a r a t i o nd e n s i t yt o0 ，a l l o ft h er a wc o a lt oe n t e rt h eu n d e r f l o w ；t h ec o i l p o s i t i o ni nt h ec y l i n d e r a n dw e a kc u r r e n tc a ni n c r e a s ei nt h ed e n s i t yo f s e p a r a t i o n ，t h em a x i m u ma p p e a r si nt h ec o i lp o s i t i o n 18a n d1 5 a ，t h ec l e a n c o a la s hi n c r e a s e st o 16 8 f r o m9 8 t h a ta ne x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dc a n a d j u s tt h es e p a r a t i o nd e n s i t yp r o v i d e st h e b a s i sf o ri n d u s t r i a le x p e r i m e n to f h e a v ym e d i u mc y c l o n ef o l l o w u p u s ea n s y ss o f t w a r et oa n a l y z et h em a g n e t i cf i e l d ，d i s c o v e rt h ee x i s t e n c e v i i 垄塑矍塑三壁塑堕苎堕壅竺堂垡笙窒 一 o ft h es u r f a c eo fz e r or a d i a l f o r c e ，t h em a g n e t i cb e t w e e nt h et w oz e r o r a d i a 1 p 0 i n tt ot h ew a l l ，o t h e r sp o i n tt ot h ea x i s t h em a i np a r ti m p a c t so nt h ed e n s i t v o ft h ee n v e l o p i n gs u r f a c ec o m p o s e do ft w oz e r o r a d i a lf o r c es u r f a c e s p a c e a n a l y z et h es e p a r a t i o ne f f e c to fc o i lp o s i t i o n ：c o i lp o s i t i o ni nt h ec o n e ，h e a v 、， p a n i c l e so fr a wc o a l , w a s t et a i l i n g sw i t h t h eo u t e rs w i r l q u i c k l yi n t ot h e u n d e r f l o w , t 1 1 ec l e a nc o a la s ha n dy i e l dr a p i dd e c l i n ew i t ht h ei n c r e a s eo f t h e c u r r e n t ：t h ec o i li nt h ec y l i n d e ra n dac o n i c a lu p p e r p a r to ft h ep o i n t ss e l e c t e d 1 i g h tp a r t i c l e so fr a wc o a l ，c l e a nc o a lq u i c k l yw i t ht h er i s i n g s w i r li n t ot h e o v e r n o w ，c a 【lg r e a t l yi m p r o v et h ec l e a nc o a la s ha n d y i e l d t h ea n a l y s i s s u g g e s t st h a tr e d u c e st h ec o i la x i a lt h i c k n e s sc a nf i n e t u n et h es e p a r a t i o n d e n s i “ i th a sb e e nv e r i f i e db yt h i nc o i le x p e r i m e n t d e s i g n ea n dd e v e l o p eac o m p l e t es e to fse c s e p a r a t i o nd e n s i t yc o n t r o l s y s t e m a sar e f e r e n c et ot h em a g n e t i cf o r c eo ft h et h i n c o i i ，d e s i g i l et h e a m p l i f i c a t i o nc o i lf o rt h ei n d u s t r i a le x p e r i m e n t ，t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ：i n n e r d i a m e t e ro f8 0 0 m m ，o u t e rd i a m e t e ro f10 0 0 m m ，t h ea x i a lt h i c k n e s so f2 0 0 m m n o m i n a ld i a m e t e r2 5 m mc o p p e re n a m e l e d w i r e a n a l y s i so ft h em a t e r i a lo ft h e c y c l o n e ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei r o ns h e l lw i l ls h i e l dt h em a g n e t i cf i e l d r e s u l t i n gi ne x t e r n a lm a g n e t i cf i e l df a i l u r e s ，s os e cc y c l o n eo f i n d u s t r i a l t y p e e x p e r i m e n tn e e d st ou s es m a l l e rm a t e r i a lr e l a t i v ep e r m e a b i l i t yo ft h em e t a l a l u m i n u m ，a l u m i n u ma l l o yo rs t a i n l e s ss t e e l c a l c u l a t et h em a g n e t i cf i e l do f t h e a m p l i f i e dc o i lt oi n v e s t i g a t ew h e t h e rc o m p l yw i t hs a f e t ys t a n ( 1 a r d s ，f i n dt h a t m o r et h a nt h ei e x p o r tl i m i t s ，p r o p o s ep r o t e c t i o nm e t h o d v i i i d e v e l o ps e p a r a t i o n d e n s i t y o n l i n e r e g u l a t i o n s y s t e m o ft h es e c o n d p a r a g r a p hi n3 - p r o d u c th e a v y n l e d i u mc y c l 。n eb a s e do ns 7 2 0 0p l c ；b u i l d t h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m u s i n gm o d b u s r t up r o t o c o lt oc o n t r o l c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l c a n dh s p yp r o g r a m m a b l ed cp o w e r , a c h l e v et h e p u r p o s eo f c o n t r o lo ft h ec o i lp a r a m e t e r s u s i n go p c a c h i e v eh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o nf o rp l ca n dc o n f i g u r a t i o n ，a n dd e s i g nt h e h u m a n m a c h i n ei n t e r 士a c e b a s e do nw i n c cv 7 0s o f t w a r e ，t h ea n a l y s i so fs t a b i l i t yo fs i g n a lt r a n s m l s s l o n s u p p o r t st h es y s t e mr u n n i n gn o r m a l l y k e yw o r d s ：t h r e e p r o d u c th e a v y m e d i u mc y c l o n e ，s u s p e n s i o nd e n s i t y ， m a g n e t i cf i e l ds i m u l a t i o n ，o n l i n er e g u l a t i o n i x x 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题目的和意义 第一章绪论 煤炭是我国的主要能源，在一次能源消费中主导地位。随着我国对煤炭需求不断攀 升，煤炭行业正面临着空前大好的发展机遇。煤炭需求的增长使得煤炭洗选比例快速增 长，选煤厂数量和规模不断扩大。衡量一个国家煤炭开发和利用技术水平的重要标志之 一就是原煤洗选比重。在“十一五”期间，我国选煤厂的建设迎来了大型化和现代化。 在2 0 0 5 年，全国选煤厂总原煤入洗能力是8 4 亿吨，到了2 0 1 0 年，全国选煤厂总原煤 入洗能力已经达到1 7 8 亿吨，原煤入洗率由3 1 9 增长到5 0 9 。不过，和煤炭工业 发达国家7 0 甚至更高的原煤入选率相比，还是存在很大差距堙1 。要想提高煤炭综合利 用率、节约运力成本、提高企业经济效益、减少硫化物等有害污染物排放，目前成本最 低、效果最好的方法就是煤炭的洗选加工“。煤炭洗选加工是煤炭清洁利用的基础，是 洁净煤技术的重点，对于保护环境、节约资源和实现我国煤炭工业的可持续发展有着重 要的战略意义。 在跳汰、重选和浮选等选煤技术中，重介质旋流器选煤已越来越多被更多的应用。 重介质旋流器是目前重力选煤方法中效率最高的一种，它是利用重悬浮液或重液作为介 质，在外加压力产生的离心场和密度场中把煤和矸石分离开来的一种具有特定结构的 设备h 引。三产品重介质旋流器可用单一低密度悬浮液有效分选出质量合格的精煤、中 煤和矸石，简化了生产工艺，节省了基建投资和加工费用。特别适合中国这样中间密度 物数量大、难选煤居多的情况。 重介质旋流器选煤的关键技术是旋流器的结构尺寸、循环介质的稳定性和流变性， 以及重悬浮液的密度控制。一段分选密度已经有了很成熟的控制方法，可以很好地控制 精煤的产率和灰分刚。二段的分选密度还未得到有效的调节，中煤产率和灰分没有得到 有效的控制。 三产品重介旋流器分选工艺简捷，是用单一介质系统来控制精煤分选和中煤矸石分 选，实际生产中一般难以实现最佳组合，不能保证精煤、中煤和矸石三者都符合要求， 如果要降低中煤灰分，就要降低第一段的悬浮液密度，这样会造成精煤的损失：如果要 升高中煤灰分，就要更换小底流口，但又容易造成排矸口的堵塞，并且不能实现在线调 太原理工大学硕士研究生学位论文 节。凡是采用三产品重介旋流器的选煤厂，都面临二段密度调控的困难。如何实现三产 品重介旋流器二段密度的在线调控，是困扰煤炭工业的重大技术难题。 针对三产品重介质旋流器分选特点和煤质波动的实际工况，展开对控制二段分选密 度的研究具有重要价值，同时本文的研究对于提高中煤产品质量、降低工人的劳动强度、 提高选煤厂经济效益和自动化程度，提高资源利用率都有着重要的意义。 1 2 国内外相关研究进展 1 2 1 二段旋流器分选密度调节的研究进展 三产品重介旋流器二段旋流器分选密度控制的方法研究目前主要集中在结构参数 变化的探索。 理论和试验研究表明，改变二段旋流器底流口的直径能够有效地调节二：段分选密 度，而且几乎：不影响一段旋流器的分选。但是，这种方法的缺点是每改变一次分选密 度就要更换不同的底流口，在煤质波动较大时，更换底流口需要频繁的停车，且不能实 现无级调节。要实现二段分选密度的在线调节，则需研制耐磨、简单、可靠的变径底流 口，而这项研究至今进展不大，不能满足生产要求。 煤炭科学研究总院唐山分院的赵树彦等晒如受一段旋流器通往二段旋流器的出口沿 着切线方向的启发，将矸石出口由轴向也改为切向，按此原理设计了二段分选密度在线 可调式无压给料三产品重介质旋流器，图卜l 是其结构示意图。 图1 - 1 切向底流1 ：2 旋流器 f i g 1 - 1c y c l o n ew i t ht a n g e n t i a lb o t t o mo r i f i c e 通过控制出口反向压力的方法调节底流排放量，从而达到调节二段分选密度的目 的，但其缺点是当要获得较高的中煤灰分时，就要升高出口反向压力，可能会造成底流 2 太原理： 大学硕士研究生学位论文 口阻塞，调节范围受到限制。 研究人员通过观察重介质旋流器内的密度场发现，调节溢流管插入深度也能够改变 二段旋流器分选密度n0 | ，结构如图1 - 2 。但调节范围较小，不能满足选煤实际需求，机 械调节装置也常因为煤泥阻塞和生锈而难以调整，并且不能实现选煤厂的自动控制。 可调溢流管 图卜2 溢流管可调式旋流器 f i g 1 - 2c y c l o n ew i t ha d j u s t a b l eo v e r f l o wp i p e 1 2 2 磁力水力旋流器的研究进展 由于重介旋流器悬浮液所用的加重质多为磁铁矿粉，磁铁矿粉属于亚铁性物质，是 典型的强磁性矿物，因此可以通过外加磁场来改变悬浮液中磁铁矿粉的分布和运动，进 而改变旋流器内的流场，控制分选密度。这为调节二段旋流器的分选密度提供了一条新 的路径。 重介旋流器作为水力旋流器的改进，通过在水中掺入密度大于水的介质作为加重 质，以此来提高分选密度口。因此可以借鉴水力旋流器的研究成果。 水力旋流器是一种按粒度、密度进行分级或分离的设备n2 | ，如图卜3 。磁力水力旋 流器是在2 0 世纪6 0 年代后期出现的，是以常规水力旋流器为基础，附加磁场组合而成， 通过外部磁场对磁性物进行磁化而产生磁力，与重力和离心力相作用，用来分选磁性矿 物，来促进磁性矿物更好的分级、分离或浓缩，改善分选效果n 3 1 。 太原理工大学硕十研究生学位论文 图1 - 3 水力旋流器 f i g 1 3h y d r o c y c l o n e a f f r i c k e r 等n 们n 卯为了更好的选别钛磁铁矿的铁矿砂，设计了一种磁力水力旋流 器。将一个普通水力旋流器镶嵌于同心的环形电磁铁磁极之间，磁极在顶端相联，结构 如图卜4 。由于外磁极的半径比内磁极的半径大，磁感应强度沿径向向内逐渐增加，铁 矿砂所受磁力指向轴线，使铁矿中的磁性颗粒进入到溢流从溢流口排出。 溢流 底流 内电磁铁 b j a b 图1 - 4a f f r i c k e r 型磁力水力旋流器 f i g 1 _ 4a f f r i c k e rm a g n e t i ch y d r o c y c l o n e 试验样本采用人工制备的磁铁矿砂和石英砂，实验结果表明这种磁力水力旋流器能 够大幅度提高磁铁矿砂的回收率和精矿品位，但精矿品位进一步提高则受到限制，要获 得更高的精矿品位，回收率就要下降。 j l w a t s o n 和k a g y m p a h n 习设计了一种与a g f r i c k e r 类型有很大的不同新型磁 系的磁力水力旋流器，把线圈缠绕在铁芯上构成电磁极，两个电磁极同极相对，将其放 在旋流器两侧，磁感应强度的径向分量由旋流器轴线向两极增大，所以磁性物所受到的 4 太原理： 大学硕士研究生学位论文 磁力指向旋流器的器壁，磁性颗粒被吸引到旋流器器壁，然后从底流口排出。磁力水力 旋流器结构如图卜5 所示。 线圈 图1 5w a ts o n 型磁力水力旋流器 f i g 1 5w a ts o i ln n a g n e ti ch y d r o c y c l o n e 试验样本也采用人工制备的磁铁矿砂和石英砂，在不同的磁感应强度下，分析了底 流中磁性物和非磁性物的回收率情况，试验结果表明，磁铁矿砂的回收率具有拐点，在 磁感应强度为0 1 t 时，磁铁矿砂的回收率最高，超过这个磁感应强度后回收率就开始 下降。 英国的b o x m a g r a p i d 公司设计出一种磁力旋流器n5 ，类似于j l w a t s o n 和 k a g y m p a h 磁力水力旋流器的设计型式，其磁系为四级电磁铁，跟j l w a t s o n 型相比 具有很高的磁场梯度，因而磁性颗粒所受的磁力也比较大，适合选别细粒铁矿石，还可 以用于稀重介质的脱水。 j a f it c h 等h 胡以j l w a rs o n 和k a g y m p a h 研制的磁力水力旋流器为基础，通过增 加电磁极，对其进行了改进，设计出了磁极个数分别为4 、8 、1 2 和1 6 的磁力水力旋流器， 考察了不同数量磁极的磁力，通过与w a r s o n 型的二极磁系进行研究比较，发现并不是磁 极越多磁场力越大，8 极磁系设计最大。8 极磁系的磁极和磁感线分布图形如图1 - 6 。 5 黼il乏 o1i ；+ 太原理工大学硕士研究生学位论文 图l 68 极磁系的磁感线分布图 f i g 1 - 6m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o no fe i g h tp o l e s w a p j p r e m a r a r n e 等n 7 1 设计了从海砂中回收钛矿的磁力旋流器，在水力旋流器 的外面加了一个装有最大磁感应强度为0 6 t 的n d f e b 永磁铁的磁力耦合装置，其剖 面图如图卜7 所示，实验结果显示，密度大的并且易磁化的钛矿粒从底流口排出，密度 小的脉石则从溢流口排出。 入料 溢流 n d - f e - b 永磁铁 一铁芯 图1 - 7 带有磁力耦合器的旋流器的剖面图 f i g 1 - 7c r o s ss e c t i o no ft h em a g n e tc o u p l i n gf o rt h em a g n e t i ch y d r o e y e l o n e 1 2 3 磁场在重介旋流器的应用 j s v o b o d a 和l l v a t t a 等n 州旧3 将磁场应用在重介旋流器上，采用简单的螺线管， 沿轴向方向缠绕在旋流器上的，通过调节螺线管在旋流器轴向合适的位置，可以使磁性 介质颗粒在旋流器内部很好的分布，实验采用硅铁作为重介质来分选顺磁性矿物，因此 通过调节螺线管位置和磁感应强度，便可以控制重介质的密度分布，并使密度差、分离 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 点密度以及e p 值达到最佳。 重介质旋流器的尺寸和试验螺线管所在的三个不同的位置如图卜8 所示。试验所用 的重介质旋流器是把戴比尔斯钻石研究实验室开发的一个重介质旋流器按比例缩小后 制作的。 螺线管 顶部 中部 下部 图卜8j s v o b o d a 型磁力旋流器 f i g 1 - 8j s v o b o d am a g n e t i cc y c l o n e 螺线管位于顶部、给料浓度是2 2 5 9 c m 3 的试验结果如图卜9 ，可以看出，当有磁 场作用时，溢流和沉砂的密度差值缩小，直到达到最小值为止，当进一步增加磁场强度 后，密度差值开始增加。密度差值存在着拐点。旋流器分别采用不同种类的硅铁和给矿 浓度，以及在不同的螺线管位置条件下，都发生了这种现象。试验研究结果证实了可以 通过在旋流器外部施加一个弱的磁场来控制旋流器内部硅铁介质的分布，用这种方法可 控制密度差及平均或然误差。 图1 - 9 产品密度差曲线 f i g 1 - 9d e n s i t yd i f f e r e n t i a lc a l v eo f p r o d u c t 7 太原理_ t 大学硕士研究生学位论文 文献综述表明：外加磁场对于改变磁性矿物的受力、分布、走向都有作用，外加磁 场结构设计对于磁性分布有重要和直接的影响并最终对产品质量形成影响；外加磁场位 置的差异可导致不同磁性物分布规律和运动形态、磁场强弱变化对于磁性物作用有较大 影响，文献中研究结果表明，磁场作用不是单调的，具有变化的拐点。从以上的文献中 发现，可以通过在三产品重介旋流器二段旋流器施加磁场来在线调节分选密度。 1 3a n s y s 软件电磁场分析功能及应用 a n s y s 有限元分析软件诞生于1 9 7 0 年，作为在国际计算机辅助设计行业久负盛名的 公司，a n s