（电工理论与新技术专业论文）永磁滚筒式磁选机的分析和设计.pdf

水僦滚筒，c 碰选机的分析和、难i l t h ea n a l y s i sa n dd e s i g n0 fp e r m a n e n tm a g n e t c y l i n d e rm a g n e t i cs e p a r a t o r a b s t r a c t m a g n e t i cs e p a r a t o ri sam a g n e t i cm a c h i n e ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nr e c e n ty e a r s i tc a r lb e u s e di f lm c t a l h l r g ya n do t h e ri n d u s t r i e ss u c ha sm i n e r a ls e p a r a t i o n e l i m i n a t ei m p u r i t ya n ds oo n i ta s oc a l lb eu s e da ss p e c i a le q u i p m e n tf o rr e c l a i m i n gh e a v y m e d i u m b e c a u s et r a d i t i o n a l c y l i n d c l + m a g n e t i cs e p a r a t o rh a st h ea d v a n t a g e so fl o wo p e r a t i o nc o s t s t a b l eo p e r a t i o n ，f i tf o r l o c a l ep t o d u c t i o n 、i tt a k e su pi r r e p l a c e a b l ep o s i t i o ni nm a g n e t i cs e p a r a t o r s w ea n a l y z e dt h ef o r c eo fm a g n e t i cs e p a r a t o rr e c l a i m i n gm a g n e t i s mm i n e r a lg r a i ni nt h e c o n d i t i o no fc a l l b a c k h e a v y - m e d i u m ，w e c a l c u l a t e d m a g n e t i ci n t e n s i t y b a s e do n c l c c l l 。o m a g n e t i cv e c t o rp o t e n t i a lf i n i t e e l e m e n t m e t h o d e s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c sm o d e lo f m a g n e t i cs y s t e m a n ds t u d i e de f f e c to fd i f f e r e n tm a g n e t i cs y s t e mc o n f i g u r a t i o n s m a g n e t i cc i r c u i ti st h em a i np o r t i o no fm a g n e t i cs e p a r a t o ri ld e c i d e st h ep e r f o r m a n c eo f m a g n e t i cs e p a r a t o r m a g n e t i cs y s t e mi so p e n e n d e d t h ep a p e rs t u d i e dt h ei m p a c to t lm a g n e t i c s y s t e mh e i g h t b r e a d t h r a d i u s n u m b e ro fp o l e s ，m a g n e t i cd i f f e r e n c eo fp o t e n t i a l ，p o l es p a n ， 】 a l t oo fm a g n e t i c p o l eb r e a d t ha n da i r s p a c eb r e a d t h s h a p eo fm a g n e t i cp o l e d i s t a n c eo f l n a g n e t i cp o l et ot h em a g n e t i cf i e l d l sc e n t e r , c a l c u l a t e dp a r a m e t e ro fm a g n e t i cs y s t e m ，a n a l y z e d a n dc e l 4 t i f i c a t i o nd i f f e r e n ta c t i o no fd i f f e r e n tm a g n e t i cs e r i e s ，d e s i g n e dak i n do fp e r m a n e n t m a g n e tc y l i n d e rm a g n e t i cs e p a r a t o rw i t ha d v a n c e dc o n s t r u c t i o n ，s i m p l ec o n s t i t u t i o n ，w o r k i n g r e ii i i b l c f i n a l l y e m u l a t e d t h e m a g n e t i cc i r c u i t ，e s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c sm o d e l c a l c u l a t e d m a g n e t i cf i e l dc h a r a c t e r i s t i cw i t ho p e r a ，s ot h a tt oa n a l y z et h em a g n e t i cc i r c u i ts i m p l y k e y w o r d s ：p e r m a n e n t - m a g n e t ，c y l i n d e rm a g n e t i cs e p a r a t o r m a g n e t i cs y s t e md e s i g n ，f i n i t e c l e m e n ta n a l y s i s 河北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 磁选技术概述 1 - 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 备品种规格齐伞，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。 闫内外对磁选机都有一定的研究，国外永磁滚筒式磁选机的补筒与磁场间隙小，因此磁场性能高。 国内磁力应用工程起步较晚，而且应用面小j 1 ，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，国外磁选没备发展很快i l “，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腱；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。 弱磁场磁选桃i z r ：瑞典在磁选设备的研制和磁选工岂的运用方面有较长的历史和丰- 富的经验。自 1 8 9 0 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 6 0 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i 种机型。美国埃利旌磁力公司 是大型磁选设备制造公司，比较蓖视磁系的研制工作。筒径1 2 2 0 r a m 、筒长3 0 5 0 r a m 的大型磁选机，改 进了磁系磁路，多磁系的问隙中装有反斥磁铁，其极性与相邻磁铁相阿：圆筒外部也附加厂一组磁极， 其极性与圆筒内相对应的磁擞极性相反，从而能大大减少漏磁，提高磁场作用强度和深度，提高分选放 率。芬兰科恩公司研制的弱磁场磁选机新设计简体可使磁场的吸附作用集中在距离筒体表面0 3 0 m m 处，简体表面的磁感麻强度为01 8 o2 t ，而距离简体表面5 0 m m 处场强下降到00 6 o0 7t ，形成梯 度较高的筒体，其吸附能力可提高4 0 ，不仪提高了处理能力，而且有较高的回收率。俄罗斯生产的 大型磁选机，有y l b m 1 2 0 3 0 0 和j i b m 一1 5 0 4 0 0 等型号。筒径达1 5 0 0 m m ，筒长4 0 0 0 m m 。生产能力达 4 0 0 t 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1 0 5 0 r a m 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。使简体表而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2 0 0 m t 到尾矿扫选区2 8 0 r o t ，距离筒表5 0 m m 处平均磁感应强度仍在1 0 0 r o t 以上。磁系位置口j 调，根据 生产需要可调整工作问隙和精矿排矿间隙。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b k 一1 0 2 1 ( 直 径1 0 5 0 ( 2 1 0 0 ) 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，产牛 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 1 永磁滚筒式敲选机的分析和设计 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，与反向冲沈水相互冲击，打破 了磁团聚，使被磁作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 柠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：国外磁力滚筒主要肓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、磁感应强度已有很大程度提高。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。最人滚筒直径丛 1 5 0 0 r a m ，处理物料壤大粘度为3 0 0 m m 。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1 8 0 0 m m ，筒长2 0 0 0 m m 筒表磁感应强度2 5 0 2 6 0mt ，处理能力5 0 0 6 0 0 t h ，入选粒度上限 3 5 0 r a m 。这种复合磁系磁力滚筒的优点在于有较高的磁场强度，取得更好的选分教果。冶金部马鞍山矿 山研究院研制的磁力滚筒己形成c t d g 系列在全国较多j 1 勺大中型选厂己有1 0 0 多台没备使用。滚筒直 径由5 0 0 m m 到1 5 0 0 r a m ，偌宽5 0 0 l6 0 0 m m 筒表分选区场强1 6 0 2 6 0mt ，处理矿石粒度7 5 3 5 0 r a m ，台叫处珲量5 0 6 0 0 t ，机霉0 4 5 4 t 。1 ；要牛产指标：尾矿品位8 6 97 ，原磅。品忙高2 2 4 1 0 4 6 ，磁性铁回收率9 93 5 。该系列磁力滚筒具有效率高，成本低，适应性强，预选上艺输单， 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c t l 4 1 6 型磁力滚筒处理矿石最 大粒度3 5 0 m m ，台时处理能力为4 5 0t 。该院又研制了c t d y - 1 2 1 4 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l l j 冶金设计研究院研捌了电磁磁力滚 筒，筒表场强2 7 0 m t ，带表场强2 4 0 m t ，处理最大粒度3 5 0 m m ，处弹能力达4 5 0 t h 。 中场强磁选机1 1 4 1 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， 晟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。为减少磁极问隙漏磁，往往在磁极 间隙处加入辅助磁极，多用丌路磁系，结构简单，加工方便，使用可靠，管理方便。8 0 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。7 0 年代瑞典萨拉公司研制成功第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笆跃。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1 a n ) 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、粉度很细的磁性矿釉，为解决品味低、精度细、磁性弱的氧化铁矿石的选别开辟，新途径。它不 仅用于选别铲4 - ，逊叫用十选剐许多其他细粒和微细粒物料。高梯度磁选新工岂在环境保护领域内【e 有 广泛的应用酊景。将来明能成为全球性的环境保护的重要方法之一。 强磁选机：1 9 6 3 年琼斯湿j j = 强磁选机首先从英国发展起束，爿诹得专利。这是强磁场磁选机的一 个霞要突破。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r 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_ 石的有教向经济的湿式强磁选桃目前主要是德国 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d p 一3 1 7 型。近年来，德国洪堡韦达格 公司对该设备做，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 2 河北工业大学硕士学位论文 系：将低温超导磁体开放磁系安装在分选转磕内，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 个增军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 心铁质转予改为空心铁转子：减轻重量，缩短磁路，减少电耗；( 5 ) 改进聚磁分选介质：提高了糖矿品 位。1 9 9 1 年1 0 月美国国际选矿设备公司研制成功h i g h - f o r c e r 强磁选机，磁辊由钕铁硼永磁材料，厚 度为4 m m 环片和厚度l m m 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 0 7 4 i n i n 至3 0 m m ；处理能力人，结构简单，更换安装 皮带装最操作维护方便；传动功率小，能耗低：占地碰积小，价格便宜。 最近几十年，磁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屯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，面使不同矿物实现分离的一种新的选矿方法。当矿物之间 磁件差异小而密度或导电性差异较大刚，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 右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右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闻内产生1 6 0 0 k a m ( 2 0 0 0 0 0 e ) 以上的强磁场，并且线髑不消耗电能，磁场跃时问不衰减。这种磁进机的体积小，重量轻，磁场强度犬， 分选效果好是用于工业q ：产的较殚想的设备。这种磁选帆可用于选别矿石特别是稀有金属铲石以及从 非金属矿物原料中除去禽铁杂质等等。 8 0 年代中期开始，国外制造永磁磁选机的主要有五家，它们是美国的e r i e z 磁力公司、英国的 b o x i n g - r a p i d 公司、英国的m a s t e r 磁体公司、德国的k i t d 公司、澳大利亚的1 f e i n d u s t r i e e i n r i c h t t m g e n f e r t i g u n g s a k t i e n g e s e l l s c h a f t a g ，但日前制造筒式中磁场磁选机的主要是e r i e z 和k h d 两家公司。在国 内，利用n d f e b 永磁材料研究和生产永磁磁选机的单位也有十来家。 8 0 年代后期，磁分离技术发设备的主要发展趋势是：( 1 ) 粗粒( 低于5 0 m m ) 弱磁性矿物的分选设 备的研制，包括适合于千式和湿式分选。( 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n d f e b 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碱 选桃有三种机型。( 1 ) 永磁辊式磁选桃：钕铁硼永磁材料投入工业生产后，首先投入研究的就是埋式破 碎机。辊径从开始的7 5 m m 增大到丁现在的3 0 0 m m ，长度为2 5 0 1 0 0 0 m m 。目前磁体表面磁场己达到 2 t 。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。但这种机型存在定的局限性， 闪为磁体的磁极是轴问交替变化，物料在分选过程中没有磁翻滚，闲而选别效率低；由于磁体是裸露的， 容易受潮氧化陌降低磁场，由于橡胶或尼龙传送带厚度不到1 m m ，很难适用于丁业生产。( 2 ) 圆筒型 永磁磁选机：国外永磁筒式磁选静l ，在以f 几方面有了较大发展：( 1 实现设备大型化，提高了处理 能力。 应用辅助磁极，出现了复合磁系和高梯度磁系。 提高磁感应强度，研制出可调永磁 磁系。( 4 强化分选过程，提高了分选效率。 多笥串联使用，提高了磁选能力。这种机型足一 永磁滚筒式磁选机的分析和设计 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，05 t 寿 右的磁场就够了，国外己用于生产。国内有几家己作了不少l 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，由于背景场强微难提高，目前还难卡永磁化。另 外，由f 高梯度磁选机的磁介质在分选空问中的充填率低，一般低于1 0 ，因面介质吸附量有限，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 较低。 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片面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 乍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。按削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，目前保有韵铁矿石探明储量居 世界前列，但贫矿占8 0 左右，富矿仅占2 0 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8 0 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。根据我国的牛产实践统计，铁 精矿品位每提高1 ，高炉利削系数可增加2 3 ，焦炭消耗量可降低l5 ，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一部分进入轻、重产品的 沈水中，通过磁选法可回收它们升使之再用。 非金属矿物原刳的选矿中，在许多情况下都伴随有除铁的问题，磁选成为个重要的作业。例如， 高蛉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l 2 时，白度叫提高2 4 个单位。世界各国对高蛉士进行了研究，并应用高 梯度磁分离装置除去含铁杂质获得了良好的效粜。 蓝晶石、石英、红电气石、长石、霞石闪长岩等选别很早以束就用干式磁选法。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l 】的弱磁性矿物( 如赤铁矿) 。 进入选矽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，在破碎机的绘 矿皮带上方装有悬吊磁铁以吸出矿石中的铁物。 4 永碰滚筒式啦选机的分析和设计 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 帆：高梯度隘选机实现永磁化且有重要的意义，囚为尉丁回收铁矿物，它所需的背景磁场低，o5 t 有的磁场就够了，固外己用于生产。围内有几家己作了不少i 谁，样机电已用于生产，并且还j l 在作进 一步的工作。不过对十用来除铁的高梯度隘选机来说，由于背景场强根难提高，目前进难十水磁化。另 外，由于高梯度磁选机的磁介质在分选空间巾的充填率低，一般低于1 0 , 4 ，因i i i 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，幽此，高梯度磁选机即使永磁化后用来选铁。绎济效益仍矣 较低。 1 1 - 2 磁选技术应用 磁选是在1 i 均匀磁场中利用矿物之阈的碰性差异而使不同矿物实现分离的一种选矿方法。磁选法广 泛地应用丁黑色会属矿石的选别，有色和稀冉金属矿石的精选，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 牛活污水中除去污染物等。 磁选是处理铁廿上石的主要选矿方法。按用磷选法选剐磁铁矿石的规模来说，磁选法在我国、苏联、 荧国、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8 0 左右，富矿仅占2 0 左右，而富矿中又有5 由于古有害杂质一：能直接冶炼。 蚓此，铁矿石中的8 0 以上需要选矿。就世界范甬来澈也大体如此。铁矿钉绎过选矿以岳，提岛了品 位，降低二氧化硅和有害朵质的含量，给蛆后的冶炼过程带来许多好处。根据我国的肆i 产实践统计铁 精矿晶他每提岛1 ，岛炉利用系数可增加2 3 ，焦炭消耗量可降低15 ，石灰石消耗量可减少2 。 许多有色和稀有金属矿物县有不同程度的磁性，而另一些舆n 没有。采用单独的重选法和浮选法不能 获得合格精矿，需要结合磁造和其他方法才能获得台格精矿。例如，钨矿重选所得黑钨粗精矿中一般 含有镯和其他一- 些有h 】成分。锚任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，n j 除去含锡杂质，获得台格的钨椿矿。 在重介质选矿中使用磁铁矿和硅铁作为介质，它们在苇介质选矿过程中有一部分进入轻，重产品的 沈水中，通过磁选_ ；去可回收它们并使之再用。 1 f 金属矿物原料的选矿中，在许多情况下部伴随有除铁的问题，磁选成为个重要的作业。例如， 高岭土中铁足一种有害杂质。宙铁高时，高岭士的白度、耐火度和绝缘性都降低，严重影响制晶的质量。 一般若将宙铁杂质除去卜一2 时，白度u j 提高2 4 个单位。世界各国对高蛉r 十进干j = r 研究，并麻用高 梯度磁分离装置除去含铁杂质获柑r 良好的效粜。 蓝晶石、石英、红电气石、长石、霞石闪长岩等选别很耳以束就用干式磁选法。例如苏联、美国、 加拿大、印度等国的霞石闳长岩的选矿，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j - 品中的弱磁性硝物( 如赤铁矿) 。 进入选矿厂中的科- e 常古有铁物，它易损坏细碎破碎由l 。为了保护破碎机不受损坏，在破碎机的给 矿皮带上方装有悬埘磁铁以吸出矿石中的铁物。 矿皮带上方装有悬埘磁铁以吸出矿石中的铁物。 d 河北工业大学硕士学位论文 冶炼生产的钢渣中含有大量钢渣，遥过于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台其他一些方法处理乍产和牛活污水以除去其中的污物。目前世界各国正存 进行广泛深入地研究，有的已应用到iq k 。p 去。比较常见的要算是用高梯度磁分离器处理钢厂废水以除 去其中的磁性铁杂质。 1 - 2 电磁场优化问题 工程中经常遇到的是电磁装置的综合问题l l ”，屯磁场的逆问题，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 的约柬，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 其分解为一系列豹正问题，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韵，由于 每步迭代计算中，需要进彳- 若干次电磁场正问题的数值计算和其他些辅助计算，因此柏对于电磁场 正问题i 面言，电磁场逆问题的求解，计算量大，r 彳用计算机内存和c p u 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，f l 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，也仅仅提供了入为改变装置参数的接口条 停。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，尽管与逆问题丰h 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r 各 因学者的普遍重视。 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。阁此，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 干相关问题而进行的。 1 - 3 论文主要研究内容 本课题研究的士要目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 汁，建立数学模型，确定所用永磁材料的规格尺寸，台理配置不同的永磁材科，优化磁路结构，确定 磁场的特性参数，提高磁选机性麓，节省原材料，降低成本。作者完成的主露工作如下： 1 ，进一步研究r 磁选技术的工作原理霸l 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。 5 永磁滚筒式磁选机的分析和 殳计 第二章磁选机结构及t 作原理 2 1 磁选机的分类及特点 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，电可作 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夺可替代的地位。 2 1 一i 磁选机分类 一般的磁选机真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桃，尤其是在中高磁场磁选机中，必须用稀土永磁体。 磁选是在小均匀磁场巾利用矿物之间的磁性差异丽使不同矿物实现分离的一种选矿方法。 电选是利用自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、锡石自然会等，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 ( l i m s ) ，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( h i m s ) 。 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( o g h s ) 。其中的永磁磁系由钡锶铁氧 伴构成，在分选区产生的磁感心强度不超过o 2 t 。这些筒式弱磁场磁选机主要用于干或湿选高品味磁 铁矿右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( w h i m s ) 和高梯度磁选 机( h g m s ) ，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 5 t 。用超导 线圈时，则超过30 t 。其实际应用的主要场合是细粒弱磁性铁矿石、铁铁矿及海滨砂矿，从细粒的工 业目物中排除含铁杂质，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南，造价低和实用性强。开放式梯度磁选机的特点是可 产牛长距离磁力，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# 【特点 6 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1 6 】： ( 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而的磁场强度巩为8 0 1 2 0 k a m ( 1 0 0 0 1 5 0 0 艇) ，磁场句( h g r a d h ) 河北工业大学硕士学位论文 为( 3 6 ) 1 0 5 姒2 产( ( 2 4 ) x l o 奥2 ，c 1 ) 。用于选分疆磁性矿石； 2 ) 强磁场磁选机磁极表面的磁场强度为8 0 0 1 6 0 0 k a m ( 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 奥】，磁场力 ( h g r a d h ) 为( 3 1 2 ) x 1 妒k a 2 ，m 2 ( ( 2 8 ) 1 0 7 奥2 c m ) 。用于选分弱磁性矿石。 ( 2 ) 根据选分介质n j 分为： 1 ) 干式磁选机在空气巾选分，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r 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。丰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i ；i i 件一定距离处，磁性矿粒从物料中被吸出， 经过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j = ，磁性矿粒被吸住在一l 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件矿粒被吸引到工作磁极表面 的周嗣，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 ) 逆流型磁选帆被选物料和非磁性矿粒的运动方向相同而磁悻产品的运动方向与此方向相 反。这种磁选机般州收率较岛： 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f 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口丁分为： 1 ) 有磁翻动作用的磁选机在这种磁选机中，由磁性矿粒组成的磁链在其运动时受到局部或全 部破坏。这有利于精科质量的提高： 2 ) 龙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缸可分为： 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 小和方向不随时阈变化； 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。磁场强度的大小和乃向随时间变化； 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问 变化，而其方向币变化。 7 永磁滚筒式磁选机的分析和设计 2 - 2 1 磁选的基本条件和方式 鹳_ 2 磁选的基本原理 虽然在一自年前，磁选已在选矿中作为一种分选矿物的方法，但是，直剑今天，磁选机还小具有埘 矿物进行磁分级的能力 2 4 1 ，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。尽管已研制了一些典型的对磁性颗粒进行分级的 磁选系统，但是这砦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豹，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 n j 能均匀，低切向力是报重要的。 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问后，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南作用在这些矿粒r 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菲磁性矿粒的运动路径由作用往它们上面的机械力的合力来决定。因此， 为 r 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： 瓢最 赴t 式中 _ ：作用在磁性强的矿粒上的磁力； 珐* ：作用在磁件弱的矿粒上的磁力； “：与磁力方向相反的所有机械力的合力。 r t ，r n 保证n 蘸性矿粒被吸到磁檄上= ，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 粒的磁力和机械力笑系，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荤 ( 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。磁选时在磁场巾1 阼用有吸引力( 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、蕈力场和离心力场等，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鹰强度b o ( 在s i 单位制中单位为w b m 2 或t ) 。 8 河北工业大学硕士学位论文 任何物质都存在有分子电流。分子电流和被它包围面积的乘机叫做分子电流的磁距，即 n , i i = f z 3 s 式中m f ：磁距，a - m 。； i ：分子电流，a ； 凸j ：电流包嗣的匦积，1 n 2 。 物质进入磁化场后分子电流便或多或少的取向丁磁化场方向，结果产生一个附加磁场叠加在磁化场 上，从而改变了磁化场。 某一体积物质的合成磁距m 等于分子电流磁距m i 的矢量平，即= m ， 单位体积物质的磁距q 做物质的磁化强度，即 m ：型堕 d 矿 式中m ：物质的合成磁距，a m 2 ； n 物质的体积m 3 ； m ：磁化强度，a m 。 磁化强度是描写物质磁化程度的物理量。 矢量h o = b 脚。 式t p 风：磁化场的磁场强度，a m ； b ：物质内的磁感应强度，t ； , u o ：真窄的磁导率姐9 = 妇1 0 - 7w b m 或w m ) 。 风、b 和m 之间存在如下的关系 b = d o m = k h o 式中小k 物质的磁导率( 或物质的导磁系数系数，h m ) 和物质的体积磁化率( 或物质的体积磁 化系数，无囡次) 。 女是一个和物质性质有关的重要的磁性系数，它是表示物质被磁化难易程度的物理量。女值愈大， 表明读物质愈易被磁化。对于大多数物质如弱磁性矿物，t 是一个常数，只有少数物质如强磁性矿物， k 不是常数。 物质的体积磁化率与其本身的密度之比值，叫做物质的质量磁化率( 或物质的比磁化率，单位 咯) ，即 j ：_ = k d 式中6 ：物质的密度 由、口雨i m 式可得出芦莆i i 的关系为 旷孙( 1 十句 ( 二) 在无电流的自由空间内矢量打的旋度 设有二维磁场h ，在场中作一包围朋“埘点的闭曲线，设，所谓区域的面积为当，收缩n m ( x , y ) 时，极限 永磁滚筒式磁选机的分析和设计 l i mf h d l 存在，则称此极限为磁场h 在埘传点的旋度，即 m m ：l l m 逛堕 在直角坐标系中上式可写成 a hu 。h x r o t h = 一二= 积 y 式中风和屿是磁场强度h 住x 和y 轴上的分量。 因为在外磁场内无电流，所以 m 珊一o i l y o h x ：o f k y ( 三) 存无电流的自由卒间的磁感应强度b 的散度 在二维磁场b 中作包围m 仁 点的闭曲面s ，s 包围的区域为q ，q 的体秘为儿当q 收缩到 邪t 时，极限 加l i r a 。；b d s 存在，则称此极限为磁场b 在肘“一点的散度，即 d t v b ：l i r ah 丝 1 2 - - m “4 v 在直角坐标系中r 式可写成 删：o b x 十堡 西 咖 式中融和缈是磁感麻强度b 在j 和y 轴r 的分量。 因为经过任何一个不包含磁量和电流的闭曲面的全部磁通等于零，所以 曲v b = 蛳l ( i o h x + 引 亦即 d i v b = i j o d i v h = 0 由上式得出 西v i i ：坠+ o h _ 一l ：o 商 y 因此，在没有磁量也没有电流的磁场中，磁场的基本方程是 l o r o t h = 0 翮divlt；0 河北工业大学硕士学位论文 所以这种场是石旋场和无散场。 2 - 2 - 3 凹收磁性矿粒所需磁山的计算 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。磁场豹非均匀性用导数 等表示，它指出在某点沿，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 在变化最大的方向上叫做磁场梯度，用g r a d 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( 小稳定) ；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，而磁性物质颗村磁化时所获得的位能用下武求出 u ：一知畔矿 式中队被磁化颗粒的磁位； u o ；真窄的磁导率； ：颗粒的物质体积磁化率； d v ：颗粒的体积元； ：颗粒体积巾的磁场强度( 即谈定颗粒磁化状态的磁场强度，在s i 单位制巾单位为a m ， 1 a m4 ：m 1 0 - 3 0 e ) 。 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，因此作用在颖粒上的磁山又可写 成 f 嗽g r a d ug