（矿业工程专业论文）利用磁力测量原矿含铁量的研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 摘要 本文主要是针对铁矿石中含有磁性铁品位测量，研究与开发新型品位测量仪 的分析。目前，国内外对铁矿石的测量方法是化学分析法和光谱分析法，实际生 产中广泛应用化学分析法。近几年国内外对矿石市场需求量不断扩大，铁矿石的 勘探和开采力度也在同时加大，对检测仪器的需求也在与时俱增。对矿石的检测 设备要求轻便、准确度高和费用低。天津市技术物理研究所研制生产的种高科 技专用核分柝仪器( t c i i i 型铁品位快速分析仪) ，用于铁精粉、烧结、球团矿粉 中全铁含量的快速测定( 两分钟) ，其检测精度达到国家规定的化学分析方法水平， 特别适合铁精粉生产、收购、烧结、球团配料等需要快速测定的场所。但是不管 这些仪器再好，所有的检测过程都必需有条件限制，比如化学分析法，要有化验 室、破磨设备和检测费用。光谱分析也要对样品进行加工，因而达到检测标准要 受环境诸多限制。以上介绍矿石品位分析方法各有优缺点，但它们都不能对原矿 石进行直接检测。研制的利用磁力测量原矿石品位装置，具有测量精度高、操作 简单、无需任何费用，不受任何环境限制，随时随地检测，试验中测量误差不超 过1 t f e ，如果加工精密，装配合理，测量元件性能稳定，本测量设备测量精 度完全可以提高一倍。 文章主要从实际工作出发，以矿山的发展需要为目的，研究矿石中磁性铁的 含量对选矿工艺的影响。文章也介绍了各种品位分析仪的优缺点，说明了利阁磁 力测量的好处和原理，通过理性的分析和实验分析，对矿石磁化的驭理过程，磁 畴的形成枫理，磁力的产生，测量试验，各种试验数据和特性线的分析，进行了 部分计算，找出规律性，使试验结果更准确。文章又对试验数据进行了误差分析， 研究误差的产生和来源，如何克服误差，防止和减少误差对测量结果的影响，对 误差进行校正，最终达到了板石矿业对生产实际应用的要求。 关键词：矿石磁力品位测量误差 东北大学硕士学位论文 a b s tr a c t _ - _ _ _ - _ _ _ - _ _ h _ _ _ - _ _ ，_ - w 一一 a b s t r a c t t h ep a p e rm a i n l yf o c u s e so ng r a d em e a s u r e m e n to fc r u d eo r ew h i c hi sr i c hi n m a g n e t i ci r o n ，a n dr e s e a r c h e si n t oan e wi n s m t m e n to f t h ei r o no 陀g r a d ea n a l y s i s s a t p r e s e n tc h e m i c a la n a l y s i sa n ds p e c t r a la n a l y s i sa r ea d o p t e db o t ha th o m ea n da b r o a d b u tc h e m i c a la n a l y s i si sp r e f e r r e di np r a c t i c e i nt h ep a s tf e wy e a r s ，a st h em a r k e tf o r c r u d eo r ei se x p a n d i n ga tag r e a tp a c e ，t h ee x p l o r a t i o na n dm i n i n go fi r o no r ei sa l s o i n t e n s i f i e d ，a n da tt h es a m et i m e ，t h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e m e n td e v i c e sa r er e q u i r e d t ob em o r ep o r t a b l e ，p r e c i s ea n dl e s se x p e n s i v e ah i g h t e c hs p e c i a ln u c l e a ra n a l y s i s i n s t r u m e n t - t c 一1 i im o d e le x p e d i t i o u si r o no r eg r a d ea n a l y z e r , m a n u f a c t u r e db yt i a n j i n e n g i n e e r i n gp h y s i c si n s t i t u t e ，c a nb eu s e df o rt h eq u i c km e a s u r e m e n t ( i nt w om i n u t e s ) o ft h ef ec o n t e n ti nf i n ei r o no r e ，s i n t e ra n da g g l o m e r a t ep o w e r , t h ep r e c i s i o no fw h i c h a c c o r d sw i t ht h en a t i o n a lc h e m i c a l a n a l y s i ss t a n d a r d i t i s s p e c i a l l y s u i t a b l ef o r s p o n t a n e o u sm e a s u r e m e n to ff i n ei r o no r ep r o d u c t i o n ，p u r c h a s i n g ，s i n t e r i n ga n d a g g l o m e r a t i o nm a t e r i a l n om a t t e rh o wg o o dt h e s ei n s t r u m e n t sa r e ，a l lm e a s u r e m e n t s h a v el i m i t a t i o n s ，f o re x a m p l e ，c h e m i c a la n a l y s i sr e q u i r e sal a b o r a t o r ya n dg r i n d i n g m a c h i n ee t c ，i na d d i t i o nt om e a s u r e m e n te x p e n s e ；s p e c t r a l a n a l y s i sa l s o h a si t s e n v i r o n m e n t a ll i m i t a t i o na st op r o c e s s i n gs a m p l e st om e e tt h em e a s u r e m e n ts t a n d a r d t h eo r eg r a d ea n a l y s i st e c h n i q u e sm e n t i o n e da b o v ea l lh a v et h e i r a d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s b u to n et h i n gi nc o n l m o ni st h a tt h e yc a nn o tb eu s e df o rd i r e c t m e a s u r e m e n to fc r u d ei r o no r e t h ec r u d ei r o no r eg r a d em e a s u r e m e n td e v i c eii n v e n t e d m a k e su s eo fm a g n e t i s m ，a n da c h i e v e sm o r ea c c u r a t em e a s u r e m e n t ，s i m p l e ro p e r a t i o n ， n oc o s t ，n oe n v i r o n m e n tl i m i t a t i o n ，a n df u r t h e l t u o r ec a r lb eu s ef o rs p o n t a n e o u so i l s i t e m e a s u r e m e n tw i mm e a s u r e m e n te r r o rl e s st h a no n et f ep e r c e n t w i t hm o r ep r e c i s e m a c h i n i n g ，m o r er a t i o n a la s s e m b l i n ga n dm o r es t a b l em e a s u r e m e n tc o m p o n e n t s ，t h e m e a s u r e m e n td e v i c ec a n sd o u b l et h em e a s u r e m e n t p r e c i s i o n t h ep a p e rs t u d i e st h ee f f e c to fm a g n e t i ci r o nc o n t e n ti ni r o no r eo i lo r ed r e s s i n g t e c h n o l o g y , i n t r o d u c e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u sg r a d ea n a l y z e r s a n di l l u s t r a t e st h eb e n e f i t sa n dp r i n c i p l e si nu t i l i z i n gm a g n e t i cm e a s u r e m e n t i ta n a l y z e s i l 东北大学硕士擘位论文 o r e m a g n e t i z a t i o n ，m a g n e t i cd o m a i nf o r m a t i o n ，m a g n e t i cf o r c e p r o d u c t i o n ， m e a s u r e m e n tt e s t ，v 撕o u st e s td a t aa n dc h a r a c t e r i s t i cl i n e s a n dt r i e st of i n do u tt h el a w s b yp a r t i a lc a i c u l a t i o n t om a k et h em e a s u r e m e n tm o r ea c c u r a t e ，t h ep a p e ra l s om a k e sa n a n a l y s i so fa l lt e s td a t aa n ds t u d i e st h es o u r c eo fe r r o r sa n dt h ew a y st or e d u c et h e m t h r o u g ht h ee r r o rc o r r e c t i o n ，t h ed e v i c ef i n a l l ym e e t st h ep r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t sf o r b a n s h im i n i n gg r o u p k e y w o r d s ：i r o no r e ，m a g n e t i s m ，g r a d e ，m e a s u r e m e n t ，e r r o r 东北大学硕士学位论文 声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：碾互 日期： m 憎，f # 。， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许沧 文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名：一少9 篝 f t 期： 一伊，暑。， ，j。o 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。 学位论文作者签名： 签字日期- 沙l 导师签名： 签字日期： 写，蟹 东北大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 随着国民经济的快速发展，钢铁行业在国民经济中占有举足轻重的地位。特 别是最近几年，中国的钢铁产量已达到世界首位，钢铁产品的剧增，导致铁矿石 原料出现持续紧张状况。国内铁矿石资源不足，老矿山出现瓷源枯竭、新矿山投 资力度减弱，环境的保护及资源的合理利用开发成为当今社会研究的主要课题。 今年，钢铁价格大幅攀升，铁矿石原料价格也在逐步e 扬，当前形式下，原 矿的质霪对经济效益的影响显得至关重要，而控制出矿品位及岩石混入率是采矿 技术的攻关项目。矿石与岩石井下开采分辨有一定的难度，品位变化也很大，对 合理开采、减少资源浪费和降低开采成本等都是非常不利的，如果能制作简易的 测量品位装甓进行现场监测，及时掌握开采中品位的变化是非常必要的。在一般 情况下小规模选矿厂均无原矿化验设备，不易掌握矿石品位，收购矿石的价格也 只能估算，我单位年产5 万吨铁精粉的选矿厂，因没有检验设备，收购散矿时没 有能力检测矿石的品位，因此不能执行按质论价，对经济效益的影响极大。 1 1 1 矿石品位分析 目前，我国对铁矿五品位韵分析，主要有化学分析法和光谱分析法。在实际 生产中应用化学分析法较为广泛。从矿石的采样到化验需要一接套设备和人员， 矿石破磨后进行化学分析；光谱分析设备复杂，价格昂贵，对矿石中的元索做全 面的定性、定量分析，可以弥补化学分析法的不足。 1 ，1 ，1 1 矿石t f e 分析方法 近几年国内的矿石分析仪发展很快，面向轻便、操作简单、成本价格低的方 向发展。天津市技术物理研究所研制生产的一种高科技专用梭分析仪器t c 1 l i 型铁品位快速分析仪，可用于铁精粉、烧结、球团矿粉中全铁含量的快速测定( 两 东托大擘硕士学位论文第一章 ； 言 分钟) ，其检测稽度达到国家嫂定的化学分析方法水平，特别适合铁精粉生产、收 购、烧结、球潮配料等需要快速测定的场所。 骧理：测爨采用相对静分橱方法。首先将矿羚压成圆片，闵低能豹射线￥瓣 样品，接收铁元素产生的特征x 射线。进行能谱分析，再与预先测定的参数进行 数据比较，自动计算，显示醴 样品全铁含爨。 特点：仪器灵敏度离，准确瘦褰，使用寿禽妖，搽作篱单，安全可靠，无辐 射泄漏。 技术指标：榆溅灵敏度：样品中含铁爨o 0 1 1 0 0 ，准确糜：铁耩粉o 5 ， 烧结、球团矿粉o 。5 ，尾矿2 o 。 t c 1 i l 型铁品位分析仪，对工作环境无特殊要求，能尽量贴近取样现场，分 桥过程没有任辩材辩消耗，与常规亿学分析方法相比，每年可节省赞用数万i 冠， 也能消除化学测量时操作人员技术差异带入的分析误差。 无论化学分析法和核分析仪器，酋宠要对产品进行加工，加工成需要的规格 才辘分柝。化学分橱法要把铁矿菇磨成粉分板，核分板要挺糠粉殛成图片分辑， 上述二种方法虽然都能对铁矿石进行分柝，但是它更适用于糟粉的分析及对矿祗 或采场的矿石，无法进行快速准确的分析。 1 1 1 2 矿石中磁性铁的m f e 的分析方法 磁选矿的选矿主要是磁选法，我 | 、】所采用的化学分婿法和核分柝仪都是对t f e 含量分析，只反映产赭的质蹙指标，不能反映出原矿品位，也就是磁性铁是磁选 矿工艺指标，其它戒份麴铁含燕不是主要王艺指标，磁性铁含量决定产品的产量 和质量。 因此在购买铁矿石时，一定要注意磁性铁的含薰，核分析仅是解决不了铁矿 磊中磁挂铁含鬓淹题。尽蔫岛报道的磁镶铁分亳蓐方法，赋磁选方面漭，有磁选餐 分离法、磁选仪分离法、手工内选法；从化学分析方面证明，用重铬酸铆滴定法 测定其中的铁有汞盆和无汞两种方法。 宜昌中瘫冶金地质研究所研制w f c 2 型物捆分柝磁选仪，本仪器可以进行磁 选分离，将所得磁性矿物用无汞一熏铬酸钾滴定法测定冀中的铁即为磁性铁 ( m f e ) ，其操作简便，且无污染，获褥了较满意的结柒。 对禽铁矿物m f e 进行的分析，代替t f e 可以考察选矿厂生产工芑技术水平和 东北大学硕士学位论文第一章引言 遴褥矿舞可逸性研究，从磷避免其盲层饿浪费，降低成本，用m f e 代替f e o 淘汰 f e o 的测定更科学地进行地质矿产评价，用m f e 来进行矿产评价，作为矿产管理 较为先进和科学。 1 1 1 3 t f e 和m f e 分析结果比较 从。上述二节分析中看踺，磁选法的铁矿石蠼适用的是m f c 分析泫，对于商髓 度的核分析仪不适用铁矿石磁选的分析，而更适用予精粉、烧结、球团的分柝， 化学约分柝法分拆t f e 也不适用铁矿石磁选的分帮亍，w t c 一2 型物机分据磁选仪是 适用铁矿石磁选的分析。本文介绍的利用磁力测量原矿含铁量，也是测缀磁性铁 的含量，且操作简单，价格仅凡酉元，j i j 成本消耗，其精度高，体积小。 下面数据来自武锯矿业文集含铁矿物中磁性铁的分析，预采外购群t f e 秘 m f e 对比分析 褒1 1t f e 耱m f e 对比分析 t a b e1 1t h ec o m p a r is o i la l i a i y s i so ft f ea n dm f e 样晶1 f em f e m f e f “? 世o 3 74 87 23 6 5 4 7 5 3 56 1 5 35 04 7 8 2 5 4 5 1 8 7 2 5 24 8 6 1 1 75 80 32 99 65 1 6 3 2 4 45 69 l5 1 5 99 0 6 5 t 1 25 73 31 1 9 2l 地质副样韵t f e 与m f e 对跑分祈 东北犬学硕士学位论文第一章引言 表12 地质副样的t f e 与m f e 对比分析 t a b i e1 2t h ec o m p a r is o na r i a i y s iso fi f ea n dl i f e i ng e o i o g i c a is u b s i d ia r ys a r n o i e 地质副样 i f 辞om f e m f e r f c 1 2 0 2 5 2 9 91 77 13 44 2 2 0 5 5 59 35 0 6 8 9 06 l 2 2 34 9 2 l4 2 2 l8 57 8 2 2 94 i 6 53 39 58 i5 1 2 3 84 3 4 73 1 5 0 7 24 6 2 4 0 4 8 2 33 7 3 8 7 75 j 4 6 25 7 8 95 12 48 85 l 1 1 2 理性分析 磁铁矿主要成份为f e 3 0 4 ，在f e 3 0 4 中原子间的相互作用特别强，在这种作用 下，介质内部形成一个个分散小区域，这样的小区域称为磁畴，具有很强的磁性， 在没有外磁场时，这些磁畴矩和为零，不显磁性，在外磁场的作用下，逐个磁畴 的磁矩都沿外磁场方向形成附加磁场，这个附加磁场显著地增强了磁铁矿所在空 间的磁场，磁铁矿被磁化，外磁场b 与附加磁场1 3 0 产生作用力，外磁场与附加磁 场磁感应强度大小不等，方向相同。磁极与磁极之间有相互作用力，同性磁极相 互排斥，异性磁极相互吸引，所产生的吸力要求距离( 磁场梯度) ，磁铁矿的体积、 磁场强度和磁铁矿的体积磁化程度有关。我们设想在一个理想状态下，由f e 3 0 4 组成均匀的物体，在所有的条件不变的情况下，改变铁磁质的含量，就可以改变 吸引力的大小，通过计算引力的大小和铁矿石含磁性铁的算数关系式，赢接计算 出铁矿石磁性铁的品位含量。我们上述分析是在所有条件不变的情况下，本身就 得出f e 3 0 4 含量与吸引力关系式分析结果。其它方蕊的因素也影响吸弓l 力的大小， 相互吸引力与磁场强度有关，磁场强度高，吸引力强，反之磁场强度低，吸引力 弱：相互吸引力与接触面积有关，接触面积越大，吸引力越强，反之，接触面积 越小，吸引力越弱；相互吸引力与产生两个磁极之间的介质有关。不管有哪些因 素，f e 3 0 4 的含量与吸引力均是成正比的关系。 1 1 3 实验分析 末北大学硕士学位论文 第一章引言 襄12 地质酣样的t f e 与盯e 对比分析 t a b l e l 2 i h 忡a r l o na n a y s 5o ft f ea n d * el ng e o o g i c a ls u b s i d ie r ys 娜i e 地质副样1 下e m f e m f e ，f i e f 1 2 0 2 5 2 9 9 1 77 l3 44 2 2 0 55 59 35 06 89 06 i 2 2 34 92 i4 22 l8 57 8 2 2 94 l6 53 39 58 l5 1 2 3 84 34 73 】5 07 2 4 6 2 4 04 82 33 7 3 87 75 0 4 6 2 5 78 9 5 l 2 48 85 l 1 1 2 理性分析 磁铁矿主要成份为f 0 3 0 4 ，在f 0 3 0 4 中原子间的相互作用特别强。在这种作用 下介质内部形成卟个分散小区域，这样的小区域称为磁畴，具有很强的磁性， 在没有外磁场时，这些磁畴矩和为零，不显磁性，在外磁场的作用下，逐个磁畴 的磁矩都沿外磁场方向形成附加磁场，这个附加磁场显著地增强了磁铁矿所在空 问的磁场，磁铁矿被磁化，外磁场b 与附加磁场b o 产生作用力，外磁场与附加磁 场磁感应强度大小不等，方向相同。磁极与磁极之间有相互作用力，同性磁极帽 玎排斥，异性碱极相互吸引，所产生的吸力要求距离( 磁场梯度) ，磁铁矿的体积、 磁场强度和磁铁矿的体积磁化程度有关。我们设想在一个理想状态下，由f e 3 ( j 。 组成均匀的物体，在所有的条件不变的情况下，改变铁磁质的含量，就可以改变 吸引力的大小，通过计算引力的大小和铁矿石含磁性铁豹算数关系式，窟接计算 出铁矿石磁性铁的品位含量。我们上述分析是在所有条件不变的情况下，本身就 得出f c 3 0 4 含量与吸引力关系式分析结果。其它方面的因素也影响吸引力的大小， 相互吸引力与磁场强度有关，磁场强度商，吸引力强，反之磁场强度低，吸引力 弱；相互吸引力与接触面积有关，接触面积越大，吸引力越强，反之，接触瑶积 越小，吸引力越弱；相互吸引力与产生两个磁极之间豹介质有关。不管有哪些因 素，f e 3 0 4 的含量与吸引力均是成正比的关系。 11 3 实验分析 1 1 3 实验分析 东北大学硕士学位论文第一章5 言 前一节我们分析了铁矿石含磁性铁品位与磁场吸力的关系，在磁场与作用力的 关系中，实验研究方法和理论计算方法具有同样的实用意义。在分析实际问题中， 它们常鬻是相互补充的，理论计算方法由于客观因紊太多，往往计算数据偏差太 大，我们必须依靠实验研究方法。实验研究方法分两种，一一种是实测法，二是模 拟法。实测法的优点是它可以直接测出引力的大小，分析研究问题方便：摸拟法 较为复杂，易受条件限制，主要研究微小磁场与吸引力的关系。 我们在实验中发现，在测量吸引力时磁场是变化的，离磁极越近磁场越强，吸 引力越大，离磁极越远，吸引力越小，难以检测吸引力，为了克服这些困难，我 们不测量吸引力，先把矿石与磁体吸附在一起，在用力分开矿石和磁体，测量分 开的力，这就容易得多了。通过制作简易装置很容易检测出力的大小，从而得出 铁矿石品位变化的一般性规律。由于铁矿是亚铁磁性物质，具有固有磁矩磁性 较强，属于强磁性矿物，具有磁畴结构，容易磁化，低场强作用下即可达到磁饱 和。磁铁矿矿石的磁性与纯磁铁矿含量有关，含量与比磁化系统基本上成正比关 系，矿粒大小与比磁化系数成正比。因此，矿粒大小、含量、形状对强磁性有较 大影响，实验分析主要依据矿石结构相近的磁性变化有一定的规律性，通过磁力 的测量，从而得出含铁品位。 东北大学硕士学位论文第二章磁化物质在磁场中的作用力 第二章磁化物质在磁场中的作用力 2 1矿石成份 通钢集团板石矿业公司矿石样品的成份简单，主要含磁铁矿、石英、角岗石 和少量次竭铁矿组成，结构的粒状变晶结构为主，主要化学成份有t f e 、s i 0 2 、 a 1 2 0 3 组成，f e 3 0 4 颗粒大小均匀，一般在0 1 0 5 m m 之问，磁铁矿石在矿石中体 积含量在3 0 - - - 4 5 。 2 1 1 矿石类型 该矿石按其矿物组成及构造特性，应属于鞍山式变质磁铁矿床。 2 1 1 1 金赢矿物 矿石中金属矿物以磁铁矿为主，其次含有少量的假象磁铁矿及褐铁矿。 各种金属矿物存在状态及其构造特性： 磁铁矿：一般呈半自形和他形粒状结构磁铁矿与角闪石及石英组成致密条 带状的磁铁矿，呈现粒状分布于角闪石晶体中。 假象磁铁矿：里细条带状分布在磁铁矿的边缘及裂隙中。 褐铁矿：呈小，细脉状分布于脉石中，含量极少。 2 1 1 2 非金属矿物 矿石中非金属矿物主要以石英和角闲石为主。 石英：呈粒状颗粒分布较均匀，在磊英表面上有较多的铁矿物。 角闪石：呈柱状集合体，有的呈定向排列局部在晶体中有石英包裹体，并有 东北犬学硕士学位论文 第二章磁化物质在磁场中的作用力 双晶出现分布于蠢荚颗救之间，有少数呈小桂状鑫体分蠢予石英颗粒之中。 黑云母：含微量。 2 1 2 原矿物楣分析 原矿物相分析结果 衰2 1 原矿镩楣分耩镭暴 t a b l e2 1 t h ep h a s ea n a l y s igo fc r u d eo r e 矿物名称全铁磁铁矿硅酸铁假象磁镣矿& 箕晓 古霆3 5 2 03 0 1 44 。q l氆ls 分配 1 0 00 08 56 3l3 、9 5 l4 2 从物相矜析结果可以看如：铁主要的磁铁存在予矿石中，此处还订1 4 左为 硅酸铁和假象磁铁矿等形式存在。 2 1 3 原矿光谱定性分析 表2 ，2 耀矿光谱定榷分析 矿物含量元素名称 i 主要f es i 少量 a l c a m e m n 敬盘t in i n a 从原矿光谱分析结果可以看出，矿石中除了主要的铁靼硅终还有少量a l c a m g m n ；微量t i n i n a 等元素，没有发现其它贵蓖金属。 2 1 。4 原矿化学分析 东北走学硕士学位论文第二章磁化物质在磁场中的作用力 衰2 ，3 原矿化学分析 元素t f es f ef e o 吲0 2a k ( ) 3 含量3 5 23 50 51 63 44 2 1 2 37 i 元素c a om g om n ps 含量1 9 01 8 60 0 5 5 ( ) 0 5 20 0 1 6 8 从化学全分析结果可以看出该矿石全靠熔铁含鬟较高，有害成份p 、s 很低 自然减度； 2 2 物质磁化 2 2 1 物体的磁化 ( c a o + m g o ) fs i 0 2 + a 1 2 0 3 ) 2 0 0 8 3 ( 2 1 ) 原予具有磁性，由原予或分予组成的物体也具有磁性。原子中各个电产生的 磁效应用原予磁矩表示，分子则用分子磁矩表示。物体在不受外磁场作用时，由 于分子热运动，分子磁矩取向分散，其矢量和为零，所出物体不显磁性当物体 置于磁场中以后，分子磁矩沿外磁场方向取向，其矢量和不等于零，使物体鼹示 出磁性，这就是物体被磁化的实质。不同磁性的物体在相同的磁场中被磁佬时， 由于分子磁矩取向程度的不同，其磁性有强弱的蓑别。所谓非磁性物体，只是分 子磁矩取向的程度极小两已，并不是绝对没有磁性；假如将其旨于极强大的外磁 场中，它也可能会显示出较强的磁性。 物体被磁化的程度用磁化强度表示，而磁化强度是单位体积物体的磁矩，即 y 辽 m = 圭b v ( 2 2 ) 东北大擘硕士学位论文第二章磁化勃质在磁坶申的诈用力 式中y 试嘞体中各原子( 或分子) 磁矩的矢量和 v 物体体积 为什么用单位体积物体的磁矩来表示物体被磁化的程度昵? 因为体积不同的 甲乙两耢物体，在稠疑的外磁场中坡磁化时，可能会寿这弹情况，即体积大的甲 物体所包含的已经取向的分子磁矩数量多，体积小的乙物体所包含的已经取向的 分子磁矩的数量，j 、，如图所示。 强2 1 不同体积物体磁化情况 f i g 2 1t h em a g n e t i z a t i o no fs a m p l e si nv a r i o u sv o l u 讯t 如果用磁矩表示物体被磁化的程度，则甲物体磁化的好，爨为它取向的分予 磁矩数量多；己物体磁化的差，阑为它取向的分子磁矩数量少。似实际上是乙物 价体磁化的好，因为分予磁矩全郝沿外磁场方向敷翔了。如果瘸单健体积物体的 磁矩表示物体被磁化的程度，则甲磁化的差，乙磁化的好，因它已在单位体积内 分子磁矩取向的数鬣多，这就符合实际情况了。 磁性嗣体积都朝丽的甲乙嚣物体，分剐在不固匏外磁场被磁纯，竣埒_ l 物体在 较强的磁场中被磁化，乙物体在较弱的磁场中被磁化，则肯定了甲物体磁化强度 大，已物体磁化强度小。熊否据此得出结论，鄱甲物体磁性强，乙物体磁性弱呢? 否! 魏为条传( 即外磁场强度) 不一样，如果在摆嗣的外磁场中坡磁化，则其磁健应 该是相同的。所以，对质地均匀的物体常用同一单位的外磁场强度使物体所产生 的磁化强度的大，j 、来表示物体豹磁性，鞠 x ：旦 h 9 ( 2 ： ) 末托大学硕士学馈论文第二章磁化物质在磁蟠申的诈薅力 式中x 物体的磁化系数( 或磁化攀) 卜一一外磁场强度 卜磁亿强度 这样，对于体积相同的甲乙两种物体在相同的外磁场强度下被磁化时，如槊 甲物体纳磁矩大，由x 也大，说嘴其易磁化，灏而其磁性强；如聚乙物体的磁短 小，则x 也小，说明其难磁他，因箍其磁性强，睽出x 也是表示物体被磁倔难易 程度的物理量。 实际。t ，物体豹质量往往建不均匀的，冀内部常存在着空豫。这样，对于问 一性质( 化学缀成楣阁) 、体积相同的两物体在糖同的外磁场中被磁化时，可出露 不同的磁化强度，也卵有不同的x 值，这主要是由于物体内所存在的空隙影响的 结果，空豫越多，取两的分子磁蜒酶数鼙越少，所鼬蔽蛙越弱。 在这种情况下，为了消除空隙的影响，需要单位质赣单位磁场强度物体的磁 短，即比磁化系数( 或比磁化率) 来表示物体的磁性，即 x ：盟：x v 疗h盯 2 2 2 物质按磁化率分类 不同的耪矮，箕磁性不弼，按磁化率的大小可以分为三类。 2 2 2 1 抗磁质 ( 2 4 ) 惰性气体、某些有机化合物、若干金属( 如b i 、z n 、c u 、a g ) 、非金属( s i 、 ，、s ) 和一些矿物( 辉镑矿、方锚矿、石英等) 都怒抗磁性物质。它们的磁亿率x ( 0 ， 由公式2 ，3 看如，当x o ， 大多数顺磁性物质的磁纯率与温度有关， 2 2 2 3 铁磁质 数值很小，般为1 0i 一1 ( ) 1 数景缀。 即箍温度的增加丽降低。 铁、钴、镰及其合金、铁氧体以及若干矿物，如磁铁矿、磁黄铁矿等都楚铁 磁质。它们的磁性很强，磁化强度和磁场强度是非线性关系。磁化率远大于零， 为1 01 l 旷数量级。铁磁蔟的磁性也与澄魔褒关。当滠溲葑燕到屠骧滠瘦阻上 时，就转化为顺磁性物质。 2 2 3 铁磁质的磁性 铁磁矮豹磁性每联磁质鞠挠磁矮不同，它在外磁场中易磁他到饱和，在弱磁 场下便可获得强的磁感应，在外磁场去除届有剩磁，需加反向磁场砖能退磁。 顺磁性的硫酸受铁在0 8 安每米( 0 0 l 嶷) 磁场中易磁化强度为1 0 。安每米 l 时 呻乒2 k 矿去高 h ：j l 4 雄如r 式中p m 原子磁偶极矩，胁数量级 零点空磁导率，胁= 4n l ( r 亨每米 r 原子间距离，r = 1 0 米 1 原子磁极子延长线上p 点的场强 2 2 3 2 磁偶极予延长线上p 点的场强 p 点m 的距离为( r + 2 ) 2 ，m 在p 点产生的场强为 ( 2 h ) 一、0 一2 l。上。+4 一 r 一，l i 口s c 了yj 蓦l ， 一， 上慨 i l h 中j 一 上慨 娃 东北大学硕士学位论文 第二章磁化物质在磁场中的作用力 h ：h + 一h 羔l 一4 t r j o 当r l 时，则 如以第一种情况计算场强，则 h ：旦 4 ，r j o h = 赤= 且4 r r 。o r 3 = i 哉斋划6 安蚓。 对等效场和磁作用场进行比较看出，磁作用场比等效场的强度小3 个数量级， 因此，自发磁化不可能是由于磁的相互作用的结果，而只能是电的相互作用。 根据量子力学的理论，物质内部相邻原子的电子之间有一种来源于静电的交 换作用，它迫使各原予的原子矩平行或反平行排列。 2 2 4 磁铁矿的磁性 224 1 磁铁矿的结构 磁铁矿的结晶构造是反尖晶石型的，个晶胞包含有8 个f e 。0 四分之晶胞 中三价、二价铁离子和氧离子的排列如图2 3 所示。在一个晶胞中8 个陀”占据8 个a 位，8 个f e “和别8 个f e “占据1 6 个b 位。a 位和b 位上离子磁矩相反h 不 相等，这就是磁铁矿具有亚铁磁性的特征。纯磁铁矿的晶格常数a = 8 3 9 a ，居县点 5 7 84 c ，易磁化方向为 1 11 方向，各向异性常数k 。一1 2 。 殳辄 一中j l 2 + 一， 、 一 一爿 ，一 一 一，l 东北大学硕士学位论文 第二章磁化物质在磁场中的作用力 卜a 位嗍位。一氧 圈2 3 磁铁矿的反尖蠢石墼构造 f i g 2 3t h er e v e r s es p i n e ii es t r u c t u r eo fm a g n e t i t e 2 2 4 2 磁铁矿的磁性 由于磁铁矿是亚铁磁性物质，具有阑有磁矩，磁性较强，属于强磁性矿物，具 有磁畴结构。它易磁化，低场强作用下即可达到磁饱和，有磁滞现象和剩磁。磁 化系数不是常数，随场强增加很快地达到最大值，然后逐渐下降，磁选时应选择 磁化系数达最大值的场强。 2 3 理论分析 在图形非均匀开放磁场中，磁场强度的大小和方向是逐点变化，由铁磁质组 成的小颗粒矿石，每个小颗粒在磁场的作用下产生了磁力。 表达式： 东北大学硕士学位论文第二章磁化物质在磁场中的作用力 f = k v h o g r a d h = k v h 2 0 e 2 ( 29 ) k 矿物的体积磁化系数 v 一矿粒的体积 f t 。一磁场强度 g m d h 磁场梯度 n 厂_ _ 图24 在非均匀开放磁场中的矿石 f i g 2 4o r ee x p o s e di nt h eu n e q u a i | yd is t r i b u t e do p e nf i e d 图中所示为开放磁子磁极，随着离开磁极的距离增加，磁极作用在磁性矿牲 上的磁力，由于磁通的内聚力遭到被坏，而显著降低，磁感应强度和磁场梯度大 大降低，即开放磁系磁场强度变化的指数方程式为： 式中y 一离磁极表面距离 c 一系数与磁场不均匀性有关 ( 2 1 0 1 东北大学硕士学位论文第二章磁化物质在磁场中的柞用力 由于空气中的磁阻和矿石的磁阻作用，磁场强度离磁极表露越远越强，越近越强， 合成产生的强力f 铁磁质含量越商合力越大，从而反映一定的磁性铁的含量。 东北大学硕士学位论文第三章测量实验 3 1测量原理 第三章测量实验 取一块圆形磁块，产生开放磁场，在把事先准备好的样品铁矿石入在固定位 置，把磁块吸附在铁矿石上，形成两个磁场叠加，产生吸引力，铁矿石含磁性铁 越多，吸引力越大，分开矿石和磁块所产生的力计量出来，通过科学计算，结果 也就反映出磁性铁的品位。 3 2 测量装置制作 根据前面所讲的测量原量，制作了一个简单的测量装置，外型为圆柱形，照 径2 0 r a m ，长6 0 r a m 。 测量装置由磁块、弹簧、指针、计量刻度等组成，测量标尺精确到0 1 t o n i 。 如图3 1 所示，当测量仪器吸附在矿石上，矿石的表面一定要平整，磁块与 矿石产生吸引力，向上拉动弹簧，弹簧被压缩，向上拉力越大，弹簧压缩量越大， 当向上拉力大于磁块与矿石产生的吸引力时，磁块将脱离矿石，这个临界点的拉 力反映出弹簧的压缩量，压缩量就检测力的大小，如果把矿石含有磁性铁的晶位 和弹簧力之问的关系找出来，我们就掌握它们的变化规律性，从而达到了检测品 位的目的。 东北大学硕士擘住论支 第三章溧l | 量实验 l j - 量 瓤废j l 弹簧 翟3 1 测纛装羹承意鬻 f i g 3 1t h eg r a p ho ft h em e a s u ri n gd e v i c e 3 3 采集样墨 在板石矿区肉采集1 2 个样品，品位从l 争6 0 t f e 之闽，著化验融品使( f f e ) ， 板石矿区矿器成份基本稳定，t f e 食磁性铁的晶位比例变化不是报大，我铟这肇 先把t f e 看作磁性铁的品位。 袭3 1 化拳分耩样品t f e t a b l e 3 1t h ec h e m i c a la n a l y s i so fs a i l e d t e ( t f e ) 梯箍晶位样品品饿 1 # 5 7 3 l7 #3 6 9 9 2 #4 1 1 6 8 #3 0 ：j 2 3 # 3 7 2 89 # 4 ，5 l 4 #4 1 1 5 1 0 #4 0 i 9 5 #2 3 1 3 l l #3 6 5 6 雠 2 屯7 21 2 #3 9 2 0 2 0 - 东北大学硕士学位论文 第三章测量实验 3 ，4 试验设备 化学全分析设备 高斯计一台 自行制作测量仪器一套 其它辅助材料 3 5 弹簧特性线测量 测量仪器是机械式测量仪，主要是力的测量，所以选择了压缩螺旋弹簧，如 图3 - 2 所示，h o 为弹簧的自由高度，f l 为量小工作载荷( 即安装载荷) ，相应于f ， 时的弹簧高度为h 1 ，变形量为x1 ，f 2 为最大工作载荷，相应的弹簧高度为h 二， 变形量为 2 ，弹簧的工作行度h = h 1 h 2 = x2 l 。在f 2 作用下，弹簧丝中产生的 剪应力t 常设计成接近其中用应力【t ，即t 1 ) 圈3 4 磁场模拟实验装置 t i g 。3 4t h ee x p e r ；m e r l t a id e v i c ef o rm a g n e t ；cs i m u l a t i o n 卜稳压器2 一调压器3 i 熬流器4 电磁铁弘模型定位螽 为了提离溅量糕度，疲采用稳压电源和改装了的霍尔嚣彳牛探头，应把磁禽瑷 模型装在贴有方格纸的模型定位台上( 测量最小间隔为l m m ) ，测试方法和步骤与 实测法相同。实验证明，采用上述测量装置和仪器磷究小空问或微小空间内构磁 场分布，方法是可舔鲍，测量精度是高懿，结果是令人满意的。 电模拟的测量装置和仪器 模拟由赢流稳压供电。模拟中等位线分布的测试电路以圈联示纳补偿电路为宣， 其中指零仪表可采用检漉计或微安表；为了保证等位线分度的精确性，可精细地 调节精密多圈电位器以改变补偿电压；在电极的处理一t ，可以采用导电性能良好 的导毫胶把毫极板粘在导电纸上或用j 螺栓把电摄板紧压在导电纸( 下两幸孝有 厚塑料板) 上。 东北大学硕士学位论文 第三章测量实验 模拟法的应用实例 b 8 圈3 5 电模拟实验装置( 用补偿法电路) f i g 3 5t h ee x p e r i m e n t ad e v i c ef o re t e c t r i c a ts j m i a t l o r 抽i t hc o m p e n s a t i o nc i i c u i t ) 1 一直流穗压电蠢# 2 - 保护电阻( ”5 0 0 q ) ；3 - 糟密多电位羹( 共1 0 舅，每奠分有3 6 个刘度，它的电 阻约为1 0 0 0 0 。，境性浸蔓 8 a ) 时，磁介质附近的磁场分布与单根磁介近似，随着磁介质间距( s 。) 减小， 辨弼类整l 的磁奔质的备点复合磁场强度提离( 觅圈3 国，而摊歹| j 类型l1 的复合 磁场强度下降( 图3 6 ) 。磁介质备点的复合磁场强度可用场的矢爨授加法计算求 东北欠学硕士擘位论文第三章测量囊验 ! 导，且理论计算使与实测值相当吻合。 排列类型i 和i i 的磁介质群在区城内磁场强度沿x 方向的变化规律可近似地 用指数溺数表示，帮 ( ：j 7 ) 式中背景磁场强度 x 离磁介质中心的楣对距离，x = t a ( a 为磁介质半径，f 为绝对距离) m 、c 与磁介质接列类型稳闷距脊关的常数。 应用磁介质用为母体吸弓| 磁性颗鞍时，应椒器欲回收颗粒的粒度来确定磁介 质的尺寸，二者之间有一适宜的甄