（矿物加工工程专业论文）强磁场永磁磁选机优化设计及试验研究.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 进入2 1 世纪以来，我国经济持续稳定、快速发展，国家基础设施建设步伐 加快。钢铁的需求日益增多，而且质量的要求不断提高。各国对资源的开发总 是遵循着先富后贫、先易后难的原则，因此复杂难选的铁矿资源的利用显得愈 发重要。在磁选工艺比较成熟的基础上，磁选设备对选矿指标的影响甚为明显， 磁选设备的选择对复杂难选的铁矿资源的开发在技术和经济上具有重要的实践 意义。 本课题主要研究强磁场永磁磁选机磁系的优化设计，用研制的样机对高磷 鲕状赤铁矿进行选别试验。根据现有永磁材料的性能和强磁场永磁磁选机磁系 的性能要求，磁系材料采用磁场强度高、性能稳定的n t p 3 3 6 钕铁硼材料。在 磁选设备中，磁系设计是关键，对强磁场永磁磁选机磁系的磁场分布进行详细 的推导，利用许瓦兹一克列斯多菲变换和椭圆函数第三类积分推导出强磁场永 磁磁选机磁场分布解析函数，磁场强度大，j 、为h = 阱篆 磁场强度的方向为：目= a r c t a n2 岸。在优化设计的磁系结构尺寸下，其磁场强 v 爿 度最高可达到1 8 7 2 t 。研制出磁场强度高、性能稳定、耗能少、噪声污染小的 强磁场永磁磁选机样机，然后用鄂西宁乡式鲕状高磷赤铁矿进行试验研究。在 试验中，主要研究强磁场永磁磁选机两个重要影响因素即磨矿细度、圆筒转速 对选分效果的影响。 鄂西宁乡式鲕状赤铁矿具有有用矿物嵌布粒度极细、原矿性质复杂、原矿 品位较低、含磷高的特点。针对其特点，采用联合工艺流程，磁选工艺流程主 要是在保证回收率的同时提高粗精矿品位，为后续工艺流程提供优质矿样。在 磁系关键参数优化设计的基础上采用磁系偏角为1 2 8 0 ，分选工作间隙为1 9 2 c m ， 处理量为1 5 k g l ，当磨矿细度0 0 7 4 m m 含量为8 2 5 3 ，圆筒转速为4 0 r m i n 时， 其磁选效果较好。采用一粗一扫闭路工艺流程，铁粗精矿品位可达到5 0 5 6 ， 回收率8 8 1 2 的好指标，因此，该磁选机样机能较好的达到设计要求。该工艺 简单易行，为后续工艺流程提铁降磷奠定了坚实的基础。 关键词：永磁磁选机，鲕状赤铁矿，磁系，优化设计 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c et h e21s tc e n t u r y , 0 1 1 1 c o u n t r ye c o n o m yh a sc o n t i n u e d ，t h ef a s td e v e l o p m e n t s t a b l y , t h ec o u n t r yi n f r a s t r u c t u r a lf a c i l i t i e ss t e ps p e e d su p t h es t e e la n di r o nd e m a n d i n c r e a s e sd a yb yd a y , m o r e o v e rt h eq u a l i t yr e q u e s te n h a n c e su n c e a s i n g l y t h e p r i n c i p l ew h i c he x p l o i tt h er e s o u r c e sv a r i o u sc o u n t r i e sa r ea l w a y sf o l l o w i n gi sf i r s t r i c ha n dt h e nt h ep o o r , s t a r t sw i t ht h ee a s ya n dt h e nd o e st h ed i f f i c u l t ，t h e r e f o r e c o m p l e xd i f f i c u l tt oe l e c tt h ei r o no r e r e s o u r c e s u s ea p p e a r si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t i nt h em a g n e t i cs e p a r a t i o nc r a f tq u i t em a t u r ef o u n d a t i o n ，t h em a g n e t i cs e p a r a t i o n e q u i p m e n t si n f l u e n c eo nt h eb e n e f i c i a t i o ni n d e xi sr e a l l yo b v i o u s ，t h ec h o o s eo ft h e m a g n e t i cs e p a r a t i o ne q u i p m e n t t ot h ei r o no r er e s o u r c e sd e v e l o p m e n tw h i c h c o m p l e xd i f f i c u l tt oe l e c th a st h ei m p o r t a n tp r a c t i c es i g n i f i c a n c e i nt h et e c h n o l o g y a n dt h ee c o n o m y t h i st o p i cm a i n l ys t u d i e dt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h es t r o n gm a g n e t i cf i e l d p e r m a n e n tm a g n e t i s mm a g n e t i co r es e p a r a t o rm a g n e t i s md e p a r t m e n t ，t h es h a p e h e m m i t ec a r r i e do nt h ec l a s s i f i c a t i o ne x p e r i m e n tw i t ht h eh i g hp h o s p h o r u so o l i t i ch e m a t i t e a c c o r d i n g t o p e r f o r m a n c e o f e x i s t i n gp e r m a n e n t - m a g n e t m a t e r i a la n dt h e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n to fs t r o n gm a g n e t i cf i e l dp e r m a n e n tm a g n e t i cs e p a r a t o r d e p a r t m e n t a d o p t e dt h eh i g hm a g n e t i cf i e l d ，s t a b l ep r o p e r t yn t p 一3 3 6n e o d y m i u m i r o nb o r o nm a t e r i a la st h em a g n e t i cm a t e r i a l i nt h em a g n e t i cs e p a r a t i o ne q u i p m e n t ， t h ed e s i g no fm a g n e t i s mi s ak e y , c a r r i e do nt h ed e t a i l e di n f e r e n t i a lr e a s o n i n gt o t h es t r o n gm a g n e t i cf i e l dp e r m a n e n tm a g n e t i s mm a g n e t i co r es e p a r a t o rm a g n e t i s m d e p a r t m e n t sm a g n e t i c f i e l dd i s t r i b u t i o n ，r e a s o n e dt h es t r o n g m a g n e t m f i e l d p e r m a n e n tm a g n e t i s mm a g n e t i co r es e p a r a t o rm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o na n a l y t i c f u n c t i o nb yu s i n gx uw a z i t h eg r a ml i e s ia n dt h ee l l i p t i cf u n c t i o nt h i r do r d e r i n f e r s t h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t hs i z ei sh = 蟛d n a g k c n a ，m a g n e t i c 斛ds t r e n g t h s d i r e c t i o n 枷协据u n a e o p t i m i z a t i o n 蛳e d i i 武汉理工大学硕士学位论文 m a g n e t i s ms t r u c t u r es i z e ，i t sm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t hi sh i g h e s tm a ya c h i e v e1 3 0 8 t d e v e l o p e dt h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ht ob eh i 。g h ，t h e s t a b l ep r o p e r t y , c o n s u m e s e n e r g yf e w , t h en o i s ep o l l u t i o ns m a l ls t r o n gm a g n e t i cf i e l dp e r m a n e n tm a g n e t i s m m a g n e t i co r es e p a r a t o rp r o t o t y p e ，t h e nc a r r i e dt h ee x p e r i m e n t a lo nt h eh u b e iw e s t n i n g x i a n gt y p eo o l i t i ch i g hp h o s p h o r u sh e m a t i t e i nt h ee x p e r i m e n t ，m a i n l ys t u d i e d t h et w om a t e r i a le f f e c tf a c t o r s e f f e c to nt h es t r o n gm a g n e t i cf i e l dp e r m a n e n t m a g n e t i cs e p a r a t o rw h i c h i sr u b b i n gd e g r e eo ff i n e n e s s ，t h ec y l i n d e rr o t a t i o n a ls p e e d t oc h o o s e sam i n u t e t h en i n g x i a n go fw e s th u b e io o l i t i ch e m a t i t eh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fm i n e r a l g r a n u l a r i t y t ob ee x t r e m e l yt h i n ，t h eu n d r e s s e do r en a t u r et ob ec o m p l e x ，t h e u n d r e s s e do r eg r a d ei sl o w , t h eh i g hp h o s p h o r i c i nv i e wo fi t sc h a r a c t e r i s t i c ，a d o p t e d t h ep r o c e s si n t e g r a t i o nf l o w , t h em a g n e t i cs e p a r a t i o nt e c h n i c a lp r o c e s si sm a i n l y e n h a n c e st h ef i r s to r ec o n c e n t r a t eg r a d ed u r i n gg u a r a n t e er e t u r n s r a t i o ，p r o v i d e dt h e h i g hq u a l i t yo r es a m p l ef o rt h ef o l l o w i n gt e c h n i c a lp r o c e s s o nt h ef o u n d a t i o no f p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nd e s i g n ，a d o p t e dt h em a g n e t i s ma n g l eo fd e f l e c t i o nf o r12 8 。， t h es e p a r a t i o nw o r kb r e a ki s1 9 2 c m ，t h ep r o c e s sl o a di s15 k g h w h e nr u b b i n g d e g r e eo ff i n e n e s si s8 2 5 3 ，t h ec y l i n d e rr o t a t i o n a ls p e e di s4 0 r m i n ，i t sm a g n e t i c s e p a r a t i o ne f f e c ti st h eb e s t b yu s i n go n et i m er o u g hs i z i n ga n do n et i m es w e e p i n gc i r c l et e c h n i c a lp r o c e s s ， t h ef i r s to r ec o n c e n t r a t eg r a d em a ya c h i e v e5 0 5 6 ，t h er e t u r n s - r a t i o8 8 1 2 g o o d t a r g e t s ，t h e r e f o r e ，t h i sm a g n e t i co r es e p a r a t o rp r o t o t y p ec a nc o m m e n d a b l ya c h i e v e t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h i sc r a f ti se a s ya n df e a s i b l e ，l a yt h es o l i df o u n d a t i o nf o r t h ef o l l o w i n gt e c h n i c a lp r o c e s st or a i s e dt h ei r o na n df a l lt h ep h o s p h o r u s k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e t i s mm a g n e t i c o r e s e p a r a t o r , o o l i t i ch e m a t i t e ， m a g n e t i cs y s t e m ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 期：21 堡：壁! 眵 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：样日导师签名：么冢辱刍召纽日 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章前言 进入2 1 世纪以来，我国经济持续稳定、快速发展，国家基础设施建设步伐 加快。钢铁的需求日益增多，而且质量的要求不断提高。众所周知，钢铁工业 在各国的国民经济中占有重要地位。目前全世界每年开采铁矿石达1 0 亿吨左 右。我国已探明的铁矿石储量有5 0 0 多亿吨，位居世界前列，年铁矿石产量达2 1 亿吨以上，居世界首位【l 】。 我国铁矿石资源的特点是：矿床类型多，贫矿多，细粒嵌布矿石多，难选 矿多，赤铁矿、磁铁矿、赤铁矿和多金属矿石占有相当数量。在总储量中，含 铁5 0 以上的富矿只占5 7 ，贫矿占9 4 3 ，其中易选的磁铁矿占6 8 ，难 选的弱磁性铁矿石占3 2 。 贫磁铁矿必须经过选矿后才能冶炼，因此磁选在选矿技术中具有重要意义。 在磁选工艺比较成熟的基础上，磁选设备对选矿指标的影响甚为明显。在磁选 设备中，磁系设计是关键，而磁系设计又分为磁路设计和分选空间磁场分布设 计，对磁系的分选空间磁场的了解是十分重要的，它对分析磁选设备的性能， 进而确定适宜的磁系结构参数。磁极形状和尺寸，以及研究磁性颗粒受力情况 起着重要的作用。同时，为了优化结构、节省材料，设计制造供不同用途且能 满足特定磁场要求的磁系体系，就必须对其磁场的大小与分布，作出严密的分 析与准确的计算。因此，在磁选研究领域中，磁系磁场分布的理论研究是非常 重要的，同时又是一个复杂的研究难题。 我国选矿科技工作者多年来一直在不断地进行磁选技术研究，研究开发的 热点是经济合理的提高铁精矿质量。为达此目的，一方面，重点主要体现和集 中于新型高效磁选设备的研制和开发上：另一方面，对传统磁选设备改进和完 善的研究。主要围绕着提高分离精度、扩展应用领域、增大处理能力、应用新 型磁性材料、节省能源消耗和采用先进技术的方向发展。这两方面的工作目f j 都取得了很大的进展，尤其是在新型高效磁选设备的研制和开发方面取得了可 喜的成果，出现了多种新型磁选设备，主要有：旋转磁场磁选机、振动磁选机、 磁重选矿机、磁聚机、磁选柱等。这些新型磁选设备的加速推广应用无疑将会 大大提高我国磁铁矿精矿的品位，缩短与国际水平的差距【2 】。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 国内外选矿磁选机的研究现状 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。磁选法具有工艺简单、效率高、成本低、污染少、经济效益好 等优点，因此磁选是一种在诸多选矿工艺重选、磁选、浮选等中优先考虑的选 矿工艺。磁选法广泛应用于黑色金属矿石的选别，有色及稀有金属矿石的精选， 重介质选矿中介质的回收。近二十年来，随着稀土永磁体及超导磁体的应用， 磁选设备取得了惊人的发展。其应用范围不断扩大，在非金属矿分选、环境保 护、废品回收、石油化工中催化剂再生及生物技术等方面的应用，也得到了很 大发展l j j 。 美国、加拿大和俄罗斯是世界上磁选技术水平较高的国家。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起步较晚，但近年来国内加大对磁选机的研究力度， 国内强磁选机发展迅速。 1 1 1 弱磁场磁选机 弱磁选机是一种分选强磁性矿物的有效设备，在国内外应用广泛，在选矿 工业中占有重要位置。国内外对弱磁选机的研制都非常重视，除了对已有的弱 磁选机进行不断的改进外还开发了一些新型弱磁选机以满足强磁性矿物选矿工 艺需要。目前弱磁选机正沿着提高分离精度，降低尾矿品位，增大处理能力， 扩展应用领域，节省能源消耗和采用先进技术方向进展1 4 】。 俄罗斯生产的j i b m 系列筒式弱磁选机【5 j ，其传动机构装在筒内，安装方便， 结构紧凑，占地面积小最大规格为j i b m 1 5 0 4 0 0 型，规格为1 5 0 0 x 4 0 0 0 m m 生产能力达4 0 0 t h ，是目前世界上最大规格的筒式磁选机。 美国e r i e z 磁力公司的大型筒式弱磁选机规格最大达1 2 2 0 x 3 0 5 0 m m ，在多 磁系的间隙中装有反斥磁铁，极性与相邻磁铁相同。其圆筒外部也附加了一组 磁极，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，还利用交替磁极的磁摆动作用提高精矿品位。 芬兰科恩公司研制的弱磁场磁选机【6 儿7 j 简体可使磁场的吸附作用集中在距 离筒体表面o 3 0 m m 处，简体表面的磁感应强度为0 1 8 0 2 t ，而距离简体表面 2 武汉理t 大学硕十学位论文 5 0 m m 处场强下降到o 0 6 - - 0 0 7 t ，形成较高的梯度，使吸附能力提高了4 0 ， 不仅增加了处理能力，而且达到较高的回收率。还通过增加磁极数，使磁性矿 粒磁骚动增强，磁性絮团松散，以提高精矿品位。 北京矿冶研究总院研制的b k j 系列和b k w 系列筒式磁选机最大规格为 10 5 0 x 3 0 0 0 m m 。其磁系和分选槽体设计独特，给矿处设有反向冲洗水装置，加 上磁力可调，形成了重力、水力、惯性力和磁力的多力场分选过程。磁性矿物 与溢流反向运动，一部分脉石随同溢流从后部溢流堰排出槽体外进入尾矿，实现 了初次精尾分离。磁精矿受到反向冲洗水的冲击，破坏了磁团聚，使脉石从磁性矿 物中逸出，随溢流排出，实现了入选矿物第二次分离。混于脉石中的细粒级单体 铁精矿和富连生体，在排出过程中继续受到磁力的作用，沉降到槽体底部送往扫 选段回收。以上过程提高了精矿品位和选矿效率【8 】。 近年来，北京矿冶研究总院研制的用于回收磁性选煤重介质的x c t n ( 单筒) 和2 x c t n ( 双筒) 磁选机市场趋势良好【9 j 。其最大规格可达1 2 0 0 x 3 0 0 0 m m ，选别 区场强为0 2 5 t , 特点是适用的物料粒度细、处理量大。可处理粒度为3 2 5 目占 9 0 的重介质，物料浓度为3 0 时处理能力最大可达3 0 0 m 3 h ，回收率可达9 9 以 上，介质消耗只有1 5 2 0 k 趴煤。 美国e r i e z 公司研制的磁滚筒采用永磁电磁复合磁系【1 0 】，滚筒直径最大 18 0 0 x 2 0 0 0 m m 。筒表磁感应强度为o 2 5 0 2 6 t , 处理能力最大5 0 0 6 0 0 t h ，最大 入选粒度为3 5 0 m m 。其优点是有较高的磁场强度，可取得更好的选分效果。马鞍 山矿山研究院研制的c t d g 系列磁滚筒磁系全部采用钕铁硼磁钢，筒表分选区 场强为0 1 6 0 2 6 m t 。其c t d g l 5 1 6 n 型磁滚筒径为0 1 5 0 0 m m ，用于最大带宽 1 6 0 0 m m ，处理的最大矿石粒度为3 5 0 m m ，最大处理能力为8 0 0 t h ，是目前国内最 大规格的磁滚筒【1 1 】【1 2 】。 1 1 2 中磁场磁选机 德国k h d h u m b o l d t w e d a g 公司开发的p e r m o s 中场强永磁磁选机，由5 0 块钕铁硼磁块按不同的方向磁化，组成弯形磁系结构，磁系包角为9 0 0 、1 2 0 0 ，筒表 面磁感应强度为0 7 5 t 。其规格为 6 0 0 x 6 0 0 m m 。主要特点是径向作用力大，能 有效地将物料颗粒吸附到筒表面，并使物料与筒表面间摩擦力的作用沿切向传 输到磁性产品出矿口b 3 i 切向作用力小，可设计成逆流型或半逆流型，分选筒和卸 矿辊分别由2 台可调的减速机和电机驱动。北京矿冶研究总院研制的c t - 1 4 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 型磁滚筒采用钕铁硼磁钢和锶铁氧体磁块复合磁系，大磁极距，简表平均场强高 达0 4 1 1t 胶带表面达0 2 9 6 t , i 距筒表5 0 m m 处0 18 5 t , 可处理最大粒度4 5 0 m m 的 矿石已用于张家洼铁矿【l4 1 。c t d y - 1 2 1 4 移动式大块磁选机，用高强度无磁铸铁代 替不锈钢，降低了制造成本，处理能力大，适应能力强。到目前为止，世界上只有瑞 典、美国和我国等少数几个国家能够制造分选粒度达3 5 0 m m 以上的永磁中场强 磁滚筒，我国在这方面已达到国际先进水平。北京矿冶研究总院研制的 c t b 1 2 3 0 型中场强大型磁选机，规格为0 1 2 0 0 x 3 0 0 0 m m ，是目前国内最大规格的 筒式磁选机。该机采用常规磁系，但分选区磁场比较均匀，简表面平均磁感应强度 为o 3 t , 也有弱磁机型。鞍钢调军台选矿厂使用了弱磁和中磁的各3 0 台，用于强 磁选前除去强磁性矿物，单机处理量为3 0 0 3 5 0 m 3 h 。北京矿冶研究总院研制的 r t g 系列钕铁硼挤5 1 。 压磁系筒式中场强磁选机，筒表磁感应强度为0 7 5t 极性轴向交替，减少了 因涡流造成的简体发热。优点是分选指标好、处理量大、分选粒级宽，功耗少、 重量轻、使用方便可靠。 1 1 3 强磁场磁选机 北京矿冶研究总院1 9 9 9 年推出的f c 3 8 3 2 0 型复合力场分选机【l6 j 是强磁选机 的最新产品，规格为0 3 8 0 x 3 2 0 0 m m ，场强为1 7 t ，处理能力1 0 1 5 t h ，可处理的物料 粒度为5 m m 。该设备已用于三峡工程中人工砂除黑。北京矿冶研究总院1 9 9 8 年前后研制的c z 4 0 1 1 0 1 7 j 槽式振动磁选机已推广应用了十余台，其规格为 0 4 0 0 x 1 1 0 0 m m ，有永磁和电磁两种，永磁的场强为o 8 t 电磁的场强为1 7 t 。处理 能力为5 0 0 k g h 。用于提纯3 2 5 目2 m m 的超纯粉体材料可获得良好效果l l 引。 美国国际工艺系统公司研制的h i g h f o r c e r 辊式强磁选机，磁辊由厚度为 4 m m 的环状和厚度为l m m 的片状钕铁硼永磁材料交错排列而成，磁辊表面磁感 应强度为2 2 t t 旧】。该机采用很薄的输送带将被选物料输送到磁辊磁场区，磁性物 料随磁辊旋转到下方，非磁性物料在惯性作用下向前抛出。该设备磁场强度高， 应用范围广，分选质量高，处理粒度范围宽，从0 0 7 4 m m 至3 0 m m ，处理能力大，结构 简单，操作维护方便，传动功率小，能耗低，占地面积小，价格便宜。已有2 0 0 多台在 2 0 多个国家使用。 长沙矿冶研究院研制的c m m 2 型稀土永磁辊式强磁选机和北京矿冶研 究总院r z c 型稀土永磁辊式强磁选机与上述设备同属一类【2 。长沙矿冶研究院 4 武汉理工大学硕士学位论文 研制的c r i m m 型稀土永磁辊式强磁选机，磁辊由钕铁硼磁盘和d t 4 纯铁磁盘构 成，磁辊尺寸为o l o o x l 0 0 0 m m ，表面磁感应强度为1 2 t , 分选粒度为0 0 7 4 2 0 m m ， 处理能力为0 5 8 t h 。作业时可根据矿石中磁性颗粒的磁性、粒度、密度和对产 品质量的要求调节磁辊转速、给料层厚度和分隔板的位置，以达到最佳分选效 果。该机具有磁场强度高，物料不堵塞，节能，重量轻和占地面积小等特点，是各类 弱磁性矿物分选的理想设备【2 l 】【2 2 1 。 北京矿冶研究总院1 9 9 4 年研制的g c g 2 0 7 5 干式电磁感应辊式强磁选机， 两辊采用上下布置和两个分选区，磁感应强度分别达到1 9 7 t 和2 2 t ，具有国际先 进水平。在两分选区间隙中产生不同磁感应强度，使一台设备连续完成细粒弱磁 性矿物粗选和精选，比功耗相当于同类设备的7 5 8 0 。 马鞍山矿山研究院继c s 1 型电磁感应辊式强磁选机之后又研制了c s 2 型 磁选机【2 3 】【2 4 】，其辊径为0 3 8 0 m m ，磁场强度为0 4 1 7 8 t , 适于分选1 2 2 m m 的矿 石，在梅山铁矿选厂、昆钢上厂铁矿选厂均达到较好的分选指标。 江西理工大学采用钕铁硼等复合材料，利用聚磁新技术研制出y d q c 5 0 0 i i 型湿式永磁带式强磁选机，突破了传统结构模式，变环为制2 5 1 ，采用立式旋转钢带 作为精矿运输机构，变固定磁系为旋转磁系，且带型可变、磁系可变，以适应不同 选矿物料性质变化的要求【2 6 j 【2 。当工作间隙为6 m m 时，磁极磁感应强度为 2 2 t 。不消耗激磁电能，较电磁每台年节约电能3 万k w h 。 德国k h d h u m b o l d t w e d a g 公司【2 酬的d p 型琼斯型强磁选机近年来又有大量 研究改进，在结构性能上取得了新蹬进展，主要有； ( 1 ) 用低温超导磁系取代常规电磁磁系，安装在分选环内，使场强高达2 t 。具有 能耗低、场强高、处理量大、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 ) 在不改变线圈绕制方式的基础上，分选环数量从2 个增加到4 个、6 个和8 个，降低了单环能耗； ( 4 ) 将实心铁质转盘改为空心铁转环，减轻重量，缩短磁路，减少电耗； ( 5 ) 改进聚磁分选介质，提高精矿品位； ( 6 ) 增设强化排矿装置。瑞典s a l a 公司的s a l a - 4 8 0 型高梯度磁选机直径达 0 4 8 m ，是世界上最大规格的高梯度磁选机，具有漏磁少、单位处理量大、重量轻 的优点【2 9 1 【3 0 1 。 马鞍山矿山研究院在9 0 年代初研制的d m g 型高梯度磁选机，现已形成系列 武汉理工大学硕士学位论文 产品【3 。其转环直径为西8 0 0 - - - 2 0 0 0 m m ，转环宽度2 5 0 1 2 0 0 m m ，最高背景磁感应 强度1 8 1 9 t , 处理能力为8 1 0 t h 。该机是一种高场强、高梯度、大脉动力的新 型立环式电磁场高梯度磁选机，具有富集比高、不易堵塞、分选粒度范围宽、选 别指标好、结构紧凑、可靠性高等优点，可用于分选赤铁矿、褐铁矿、锰矿等弱 磁性矿物。 赣州有色冶金研究所3 2 】【3 3 】的s l o n 型脉动高梯度磁选机是一种利用磁力、脉 动流体力和重力的综合力场磁选机。特点是：分选环立式旋转，反冲精矿，有利于 防止磁介质堵塞；脉动机构使矿浆中的矿粒处于松散状态，有利于提高精矿品位； 磁系结构新颖、漏磁少、激磁功耗低；采用导磁不锈钢棒做介质，优化组合排列， 使用可靠，寿命长，维护工作量少。该设备具有富集比大、回收率高、不易堵塞、 分选粒度宽、选矿指标稳定的优点【3 4 1 。该产品不但在国内销售情况良好，而且打 入了国际市场，1 9 9 6 年出口到南非。该所新研制的g m g c 型立环脉动高梯度磁 选机具有s l o n 磁选机的脉动特点，增大了分选区的高度，并将磁感应强度提高到 1 6 t 3 5 】。采用全铠装磁系结构，漏磁减少到最低限度。采用导磁不锈钢板网或钢 毛做介质，该设备主要用于非金属超细物料提纯，可以分选粒度非常细、磁性很弱 的物料1 3 6 1 1 3 7 1 。 1 2 磁选机磁系的磁场分布方法 在磁选机中，磁系设计是关键，而磁系设计又分为磁路设计和分选空间磁 场分布设计，对磁系的分选空间磁场的分析是十分重要的，对磁选设备磁系的 优化设计，从而对分析磁选设备的性能，进而确定适宜的磁系结构参数。磁选 机磁系的分析方法主要可以分为两大类 3 8 1 ：实验研究方法及理论计算方法。两 类磁场分布研究方法分类见表1 一l 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 表l l磁场分布研究方法 1 2 1 磁选机磁系的磁场分布实验研究方法 磁选机的分选空间里磁场强度及其梯度的大小和方向的分布情况，直接影 响磁选的效果，了解这些数据对磁选机的研究以及研究磁性颗粒受力情况等都 有着重要作用【3 9 1 。实测法广泛应用于大空间磁场弱磁选设备磁场分布的测定， 优点是可以直接测量磁场分布，分析研究问题方便，但使用时也存在不足，由 于高斯计及霍耳元件的体积远远大于测量空间的体积而不能测量小空间或微小 空间的磁场分布。模拟法优点是弥补实测法的不足，是研究小空间或微小空间 的磁场分布的一种好方法，主要缺点是数据的数学处理十分繁杂。对于存在聚 磁介质的磁场空间狭小的强磁选机磁场分布的测定，应考虑模拟法测定【4 训。 1 2 2 磁选机磁系的磁场分布理论计算方法 磁选机磁系的磁场分布理论计算方法主要可以分为数值计算法和解析式 法。数值计算在计算机的高速发展中越来越多的应用到磁场分布和电磁分布计 算中。解析式法则利用较强的数学推理计算电、磁场分布，能得到准确解，但 是数学能力要求较高。 1 2 2 1 数值计算法 数值计算法主要包括有限差分法、有限元法和边界元法等。随着计算机水 7 武汉理工大学硕士学位论文 平的提高，数值计算法在电磁场分布方面的应用越来越广泛。 有限差分方法( f d m ) 是计算机数值模拟最早采用的方法，至今仍被广泛运 用。该方法将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域。 有限差分法以t a y l o r 级数展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函 数值的差商代替进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。 该方法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法，数学概念直观， 表达简单，是发展较早且比较成熟的数值方法。 有限差分法的差分格式主要有以下几种或者是某几种形式的组合，不同的组 合构成不同的差分格式。差分方法主要适用于有结构网格，网格的步长一般根 据实际地形的情况和柯朗稳定条件来决定。 ( 1 ) 从格式的精度来划分，有一阶格式、二阶格式和高阶格式。 ( 2 ) 从差分的空间形式来考虑，可分为中心格式和逆风格式。 ( 3 ) 考虑时间因子的影响，差分格式还可以分为显格式、隐格式、显隐交替 格式等。 构造差分的方法有多种形式，目前主要采用的是泰勒级数展开方法。其基 本的差分表达式主要有三种形式：一阶向前差分、一阶向后差分、一阶中心差 分和二阶中心差分等，其中前两种格式为一阶计算精度，后两种格式为二阶计 算精度。通过对时间和空间这几种不同差分格式的组合，可以组合成不同的差 分计算格式。 有限单元法是1 9 4 3 年库兰特最早提出的，把它作为数值计算方法加以利用 则是从1 9 5 0 年开始，在电磁场方面应用也只有3 0 年左右的历史【4 2 | 。 有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域 划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解 函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选 用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程 离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。有 限元方法最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数 值模拟及电、磁场分布。在有限元方法中，把计算域离散剖分为有限个互不重 叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线形组合来 逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单元基函数组 成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。在河道数 8 武汉理工大学硕士学位论文 值模拟中，常见的有限元计算方法是由变分法和加权余量法发展而来的罩兹法 和伽辽金法、最小二乘法等。根据所采用的权函数和插值函数的不同，有限元 方法也分为多种计算格式。从权函数的选择来说，有配置法、矩量法、最小二 乘法和伽辽金法，从计算单元网格的形状来划分，有三角形网格、四边形网格 和多边形网格，从插值函数的精度来划分，又分为线性插值函数和高次插值函 数等。不同的组合同样构成不同的有限元计算格式。对于权函数，伽辽金 ( g a l e r k i n ) 法是将权函数取为逼近函数中的基函数；最小二乘法是令权函数等 于余量本身，而内积的极小值则为对代求系数的平方误差最小；在配置法中， 先在计算域内选取n 个配置点。令近似解在选定的n 个配置点上严格满足微 分方程，即在配置点上令方程余量为0 。插值函数一般由不同次幂的多项式组 成，但也有采用三角函数或指数函数组成的乘积表示，但最常用的多项式插值 函数。有限元插值函数分为两大类，一类只要求插值多项式本身在插值点取已 知值，称为拉格朗日( l a g r a n g e ) 多项式插值；另一种不仅要求插值多项式本身， 还要求它的导数值在插值点取已知值，称为哈密特( h e r m i t e ) 多项式插值。单元 坐标有笛卡尔直角坐标系和无因次自然坐标，有对称和不对称等。常采用的无 因次坐标是一种局部坐标系，它的定义取决于单元的几何形状，一维看作长度 比，二维看作面积比，三维看作体积比。在二维有限元中，三角形单元应用的 最早，近来四边形等参元的应用也越来越广。对于二维三角形和四边形电源单 元，常采用的插值函数为有l a g r a n g e 插值直角坐标系中的线性插值函数及二阶 或更高阶插值函数、面积坐标系中的线性插值函数、二阶或更高阶插值函数 等。 对于有限元方法，其基本思路和解题步骤可归纳为： ( 1 ) 建立积分方程，根据变分原理或方程余量与权函数正交化原理，建立 与微分方程初边值问题等价的积分表达式，这是有限元法的出发点。 ( 2 ) 区域单元剖分，根据求解区域的形状及实际问题的物理特点，将区域 剖分为若干相互连接、不重叠的单元。区域单元划分是采用有限元方法的前期 准备工作，这部分工作量比较大，除了给计算单元和节点进行编号和确定相互 之间的关系之外，还要表示节点的位置坐标，同时还需要列出自然边界和本质 边界的节点序号和相应的边界值。 ( 3 ) 确定单元基函数，根据单元中节点数目及对近似解精度的要求，选择 满足一定插值条件的插值函数作为单元基函数。有限元方法中的基函数是在单 9 武汉理工大学硕士学位论文 元中选取的，由于各单元具有规则的几何形状，在选取基函数时可遵循一定的 法则。 ( 4 ) 单元分析，将各个单元中的求解函数用单元基函数的线性组合表达式 进行逼近；再将近似函数代入积分方程，并对单元区域进行积分，可获得含有 待定系数( 即单元中各节点的参数值) 的代数方程组，称为单元有限元方程。 ( 5 ) 总体合成，在得出单元有限元方程之后，将区域中所有单元有限元方 程按一定法则进行累加，形成总体有限元方程。 ( 6 ) 边界条件的处理，一般边界条件有三种形式，分为本质边界条件( 狄里 ，克雷边界条件) 、自然边界条件( 黎曼边界条件) 、混合边界条件( 柯西边界条件) 。 对于自然边界条件，一般在积分表达式中可自动得到满足。对于本质边界条件 和混合边界条件，需按一定法则对总体有限元方程进行修正满足。 ( 7 ) 解有限元方程，根据边界条件修正的总体有限元方程组，是含所有待 定未知量的封闭方程组，采用适当的数值计算方法求解，可求得各节点的函数 值。 边界元法是在有限元法之后发展起来的一种较精确有效的工程数值分析方 法，又称边界积分方程一边界元法【4 3 l 。它以定义在边界上的边界积分方程为控 制方程，通过对边界分元插值离散，化为代数方程组求解。它与基于偏微分方 程的区域解法相比，由于降低了问题的维数，而显著降低了自由度数，边界的 离散也比区域的离散方便得多，可用较简单的单元准确地模拟边界形状，最终 得到阶数较低的线性代数方程组。又由于它利用微分算子的解析的基本解作为 边界积分方程的核函数，而具有解析与数值相结合的特点，通常具有较高的精 度。特别是对于边界变量变化梯度较大的问题，如应力集中问题，或边界变量 出现奇异性的裂纹问题，边界元法被公认为比有限元法更加精确高效。由于边 界元法所利用的微分算子基本解能自动满足无限远处的条件，因而边界元法特 别便于处理无限域以及半无限域问题。边界元法的主要缺点是它的应用范围以 存在相应微分算子的基本解为前提，对于非均匀介质等问题难以应用，故其适 用范围远不如有限元法广泛，而且通常由它建立的求解代数方程组的系数阵是 非对称满阵，对解题规模产生较大限制。对一般的非线性问题，由于在方程中 会出现域内积分项，从而部分抵消了边界元法只要离散边界的优点。 1 0 武汉理工大学硕十学位论文 1 2 2 2 解析解法 解析解法是磁场分布理论计算的重要方法之一，它主要包括格林函数法、 分离变量法和复变函数法。解析解法在磁场分布理论应用的特点是其能够较准 确的描述其域内各点的磁场强度，其缺点是数学推理能力要求较高。 g r e e n 函数方法是英国物理学家g r e e n 在研究物质的引力场时提出的一 种方法，现已成为众多学科领域的一种重要的理论分析方法。g r e e n 函数方法 的基本思想是：将任意源激励的响应表示为空间各点激励源响应的叠加。通过 求解单位激励的响应达到求解任意激励源的响应，从而使得问题的求解得到简 化。必须注意的是，g r e e n 函数方