基于ANSYS对永磁筒式磁选机磁块排布变化对磁场特性影响的研究

李作敏，冯安生，张颖新，程晓峰，于岸洲(1.中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所，河南 郑州 450006；2.国家非金属矿资源综合利用工程技术研究中心，河南 郑州 450006；3.中国地质科学院研究生部，北京 100037)

基于ANSYS对永磁筒式磁选机磁块排布变化对磁场特性影响的研究

李作敏1，2，3，冯安生1，2，张颖新1，2，程晓峰1，2，于岸洲1，2
(1.中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所，河南 郑州 450006；2.国家非金属矿资源综合利用工程技术研究中心，河南 郑州 450006；3.中国地质科学院研究生部，北京 100037)

永磁筒式磁选机的磁系结构参数、磁块形状和尺寸千差万别，所形成的磁场也有很大的区别。运用ANSYS对其磁系优化研究，分析其永磁体排布的变化所产生的磁场强度、磁场梯度的不同特点。从而得到结论：主磁极的宽度对圆周方向的磁场梯度没有直接影响，垂直方向的磁场梯度随着主磁极宽度的减小而变大；宽度不一致的主磁极间歇放置可提高磁场强度与磁场梯度，且可增加磁翻滚次数；添加辅助磁极提高了磁场较高区域的作用空间，同时提高圆周方向的磁场梯度。

永磁筒式磁选机；磁系结构；磁场强度；磁场梯度

近年来我国磁选设备的研制进展很快，磁选设备的磁系设计是关键，了解磁选设备分选空间的磁场分布十分重要，它对分析磁选设备的性能，进而确定适宜的磁系结构参数、磁块形状和尺寸，以及研究磁性颗粒受力情况起着重要作用[1-3]。国内外的选矿工作者也对筒式磁选机做了大量的研究，主要围绕着提高分选效率、增大处理能力、增强机械可靠性和节省能源消耗等方面做了大量卓有成效的工作[4-5]。然而针对磁系结构设计及其磁场特性的研究却明显滞后，极大地制约了磁选技术的发展。本文通过四种永磁磁系的结构设计以及磁场分布的模拟，得出了特定结构形式下的磁场特性数据，由此揭示了几种磁系结构和磁场分布的关系数据以及适用的矿物特性，从而为磁系结构的设计提供研究思路与研究方法。

前人对永磁筒式磁选机磁系结构的研究主要采用有限差分的数值计算方法研究磁系结构表面的磁场大致分布规律[6-7]，但并未指出磁块排布与磁场特性的关系以及适用的矿物特性。本研究利用ANSYS软件[8]，模拟几种不同的磁系结构的磁场特性，全面分析磁块排布对磁场特性的影响，为永磁筒式磁选机磁系的设计、研发、应用提供理论依据。

1 磁系设计原则

磁系要根据具体的用途来区别设计。一般来讲，若以提高精矿品位为目的，则应该适当增加磁极数即增加磁性物质在分选区的翻转次数；若以提高回收率为目的，则是保证一定品位的前提下适当减小磁极数，增加磁场强度和作用深度，增大磁包角来保证铁磁性物质的充分回收，同时要减小圆周方向磁场梯度，保证吸附矿物的顺利排出[9]。

永磁筒式磁选机为开放式磁场，磁场特性根据磁极组的宽度以及是否利用辅助磁极有密切的关系。此设计主要研究磁块排布对磁场的影响，为了更好的对比分析，把其它条件进行统一。每组磁系包角固定在140～150°之间，每组主磁极由规格为85×65×18的锶铁氧体构成，紧邻筒皮选择梯形磁块，磁块厚度固定在108mm，环绕圆筒直径为1000mm，且每组相邻主磁极之间都紧邻筒皮紧密排列。磁组设计一共分为四组：A组为单个规格的磁块相邻排列，B组为两两磁块相结合组成一组主磁极，C组是A组和B组的主磁极相交叉紧密排列，D组的主磁极和B组相同，但在相邻主磁极间加入辅助磁极。四种磁系系统分布特点见表1。

表1 磁系结构特点

2 模拟结果与分析

2.1 磁系结构磁场云图分析

ANSYS软件是基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解，在保证其计算的准确性和快捷性前提下，通过模拟仿真分析，得到真实有效的数据[8]。

以上四种磁系结构取横截面图，导入ANASYS有限元分析软件，通过二维分析仿真，得到磁感强度云图。磁感应强度云图表示磁感应强度时，随着强度的递增颜色由浅到深。为了更清楚的了解磁场特性的不同，把场强大小的相近的区域给予划分标注，如图1～4所示。

图1 A组磁系系统磁感应云图

图2 B组磁系系统磁感应云图

图3 C组磁系系统磁感应云图

图4 D组磁系系统磁感应云图

由图1、图2得知，主磁极宽度越大，磁场强度相对较高区域面积越大，图1中磁块内部的磁力线集中在磁块内部，根据磁力线分布规律往磁块边角处发散，形成外表面的磁场强度相对均匀，由于磁块之间的距离较近，圆周方向的磁场变化较小。图2中磁块的顶部磁场强度偏小，磁场强度最大值集中在磁块的边角处，符合磁力线易集中在尖性物质的分布规律[8]。

由图1、图2、图4可以看出，相邻的磁块的磁场特性是相同的，唯独图3是每两块磁块呈周期性变化，因为大磁块产生的磁力线较多，和小磁块形成回路后，小磁块的磁场强度明显增加。但由于大磁块的磁力较强，从小磁块发射出的磁力线被迅速吸附，而形成异于其它三种磁系结构的特点：区域1的磁场强度面积大于区域2。另外三种磁极结构随着磁场强度的递减，所占区域面积递增。

由图4观察，主磁极内部的磁力线集中在磁块的两侧，和两侧的辅助磁极形成回路，磁力线在进或出辅助磁极时，磁力线密集的排布在辅助磁极中，所以磁场强度较大区域集中在辅助磁极的外表面，而主磁极的外表面磁场强度较低，在圆周方向上形成较大的磁场梯度，下文中有更深入的研究。

2.2 磁系外表面磁场分布的研究

为了得到磁场强度具体数值的分布规律，对磁系外表面膜的磁场分布进行研究。在距离磁系外表面10mm、20mm、30mm、40mm、50mm处取一条圆滑的曲线，进一步观察磁场分布规律，如图5～8所示。

图5 A组磁系系统磁场分布

图6 B组磁系系统磁场分布

图7 C组磁系系统磁场分布

由图5～8磁系系统的磁场分布曲线得知，A组圆周方向的磁场梯度最小，降低了磁翻滚次数，适合分选比较单一的磁性矿物；B组距离磁系10mm磁场感应曲线图成两两波峰组合，印证了磁场强度集中在磁块表交出的分析，最大值为0.162T，最小值为0.135T，但最大值与最小值都成点状，距离磁系50mm处的磁场强度平均值为0.065T，比A组的磁场强度增加了0.035T，整体而言B组磁场变化规律大致相同，但节省了磁块材料总用量的1/8。

由图7所示，距离磁系10mm的磁场强度变化范围更广，最大值为0.19T，相较于B组增大了0.03T，最小值为0.115T，相对于B组减小了0.02T，磁场强度变化范围提高了0.048T，更有利于磁翻滚，距离磁系50mm的磁场强度平均值为0.045T，比B组降低了0.02T，相同距离范围内磁场强度变化范围很大，可以适当扩大磁选机的分选空间，提高工作效率；由图9所示距离磁系10mm的相较于C组最大值并没有增加，不同的是提高了最大值的作用范围，图4也有所体现。C组距离磁系10mm的磁场强度最大值成点状，而D组的最大值成线状，大大提高分选效果。

由于每组磁系系统都是周期性的，四组磁系分别在距离磁系10mm的路径上选取一个周期，进一步研究磁场梯度，如图9所示。

图8 D组磁系系统磁场分布

图9 磁场强度单个周期

如图9所示，A组在距离磁系10mm处，磁场强度最高点(450，0.16)，最低点(468，0.141)。根据磁场梯度公式(式(1))，那么A组距离磁系10mm处的圆周方向的磁场梯度见式(2)。

(1)

式中：B为磁场梯度；x为两点之间的距离；B2为某一点的磁场强度；B1为另一点的磁场强度；x2为某一点距离；x1为另一点距离。

(2)

式中：BA为A组距离磁系10mm处的圆周方向的磁场梯度。

由图5所示距离磁系10mm处的平均磁场强度为0.145T，20mm处的平均磁场强度为0.100T，距离磁系10mm与20mm之间的磁场梯度见式(3)。

(3)

式中：BA1为距离磁系10mm与20mm之间的磁场梯度。其他间距之间运算与此相同，不再做详细运算，详细结果见表2。

表2 磁场梯度

表注：BA1为距离磁系10mm与20mm之间的磁场梯度；BA2为距离磁系20mm与30mm之间的磁场梯度；BA3为距离磁系30mm与40mm之间的磁场梯度；BA4为距离磁系40mm与50mm之间的磁场梯度；B、C、D组磁场梯度表示方式与A组一致。

由表2所见，C组在距离磁系10mm处圆周方向上的磁场梯度最小，仅为0.00089T/mm，然而它的极值点相较于其他三组却是最大的，说明此磁系系统在单个周期内作用范围广，较有利于用在回收磁性矿物的粗选阶段；A、B组距离磁系10mm处的磁场梯度大致相同，D组磁场梯度最大，磁翻滚次数多，适用与磁性矿物的精选。四组径向磁场梯度由表2得知，随着径向距离的增加，磁场梯度减小，C组径向磁场梯度最大，可以利用较大的磁场梯度分选磁性范围较广的矿物。

3 结 论

本文通过对常规磁选磁系的四种典型的结构设计及磁场特性模拟，揭示了四种磁系设计结构特点以及与其相对应的磁场特征。

1)A组磁系结构圆周方向的磁场强度变化范围小，保证磁性矿物的回收率，可应用与磁性矿物的粗选阶段；另外，在一定的磁包角内，磁场强度周期变化比较频繁，增加了磁翻滚次数。

2)B组磁场强度大小与A组一致，垂直方向的磁场梯度有所减小，源于主磁极宽度的增加，提高了磁场作用深度。

3)C组磁系在磁块材料用量一致的情况下，提高了磁场强度；圆周方向的磁场大小变化范围虽广，但变化区域也较大，所以磁场梯度并不大，磁翻滚次数较少，适用于组成类型比较复杂的矿物的抛尾。

4)D组磁系辅助磁极的添加，减少漏磁，提高磁场强度；圆周方向磁场梯度大，且磁场强度较大区域作用范围广，适用于磁性矿物的精选。

以上四组磁系系统的组成说明磁系结构的变化直接影响磁场特性的变化，我国矿种资源类型繁多，在磁选机的应用上，要根据矿物资源禀赋特点，柔性设计磁选机的研究思路及方法，对于我国矿种资源的开发利用具有重要的现实指导意义。

[1] 彭会清.磁选机磁场解析法机应用[D].武汉:武汉理工大学，2006.

[2] 许辅瑶.强磁磁场永磁磁选机优化设计及试验研究[D].武汉:武汉理工大学，2008.

[3] 陈文峰.永磁筒式磁选机的磁场分析及其计算机辅助设计[D].重庆:重庆师范大学，2011.

[4] 冯泉，韩跃新，郭小飞，等.GHC1545永磁筒式磁选机的研制与试验[J].金属矿山，2011，46(2):111-114.

[5] 王美华，吴祥林.新磁路永磁筒式磁选机的特点及应用[J].金属矿山，2001，36(1):28-30

[6] 魏红港，史佩伟，冉红想，等.永磁筒式磁选机开放式磁场特性的分析[J].有色金属，2011，63(1):146-149

[7] 胡永会，王晓明，冉红想，等.磁选机典型开放式磁路分析与仿真[J].有色金属，2014，66(3):76-82.

[8] 张博，张洪亮.Ansoft12在工程电磁场上的应用[M].北京:中国水利水电出版社，2010:5-23.

[9] 陈斌.磁电选矿技术[M].北京:冶金工业出版社.2014.

[10] 孙仲元.磁选理论[M].修订版.长沙:中南大学出版社，2007.

Study on the effect of permanent magnetic drum magnetic separator magnetic block layout changes on magnetic field characteristics based on ANSYS

LI Zuo-min1，2，3，FENG An-sheng1，2，ZHANG Ying-xin1，2，CHENG Xiao-feng1，2，YU An-zhou1，2

(1.Zhengzhou Institute of Multipurpose Utilization of Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Zhengzhou 450006，China;2.China National Engineering Research Center for Utilization of Industrial Minerals，Zhengzhou 450006，China;3.Graduate School，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China)

The magnetic system structure parameters of permanent Magnetic Drum Separator，shape and size of the magnetic block is differ in thousands of ways，also have different effects on the mineral separat-ion influence.Optimized research the magnetic system structure of drum magnet separator using on ANS-YS，analyzing the changes in the permanent magnet arrangement lead to the different characteristics of the magnetic field strength，magnetic field gradient change of its permanent magnet arrangement.The conclusion:there is no direct impact on the width of the main magnetic pole in the circumferential direction of the magnetic field gradient，the magnetic field gradient in the vertical direction with the decrease of the wi-dth of the main magnetic pole becomes large;inconsistent width of the main magnetic pole disposed in-termittently can improve the strength of the magnetic field and the magnetic field gradient，and increase t-he frequency and the magnetic roll；add auxiliary magnetic pole increases the effect of the higher magn-etic field region of space，while increasing the magnetic field gradient in the circumferential direction.

permanent drum magnetic separator；magnetic system structure；magnetic field intensity；magnetic field gradient

2015-05-21

矿产资源高效综合利用技术与实用化研究项目资助(编号：12120113088300)

李作敏(1988-)，女，硕士研究生，研究方向为选矿装置与设备。

张颖新(1979-)，男，大学本科，高级工程师，主要从事选冶装备的研究工作。

TD457

A

1004-4051(2015)12-0126-05