基于ANSYS的高梯度磁选机介质截面形状影响研究

陈海军　李茂林，3　郑霞裕　崔　瑞　金　乔(1.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081；2.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；3.长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

基于ANSYS的高梯度磁选机介质截面形状影响研究

陈海军1,2李茂林1,2，3郑霞裕1,2崔瑞1,2金乔1,2
(1.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081；2.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；3.长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

磁介质的截面形状对介质的磁场特性影响很大，合适的介质截面形状有利于提高微细粒磁性矿物的回收率并降低选矿能耗。利用ANSYS仿真软件分析了圆形截面、椭圆截面、菱形截面等3种不同截面形状磁介质在不同的背景场强下表现出的磁场特性。结果表明：在整个背景场强变化范围内，长短轴比为2∶1的椭圆截面介质产生的磁场力大于圆形截面介质和菱形截面介质的磁场力，相同背景场强下产生的磁场力约为圆形截面介质的1.5～2倍；菱形截面介质产生的磁场力在背景磁感应强度小于0.8 T时大于圆形截面介质，在背景磁感应强度大于0.8 T时小于圆形截面介质，产生这种结果的主要原因是菱形截面介质端部较尖锐，在较小的背景磁感应强度下介质端部就达到磁饱和。

磁介质截面形状磁场强度磁场梯度

在处理微细弱磁性物料上，相比于其他选矿方法，高梯度磁选机具有极大的优越性。但是由于微细粒矿物本身的难处理特性，要获得理想的回收率，提高矿粒所受的磁力非常重要。磁力的提高可通过增大背景磁感应强度和磁介质产生的磁场梯度实现。由于能耗与背景磁感应强度的平方成正比，进一步提高背景磁感应强度极不经济，且高磁感应强度常常会由于弱磁性颗粒集聚而形成机械夹杂[1]，因此，实践中更多考虑采用提高磁场梯度的方法[2-3]。

对于尺寸相当的介质，介质的截面形状对介质周围的磁场分布影响很大，研究介质截面形状与磁性颗粒所受磁力的关系，寻求能产生高磁场梯度的磁介质，对提高微细粒磁性矿物的回收率有极大意义。另外，要得到相同的磁力，采用高梯度的磁介质能有效降低背景磁感应强度，这对降低设备能耗意义重大。前人对介质截面形状的研究主要采用有限差分的数值计算方法，研究了正多边形和矩形等不同截面介质表面附近的磁场大致分布[4-7]，但都未对介质截面形状的具体影响作出较中肯评述。笔者利用ANSYS仿真软件，模拟几种不同截面介质的磁场特性，全面分析了介质的截面形状对介质周围磁场分布及矿物所受磁力的影响，为新型高梯度介质的研发应用提供理论依据。

1　模拟条件

提高介质截面曲率可以有效提高磁场梯度，故本研究选取圆形截面、椭圆截面、菱形截面等3种截面形状介质为研究对象，以圆形截面为标准，保证3种截面介质的截面面积一样，即3.14 mm2，且椭圆截面和菱形截面的长短轴长度之比为2∶1，介质的材质选用45钢，其B-H曲线如图1所示。通过介质的B-H曲线可以得知介质的磁化状态，这对分析介质周围磁场的变化很重要[8]。

图1　介质材料的B-H曲线

利用ANSYS 软件，分别模拟3种不同截面介质的周围磁场随背景磁感应强度的变化规律，跟踪介质的磁化状态，考察沿背景磁感应强度方向中心线上距介质表面0.2 mm处的磁场强度、磁场梯度、磁场力的变化，研究不同背景磁感应强度下不同截面介质的磁场特性规律。

2　模拟结果与分析

2.1介质内部磁场强度的变化

介质内部的磁场强度反映了介质的磁化状态，通过介质内部磁场强度及介质的B-H曲线，可以得知介质是否达到磁饱和。介质达到或未达到磁饱和时，介质的磁场特性差异很大[9]。3种截面形状的介质内部磁场强度与背景磁感应强度的变化关系曲线见图2，其中圆形和椭圆截面介质内部磁场强度分布较均匀，菱形截面介质内部磁场强度是两边大于中间，因此，对于菱形截面介质，考察的是内部尖角附近的磁场强度。

图2　介质内部磁场强度与背景磁感应强度的关系

从图2可以看出，随着背景磁感应强度的增大，菱形截面介质、椭圆截面介质、圆形截面介质依次达到磁饱和，达到磁饱和时的背景磁感应强度分别约为0.3、0.6、1 T。根据处于背景磁场中介质的磁化规律，达到磁饱和后介质内部磁场强度变化值等于背景磁感应强度变化值。

2.2距离介质表面0.2 mm处磁场强度的变化

3种截面介质沿背景磁感应强度方向中心线上距离介质表面0.2 mm处的磁场强度与背景磁感应强度的变化关系曲线见图3。

图3　距离介质表面0.2 mm处磁场强度与背景磁感应强度的关系

从图3可以看出，3种截面介质距离介质表面0.2 mm处的磁场强度曲线拐点所对应的背景磁感应强度与介质内部磁场强度曲线拐点所对应的背景磁感应强度一致，即在磁场强度曲线拐点处介质达到磁饱和；在未达到磁饱和之前，3种截面介质曲线斜率均大于达到磁饱和后的斜率；椭圆截面介质的磁场强度始终大于另2种介质，菱形截面介质的场强在背景磁感应强度小于0.6 T时大于圆形截面介质，在背景磁感应强度大于0.6 T时小于圆形截面介质。背景磁感应强度分别为0.4 T和1 T时，3种介质的磁场强度等值见图4、图5。

图4　背景磁感应强度为0.4 T时3种介质的磁场强度等值图

图5　背景磁感应强度为1 T时3种介质的磁场强度等值图

2.3距离介质表面0.2 mm处的磁场梯度的变化

3种介质距离介质表面0.2 mm处的磁场梯度与背景磁感应强度的变化关系曲线见6。

图6　距离介质表面0.2 mm处磁场梯度与背景磁感应强度的关系

从图6可以看出，3种介质的考察点处的磁场梯度随背景磁感应强度的增大先增大，然后趋于稳定；椭圆截面介质的磁场梯度曲线斜率最大，圆形截面介质的磁场梯度曲线斜率最小，且达到最大值时的背景磁感应强度正是介质达到磁饱和时的背景磁感应强度；椭圆截面介质的磁场梯度在整个背景磁感应强度变化范围内均大于圆形截面和菱形截面介质，而菱形截面介质的磁场梯度在背景磁感应强度小于0.8 T时大于圆形截面介质的磁场梯度，在背景磁感应强度大于0.8 T时小于圆形截面介质的磁场梯度。

2.4距离介质表面0.2 mm处的磁场力的变化

磁性颗粒所受磁力关系到磁性颗粒的捕集[10]及在颗粒介质表面的聚集[11-12]，用磁场强度和磁场梯度的乘积表示某点处的磁场力，距离介质表面0.2 mm处的磁场力随背景磁感应强度的变化关系曲线见图7。

图7　距离介质表面0.2 mm处磁场力与背景磁感应强度的关系

从图7可以看出：①3种截面介质的磁场力随着背景磁感应强度的增大先较快增长，在介质达到磁饱和后磁场力增长速度变慢。②在整个背景磁感应强度变化范围内，椭圆截面介质提供的磁场力都要大于菱形和圆形截面介质；当背景磁感应强度小于0.8 T时，菱形截面介质的磁场力大于圆形截面介质；当背景磁感应强度大于0.8 T时，菱形截面介质的磁场力小于圆形截面介质。③当背景磁感应强度为1 T时，圆形截面介质在距离介质表面0.2 mm处产生的磁场力约为1015A2/m3；椭圆截面介质表面0.2 mm处要达到1015A2/m3的磁场力，背景磁感应强度约为0.5 T就可以了，因此，根据能耗与背景磁感应强度的二次方成正比的关系可得出，要想得到1015A2/m3的磁场力，采用椭圆截面介质的能耗大约是采用圆形截面介质的1/4。④在相同的背景磁感应强度下，椭圆截面介质产生的磁场力为圆形截面介质产生磁场力的1.5～2倍。

2.5模拟结果分析

根据3种截面磁介质的模拟结果，对于同种材质的磁介质，适当使介质截面变得“狭长”有利于提高介质表面磁场强度及磁场梯度，如椭圆截面介质的磁场强度及磁场梯度较圆形截面介质要大得多。但也并非介质截面越狭长、越尖锐越好，如果介质沿磁场强度方向的两端变得过于尖锐，介质表面的磁场强度及磁场梯度并不一定会有较大增长，这主要是由于棱角处越尖锐，该处越容易达到磁饱和状态，即在较低的背景磁感应强度下介质棱角处就达到磁饱和，磁力线穿过3种介质时的走向见图8。

图8　3种截面介质的磁感线图

从图8可以看出，圆形截面介质和椭圆截面介质内部的磁力线平行，即内部各点磁场强度相等，磁化状态相同，而菱形介质内部磁力线不平行，中间疏，两端密，两端的磁场强度大于中间部分的磁场强度,中间部分和两端的磁化状态不一样，两端容易达到磁饱和。

达到磁饱和状态后，介质表面附近的磁场强度的增量即为背景磁感应强度的增量，且介质表面的磁场梯度也已经达到最大值。因此，对于菱形截面介质，在未达到磁饱和时，表面附近磁场强度及磁场梯度都要大于圆形截面介质，但菱形截面介质极易达到磁饱和，图2中菱形截面介质在背景磁感应强度为0.3 T时就达到磁饱和，其磁场梯度已经达到最大，且表面磁场强度增大量为背景磁感应强度增大量。但在背景磁感应强度为0.3 T时，圆形截面介质还远未达到磁饱和，其磁场强度和磁场梯度随着背景磁感应强度的增大而较快增大，这使得在背景磁感应强度大于0.8 T时，菱形截面介质的磁场力反而小于圆形截面介质。

根据上述分析还可以推断出，长短轴比为2∶1的椭圆截面介质在聚磁性能上虽然较好，但这并不一定是最佳形状的椭圆截面磁介质；长短轴比为2∶1的菱形截面介质虽然聚磁性能不理想，但是适当改变其长短轴之比、增大其尖角角度或对尖角处采取磨平或倒圆角处理，提高尖角处达到磁饱和的背景磁感应强度，其聚磁性能也会得到改善[13]。

3　结　论

(1)研究的3种截面磁介质中，椭圆截面介质的磁性能最好，在整个背景磁感应强度变化范围内产生的磁场力都要大于另外2种截面形状的介质；菱形截面介质在背景磁感应强度小于0.8 T时产生的磁场力大于圆形截面介质，在背景磁感应强度大于0.8 T时产生的磁场力小于圆形截面介质。要得到相同的磁力，使用椭圆介质的能耗约为使用圆形截面介质的1/4，在相同的背景磁感应强度下，椭圆截面介质产生的磁场力为圆形截面介质的1.5～2倍。

(2)菱形介质的聚磁性能之所以不理想，主要是由于介质端部在背景磁感应强度很小时就已达磁饱和。一般地，端部越尖锐的介质越容易达到磁饱和，达到磁饱和后，介质产生的磁场梯度不再变化，且磁场强度增大变缓。研究的3种介质中，菱形介质端部在背景磁感应强度为0.3 T时已经达到磁饱和，而椭圆截面介质和圆形截面介质达到饱和时的背景磁感应强度分别为0.6 T和1 T。介质表面附近产生的磁场梯度随背景磁感应强度的增大先增大，在介质2端达到磁饱和后趋于稳定，圆形截面介质达到磁饱和后产生的磁场梯度比菱形介质大，在较高的背景磁感应强度下，菱形截面介质的磁性能反而不及圆形截面介质。

(3)采用截面形状较狭长的介质可以提高磁场力，但并非介质端部越“尖锐”越好，介质端部的磁化状态对介质磁场力影响很大，要想得到最佳截面形状的磁介质，需综合考虑介质截面尺寸、介质的磁特性曲线、磁选机工作时的背景磁感应强度等各种因素。

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(责任编辑罗主平)

Study on Effect of Cross-sectional Shape of Magnetic Matrices Based on ANSYS

Chen Haijun1,2Li Maolin1,2,3Zheng Xiayu1,2Cui Rui1,2Jin Qiao1,2
(1.HubeiKeyLaboratoryforEfficientUtilizationandAgglomerationofMetallurgicMineralResources，Wuhan430081，China；2.SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China；3.ChangshaResearchInstituteofMiningandMetallurgyCo.,Ltd.,Changsha410012,China)

The cross-sectional shape of the magnetic media has great influence on the magnetic field characteristic,and suitable matrix cross-sectional shape can improve the recovery of micro-fine magnetic materials and reduce processing energy consumption.The magnetic field characteristics of three kinds of matrix,circular cross-section,elliptical cross-section,rhombus cross-section,with different cross-sectional shape under different background magnetic field strength were analyzed with ANSYS.The results showed that: within the entire range of background magnetic field strength,the magnetic force generated by elliptical cross-sectional shape matrix is higher than that of circular and rhombus,and the magnetic force is 1.5～2 times as much as that of circular matrix under a certain background magnetic field strength; when the background magnetic field strength is lower than 0.8 T,magnetic force generated by diamond cross-sectional matrix is higher than that of circular cross-sectional shape matrices.The relationship is opposite when the background magnetic field strength is higher than 0.8 T,the main reason for which is the magnetic saturation of the matrix ends under a low background magnetic field owning to its sharpness shape.

Magnetic matrix，Cross-sectional shape，Magnetic field strength，Magnetic field gradient

2014-10-15

陈海军(1988—)，男，硕士研究生。通讯作者李茂林(1963—)，男，教授，博士研究生导师。

TP15，TD457

A

1001-1250(2015)-01-113-05