磁场强度对煤泥重介旋流器分选效果影响研究

樊盼盼，刘翼洲，董连平，连经利，陈忠钰，樊民强

(1.太原理工大学煤科学与技术教育部与山西省重点实验室，山西 太原 030024；2.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024)

随着采煤机械化程度的提高，入选原煤中细粒级含量越来越多。细粒级分选，无论对于经济效益，还是分选工艺的完善，都是不可或缺的。现有分选设备-煤泥重介质旋流器理论上可有效衔接大直径主洗旋流器分选下限及浮选分选上限[1]，但运行过程中受主洗重介旋流器工况影响较大，介质粒度不易控制，加之为了满足尽可能低的分选粒度下限所必需的入料压力，造成旋流器及管道磨损严重，影响系统工艺水平正常发挥，实际运行效果并不明显[2]。

为了提高煤泥重介旋流器分选效果，国内外专家学者逐渐将磁场技术应用于煤泥重介质旋流器。太原理工大学樊民强教授课题组最早发表了选煤用重介旋流器外部设置磁场调节分选密度的研究成果[3]，并通过系统的试验及深入研究，提出了煤泥重介旋流器分选密度双向磁调控方法论[4-6]，同时对磁场方式作了进一步优化改进[7]。柴兆斌等[8]也就缠绕线圈电磁场对旋流器分选效果的影响进行了研究。以上研究过程中均发现，当磁场强度超过一定值后旋流器分选效果开始变差。探讨其原因，也只是笼统地概括为“破坏了流场”[9-10]。SVOBODA[11]从设备处理量、设备效率等方面综合阐述了磁场强度对分选过程的复杂影响，认为各种磁选设备都有一个合理的磁场调控范围，磁场强度过大或过小均对设备的分选不利。

为了深入研究磁场强度对分选效果的影响关系，从理论上探索高磁场强度下旋流器分选效果变差的原因，本文采用提出假设、试验验证与理论计算相结合的方法，对磁场的影响作用量化研究，对于丰富复合力场分选理论，完善煤泥重介旋流器磁调控策略具有重要意义。

1 试验方法与分选效果

1.1 材料性质

试验所用煤样取自山西屯兰选煤厂原煤3 mm分级筛筛下产品，筛分结果见表1。随着原煤粒度的减小，各粒级灰分逐渐减小，-0.125 mm灰分26.74%，低于原煤灰分，矸石不易泥化；-3+1 mm粒级产率最高，为主导粒级。 试验所用磁铁矿粉由屯兰选煤厂提供。 经测定，磁铁矿粉真密度4.4 g/cm3，磁性物含量>92%，粒度上-0.045 mm含量为85.85%。

表1 原煤筛分试验结果Table 1 Sieve analysis results of the raw coal

1.2 试验方法

采用前期磁力煤泥重介旋流器分选-3 mm粗煤泥试验方法[12]，将一定质量的-3 mm粗煤泥加入配备密度为1.3 g/cm3悬浮液中，煤泥质量浓度为100 g/L。 调节变频器，使矿浆以稳定压力0.1 MPa泵入煤泥重介旋流器。空心线圈与旋流器同轴放置于旋流器柱-锥交界面位置处，通过改变励磁电流大小调节磁场强度，研究单因素下旋流器粗煤泥分选规律。旋流器底、溢流产品经脱介、烘干、筛分、称重后化验灰分。

1.3 试验结果分析

不同磁场强度下旋流器分选效果如图1所示。由图1可知，随着电流强度增加，旋流器各粒级精煤灰分、尾煤灰分逐步提高，当电流强度超过2.5 A时，精煤灰分涨幅变缓，电流继续增加时涨幅不大；尾煤灰分在2.5 A时达到最大值，随着电流继续增加，尾煤合计灰分由最大值65.47%下降到试验条件下最大电流时的33.17%。试验过程中，精煤灰分基本不变，尾煤灰分明显降低，说明随着磁场强度增加，分选效果变差。试验所得磁场强度对旋流器精煤、尾煤灰分的影响规律与前期试验结论一致。

2 假设提出与验证

根据磁场理论，磁场力的存在对磁铁矿粉有吸引作用。本文假设，随着磁场强度的增大，当磁场的吸引作用超过旋流器流场的剪切作用时，磁铁矿粉会在旋流器内壁磁场作用区径向吸附，进而形成具有一定厚度和强度的磁铁矿粉“堆积层”。旋流器内已形成的稳定旋转流场在磁铁矿粉“堆积层”附近产生紊乱，导致分选效果变差。为验证以上假设是否成立，按照磁铁矿粉在器壁吸附后的理想堆积形态加工制作了两个不同厚度的空心圆环放置于磁场作用处，定性表征磁铁矿粉在不同磁场强度下形成的“堆积层”，借以试验的方法验证此装置的放置是否产生同样规律的试验结果。空心圆环放置于旋流器柱锥交界面，依靠锥体角度固定支撑，圆环厚度分别设计为5 mm和10 mm(图2)。

基于以上假设，不同厚度圆环锥台作用下旋流器分选效果见图3。由图3可知，圆环锥台安装后，随着圆环厚度的增加，精煤灰分逐渐降低，尾煤灰分变化幅度不大。圆环的凸起作用使物料在此处产生了一定程度的松散，错配物得到重新分配，提高了分选精度。试验结果与假设不符，前期假设不成立，说明高磁场强度下旋流器分选效果变差并不是磁铁矿粉径向堆积扰乱流场造成的。流体高速剪切作用下旋流器内部并未形成稳定厚度的磁铁矿粉堆积层。

图1 电流强度对分选效果的影响Fig.1 Effect of current intensity on separation effect

图2 圆环结构尺寸及安装图Fig.2 Ring structure and the installation diagram

图3 圆环厚度对分选效果的影响Fig.3 Effect of ring thickness on separation effect

磁场作用下旋流器内颗粒运移规律应从受力分析结合磁场-多相流场耦合模拟做进一步研究。

3 磁场强度对磁铁矿粉团聚粒度的影响

磁铁矿粉粒度是影响重介质分选效果的重要因素[13]。不同重介质分选机对磁铁矿粉粒度要求不同，一般情况下，物料粒度越细，要求磁铁矿粉-0.045 mm含量也应越高。磁铁矿粉粒度主要影响悬浮液稳定性和流变性。在磁力煤泥重介旋流器磁场及磁铁矿粉剩磁作用下磁铁矿粉会形成磁团聚体，造成介质表观粒度变大，进而影响旋流器分选效果。磁选设备中，磁团聚体受力主要分为两大类：形成磁团聚的力和破坏磁团聚的力。

3.1 形成磁团聚的力

磁性颗粒相互作用力是产生磁团聚的主要作用力，可由库仑定律决定[14]，但公式中各参数不易直接测定，EYYSA等[15]从能量变化的观点出发，在假定强磁性矿物悬浮液中强磁性颗粒为直径dp的球体时，颗粒间的磁相互作用力可用式(1)计算，同时指出，在研究常规粒度的强磁性矿物的磁团聚时，可以忽略表面力和其他力的作用。

(1)

式中：Fc为颗粒间的磁相互作用力；C1为空穴和粒子的退磁系数，对于球形粒子，C1=0.75π；M为颗粒的磁化强度；dp为强磁性粒子直径；ε为悬浮液的孔隙度，ε=1-c，c为磁性颗粒体积浓度。

3.2 破坏磁团聚的力

破坏磁团聚的力主要有以下几种[16-17]。

1) 湍流脉动剪切力。湍流脉动剪切力是非叶轮搅拌作用区破坏磁团聚体的主要作用力。叶轮的强烈搅拌使其中的磁团聚体受到湍流脉动剪切作用，计算见式(2)。

(2)

式中：C2为系数；ω为搅拌机的角速度；T为输入扭矩；dF为团聚体粒度。

2) 自重力引起的剪切作用力。计算见式(3)。

τ2=mg/S

(3)

式中：m为粒子质量；S为粒子截面积。

3) 黏性力引起的剪切作用力。假定磁团聚体与介质黏性力服从斯托克斯公式，则得式(4)。

τ3=6πηdFϑ0/S

(4)

式中，ϑ0为水流上升速度。

4) 碰撞剪切力。碰撞剪切力主要发生在叶轮区。高速旋转的叶轮与磁团聚体直接发生碰撞产生冲击力，与叶轮形状、输入能量、叶轮切向速度、团聚体粒度、流体黏度、颗粒与叶轮的相对速度等都有关系，其定量描述很困难。

以上破坏磁团聚体的合力称为磁团聚体的抗剪切强度τB，计算见式(5)。

τB=τ1+τ2+τ3

(5)

叶轮搅拌区搅拌作用很强，湍流脉动剪切力和碰撞剪切力同时存在，由自重引起的剪切力和黏性力引起的剪切力可以忽略[18]，而稳定的磁团聚体存在于非叶轮区，此时τB的计算见式(6)。

τB=τ1=C3Fndp

(6)

(7)

由式(7)可知，磁团聚体粒度与磁场强度的3次方成正比，与磁铁矿粉体积浓度2次方成正比。参照试验过程中所加载励磁电流条件，固定悬浮液密度条件下，不同粒度磁铁矿粉团聚粒度与磁化强度关系计算结果见表2。

以励磁电流为2.5 A时为例，不同悬浮液密度下磁团聚体粒度见表3。

表2 磁团聚体粒度与磁化强度的关系Table 2 The relationship between particle size an agnetic field intensity

表3 磁团聚体粒度与悬浮液密度的关系Table 3 The relationship between particle siz nd suspension density

由表1和表2可知，随着磁场强度的增加，磁团聚体表观粒度显著增大，导致介质悬浮液稳定性和流变性变差，进而对旋流器分选效果带来不利影响。这就不难解释前期试验中，当磁场强度超过一定值，或悬浮液密度增大到一定程度后分选效果开始变差的现象[19]。

4 结 论

1) 旋流器流场的高速剪切作用下，磁场作用区内并未形成致密稳定的磁铁矿粉堆积层。旋流器柱段设置一定厚度的空心圆环锥台，可提高旋流器分选精度。

2) 磁力煤泥重介旋流器磁场的施加，一定程度上可提升旋流器分选密度，所加载磁场强度与工艺条件及操作条件均相关；当磁场强度超过合理范围后，磁团聚现象严重，导致流场稳定性与介质流变性变差，旋流器分选效果变差。