李巧英 劉風(fēng)亮 賈洪利 王寶春 陳傳君 張金慶 王 龍

(山東華特磁電科技股份有限公司)

據(jù)海關(guān)總署統(tǒng)計(jì)，中國2014年鐵礦石進(jìn)口為9.3250億 t，同比上漲13.8個(gè)百分點(diǎn)，全年進(jìn)口量創(chuàng)紀(jì)錄新高，遠(yuǎn)超2013年的8.203億t。而我國當(dāng)前礦產(chǎn)資源中微細(xì)粒嵌布的弱磁性鐵礦物資源儲(chǔ)量大、回收率低，導(dǎo)致我國鐵礦石主要依賴國際市場的供給，這樣嚴(yán)重制約著我國鋼鐵行業(yè)發(fā)展。針對(duì)目前鐵礦石的亟需形式，在技術(shù)上開拓經(jīng)濟(jì)合理的選礦工藝和磁選設(shè)備，來開采我國已存的鐵礦資源是非常迫切的［1］。通過研究幾種聚磁介質(zhì)在強(qiáng)磁選中的最合理的排布結(jié)構(gòu)，以增大材料的磁導(dǎo)率，提高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，并保證材料的機(jī)械強(qiáng)度;結(jié)合不同截面形狀聚磁介質(zhì)的優(yōu)勢探索適宜的介質(zhì)形狀尺寸及合理的排布方式，以提高磁場梯度并減少物料堵塞情況的發(fā)生［2］。為此，利用ANSYS有限元仿真模擬技術(shù)，理論研究聚磁介質(zhì)周邊的磁場特性及顆粒捕集機(jī)理，直觀的分析多介質(zhì)單元的相互作用下對(duì)磁場分布情況及礦漿在磁介質(zhì)表面的流態(tài)分布的影響。以推動(dòng)我國非金屬礦和弱磁性金屬礦選礦技術(shù)的創(chuàng)新和快速發(fā)展，對(duì)于擴(kuò)大我國可工業(yè)利用鐵礦資源量，減少對(duì)國際鋼鐵市場的依賴，保障鐵礦資源的安全供給及促進(jìn)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展將具有重大的意義［3］。

1 幾種棒介質(zhì)的排列方式對(duì)磁場特性的影響

在現(xiàn)有高梯度磁選機(jī)中，應(yīng)用最多的聚磁介質(zhì)類型為棒狀介質(zhì)(選用導(dǎo)磁不銹鋼材料)，棒介質(zhì)具有容易實(shí)現(xiàn)排列組合的最優(yōu)化、不受磁場方向的影響和不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛認(rèn)可。聚磁介質(zhì)通常是以介質(zhì)群組的形式存在，單絲圓柱形棒介質(zhì)并不能反映實(shí)際分選區(qū)多絲介質(zhì)周圍磁力分布的狀況［4］，此處不再做研究，主要針對(duì)多根介質(zhì)組合不同的介質(zhì)棒截面形狀、尺寸、排列方式和充填率對(duì)磁場特性產(chǎn)生的影響進(jìn)行仿真分析。

1.1 單一形狀尺寸的介質(zhì)棒排布結(jié)構(gòu)對(duì)磁場特性的影響

高梯度磁選中的介質(zhì)棒有很多種排列方式，最常見的是上下對(duì)齊排列和上下交替排列。以直徑為1.5、2.0 mm 的圓棒以及4 mm ×7 mm 的菱形介質(zhì)棒(介質(zhì)棒均采用導(dǎo)磁不銹鋼)分別作為磁選區(qū)間的填充介質(zhì)，利用ANSYS分別對(duì)磁介質(zhì)的對(duì)齊排列和交錯(cuò)排列兩種方式進(jìn)行仿真模擬，磁場分布情況見圖1～圖3。在保證介質(zhì)棒中心間距相同(即聚磁介質(zhì)的充填率相同)的情況下，將介質(zhì)組合放置于636.94 kA/m的背景場強(qiáng)中，模擬導(dǎo)磁介質(zhì)棒產(chǎn)生的高梯度磁場(背景磁場的方向?yàn)樯舷路较?，下?。

由圖1～圖3可知:

(1)聚磁介質(zhì)組合不論是采用對(duì)齊排列還是交錯(cuò)排列的方式，對(duì)磁場特性的影響差別不大，但交錯(cuò)排列方式比對(duì)齊排列方式的磁場均勻性更好些。物料的流通區(qū)域是在兩磁介質(zhì)之間，此區(qū)間磁場強(qiáng)度值和磁場梯度都相對(duì)磁介質(zhì)表面較小，如果介質(zhì)的捕集力度不足以捕捉到由此區(qū)間通過的磁性顆粒，那么這些磁性顆粒將隨著無磁性物料一起流失，而降低產(chǎn)量，這無疑對(duì)分選不利。而上下交錯(cuò)的方式排列磁介質(zhì)群可以均勻的將磁場均開，避免出現(xiàn)磁場盲區(qū)，因此能夠較好的減少磁性物料流失問題的出現(xiàn)。

圖1 1.5 mm介質(zhì)棒群感應(yīng)磁場

圖2 2.0 mm介質(zhì)棒群感應(yīng)磁場

圖3 菱形介質(zhì)棒4 mm×7 mm感應(yīng)磁場

(2)在縱向感應(yīng)磁場中，高場強(qiáng)主要分布在介質(zhì)棒上下表面的中心附近，2種圓形聚磁介質(zhì)棒磁場強(qiáng)度最大值均達(dá)到1488.85 kA/m左右。介質(zhì)棒的直徑越小，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，但是強(qiáng)磁場區(qū)域的面積也就越小，衰減的越快，即磁場梯度越高。菱形介質(zhì)棒不論是對(duì)齊排列還是交錯(cuò)排列最大磁場強(qiáng)度均達(dá)到2587.58 kA/m以上，是1.5 mm圓形介質(zhì)棒感應(yīng)磁場強(qiáng)度的1.8倍，說明菱形介質(zhì)棒的磁場特性更優(yōu)越。這是因?yàn)榱庑尉鄞沤橘|(zhì)有尖角出現(xiàn)，介質(zhì)尖角處的曲率較大，因此在磁場方向上尖角效應(yīng)就較明顯，導(dǎo)致背景磁場發(fā)生畸變的程度也就越大，梯度也越高。

1.2 介質(zhì)棒混合排列形式對(duì)磁場特性的影響

高梯度磁選中由于磁性顆粒所受磁力與其體積、磁性、背景磁場強(qiáng)度成正比，因而體積較大、強(qiáng)磁性顆粒在磁選區(qū)間最先被捕捉，超出捕集力度的粒度較小、弱磁性顆粒在流通過程中依次被捕捉。基于這個(gè)原理，研究如何合理的利用磁場空間分布情況進(jìn)行有機(jī)的排列介質(zhì)棒，以達(dá)到高梯度、不堵塞的效果。

1.2.1 同一截面形狀、不同直徑的聚磁介質(zhì)組合

以介質(zhì)棒橫截面直徑為2.0 mm和1.5 mm混合的介質(zhì)群與單一截面直徑的介質(zhì)群為對(duì)象對(duì)磁場特性的影響進(jìn)行對(duì)比研究。為便于觀察磁場梯度變化，采用上下對(duì)齊的方式排列，且分為上下分區(qū)排列、上下交替排列兩種方式，背景磁場強(qiáng)度為636.94 kA/m的磁感應(yīng)強(qiáng)度等值圖分別見圖4、圖5。為便于觀察和對(duì)比兩種磁介質(zhì)周圍的磁場強(qiáng)度和梯度，只對(duì)比圖4、圖5其中一列中心豎直連線的磁場強(qiáng)度數(shù)值，將其磁場強(qiáng)度數(shù)值連成一條線見圖6、圖7，其中的豎直線為磁介質(zhì)的邊界。

圖4 2.0 mm與1.5 mm棒對(duì)齊、上下分區(qū)排列磁場強(qiáng)度等值圖

圖52.0 mm與1.5 mm棒上下交替并對(duì)齊排列的磁場強(qiáng)度等值圖

圖6 圖4中指定路徑的磁場強(qiáng)度

圖7 圖5中指定路徑的磁場強(qiáng)度

由圖4～圖7可見，磁介質(zhì)上下部分附近的磁場強(qiáng)度最強(qiáng)，左右部分最弱，此特性與單一棒一致。磁介質(zhì)最大磁場強(qiáng)度基本一致，均達(dá)到1592.36 kA/m，大于排列方式、背景磁場強(qiáng)度、截面直徑均分別相同的單一磁介質(zhì)直徑為1.5 mm和2.0 mm的磁介質(zhì)區(qū)的最大磁場強(qiáng)度，并且最大值出現(xiàn)在分區(qū)邊界的1.5 mm上部邊界處。直徑1.5 mm的磁介質(zhì)的最大表面感應(yīng)磁場強(qiáng)度較大，離開介質(zhì)表面衰減的也較快，可知聚磁介質(zhì)棒橫截面直徑越小周圍磁場強(qiáng)度、梯度均較大。因而，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)磁性形態(tài)大小、物料有用礦物的磁特性選擇直徑較小的磁介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)較高的磁場梯度。

對(duì)比圖4、圖5可知，兩種排列方式對(duì)磁場影響效果基本一致，但是結(jié)合實(shí)際選礦過程中上部磁介質(zhì)捕捉粒度較大磁性顆粒，下部磁介質(zhì)捕捉粒度較小磁性顆粒，可得出優(yōu)先選用上下分區(qū)排列結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)閷?shí)際介質(zhì)組合中不同截面尺寸的介質(zhì)棒充填率不同，只有上下分區(qū)填充才能更好的發(fā)揮其捕集作用。

1.2.2 不同橫截面形狀、同一中心距的聚磁介質(zhì)組合

磁介質(zhì)橫截面的形狀對(duì)磁介質(zhì)的磁場特性影響較大，改變磁場梯度的另一種常用方法是采用截面形狀不同的磁介質(zhì)組合［5］，菱形4 mm×7 mm與2.0 mm棒交錯(cuò)排列磁場強(qiáng)度等值圖見圖8。為便于觀察磁場梯度變化，仍采用上下對(duì)齊的排列方式。為便于對(duì)比單一棒與混合棒磁介質(zhì)周圍的磁場強(qiáng)度、梯度，將圖8與圖3a中同一列菱形介質(zhì)棒中心連線的磁場強(qiáng)度數(shù)值作為縱坐標(biāo)，將該中心線作為橫坐標(biāo)，見圖9，其中的豎直線為磁介質(zhì)的邊界。

圖8 菱形4 mm×7 mm與2.0 mm棒交錯(cuò)排列磁場強(qiáng)度等值圖

由圖3(a)、圖8可見，菱形與常規(guī)2.0 mm介質(zhì)棒的混合棒的感應(yīng)磁場強(qiáng)度明顯高于單一菱形介質(zhì)棒組合，因此實(shí)際應(yīng)用中可適當(dāng)加大棒與棒的間距，以減小填充率，節(jié)省成本;對(duì)比圖9a、9b可知，混合棒的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度(2705.01kA/m)也高于單一菱形介質(zhì)棒(2516.88 kA/m)，因此可以考慮采用此結(jié)構(gòu)選別弱磁性赤鐵礦。

圖9 指定路徑的磁場強(qiáng)度

1.3 聚磁介質(zhì)充填率對(duì)磁選區(qū)間磁場特性的影響

當(dāng)磁選區(qū)間中磁介質(zhì)充填率較低時(shí)，磁介質(zhì)間的水平間距就會(huì)過大，磁場盲區(qū)現(xiàn)場更明顯，磁性顆粒流過此區(qū)域時(shí)所受磁力小，超出磁介質(zhì)對(duì)其的捕集力，就無法被捕集到，因此說明磁介質(zhì)對(duì)一定粒度磁性顆粒的捕集作用是有范圍限制的。由圖3a和圖8對(duì)比，也可明顯看出充填率大，高場強(qiáng)區(qū)所占面積也較大，這樣有利于介質(zhì)棒對(duì)弱磁性物料的捕集作用。磁介質(zhì)充填率高也意味著磁選設(shè)備對(duì)原礦處理量大，這會(huì)提高磁選效率和產(chǎn)量。但是充填率不是越高越好，過高的磁介質(zhì)充填率會(huì)導(dǎo)致分選間隙減小，礦漿流動(dòng)阻力增大，物料堵塞。

2 結(jié)語

(1)不同橫截面形狀、尺寸的聚磁介質(zhì)，其表面曲率不同，背景磁場中磁力線的方向也就不同，因此會(huì)產(chǎn)生不同的磁場特性分布。采用橫截面表面曲率大、飽和磁化強(qiáng)度值高的聚磁介質(zhì)都有利于提高聚磁介質(zhì)周圍的磁場強(qiáng)度和梯度。借此可以根據(jù)礦樣的實(shí)際情況選用不同截面形狀的聚磁介質(zhì)。

(2)在豎直磁場中，磁介質(zhì)上下對(duì)齊排列與上下交替排列對(duì)磁場強(qiáng)度和梯度的作用情況基本相同，但介質(zhì)上下交替排列的方式更有利于對(duì)磁性顆粒的捕集;不同磁介質(zhì)組合可以根據(jù)磁性顆粒的大小、特性更合理、有效的利用磁場的空間分部。

(3)磁性顆粒在磁場中所受磁力與多種因素有關(guān)，一定程度增大磁介質(zhì)充填率有利于改善分選效果和處理量，但磁介質(zhì)充填率過高不僅降低磁場強(qiáng)度和梯度，而且阻礙礦漿的正常流動(dòng)，影響分選效果。

(4)棒狀介質(zhì)流通性好，不易堵塞，可適用于金屬礦選礦、非金屬礦除鐵。由于網(wǎng)狀介質(zhì)表面曲率大，產(chǎn)生的磁場梯度比常用棒狀高，齒板網(wǎng)與鋼板網(wǎng)的組合介質(zhì)梯度更高，磁場強(qiáng)度更大，但有回收率高、易堵塞的特點(diǎn)，適于鐵礦選礦;鋼毛介質(zhì)梯度最大，但流通性差，機(jī)械捕獲率高，堵塞后易被壓實(shí)，適于高嶺土、陶瓷等非金屬礦除鐵。

［1］ 張玉棟.微細(xì)粒貧赤鐵礦強(qiáng)磁選中聚磁介質(zhì)優(yōu)化研究［D］.河北:河北聯(lián)合大學(xué)，2013.

［2］ 李文博，韓躍新，湯玉和，等.高梯度磁選機(jī)聚磁介質(zhì)的研究及發(fā)展趨勢［J］.金屬礦山，2012(9):129-133.

［3］ 李新軍.鐵礦石國際貿(mào)易的經(jīng)濟(jì)學(xué)分析—價(jià)格和議價(jià)能力決定因素的研究［D］.安徽:安徽大學(xué)，2010.

［4］ 孫炳泉.近年我國復(fù)雜難選鐵礦石選礦技術(shù)進(jìn)展［J］.金屬礦山，2006(3):4-5.

［5］ 翟宏新.高梯度磁分離設(shè)備的介質(zhì)體新結(jié)構(gòu)［J］.過濾與分離，1994(1):16-20.