基于ANSYS的高梯度磁选机磁场特性影响因素分析

时间：2024-07-28

郑霞裕李茂林，2 崔瑞郭娜娜

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院;2.长沙矿冶研究院有限责任公司)

高梯度磁选机的2大关键部分是背景磁场和磁介质。背景磁场提供分选所需的磁场强度，磁介质产生高磁场梯度，因而高梯度磁选机中磁介质的磁场特性对磁选机的选别性能影响很大［1］。磁场特性除了受单根磁介质特性的影响，还受磁介质排列组合方式的影响。大量的研究表明，合适的磁介质排列组合方式有利于改善分选效果、提高分选指标。

笔者利用ANSYS软件模拟了不同磁介质排列组合方式下的磁介质区域磁场特征，并对排列组合方式进行了优选。

1 磁介质排列方式对区域磁场特征的影响

高梯度磁选机中介质的排列方式可以有多种，最常见的是上下对齐排列和上下间隔(错位)排列。在磁介质充填率相同的情况下，ANSYS模拟的磁介质上下对齐排列和上下间隔排列的磁场磁力线图见图1(背景磁场的方向为上下方向，下同)，磁场强度等值图见图2，图中圆圈表示圆柱状磁介质的截面，直径为2 mm，背景磁场强度为3.98×105A/m。

从图1可以看出，磁力线在远离磁介质的区域近乎直线，在靠近磁介质的区域弯向磁介质，并以接近90°的角度进入和穿出磁介质;磁介质内部磁力线密集，越远离磁介质越稀疏，这就产生了磁场梯度。

图1 圆柱状磁介质上下对齐与上下间隔排列的磁力线图

图2 圆柱状磁介质上下对齐与上下间隔排列磁场强度等值图

从图1还可以看出，磁介质上下对齐排列区与间隔排列区的磁场分布差异较大。图1(a)中间部分有代表性的磁介质周围的磁力线在介质的上下部相对集中，因而磁场也较强;图1(b)中间部分有代表性的磁介质周围的磁力线在介质的上下部也相对集中，但集中程度不及图1(a)中的磁介质上下部，因而该排列方式下磁介质周围的磁场分布相对均匀;图1(a)中有部分磁力线没有穿过磁介质而直接贯穿介质区，这部分磁力线对于高梯度磁选所要求的磁场梯度没有贡献(这种磁力线的多少与介质充填率有关)，但图1(b)中则没有这种磁力线。

从图2可以看出，磁介质上下对齐排列区与间隔排列区的磁场强度大小变化范围基本一致:磁场最强区的磁场强度差别很小，分别为7.41×105A/m和7.47×105A/m;最弱区的磁场强度也非常接近，分别为6.01 A/m和6.03 A/m。说明2种排列方式下磁介质上下部分附近的磁场强度及磁场梯度大小基本相同，即磁介质的捕集范围和每个磁介质能够聚集的磁性颗粒数也基本相同。

从图2还可以看出，图2(a)中左右相邻磁介质之间区域的磁场强度和磁场梯度都很小，如果介质的捕集作用不足以将这一区域的磁性颗粒捕捉，则这部分磁性颗粒将一直沿着该区域运动，直至离开分选区，这无疑对分选不利;而按上下间隔方式排列磁介质则发生这种情况的概率要小得多。

2 磁介质充填率对区域磁场特征的影响

磁介质充填率是高梯度磁选机的重要的参数，是表示单位截面积内磁介质数量的物理量，是磁介质间距离的具体表征。为了方便，本研究固定磁介质纵向距离(圆心距)为4 mm，以磁介质横向距离6、4、3、2.4 mm为例，研究了上下间隔排列的这4种磁介质充填率下的磁场强度特征，其磁场强度等值图见图3，图中圆圈表示圆柱状磁介质的截面，直径为2 mm，背景磁场强度为3.98×105A/m。

从图3可以看出，随着磁介质充填率的增大，分选区中高磁场强度区域的面积也随之增大，但区域内最大磁场强度随着充填率的增大而减小，图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)中介质周围的最大磁场强度依次为7.48 ×105、7.25 ×105、7.04 ×105、6.77×105A/m。由于磁性颗粒所受磁力与多种因素有关［2］，其中磁场强度及磁场梯度(HgradH)是主要正相关因素，随着磁场强度的减小，磁性颗粒所受磁力也将会减小。

图3 不同磁介质充填率下的磁场强度等值图

对于周期式高梯度磁选机来说，当磁介质充填率较低时，由于磁性颗粒在磁场中所受的磁力与其体积成正比，因此磁介质对确定粒度的磁性颗粒的捕集力和捕集范围就一定，如果磁介质间的水平距离过大，超过该粒度磁性颗粒的捕集范围，该粒度的磁性颗粒就不能被磁介质捕捉到。因为单根磁介质吸附的磁性颗粒总量是有限的，也就是介质对磁性颗粒的吸附有一个饱和值，低磁介质充填率意味着磁选机在1个周期内处理的原矿量较少，这会降低选别效率。当然，磁介质充填率也不是越大越好，过大的磁介质充填率会导致磁介质周围最大磁场强度下降，磁性颗粒所受的磁力也会下降，这也会导致一部分磁性颗粒难以被介质捕集，降低磁性颗粒的回收率，而且磁介质充填率过高，流体阻力也增大，分选环境也会恶化。因此，合适的磁介质充填率对于高梯度磁选机相当重要，这需要考虑单根磁介质对所需回收的磁性颗粒的捕集作用范围。Watson等人最先研究了单根磁介质捕集磁性颗粒的数学模型并得到了捕集半径的一般关系式［3］。王发辉等通过Fluent软件模拟研究了一定直径的柱状磁介质捕集磁性颗粒的作用半径［4］。确定最佳介质充填率应综合考虑介质的作用半径及磁性物料的磁特性。

3 不同特征磁介质组合对区域磁场特征的影响

高梯度磁选机磁介质周围的磁场梯度一般沿矿浆流动的方向逐渐增大，特定的磁性颗粒所受的磁力也增大。由于磁性颗粒所受磁力与其体积成正比，因而上部磁介质捕捉粒度较大磁性颗粒，下部磁介质捕捉粒度较小磁性颗粒。下面对如何科学、高效、低成本地实现磁介质周围磁场梯度的这种变化进行了研究。

3.1 不同尺寸磁介质的组合

以同一种材料、横截面直径不同的圆柱形磁介质为对象进行了不同尺寸磁介质组合对磁场特性的影响研究。为便于分析，磁介质采用上下对齐排列方式，磁介质的直径依次为 2、1.6、1.2、0.8 mm，背景磁场强度为3.98×105A/m。ANSYS模拟的磁介质区域磁场强度等值图见图4。为便于观察和对比4种不同尺寸磁介质周围的磁场强度及磁场梯度，以图4中左起第3列的磁介质中心连线由下至上定义一条路径，将磁场强度投影到该路径中，得到的磁场强度路径图见图5，其中的竖直线为磁介质的边界。

图4 不同尺寸磁介质组合的磁场强度等值图

图5 不同尺寸介质组合指定路径的磁场强度图

从图4可以看出，磁介质上下部分附近的磁场强度最强，左右部分最弱;磁介质最大磁场强度达7.89×105A/m，大于排列方式及背景磁场强度相同但磁介质直径均为2 mm的磁介质区的最大磁场强度;左右相邻磁介质之间区域的磁场强度和磁场梯度较小。

从图5可以看出，随着磁介质横截面直径的减小，磁介质表面的最大磁场强度增大，两相邻磁介质间的最小磁场强度则随之减小，因而磁介质直径减小，其周围的磁场梯度增大，即直径0.8 mm的磁介质周围磁场梯度最大。因而，在实际应用中可以根据需要选择直径较小的磁介质来实现所需的较高磁场梯度。

3.2 不同横截面形状介质的组合

磁介质横截面的形状对磁介质的磁场特性影响较大［5］。改变磁场梯度的另一种常用方法是采用面积相同、截面形状不同的磁介质。图6为横截面为圆形和等边三角形的磁介质组合且上下对齐排列下ANSYS模拟的磁介质区域磁场强度等值图，图中圆的直径为2 mm，磁介质中心距为4 mm，背景磁场强度为3.98×105A/m。为了便于观察和对比2种不同形状磁介质周围的磁场强度及磁场梯度，在图6中选取与3.1节一样的路径，将磁场强度投影到该路径中，得到的磁场强度路径图见图7，其中的竖直线为磁介质的边界。

图6 横截面为圆形和三角形磁介质的磁场强度等值图

图7 横截面为圆形和三角形磁介质组合指定路径的磁场强度图

从图6可以看出，横截面为圆形的磁介质的上下部分附近的磁场强度比其他方位强，但磁场强度最强处在横截面为三角形的磁介质的上角尖处，达1.06×107A/m，明显大于排列方式及背景磁场强度相同但磁介质均为横截面直径为2 mm的磁介质区的最大磁场强度;左右相邻磁介质之间区域的磁场强度和磁场梯度较小。

从图7可以看出，横截面为三角形的磁介质在上角尖处的磁场强度明显大于横截面为圆形的磁介质的最大磁场强度，且磁场梯度也较圆柱形介质大得多，但其高磁场强度区域较小;横截面为三角形的磁介质下边线处磁场强度远远低于横截面为圆形的磁介质下部分处的磁场强度。

3.3 不同饱和磁化强度介质的组合

不同材料的磁介质，其磁场特性差别很大，影响介质磁场特性的材料因素是介质的磁化特性，可以通过介质的B－H曲线描述［6］。利用ANSYS模拟横截面直径均为2 mm，中心距为4 mm、但饱和磁化强度不同的2种圆柱形磁介质的磁场特性，背景磁场强度为1 T，2种介质的B－H曲线见图8，模拟的磁场强度等值图见图9，在图9中选取与3.1节一样的路径，将磁场强度投影到该路径中，得到的磁场强度路径图见图10。

图8 2种不同饱和磁化强度的磁介质B－H曲线

图9 不同饱和磁化强度磁介质的磁场强度等值图

图10 不同饱和磁化强度磁介质指定路径的磁场强度图

从图9可以看出，下部磁介质周围的磁场强度要比上部磁介质大得多，且下部磁介质内部磁场强度明显低于上部磁介质内部磁场强度，根据2种介质的B－H曲线可知，介质都已达到磁饱和状态，但下部介质的磁场强度比上部介质的磁场强度要大得多。

从图10可以看出，高饱和磁化强度磁介质周围的磁场强度及磁场梯度明显大于低饱和磁化强度磁介质周围的磁场强度及磁场梯度。