高效立环高梯度强磁磁选机的研制及应用.pdf

2023No9(上)设备管理与维修设计研究30高效立环高梯度强磁磁选机的研制及应用欧刚良（岳阳大力神电磁机械有限公司，湖南岳阳414100)摘要：采用有限元分析法和先进电磁设计技术，研制大型立环脉动高梯度磁选机，具有背景磁场强度大、立环磁介质场强梯度高、选矿效率、设备作业率和自动化程度高、电耗低的优点，用于铁矿石、褐铁矿、黑钨矿、锰矿、赤泥、长石、高岭土等矿物的分选均获得优良的技术指标。关键词：磁选机；励磁磁场；磁场梯度；搓齿棒；励磁线圈中图分类号：TD951文献标识码：BDOl:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.09.12引言目前我国的铁矿石以贫矿为主，大部分铁矿石必须经过选矿才能用于工业生产，高效立环高梯度强磁磁选机可广泛应用于钛铁矿、赤铁矿、褐铁矿、钼锯矿、墨钨矿、锰等弱磁性矿物的分选，以及硅线石、霞石、锂辉石、萤石、高岭土、长石、石英等非金属矿物的除铁提纯。岳阳大力神电磁机械有限公司在现有电磁技术的基础上，开展对立环高梯度磁选机背景磁场、高梯度磁场的优化设计，大大提高了对弱磁性矿物的分选能力，进一步降低生产成本，扩大立环高梯度磁选机对弱磁性矿物的应用范围，创造更大的经济效益。高效立环高梯度强磁磁选机结构YYDLS立环高梯度强磁磁选机主要由冲程箱、转环、铁轭、励磁线圈、液位智能系统、控制系统以给矿斗、尾矿斗、精矿斗和漂洗斗装置等组成（图1），其中转环内装有自主权知识产权的导磁介质盒。其工作原理是利用各种矿物的不同导磁性能，在电磁磁力、脉动流体力和重力等综合力场的作用下，对非磁图3改造前井场功率监测图4改造后井场功率监测为18.5 kW，共计9 2.5 kW。井场照明、伴热等其他设备用电共计约2 0 kW。井场总装机功率112.5 kW，井场配备的发电机总功率性矿物与弱磁性矿物的进行分离。本文在研制YYDLS磁选机的过程中，总结了现有立环脉动高梯度磁选机设计的成功经验，对磁路进行了优化设计，研制的立环高梯度磁选机具有自主知识产权，技术性能处于领先地位（表1）。同时，立环高梯度磁选机实现了机电智能控制，大大提升了设备的选矿性能。2背景场强设计背景磁场由一组线圈产生，包括线圈、磁轭、铁芯等组件。根据磁选机的尺寸，采用ANSYS有限元计算磁体和线圈中心部位的磁场分布。根据立环脉动高梯度磁选机磁体本身结构的对称性，只需建立其1/4结构模型就可以满足计算要求。具体结构模型如图2 所示，其中深红色部分为铁轭，浅蓝色部分为铁芯，粉红色部分为环形内部磁极，中间部分为放入磁介质盒间隙，即转环通过的部位。磁体的环形区域中心切面上磁场分布情况如图3 所示，通过提取中心切面上每个节点上的磁场强度值，得到中心磁场强度在1.3 T以上。而磁体内铁轭、铁芯及磁极上的磁场分布情况如图4所示为16 0 kW。安装后运行3 个月，未发生因功率过载造成的发电机停机故障，生产运行时总功率平均值基本一致，功率峰值较平稳。经数据监测未出现短时的较大峰值，负功率情况也相对较少。3总结通过现场应用表明，井组节能错峰控制柜在降低井场总功率峰值及减少反发电情况方面切实有效，达到了设计预期。该控制技术为偏远地区油气田大井组的井场提供了一种降低发电机装机容量的可行性方案，降低了用户在发电设备方面的投人。抽油机反发电能量的再利用使得用电效率更高，起到了节能降耗的作用。控制柜内部结构的独特设计在实际应用中发挥了重要的作用，有效减少吊车等辅助设备、工具的投人，降低工人的劳动强度。但是，从该控制技术的应用效果分析，也存在需要提高的方面：抽油机反发电情况并未完全消除，控制柜内还需要配备制动电阻单元消耗掉反发电能量，需要后续继续优化控制程序，提高控制精度；降低井组总功率峰值的功能虽然初步实现，但通过后期的控制程序优化还可以进一步降低总功率峰值。【编辑张韵20233No9(上)设备管理与维修31设计研究清洗水精矿斗漂洗水斗驱动机构给矿斗液位箱中矿斗上铁轭立环励磁线圈下铁轭尾矿斗冲程箱机架图1高效立环高梯度强磁磁选机结构表1YYDLS-3000立环高梯度强磁磁选机主要技术参数项目指标项目指标转环直径/mm3000激磁功率/kW075转环转速/（r/min）04转环电机功率/kW11给矿粒度/mm0.51.5脉动电机功率/kW7.5供水压力/MPa0.20.4激磁电压/V045矿浆通过能力/（m/h）250600脉动冲次/(r/min)0300干矿处理量/（t/h）120200脉动冲程/mm030背景场强/T01.5耗水量/(m/h）250500激磁电流/A01800冷却水水量/（m/h）810给矿浓度/%1545一ANSYSVOLLMESMAY23201020155:28环形中心切面electronicalmagnetforyueyang3图2三维实体模型ANSYSNODALBOLUTION212:49:4300F229494.229494.9577161.6862.4143142:5926051.3222.052.7783.506electronical magnet fot yueyang图3中心切面磁场ANSYSPOOTIMURPACBSWALUEBSUMY1A201012:57:391.2651.3661.4661.3671.6671.3151.4164.5161.6171-717electronicalmagnetforyueyang3图4磁场分布从计算结果可以看出，铁芯及磁极上的磁场强度已接近所选用材料的磁饱和强度，尤其是铁芯。如果要增大中心磁场强度，就会增大磁路上的磁阻，但可以适当增加铁芯截面积并减小线圈截面。因此，在设计磁路时除了线圈的安匝数外，铁芯截面积、线圈截面、材料的磁饱和强度都会影响中心磁场强度。在优化设计时，磁轭和铁芯选用较高磁饱和强度的材料，而线圈采用长方形，中心平面与立环相切，磁轭与铁芯有最短的磁回路，铁芯截面积大，磁路的气隙磁阻小、漏磁少，立环磁选区大，单个线圈所需安匝数小，磁路中产生的磁场最大。后续研制了YYDLS-150、Y Y D L S-17 5、Y Y D L S-2 0 0、Y Y-DLS-250、Y Y D L S-3 0 0、Y Y D L S3 5 0、Y Y D L S40 0 等系列立环高梯度强磁磁选机，均基于上述设计路线，结构科学，磁极气隙中心强度理论计算可以达到1.5 T(15000GS)以上。励磁线圈由传统的铝管或铜管绕制，间接油冷改进为采用空心铜管绕制，匝与匝之间用环氧树脂填充固定，自来水从管子的一端流入另一端流出，冷却水贴着铜管内壁流动，带走线圈产生的热量。此外，水位、水温均采用智能监控，具有先进的故障诊断和远程控制系统，实现了设备的智能化运行控制。3磁路设计立高梯度强磁磁选机的磁场是由磁性介质（如介质棒），在背景磁场中磁化后，其表面产生较高的梯度磁场，对进人磁选机的磁性细微颗粒物产生吸附作用，将其直接吸附在介质盒的表面。最后通过强大的水流将磁性细微颗粒物冲走，进人下面的精矿斗。高效立环高梯度强磁磁选机的介质棒进行了搓齿棒处理，搓齿后的介质棒表面凹凸起伏，形成了很多尖角，有利于磁力线的集中。采用ANSYS有限元分析搓齿棒与圆柱棒的表面磁场差异。分析时为建模方便，将搓齿棒放在已知磁场强度为1.5 T的均匀磁场中。磁矢量方向沿Y轴，并垂直于搓齿棒。放人搓齿棒之后的磁场分布见图5，加人圆形棒后磁场分布见图6。对比图5、图6，搓齿后介质棒周围的磁场强度明显高于没有搓齿的圆形介质棒周围的磁场强度。搓齿后介质棒的最高磁场强度可达3.15 T（3 15 0 0 G S），而没有搓齿的圆形介质棒的最高磁场只有2.5 8 T（2 5 8 0 0 C S）。搓齿后介质棒周围的磁场强度明显增加，且梯度db/dy变化值也明显增加；而2023No9(设备管理与维修设计研究32张编辑韵ANSYS11.0MAY24201012:29:51NODALSOLUTIONSTEP=2S.UB=1TIME=2BSUM(AVG)RSYS=OPowerGraphicsEFACET-1AVRES=Mat0.008mSMN=.343059SMX=3.148.3430590.006m.654726.9663921.2781.591.9012.2132.5252.8363.148图5加入搓齿棒后磁场分布NSYSNODALBOLUTIO252010BTEP=213:25:42BUB=1TIME=2BSUM(AVG)R.SY9=OSMN=.235276SMX=2.573.23527.6.7547641.2741.7942.313.495021.0151.5342.0532.5.73caculate conventionalmagnet图6加入圆形棒后磁场分布没有搓齿的圆形介质棒的磁场强度增加较小，且梯度db/dy变化也不明显。这是因为搓齿后介质棒的表面形成了凹凸状，并产生很多的尖角，磁化后尖角附近磁力线聚集，使局部磁场增大。其次是磁介质材料的影响，介质盒的导磁介质棒由原来的0Cr12或1Cr15导磁不锈钢改为导磁性能更高的材料，大大提高了磁介质表面的磁场强度和磁场梯度，从而提高了磁介质对弱磁性物质的捕获能力。导磁不锈钢的磁饱和是110 0 0 CS，最高梯度也不超过16 0 0 0 GS，而高励磁性能的材料磁饱和可达2 3 0 0 0 GS，最高梯度可达到3 2 0 0 0 GS以上。4液位自动平衡控制系统维持矿浆液面高度是使高频振动充分发挥作用、保证良好分选效果的关键因素。矿浆液位的控制通过在液位箱设置液位传感器监测，控制电磁阀自动补矿。当矿浆液位过低时，液位压力传感器给出信号，电磁阀自动启动，开始补矿；液位达到设定时，电磁阀自动复位，停止补矿。当矿浆液位过高时，矿浆从液流管流入尾矿池的同时，液位传感器给出信号，报警器报警提示操作人员处理；当给矿量有0 10%的波动时，磁选机可以靠本身的自我调节能力稳定液位。如果给矿量的波动很大，用户应在给矿前面安装恒压箱，让多余的矿浆回流到原矿池，保证磁选机给矿量的波动小于10%。矿浆液位长期维持在设定范围，可以保证稳定的精矿品位和高回收率。5磁选机分选试验在高梯度磁选机中，矿物处在背景磁场与梯度磁场的叠加表3、表4。从上述试验结果可以看出，对于细粒级的矿物，在不增加背景磁场强度的前提下，介质棒的表面经过搓齿处理，磁选介质就能更好地回收精矿。6结论高效立环脉动高梯度磁选机磁路设计具有背景磁场大、介质梯度磁场大、自动化程度高的优磁场之中，当不改变激磁电流，即不改变背景磁场的大小时，在能耗基本不变的前提下，对立环高梯度强磁磁选机的介质棒进行搓齿处理，使其表面形成凹凸不平，增加其周围的磁场强度，能有效的提高矿物的回收率和生产效率。试验采用海南联合矿业有限公司经过弱磁磁选后的尾矿，该样品构成以赤铁矿为主，此外还有少量的磁铁矿和硫铁矿，全铁品位为42.6 7%。在其他磁选条件基本不变的前提下，采用搓齿棒与圆棒磁介质进行对比试验，磁选试验结果见表2。对搓齿棒与圆棒的精矿进行粒级分析，分析结果见表2搓齿棒与圆棒磁介质对比试验结果项目圆棒搓齿棒给矿品位42.6742.67精矿品位60.2960.16尾矿品位26.4522.15产率47.9353.98回收率67.7276.11表3圆棒介质精矿粒级分布质量分布率/%金属分布率/%粒级质量/gTFe/%个别累计个别累计+0.27072.3853.141.511.511.511.51-0.270+0.150286.6557.655.987.495.987.490.150+0.106715.6657.8514.9322.4214.9322.42-0.106+0.075782.2960.2116.3238.7416.3238.74-0.075+0.058937.6061.63 19.5658.319.5658.3-0.058+0.048916.0361.9819.1177.4119.1177.41-0.048+0.038791.4061.01 16.5193.9216.5193.92-0.038291.4459.216.081006.08100表4搓齿棒介质精矿粒级分布质量分布率/%金属分布率/%粒级质量/gTFe/%个别累计个别累计+0.27071.2653.041.321.321.161.16-0.270+0.150251.057.574.655.974.455.61-0.150+0.106713.6357.3813.2219.1912.6118.22-0.106+0.075870.1860.1116.1235.3116.1134.33-0.075+0.0581088.2661.3820.1655.4720.5754.89-0.058+0.0481082.3261.5520.0575.5220.5175.41-0.048+0.038933.8761.0317.3092.8217.5592.95-0.038387.5959.047.181007.05100点。YYDLS系列立环高梯度强磁磁选机可用于对铁矿石、褐铁矿、黑钨矿、锰矿、赤泥、长石、高岭土等矿物质的纯度提高。由于采用自动化控制电路、水位、水温以及介质棒的搓齿工艺，大大提高了立环高梯度强磁磁选机工作效率，节能减排，是一种用于弱磁性矿物分选现阶段的高效磁选设备。