磁流体静力分选机毕业设计.docx

1磁流体
在液体状态下，分子的磁矩按铁磁性排列从而产生内在的液态铁磁性。但现在只能制出这样的磁性液体，即单铁畴磁性颗粒的胶状悬浮液。它们由众多的纳米级铁磁性或亚铁磁性颗粒借助表面活性剂高度弥散于液态载液中而构成的一种高稳定性的胶体溶液。这种纳米磁性液体又称磁流体，它兼有液体和磁性材料的双重性质，即使在重力、离心力或强磁场的作用下也不会产生分离现象，是目前尖端的纳米科技技术之一。自从上个世纪六十年代诞生以来，经过数十年的研究发展，磁流体获得了广泛应用。
1.1磁流体的组成

磁流体的组成如图1所示，它是一种固液相混的二相流体，由三部分组成：磁性分散相（磁性粒子）、表面活性剂和基载液。
可用于制备磁流体的磁性材料通常有Fe3O4、γ-Fe2O3、MnFe2O4、Ni、Co、Fe、NiFe和FeCo合金等，目前常用的为Fe3O4粉末。磁性粒子不是分子，是粒度很小的微粒，因为直径很小，磁性粒子在基载液中作布朗运动，获取动能，悬浮于基载液中。如图中所示，磁流体中使用的磁性颗粒只有纳米级尺寸，具有单磁畴结构。
磁流体的基载液应满足这样一些条件：低黏度、低蒸发率和高度化学稳定性，以及具有抗辐射和耐高温特性等。基液是否导电等性能直接决定着磁性流体的应用，
一般为非导电性液体，如煤油、水、脂类等，也可以是导电的液态金属水银。基液不同，磁流体的特性有很大区别。
表面活性剂也叫分散剂、稳定剂或表面图层。活性剂的主要作用是防止磁性颗粒
聚沉。基载液不同，所用的表面活性剂可能不同，比如水作为载液时，常用的活性剂为不饱和脂肪酸（如油酸、亚油酸、亚麻酸）以及它们衍生物的盐类及皂类；当用脂及二脂精制合成油作为载液，油酸、亚油酸、亚麻酸或相应的酸脂如磷酸二脂及其他非离子型表面活性剂可以作为活性剂。
1.2磁流体的制备方法
1.2.1共沉淀法
铁盐和亚铁盐的水溶液发生反应，生成磁性Fe3O3固体粒子，化学反应方程式如下：
Fe2++2Fe3++8OH-→Fe3O4+4H2O
如此形成的Fe3O3超微粒子吸附着油酸离子水洗脱水，分散于二甲苯等基液中，即可生成磁性液体。这种方法提供较之其他制备方法的基本优点，生产效率高，反应速度快，适合于自动化、机械化，可以被工业生产所采纳。以铁磁矿Fe3O3作磁性粒子，选择不同的基液，可以做成各种基液的磁流体。
1.2.2粉碎法
将分散质和表面活性剂与基液放到一起，在球磨机上进行长时间的研磨，然后通过过滤或离心分离出粗粒子而制得磁流体。
1.2.3火花电蚀法
把金属电极插入液体，在液体中放电，电极金属以胶体粒子形态进入液体中。火花放电是使电极金属蒸发，在液体中极冷成为超微粒子，从而制成磁流体。
紫外线分解法
用紫外线取代热分解分解有机金属，制成金属超微粒子，形成磁流体。将浓度为116mmol/L、30mL碳基镍Ni(CO)4在氮气保护下转移到反应器皿的密封系统中，加入浓度为2.33mmol/Lmanox-OT2.06g及30mL甲苯组成的溶液放置在距高压汞灯3cm左右处，搅拌并通以冷空气流，温度保持在四十摄氏度左右，经过八小时照射，用低速氮气流将CO带走，加快搅拌，增加透光性并不断抽去甲苯，制成含镍的磁流体。
1.2.4热分解法
热分解化学上不稳定的有机金属，析出金属单质，这时，析出的金属超微粒子分散于基液中，做成磁流体。
除了以上介绍的几种方法外，还有阴离子交换树脂法、氢还原法和真空蒸发法等磁流体制备方法。
1.3磁流体的特性
1.3.1磁流体的粘度
粘度是磁流体的一个重要参数，磁流体的粘度与基液的粘度、磁性颗粒的粒度分布与含量、表面活性剂、磁场强度和温度有关。
胶体粘度随粒子含量的增加而增加。
在低浓度时，磁流体的粘度用著名的爱因斯坦公式描述为：
η=η0(1+5∅/2)
式中η为磁流体的动力学粘度； η0为基液的动力学粘度；∅为固磁性颗粒的体积浓度。
高浓度时，磁流体的粘度可用下面的公式描述：
η=η0(1-∅/2)-5/2
η=η0exp⁡[(2.5∅+2.7∅2)/1-0.609∅
上式是Vand在20世纪40年代考虑流体动力学的粒子间相互作用而建立的，通常被称为Vand公式。
由于磁性粒子的存在，磁流体的粘度比基液的粘度大得多。因为磁流体的磁化强度随磁性粒子浓度的增加而增加。故当基液一定时，磁流体的粘度随饱和磁化强度变化而变化。对于Fe3O4磁流体，饱和磁化强度小于600Gs时，粘度与饱和磁化强度基本成线性关系。当饱和磁化强度继续增加，粘度将非线性地急剧增加，所以，磁流体的饱和磁化强度受粘度的限制。
在外加磁场作用下，随着磁场强度的增加，磁流体的粘度也增加。此时，磁流体的粘度可表示为：
ηH=ηS+1.5∅∅hF(ξ,Ω,τb)sin2α
式中，ηH为磁流体在磁场作用下的粘度；ηS为无磁场作用时的粘度；ξ=MH/kT，H为磁场强度，M为磁化强度；Ω为磁流体的回转角度；τb为磁性颗粒回转布朗运动的缓和时间。
从上式可以看出，磁流体的粘度除了与外加磁场强度大小有关，还受磁场方向的影响。图2、图3分别表明磁场强度与方向对磁流体粘度的影响。

磁流体的粘度与温度的关系首先是由基液的性质确定的。实验表明，对∅S<0.03的低浓度磁流体，温度关系起决定作用。对浓缩的磁流体，比如用真空油为基液的磁流体，它的有效粘度对温度的依赖性比基液的粘度要强些，这与浓缩液体的结构特性有关。一般情况，磁流体的粘度随温度升高而减小（图4），这是由于随温度升高，磁流体中磁性颗粒的布朗运动加剧，使得磁流体基液和磁性颗粒之间的运动速度差距逐渐降低从而粘度降低。电导性磁流体具有相反的粘度与温度的关系。以水银为基液的磁流体是结构化了的系统，它的粘度是由结构数目及其相互间作用的特性决定的。实验数据说明，那种用铋稳定化的磁流体的粘度随温度的增加而增加。原因是铋使得凝结结构失效，因为其相互间作用的增加会导致额外的能量损失。

1.3.2磁流体的密度
磁流体的密度是磁流体的重要性质之一。它不仅是磁流体应用当中的重要数据，而且能用它来计算出磁流体中磁性粒子的含量，还能用它将单位重量的饱和磁化强度换算成常用的单位体积的饱和磁化强度。磁流体密度的测量才采用比重法。
如果可以认为磁流体的体积是其各组分体积的和，就可以将磁流体的密度写成下式：
ρ=ρS∅S+ρa∅h-∅S+ρc1-∅h
式中，ρS、ρa和ρc分别为磁性粒子、表面活性剂和基液的密度。当已知粒子的流体动力学浓度时，上式可用来确定固体相的含量。
密度随磁场变化特性。当磁流体处于静止状态并对其施加磁场，则置于磁流体中的非磁性物体所受到的浮力变为：
F=(ρ-μ0MgdHdZ)∙g∙V
式中，μ0表示磁流体的磁导率；dH/dZ为磁场梯度；M为磁流体的磁化强度；V表示物体进入磁流体中的体积。
如令ρ’=ρ-μ0MgdHdZ，则上式可表示成F=ρ’∙g∙V，此式说明磁流体在外磁场作用下，密度ρ’（又称视密度）发生了变化，因此也改变了磁流体中物体所受的浮力。
1.3.3磁化特性
磁流体是完美的软磁物质，对它施加磁场时，超微粒子被磁化，呈现出强磁性，当外加磁场减小到零时，能够迅速去磁，且无磁滞现象，呈现出超顺磁的磁化特性。其磁化强度曲线不像铁磁体那样呈磁滞回线，而是一条和原曲线对称的S型曲线（图5）。这种无磁滞的磁化强度曲线是超顺磁物质所特有的，它表明在一定的可实现的磁场条件下，铁磁性颗粒可以达到饱和。

图6给出了三种类型的磁流体（水基、碳氢基和酯基）磁场强度与导磁率两者之间的关系。由此可见，对于磁流体静力分选机，磁场空间的体积可以增大而不会影响斥力，同时电磁系的能耗下降，还可以使用永磁磁铁。

磁流体的磁性是取决于磁流体中细粒分散的铁磁性颗粒的。磁性超微粒为超磁性物质，有外加磁场作用时，分子磁矩定向排列对外显磁性，随磁场强度增加而曾加，最后达到饱和，当外加磁场消失，磁性粒子立即退磁，几乎没有磁滞现象。磁性粒子悬浮于基液中使之具有磁性，磁化特征于磁性粒子相似。磁流体的磁化特性是其最重要的性质，是磁流体被用作密封材料、润滑材料、控制液的基础。磁流体具备液体的流动性，对磁场敏感，从而可被磁场以任意形状约束在特定的地方。
1.3.4蒸发特性
通常用蒸发率或饱和蒸气压来表示磁流体的蒸发速度。压强一定时，温度高，则蒸发量就大；相同温度时，饱和蒸气压高的磁流体蒸发量大。
1.3.5磁热效应
当磁场强度改变时，磁流体的温度也改变。即当磁流体进入较高磁场强度空间时，磁流体被加热；而当磁流体离开磁场空间时，磁流体被冷却。磁场强度的升高可加热磁流体。
热磁对流
将磁流体置于温度场和磁场下，由于温差的存在，磁流体的磁化强度存在差别，因而受力就不平衡。温度低处，磁流体的磁化强度大，受磁场的作用力也较大。因此磁流体在磁场作用力和流体的浮升力的共同作用下而流动。热磁对流比自然对流作用要大得多。
1.4磁流体的应用
1.4.1磁性液体研磨
磁性液体研磨是利用磁性液体本身所具有的液体流动性和磁性材料的磁性来保持磨粒与工件之间产生的相对运动，从而达到研磨工件的精加工方法。它的特点是，加工精度很高，表面质量好，不会在加工表面形成新的加工变质层，容易保证零件的机械物理性能，研磨效率和研磨精度容易控制，适用加工材料面宽，不但适合于研磨平面，而且适合于球面和其他复杂形状零件表面的研磨加工。按其原理可以分为磁浮置研磨、分离式研磨和堆积研磨。

1.4.2磁流体润滑
磁流体是一种新型的润滑剂，它可利用外加磁场使磁性液体保持在润滑部位，在润滑过程中可以抵消重力和向心力等，也不泄漏，并可防止外界污染。
磁流体润滑除具有一般滑动轴承的特点（承载能力大、抗震性能好、使用寿命长等）外，它还不存在端泄，因而不需要供应系统，这是普通滑动轴承所不具备的。用于润滑的磁流体的粘度比较大，承载能力高，但粘度大引起发热问题严重。
1.4.3磁流体阻尼器
磁流体阻尼器的形式很多。一种惯性阻尼器是在一个非磁性的轻金属的壳体内，放置一块较重的永磁体，在壳体内充满磁性液体。于是永久磁体就悬浮于磁流体中，其原理和磁流体浮沉分离是一样的，但磁场是由永磁体自身提供的。若壳体做往返振动或旋转，阻尼器则产生阻尼作用。其阻尼的来源是永磁体的惯性和磁性液体的粘度。另一种阻尼器的形式是在高速旋转的轴的支承系统中将磁流体用于挤压膜减震中。这时的挤压膜不需要不断补充工作介质，如果磁场强度足够大，则不仅磁流体的粘性对挤压膜有益，而且在高磁场梯度在磁流体的浮力也将起到一定作用。所以这种磁流体的挤压摸减振比普通磁性液体的要好。
1.4.4热学上的应用
利用磁流体的磁化强度随温度变化的规律，可制成测量温度的传感器。用磁流体可制成柔性顺性很好的传感头，特别是测量凹凸不平表面的温度时，这种传感器能更好的与被测表面贴合。在热学上的另一种有前途的应用是利用绝热去磁致冷的原理，将磁流体作为致冷设备的冷却剂使用，可以起到像氟利昂这类冷却剂的效果，但对环境友好。
1.4.5磁流体用于选矿分离
利用磁流体的表观密度随外磁场的变化而变化的特点，可以来筛选相对密度不同的非磁性矿物。相对密度差别在百分之十左右的矿物可用此技术较好的分离，一般采用水基磁流体，这样可以循环重复使用。采用这项新技术利用清洁的磁选法可以回收重选精矿中的金，生产过程不使用汞，与汞技术相比，它的金回收率较高。
1.4.6光学上的应用
利用磁流体薄膜（厚度在10-2mm级）可以透光以及它在外磁场中的化学各向异性性质可制成光学偏振器，这种偏振器比普通偏振器得到的偏振光纯粹得多，并且只需要改变外磁场方向，就可以改变偏振面的方位。
将磁流体薄膜制成的波晶片、起偏器和检偏器，就可以组成高频光闸，这种光闸的开关频率可达每秒107次，这显然不是任何具有惯性的机械光闸可以相比的。而且与其它液体光闸相比，它的透光性程度要高得多，同样光强的入射光，从磁流体透出的光强比一般液体波晶片透出的要高出好几个数量级。这种高光速闸在光通讯、光测距、高速摄影等方面有很大用处。
1.47磁流体密封
磁流体的密封原理如图8所示（动密封）。由永久磁铁②在磁路中产生的强磁场梯度将磁流体③保持在密封间隙中形成O形密封环。

磁流体密封的主要优点有：（1）可以做到零泄漏，只要存在完整的密封环，就能实现完全隔离，不需要维护；（2）磁流体密封是摩擦力最小的密封方式，对旋转运动表面的密封有很好的适应性，由于磁流体内的磁性颗粒为纳米级，不会对轴有磨损，所以摩擦功耗极低；（3）不需要预紧力，从而避免了装配时由于密封预紧力而造成的变形，这对精密的机械是重要的。
由于磁流体密封的上述特点，它被广泛地应用于真空罐、真空泵、高级仪器仪表及严禁泄漏的密封中。但由于磁流体与液体接触是具有界面不稳定现象，因此应用磁流体密封液体仍在试验研究中。

2磁流体浮沉分选
2.1磁流体浮沉分选概述
对磁流体静力分选（MHS）和磁流体动力分选的系统研究是Bunin和Andres在1962年开始的。其后有关磁流体静力分选的研究主要在美国和苏联进行。磁流体静力分选和动力分选的一些技术因素已经查明，并研制出几种有效的分选设备。实验室规模和半工业规模的设备已投入运行，可分选包括煤、铁、锰矿、金刚石、有色金属废料、金、铂矿石和塑料等在内的各种物料。目前，人们的兴趣主要集中在改进水基磁流体，设计经济有效的工业型磁流体静力分选机。
在磁流体静力分选中，被分选颗粒被搅拌在磁流体中，作用于磁流体的强磁场梯度，对磁流体产生了选择性的牵引力，就样就给被分选颗粒提供了与磁场力方向相反的浮力。假如这力可以克服作用于被选颗粒的其它力，即可实现分选。传统的重力分选设备利用颗粒不同的沉降速度或不同的加速度实现不同比重颗粒的分离，而磁流体静力分选在机理上可以将颗粒彻底分开，而不考虑颗粒的形状、大小和粒度分布，这是因为颗粒是在相反的方向上移动的。
2.2磁流体静力分选的各种选别方法
第一种方法也是最常用的方法是在两磁极头间放入装满磁流体的分选槽，因为梯度磁场的作用，磁流体的视密度将根据磁场的分布分层，也就说是矿粒会选择悬浮在与自身密度相同的磁流体中，通过一定的设备将这些不同层面上的矿粒分别取出，达到分选的目的。
M.S.Watgor等研究了一种磁流体分选称为MC分选法。该法分选原理是待分选的颗粒与磁流体一起调制成矿浆，然后给入分选器中，在分选器内物料受到离心力和“磁浮力（径向）”的联合作用下，密度小的颗粒向内运动，而密度大的颗粒向外运动，从而实现按密度分选物料。由于离心力远大于重力，所以该法较一般方法分选过程快，分选精度高，物料的密度差在0.3克/厘米3仍能有效分离；适用范围广，密度为1.5~21克/厘米3的物料均可分选。根据该法制造的分选机已在地质和矿业部门得到应用。
MHSJS分选法是根据磁流体的特点，利用周期性变化的背影磁场，使磁流体的磁浮力产生周期性的变化，位于磁流体中的颗粒，由于受到变化的磁浮力作用，而产生垂直方向的振动，并在振动中实现不同密度的矿物之间相互分离。MHSJS分选机由磁系、接矿槽、分选槽、磁流体循环管路和电源等部件组成。整机无机械运动部件，磨损小，结构简单，操作方便。MHSJS分选克服了磁流体静力分选的缺点，提高了物料的松散程度，从而减小了机械夹杂；并使分选过程更多地取决于物料的密度和磁化系数，提高了物料的分选效率，尤其是细粒矿物的分选效率。

H.Fay等提出高梯度原理与磁流体静力相结合的分选方法。该法分选原理是在均匀的背影磁场中，安放铁磁性棒栅，使原磁场垂直于棒的轴线。另一种则使用永久磁铁制成磁栅极板，S极和N极交替平行排列，在棒的两端加垫永磁铁氧体，整个栅极可以转动到所需的角度。每一栅极板组成一个分选箱，各分选箱可根据需要任意组合成串联或并联分选流程。这种方法的特点是机械结构简单，处理量大，经一次分选就可达到很高的精度。
I.J.Lin等研究了一种用磁流体旋流器分选矿粒的选矿方法。该项技术是基于离心力原理和磁流体静力分选原理的结合，在旋流器中利用磁流体作分选介质来分选
抗磁性物料的选矿方法。该种方法克服了磁流体静力分选不能处理100微米以下粒级的缺点，即它可以分选细粒级矿物，该法还具有处理量大的优点。磁流体旋流器已应用与重选和重介质分选工艺的沉浮性能研究。

本设计即根据第一种分选方法设计静力浮沉分选设备。
2.3磁流体静力分选原理
把磁流体置于一个高梯度磁场中，在磁流体的强磁性和液体的流动性作用下，形成稳定的浓度梯度。当待分选的非磁性（或弱磁性）的颗粒进入到有浓度梯度的磁流体中后，由于各自的密度、磁化系数的不同，颗粒就会在重力与磁浮力的共同作用下进行分离，它们将悬浮于磁流体的不同位置，然后以适当的方式分别提取，这样就形成了磁流体静力分选。
颗粒受力分析。在非均匀的磁场中，如楔形磁场，如图9，并在磁流体中，静止的颗粒在垂直方向上将受到四个力的作用。

a颗粒在重力场中受力，方向垂直向下；
fg=ρvg
ρ—颗粒密度，kg/m3
v—颗粒体积，m3
b介质浮力，方向垂直向上；
ff=ρ0vg
ρ0—磁流体密度，kg/m3
c磁性颗粒在磁场中受磁力，方向垂直向下；
fm=kvHgradH
k—颗粒磁化率，常数
H—背影磁场强度，A/m
gradH—磁场梯度，A/m2
d顺磁性液体受磁力作用，对颗粒有磁浮力，方向垂直向上；
fe=k0vHgradH
k0—磁流体的磁化率，纯数
处于这种外加非均匀磁场的磁流体中，颗粒所受到的作用力为：
F=（fm+ fg）-（ff+ fe）
=V（k-k0）HgradH+V（ρ-ρ0）g
当F>0时，颗粒下沉；f<0时，颗粒上浮；F=0时颗粒将处于临界状态，则
HgradH=（ρ-ρ0）g/（k0-k） （2-1）
式中，左边由磁场决定，它是位置函数，当被分选矿物为非磁性物质时，物料在液体中仅仅按密度分层；当分选矿粒为弱磁性物质时，将同时按密度和磁化率分层。
或从Rosensweig提出的磁流体Bernoulli方程出发：
p+ρ02v2+ρ0gZ-14π0HmdH=c
对磁流体的Bernoulli方程进行微分并整理得：
-dpdZ=ρg-m4πdHdZ
式中p—压强，pa
m—磁流体各点磁化强度，A/m
v—速度，m/s
c—常数
ρ0g等效重力场中的浮力ff
m4πdHdZ等效因磁场梯度作用而产生的磁浮力fe
非磁性颗粒所受合力为
F=vρ-ρ0g-m4πdHdZ （2-2）
非磁性颗粒在垂直方向上的受力分析就是磁流体实现分选的原理。
当球状颗粒沉降时，受介质阻力fs和加速度惯性阻力fa作用。
fs=φd2v2ρ0，方向垂直向上
fa=vζρ0dvdt，方向垂直向上
d—矿粒直径，m
φ—阻力系数，纯数
ζ—质量联合系数，纯数
2.4磁流体静力分离装置的发展
国家或机构
年份
分选机的主要特征与发展
美国AVCO公司
1973
第一台试验用磁性液体静力分离装置
美国内政部矿务局
1973
等浮力（等视密度）磁性液体静力分离装置
日本
1974
用楔形电磁铁磁极的磁性液体静力分选装置
日本东北大学
1980
水基液代替煤油基液的永磁体磁流体静力分离机
前苏联
1981
ΦΓC系列磁流体静力分离装置

高梯度磁流体静力分选机
磁流体静力分离装置在我国的发展
机构
年份
分选机的主要特征与发展

1975
用于单矿粉分选的CYY-2型磁流体静力分选机

1979
用于精选细粒级金刚石专用的磁流体静力分选机
长春地质学院
1987
YCY-87型磁流体金精选仪及配套的磁选机
长春地质学院和长春黄金研究所
1993
PM-93型（永磁）磁流体单矿物精选仪
2.5典型磁流体静力分选机介绍
美国俄亥俄州AVCO公司研制出一种半工业设备，其结构简图10。处理量接近2t/h，分选的初产品粒度为2.5—25mm，分离的产物密度达104kg/m3，其外形尺寸为：长1025mm，宽730mm，高1760mm；重量为2100Kg。该设备由皮带将给料送至磁极间隙，分离的浮、沉物份别由特制的刮板刮出。

美国NASA研制的半工业型磁流体静力分选机的结构如图11所示，该设备用于从超顺磁性悬浮液中分选出非磁性金属尾矿，其处理量为1t/h。通过运转于磁流体中的运输装置，实现物料的给入与排出。为了回收粘附在产品上的磁流体，产品用庚烷清洗，然后蒸馏庚烷回收磁流体。

美国矿山局建造一座能间断分选废汽车碎片的工厂。废汽车碎片粒度为6.5到50毫米，含锌48%、铝39%、铜和黄铜7%、非金属4%、铅、高级合金钢及绝缘铜线低于1%。如图12所示为该厂试验装置，A、B两运输系统是不同的。一种是NaSa分选机使用的带式输送机，而另一种是一振动槽作为给矿装置。磁极朝运输机方向倾斜10度，由此形成磁流体的俯斜面，有助于轻产品的运送，产出一种铝产品时，处理能力可达2t/h，回收率为99.2%。

苏联中央锡业科学研究院研制的FGS—1型分选机采用双曲面磁极，磁场梯度是恒定的，设备供分析使用，处理能力为50kg/h。
日立公司自1973年以来研制了一种类似NaSa分选机的设备。值得注意的是有两种不同的给矿方法。第一种类型的分选机可称作浮起式分选机，有下部运输机给矿，次运输机通过磁流体，在分选机的末端排出重产品。第二种分选机被称为沉下式分选机，在分选机的中间部位向磁流体中给矿。第二分选机的优点是：上部运输带的刮板直接在磁流体中运行，所以结构较经济、紧凑。用通常的6~30毫米粒级，可以达到最大的生产能力500kg/h。运输机皮带速度为2~8米/分。
J.Shioiizaka分选槽
图15是由J.Shimoiizaka等人提出的磁流体分选装置。分选区域呈倒梯形，上宽130毫米，底部宽50毫米，高度150毫米，纵向深度150毫米。该装置有两组磁体，一组是用钐—钴合金磁体（其剩磁磁感应强度Br=7.8+8.47高斯，矫顽力H0=7.2+8.2千奥）作磁源，每块磁体为40×123×136毫米，两块磁体相对排列，向上开口30°夹角，形成楔形磁场。磁体工作点的磁感应强度约为4.6千高斯。第二组分离器是用锶铁氧体作为磁源的。侧视图中的阴影部分相当于磁体空气隙，物料将在这个区域中被分离。该装置的两组分离器分别能够产生3.5克/厘米3和10克/厘米3的视在密度。预计每天的通过能力相当于从500辆汽车垃圾中分选有色金属碎块的数量。故可认为该装置已具有实用的意义。

磁流体静力分选的现实意义
目前已有许多利用磁流体分选矿物的方法。大多数分选方法是介质密度分选。此法的应用可分为四个方面：
a在定量研究粒级组成时物料的粒级分析。例如快速分析仪。
b用密度法进行产品质量控制。例如超硬合金制成的刀片的质量决定于刀片的密度。此类分选机可用于控制刀片的密度，已在工业上使用8年以上。
c把汽车废料、电缆废料等分离成供熔炼成标准质量的金属和合金产品。由铜、锌、铅、铝和锡组成的废料混合物可分离成单独的金属；由铝合金废物组成的废料混合物可分离成Ag—Mg，Al—Cu—Si，Al—Zn合金。许多文献都介绍过这种分选机的设计与性能（如上述NaSa与AVCO分选机）。
d磁流体分选机的另一种应用是从砂金中提取单体金。这种分选机的性能最高的达到：生产能力为1吨/h，提金率为98.5%，杂质近于零。推荐的精矿加工法在生态上是纯净的，避免使用水银，提金率比现有的其他方法高。
在现有的分选设备中，尽管由有些分离的规模相对来说已经较大，，但实现更大处理量的工业应用将更具吸引力。根据该技术进行的分选将受益于日新月异的超导磁系技术。实际上，已经设计并制造出了多种形式的用于实验室，以及半工业生产的磁流体静力分选机。还研究出一些简单而经济的生产磁流体静力分选机使用的磁流体的方法。在生产条件下进行磁流体静力分选以及使用磁流体的经验，将使该技术有可能进入工业应用领域。

3整体设计
3.1问题与探讨
3.1.1颗粒横向运动
颗粒运动的流体力学特性是研究磁流体分选技术首先要解决的问题，建立一个最佳的颗粒在流体中受力力学模型，是设计合理的分选装置结构的基础，是提高分选效果的必要途径。这实际上可从磁系和选别方式上着手，对于实机设计，考虑颗粒主要的受力，并使得所用选别方式能够针对这种简化的受力模型具有最有效的分选效果。
在磁极形状方面，楔形磁极具有加工容易，成本低，工作空间大（相对来说，而实际上，对于磁流体静力分选，分选空间小是限制其使用的最大障碍）磁场梯度高，能浮其大密度的物料等优点，估计为今后工业用磁流体静力分离装置所选用的主要磁极形状；双曲线形磁极和等浮力磁极（双曲线一种）虽然加工困难、成本高，但它具有分选精度高，能分选小密度差的物料，甚至能够同时分离多种不同物料（尚无实机模型）等优点，故也具有很大的应用潜力。对于这两种实际可行的磁系结构，或是磁场空间，可以简单的认为它只产生对颗粒的一个方向上的作用力（即上文中磁浮力），尽管等浮力面是一组不规则的空间曲面，但只要采取合适的分选装置结构与选别方式，这一点对分选效果的影响是可以避免的。
在选别方式方面，依靠重力或其分离来进排物料被认为是大有希望的选别方式方法。它具有设备简单，操作容易，成本低，耗能小等特点。但关键在于如何用简单的方法从中部送料，以获得更高的分选精度和回收率。所谓中部给料，是指在磁流体中从磁场空间的中部将物料颗粒给入分选空间，上文中日立公司的两种磁流体分选机即分别采取底部给料和中部给料，参看图14；而美国矿山局研制的分选机则属上部给料，参看图12。考虑重力给料与排料，首先考虑颗粒的横向移动（连续工作机），在已有的磁流体静力分选机中，有四种方法保证颗粒在磁流体中的横向移动。一种是使用重力的分力，这种方法中，浮力的方向主要向上，但等浮力面是倾斜的，在重力作用下，轻颗粒沿等浮力面滑移，而重颗粒则下沉，如日本东北大学研制的水基磁流体分选机（上部给料），这中方法颗粒运动速度慢，分选能力较低。第二种是利用磁力的分力，这中方法是将磁极对沿长度方向倾斜一定的角度，这样，磁浮力与垂直方向有一个夹角，即有水平方向的分力，推动颗粒水平移动，如美国矿山局研制的分选机，也见诸于国内发表的文章中所介绍的其研制的分选机上，这中方法的优点是工作状况稳定，但损失分选力（垂直分量），磁隙空间与分选槽不易布置。第三种，也是最普遍的，即利用机械结构强制颗粒的横向移动，但所用机械结构多为特制的刮板，结构复杂，精度要求高。第四种是利用液体的流动带动悬浮颗粒的运动，这种方法用于分选调制好的矿浆。在一些文献中，还提到可以利用输送机给矿粒一定的初速度从而完成矿粒在分选空间中的水平运动。利用重力的选别方式是指通过重力将密度不同的物质颗粒分开，主要区别于利用离心力的选别方法，利用离心力的选别方式如前文提到的MC分选法、磁流体旋流器。为提高分选机分选能力，作为浮沉分选应当尽量减小颗粒在分选区中垂直方向上的运动时间并保证合理的颗粒运动轨迹，从而不影响分选的精度，对于前一点的考虑，应优先考虑中部给料的方式，并应该使颗粒在进入分选区前提前得到浸润；对于后一点的考虑，应该保证密度大的颗粒自由沉降，而不是被刮出。
3.1.2颗粒间作用力
研究表明，在磁场作用下处于磁流体介质的非磁性颗粒之间存在着相互作用力，在平行于磁场方向上存在着相互引力，而在垂直于磁场方向上存在着相互斥力。此种力的存在影响了分离效果，特别是对细粒级物料。当颗粒粒度小于某一数值时，轻重物料颗粒间的重力差就不足以克服它们之间的引力，因而也就不能分离。在设计分选机时，要确定适合所选分选方式的分选粒度范围，同时可以考虑在分选区中局部地方加以一定的搅动作用（注：磁流体视在密度的分布是磁场空间的位置函数，而不是磁流体质点的函数），加快颗粒间的分离。
3.1.3磁流体约束
在采用重力分选方式的磁流体静力分选机中对磁流体的约束方式有两种，一种是由磁极围定，如NaSa分选机，图11，给料运输机传送沉下的重产品至分选带的一端，浮起的轻产品由分选机中上部输送带底部绞连物（刮板）排出。因为磁流体由磁极围定，运输装置可直接通过分选带驱动，不会有磁流体泄漏现象。另外，AVCO分选机也是种方式的典型之一。另一种就是用筒体盛装磁流体，而将分选后的颗粒从磁流体中分别捞出，如FGS型分选机和J.Shioiizaka分选槽等。
用磁极围定磁流体对磁极形状具有特别的要求，而且分选过程中磁流体的损失是不可避免的，则磁流体的补充对这种方式是要解决的问题之一。另外，从已有的磁流体静力分选机机械结构来看，该种方式的分选机并不比捞取方式的简单。更重要的是，目前使用该种方法的磁流体分选机使用的都是煤油基磁流体，而研究发展的方向是使用水基磁流体。所以本次设计的磁流体分选机采用捞取方式的排料结构。
3.1.4磁场源
用永磁体作为磁流体静力分离装置的磁场源，是今后磁流体静力分离装置发展的必然趋势。永磁体磁场结构简单、体积小、重量轻，不消耗电能。第三代稀土永磁体——钕—铁—硼永磁体的研制成功，高性能永磁体成本的大幅度下降以及数控线切割机的应用，必将使磁流体静力分离装置得到更快的发展。但就目前使用来看，用永磁铁作磁场源的磁流体静力分选多用于试验，尽管也有少数这样的磁流体静力分选机，但处理的也多是低密度的矿物。还有一点是，永磁体磁极形状不像磁极头那样可加工成多种形状。本次设计采用电磁形式，调节电流大小可改变分离密度，如要分选小密度的物质颗粒，可以改用永磁铁磁极。
磁系及磁隙与分选效果密切相关，过大的磁隙较小的磁隙角必然对磁发生装置提出过高的要求。因此，磁隙设计不宜过大。
3.1.5磁流体选择
在磁性液体的选用上，优先考虑水基磁流体，因为它成本低，回收容易，粘度小磁化强度高，在相同视在密度的情况下，所需要的磁场力要比顺磁性盐溶液的低得多。只有在特殊情况（如实验室）下，才可能选用油基及其它基液的磁流体。对实际应用来说，所选用的磁流体应具备以下特点：
a.在所用设备的操作温度范围内具有长期的稳定性；
b.高饱和磁化强度及较大的初始导磁率；
c.粘性小、汽化压力低。
d.施加磁场后，粘度随时间变化尽量小。
根据一些试验分选结果，每吨原矿粘附的水基磁流体大约为15-17升，可用水洗稀释回收，经凝聚—再分散处理后又能继续使用。
3.2结构设计
由上面分析可知，磁场发生装置及分选槽的结构形式直接影响设备生产率与分选精度，用于磁流体静力分选的磁极至今没有大的改观，本设计将针对现有分选槽的不足，综合各种分选槽的特点，在该结构上做出较大的改变。
本设计拟用于分选粒度为1—30mm的有色金属废料或是贵重非磁性矿粒。处理能力为1.5吨/h，折算为0.75m3/h，既可以用于初选，也可用于精选。
分选机由磁系、给料斗、分选筒、产品分离槽、传动装置以及支架构成。分选筒由非磁系材料铝合金板制成，以确保磁力线通过。由磁隙尺寸，筒的外径为150mm，板厚2.5毫米，内装磁流体与螺旋叶片。螺旋叶片将由给料斗给入的颗粒从分选空间中部输送至分选空间。这一过程中让颗粒在液体中充分浸润，缩短分选时间，然后将浮物送至排浮槽，浮物再由排浮变径螺旋送至排料口排出。浮起物在分选空间的运输过程中夹带误浮的高密度物质颗粒被搅动，沉降到螺旋叶片以下的分选空间。同样，误沉的低密度物质颗粒也会从螺旋叶片以下的分选空间浮起，由螺旋叶片带走。而沉物沿槽体流入特制的微型斗式提升机，由提升机提出液面泻出。在分选槽的外围设置机架并安装驱动与传动装置。
3.3密封结构设计
整机的结构分为内外层，内层分选槽，外层机架与驱动、传动装置。分选槽由三部分组成：分选筒、排浮槽和提升机槽体，它们之间的连接用橡胶密封垫片密封。三部分中，在液面以下，只有提升机槽体有为轴支承而切割的孔，因为槽是由2mm厚的钢板焊成，所以采用特殊的密封结构，即由钢制管装零件内夹密封圈通过螺纹夹紧在钢板上。
3.4驱动方案
分选螺旋叶片单独由一个电机通过减速器驱动，而两部分排浮装置由同一电机与减速器驱动（提升机还要经过一级带传动），这是由空间的限制决定的，而且分选螺旋耗能最大，因此这样安排也是合理的。由于传动功率小，两带轮之间有障碍，故选用圆形带，并使用张紧轮起到张紧作用并避开障碍。

4磁系设计
磁流体静力分选机磁系分为非均匀磁极头、磁轭、螺旋线圈三个主要部分，磁系设计重点在磁极头形状、尺寸及磁路计算。
由式（2-1）可以看出，为使该装置可以用于较高精度的工业产品比重分选，而且分离比重容易调节，在磁极形状和磁路计算中需要考虑在尽可能大的范围内提供H·gradH值稳定磁场空间。
计算磁极形状的一般方法是解磁势所满足的拉普拉斯方程，由磁力的具体形式确定一般解中积分常数，从而得到等磁势面方程。现在按矿粒所受磁力的性质（H·grandH）计算磁场的性质，即磁力线方程和等势面方程，计算步骤是：
（1）设Hx是Z的某一函数，求∂HX∂Z，便可得Hx∂HX∂Z；
（2）按静磁场是无旋场，磁场强度分量随坐标变化的关系为：
∂Hx∂Z=∂HZ∂x
由Hx可得HZ，然后按磁力此案方程
dxHx=dZHZ
可求得该磁场的磁力线；
（3）按磁标势和磁场强度关系，
Hx=∂V∂x、HZ=∂V∂Z
由Hx或HZ可求得V。然后令V等于常数K，可求得该磁场的等势面。计算结果如下：
编号
Hx
H∙gradH
磁力线方程
等势面方程
1
CZ
C2Z
±x2∓Z2=a2
Zx=±K
2
CZ1/2
C2/2
±x2∓2Z2=a2
Z1/2x=±K
3
CZ-1/2
- C2/(2Z2)
x2+2Z2=a2
Z-1/2x=±K
4
CZ-1
-C2/Z3
x2+Z2=a2
Z-1x=±K
应用电磁铁产生磁场时，磁力线经过铁芯和磁极间的空气隙成闭合的，沿闭合磁力线磁场强度的环流是相等的。由于铁芯中磁场强度远小于磁极间空气隙中的磁场强度，在铁芯中沿磁力线磁场强度的线积分远小于磁极间隙空气隙中沿磁力线磁场强度的线积分，故沿闭合磁力线磁场强度的环流主要是磁极间空气隙中沿磁力线磁场强度的线积分。因此，磁极间空气隙中沿任一磁力线磁场强度的线积分是相等的，也就是说两磁极的表面是两个等势面。
为了得到所需要的磁场，可把磁场中对称的等势面作为磁极的表面。但是实际应用的磁极不能像等势面那样延伸到无限远，而且只能是一对不接触的磁极。因此实际应用的磁流体只能是等势面的一部分而且两等势面要分开一定距离。这样，磁极表面上磁荷的分布将发生变化，磁极间的磁场也将发生变化，故实际应用的磁极产生的磁场只是近似计算的。
这种可用同一方程写出的等势面磁极形状可分为三种：双曲柱面磁极、楔形磁极以及抛物柱面磁极。
可以看出在上表中第二组数据中H∙gradH与Z无关，即磁浮力不因高度变化而变化。下面讨论这种双曲柱面磁极头和最常用的楔形磁极头。
4.1磁极头的尺寸
方程为Z1/2x=±K的双曲线，在Z值较小时，随Z的变化，x变化较快，然而磁极只是下部空间两对柱面的一部分，虽然上部的磁极对下部磁极间的磁场影响较弱，但下部空间两对磁极的不完整将使磁场发生畸变，尤其是靠近磁力线方程±x2∓2Z2=a2的渐近线的部分影响很大。假定磁极的顶部高出与渐近线交点位置6cm，磁极头高为15cm，为使磁极头中间靠近该渐近线并尽量使两极间距离小，通过计算找出最佳K值。为使形式简单，取空间（Z>0，x>0）的部分计算，K值大小不变。
解方程组Z1/2x=K， x2-2Z2=0
得Z0=22K23
令Z1=Z0-6，Z2=Z1+15=Z0+9
首先K要满足x2≥6（磁极