馮 聰，任曉汾，許國超，張成安，樊民強

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

錐部外部導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)對重介旋流器分選效果的影響

馮 聰，任曉汾，許國超，張成安，樊民強

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

為了調(diào)控重介旋流器二段分選密度以改善分選效果，在其錐部附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)，并施加電磁場，研究了導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)在磁場作用下的旋流器的分選效果，通過考察不同磁場強度，進行介質(zhì)分配試驗和粗煤泥(-3mm)分選試驗。試驗結(jié)果表明，當(dāng)在旋流器錐部的線圈上部附加內(nèi)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)時，同單獨使用線圈相比，在特定的磁場強度下，精煤灰分降低，尾煤灰分升高，提高了分選效率。利用有限元軟件ANSYS對磁系進行模擬分析，模擬結(jié)果表明，附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)可人為改變磁場走向，增大對磁場能量的富集，提高磁場力，從而提高分選效果。

導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)；磁屏蔽；重介旋流器；分選效果；ANSYS

重介質(zhì)分選是一種利用離心力場分選的高效分離設(shè)備，是目前選煤業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種選煤方法[1-3]，具有體積小、無運動部件、分選效率高、處理量大、分選密度調(diào)節(jié)范圍寬、對原煤適應(yīng)性強等優(yōu)點。目前，國內(nèi)廣泛采用三產(chǎn)品重介旋流器，巧妙地利用非均質(zhì)分選介質(zhì)的濃縮現(xiàn)象，以單一密度的懸浮液，同時分選出精煤、中煤以及矸石三種產(chǎn)品，其優(yōu)點顯而易見；但在實際應(yīng)用中，一般很難實現(xiàn)以單一密度的懸浮液既保證精煤分選質(zhì)量，同時又要保證中煤與矸石的分選。因此，重介旋流器二段分選密度的在線調(diào)控問題[4]，成為了選煤行業(yè)亟待解決的技術(shù)性難題。

近年來，在重介旋流器中引入磁場得到了廣泛應(yīng)用，高效的磁力重介旋流器設(shè)備也應(yīng)運而生。南非學(xué)者J.Svoboda等[5]在旋流器周圍環(huán)繞螺線圈來施加磁場，得到通過調(diào)節(jié)磁場強度和線圈合理位置，可使底、溢流密度差發(fā)生變化，并能夠降低旋流器分選密度的結(jié)論。馬亭亭[6]將重介旋流器置于同軸的螺線圈磁場中進行試驗，發(fā)現(xiàn)旋流器柱體上端的低磁場強度可提高分選密度；旋流器錐體下端的高磁場強度可降低分選密度，為實現(xiàn)二段分選密度的在線調(diào)控提供了一定的技術(shù)支持。趙龍[7]在旋流器錐部施加磁場進行試驗，結(jié)果表明：旋流器外加磁場作用，可以達到在線調(diào)整分選密度的效果。劉佳[8]將線圈纏繞在旋流器筒部，發(fā)現(xiàn)隨電流的增大，溢流密度不斷升高，底流密度不斷降低，分選密度值在兩者作用下表現(xiàn)為不斷升高，介質(zhì)大幅度地從溢流排出，說明磁力的存在可大幅度提高分選密度。樊盼盼[9-10]通過在旋流器錐部設(shè)置軸向電磁場，得到了位于錐段的電磁場能夠在保證分選精度基本不變的前提下有效提高重介旋流器分選密度的結(jié)論。

磁場形態(tài)對重介旋流器分選效果有很大影響，而附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)能夠改變磁場走向，增強磁場強度，改變磁場梯度，進而影響磁場整體分布形態(tài)。因此，本文擬考察在置于旋流器錐部的勵磁線圈上附加內(nèi)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)來改變磁場分布形態(tài)，進一步強化旋流器的分選效果。

1 試驗

1.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)主要由煤泥重介旋流器、攪拌桶、回流閥、渣漿泵、流量計、壓力表、密度計組成，如圖1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)流程圖

1.2 試驗裝置

試驗選用內(nèi)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)磁體是深入到線圈內(nèi)部。因?qū)Т朋w的磁阻小、導(dǎo)磁率高，所以線圈內(nèi)部的磁感線會集中到導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)附近，從而對磁場分布形態(tài)產(chǎn)生影響。導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)材質(zhì)為低碳鋼，厚度為3mm，具體內(nèi)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)參數(shù)及與線圈相對位置如圖2所示。

表1 旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 試驗與結(jié)果分析

2.1 導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)作用下的介質(zhì)分配試驗

用磁鐵礦粉配置密度為1.30g/cm3的重介懸浮液，在攪拌桶中充分攪拌，待均勻穩(wěn)定后用渣漿泵給入重介旋流器，入料壓力0.08MPa。線圈及導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)如圖2放置，并將線圈中心位置固定在旋流器錐部如圖3所示，通過改變線圈中勵磁電流的大小，以研究不同磁場強度下旋流器底、溢流的介質(zhì)分配規(guī)律。試驗系統(tǒng)采用PLC自動控制系統(tǒng)，通過密度計對旋流器底、溢流的密度進行實時檢測，并生成實時數(shù)據(jù)記錄以及數(shù)據(jù)曲線圖。

圖2 內(nèi)導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)參數(shù)及與線圈相對位置

圖3 置于旋流器錐部的線圈

圖4和圖5為無導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)和有導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)兩種條件下底、溢流介質(zhì)密度隨電流的變化情況和溢流介質(zhì)產(chǎn)率隨電流的變化情況。

圖4 電流強度對底、溢流介質(zhì)密度的影響

圖5 電流強度對溢流介質(zhì)產(chǎn)率的影響

由圖4可知，隨電流逐漸增大，在無導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)和有導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)兩種情況下，底、溢流的密度變化規(guī)律基本不變，均是溢流密度先增大后減小，底流密度先減小后增大。當(dāng)附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)，0～5A時，溢流密度由1.160g/cm3增大到1.191g/cm3，底流密度由2.070g/cm3減小到1.659g/cm3；5～10A時，溢流密度減小到1.150g/cm3，底流密度增大到1.864g/cm3。從圖5可以看出，兩者溢流介質(zhì)產(chǎn)率變化趨勢雖然相同，但附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)后，溢流介質(zhì)產(chǎn)率普遍提高。

電流5A，磁場強度為1.76×104A/m時，附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)情況下，溢流介質(zhì)密度增大到最高點，底流介質(zhì)密度減小到最低點。底、溢流之間的密度差小，介質(zhì)分配均勻，旋流器內(nèi)懸浮液穩(wěn)定性強；且此時的溢流介質(zhì)產(chǎn)率最大，預(yù)示著分選密度的提高?？梢园l(fā)現(xiàn)，在合適的磁場強度下，附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)能夠?qū)π髌鲀?nèi)進入底、溢流的重介質(zhì)分配產(chǎn)生進一步的影響，增大進入溢流的介質(zhì)產(chǎn)率，從而影響旋流器內(nèi)的分選效果。

2.2 導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)作用下的粗煤泥分選試驗

采用圖1試驗系統(tǒng)，在配置好的重介懸浮液中加入-3mm粗煤泥煤樣，煤樣礦漿濃度為100g/L。攪拌均勻后以入料壓力0.08MPa給入重介旋流器內(nèi)進行分選，系統(tǒng)穩(wěn)定后對旋流器底、溢流產(chǎn)物同時進行采樣。經(jīng)由0.125mm標準篩對底、溢流產(chǎn)物進行脫介，然后將篩上產(chǎn)物烘干、分級、稱重，做灰分化驗，得到在無導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)和有導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)兩種情況下溢流(精煤)和底流(尾煤)的各粒級灰分，試驗結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 精、尾煤各粒級灰分(無導(dǎo)磁結(jié)構(gòu))

圖7 精、尾煤各粒級灰分(有導(dǎo)磁結(jié)構(gòu))

由圖6和圖7可知，在無導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)和有導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)兩種情況下：0～5A，精煤灰分快速增長，尾煤灰分略有降低然后增長；5～10A，精煤灰分基本穩(wěn)定或略有降低，尾煤灰分降低，分選效果變差。

電流5A，磁場強度為1.76×104A/m時，無導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)和附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)兩種條件下精、尾煤灰分同時增加，分選效果提高。兩種條件下的精、尾煤各粒級灰分如圖8和圖9所示(電流0A、無導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)5A和附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)5A三種情況在圖8、圖9的橫軸上分別由0、1、2指代)。

圖8 不同導(dǎo)磁條件下精煤各粒級灰分

圖9 不同導(dǎo)磁條件下尾煤各粒級灰分

由圖8、圖9可知，導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)作用于旋流器錐部對旋流器分選效果有較明顯的影響。電流由0A升到5A，無導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)情況下，各粒級精煤灰分均增長，尾煤灰分總體增長，0.5～0.125mm粒級尾煤灰分下降。0.5～0.125mm粒級精煤灰分上升，尾煤灰分下降，分選效果不如粗顆粒，分選效果變差。

附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)后，較之無導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)情況下，精煤總灰分略有下降；各粒級尾煤灰分均增長，3～1mm灰分增長0.88%，1～0.125mm灰分增長5%左右。3～0.5mm粒級精煤灰分下降，尾煤灰分增加，說明附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)提高了分選精度，減少了精煤在底流中的損失，對分選起到了促進作用。由此可見，在原磁場的基礎(chǔ)上，導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)的施加對粗煤泥的分選起到了進一步的強化作用，提高了分選效果。

3 磁場特性分析

3.1 磁場分布分析

實驗采用ANSYS16.0有限元分析軟件進行模擬，通過仿真對磁系的磁場特性進行直觀的分析。電流5A時，對無導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)及附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)后的磁系進行磁場模擬，磁感線分布和磁場強度云圖的仿真結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 磁感線分布

從圖10中可以看出，附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)明顯改變了磁感線走向，由于導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)對磁感線的引導(dǎo)，磁感線優(yōu)先通過導(dǎo)磁體而不會繼續(xù)消散，且在導(dǎo)磁體端部產(chǎn)生集聚。因此，導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)的施加減小了磁場的作用范圍，正是由于導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)這種對磁場的“聚磁”作用，增大了屏蔽端部的磁場強度和磁場梯度。從圖11中可以更清晰的看出，由于導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)的作用，磁場能量損失小，導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)端部附近的磁場強度由2.26×104A/m增大到3.09×104A/m。

3.2 磁場強度與磁場力分析

磁性顆粒在磁場中所受磁力表達為式(1)。

Fc=μ0κVHgradH

(1)

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率，κ為體積磁化率，V為體積，三者均為常數(shù)。所以由磁力計算式(1)可知，磁力的大小決定于磁場強度和磁場梯度的乘積HgradH。

對磁場作用范圍內(nèi)各點的磁場強度和磁力進行提取分析，選取縱向線L1、L2、L3和橫向線L4、L5、L6六條線段上的各點作為提取點，O為中心點，線段具體位置如圖12所示。

圖11 磁場強度云圖

圖12 提取點位置示意圖

圖13 軸向位置的磁場強度與磁場力

縱向線段L1、L2、L3上的磁場強度和磁場力如圖13所示，當(dāng)附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)后，磁場作用范圍內(nèi)的磁場強度和磁場力均有明顯地變化，并改變了軸向磁場的對稱性。線圈所受磁場力原本是空間對稱分布，磁場力較弱；施加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)后，導(dǎo)磁體附近位置由于磁場強度和梯度比未加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)下大很多，因此，磁場力也迅速增大。尤其位于線圈中心導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)端部位置即中心點O附近，此處由于導(dǎo)磁體對磁場的“富集”，磁場強度增大，磁場力也隨之增大。

圖14 徑向位置的磁場強度與磁場力

橫向線段L4、L5、L6上的磁場強度和磁場力如圖14所示，無導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)時，徑向位置的磁場強度和磁場力均緩慢增長；附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)后，由于導(dǎo)磁體對磁場的“富集”，使得磁場強度和磁場力隨著徑向位置的改變發(fā)生迅速變化，越是遠離中心點O而接近導(dǎo)磁體附近，這種變化越是明顯。

可以看出，距線圈中心平面越近，磁場強度和磁場力的這種變化趨勢越是顯著。橫向線段L4上，磁場強度由1.57×104A/m增大至3.09×104A/m，徑向磁場力由3.32×103A2/m3增大到2.54×1010A2/m3，軸向磁場力由2.07×109A2/m3增大到3.64×1010A2/m3。線圈中心平面以下，當(dāng)逐漸遠離線圈中心平面時，所受導(dǎo)磁體的影響隨徑向位置的變化開始變小，磁場力也迅速變小。這一點和軸向位置上中心點磁場強度和磁場力變化大，沿軸線方向遠離中心點磁場強度和磁場力變化較小相一致。

由圖13和圖14模擬結(jié)果可知，導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)的施加，縮小了磁場作用范圍，減小了磁場能量損失，使磁場“密而集中”，改變了磁場特性，進而改變了磁性顆粒的受力狀態(tài)；并在磁場作用區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生濃度較高的重介質(zhì)富集區(qū)，改變重介質(zhì)在旋流器中的分布。在線圈中心平面線段L4上，由磁系中心到旋流器邊壁，在導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)的作用下，磁場強度顯著增強，徑、軸向磁場力迅速增大，更大的磁場力對旋流器中磁性顆粒的離心運動起到了強化作用，從而提高分選效果。

4 結(jié)論

通過在置于旋流器錐部的線圈上部附加內(nèi)屏蔽導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)的試驗，可以得到以下結(jié)論。

1)電流5A，磁場強度為1.76×104A/m時，附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)能夠進一步影響旋流器內(nèi)的介質(zhì)分配，溢流密度升高，底流密度降低，溢流介質(zhì)產(chǎn)率最大，為45.84%。

2)電流5A，磁場強度為1.76×104A/m條件下，粗煤泥分選試驗表明，附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)可以調(diào)整旋流的分選效果，同未加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)相比，精煤灰分略有降低，尾煤灰分升高5%左右。

3)由ANSYS軟件模擬可知，附加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)縮小了磁場作用范圍，增大了磁場強度，顆粒受到的磁場力顯著增大，強化了顆粒的離心運動，從而提高旋流器的分選效果。

[1] 徐建平. 國內(nèi)外重介質(zhì)選煤技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 中國礦業(yè)，1998，7(1):67-70.

[2] 趙樹彥. 中國選煤的發(fā)展和三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器選煤技術(shù)[J]. 潔凈煤技術(shù)，2008，14(3)，12-14，25.

[3] 郭德，皮運正. 重介質(zhì)旋流器分選機理研究[J]. 淮南工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2002，22(3):25-28.

[4] 楊建國，王羽玲. 重介旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對分選效果的影響[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，34(6):770-773.

[5] Svoboda J, Coetzee C, Campbell Q P. Experimental investigation into the application of a magnetic cyclone for dense medium separation[J]. Minerals engineering, 1998, 11(6): 501-509.

[6] 馬亭亭，劉世超，樊民強. 電磁場對重介質(zhì)旋流器分選密度的影響[J].選煤技術(shù)，2013(1):5-8.

[7] 趙龍. 磁場對重介旋流器密度場影響的實驗研究[J]. 煤炭技術(shù)，2014，33(9):285-287.

[8] 劉佳，趙龍. 磁場中旋流器二段分選密度在線調(diào)控探究[J]. 電子測試，2014(1):22-24.

[9] 樊盼盼，孔令帥，彭海濤，等. 置于錐部的軸向電磁場對重介旋流器分選效果的影響[J]. 煤炭學(xué)報，2015，40(7):1615-1621.

[10] Fan P P, Fan M Q, Liu A. Using an axial electromagnetic field to improve the separation density of a dense medium cyclone [J]. Minerals Engineering, 2015, 29(3): 87-93.

Influences of an external magnetic structure located in the conical part on dense medium cyclone separation effects

FENG Cong，REN Xiaofen，XU Guochao，ZHANG Cheng′an，F(xiàn)AN Minqiang

(College of Mining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

In order to regulate and control the dense medium cyclone separation effects for separation density of the second segment, the paper added a magnetic structure to the coils located in the conical part of cyclone, under the electromagnetic field, by changing the intensity of magnetic field, the medium distribution test and -3mm coal slime separation test had been done. The test results show that when the inner magnetic structure was added to the upper part of coils located in the conical part of cyclone, compared with using coils only, under certain condition of intensity of magnetic field, lower ash of clean coal and high ash of coal tailing indicated the improvement of the separation efficiency. The magnetic system was analyzed by the finite element software ANSYS, the results showed that the additional magnetic structure can change the direction of the magnetic field, increase the concentration of the magnetic field energy and improve the magnetic force, so as to improve the separation effect.

magnetic structure; magnetic shielding; dense medium cyclone; separation effect; ANSYS

2016-09-20

國家自然科學(xué)基金項目資助(編號：51274148)

馮聰(1992-)，男，江蘇淮安人，碩士研究生。

簡介：樊民強(1964-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：fanminqiang@sohu.com。

TD94

A

1004-4051(2017)01-0119-06