孫 娜

(1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

目前，實(shí)驗(yàn)室用于磁性物含量測試的設(shè)備中，使用最廣泛、發(fā)展歷程最久遠(yuǎn)的就是磁選管[1]。從1921年被研發(fā)出至今，因其構(gòu)造簡單、操作方便，被世界上多個(gè)國家和地區(qū)的選礦行業(yè)推廣使用[2-5]。雖然磁選管的應(yīng)用很廣泛，但很少有學(xué)者對其進(jìn)行詳細(xì)的理論研究，關(guān)于磁選管的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和對磁場計(jì)算的相關(guān)文獻(xiàn)也屈指可數(shù)?，F(xiàn)如今，磁選管的開發(fā)研究工作都是依靠工程經(jīng)驗(yàn)，在確定磁選管結(jié)構(gòu)大小以后，通過調(diào)節(jié)電流大小、線圈匝數(shù)以及磁極的空氣間隙來改變磁場強(qiáng)度大小[6-9]。如果達(dá)不到所需要的磁感應(yīng)強(qiáng)度，需要繼續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但磁極的空氣間隙一旦確定很難再做更改，因此往往通過繼續(xù)增大電流或者增加線圈匝數(shù)來加大磁感應(yīng)強(qiáng)度，直至達(dá)到所需數(shù)值為止。這種方式不僅效率低，而且還會造成資源浪費(fèi)；通常需要過高的電流，還會造成經(jīng)濟(jì)損失和能源浪費(fèi)[10-12]。

另一方面，整個(gè)選礦行業(yè)對磁性物含量測試設(shè)備磁場的需求呈現(xiàn)多樣化的趨勢，因此需要對傳統(tǒng)磁選管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并結(jié)合ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，在提高磁感應(yīng)強(qiáng)度的同時(shí)，確定出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。這不僅可以滿足選礦行業(yè)對磁性物含量測試設(shè)備的磁感應(yīng)強(qiáng)度的不同需求，而且還可以在今后的研發(fā)工作中盡可能減少資源浪費(fèi)[13-15]。

1 磁選管模型的建立

“C ”型電磁鐵由鐵芯和線圈組成，接通電源后，電流通過導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生的磁場與鐵芯被磁化所產(chǎn)生的磁場相互疊加，在兩磁極的空氣間隙處產(chǎn)生較大的磁場，磁通通過鐵芯和氣隙形成一個(gè)閉合的回路，稱為磁路[16-17]。

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

選取1臺常用的CXG350型磁選管，磁場結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中圓柱形磁極半徑為45 mm，鐵軛斷面為90 mm×90 mm，包含2個(gè)線圈，總匝數(shù)為7 500匝，磁極錐角為90°，磁極間隙為50 mm。

圖1 CXG350型磁選管磁場結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過對磁選管磁場結(jié)構(gòu)分析計(jì)算并結(jié)合ANSYS軟件模擬得出，磁極錐角為109°時(shí)為最優(yōu)解。由于分析計(jì)算過程較復(fù)雜，在此不詳細(xì)闡述。根據(jù)三角函數(shù)勾股定理，可求得圓柱形磁極半徑約為32 mm。為了方便比較優(yōu)化效果，磁極間距仍保持為50 mm，隨著磁場強(qiáng)度增大，必須增加線圈匝數(shù)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)線圈匝數(shù)為25 000匝，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的磁選管磁場結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 模型建立

由于磁選管的磁場結(jié)構(gòu)較為簡單，有些學(xué)者采用 2D 電磁場進(jìn)行模擬分析。但為了對磁選管的磁場進(jìn)行全面分析，選取在三維電磁場下進(jìn)行建模求解。建立的三維模型如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的磁選管結(jié)構(gòu)模型

2 數(shù)值模擬與分析

利用ANSYS軟件完成磁選管三維模型的建立后，需要在Project Manager程序中設(shè)置磁感應(yīng)強(qiáng)度。完成設(shè)置后便可以運(yùn)行程序，程序運(yùn)行結(jié)束后便可利用ANSYS后處理軟件得到設(shè)備的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖和磁力線矢量圖，如圖4、圖5所示。

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖5 磁力線矢量

2.1 磁場強(qiáng)度分析

從磁選管磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布(圖4)及磁力線矢量圖(圖5)中可以看出，整個(gè)磁選管磁感應(yīng)強(qiáng)度最高的地方就是磁極的2個(gè)錐角和鐵芯處。為了得出兩磁極間磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況，可以在兩磁極軸心處選取一條直線，對該直線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6 兩磁極間的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線

從圖6可以看出，在兩磁極錐角頂端磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大，在磁極中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度最低，最小值大于1 T，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的磁選管中的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。利用磁選管分選礦物時(shí)，磁性物料受磁場的作用被吸附在玻璃管上，由于在磁選管中磁極中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度最低，因此若中心處滿足磁場要求，則兩磁極均能滿足要求。利用ANSYS軟件模擬得出磁場間隙中心平面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖，如圖7所示。從圖7可以看出，在計(jì)算區(qū)域內(nèi)，兩磁極正中心點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，向四周逐漸減小，且在各個(gè)方向上減弱程度相同。

為了進(jìn)一步研究磁極間隙中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況，在磁極間隙中心平面內(nèi)繪制任意一條直線，通過后處理軟件得出磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線，如圖8所示。從圖8可以看出，在磁極間隙正中心點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，然后向兩邊迅速衰減，距離中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度越小。

圖7 磁極間隙中心平面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖8 磁極間隙中心平面磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線

2.2 磁極錐角最優(yōu)值驗(yàn)證

經(jīng)過理論分析計(jì)算，磁極錐角為109°時(shí)為最優(yōu)值。利用ANSYS軟件進(jìn)行模擬驗(yàn)證，在磁極間隙為50 mm，電流5 A的情況下，通過改變磁極錐角得出兩磁極正中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度變化情況曲線，如圖9所示。

圖9 磁極中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線

利用后處理軟件分別得出在不同錐角度下的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線，如圖10所示。

圖10 不同錐角下磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線

通過圖9可以得出，在其他條件相同的情況下，磁極錐角為109°時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度最大；當(dāng)磁極錐角為90°時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度僅為1.063 T，由此可以得出，在磁極錐角為90°時(shí)磁選效果沒有磁極錐角為 109°時(shí)效果好。通過不同錐角下磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線能直觀地看出，在相同條件下磁極錐角為109°時(shí)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大。因此，可以認(rèn)為理論分析得到的磁極錐角為 109°時(shí)為最優(yōu)值成立。

3 試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

根據(jù)理論分析及ANSYS磁場模擬的結(jié)果，按照優(yōu)化后的參數(shù)制造出新型的磁選管樣機(jī)，通過改變電流大小使試驗(yàn)中的磁場強(qiáng)度達(dá)到1 T，并利用特斯拉計(jì)測量不同電流下的磁場強(qiáng)度。

3.1 試驗(yàn)研究

新型磁選管試驗(yàn)樣機(jī)如圖11所示。

圖11 新型的磁選管樣機(jī)

在兩磁極之間放置量程為50 mm的刻度尺，使特斯拉計(jì)的霍爾傳感器有效作用點(diǎn)與兩磁極之間相互垂直。然后接通電源，調(diào)節(jié)電流強(qiáng)度，分別記錄在不同的電流情況下，距離磁極錐角為0 mm、10 mm、20 mm、22.5 mm時(shí)特斯拉計(jì)的讀數(shù)。不斷增加電流值，當(dāng)磁極中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到1 T 時(shí)停止記錄，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化情況如圖12所示。

圖12 磁極間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線

為了與傳統(tǒng)磁選管進(jìn)行對比，顯示優(yōu)化效果，分別對傳統(tǒng)的CXG350 型磁選管和優(yōu)化后的磁選管進(jìn)行測試，分別記錄2種磁選管的兩磁極正中心處達(dá)到相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)對應(yīng)的工作電流大小。由于CXG350型磁選管磁感應(yīng)強(qiáng)度最大理論值為350 mT，但在實(shí)際中很難達(dá)到該數(shù)值，因此將磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍選定為50～300 mT，間隔為50 mT，分別記錄每一次達(dá)到設(shè)定磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)的電流大小，并繪成曲線圖。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗(yàn)步驟測得的磁極間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化情況繪成曲線圖，如圖12所示。

通過圖12看出，距離磁極間隙中心處越近，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，并且隨著工作電流的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度也越來越大，與之前的數(shù)值模擬結(jié)果一致；當(dāng)工作電流達(dá)到4.5 A 時(shí)，兩磁極中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度均達(dá)到了預(yù)期的1 T。當(dāng)繼續(xù)增加電流時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化幅度很小，說明此時(shí)的導(dǎo)磁材料已處于磁飽和狀態(tài)，沒有必要繼續(xù)增加電流。為了研究磁極中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度隨工作電流的變化情況，將其單獨(dú)繪制成曲線，如圖13所示。

圖13 磁極中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線

從圖13可以看出，在初始階段，隨著電流的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度值迅速增加；但當(dāng)電流增加到3 A時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度增長趨勢開始變得緩慢；當(dāng)電流增加到4.5 A 時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度只從3 A 時(shí)的921 mT 增加到了1 006 mT，說明此時(shí)兩磁極已經(jīng)接近磁飽和狀態(tài)。

為了與傳統(tǒng)磁選管進(jìn)行對比，顯示優(yōu)化效果，分別對傳統(tǒng)的CXG350 型磁選管和優(yōu)化后的磁選管進(jìn)行測試，對比結(jié)果如圖14所示。

圖14 2種磁選管試驗(yàn)結(jié)果對比

由圖14可知，與傳統(tǒng)的CXG350型磁選管相比，通過改變磁極錐角和增加線圈匝數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的磁選管，在相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度情況下，所需電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前者，大大降低了能耗，同時(shí)還可以避免電流過大造成線圈溫度升高的現(xiàn)象。

綜上所述，在 0～5 A 的安全電流內(nèi)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的磁選管磁感應(yīng)強(qiáng)度可以在50～1 000 mT的范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)。該磁選管不僅能實(shí)現(xiàn)在低磁感應(yīng)強(qiáng)度下檢測磁鐵礦粉的磁性物含量，而且能在高磁場強(qiáng)度下對各種有色金屬中有用礦物的含量進(jìn)行檢測。

4 結(jié) 論

通過理論計(jì)算結(jié)合ANSYS軟件模擬得出磁選管優(yōu)化的參數(shù)，并對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維電磁場模擬，最后利用樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1)磁極錐角為109°時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大值，并利用ANSYS軟件對其進(jìn)行了磁極錐角最優(yōu)值驗(yàn)證；

(2)CXG350 型磁選管結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，磁極半徑為32 mm，鐵軛斷面為90 mm×90 mm，磁極間隙為50 mm，線圈總匝數(shù)為25 000匝；并進(jìn)行了三維電磁場模擬；

(3)通過2種磁選管試驗(yàn)結(jié)果對比得出，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的磁選管大大降低了能耗，同時(shí)可以避免電流過大造成線圈溫度升高的現(xiàn)象。