淺析基于ANSYS對永磁筒式磁選機磁塊排布變化規(guī)律
作者：張毅
前人對永磁筒式磁選機磁系結構的研究主要采用有限差分的數(shù)值計算方法研究磁系結構表面的磁場大致分布規(guī)律，但并未指出磁塊排布與磁場特性的關系以及適用的礦物特性。本研究利用ANSYS軟件，模擬幾種不同的磁系結構的磁場特性，全面分析磁塊排布對磁場特性的影響，為永磁筒式磁選機磁系的設計、研發(fā)、應用提供理論依據(jù)。
1 磁系設計原則
磁系要根據(jù)具體的用途來區(qū)別設計。一般來講，若以提高精礦品位為目的，則應該適當增加磁極數(shù)即增加磁性物質在分選區(qū)的翻轉次數(shù)；若以提高回收率為目的，則是保證一定品位的前提下適當減小磁極數(shù)，增加磁場強度和作用深度，增大磁包角來保證鐵磁性物質的充分回收，同時要減小圓周方向磁場梯度，保證吸附礦物的順利排出。
永磁筒式磁選機為開放式磁場，磁場特性根據(jù)磁極組的寬度以及是否利用輔助磁極有密切的關系。此設計主要研究磁塊排布對磁場的影響，為了更好的對比分析，把其它條件進行統(tǒng)一。每組磁系包角固定在140～150。之間，每組主磁極由規(guī)格為85×65×18的鍶鐵氧體構成，緊鄰筒皮選擇梯形磁塊，磁塊厚度固定在108mm，環(huán)繞圓筒直徑為lOOOmm，且每組相鄰主磁極之間都緊鄰筒皮緊密排列。磁組設計一共分為四組：A組為單個規(guī)格的磁塊相鄰排列，B組為兩兩磁塊相結合組成一組主磁極，C組是A組和B組的主磁極相交叉緊密排
列，D組的主磁極和B組相同，但在相鄰主磁極間加入輔助磁極。四種磁系系統(tǒng)分布特點見表1。
2 模擬結果與分析
2.1磁系結構磁場云圖分析
ANSYS軟件是基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場計算轉變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼猓诒ＷC其計算的準確性和快捷性前提下，通過模擬仿真分析，得到真實有效的數(shù)據(jù)。
以上四種磁系結構取橫截面圖，導入ANASYS有限元分析軟件，通過二維分析仿真，得到磁感強度云圖。磁感應強度云圖表示磁感應強度時，隨著強度的遞增顏色由淺到深。為了更清楚的了解磁場特性的不同，把場強大小的相近的區(qū)域給予劃分標注，如圖l～4所示。
由圖1、圖2得知，主磁極寬度越大，磁場強度相對較高區(qū)域面積越大，圖1中磁塊內部的磁力線集中在磁塊內部，根據(jù)磁力線分布規(guī)律往磁塊邊角處發(fā)散，形成外表面的磁場強度相對均勻，由于磁塊之間的距離較近，圓周方向的磁場變化較小。圖2中磁塊的頂部磁場強度偏小，磁場強度最大值集中在磁塊的邊角處，符合磁力線易集中在尖性物質的分布規(guī)律。
由圖1、圖2、圖4可以看出，相鄰的磁塊的磁場特性是相同的，唯獨圖3是每兩塊磁塊呈周期性變化，因為大磁塊產(chǎn)生的磁力線較多，和小磁塊形成回路后，小磁塊的磁場強度明顯增加。但由于大磁塊的磁力較強，從小磁塊發(fā)射出的磁力線被迅速吸附，而形成異于其它三種磁系結構的特點：區(qū)域1的磁場強度面積大于區(qū)域2。另外三種磁極結構隨著磁場強度的遞減，所占區(qū)域面積遞增。
由圖4觀察，主磁極內部的磁力線集中在磁塊的兩側，和兩側的輔助磁極形成回路，磁力線在進或出輔助磁極時，磁力線密集的排布在輔助磁極中，所以磁場強度較大區(qū)域集中在輔助磁極的外表面，而主磁極的外表面磁場強度較低，在圓周方向上形成較大的磁場梯度，下文中有更深入的研究。
2.2磁系外表面磁場分布的研究
為了得到磁場強度具體數(shù)值的分布規(guī)律，對磁系外表面膜的磁場分布進行研究。在距離磁系外表面IOmm、20mm、30mm、40mm、50mm處取一條圓滑的曲線，進一步觀察磁場分布規(guī)律，如圖5～8所示。
由圖5～8磁系系統(tǒng)的磁場分布曲線得知，A組圓周方向的磁場梯度最小，降低了磁翻滾次數(shù)，適合分選比較單一的磁性礦物；B組距離磁系lOmm磁場感應曲線圖成兩兩波峰組合，印證了磁場強度集中在磁塊表交出的分析，最大值為0. 162T，最小值為o．135T，但最大值與最小值都成點狀，距離磁系50mm處的磁場強度平均值為0.065T，比A組的磁場強度增加了0. 035T，整體而言B組磁場變化規(guī)律大致相同，但節(jié)省了磁塊材料總用量的1/8。
由圖7所示，距離磁系lOmm的磁場強度變化范圍更廣，最大值為0. 19T，相較于B組增大了0. 03T，最小值為0.115T，相對于B組減小了0. 02T，磁場強度變化范圍提高了0.048T，更有利于磁翻滾，距離磁系50mm的磁場強度平均值為0. 045T，比B組降低了0.02T，相同距離范圍內磁場強度變化范圍很大，可以適當擴大磁選機的分選空間，提高工作效率；由圖9所示距離磁系lOmm的相較于C組最大值并沒有增加，不同的是提高了最大值的作用范圍，圖4也有所體現(xiàn)。C組距離磁系lOmm的磁場強度最大值成點狀，而D組的最大值成線狀，大大提高分選效果。
由于每組磁系系統(tǒng)都是周期性的，四組磁系分別在距離磁系lOmm的路徑上選取一個周期，進一步研究磁場梯度，如圖9所示。
如圖9所示，A組在距離磁系lOmm處，磁場強度最高點(450，0.16)，最低點(468，0.141)。根據(jù)磁場梯度公式(式(1》，那么A組距離磁系lOmm處的圓周方向的磁場梯度見式(2)。
式中：B為磁場梯度；z為兩點之間的距離；B2為某一點的磁場強度；B1為另一點的磁場強度；x2為某一點距離；x1為另一點距離。
式中：BA為A組距離磁系lOmm處的圓周方向的磁場梯度。
由圖5所示距離磁系lOmm處的平均磁場強度為0.145T，20mm處的平均磁場強度為0.100T，距離磁系lOmm與20mm之間的磁場梯度見式(3)。
式中：BA1為距離磁系10mm與20mm之間的磁場梯度。其他間距之間運算與此相同，不再做詳細運算，詳細結果見表2。
由表2所見，C組在距離磁系lOmm處圓周方向上的磁場梯度最小，僅為0.00089T／mm，然而它的極值點相較于其他三組卻是最大的，說明此磁系系統(tǒng)在單個周期內作用范圍廣，較有利于用在回收磁性礦物的粗選階段；A、B組距離磁系lOmm處的磁場梯度大致相同，D組磁場梯度最大，磁翻滾次數(shù)多，適用與磁性礦物的精選。四組徑向磁場梯度由表2得知，隨著徑向距離的增加，磁場梯度減小．C組徑向磁場梯度最大，可以利用較大的磁場梯度分-選磁性范圍較廣的礦物。
3 結 論
本文通過對常規(guī)磁選磁系的四種典型的結構設計及磁場特性模擬，揭示了四種磁系設計結構特點以及與其相對應的磁場特征。
1)A組磁系結構圓周方向的磁場強度變化范圍小，保證磁性礦物的回收率，可應用與磁性礦物的粗選階段；另外，在一定的磁包角內，磁場強度周期變化比較頻繁，增加了磁翻滾次數(shù)。
2)B組磁場強度大小與A組一致，垂直方向的磁場梯度有所減小，源于主磁極寬度的增加，提高了磁場作用深度。
3)C組磁系在磁塊材料用量一致的情況下，提高了磁場強度；圓周方向的磁場大小變化范圍雖廣，但變化區(qū)域也較大，所以磁場梯度并不大，磁翻滾次數(shù)較少，適用于組成類型比較復雜的礦物的拋尾。
4)D組磁系輔助磁極的添加，減少漏磁，提高磁場強度；圓周方向磁場梯度大，且磁場強度較大區(qū)域作用范圍廣，適用于磁性礦物的精選。
以上四組磁系系統(tǒng)的組成說明磁系結構的變化直接影響磁場特性的變化，我國礦種資源類型繁多，在磁選機的應用上，要根據(jù)礦物資源稟賦特點，柔性設計磁選機的研究思路及方法，對于我國礦種資源的開發(fā)利用具有重要的現(xiàn)實指導意義。
4摘要：永磁筒式磁選機的磁系結構參數(shù)、磁塊形狀和尺寸千差萬別，所形成的磁場也有很大的區(qū)別。運用ANSYS對其磁系優(yōu)化研究，分析其永磁體排布的變化所產(chǎn)生的磁場強度、磁場梯度的不同特點。從而得到結論：主磁極的寬度對圓周方向的磁場梯度沒有直接影響，垂直方向的磁場梯度隨著主磁極寬度的減小而變大；寬度不一致的主磁極間歇放置可提高磁場強度與磁場梯度，且可增加磁翻滾次數(shù)；添加輔助磁極提高了磁場較高區(qū)域的作用空間，同時提高圓周方向的磁場梯度。
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