基于计算机软件模拟的板式磁选机磁系设计

卢俊颖 王化军,2 方 昊 冯志远 张开路(.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 00083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 00083)

基于计算机软件模拟的板式磁选机磁系设计

卢俊颖1王化军1,2方 昊1冯志远1张开路1(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

板式磁选机是北京科技大学新研制的一款用于20 mm以下贫磁铁矿石干式预选的设备。运用A.M.软件对板式磁选机的磁系进行了设计优化研究。确定的钕铁硼磁块牌号为N50，厚度为30 mm，磁块纵向间隙为40 mm，磁系底板材料为Q235；依据模拟结果制作的实物模型的磁感应强度实测值与模拟结果基本一致，模拟结果可靠性好。研究结果表明，利用计算机软件模拟磁系的磁场分布，可大大减少磁系设计的工作量，提高磁系设计的可靠性。

板式磁选机 磁系设计 模拟计算 磁感应强度

近年来我国磁选设备的研制进展很快。在磁选设备中，磁系设计是关键，了解磁选设备分选空间磁场分布十分重要，它对分析磁选设备的性能，进而确定适宜的磁系结构参数、磁块形状和尺寸，以及研究磁性颗粒受力情况起着重要的作用[1-3]。同时，为了优化结构、节省材料，设计制造供不同用途且能满足特定磁场要求的磁系体系，就必须对其磁场的大小与分布做出严密的分析与准确的计算[4-5]。

本研究利用A.M.软件[6]进行磁系磁场分布仿真模拟，优化磁系参数，主要包括钕铁硼磁块的性能牌号、磁块的厚度、磁块的纵向间隙及磁系底板材料等，为板式磁选机磁系结构设计和制造提供理论指导。

1 模拟模型与评价方法

板式磁选机主要是为-20 mm的贫磁铁矿的干式预磁选而设计的分选设备。考虑该磁选机的皮带厚度、主要磁场作用区域及磁场作用深度等因素，模拟结果真实、准确与否的考察标准为垂直距离磁系表面0，3，8，30 mm处磁感应强度的分布情况。良好的磁系磁路设计,应在尽量减少永磁材料使用[7]的前提下让磁路中更多的磁通量聚集到作业空间，以满足磁场强度最大的要求。由于该设备用于分选强磁性矿物，分选区只要有足够高的磁场强度，而不需要太高的磁场梯度，因此分选磁系磁性材料均使用钕铁硼永磁磁块，其长×宽为80 mm×60 mm。

针对磁系不同的结构参数，建立如图1所示模型，设置好每种参数对应的模型后分别进行磁场模拟，可模拟出磁系磁感应强度在空间上的分布，然后，在垂直距离永磁体磁系表面0，3，8，30 mm处分别做一与极面平行的直线，对直线上各点的磁场大小求解，即可得到距离磁系表面不同距离处磁感应强度的分布情况，对直线上各点的数据进行分析后选择合理的结构参数。

图1 仿真模拟模型

基于二维模拟可以表示磁系纵向上的结构形式，但没有考虑横向磁极对纵向磁场分布的影响，因此，三维模拟条件下建立的模型更贴近实际，模拟结果也更具真实性。为了论证二维条件下模拟结果的可靠性与准确性，对二维与三维条件下的模拟结果进行了对比，见图2。

图2 二维模拟与三维模拟对比

模拟对比表明，二维与三维模拟的磁感应强度基本一致，因此可以认为纵向磁极的二维模拟结果可以代表整个板式磁选机磁系的模拟结果，且由于二维模拟计算量较三维模拟的要小很多，建模也更加简便，因此，本研究将使用二维模拟进行磁系的模拟计算。

2 软件模拟结果分析

2.1 钕铁硼磁块牌号的选择

钕铁硼永磁磁块有多种不同性能的牌号，较常见的有烧结型的N50，N38，N27。不同的数字牌号表示不同大小的磁能积。磁能积是退磁曲线上任何一点的B和H的乘积，是衡量磁体所储存能量大小的重要参数之一。在能满足所需磁感应强度的前提下，希望使用的磁性材料越便宜、来源越广泛越好。在钕铁硼磁块尺寸等可能影响磁感应强度因素相同的情况下，若低牌号的钕铁硼磁块能达到所需要的磁感应强度，则应尽可能使用低牌号磁块。

在磁系底板材料为Q235，钕铁硼磁块厚度为30 mm，磁块纵向间隙40 mm的条件下，利用A.M.软件模拟了使用牌号分别为N50，N38和N27的钕铁硼永磁磁块所形成的不同的磁系，并求解了距离磁系表面不同距离处磁场的分布情况。由于磁系磁场具有对称性，因此，截取考察直线上的部分点就可以表达清楚磁场分布趋势和强度。模拟结果见图3。需要说明的是，凡是和磁系模拟相关的图表中，横坐标的距离指的均是该点到模型坐标原点的横向距离。

图3 不同牌号磁块构成的磁系的磁场分布

由图3可以看出，磁感应强度在垂直方向上衰减速度很快，当达到一定的磁场作用深度后，磁场分布变得十分平缓，以一条直线为中心窄幅波动；随着磁块磁能积的增大，磁感应强度的峰、谷值也增大，但不同牌号磁块构成的磁系磁感应强度的峰、谷值之差基本一致。由于板式磁选机是贫磁铁矿石的干选设备，应在尽可能抛除废石的同时控制住尾矿中磁性铁的含量，因而希望分选区的磁感应强度越大越好，磁场作用深度越深越好。

由图3还可以看出，在距离磁系表面0 mm处不同牌号的磁块构成的磁系表面磁感应强度差距最显著，N50磁块形成的最高磁感应强度可达到1.5 T，而N27磁块形成的最高磁感应强度只能达到1 T；随着距离磁系表面的距离越来越远，不同牌号的磁块所形成的磁感应强度差异越来越小，尤其是N50磁块和N38磁块之间。但是在实际磁块充磁过程中，磁块的性能往往不能达到理论水平，再考虑安装时可能造成的磁块边角损坏会降低磁块场强，因此，为了尽可能确保较高的磁感应强度，选用磁能积较大的N50钕铁硼永磁磁块更好。

2.2 钕铁硼磁块厚度的选择

在磁体使用时对应于一定能量的磁体，要求磁体的体积尽可能小。影响磁场分布情况的主要是磁块的厚度，因此使用A.M.软件考察了长×宽为80 mm×60 mm的磁块不同厚度情况下的磁场分布。

在磁系底板材料为Q235，钕铁硼磁块性能牌号为N50，磁块纵向间隙40 mm的条件下，模拟厚度分别为10，20，30，40和50 mm的钕铁硼永磁磁块形成的不同的磁系在距离磁系表面不同距离处的磁场的分布情况。模拟结果见图4。

由图4可以看出：①磁块越厚，产生的磁感应强度越大，磁场作用深度越深。②厚度为10 mm的磁块，距离磁系表面3 mm处的最高、最低磁感应强度已衰减到400 mT和150 mT左右，磁场作用深度太浅，可以排除。③厚度为20 mm的磁块，磁系表面磁感应强度最高达1.3 T，距离磁系表面3 mm处的最高、最低磁感应强度已衰减到550 mT和300 mT左右，距离磁系表面8 mm处进一步衰减至400 mT和270 mT左右，距离磁系表面30 mm处则衰减到了170 mT左右，该磁块基本满足磁感应强度要求。④厚度为30 mm的磁块，距离磁系表面8 mm处的最高、最低磁感应强度为500 mT和350 mT，距离磁系表面30 mm处则衰减到210 mT左右，作用深度比20 mm厚的磁块要深，在主要选别区域内的场强较适宜。⑤当磁块厚度达到40 mm和50 mm时，能够达到的磁感应强度更高，接近中场强。

按照磁块选择原则，磁能积一定的情况下，在能够满足磁感应强度的前提下，选择体积小的磁块。贫磁铁矿的选别属于弱磁选，考虑贫磁铁矿中磁性铁含

图4 不同磁块厚度磁系的磁场分布

量较低，磁选场强可以稍高，因此选择厚度为30 mm的钕铁硼永磁磁块。

2.3 磁系纵向间隙的确定

气隙会导致场强迅速减弱，但合适的间隙不影响磁性物料在磁场中的磁翻转作用，并且可以节省磁性材料的使用，也便于磁系的安装。磁块在横向布置上一般是紧密布置的，对于板式磁选机而言，物料的磁翻转作用主要发生在纵向的搬运过程，横向都是极性相同的磁极，若是存在横向间隙，势必会导致在分选过程中出现一条一条的物料层，造成回收率的损失，因此只需确定纵向间隙的大小。

在磁系底板材料为Q235，钕铁硼磁块性能牌号为N50，磁块厚度为30 mm的条件下，对磁块纵向间隙分别为0， 10，30，40和50 mm磁系进行软件模拟，结果见图5。

图5 不同纵向间隙磁系的磁场分布

由图5可以看出，与磁系表面的距离无论多少，除了间隙为0 mm和50 mm时波谷有较大的波动外，间隙为10 mm，30 mm和40 mm时磁场波谷差别不大，只是波峰有差异，但都能满足磁感应强度的要求。当磁极间隙为0 mm时，磁系表面磁感应强度不论是峰值还是谷值均较强，虽能满足磁选机磁感应强度上的要求，但意味着将消耗更多的磁性材料。当磁极间隙为50 mm时，由于气隙的影响，磁场衰减很快，作用深度也受到影响。综合考虑节约磁性材料和磁感应强度因素，确定磁系纵向间隙以40 mm为宜。

2.4 磁系底板材料的确定

磁系底板对磁场的大小和分布有着重要的影响，底板材料大致分为2类：导磁材料和不导磁材料。为了方便原材料的采购，选择不锈钢板(不导磁材料)、铁板、Q235钢板作为磁系底板候选材料，分别对这些材料进行软件模拟，选择出适合的磁系底板。

在钕铁硼磁块性能牌号为N50，磁块厚度为30 mm，磁系纵向间隙为40 mm的条件下，对不同的磁系底板材料进行软件模拟，考察各材料的漏磁情况，主要参考磁力线的分布情况，距离磁系表面不同距离处的磁场分布情况作为辅助参考，从而确定合适的底板材料。模拟磁力线的分布情况见图6，磁系表面一定距离处的磁感应强度见图7(以3 mm处为例)。

由图6可以看出，由于不锈钢板是不导磁材料，无法闭合磁力线，因而底板两侧的磁力线几乎呈对称分布，造成磁场分散；而纯铁板和Q235钢板是导磁材料，磁力线到达底板后闭合，没有磁块的一侧几乎没有磁力线分布，说明没有磁块的一侧磁场力很小，这样的磁力线分布情况便于磁系的安装。

由图7可以看出，纯铁板和Q235钢板作为底板能够达到的磁感应强度比以不锈钢板为底板的更高，作用深度也更深，且纯铁板和Q235板为底板形成的磁场分布情况几乎一致，磁系表面其他距离处的情况完全类似，不赘述。考虑原材料的价格与采购难易度，选择Q235钢板作为磁系底板材料。

3 磁系模型实测结果

根据软件模拟结果确定的磁系参数，制作了磁系的实物模型。使用高斯计对实物模型距磁系3 mm处的磁感应强度进行了测量，实测结果与模拟结果对比见图8。

由图8可以看出，实测结果和模拟结果基本一致，说明了模拟结果的可靠性。至于实测结果略低于模拟结果，这既可能与钕铁硼磁块实际充磁值达不到理论值有关，也可能与磁系安装过程中造成的磁块损坏、安装精度不够造成气隙等有关。

4 结 语

(1)根据板式磁选机的实际用途，运用A.M.软件对板式磁选机磁系磁场分布的仿真模拟，确定的磁块为牌号为N50的钕铁硼磁块，磁块厚度为30 mm，磁块的纵向间隙为40 mm，磁系底板材料为Q235。

图6 不同底板材料磁系的磁力线分布

图7 距离磁系表面3 mm处磁场分布

图8 实测结果与模拟结果对比

(2)根据模拟研究确定的磁系参数制作了实物模型，其磁感应强度实测值与模拟结果基本一致，说明模拟结果非常可靠。

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(责任编辑 罗主平)

Plate-type Magnetic System Design Based on Computer Software Simulation

Lu Junying1Wang Huajun1,2Fang Hao1Feng Zhiyuan1Zhang Kailu1
(1.SchoolofCivilandEnvironmentEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.StateKeyLaboratoryofHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMines，MinistryofEducation，Beijing100083，China)

Plate-type magnetic separator is a kind of new dry pretreatment equipment，developed by University of Science and Technology Beijing，applicable to poor magnetic ore at 20 mm or below.Magnetic system in plate-type magnetic separator is optimized by A.M.software.It is determined that magnetic block brand of NdFeB is N50，thickness 30 mm，vertical clearance 40 mm，Q235 for the magnetic backplane; On the base of simulation results，the measured magnetic induction intensity of physical model is closed to the simulated results，that is，the simulated results has good reliability.Results show that using computer software to simulate the magnetic field distribution of magnetic system can greatly reduce the workload and improve the reliability of the magnetic system design.

Plate-type magnetic separator，Magnetic system design，Simulation calculation， Magnetic induction intensity

2014-10-24

卢俊颖(1990—)，女，硕士研究生。通讯作者 王化军(1963—)，男，教授，硕士。

TP15，TD457

A

1001-1250(2015)-01-108-05