基于开环式电磁系统的新型比磁化系数测定仪的模拟研究

王学涛，李　萌，牛福生，王　超，白丽梅

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.沈阳隆基电磁科技股份有限公司，辽宁 抚顺 113122)

基于开环式电磁系统的新型比磁化系数测定仪的模拟研究

王学涛1，李萌1，牛福生1，王超2，白丽梅1

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.沈阳隆基电磁科技股份有限公司，辽宁 抚顺 113122)

摘要：为了探究开环式电磁系统对比磁化系数测定仪磁场特性的影响，采用Ansys Maxwell 对其电磁系统的磁场特性进行了数值模拟，实现了新型比磁化系数测定仪磁场特性可视化；发现励磁系统的磁场特性关于励磁线圈中垂面对称，磁场强度沿励磁线圈到极间夹角方向呈递减趋势；并得出开环式磁系结构的极间夹角为60°时，其磁场特性更适合比磁化系数的测定；通过莫尔氏盐比磁化系数定标试验和钛铁矿精矿测定试验，验证了基于Maxwell数值模拟的可靠性和仪器工作的稳定性。

关键词：比磁化系数测定仪；开环式磁系；磁场特性；数值模拟

比磁化系数是矿物磁性重要参数，对磁选设备选择以及选矿工艺指标的设定有着重要的意义[1-5]。比磁化系数测定仪采用质动力法直接测定物质磁性强弱，具有装置简单、精度高、自动化程度高等优点[6]。比磁化系数测定仪的磁系机构作为物质磁性测定的空间磁场励磁源，其结构的合理设计对比磁化系数的准确测定有着至关重要的作用。根据现有简易比磁化系数测定装置的磁系结构，设计了一种场强高、梯度大的开环式电磁励磁系统。

随着Ansys Maxwell仿真模拟技术在工程电磁场中的广泛应用，电磁励磁系统的设计和优化得到了很大提高[7]，本文针对比磁化系数测定仪开环式电磁励磁机构的设计，对其磁系机构采用有限元法进行了数值仿真模拟，为研制一种开环式电磁励磁系统的新型比磁化系数测定仪提供了技术参考。

1新型比磁化系数测定仪的研制

1.1主要结构

以现有比磁化系数测定装置的水平对称磁极为基础，在获得较大磁场强度的前提下选择环柱开口式励磁结构，研制了开环式电磁励磁系统的新型比磁化系数测定仪。仪器主要包括开环式电磁励磁系统、质动数字测量机构、高精度磁场强度测量计、电气控制装置和比磁化系数测定系统(CMDS)软件，比磁化系数测定仪结构见图1。

图1　比磁化系数测定仪示意图

1.2工作原理

比磁化系数测定系统(CMDS)通过PID反馈调节技术自动控制、调节励磁机构的磁场强度，实时采集质动数字测量机构、磁场强度测量计的数字信息进行分析运算并同步绘制坐标图像，其中质动数字测量机构检测物质的质量m并实时测定物质在磁场空间受到的磁场力f，系统根据比磁化系数计算公式[6]得出物质的比磁化系数(式(1))。

(1)

式中：χ0为比磁化系数；f为作用在磁性物体颗粒上的磁力，N；m为样品的质量，kg；μ0为真空磁导率；H为磁场强度，A/m；gradH为磁场梯度。

2计算模型的建立

2.1物理模型的建立

根据环柱开口式励磁机构建立物理模型，模型几何尺寸见表1，并选取30°、45°、60° 3个极间夹角作为模拟参考。采用Maxwell的自适应四面体网格对电磁励磁机构进行网格划分，励磁铁芯网格自动加密，经检查网格质量满足数值模拟要求，几何模型见图2。

2.2求解控制的选择

参考研制的比磁化系数测定仪，励磁铁芯材料定义为steel1008，励磁线圈材料选择copper铜材质，安匝数设定为10000安匝，求解域大小设定值为200，激磁源加载在绕组线圈上，设定电流由线圈绕组内部的电流面流入，在线圈绕组内做环形流动。

3模拟结果与分析

3.1磁场矢量特征

在上述设定条件下，分别对极间夹角为30°、45°、60°的开环柱式磁系机构的磁场特性进行了数值模拟。沿磁系中截面，其磁场矢量模拟结果如图3、图4、图5所示。

表1　环柱开口式磁系模型几何尺寸/mm

图2　开环式磁系几何模型

图3　极间夹角30°磁场矢量图

图4　极间夹角45°磁场矢量图

由图3可知，当极间夹角为30°时，环柱式磁系的开口处，也就是比磁化系数测定的物质所在磁场空间，其磁力线分布不均匀，而由图4、图5可知，当极间夹角为45°和60°时，其磁力线分布较均匀，且分布在竖直中心线上的磁力线基本保持水平。由于磁场方向与磁力线方向垂直，所以当极间夹角为45°和60°时，磁系中心线处的磁场方向一致，且沿中心线指向圆心，这保证了待测物质在该磁场中受力的准确测定。开环柱式磁系内部和外部的磁场沿磁系中心线成对称式分布，保证了物质在水平方向所受磁场力的平衡。

3.2磁场强度分布特征

对极间夹角为45°和60°的磁系磁场强度特性进行了数值模拟，模拟结果如图6、图7所示。

图5　极间夹角60°磁场矢量图

图6　极间夹角45°磁场云图

图7　极间夹角60°磁场云图

由图6、图7可知，当极间夹角为45°和60°时，开环式磁系的磁场强度由磁隙到开口指向圆心方向逐渐增强，最高可达2.0T，由于磁系开口处磁气隙的存在，磁能损耗较高，磁场强度相对较低。极间夹角为60°时，空间最低磁场强度高于极间夹角为45°的最低磁场强度，且励磁线圈周围磁场强度明显高于极间夹角为45°的磁系机构，为获得较高的磁场强度和磁场梯度选定极间夹角为60°。

沿极间夹角为60°的磁系作中心线 Polyline2，如图7所示，沿中心线Polyline2向下距离随磁场强度变化曲线如图8所示。

由图8可知，沿磁系中心线Polyline2向下，磁场强度先升高后逐渐降低，磁系中心线上的磁场强度最高为1967Gauss。指向圆心方向，磁场强度逐渐增高，结合图7可知励磁铁芯磁场强度最高可达2.0T，空间磁场梯度较高，满足比磁化系数测定所需的磁场环境。

4测试试验

4.1模拟结果与试验对比

采用型号为CH-1500磁场强度测量仪对中心线Polyline2上9个点的磁场强度分别进行了测量，测量结果与数值模拟结果对比见图9。

图8　磁系开口中心线的磁场强度变化曲线

图9　模拟与测试对比

由图9可知，磁场强度的测定结果略偏低于数值模拟结果，平均相对误差为4.41%，数值模拟结果与试验测定结果具有较好的一致性，在误差允许范围内数值模拟结果具有较高的可靠性，可以为开环式电磁励磁系统设计提供参考依据。

4.2比磁化系数测定试验

用已知比磁化系数的莫尔氏盐进行标定。莫尔氏盐的比磁化系数χm与热力学温度T的关系见式(2)[8-9]。

(2)

当温度为26.5℃时，莫尔氏盐的比磁化系数为3.971×10-7m3/kg。通过CMDS设定磁场强度自动调节范围为400～1100kA/m，调节步长100 kA/m，自动绘制标准曲线，测定结果见图10。由图10可知，莫尔氏盐比磁化系数测试平均值为3.975×10-7m3/kg，理论误差为0.1%，满足校准精度。

图10　莫尔氏盐标定结果

对河北某地钒钛磁铁矿原矿的比磁化系数和比磁化强度进行了系统测定，其中原矿含Fe30.55%，TiO210.42%，V2O50.30%，磁场强度自动调节范围为300～1100 kA/m，调节步长为100 kA/m，测定结果见图11。由图11可知，外磁场强度为300～1100kA/m时，钒钛磁铁矿原矿的比磁化系数在50.3×10-7～20.5×10-7m3/kg范围内变化，平均值为30.35×10-7m3/kg。随着磁场强度的增加，比磁化系数逐渐降低，比磁化强度逐渐增加，当磁场强度增加到900～1100kA/m时，其比磁化系数在基本21.0×10-7m3/kg左右，变化趋势很小。即使是同一矿物，由于晶格构造不同或存在类质同相置换等原因，其比磁化系数和比磁化强度也不相同，该钒钛磁铁矿原矿的比磁化系数的测定可为磁选工艺参数的设定提供参考依据。

图11　钒钛磁铁矿原矿测定结果

5结论

1)通过对开环式电磁励磁系统磁场特性的数值模拟研究，实现了新型比磁化系数测定仪磁场特性可视化，发现其励磁系统的磁场强度关于励磁线圈中垂面对称，并沿励磁线圈到极间夹角方向呈递减趋势。

2)基于对开环式电磁励磁机构磁场特性的仿真模拟，确定了磁系极间夹角为60°的磁场特性更适合比磁化系数的准确测定。

3)通过模拟结果与试验结果对比，验证了基于Maxwell对开环式电磁励磁系统仿真计算的可靠性。应用新型开环式比磁化系数测定仪，采用莫尔氏盐定标，对某地钒钛磁铁矿原矿的比磁化系数和比磁化强度进行了系统测定，其测定结果准确，验证了数值模拟的可靠性和仪器工作的稳定性。

参考文献

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Simulation study on new susceptibility tester of open-loop magnetic system

WANG Xue-tao1，LI Meng1，NIU Fu-sheng1，WANG Chao2，BAI Li-mei1

(1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China；2.Shenyang Longji Magnet Co.，Ltd.，Fushun 113122，China )

Abstract:In order to explore the influence on magnetic field characteristics of susceptibility tester based on open-loop electromagnetic system，the magnetic field characteristics is numerically simulated by Ansys Maxwell.The magnetic field characteristics of susceptibility tester is visual and symmetrical on the midperpendicular plane of the excitation system；and when the angle of magnetic pole of open-loop magnetic system is 60°，the magnetic field characteristics is more suitable for the testing of susceptibility，the magnetic field strength shows a decreasing trend along the direction between excitation coil and the angle of the magnetic pole.Through the susceptibility testing experiment on Ammonium iron(Ⅱ) sulfate hexahydrate as standard and scientific experiment on Ilmenite iron ore concentrate，the reliability of numerical simulation and working stability of equipment is proved based on Maxwell.

Key words：susceptibility tester；open-loop magnetic system；magnetic field characteristics；numerical simulation

收稿日期：2015-08-25

基金项目：国家自然科学基金项目资助(编号：51474087)；河北省百名优秀创新人才支持计划项目资助(编号：BR2-214)

作者简介：王学涛(1990-)，男，硕士研究生，攻读华北理工大学矿业工程专业，主要从事选矿工艺方面的研究工作。E-mail：taoxuewang11@126.com。

中图分类号：TD353

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)06-0125-04