组合式多极电磁除铁器的设计及应用

杨 敏，张志刚，韩 臻，陈达坤

(山东博选矿物资源技术开发有限公司，山东 济宁 272000)

1 组合式多极电磁除铁器设计方案

通过现场调研分析，被遗漏铁器埋入煤层深，20%的尺寸大于70 mm、重量约0.5～2 kg、条状居多、材质磁性中等、量不大(吨煤0.5 kg左右)。选煤厂振动筛筛面煤层薄且散状移动，所有杂物暴露无遗，因此，选择在振动筛筛分过程中将其清除[10]。振动筛筛分物料速度为200 mm/s，厚度150 mm，宽度3 000 mm，振幅10 mm，频率16 Hz。最初设想采用硬磁铁吊装在筛面上用以除杂，但是由于其体积大、重量大，不仅会影响筛机维修检查，且清理杂物难度大，安全系数低，后又考虑将其安装在筛前落料点，但距离远时吸力达不到，距离近时会影响筛分。通过市场调研，没有找到能拦截3 m以上宽度的电磁铁，因此提出自行研制的想法[11-13]，把电磁铁单元化进行组装，利用磁场强度叠加原理达到现场需要的目的。

2 组合式电磁除铁器工作原理

组合式多极电磁除铁器(图1)是以满足现场使用为目的，基于磁场叠加对磁力合成影响的原理，在现有磁电技术基础上进行创新，先后从磁体极性、铁芯结构、磁场强度等方面进行分析，最终达到现场要求。

图1 组合式多极电磁除铁器结构示意

(1)设计理念：是对电磁铁进行单元化结构设计，同时以小重量级磁性杂物为清除对象，吸力一般都在几千克之内，由于单体磁极结构相同，便于组合在一起，能形成较大的覆盖范围，同时，单磁体小型化，结构相同，互换性强，便于不同筛子的调配试用、安装维护。

(2)磁极中心化向网络化发展：磁极靠近中心轴方向磁场强度最大，磁力线也最密集。去中心化的优势是同样磁功率条件下，产生更大面积磁力分布，达到磁力吸程均衡的效果，同磁极磁力线伸展性好，将多个单元磁体同极性梳状排列后，中心断面的磁场强度梯度变化趋向平缓。

(3)提高磁场分布梯度：采用多匝数小电流，具备高梯度、低温升、低功率节能特性。

(4)电磁铁整体呈梳状结构：安装在有限空间的振动筛内。要求单体磁极小形化，结构相同，便于磁体组合，首台应用在3 m宽度的振动筛上进行全断面无间隙拦截磁性杂物。

(5)磁极中心剖面的磁力合成具有均衡性：采取极性异性相间排列，每个磁极的中心线之间的吸力达到吸取磁性杂物的要求，不能出现吸力薄弱空档，吸力强度在中心线剖面形成一道封闭的拦截墙，避免杂物漏失。200 mm吸程产生的合成力大于垂直分量。

(6)磁体移动具有实时性：顾及到物料量的变化、振动筛的维修以及卸料等因素，要求磁体具有较好的调节性，能在工作中实现前后、上下的移动，所以采取机械式支架结构安装。虽然整体设备有4 t左右，但是移动起来比较省力，只需要1个人就可以完成操作，后续具有电动驱动的条件。

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(7)产品参数设定：技术参数要求磁场引力吸程200 mm，与物料保持足够的空间，畅通不堵塞，方便走料；最大吸力满足45°角度，2 kg磁性杂物能被吸起(因为物料中最重磁性杂物1.7 kg)，保留足够的冗余度。

3 设备总体要求

(1)设备所有部件工艺制造规范、功能齐全，在正常情况下均能安全、持续运行。

(2)具有良好的表面几何形状及合适的公差配合，所有外购配套件必须采用节能、环保、先进的材料配件，并有生产许可证及产品检验合格证，禁止采用国家公布的淘汰产品。

(3)因除铁器安装在室内，环境潮湿、多尘，设备要求能长时间经受低温粉尘、溅水振动等工作条件。

(4)除铁器为悬挂式梳状多极电磁除铁器，布置于振动筛上面，全断面拦截，满足连续不断的自动吸取磁性杂物，移动自卸料方式，并且卸料到指定位置，不影响生产。

4 工艺特点及设备性能指标

4.1 工艺特点

(1)除铁器磁芯(即电磁铁部分)为超高H级绝缘。具有优良的绝缘和耐腐蚀性能(冷态绝缘电阻≥500 MΩ，热态绝缘电阻≥200 MΩ)。

(2)除铁器磁系采用真空环氧灌注和真空浸漆工艺处理，磁系线圈绕线的层匝间隙、线圈与轭板间隙真正实现全填充、全灌注，确保励磁通电瞬间，线圈固定纹丝不动，有效地防潮、防尘，因而能够适应各种恶劣环境需要。同时，真空环氧灌注能很好的固定线圈，延长设备的使用寿命。

(3)除铁器磁系绝缘工艺要使用真空环氧树脂灌注，不可采用石英砂等其它材料作为填充材料。因为石英砂填充结构松散，不能起到固定线圈作用，使用过程中通电过程会造成线圈磨损和绝缘脱落等问题，严重影响使用寿命。

(4)密封导磁筒与大轭板间为连续焊接结构，不采用螺栓固定结构。防止在导磁筒和大轭板之间会留有一定的缝隙，导致潮气等进入到线圈内部，降低除铁器的绝缘，影响使用寿命。

(5)采用高导磁率、高饱和磁感应强度的DT4电工纯铁做为铁芯，降低了冷热态磁场差异，提高了总磁场的稳定性。除铁器对外提供的磁场包括两部分：一是线圈提供的励磁磁场，它会随冷热态发生变化。二是软磁铁芯被磁化后提供的磁场。后者是除铁器磁场的主要提供源，它随磁化场增大而增大，直到饱和磁化(如弹簧随压力变化伸缩，当达到极限时便不再随压力变化而变化)。

(6)采用多层绕组加散热翅片的自然风冷散热结构，使散热面积大幅提高，散热更加均匀，大大降低温升和磁芯表面温度，使除铁器冷热态性能差异降至最小，也有效地防止了粉尘的沉积，起到阻燃作用。而单线圈绕组结构则使线圈绕组过厚，而散热的实质就是温差传热过程，过厚的线圈会使内部温度过高，易破坏线圈的层匝绝缘。

4.2 设备性能指标

组合式多极电磁除铁器设备性能指标见表1。

表1 设备性能指标

5 组合式电磁除铁器摸拟实验

组合式电磁除铁器设计功率为9.23 kW，电流30～35 A，采取真空浸漆环氧灌注工艺，磁物(铁板)倾角为45°时，吸程200 mm处吸力约40～45 N。组合式电磁除铁器进行模拟实验时，不断调整柱形铁芯结构尺寸、安匝数及间隙等参数，从而改变电流大小，以获得磁极组合体中心轴断面磁场强度分布的一般规律，图2、图3展示了不同形状磁极组合体进行软件模拟的测试图，左侧图形均代表磁极组合体中心轴断面磁场强度随电流变化的规律，右侧图形直观显示磁极组合体磁场强度大小，其中红色表示磁场强度最大，外延至绿色表示磁场强度逐渐减弱。图2是3个圆柱形磁极组合体进行软件模拟的测试图，由图可知，当采用圆柱形磁极组合体时，四周磁场分布不均，磁场强度差异明显，实际运用中可能出现较多吸力薄弱的空档。

图2 圆柱形磁极组合体软件模拟测试

将磁极由圆柱形改为图3中间矩形(470mm ×130mm× 482mm)、两边半圆(φ130 mm)结构的形式再进行软件模拟测试，结果显示，磁极组合体中心轴断面磁场分布平缓，磁力均衡，采用较小的电流就可使每个磁极的中心线之间的吸力达到吸取磁性杂物的要求，吸力强度在中心线剖面可形成一道封闭的“拦截墙”，避免磁性杂物漏失，效果明显比圆柱形磁极组合体结构好。

图3 中间矩形、两边半圆磁极组合体软件模拟测试

6 应用效果

组合式多极电磁除铁器在亭南选煤厂投入使用后，采用即停即清的方式，每日清理铁器约20 kg，磁性杂物净化率可高达100%。通过净化煤流，一方面减少了铁器对下游设备的损害，通过对比设备更换周期，混料泵使用周期延长30%，每年可以节省3台泵，减少设备投入80余万元；另一方面，减少因铁器进入混料桶造成的压桶事故，组合式多极电磁除铁器投入使用前，为了防止铁器在混料桶(2个一段混料桶，1个二段混料桶)积攒，每两个月需要进行一次放桶处理，每个混料桶每次消耗介质10 t左右，组合式多极电磁除铁器投入使用后，每年可节约介质约180 t，节约成本10余万元，同时还大大降低了职工的劳动强度。

7 结 语

产品磁性杂物彻底净化是绿色矿山开采的总体要求，组合式多极电磁除铁器的成功研发及应用，在设备安全性、生产持续性、解决产品污染等方面具有实际意义，对降低事故率、促进选煤厂安全生产具有重要推动作用。