基于開環式電磁系統的新型比磁化系數測定儀的模擬研究

王學濤，李　萌，牛福生，王　超，白麗梅

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.沈陽隆基電磁科技股份有限公司，遼寧 撫順 113122)

基于開環式電磁系統的新型比磁化系數測定儀的模擬研究

王學濤1，李萌1，牛福生1，王超2，白麗梅1

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.沈陽隆基電磁科技股份有限公司，遼寧 撫順 113122)

摘要：為了探究開環式電磁系統對比磁化系數測定儀磁場特性的影響，采用Ansys Maxwell 對其電磁系統的磁場特性進行了數值模擬，實現了新型比磁化系數測定儀磁場特性可視化；發現勵磁系統的磁場特性關于勵磁線圈中垂面對稱，磁場強度沿勵磁線圈到極間夾角方向呈遞減趨勢；并得出開環式磁系結構的極間夾角為60°時，其磁場特性更適合比磁化系數的測定；通過莫爾氏鹽比磁化系數定標試驗和鈦鐵礦精礦測定試驗，驗證了基于Maxwell數值模擬的可靠性和儀器工作的穩定性。

關鍵詞：比磁化系數測定儀；開環式磁系；磁場特性；數值模擬

比磁化系數是礦物磁性重要參數，對磁選設備選擇以及選礦工藝指標的設定有著重要的意義[1-5]。比磁化系數測定儀采用質動力法直接測定物質磁性強弱，具有裝置簡單、精度高、自動化程度高等優點[6]。比磁化系數測定儀的磁系機構作為物質磁性測定的空間磁場勵磁源，其結構的合理設計對比磁化系數的準確測定有著至關重要的作用。根據現有簡易比磁化系數測定裝置的磁系結構，設計了一種場強高、梯度大的開環式電磁勵磁系統。

隨著Ansys Maxwell仿真模擬技術在工程電磁場中的廣泛應用，電磁勵磁系統的設計和優化得到了很大提高[7]，本文針對比磁化系數測定儀開環式電磁勵磁機構的設計，對其磁系機構采用有限元法進行了數值仿真模擬，為研制一種開環式電磁勵磁系統的新型比磁化系數測定儀提供了技術參考。

1新型比磁化系數測定儀的研制

1.1主要結構

以現有比磁化系數測定裝置的水平對稱磁極為基礎，在獲得較大磁場強度的前提下選擇環柱開口式勵磁結構，研制了開環式電磁勵磁系統的新型比磁化系數測定儀。儀器主要包括開環式電磁勵磁系統、質動數字測量機構、高精度磁場強度測量計、電氣控制裝置和比磁化系數測定系統(CMDS)軟件，比磁化系數測定儀結構見圖1。

圖1　比磁化系數測定儀示意圖

1.2工作原理

比磁化系數測定系統(CMDS)通過PID反饋調節技術自動控制、調節勵磁機構的磁場強度，實時采集質動數字測量機構、磁場強度測量計的數字信息進行分析運算并同步繪制坐標圖像，其中質動數字測量機構檢測物質的質量m并實時測定物質在磁場空間受到的磁場力f，系統根據比磁化系數計算公式[6]得出物質的比磁化系數(式(1))。

(1)

式中：χ0為比磁化系數；f為作用在磁性物體顆粒上的磁力，N；m為樣品的質量，kg；μ0為真空磁導率；H為磁場強度，A/m；gradH為磁場梯度。

2計算模型的建立

2.1物理模型的建立

根據環柱開口式勵磁機構建立物理模型，模型幾何尺寸見表1，并選取30°、45°、60° 3個極間夾角作為模擬參考。采用Maxwell的自適應四面體網格對電磁勵磁機構進行網格劃分，勵磁鐵芯網格自動加密，經檢查網格質量滿足數值模擬要求，幾何模型見圖2。

2.2求解控制的選擇

參考研制的比磁化系數測定儀，勵磁鐵芯材料定義為steel1008，勵磁線圈材料選擇copper銅材質，安匝數設定為10000安匝，求解域大小設定值為200，激磁源加載在繞組線圈上，設定電流由線圈繞組內部的電流面流入，在線圈繞組內做環形流動。

3模擬結果與分析

3.1磁場矢量特征

在上述設定條件下，分別對極間夾角為30°、45°、60°的開環柱式磁系機構的磁場特性進行了數值模擬。沿磁系中截面，其磁場矢量模擬結果如圖3、圖4、圖5所示。

表1　環柱開口式磁系模型幾何尺寸/mm

圖2　開環式磁系幾何模型

圖3　極間夾角30°磁場矢量圖

圖4　極間夾角45°磁場矢量圖

由圖3可知，當極間夾角為30°時，環柱式磁系的開口處，也就是比磁化系數測定的物質所在磁場空間，其磁力線分布不均勻，而由圖4、圖5可知，當極間夾角為45°和60°時，其磁力線分布較均勻，且分布在豎直中心線上的磁力線基本保持水平。由于磁場方向與磁力線方向垂直，所以當極間夾角為45°和60°時，磁系中心線處的磁場方向一致，且沿中心線指向圓心，這保證了待測物質在該磁場中受力的準確測定。開環柱式磁系內部和外部的磁場沿磁系中心線成對稱式分布，保證了物質在水平方向所受磁場力的平衡。

3.2磁場強度分布特征

對極間夾角為45°和60°的磁系磁場強度特性進行了數值模擬，模擬結果如圖6、圖7所示。

圖5　極間夾角60°磁場矢量圖

圖6　極間夾角45°磁場云圖

圖7　極間夾角60°磁場云圖

由圖6、圖7可知，當極間夾角為45°和60°時，開環式磁系的磁場強度由磁隙到開口指向圓心方向逐漸增強，最高可達2.0T，由于磁系開口處磁氣隙的存在，磁能損耗較高，磁場強度相對較低。極間夾角為60°時，空間最低磁場強度高于極間夾角為45°的最低磁場強度，且勵磁線圈周圍磁場強度明顯高于極間夾角為45°的磁系機構，為獲得較高的磁場強度和磁場梯度選定極間夾角為60°。

沿極間夾角為60°的磁系作中心線 Polyline2，如圖7所示，沿中心線Polyline2向下距離隨磁場強度變化曲線如圖8所示。

由圖8可知，沿磁系中心線Polyline2向下，磁場強度先升高后逐漸降低，磁系中心線上的磁場強度最高為1967Gauss。指向圓心方向，磁場強度逐漸增高，結合圖7可知勵磁鐵芯磁場強度最高可達2.0T，空間磁場梯度較高，滿足比磁化系數測定所需的磁場環境。

4測試試驗

4.1模擬結果與試驗對比

采用型號為CH-1500磁場強度測量儀對中心線Polyline2上9個點的磁場強度分別進行了測量，測量結果與數值模擬結果對比見圖9。

圖8　磁系開口中心線的磁場強度變化曲線

圖9　模擬與測試對比

由圖9可知，磁場強度的測定結果略偏低于數值模擬結果，平均相對誤差為4.41%，數值模擬結果與試驗測定結果具有較好的一致性，在誤差允許范圍內數值模擬結果具有較高的可靠性，可以為開環式電磁勵磁系統設計提供參考依據。

4.2比磁化系數測定試驗

用已知比磁化系數的莫爾氏鹽進行標定。莫爾氏鹽的比磁化系數χm與熱力學溫度T的關系見式(2)[8-9]。

(2)

當溫度為26.5℃時，莫爾氏鹽的比磁化系數為3.971×10-7m3/kg。通過CMDS設定磁場強度自動調節范圍為400～1100kA/m，調節步長100 kA/m，自動繪制標準曲線，測定結果見圖10。由圖10可知，莫爾氏鹽比磁化系數測試平均值為3.975×10-7m3/kg，理論誤差為0.1%，滿足校準精度。

圖10　莫爾氏鹽標定結果

對河北某地釩鈦磁鐵礦原礦的比磁化系數和比磁化強度進行了系統測定，其中原礦含Fe30.55%，TiO210.42%，V2O50.30%，磁場強度自動調節范圍為300～1100 kA/m，調節步長為100 kA/m，測定結果見圖11。由圖11可知，外磁場強度為300～1100kA/m時，釩鈦磁鐵礦原礦的比磁化系數在50.3×10-7～20.5×10-7m3/kg范圍內變化，平均值為30.35×10-7m3/kg。隨著磁場強度的增加，比磁化系數逐漸降低，比磁化強度逐漸增加，當磁場強度增加到900～1100kA/m時，其比磁化系數在基本21.0×10-7m3/kg左右，變化趨勢很小。即使是同一礦物，由于晶格構造不同或存在類質同相置換等原因，其比磁化系數和比磁化強度也不相同，該釩鈦磁鐵礦原礦的比磁化系數的測定可為磁選工藝參數的設定提供參考依據。

圖11　釩鈦磁鐵礦原礦測定結果

5結論

1)通過對開環式電磁勵磁系統磁場特性的數值模擬研究，實現了新型比磁化系數測定儀磁場特性可視化，發現其勵磁系統的磁場強度關于勵磁線圈中垂面對稱，并沿勵磁線圈到極間夾角方向呈遞減趨勢。

2)基于對開環式電磁勵磁機構磁場特性的仿真模擬，確定了磁系極間夾角為60°的磁場特性更適合比磁化系數的準確測定。

3)通過模擬結果與試驗結果對比，驗證了基于Maxwell對開環式電磁勵磁系統仿真計算的可靠性。應用新型開環式比磁化系數測定儀，采用莫爾氏鹽定標，對某地釩鈦磁鐵礦原礦的比磁化系數和比磁化強度進行了系統測定，其測定結果準確，驗證了數值模擬的可靠性和儀器工作的穩定性。

參考文獻

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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

基金項目：國家自然科學基金項目資助(編號：51474087)；河北省百名優秀創新人才支持計劃項目資助(編號：BR2-214)

作者簡介：王學濤(1990-)，男，碩士研究生，攻讀華北理工大學礦業工程專業，主要從事選礦工藝方面的研究工作。E-mail：taoxuewang11@126.com。

中圖分類號：TD353

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)06-0125-04