基于開環(huán)式電磁系統(tǒng)的新型比磁化系數(shù)測定儀的才擬研究
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
王學(xué)濤1，李 萌1，牛福生1，王 超2，白麗梅1
（1．華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)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(huán)式電磁系統(tǒng)對比磁化系數(shù)測定儀磁場特性的影響，采用Ansys Maxwell對其電磁系統(tǒng)的磁場特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)了新型比磁化系數(shù)測定儀磁場特性可視化；發(fā)現(xiàn)勵磁系統(tǒng)的磁場特性關(guān)于勵磁線圈中垂面對稱，磁場強(qiáng)度沿勵磁線圈到極間夾角方向呈遞減趨勢；并得出開環(huán)式磁系結(jié)構(gòu)的極間夾角為600時，其磁場特性更適合比磁化系數(shù)的測定；通過莫爾氏鹽比磁化系數(shù)定標(biāo)試驗(yàn)和鈦鐵礦精礦測定試驗(yàn)，驗(yàn)證了基于Maxwell數(shù)值模擬的可靠性和儀器工作的穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：比磁化系數(shù)測定儀；開環(huán)式磁系；磁場特性；數(shù)值模擬
中圖分類號：TD353 文章編號：1004-4051(2016) 06-0125-04
比磁化系數(shù)是礦物磁性重要參數(shù)，對磁選設(shè)備選擇以及選礦工藝指標(biāo)的設(shè)定有著重要的意義。比磁化系數(shù)測定儀采用質(zhì)動力法直接測定物質(zhì)磁性強(qiáng)弱，具有裝置簡單、精度高、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)。比磁化系數(shù)測定儀的磁系機(jī)構(gòu)作為物質(zhì)磁性測定的空間磁場勵磁源，其結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計對比磁化系數(shù)的準(zhǔn)確測定有著至關(guān)重要的作用。根據(jù)現(xiàn)有簡易比磁化系數(shù)測定裝置的磁系結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種場強(qiáng)高、梯度大的開環(huán)式電磁勵磁系統(tǒng)。
隨著Ansys Maxwell仿真模擬技術(shù)在工程電磁場中的廣泛應(yīng)用，電磁勵磁系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化得到了很大提高，本文針對比磁化系數(shù)測定儀開環(huán)式電磁勵磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計，對其磁系機(jī)構(gòu)采用有限元法進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，為研制一種開環(huán)式電磁勵磁系統(tǒng)的新型比磁化系數(shù)測定儀提供了技術(shù)參考。
1 新型比磁化系數(shù)測定儀的研制
1.1 主要結(jié)構(gòu)
以現(xiàn)有比磁化系數(shù)測定裝置的水平對稱磁極為基礎(chǔ)，在獲得較大磁場強(qiáng)度的前提下選擇環(huán)柱開口式勵磁結(jié)構(gòu)，研制了開環(huán)式電磁勵磁系統(tǒng)的新型比磁化系數(shù)測定儀。儀器主要包括開環(huán)式電磁勵磁系統(tǒng)、質(zhì)動數(shù)字測量機(jī)構(gòu)、高精度磁場強(qiáng)度測量計、電氣控制裝置和比磁化系數(shù)測定系統(tǒng)( CMDS)軟件，比磁化系數(shù)測定儀結(jié)構(gòu)見圖1。
1.2工作原理
比磁化系數(shù)測定系統(tǒng)( CMDS)通過PID反饋調(diào)節(jié)技術(shù)自動控制、調(diào)節(jié)勵磁機(jī)構(gòu)的磁場強(qiáng)度，實(shí)時采集質(zhì)動數(shù)字測量機(jī)構(gòu)、磁場強(qiáng)度測量計的數(shù)字信息進(jìn)行分析運(yùn)算并同步繪制坐標(biāo)圖像，其中質(zhì)動數(shù)字測量機(jī)構(gòu)檢測物質(zhì)的質(zhì)量m并實(shí)時測定物質(zhì)在磁場空間受到的磁場力f，系統(tǒng)根據(jù)比磁化系數(shù)計算公式得出物質(zhì)的比磁化系數(shù)(式(1))。
2計算模型的建立
2.1 物理模型的建立
根據(jù)環(huán)柱開口式勵磁機(jī)構(gòu)建立物理模型，模型幾何尺寸見表1，并選取300、450、6003個極間夾角作為模擬參考。采用Maxwell的自適應(yīng)四面體網(wǎng)格對電磁勵磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，勵磁鐵芯網(wǎng)格自動加密，經(jīng)檢查網(wǎng)格質(zhì)量滿足數(shù)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(shù)測定儀，勵磁鐵芯材料定義為stee11008，勵磁線圈材料選擇copper銅材質(zhì)，安匝數(shù)設(shè)定為10000安匝，求解域大小設(shè)定值為200，激磁源加載在繞組線圈上，設(shè)定電流由線圈繞組內(nèi)部的電流面流入，在線圈繞組內(nèi)做環(huán)形流動。
3模擬結(jié)果與分析
3.1 磁場矢量特征
在上述設(shè)定條件下，分別對極間夾角為300、450、600的開環(huán)柱式磁系機(jī)構(gòu)的磁場特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。沿磁系中截面，其磁場矢量模擬結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。
由圖3可知，當(dāng)極間夾角為300時，環(huán)柱式磁系的開口處，也就是比磁化系數(shù)測定的物質(zhì)所在磁場空間，其磁力線分布不均勻，而由圖4、圖5可知，當(dāng)極間夾角為450和600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(dāng)極間夾角為450和600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(zhì)在該磁場中受力的準(zhǔn)確測定。開環(huán)柱式磁系內(nèi)部和外部的磁場沿磁系中心線成對稱式分布，保證了物質(zhì)在水平方向所受磁場力的平衡。
3.2 磁場強(qiáng)度分布特征
對極間夾角為450和600的磁系磁場強(qiáng)度特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖6、圖7所示。
由圖6、圖7可知，當(dāng)極間夾角為450和600時，開環(huán)式磁系的磁場強(qiáng)度由磁隙到開口指向圓心方向逐漸增強(qiáng)，最高可達(dá)2. 0T，由于磁系開口處磁氣隙的存在，磁能損耗較高，磁場強(qiáng)度相對較低。極間夾角為600時，空間最低磁場強(qiáng)度高于極間夾角為450的最低磁場強(qiáng)度，且勵磁線圈周圍磁場強(qiáng)度明顯高于極間夾角為450的磁系機(jī)構(gòu)，為獲得較高的磁場強(qiáng)度和磁場梯度選定極間夾角為600。
沿極間夾角為60 0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(qiáng)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(qiáng)度先升高后逐漸降低，磁系中心線上的磁場強(qiáng)度最高為1967Gauss。指向圓心方向，磁場強(qiáng)度逐漸增高，結(jié)合圖7可知勵磁鐵芯磁場強(qiáng)度最高可達(dá)2. 0T，空間磁場梯度較高，滿足比磁化系數(shù)測定所需的磁場環(huán)境。
4測試試驗(yàn)
4.1模擬結(jié)果與試驗(yàn)對比
采用型號為CH-1500磁場強(qiáng)度測量儀對中心線Polyline2上9個點(diǎn)的磁場強(qiáng)度分別進(jìn)行了測量，測量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比見圖9。
由圖9可知，磁場強(qiáng)度的測定結(jié)果略偏低于數(shù)值模擬結(jié)果，平均相對誤差為4.41%，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)測定結(jié)果具有較好的一致性，在誤差允許范圍內(nèi)數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的可靠性，可以為開環(huán)式電磁勵磁系統(tǒng)設(shè)計提供參考依據(jù)。
4.2 比磁化系數(shù)測定試驗(yàn)
用已知比磁化系數(shù)的莫爾氏鹽進(jìn)行標(biāo)定。莫爾氏鹽的比磁化系數(shù)X m與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系見式(2)。
當(dāng)溫度為26.5 0C時，莫爾氏鹽的比磁化系數(shù)為3. 971×10-7m。/kg。通過CMDS設(shè)定磁場強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)范圍為400～1100kA／m，調(diào)節(jié)步長100 kA/m，自動繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，測定結(jié)果見圖10。由圖10可知，莫爾氏鹽比磁化系數(shù)測試平均值為3. 975×10 -7m。/kg，理論誤差為0.1%，滿足校準(zhǔn)精度。
對河北某地釩鈦磁鐵礦原礦的比磁化系數(shù)和比磁化強(qiáng)度進(jìn)行了系統(tǒng)測定，其中原礦含F(xiàn)e30. 55%，TiO210. 42%，V2O50.30%，磁場強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)范圍為300～1100 kA／m，調(diào)節(jié)步長為100kA/m，測定結(jié)果見圖11。由圖11可知，外磁場強(qiáng)度為300～1100kA/m時，釩鈦磁鐵礦原礦的比磁化系數(shù)在50.3×10-7～20.5 X10-7m3／kg范圍內(nèi)變化，平均值為30. 35×10-7 m3／kg。隨著磁場強(qiáng)度的增加，比磁化系數(shù)逐漸降低，比磁化強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)磁場強(qiáng)度增加到900～1100kA／m時，其比磁化系數(shù)在基本21.0×10-7 m3／kg左右，變化趨勢很小。即使是同一礦物，由于品格構(gòu)造不同或存在類質(zhì)同相置換等原因，其比磁化系數(shù)和比磁化強(qiáng)度也不相同，該釩鈦磁鐵礦原礦的比磁化系數(shù)的測定可為磁選工藝參數(shù)的設(shè)定提供參考依據(jù)。
5 結(jié) 論
1)通過對開環(huán)式電磁勵磁系統(tǒng)磁場特性的數(shù)值模擬研究，實(shí)現(xiàn)了新型比磁化系數(shù)測定儀磁場特性可視化，發(fā)現(xiàn)其勵磁系統(tǒng)的磁場強(qiáng)度關(guān)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(huán)式電磁勵磁機(jī)構(gòu)磁場特性的仿真模擬，確定了磁系極間夾角為600的磁場特性更適合比磁化系數(shù)的準(zhǔn)確測定。
3)通過模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證了基于Maxwell對開環(huán)式電磁勵磁系統(tǒng)仿真計算的可靠性。應(yīng)用新型開環(huán)式比磁化系數(shù)測定儀，采用莫爾氏鹽定標(biāo)，對某地釩鈦磁鐵礦原礦的比磁化系數(shù)和比磁化強(qiáng)度進(jìn)行了系統(tǒng)測定，其測定結(jié)果準(zhǔn)確，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性和儀器工作的穩(wěn)定性。
