CN101281695A - 磁性流体密度分选演示仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及教学仪器。磁性流体密度分选演示仪，磁极张角20°－30°的可调张角；容器底部中间为倒V形，容器内斜底两侧分别放置长管道和短管道，斜底底面分别与物质颗粒传输系统的长、短管道进料口连通，长、短管道均为管道内上方安装有辘轱，辘轱上吊绳底端固定在吊料桶上，吊料桶放置管道内底部与管道侧壁进料口连通，管体上方侧壁带有出料槽，短管道出料槽与混料槽连通，混料槽底板为活动底板，长管道出料槽连通长运料槽，长运料槽连通短运料槽，短运料槽连通混料槽。本发明可将混在一起的几种不同密度物质颗粒分选出来，也可以进行选矿演示、不同种类有色金属碎块分选演示。

Description

磁性流体密度分选演示仪

一、技术领域：

本发明专利涉及教学实验仪器，特别是关于磁性流体物理实验仪。

二、背景技术：

磁性流体是一种顺磁液体材料，在磁场中它的表观密度会根据磁场及其磁场的强弱不同而不同。对磁场的强弱来说，磁场梯度大的地方磁性流体的表观密度就大，反之，磁场梯度小的地方磁性流体的表观密度就小。磁性流体研究及应用发展很快，目前有些国家已经研制出了磁性流体选矿机，已进行了工业应用，他们一般称之为铁磁性液体静力分选机。主要应用于矿砂精选，废旧电器、汽车等粉碎后有色金属块的分选。对有色金属铝、锌、铜等进行了有效分离，有的分选率达到了80％或更高。

对于教学来说，实验仪是最能直观反应磁性流体性能的设施，但是目前还有待进一步开展教学、科研和开发应用。

三、发明内容：

本发明专利目的是克服上述不足问题，提供一种磁性流体密度分选演示仪，分选效果显著，演示效果良好，大大提高学生对于磁性流体密度随磁场变化的认知度和开发能力。

本发明专利为实现上述目的所采用的技术方案是：磁性流体密度分选演示仪，主要由电磁铁、磁性流体容器、物质颗粒传送系统组成，电磁铁系统由磁极、上磁轭、铁心、下磁轭、线包组成，磁极张角20°-30°的可调张角；磁性流体容器为玻璃或有机玻璃长方形容器，容器底部中间为倒V形，容器内斜底两侧分别放置长管道和短管道，斜底底面分别与物质颗粒传输系统的长、短管道进料口连通长、短管道均为管道内上方通过转动曲轴安装有辘轱，辘轱上缠绕吊绳，吊绳底端固定在吊料桶上，吊料桶放置管道内底部，吊料桶上方管道侧壁上开有进料口，进料口与吊料桶连通，吊料桶与出料槽相接触的边带有自动旋转门，管体上方侧壁带有出料槽，短管道出料槽与混料槽连通，混料槽底板为活动底板，活动底板一端连接吊绳，长管道出料槽连通长运料槽，长运料槽连通短运料槽，短运料槽连通混料槽。

所述线圈系统被固定装在仪器箱中，磁极、磁性流体容器、传输系统安装在箱体表面上。

所述磁极长为300mm，宽100mm，磁极张角20°-30°的可调张角，磁极最小距离30mm，磁场最强可达1500高斯，磁极为DT₂磁极。

所述可控硅整流电源为线包的供电电源。

本发明磁性流体密度分选演示仪是材料学科中的液体材料和物理学中的电磁技术有机结合而发明的，用来演示分选不同密度物质颗粒的仪器，比如可将混在一起的几种不同密度物质颗粒分选出来，也可以进行选矿演示、不同种类有色金属碎块分选演示。

原理说明：一个在梯度磁场作用下的磁性流体中的物质颗粒将受四种力的作用，1从上向下的重力G_m，2磁性流体从下向上的浮力F_f，3磁场对物质颗粒的作用力F_m，4在非均匀磁场中磁性流体对物质颗粒的作用力F_s。在上述四种力中：

G_m＝ρ_m.V.g…(1)    F_f＝ρ_s.V.g…(2)分别为物质颗粒的垂直向下重力和磁性流体对物质颗粒的垂直向上的浮力。ρ_m、ρ_s分别为物质颗粒密度和磁性流体表观密度，V为物质颗粒体积，g为重力加速度。

F_m＝K_mVH dH/dy…(3)为磁场对物质颗粒的作用力。颗粒从上向下沉积时，首先要进入上边缘磁场，磁场强度和磁场梯度都是增加的，所以颗粒在非均匀磁场中会受到磁力作用(向下)。F_s＝K_sVHdH/dy…(4)为在梯度磁场中磁性流体对物质颗粒的作用力(向上)。如图1所示，当将一物质颗粒从磁性流体容器左边表面上投下时，它会在缓慢下沉的同时也会向x方向移动。假如不考虑颗粒的水平移动，颗粒下沉到一定位置后会停下来，这时就会有下边的等式出现：

(G_m+F_m)-(F_f+F_s)＝0…(5)

将上边(3)、(4)代入(5)式，经整理后得出下式：

V(Δρg-ΔKH dH/dy)＝0    因V≠0m  则有下试：

Δρg-ΔKH dH/dy＝0…(6)

即Δρg-ΔKHgradH＝0

(6)式被称为磁性流体密度分选演示仪的平衡方程式，

试中Δρ＝ρ_m-ρ_s

ΔK＝K_s-K_m

从(6)可看出，当Δρg＞ΔKH dH/dy时，物质颗粒是向上运动的；当Δρg＝ΔKH dH/dy时，物质颗粒是平衡的；

当Δρg＜ΔKH dH/dy时，物质颗粒是向下运动的。对于密度较大的物质颗粒，它可能较快地通过左边强磁场区下沉到容器的底部。对于密度较小的一些颗粒，就会停留在不同的平衡层上。在推导平衡方程式时，曾假设物质颗粒在水平x方向受力暂不考虑，实际上物质颗粒进入磁场区时，除了受上、下的作用力外，还受x方向力的作用。也就是说物质颗粒是处在x方向有梯度分布的磁场的磁性流体中，它将会受到一个从左向右即x方向静力的作用。所以物质颗粒在磁性流体中下沉的同时也在不断地向右移动。当移动到另一位置时，平衡可能不存在了，Δρg＜ΔKH dH/dy式出现了，密度较小的颗粒就会通过场区下沉到容器底部不同位置，于是不同密度颗粒被分开。由于磁极的张角和磁极边缘场的存在，不但会使磁场在x方向产生梯度，在y方向也会使磁场产生梯度。在磁极张角较小情况下，磁性流体表观密度在y方向变化较小，因此物质颗粒在y方向的受力和移动可以忽略不计。

四、附图说明：

图1为本发明磁流体随磁极张角变化示意图。

图2为本发明结构示意图。

图3为本发明磁流体容器结构示意图。

图4为本发明吊料桶结构示意图。

图5为本发明短管道结构示意图。

图6为本发明长管道结构示意图。

五、具体实施方式：

如图2所示的磁性流体密度分选演示仪，主要由电磁铁系统、磁性流体容器1、物质颗粒传送系统组成，电磁铁系统由磁极7、上磁轭8、铁心、下磁轭11、线包10组成，线圈系统被固定装在仪器箱12中，磁极、磁性流体容器、传输系统安装在箱体表面上，其中一对磁极的设计是最重要的，磁极7的张角、形状、大小会直接关系到分选演示仪的性能。从图1可以看出，当磁极较长且张角较小时，HH/d随x的变化是较小的，也就是说在x方向上变化一个较大的距离，而HH/d变化却不会很大，这样就容易将密度靠近的物质颗粒分得较开，这就提高了分选性能，提高了演示效果。在本电磁铁系统中为了有一定的调节余地，两磁极间张角可在20°-30°可调。磁铁设计时，磁场强度H和磁场梯度是两个重要参数，从(6)式可以得出，只有H×H/dy＞Δρ÷ΔK×g时，物质颗粒才能分层悬浮在磁性流体溶液中，也就是说，H×H/dy＞Δρ÷ΔK×g是物质颗粒分层的必要条件。对于一定的磁性流体和物质颗粒，Δρ、ΔK、g都是一定的，因而物质颗粒悬浮在哪一层将主要取决于H×H/dy大小。为了使两种密度比较靠近的颗粒分的更开些，更具有观赏性，取磁极长为300mm，宽100mm，磁极张角20°-30°可调，磁极最小距离30mm，磁场最强可达1500高斯，选DT₂为磁极材料。采用可控硅整流电源作为激磁线圈的供电电源，装有磁性流体9的磁性流体容器如图3所示的玻璃或有机玻璃长方形容器，容器底部中间呈倒V形，左边和右边的斜底，容器内斜底两侧分别放置长管道2和短管道5，斜底底面分别与物质颗粒传输系统的长、短管道进料口连通，这样从上边沉下来密度大的物质颗粒和密度小的颗粒，会分别落入左边和右边的斜底上，并滚进长、短管道里的吊料桶15中，短管道结构如图5、长管道结构如图6，长、短管道均为管道13内上方通过转动曲轴安装有辘轱19，辘轱上缠绕吊绳，吊绳位于限中板20中间孔内以防止运行时偏离，吊绳底端固定在吊料桶15上，吊料桶放置管道内底部，吊料桶上方管道侧壁上开有进料口14，进料口与分别与容器斜底和吊料桶连通，吊料桶与出料槽21相接触的边带有自动旋转门22，出料槽位于管体上方侧壁，短管道出料槽与混料槽17连通，混料槽底板为活动底板，活动底板一端连接吊绳18，吊绳由图2中的曲轴6控制，长管道出料槽连通长运料槽3，长运料槽连通短运料槽4，短运料槽连通混料槽17。分选的不同材料颗粒反复使用，(以下物质颗粒称为样品，密度相同的样品称单一样品16，混合在一起密度不同的样品称为混合样品)。摇曲轴6让吊绳将混料槽张开的活动底板提上来，并关好(混料槽底是活的；提动吊绳其底可上下开关)，将混和样品放入混料槽中，摇动曲轴，打开混料槽底，让混合样品进入磁性流体中。密度大的样品会首先穿过磁性流体，落到容器左边的斜底上，并通过短管道下边进料口滑入短管道中的吊料桶中。而密度较小的样品会不断地向右边漂移，当进入到它的密度大于该区域磁性流体的表观密度时，它就会沉入到容器1右边斜底上，并通过长管道2下边的进料口14滑入到长管道下边的吊料桶15中。分别摇动短管道和长管道中的辘轳，分别提起管道中的吊料桶。当吊料桶吊到出料槽时，吊料桶的旋转门22会自动打开，斜面桶底23使流体从出料口流出，短管道里吊料桶的单一样品会直接进入到混料槽中，而从长管道里吊出的单一样品，将进入到长运料槽中，经过滑流再进入到短运料槽中，再经过滑流也进入到混料槽中，这样一个工作流程就完成了。

Claims (4)

1、磁性流体密度分选演示仪，其特征是：其主要由电磁铁系统、磁性流体容器、物质颗粒传送系统组成，电磁铁系统由磁极(7)、上磁轭(8)、下磁轭(11)、线包(10)组成，磁极张角20°-30°的可调张角；磁性流体容器为玻璃或有机玻璃长方形容器，容器底部中间为倒V形，容器内斜底两侧分别放置长管道(2)和短管道(5)，斜底底面分别与物质颗粒传输系统的长、短管道进料口连通，长、短管道均为管道内上方通过转动曲轴安装有辘轱，辘轱(19)上缠绕吊绳，吊绳底端固定在吊料桶(15)上，吊料桶放置管道内底部，吊料桶上方管道侧壁上开有进料口(14)，进料口与吊料桶连通，吊料桶与出料槽相接触的边带有自动旋转门(22)，管体上方侧壁带有出料槽(21)，短管道出料槽与混料槽(17)连通，混料槽底板为活动底板，活动底板一端连接吊绳，长管道出料槽连通长运料槽(3)，长运料槽连通短运料槽(4)，短运料槽连通混料槽。

2、根据权利要求1所述的磁性流体密度分选演示仪，其特征是：线圈系统被固定装在仪器箱(12)中，磁极、磁性流体容器、传输系统安装在箱体表面上。

3、根据权利要求1所述的磁性流体密度分选演示仪，其特征是：磁极(7)长为300mm，宽100mm，磁极张角23°-30°的可调张角，磁极最小距离30mm，磁场最强可达1500高斯，磁极为DT₂磁极。

4、根据权利要求1所述的磁性流体密度分选演示仪，其特征是：线包(10)的供电电源为可控硅整流电源。

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