CN107824333B - 一种交叉排列棒介质高梯度磁选机控制参数自适应匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交叉排列棒介质高梯度磁选机控制参数自适应匹配方法，包括以下步骤：S1、建立棒介质组磁场二维简化模型，将磁场划分为多个相同的六边形单元进行分析；S2、计算模型中磁性颗粒的有效捕集区域内磁场力的分布；S3、计算捕集椭圆的临界值，确定磁性单体颗粒的捕集区域；S4、根据捕集椭圆的临界值，预测精矿分选指标，包括精矿回收率、产率及品味；S5、调整高梯度磁选机的控制参数，分别计算和对比不同磁介质、矿浆浓度、流速、背景场强下的精矿的回收率、产率及品位，确定适宜于该精矿分选的高梯度磁选机的控制参数。本发明能够有效的对高梯度磁选效率进行预评估，从而确立合适的分选方案，并大大降低模拟试验次数。

Description

一种交叉排列棒介质高梯度磁选机控制参数自适应匹配方法

技术领域

本发明涉及选矿设备技术领域，尤其涉及一种交叉排列棒介质高梯度磁选机控制参数自适应匹配方法。

背景技术

梯度磁选机是当前分选(微)细粒弱磁性金属矿(氧化铁矿、钦铁矿、黑钨矿等)和非金属矿(石英、长石、高岭土等)的关键设备，具有广泛的应用。高梯度磁选的效率与其采用的捕收介质种类和丝极尺寸有关。棒介质因其工作可靠性高、易于实现优化组合排列和不易堵塞的优点，被众多高梯度磁选机采用，众多的磁选实验也表明交叉排列棒介质组合的分选效率高于其它组合方式。目前，磁介质的磁场分析和设计开发基本采用传统的“单丝磁力捕获”理论，忽略介质丝间的磁场相互作用，导致理论分析与实际结果相距甚远。陈禄振采用实物模拟方法，加工设计多个薄层单元介质模块，通过其磁介质排列组合来对其捕集效果进行实证研究。更多的是采用有限元软件对磁场强度进行求解来确定合适的磁介质类型。

在实际高梯度磁选过程中，由于弱磁性矿粒运动涉及影响因素较多，其主要影响参数(矿浆浓度、流速、背景场强大小)与给矿间关系的多依赖于小型试验的方法来确定，这些对高梯度磁选实践的指导能力还需提高，难以实现模块化控制。柴天佑等根据强磁选品位指标期望值以及基础控制回路的实际值，对强磁选别过程的基础控制回路的设定值进行优化控制，采用动态补偿方法有效抑制各种未知干扰对选别过程的不利影响，旨在提高精矿品位，降低尾矿品位，但该方法不能对高梯度磁选设备控制参数进行初始设定。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种交叉排列棒介质高梯度磁选机控制参数自适应匹配方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种交叉排列棒介质高梯度磁选机控制参数自适应匹配方法，包括以下步骤：

S1、建立棒介质组磁场二维简化模型，将磁场划分为多个相同的六边形单元进行分析；在六边形单元内用两组通过棒介质圆心点的偏心椭圆簇来拟合磁场力等值线，相邻棒介质中心线均为其中一椭圆的切线，中心点为切点，该椭圆与圆棒相交区域视为磁性颗粒最大捕集区域；

S2、计算模型中磁性颗粒的有效捕集区域内磁场力的分布；

S3、计算捕集椭圆的临界值，确定磁性单体颗粒的捕集区域，即确定捕集椭圆与X轴的交点；

S4、根据捕集椭圆的临界值，预测精矿分选指标，包括精矿回收率、产率及品味；

S5、调整高梯度磁选机的控制参数，包括矿浆浓度、流速和背景场强；分别计算和对比不同磁介质、矿浆浓度、流速、背景场强下的精矿的回收率、产率及品位，确定适宜于该精矿分选的高梯度磁选机的控制参数。

进一步地，本发明的步骤S1中通过椭圆的偏心率对椭圆进行限定，其偏心率为：

其中，R为棒介质半径，L与d分别为平行和垂直于磁场方向上的介质间距。

进一步地，本发明的步骤S2中通过配套软件实现基于角变化的磁场数值计算方法，进而对磁场力的分布进行计算。

进一步地，本发明的步骤S2中计算磁场力分布的方法还包括：

当x＝±R时,则平行排列棒介质在x轴方向上磁场力获得最大值F_max，其值为：

当x＝±2(R+L)时,磁场力最小值F_min在相邻棒心连线的中点上，其值为：

当拟合椭圆长轴2a≤R时，磁场力为：

式中：m与x分别为六边形及拟合椭圆簇与x轴正方向的交点坐标；

联合上述公式及近似椭圆簇，得到有效捕集区域内磁场力的近似分布示意图。

进一步地，本发明的步骤S3中计算捕集椭圆的临界值，确定磁性单体颗粒的捕集区域的方法具体为：

S31、计算不同性质或粒级范围的磁性颗粒的平均粒径，将其假设为完全单体解离的磁性颗粒并视作是形状均一、半径一致的球体，用于分析单体颗粒在流体中运动会受到磁力、重力、流体阻力及其它不同力的影响；

S32、求解x轴正方向上的颗粒所受磁力，其计算公式为：

式中：m、ρ、d_p、χ₀分别为矿粒质量、密度、直径、比磁化系数；μ₀为载体的磁导率；H₀为背景场强；f_m为磁场力；

设矿粒为匀速运动，根据流体绕流理论获得聚磁介质周围矿浆的流度，颗粒所受曳力公式表述为：

F_d＝ψd_p ²ρ_fv²

式中，Ψ为单颗粒阻力系数；d_p为矿粒直径；ρ_f为流体密度；v为颗粒流-体相对运动速度；

磁场力的数值计算中采用到网格，因此对于相同磁力线上任意点的磁速度用网格上的数值来进行计算，其初速度为0，Δf_m和Δs为节点上的磁场力及位移，则磁速度变化Δv为：

S33、计算x轴正方向上磁性颗粒磁力及流体阻力差值及二者合力的方向，当差值小于颗粒重力或合力方向偏离棒介质，则颗粒不能被捕集，由此确定磁性颗粒捕集的临界值，也即捕集椭圆与x轴的交点。

进一步地，本发明的步骤S4中预测精矿分选指标的方法具体为：

设分选精矿名称为J,元素名称为M，则精矿回收率、产率及品位的预测采用如下公式进行计算：

精矿回收率计算公式为：

精矿产率计算公式为：

精矿中M品位的计算公式为：

式中：α为原矿中M的品位，k为精矿J有效捕集区域与六边形区域面积的比值，a_i为不同捕获磁性矿物在原矿中的比例，k_i为不同捕获磁性矿物有效捕集区域与六边形区域面积的比值。

进一步地，本发明的步骤S5中的矿浆浓度控制在25％-35％。

本发明产生的有益效果是：本发明的交叉排列棒介质高梯度磁选机控制参数自适应匹配方法，依据不同磁介质高梯度设备内的磁场特性以及给矿性质(原矿组成及品位、颗粒粒度分布、比磁化率等)来确定磁介质规格，在计算捕集椭圆的临界值的基础上，通过理论公式估算出不同条件下精矿的产率、品位和回收率等，从而对高梯度磁选机的相关控制参数(矿浆浓度及流速、背景场强等)进行基本设定，该方法可以大大减少小型模拟实验的次数，也有助于实现高梯度磁选的自动优化控制；并且，本发明采用偏心椭圆簇方法对高梯度磁场中磁性颗粒捕集区域进行拟合，然后计算精矿的回收率、产率以及品位，能够有效的对高梯度磁选效率进行预评估，从而确立合适的分选方案，并大大降低模拟试验次数。该方法对弱磁性矿物的高梯度磁选实践也具有一定的指导意义，同时有利益于实现高梯度磁选过程的自动优化控制。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是交叉排列棒介质组磁场二维简化模型示意图；

图2是单根棒介质周围不同磁性颗粒捕集范围(椭圆)示意图

图3交叉排列棒介质高梯度磁选机控制参数自适应匹配流程图；

图4是实施例中磁场力分布及拟合示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的交叉排列棒介质高梯度磁选机控制参数自适应匹配方法，包括以下步骤：

S1、建立棒介质组磁场二维简化模型，将磁场划分为多个相同的六边形单元进行分析；在六边形用两组通过棒介质圆心点的偏心椭圆簇来拟合磁场力等值线，相邻棒介质中心线均为其中一椭圆的切线(中心点为切点)，该椭圆与圆棒相交区域视为磁性颗粒最大捕集区域；设R为棒介质半径，L与d分别为平行和垂直于磁场方向上的介质间距，该椭圆簇的偏心率为：

S2、计算模型中磁性颗粒的有效捕集区域内磁场力的分布；步骤S2中通过配套软件实现基于角变化的磁场数值计算方法，进而对磁场力的分布进行计算。或者，步骤S2中计算磁场力分布的方法还包括：

当x＝±R时,则平行排列棒介质在x轴方向上磁场力获得最大值F_max，其值为：

当x＝±2(R+L)时,磁场力最小值F_min在相邻棒心连线的中点上，其值为：

当拟合椭圆长轴2a≤R时，磁场力为：

式中：m与x分别为六边形及拟合椭圆簇与x轴正方向的交点坐标；

联合上述公式及近似椭圆簇，得到有效捕集区域内磁场力的近似分布示意图。

S3、计算捕集椭圆的临界值，确定磁性单体颗粒的捕集区域，即确定捕集椭圆与X轴的交点(椭圆短轴长2b)；

S31、计算不同性质或粒级范围的磁性颗粒的平均粒径，将其假设为完全单体解离的磁性颗粒并视作是形状均一、半径一致的球体，用于分析单体颗粒在流体中运动会受到磁力、重力、流体阻力及其它不同力的影响；

S32、求解x轴正方向上的颗粒所受磁力，其计算公式为：

式中：m、ρ、d_p、χ₀分别为矿粒质量、密度、直径、比磁化系数；μ₀为载体的磁导率；H₀为背景场强；f_m为磁场力；

设矿粒为匀速运动，根据流体绕流理论获得聚磁介质周围矿浆的流度，颗粒所受曳力公式表述为：

F_d＝ψd_p ²ρ_fv²

式中，Ψ为单颗粒阻力系数；d_p为矿粒直径；ρ_f为流体密度；v为颗粒流-体相对运动速度；

磁场力的数值计算中采用到网格，因此对于相同磁力线上任意点的磁速度用网格上的数值来进行计算，其初速度为0，Δf_m和Δs为节点上的磁场力及位移，则磁速度变化Δv为：

S33、捕集区域分析：

在高梯度磁选过程中,为了回收磁性矿粒，必须使作用在该矿粒上的磁力大于与磁力方向相反的所有机械力的合力。计算x轴正方向上磁性颗粒磁力及流体阻力差值及二者合力的方向，当差值小于颗粒重力或合力方向偏离棒介质，则颗粒不能被捕集，由此确定磁性颗粒捕集的临界值，也即捕集椭圆与x轴的交点(椭圆短轴长2b)。

设背景场强为T时，精矿捕集的临界值为δ(＝2b)，则其捕集范围为短轴为b的椭圆(双侧)与圆棒交叉的区域。同样确定获得其它性质(粒级)磁性矿粒的捕集区域。

若精矿捕集椭圆的临界值超出六边形区域(δ>m)，这意味着区域内的非磁性颗粒夹杂机率将大大增加，其回收率也达到临界值，因此继续提高背景场强对精矿回收率的影响有限，反而会降低精矿品位。与六边形相切的捕集椭圆C与x轴正方向的交点坐标P视为最大临界值。

S4、颗粒捕集效率计算，根据捕集椭圆的临界值，预测精矿分选指标，包括精矿回收率、产率及品味；

设分选精矿名称为J,元素名称为M，则精矿回收率、产率及品位的预测采用如下公式进行计算：

精矿回收率计算公式为：

精矿产率计算公式为：

精矿中M品位的计算公式为：

式中：α为原矿中M的品位，k为精矿J有效捕集区域与六边形区域面积的比值，a_i为不同捕获磁性矿物在原矿中的比例，k_i为不同捕获磁性矿物有效捕集区域与六边形区域面积的比值。

S5、调整高梯度磁选机的控制参数，包括矿浆浓度、流速和背景场强；分别计算和对比不同磁介质、矿浆浓度、流速、背景场强下的精矿的回收率、产率及品位，确定适宜于该精矿分选的高梯度磁选机的控制参数。其中由于矿浆浓度的影响磁性颗粒所受曳力，一般控制在30％左右，最大不能超过35％。

在本发明的另一个具体实施例中：

某富铪锆矿经水重选粗选(跳汰－摇床选别)后获得的粗精矿为原矿，矿物组成及其相对含量见表1；

元素	ZrO<sub>2</sub>	Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	SnO<sub>2</sub>	HfO<sub>2</sub>	Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Yb<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	U<sub>3</sub>O<sub>8</sub>	TiO<sub>2</sub>	Nd<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	K<sub>2</sub>O	SiO<sub>2</sub>
															含量/％	45.62	3.13	0.97	3.86	0.41	7.62	3.31	0.62	0.69	0.41	0.44	0.21	1.13	30.23

多元素分析结果为：

矿物名称	钛铁矿	赤铁矿	褐铁矿	铌铁矿	锆石	石英	长石	石榴子石	白云母	角闪石	方解石
												含量/％	0.5	0.5	0.5	1.5	45	20	15	10	5	1	1

主要磁性矿物的粒级分布为：

矿物	铌铁矿	钛铁矿	赤铁矿	褐铁矿	石榴子石
						粒径/mm	0.03～0.2	0.05-0.25	0.05～0.2	0.05～0.2	0.1～0.4

试验采用Slon-100实验型周期式脉动高梯度磁选机，矿浆浓度为25％，磁介质为直径2mm空隙3mm交叉排列的不锈钢棒条(SUS 430)磁选水流量为0.372m3/h，脉冲180次/min。

不同背景场强下磁性颗粒的捕集区域(椭圆)在x轴上的临界值(椭圆与x轴正方向的交点)为(单位：mm)：

背景场强(T)	铌铁矿	钛铁矿	赤铁矿	褐铁矿	石榴子石
						0.2	1.4	1.9	1.2	1.15	1.77
0.3	1.9	2.13	1.6	1.5	2.2
						0.45	2.13	2.3	1.77	1.6	2.45
0.6	2.3	2.5	1.9	1.77	2.72
						1	2.6	2.9	2.15	1.9	3.2

不同磁性颗粒的捕集范围均随着背景场强的提高而逐渐扩大，捕集区域大小依次为：褐铁矿<赤铁矿<铌铁矿<钛铁矿<石榴石。当背景场强为1T时，石榴石和钛铁矿的临界值已经超出六边形区域(x>2.778mm)，而铌铁矿的临界值也接近区域边缘，因此继续提高背景场强对铌铁矿回收率的影响有限，反而会降低精矿品位。

采用前述方法，经计算可以获得背景场强在0.2-1T范围内铌铁矿精矿的回收率、产率及品位(Nb₂O₅)。精矿的回收率、品位(Nb₂O₅)及产率理论计算值与实测值的标准误差σ分别为：3.711，1.832，0.984，预测值变化趋势与实测值高度一致。

背景场强(T)	回收率/％	产率/％	品位/％	回收率(测)/％	产率(测)/％	品位(测)/％
							0.2	6.3	2.08	9.52	2.77	1.15	7.65
0.3	23.71	4.3	17.36	20.54	3.16	20.28
							0.45	33.49	5.76	18.31	39.02	5.28	22.76
0.6	41.43	7.34	17.77	49.73	7.16	21.67
							1	56.94	8.59	20.86	70.83	12.62	17.68

最终实验方案是先弱磁(<0.1T)预处理去除钛铁矿，强磁(1.0T)富集钽铌矿，然后对矿物进行筛分去除石榴石，后减弱磁场(0.6T)回收钽铌精矿，最后采用摇床去除褐铁矿和赤铁矿。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种交叉排列棒介质高梯度磁选机控制参数自适应匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立棒介质组磁场二维简化模型，将磁场划分为多个相同的六边形单元进行分析；在六边形单元内用两组通过棒介质圆心点的偏心椭圆簇来拟合磁场力等值线，相邻棒介质中心线均为其中一椭圆的切线，中心点为切点，该椭圆与圆棒相交区域视为磁性颗粒最大捕集区域；

S2、计算模型中磁性颗粒的有效捕集区域内磁场力的分布；

S3、计算捕集椭圆的临界值，确定磁性单体颗粒的捕集区域，即确定捕集椭圆与X轴的交点；

S4、根据捕集椭圆的临界值，预测精矿分选指标，包括精矿回收率、产率及品位；

S5、调整高梯度磁选机的控制参数，包括矿浆浓度、流速和背景场强；分别计算和对比不同磁介质、矿浆浓度、流速、背景场强下的精矿的回收率、产率及品位，确定适宜于该精矿分选的高梯度磁选机的控制参数。

2.根据权利要求1所述的交叉排列棒介质高梯度磁选机控制参数自适应匹配方法，其特征在于，步骤S1中通过椭圆的偏心率对椭圆进行限定，其偏心率为：

其中，R为棒介质半径，L与d分别为平行和垂直于磁场方向上的介质间距。

3.根据权利要求1所述的交叉排列棒介质高梯度磁选机控制参数自适应匹配方法，其特征在于，步骤S2中通过配套软件实现基于角变化的磁场数值计算方法，进而对磁场力的分布进行计算。

4.根据权利要求2所述的交叉排列棒介质高梯度磁选机控制参数自适应匹配方法，其特征在于，步骤S2中计算磁场力分布的方法还包括：

当x＝±R时,则平行排列棒介质在x轴方向上磁场力获得最大值F_max，其值为：

当x＝±2(R+L)时,磁场力最小值F_min在相邻棒心连线的中点上，其值为：

当拟合椭圆长轴2a≤R时，磁场力为：

式中：m与x分别为六边形及拟合椭圆簇与x轴正方向的交点坐标；H₀为背景场强；

联合上述公式及近似椭圆簇，得到有效捕集区域内磁场力的近似分布示意图。

5.根据权利要求1所述的交叉排列棒介质高梯度磁选机控制参数自适应匹配方法，其特征在于，步骤S3中计算捕集椭圆的临界值，确定磁性单体颗粒的捕集区域的方法具体为：

S31、计算不同性质或粒级范围的磁性颗粒的平均粒径，将其假设为完全单体解离的磁性颗粒并视作是形状均一、半径一致的球体，用于分析单体颗粒在流体中运动会受到磁力、重力、流体阻力及其它不同力的影响；

S32、求解x轴正方向上的颗粒所受磁力，其计算公式为：

式中：m、ρ、d_p、χ₀分别为矿粒质量、密度、直径、比磁化系数；μ₀为载体的磁导率；H₀为背景场强；f_m为磁场力；

设矿粒为匀速运动，根据流体绕流理论获得聚磁介质周围矿浆的流度，颗粒所受曳力公式表述为：

F_d＝ψd_p ²ρ_fv²

式中，Ψ为单颗粒阻力系数；d_p为矿粒直径；ρ_f为流体密度；v为颗粒流-体相对运动速度；

磁场力的数值计算中采用到网格，因此对于相同磁力线上任意点的磁速度用网格上的数值来进行计算，其初速度为0，Δf_m和Δs为节点上的磁场力及位移，则磁速度变化Δv为：

S33、计算x轴正方向上磁性颗粒磁力及流体阻力差值及二者合力的方向，当差值小于颗粒重力或合力方向偏离棒介质，则颗粒不能被捕集，由此确定磁性颗粒捕集的临界值，也即捕集椭圆与x轴的交点。

6.根据权利要求1所述的交叉排列棒介质高梯度磁选机控制参数自适应匹配方法，其特征在于，步骤S4中预测精矿分选指标的方法具体为：

设分选精矿名称为J,元素名称为M，则精矿回收率、产率及品位的预测采用如下公式进行计算：

精矿回收率计算公式为：

精矿产率计算公式为：

精矿中M品位的计算公式为：

式中：α为原矿中M的品位，k为精矿J有效捕集区域与六边形区域面积的比值，a_i为不同捕获磁性矿物在原矿中的比例，k_i为不同捕获磁性矿物有效捕集区域与六边形区域面积的比值。

7.根据权利要求1所述的交叉排列棒介质高梯度磁选机控制参数自适应匹配方法，其特征在于，步骤S5中的矿浆浓度控制在25％-35％。

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