CN112693566A

CN112693566A - 一种水下矿料采集磁力辅助提升系统

Info

Publication number: CN112693566A
Application number: CN202011585112.XA
Authority: CN
Inventors: 周济福; 魏明珠; 王旭
Original assignee: Institute of Mechanics of CAS
Current assignee: Institute of Mechanics of CAS
Priority date: 2020-12-28
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2021-04-23

Abstract

本发明提供一种水下矿料磁力辅助提升系统，包括采集水下矿料的水下集矿机，输送采集后矿料的输送管道，在输送管道上设置有暂存矿料的中间仓，和将矿料提升至水面运输船上的多个提升泵，在所述输送管道的外表面缠绕有通电螺旋线圈，通电螺旋线圈在输送管道内腔产生梯度磁场，梯度磁场使输送管道内的矿料受到与重力方向相反的磁化力，磁化力抵消部分重力作用。即本发明的磁力辅助提升系统可在原有提升泵作为动力源的情况下，加入梯度磁场辅助输送矿料，由此可并减少提升泵耗损，延长使用寿命。

Description

一种水下矿料采集磁力辅助提升系统

技术领域

本发明涉及水下采矿设备领域，特别是涉及一种能够部分抵消水下矿料输送过程中矿料重力的磁力辅助提升系统。

背景技术

深海采矿系统由水面运输船、集矿机与水力提升系统三部分组成。水力提升系统由输送管道、中间仓和多台提升泵组成。该系统的工作原理为：集矿机在海底采集矿石,矿石在采矿车内清洗和破碎后,经软管输送到中间仓,然后通过安装于硬管上的多台提升泵输送到水面运输船上。

在海洋采矿领域中，水力提升系统是将矿物质从海底输送到海面的通道。目前水力提升系统一般采用长直立管作为输送管道，采用提升泵作为动力源，将矿物质从海底输送到海面。这种传统的水力提升系统中的提升泵具有噪声大、维护成本高、耗能高、安全系数低等缺陷，而且一旦产生堵塞，提升泵将处于超负荷运行状态，水面运输船亦会面临极大的危险。

为弥补上述缺陷，本发明提出了一种水下矿料磁力辅助提升系统，在原有提升泵作为动力源的情况下，加入可生成梯度磁场的通电密绕螺旋线圈辅助提升矿石，减少提升泵耗损，延长使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够部分抵消水下矿料输送过程中矿料重力的磁力辅助提升系统。

具体地，本发明提供一种水下矿料采集磁力辅助提升系统，包括采集水下矿料的水下集矿机，输送采集后矿料的输送管道，在输送管道上设置有暂存矿料的中间仓，和将矿料提升至水面运输船上的多个提升泵，在所述输送管道的外表面缠绕有通电螺旋线圈。

本发明设置的通电螺旋线圈可在输送管道内腔产生梯度磁场，该梯度磁场可使含有铁、钴、镍等铁磁性或者顺磁性元素的矿料，受到与重力方向相反的磁化力作用，从而抵消矿料的部分重力。

本发明的磁力辅助提升系统可在原有提升泵作为动力源的情况下，加入梯度磁场辅助输送矿料，可减少提升泵损耗，延长使用寿命。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的水下采矿过程示意图；

图2是本发明一个实施方式的螺旋线圈缠绕示意图,(a)为主视图，(b)为截面剖视图；

图3是本发明一个实施方式的矿料在输送管道中的运动状态示意图；

图4是本发明一个实施方式的矿料在上升过程中的受力状态示意图；

图5是本发明一个实施方式的螺旋线圈随输送管道的高度增加而匝数增加的示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例和附图对本方案的具体结构和实施过程进行详细说明。

如图1所示，在本发明的一个实施方式中，公开一种水下矿料磁力辅助提升系统，包括采集并粉碎水下矿料的水下集矿机3，输送采集后矿料的输送管道21，在输送管道21上设置有暂存矿料的中间仓22，和将矿料提升至水面运输船1上的多个提升泵23。如图2所示，在输送管道21的外表面缠绕有通电的螺旋线圈26，螺旋线圈26使输送管道21内部产生梯度磁场，使矿料受到与重力方向相反的磁化力。

在工作时，矿料经集矿机3破碎以后，通过输送软管28输送至中间仓22处，中间仓22中的矿料经输送管道21和提升泵23输送至水面运输船1，在此过程中矿料24在输送管道21中的运动状态如图3所示。在输送过程中矿料24受力如图4所示。矿料24不仅受自身重力及海水的拖曳力作用，还受到通电螺旋线圈26产生的梯度磁场的磁化力作用，其中磁化力抵消矿料24的部分重力，故可减少提升泵23的损耗。由于螺旋线圈26产生的磁场强度较小，对水产生的磁化力较小，故在矿料24移动过程中可忽略水的磁化力作用。

矿料24所受磁化力公式如下：

其中：m为矿料质量；μ₀为真空磁导率；χ为比磁化率；B为磁感应强度；

为磁感应强度梯度。

由上述公式可知矿料24所受磁化力需要提供有梯度的非均匀磁场，且其受力方向与自身磁性、磁感应强度和磁感应强度梯度方向均有关。含有铁、钴、镍等铁磁性或者顺磁性元素的矿料24处于磁感应强度方向与梯度方向相同的磁场中时，其受磁化力与磁感应强度方向相同。为使矿料所受磁化力与部分重力抵消，需其所处磁场的磁感应强度和梯度的方向均与重力方向相反。

本实施方式的磁力辅助提升系统可在原有提升泵作为动力源的情况下，加入梯度磁场辅助输送矿料。矿料在输送管道中输送时处于梯度磁场中的磁化力作用，磁化力与重力部分抵消，由此可减少提升泵损耗，延长使用寿命。

如图2所示，螺旋线圈26中通入直流电，其正极可与水面运输船1上供电设备的正极连接，而负极与供电设备的负极连接。

进一步地，螺旋线圈26单位长度内的匝数可随输送管道21的高度增加而增加，形成上密下疏的布置方式，该布置方式可使螺旋线圈26产生的磁感应强度随输送管道21的轴线高度变化而变化，即产生梯度磁场。

由于不同地区和不同类型的矿料24比磁化率不尽相同，因此，螺旋线圈26中的电流强度可根据实际情况进行调整，使通过的电流适合当前的矿料类型，以使矿料24达到最佳的输送效果。

进一步地，如图2(b)所示，为减少磁力损失，在螺旋线圈26的外部包覆有磁屏蔽罩27，磁屏蔽罩27能够防止磁场外泄，使大部分磁力存在于输送管道21内腔。具体的磁屏蔽罩27可利用高导磁率材料制成，如镍基合金，Fe-Si-Al合金，纯铁、铁铝合金等。

进一步地，在磁屏蔽罩外侧设置的防水层25，其防水等级需要达到IPX-8。防水层25能够防止通电螺旋线圈和磁屏蔽罩在水下受潮，被腐蚀，延长使用寿命。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims

1.一种水下矿料磁力辅助提升系统，包括采集矿料的水下集矿机，运输采集后矿料的输送管道，在输送管道上设置有暂存矿料的中间仓，和将矿料提升至水面运输船上的多个提升泵，其特征在于，

在所述输送管道的外表面缠绕有通电螺旋线圈，螺旋线圈产生的梯度磁场使矿石受到的磁化力方向与矿料的移动方向相同。

2.根据权利要求1所述的水下矿料采集磁力辅助提升系统，其特征在于，

在所述螺旋线圈的外表面包覆有磁屏蔽罩。

3.根据权利要求2所述的水下矿料采集磁力辅助提升系统，其特征在于，

所述磁屏蔽罩由高导磁材料制成。

4.根据权利要求2或3所述的水下矿料采集磁力辅助提升系统，其特征在于，

所述磁屏蔽罩外侧设有防水等级满足IPX-8的防水层。

5.根据权利要求1所述的水下矿料采集磁力辅助提升系统，其特征在于，

所述螺旋线圈通入直流电，其正极与所述水面运输船上的供电设备正极连接，负极与供电设备的负极连接。

6.根据权利要求1所述的水下矿料采集磁力辅助提升系统，其特征在于，

所述螺旋线圈单位长度内的匝数由海底至海面逐渐增加，从而形成上密下疏的布置方式。

7.根据权利要求6所述的水下矿料采集磁力辅助提升系统，其特征在于，所述螺旋线圈的布置方式在所述输送管道内腔形成梯度磁场，梯度磁场的磁感应强度方向和磁场梯度方向相同，梯度磁场使输送管道内的矿料受到与重力方向相反的磁化力，进而抵消部分重力。