摘要：三产品重介旋流器二段密度在线调控一直是选煤界的技术难题，本文通过对重介旋流器二段分选密度调节研究现状的分析，对分选机理的详细研究，提出旋流器外加线圈提供磁场来改变溢流、底流口悬浮液密度，从而实现分选密度的调控；实验分析发现，磁场的存在能够很好地在线调节分选密度，获得较好的分选密度变化曲线，同时其作用机理通过ANSYS 也得到了较好的理论阐述。

关键词：分选密度；在线调控；线圈；磁场；ANSYS

0 引言

目前，三产品重介旋流器在选煤中被广泛使用，其只需单一低密度悬浮液即可分选出精、中、矸三种产品，在处理难选煤、极难选煤方面，较其他分选设备，其分选精度高，而且易于实现自动控制；然而，在生产中我们发现，重介旋流器二段密度在线调节一直是个“瓶颈”，遏制着中煤、矸石灰分的即时调控，原因在于调节中心管插入深度，分选密度变化空间不大且调节轮经常因锈死而无法继续使用；另外更换底流口须在离线条件下，且口径若过小将导致底流口堵塞，致使中、矸灰分得不到最好的性价比，因而，需寻求有效的措施来解决二段密度在线调控问题。

1 二段分选密度调节研究现状

（1）矿大杨建国教授受一段旋流器通往二段旋流器的出口沿着切线方向的启发，将矸石出口由轴向也改为切向，通过控制出口反向压力的方法调节底流排放量，见示意图1-1 ：

此方法思想较好，不足之处在于当需要获得较高的中煤灰分时，就要升高矸石底流口的出口反向压力，此时，可能会造成底流口堵塞，因而，调节受到限制。

（2）邯郸院卫中宽受唐山院研发的一段旋流器双供介思想的启发，在二段旋流器外增加一套新供介系统，通过调节新供介系统悬浮液的密度及压力，来在线调节二段分选密度，见示意图1-2 ：

图1-1 二段切向底流出口示意图 图1-2 二段新增供介系统示意图

此方法基本思想较独特，理论上分析是可行的，但用于实践困难较多，原因在于：1）二段入料悬浮液密度无法实时监测，因而对密度的自动控制要求较高；

2）新供介系统增加了能耗及管道磨损数量，其工艺复杂程度和两段两产品，低、高密度悬浮液分别给入工艺相差无几，这无疑有悖于无压三产品旋流器简化重介工艺这一思想；

3）新供介系统的加入是否会对一段的分选产生影响，这也有待商榷。

综上所述，以上提出的二段密度在线调节方法，其基本思想都很好，只是实践上略显不足，或多或少存在一些问题，因而，二段密度在线调控仍需要另辟一条有效而实际的新途径。

2 重介旋流器分选机理

重介旋流器分选原理可以用“分离锥面”学说来阐述，即在旋流器内存在一个低密度与高密度物体的分离界面，在离心力作用下，“分离锥面”内高密度矿粒由中心向外移动，若其密度高于“分离锥面”附近悬浮液密度，则该矿粒越过“分离锥面”进入下降流，并由底流口排出，反之，则仍留在上升液流中，由溢流口排出，同理“分离锥面”外部的低密度矿粒则向中心移动，所以，“分离锥面”上的悬浮液密度，是旋流器的实际分选密度，然而，“分离锥面”上各点密度并不相同，自上而下逐渐增加，矿粒分选是一个多次分选的过程，最终分选密度是“分离锥面”最下端的悬浮液密度，并有如下分选密度经验公式：

式2-1

- 分选密度， - 溢流、底流悬浮液密度

n, m- 分离指数，当旋流器锥角为20°时，n=1.5 ～ 2.0 m=0.5 ～ 0.8

从“分离锥面”学说可看出，分选密度主要由“分离锥面”最下端的悬浮液密度所决定，而此处密度与底流口悬浮液密度关系甚为密切；分选密度经验公式也显示，分选密度的大小与底流、溢流口悬浮液密度存在定量关系；综合来说，分选密度主要由溢流、底流口悬浮液密度所决定；因此，想到若能在旋流器内额外增加一股力，改变磁铁矿粉的运动状态，以改变底流、溢流悬浮液密度，从而可实现分选密度的改变，然而，这个力从何而来？考虑到磁铁矿粉颗粒在磁场中易磁化而受力，由此，我们想到在旋流器外缠绕通电线圈来给旋流器内部提供磁场。

3 磁场作用下分选密度变化实验

3.1 线圈参数的确定

线圈缠绕在旋流器上的轴向宽度、径向厚度及电流大小这三个参数对磁场在旋流器内部的分布及颗粒的受力起到关键作用，因而，实验前需通过ANSYS 电磁场分析软件来确定这三个参数。

颗粒在旋流器中受到最大的力为离心力，磁力要改变颗粒的运动轨迹，其大小需和离心力在一个数量级上，通过公式, 计算颗粒所受离心力为2.512×10-7N。

如图3-1，在旋流器内部取两个点，调整线圈轴向、径向宽度及电流大小，对这两个点进行受力分析，分析结果为当轴向宽度为150mm、径向宽度250mm、电流值3A 时，两个点磁力大小分别为7.34×10-7、2.87×10-7，大小均在10-7 数量级上，且磁场线分布较好，从而初步确定这三个参数。

3.2 重介实验系统的建立

本次实验所用旋流器材质为顺磁性的聚氨酯，线圈缠绕在旋流器筒部，通过工艺参数计算确定旋流器入口压力、入料流量及所配电机和泵参数等，构建的重介实验系统见图3-2 ：

实验所用设备具体参数一览表3.2-1

3.3 溢流、底流密度变化实验

（1）实验所配置的悬浮液密度为1.5×103kg/m³，打开搅拌桶电机，两分钟后，开启泵电机将悬浮液打入旋流器，根据流量计和压力表上的数值来调节分流阀，确保旋流器在正常压力下工作；

（2）准备量筒，分别接取溢流、底流悬浮液，体积各为1 升，在天枰上称其重量，通过单位换算，从而得到溢流密度及底流

图3-2 重介实验系统 图4-1 磁场中颗粒受力分析

图2-1 重介旋流器分选过程

图3-1ANSYS 磁场中颗粒受力分析图

密度，根据公式2-1 得第一组数据；

（3）打开直流电源，电流调到1.0A，重复步骤（2），得到数据、、，依次类推，当电流调在1.5A、2.0A、2.5A、3.0A、3.5A、4.0A、4.5A、5.0A 时，得到其他8 组数据 ，实验数据如下见表3.3-1 ：

表3.3-1 介质分配实验数据表 单位：g/cm³

根据上述实验数据绘制分选密度- 电流大小曲线图3-3 ：

图3-3 分选密度- 电流曲线图

从图3-3 上可看出，随着电流的增大，溢流悬浮液密度在不断升高，底流悬浮液密度在不断降低，分选密度值在两者的作用下，表现为不断升高，当电流达到5A 时，分选密度达到1.921×103kg/m³，理论上分析可排出纯净矸石，说明介质受到磁力作用，大幅度地从溢流排出，从而也说明磁力的存在可大幅度的升高分选密度。

4 磁场下颗粒受力机理分析

磁铁矿粉颗粒在磁场作用下的受力分析机理可通过ANSYS 电磁场分析软件来阐述，其电磁场颗粒受力分析见图4-1 ：

在旋流器内部建立坐标轴，并在内部取5 个点从内到外，从上到下，依次为A（-25，-50）、B（-50，-50）、C（-70，-90）、D （-70，-140）、E（-60，-200），单位mm，电流值取1A、2A、3A、4A、5A，逐个分析各点随电流变化的受力情况，通过分析得出颗粒受力数据表4.1-1 ：

表4.1-1 颗粒受力数据表 数量级：10-7，单位：N

根据表4.1-1 数据，绘制磁力- 电流值曲线图4-2

从图4-2 可看出，随着电流值的增大，各点所受磁力也随着增大，磁力方向均指向中心管溢流口，且C、D、E 三点受力增加速度要比A、B 两点快，原因在于A、B 两点靠近溢流口，离线圈磁极较近，所受磁力较大，磁场梯度较小，磁场的变化对该区域B 值的改变较弱，C、D、E 三点则不同，离磁极较远，磁场梯度变化较大，因而，较为“敏感”，当电流值为5A 时，磁场强度可覆盖旋流器的大部分区域，各点受力大小相差不大。

颗粒受力均指向中心溢流管，磁力较小时，外旋流中接近“分离锥面”的部分悬浮液颗粒进入“分离锥面”，造成“分离锥面”整体密度开始有所上升，内旋流颗粒加速向溢流管口移动，随着电流的增加，外旋流中越来越多的磁铁矿粉颗粒所受磁力增大，其方向与离心力均指向轴心，造成颗粒“越轨”逐渐向轴心移动，有的停留在“分离锥面”上，有的越过“分离锥面”进入内旋流，综合体现为底流悬浮液密度的快速降低及分选密度的快速上升，分析其分选密度变化趋势与实验得出的图3-3 分选密度变化曲线图大体一致，进而说明从理论及实验上均可得出磁场的存在可实现二段密度的在线调控。

5 结语

本文通过对目前重介旋流器二段密度调节研究现状的分析，对分选机理的详细研究，提出通过磁场来实现分选密度的在线调控；实验结果发现磁场的存在能够在线调节分选密度且调控空间较大，并通过ANSYS 电磁场分析软件对机理进行理论阐述，得出的结论与实验相吻合，从而确定了外加通电线圈提供磁场可以实现二段分选密度的在线调控。

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