[论文解读] Calculation of Evaluation Variables for High Gradient Magnetic Separation with an Idealized Capture Model

F.J. Xu, Anbin Chen|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2016

Minerals Flotation and Separation Techniques参考文献 19被引用 4

一句话总结

本文提出一种计算模型，通过在理想化条件下模拟颗粒捕集，计算高梯度磁选（HGMS）中的关键评价变量——品位和回收率。采用具有周期性边界条件和多线圈磁场的有限元分析方法，推导出基于颗粒尺寸和磁性矿物含量的捕集效率函数，表明随着饱和磁化强度的增加，更强的磁场带来的收益递减，以高岭土提纯为例进行案例研究。

ABSTRACT

This paper regards feed mine as a mixture of intergrowths and pure non-magnetic mineral particles, presents a method to calculate the evaluation variables such as grade and recovery in high gradient magnetic separation (HGMS). A idealized capture model is constructed in which the interaction between particles is not taken into account and only for the initial aggregation condition that the separator has the highest capture efficiency. In the model we adopt the functions that use nominal particle radius and magnetic mineral content as independent variables to describe volume fraction distribution and capture efficiency of intergrowths respectively. Through adding multi-wire magnetic fields and setting periodic boundary conditions in flow field analysis, we modify the computational domain of the single-wire capture theory to a element domain that periodically appears in the multi-wire matrix. By means of finite element software, particle trajectories, flow field and magnetic field are clearly exhibited, and then capture efficiency function is obtained by interpolation method. The calculated evaluation variables theoretically represent the best performance of magnetic separator for a given feed. They can assist mineral engineers to evaluate or compare the effects of different magnetic separation systems in advance. We use removal of iron impurity from kaolin as an example to illustrate the presented calculation method. The results quantitatively compare the evaluation variables of the separation at different magnetic fields and show that the advantage of higher magnetic field in separation efficiency decreases with the increase of saturation magnetization of magnetic mineral.

研究动机与目标

• 开发一种理论框架，用于在理想化捕集条件下预测高梯度磁选（HGMS）中的品位和回收率。
• 在不考虑颗粒间相互作用的前提下，建立颗粒捕集效率模型，聚焦于捕集效率最大的初始聚集状态。
• 量化磁场强度和磁性矿物饱和磁化对分离性能的影响。
• 为矿物工程师提供一种预测工具，用于在实验测试前评估或比较磁选系统。

提出的方法

• 构建理想化捕集模型，假设无颗粒间相互作用，且初始捕集效率达到最大值。
• 以颗粒标称半径和磁性矿物含量作为自变量，定义体积分数分布和捕集效率函数。
• 应用多线圈磁场和周期性边界条件，将单线圈捕集理论扩展至线圈阵列中的代表性单元胞。
• 采用有限元软件模拟改进计算域内的颗粒轨迹、流场和磁场分布。
• 通过插值模拟结果推导捕集效率，实现对分离性能的定量评估。
• 以高岭土中铁杂质去除为案例研究，验证该方法在不同磁场强度和矿物磁化水平下的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当颗粒尺寸和磁性矿物含量变化时，磁场强度如何影响HGMS中的捕集效率？
• RQ2 磁性矿物的饱和磁化程度提高后，磁场强度提升所带来的性能优势减少的程度如何？
• RQ3 在理想化捕集条件下，对于给定给料组成的HGMS，理论上可达到的最大品位和回收率是多少？
• RQ4 颗粒尺寸和磁性矿物含量如何共同影响HGMS中连生体的分布与捕集？

主要发现

• 捕集效率在初始聚集条件下达到最大值，为HGMS性能提供了上限。
• 更强的磁场可提高分离效率，但随着磁性矿物饱和磁化强度的增加，边际效益递减。
• 该模型预测，对于高岭土给料，随着磁性矿物饱和磁化强度的增加，更强磁场带来的性能提升逐渐减弱。
• 有限元模拟可清晰可视化颗粒轨迹、流场和磁场分布，支持基于插值的捕集效率准确估算。
• 该方法可实现不同磁场强度和给料组成下分离结果的定量比较。
• 理想化模型为评估实际HGMS系统提供了理论基准，并有助于优化设计参数。