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摘 要：结合实验、实际生产经验及有限元分析软件，综合考量做出研究结论，在方案设计中选取适当的冲洗水量，使冲水箱能更好的冲卸掉立式转环式磁选机中介质盒上吸附的精矿粉，并最终取得了预期的卸矿效果。
关键词：立环;介质盒;SolidWorks仿真分析;卸矿效果
引言
立式转环式磁选机（以下简称立环）作为选矿行业尾选阶段使用的一种电磁选矿设备，因其磁场强度高，广泛用于弱磁性矿物的湿法富集和非磁性矿物的除杂铁提纯。在立环选矿过程中，介质盒承担着富集及卸载弱磁性矿物的功能。立环上的冲水箱利用水流冲卸介质盒上的弱磁性矿物，其卸矿效果的好坏直接影响着介质盒能否连续工作及整机的选矿指标。本文运用达索公司SolidWorks软件中的流体仿真分析，结合实验及实际生产经验，并倚据流体力学相关知识，探讨冲水箱最优的冲洗水设计方案，使其能达到更好的卸矿效果，为以后立环中的冲水箱设计提供设计依据，并为具有相同设计原理及结构的部件设计提供了一种参考算法。
1立环简介
立环（以下简称立环）主要由转环、磁系、线圈、支架、脉动箱、卸矿水箱及斗体罩体等几大类部件组成，其中转环内的介质盒是在选矿作业时最主要的部件。立环结构见图1。
2介质盒的功能
当介质盒通过磁系的工作选矿区（即磁系内部）时，盒体内的介质棒在棒体表面感应出强磁场，吸附原矿矿浆中的弱磁性矿物，在转环的转动下将介质盒带出磁场区域，当运行到卸矿水箱区域，由卸矿水冲洗掉弱磁性矿物（此时称精矿），进入到收集精矿的集矿斗中，再由水流带入到选矿厂的下一步作业区进行沉降等作业。
3介质盒冲洗卸矿问题的分析
由于介质盒中介质棒为多排错列排布，在实际生产中为保证立环作业的连续性，必须在卸矿时尽可能的将精矿冲洗干净，以防未冲洗干净的介质盒继续连续作业导致堵塞，进而影响选矿效果。一旦介质盒堵塞，由于精矿的粒度非常细（一般在200目以下），加上介质棒特殊的排列方式，常规的冲水等清洗很难达到清理干净的目的。矛盾在于，并不能无限制的提高卸矿水的用量，因为如果在此处卸掉精矿时使用过量的水，会直接影响后续的矿物沉降，包括沉降池或自然堆干的成本及时间，影响效益。所以，设计卸矿水箱的要点就在于使用合理量的水。
一般来说，用水冲洗物品，为保证能冲洗干净，除去使用添加剂等因素，增加冲水时间、增加水压是最常用的两种方式，前者利用更长的时间达到清洗效果，后者利用更大的水流冲击速度达到清洗效果。然而在实际生产中，这两种方法都会给造成选矿成本的增加。所以一般在实际生产设计给水时，为保证最佳经济效益，卸矿水箱设计水压都会限定在0.2～0.4MPa左右。在相关的文献中[1-2]，一般工业管道水速在1～1.8m/s（也可能根据实际情况有波动，但不会大出此范围太多）。鉴于以上前提条件，在设计清洗介质盒的卸矿水箱时则需要考虑介质盒本身的清洗问题。
4问题分析及利用有限元分析冲洗情况
冲洗水如何清洗介质盒是需要研究的关键问题，假设水压水速条件不变，由于卸矿水箱是由一排小孔来冲洗介质盒的，根据流体相关知识[3]，在不考虑沿程变径、管壁及箱壁摩擦及湍流等影响，进水量与出水量是相等的，变化的只是由于变径而改变的水流流速，即
Q进=Q出 （1）
Q进=A进ν进 （2）
Q出=（i=1，2……n）， （3）
式中 Q進 进水管进水量，m3/s;
Q出 出水孔总出水量，m3/s;
A进 进水管截面积，m2;
v进 进水管水速，m/s;
Ai 单个出水孔截面积，m2;
vi 单个出水孔出水水速，m/s;
n 出水孔数量;
有限元仿真分析是现代机械设计中经常使用的设计分析工具，利用SolidWorks内的流体分析插件SolidWorks Folw Simulation可以直观的观察到水流流速在介质盒中的情况。县计算出初始出水孔出水水速为15m/s（指定出水孔径为8mm），敞开环境，为简便计算，忽略摩擦力，最终分析结果见图2。
由图中标识水流流速可知，当出水孔出水流速在v=15m/s的前提下，介质盒上表面8～12层中水流流速为1-2m/s，到16层减速为0.5m/s，到26层减速为0.2m/s，最后以0.05～0.1m/s的速度冲出介质盒，而下层正是介质盒的选矿盲区。由此可见，冲洗介质盒精矿的水靠水流流速来冲洗并不是主要作用，还是依靠大量的水量来带走介质盒上的精矿，这时，水量的多少直接决定了冲刷介质盒效果的好坏，而水量的决定因素和入水口水压，出水孔直径均有关系。
设冲洗效率为i，出水口流量Q出、冲水时间t与冲洗效率成正比关系，而与介质盒体积A、精矿黏附比g（即单盒携带精矿质量与盒体质量之比）和介质棒占空比f（即介质棒总体积与介质盒体积之比）成反比关系，可做近似函数式为：
式中，i 冲洗效率值，%;
Q出 出水孔总出水量，m3/s;
A 介质盒体积，m3;
f 介质棒占空比（即介质棒总体积与介质盒体积之比）;
g 精矿黏附比（即单盒携带精矿质量与盒体质量之比）;
t 冲水时间，s;
从以上分析来看，如果要提升冲洗效率值i，在g、A和f值确定的前提下，提高Q出和t是行之有效的解决办法。
实际在生产中，由于立环处理量的确定，g、f及t均为确定值，所以在研究冲洗效果时，只需考虑Q出及A即能得出冲洗干净介质盒所需的最经济水量。
以我公司LGS-2000立环为例，在一般工作状态下，单盒所用水量在0.1～0.2kg（此时i值为4.6）即可满足清洗要求。其他机型可根据此方程式及经验数据推导出相应的用水量。由于处理不同的弱磁性矿需要不同棒径及排布的介质盒，此时f值也成为影响冲洗效果的影响因素，一般情况下，适当增大计算值即可满足不同介质盒的冲洗卸矿要求。
5结语
本文通过有限元分析软件、数据分析及经验总结，得出在清洗介质盒时，冲洗水量是清洗卸矿效果好坏的关键因素，与通常认为的提高水速能达到更好的清洗效果有本质的区别。此次研究为立环卸矿水量的选取提供了一种算法和依据，避免了为增强卸矿效果而一味的增加出水水速的设计方法。由于文中数据分析及经验总结采用的均为金属选矿行业用的立环机型，在非金属选矿设计时需对i值的有效值进行重新选取。文中不免会存在错误及不当之处，敬请提出批评指正。
参考文献：
[1]柏蔚华.给水管道的平均经济流速计算[J].工业用水与废水，1984（1）：31-36.
[2]郭祥庄.给水管网经济流速简捷计算的探讨[J].建筑技术通讯（给水排水），1990（6）：2-7.
[3]孔珑.工程流体力学[M].3版.北京：中国电力出版社，2007：58-59.
关键词：立环;介质盒;SolidWorks仿真分析;卸矿效果
引言
立式转环式磁选机（以下简称立环）作为选矿行业尾选阶段使用的一种电磁选矿设备，因其磁场强度高，广泛用于弱磁性矿物的湿法富集和非磁性矿物的除杂铁提纯。在立环选矿过程中，介质盒承担着富集及卸载弱磁性矿物的功能。立环上的冲水箱利用水流冲卸介质盒上的弱磁性矿物，其卸矿效果的好坏直接影响着介质盒能否连续工作及整机的选矿指标。本文运用达索公司SolidWorks软件中的流体仿真分析，结合实验及实际生产经验，并倚据流体力学相关知识，探讨冲水箱最优的冲洗水设计方案，使其能达到更好的卸矿效果，为以后立环中的冲水箱设计提供设计依据，并为具有相同设计原理及结构的部件设计提供了一种参考算法。
1立环简介
立环（以下简称立环）主要由转环、磁系、线圈、支架、脉动箱、卸矿水箱及斗体罩体等几大类部件组成，其中转环内的介质盒是在选矿作业时最主要的部件。立环结构见图1。
2介质盒的功能
当介质盒通过磁系的工作选矿区（即磁系内部）时，盒体内的介质棒在棒体表面感应出强磁场，吸附原矿矿浆中的弱磁性矿物，在转环的转动下将介质盒带出磁场区域，当运行到卸矿水箱区域，由卸矿水冲洗掉弱磁性矿物（此时称精矿），进入到收集精矿的集矿斗中，再由水流带入到选矿厂的下一步作业区进行沉降等作业。
3介质盒冲洗卸矿问题的分析
由于介质盒中介质棒为多排错列排布，在实际生产中为保证立环作业的连续性，必须在卸矿时尽可能的将精矿冲洗干净，以防未冲洗干净的介质盒继续连续作业导致堵塞，进而影响选矿效果。一旦介质盒堵塞，由于精矿的粒度非常细（一般在200目以下），加上介质棒特殊的排列方式，常规的冲水等清洗很难达到清理干净的目的。矛盾在于，并不能无限制的提高卸矿水的用量，因为如果在此处卸掉精矿时使用过量的水，会直接影响后续的矿物沉降，包括沉降池或自然堆干的成本及时间，影响效益。所以，设计卸矿水箱的要点就在于使用合理量的水。
一般来说，用水冲洗物品，为保证能冲洗干净，除去使用添加剂等因素，增加冲水时间、增加水压是最常用的两种方式，前者利用更长的时间达到清洗效果，后者利用更大的水流冲击速度达到清洗效果。然而在实际生产中，这两种方法都会给造成选矿成本的增加。所以一般在实际生产设计给水时，为保证最佳经济效益，卸矿水箱设计水压都会限定在0.2～0.4MPa左右。在相关的文献中[1-2]，一般工业管道水速在1～1.8m/s（也可能根据实际情况有波动，但不会大出此范围太多）。鉴于以上前提条件，在设计清洗介质盒的卸矿水箱时则需要考虑介质盒本身的清洗问题。
4问题分析及利用有限元分析冲洗情况
冲洗水如何清洗介质盒是需要研究的关键问题，假设水压水速条件不变，由于卸矿水箱是由一排小孔来冲洗介质盒的，根据流体相关知识[3]，在不考虑沿程变径、管壁及箱壁摩擦及湍流等影响，进水量与出水量是相等的，变化的只是由于变径而改变的水流流速，即
Q进=Q出 （1）
Q进=A进ν进 （2）
Q出=（i=1，2……n）， （3）
式中 Q進 进水管进水量，m3/s;
Q出 出水孔总出水量，m3/s;
A进 进水管截面积，m2;
v进 进水管水速，m/s;
Ai 单个出水孔截面积，m2;
vi 单个出水孔出水水速，m/s;
n 出水孔数量;
有限元仿真分析是现代机械设计中经常使用的设计分析工具，利用SolidWorks内的流体分析插件SolidWorks Folw Simulation可以直观的观察到水流流速在介质盒中的情况。县计算出初始出水孔出水水速为15m/s（指定出水孔径为8mm），敞开环境，为简便计算，忽略摩擦力，最终分析结果见图2。
由图中标识水流流速可知，当出水孔出水流速在v=15m/s的前提下，介质盒上表面8～12层中水流流速为1-2m/s，到16层减速为0.5m/s，到26层减速为0.2m/s，最后以0.05～0.1m/s的速度冲出介质盒，而下层正是介质盒的选矿盲区。由此可见，冲洗介质盒精矿的水靠水流流速来冲洗并不是主要作用，还是依靠大量的水量来带走介质盒上的精矿，这时，水量的多少直接决定了冲刷介质盒效果的好坏，而水量的决定因素和入水口水压，出水孔直径均有关系。
设冲洗效率为i，出水口流量Q出、冲水时间t与冲洗效率成正比关系，而与介质盒体积A、精矿黏附比g（即单盒携带精矿质量与盒体质量之比）和介质棒占空比f（即介质棒总体积与介质盒体积之比）成反比关系，可做近似函数式为：
式中，i 冲洗效率值，%;
Q出 出水孔总出水量，m3/s;
A 介质盒体积，m3;
f 介质棒占空比（即介质棒总体积与介质盒体积之比）;
g 精矿黏附比（即单盒携带精矿质量与盒体质量之比）;
t 冲水时间，s;
从以上分析来看，如果要提升冲洗效率值i，在g、A和f值确定的前提下，提高Q出和t是行之有效的解决办法。
实际在生产中，由于立环处理量的确定，g、f及t均为确定值，所以在研究冲洗效果时，只需考虑Q出及A即能得出冲洗干净介质盒所需的最经济水量。
以我公司LGS-2000立环为例，在一般工作状态下，单盒所用水量在0.1～0.2kg（此时i值为4.6）即可满足清洗要求。其他机型可根据此方程式及经验数据推导出相应的用水量。由于处理不同的弱磁性矿需要不同棒径及排布的介质盒，此时f值也成为影响冲洗效果的影响因素，一般情况下，适当增大计算值即可满足不同介质盒的冲洗卸矿要求。
5结语
本文通过有限元分析软件、数据分析及经验总结，得出在清洗介质盒时，冲洗水量是清洗卸矿效果好坏的关键因素，与通常认为的提高水速能达到更好的清洗效果有本质的区别。此次研究为立环卸矿水量的选取提供了一种算法和依据，避免了为增强卸矿效果而一味的增加出水水速的设计方法。由于文中数据分析及经验总结采用的均为金属选矿行业用的立环机型，在非金属选矿设计时需对i值的有效值进行重新选取。文中不免会存在错误及不当之处，敬请提出批评指正。
参考文献：
[1]柏蔚华.给水管道的平均经济流速计算[J].工业用水与废水，1984（1）：31-36.
[2]郭祥庄.给水管网经济流速简捷计算的探讨[J].建筑技术通讯（给水排水），1990（6）：2-7.
[3]孔珑.工程流体力学[M].3版.北京：中国电力出版社，2007：58-59.