基于动态磁矩磁偶极子模型的磁团聚动力学研究及模拟仿真

Magnetic agglomeration significantly affects diverse operations, such as grinding, classification, separation, concentration and filtration, in magnetic separation process. Current research on magnetic agglomeration mechanism is simply based on the assumption of the static magnetic moment without considering the change in the magnetic moment of mineral particles in the magnetic separation process, resulting in the oversimplification of magnetic dipole model and the meaningless physical interpretation of dynamical model of magnetic agglomeration. The project aims at proposing a new dynamic magnetic moment-based magnetic dipole model by building the relation model between dynamic moment of particles and dynamic magnetic fields using the measured ac susceptibility and dc magnetization. Besides, the relevant motion differential equations are deduced by analysing the microcosmic motion of magnetic particles in dynamic magnetic fields and afterwards MATLAB software is employed to simulate the dynamics. Furthermore, high-speed camera system is adopted to verify and perfect the new proposed magnetic dipole model. In addition, COMSOL Multiphysics software is used to simulate the magnetic agglomeration behaviour of magnetic particles in various physical fields (i.e., magnetic field, flow field and centrifugal force field) to establish a relatively complete theory of magnetic agglomeration dynamics, which describes and predicts the macroscopic behaviour of magnetic particles and realises the inversion process. Therefore, this study integrates multi-disciplinary theory and practice and promotes the development of theory basics of magnetic separation, which provides significant theoretical and practical guidance in the improvement of magnetic separation technology and the innovation of magnetic separation equipment.

磁团聚对磁选工艺中的磨矿、分级、选别、浓缩及过滤作业均有影响。目前针对磁团聚机理的研究建立在静态磁矩假设的基础上，未考虑磁选过程中矿粒磁矩随磁场的动态变化，导致磁性矿粒的磁偶极子模型过于简单和磁团聚动力学模型物理意义失真。本项目通过测试磁性颗粒的交流磁化率和直流磁化强度，构建颗粒动态磁矩与运动磁场的关系，提出基于动态磁矩的磁偶极子新模型；通过研究单个、两个及多个磁性颗粒在运动磁场中的微观运动，建立颗粒的运动微分方程并运用MATLAB模拟其动力学行为，借助高速相机和测试系统对磁偶极子模型进行验证和完善；采用COMSOL对磁性颗粒在磁场、流场及离心力场等多物理场中的磁团聚过程进行仿真，建立能够描述和预测磁选过程中磁性颗粒的宏观行为并能反演其过程的较为完整的磁团聚动力学理论。本项目实现了多学科理论与实践的交叉融合，促进了磁选基础理论的发展，对磁选工艺的改进和磁选设备的创新具有重要的理论和实践意义。

在静态磁矩假设基础上的磁团聚研究并未考虑磁选过程中矿粒磁矩随磁场的动态变化，导致磁性矿粒的磁偶极子模型过于简单和磁团聚动力学模型物理意义失真。本项目通过测试磁性颗粒的磁化率，构建动态磁矩的磁偶极子新模型，建立了磁性颗粒的运动微分方程，模拟颗粒在磁场中的动力学行为，借助高速像机和测试系统对磁偶极子新模型进行验证和完善，建立能够描述和预测磁选过程中磁性颗粒行为的磁团聚动力学理论。.本项目按照计划执行期间，在IEEE T Magnetics, Journal of Magnetics, Geosci, J Hazard Mater等刊物发表学术论文20篇，其中SCI检索10篇，会议论文2篇，培养研究生4名。取得的主要成果如下：.（1）采用有限元法计算不同形状磁铁矿颗粒的磁感应场，发现磁偶极子模型在颗粒间距小于颗粒直径时不能代替不规则磁性颗粒的磁化场进行计算和建模，在近场时采用有限元是较优的方法，该成果发表于IEEE T Magnetics和Basic Clin Pharmacol上。.（2）采用微磁化理论计算了单个磁铁矿颗粒的微磁化过程，获得了单个磁铁矿磁化过程的磁矩云图。以此研究结果撰写论文1篇，发表在国际期刊Geosciences上。.（3）研究了磁性颗粒在磁场中团聚成链状结构和矩形堆积结构的稳定性及其强度问题，解释了磁团聚与磁链并存的现象。成果发表于Journal of Magnetics,《金属矿山》及《化工矿物与加工》上。.（4）采用有限元法模拟两个球形颗粒在水中沉降的过程，发现颗粒间的相互作用方式有四种，但是颗粒间难以发生接触，成果发表于《福州大学学报自科版》、《矿山工程》及Basic Clin Pharmacol上。.（5）采用3D有限元计算了磁性颗粒在高梯度磁场中的受力以及颗粒间的相互作用力，发现颗粒间的作用力远小于颗粒所受的磁力，证明高梯度磁选机中磁团聚并不会严重影响磁选过程，以此研究内容撰写论文一篇，已投国际期刊Int J Min Sci Techno。.（6）采用有限元法研究了大块磁铁矿的干式分选过程，把磁导率设为磁场的参数，动力学模拟与实验取得了较为一致的结果，以此研究内容撰写论文一篇，已投国际期刊Miner Eng。.综上所述，本项目如期完成研究计划，建立了以动态磁矩磁偶极子模型为基础的磁团聚动力学理论，为磁选设备的改进提供理论借鉴。