Критерии выбора сепаратора для сухого и мокрого магнитного обогащения

Магнитная сепарация является одним из основных методов обогащения железных руд, а также руд марганца, хрома, титана, вольфрама, олова, а также используется в комбинированных технологиях обогащения угля, очистке различных типов сырья от магнитных примесей и при регенерации тяжелосредных суспензий.

Методы магнитного обогащения основаны на фундаментальных различиях магнитных свойств (магнитной восприимчивости) твердых материалов в зоне действия магнитного поля, которое изменяет гравитационную траекторию их движения, выводя магнитно-восприимчивый материал из веера свободного падения исходного продукта.

Типы магнитных сепараторов

По способу формирования магнитного поля магнитные сепараторы делятся на электромагнитные аппараты и на аппараты на основе постоянных магнитов. 

Электромагнитные сепараторы — генерируют магнитное поле за счёт проводящей катушки с электрическим током. Ключевое преимущество такой конструкции — возможность создания магнитного поля высокой напряженности, а также возможность плавной регулировки магнитного поле путём изменения силы тока, а при необходимости полностью отключить магнитное поле. Электромагнитный сепараторы используют для выделения слабомагнитных частиц и сростков магнитных и немагнитных минералов. 

Рис. 1 - Электромагнитный валковый сепаратор ЭВС 10/5	Рис. 2 - Сепаратор электромагнитный барабанный ЭБМ 63/18	Рис. 3 - Сепаратор электромагнитный валковый ЭВС 36/50	Рис. 4 - Сепаратор электромагнитный валковый 2ЭВМ 36/100

Магнитные сепараторы на основе постоянных магнитов. Современные сепараторы оснащаются преимущественно постоянными магнитами на основе композиционного материала неодим-железо-бор.  Магнитные сепараторы отличаются простотой в обслуживании, не требуют затрат электроэнергии на создание магнитного поля, не требуется охлаждение магнитной системы. Магнитное поле в рабочей зоне сепаратора можно регулировать, изменяя зазор между магнитной системой и обечайкой барабана сепаратора. Магнитное поле сепараторов на постоянных магнитах на порядок слабее, чем у электромагнитных сепараторов, поэтому магнитные сепараторы используют для выделения частиц с сильными магнитными свойствами.

Рис. 5 - Сепаратор барабанный ПБСЦ 30/5	Рис. 6 - Сепаратор барабанный ПБСЦ 40/10	Рис. 7 - Сепаратор барабанный ПБМ 90/60	Рис. 8 - Сепаратор барабанный ПБСЦ 63/100

Сравнительная характеристика сепараторов.

Сухие и мокрые магнитные сепараторы

В зависимости от характера среды в которой происходит разделение минералов, воздушная или водная, магнитные сепараторы подразделяются на сухие и мокрые.

Воздушная среда или сухой метод магнитной сепарации предназначен для исходного материала крупностью преимущественно более 2 мм. В принципе, сухое обогащение более тонкого материала на магнитных сепараторах возможно, но оно сопровождается пылеобразованием, ухудшением условий труда в области рабочей зоны и резким снижением эффективности и производительности сепаратора вследствие неселективной агрегации (слипания) тонких частиц. Поэтому сухая магнитная сепарация тонкозернистого материала является исключением, обусловленным наличием особых обстоятельств (например, необходимости применения только сухих технологий).

Жидкая среда или мокрый метод магнитной сепарации предназначен для обогащения мелкозернистых или измельчённых материалов (менее 3 мм). Подача материала в виде пульпы — суспензии твёрдых частиц в воде, обеспечивает равномерное распределение частиц и существенно уменьшает их слипание.

Выбор сухого или мокрого способа магнитного обогащения материала основывается на свойствах разделяемого продукта экономической составляющей и масштаба производства. Мокрая магнитная сепарация массово применяется, например, при обогащении магнетитовых руд – основного источника железорудного концентрата для черной металлургии и твердосплавной промышленности. Мокрая магнитная сепарация – это самый массовый (после рудоподготовки) технологический процесс на обогатительных фабриках. Этим способом перерабатывают в мировой горной промышленности ежегодно сотни миллионов тонн руды.

Следует сразу сказать, что магнитная и электромагнитная сепарации в подавляющем большинстве случаев не являются альтернативными способами обогащения для одного и того же материала. Это, хотя и родственные, но вполне самостоятельные виды технологий.

Сравнительная таблица сухой и мокрой магнитной сепарации.

На что обращать внимание при выборе сепараторов

• Самое главное: большинство процессов магнитной и электромагнитной сепарации хорошо моделируются в лабораторных условиях в отношении технологических показателей сепарации. Исключение составляет процесс крупнокусковой промышленной сепарации, которую невозможно смоделировать в лаборатории. Что касается выбора сепараторов по производительности, то в этом случае следует опираться или на данные из каталогов, или на данные промышленной эксплуатации на аналогичном виде сырья.

• Влажность. Если влажность высокая (более 5% для материала крупностью менее 10 мм), сухая сепарация будет неэффективна вследствие агрегации частиц. Возможно, потребуется предварительное высушивание.

• Магнитные свойства. Для сильномагнитных руд (например, магнетита) используют сепараторы со слабым полем. Для слабомагнитных минералов потребуются более мощные системы (валковые, роторные, высокоградиентные сепараторы с полем.

• Производительность. Барабанные модели могут обеспечивать до 200–250 т/ч на один барабан, валковые — 5–20 т/ч, роторные — 20–40 т/ч.

• Если планируется применение нескольких стадий мокрой магнитной сепарации, либо планируется регенерация тяжелосредных утяжелителей на основе ферросилиция или магнетита, то в схему цепи аппаратов обязательно следует включать устройства для размагничивания сырья для предотвращения нежелательной магнитной флокуляции материала, которая снижает эффективность сепарации и классификации по крупности. Полную гамму промышленных и лабораторных устройств для размагничивания пульп поставляет НПК «Механобр-техника».

• Важное обстоятельство: при намерении использовать электромагнитную сепарацию в сильном поле, необходимо предусмотреть применение перед электромагнитной сепарацией стадию магнитной сепарации в слабом поле для удаления сильномагнитных фракций. Наличие таких фракций в исходном продукте осложняет сепарацию в сильном поле.

Критерии выбора сухого обогащения

• Сухая магнитная сепарация (СМС) применяется, когда необходимо избежать использования воды или, когда материал имеет крупную фракцию.

• Крупность материала. Оптимально для промышленного обогащения классов крупности +0,5–50 мм. Например, для предварительного обогащения магнетитовых руд после дробления.

• Низкая влажность. Влажность исходного сырья должна быть строго ниже 3–5%. При превышении этого порога материал начинает комковаться, а эффективность резко падает.

• Отсутствие тонких шламов. Если в материале много фракции -0,044 мм, сухая сепарация будет неэффективной из-за слипания частиц.

• Дефицит воды. В регионах с ограниченным водоснабжением или при жестких экологических требованиях по сбросу сточных вод.

Рис. 9 - Устройство электромагнитного валкового сепаратора для сухого обогащения

Критерии выбора мокрого обогащения

• Мокрая магнитная сепарация (ММС) — применяется при тонком измельчении и получении высококачественных концентратов.

• Тонкоизмельченный материал. Классы -0,5 мм, особенно -0,1 мм. Вода предотвращает агломерацию тонких частиц.

• Необходимость высокой чистоты. Мокрый метод позволяет лучше контролировать процесс за счет регулировки плотности пульпы и скорости потока.

• Наличие глинистых примесей. Вода помогает отмывать глину, которая в сухом виде ухудшает сепарацию.

• Слабомагнитные минералы в тонких фракциях. Например, доводка черновых концентратов марганцевых или хромитовых руд.

Рис. 10 -  Устройство барабанного магнитного сепаратора для мокрого обогащения

Области применения сухой магнитной сепарации

• Обогащение руд. Например, выделение магнетита из железистых кварцитов, извлечение марганцевых или титановых минералов, повышая содержание ценного компонента в концентрате.

• Очистка сырья от ферромагнитных примесей. Например, стекольная промышленность, удаление железосодержащих частиц из кварцевого песка — предотвращают окрашивание стекла, производство керамики, строительных смесей, пластика и др. — добиваются чистоты продукта.

• Защита технологического оборудования. Например, из сырья извлекают металлические предметы (окалину, гвозди, обломки инструмента), чтобы не повредить дробилки, мельницы, экструдеры и другое оборудование.

• Сортировка и переработка отходов. Например, извлечение чёрных металлов из строительного мусора, золы, шлаков.

• Подготовка пищевых и кормовых продуктов. Удаление металлических включений из зерна, круп, комбикормов для безопасности и соответствия нормативам.

Виды сухих магнитных сепараторов

Барабанные сепараторы — для крупнокусковых и среднедисперсных материалов (руда, уголь, отходы). Материал подаётся тонким слоем на вращающийся барабан с магнитной системой внутри: магнитные частицы прилипают к барабану и сбрасываются в отдельный приёмник после выхода из зоны поля.

Валковые и высокоградиентные сепараторы — нужны для извлечения слабомагнитных минералов или очень мелких частиц, где требуется более сильное или неоднородное поле. Материал тонким слоем подаётся на валок либо между валками. Слабомагнитные частицы притягиваются к поверхности валка, удерживаются при вращении и принудительно сбрасываются в отдельный приёмник; немагнитная фракция сразу отделяется под действием силы тяжести и центробежных сил.

Вибрационные. Материал перемещается по вибрирующей поверхности через зону магнитного поля. Вибрация помогает расслоить и равномерно распределить мелкие частицы, повышая точность разделения. Подходят для редких металлов, тонких порошков, высокочистых продуктов.

Стержневые и решётчатые. Это магнитные стержни или решётки, через которые просыпается или протекает материал. Металлические примеси задерживаются на стержнях. Используют для очистки сыпучих продуктов в пищевой, фармацевтической, строительной промышленности.

Пластинчатые (плиточные). Магнитные пластины устанавливают в наклонных лотках или бункерах. При пересыпании материал контактирует с пластиной, ферромагнитные частицы прилипают, затем удаляются вручную или автоматически.

Плюсы: высокая производительность крупных, средних фракций, Возможность предварительного обогащения высоко крупных кусков руды от пустой породы, простота обслуживания, экономичность электроэнергия, водоресурсы (водооборот, очистка воды).

Минусы: необходим контроль влажности материала, ограничение по входной температуре до 80⁰, пылеобразование, низкая эффективность для мелких и слабомагнитных включений, равномерность подачи материала.

Области применения мокрой магнитной сепарации

• Обогащение железных руд. Извлечение концентратов магнетита и гематита, тонкого помола.

• Доводка и очистка неметаллических ископаемых. Удаление железосодержащих примесей из кварцевых песков, каолина, полевого шпата, талька — для стекольной, керамической и бумажной промышленности.

• Переработка шламов и хвостов. Доизвлечение ценных компонентов из тонких классов и отходов обогащения.

• Рециклинг и утилизация. Извлечение магнитных фракций из золы, шлаков, строительных отходов.

• Химическая и пищевая промышленность. Очистка суспензий и паст от ферропримесей, защита оборудования.

Виды мокрых магнитных сепараторов

Барабанные мокрые магнитные сепараторы — наиболее распространённый тип оборудования для мокрого магнитного обогащения на железорудных фабриках и в производстве чистых нерудных материалов. Материал в виде пульпы подается в ванну — смесь воды и измельчённого материала — под вращающийся барабан (внутри которого неподвижно закреплена многополюсная магнитная система из постоянных магнитов либо электромагнитов). Магнитные частицы притягиваются к поверхности барабана и выносятся в зону разгрузки. Разгрузка немагнитной фракции происходит через сливную насадку на дне ванны. Тонкие немагнитные частицы уходят в слив через переливную трубу.

Барабанные мокрые магнитные сепараторы в свою очередь делятся по оборудованию и типу ванн:

• Прямоточные ванны: направление потока пульпы совпадает с вращением барабана. Подходят для крупного материала, обеспечивая высокое извлечение. Вся длина рабочей зоны служит для перечистки концентрата. Однако прямоточный режим не мо­жет создать условий для получения высокого извлечения магнит­ной фракции, поскольку менее магнитные частицы, поднимаясь медленнее, чем более магнитные, встречают на своем пути к магниту слой ранее притянувшихся частиц и поэтому могут оторвать­ся и попасть в немагнитную фракцию, что снижает качество концентрата.

• Противоточные ванны: пульпа движется навстречу барабану. Магнитные частицы «вычерпываются» из потока. Предпочтительны для тонких классов (-0,2 мм), дают чистый концентрат, но извлечение может быть чуть ниже. При противоточном направлении, противоположном питанию, здесь магнитная фракция сразу покидает рабочую зону, а извлечение магнитной фракции выше, чем при прямоточном режиме, вследствие того, что условия притяжения слабомагнитных поверхность магнита свободна от других зерен.

• Полупротивоточные ванны: компромиссный вариант для материала широкого диапазона крупности. При полупротивоточном режиме исходный продукт направляет­ся на магнитный ротор и удерживается им, а продукты сепарации отклоняются под прямыми углами в разные стороны благодаря равнонаправленному движению магнита и потока. Такой режим наиболее выгоден для разделения тонких частиц, по­скольку направление потока совпадает с направлением магнитной силы, что облегчает притяжение даже самых мелких магнитных частиц. При сепарации тонкоизмельченных их избирательное объединение путем постепенного повышения си­лы поля (флокуляция) и затем осаждение или отклонение из по­тока.

Валковые электромагнитные сепараторы применяются для извлечения ценных компонентов из шламов, хвостов, золы, при обогащении марганцевых, вольфрамовых, ильменитовых, гематитовых руд, для обезжелезнения кварцевых песков, каолина, полевого шпата, талька. Материал крупностью менее 3 мм подаётся сухим или в виде пульпы на верхнюю часть зубчатого валка (зубья создают локальные пики напряжённости и высокий градиент магнитного поля), находящегося в рабочей ванне с определённым уровнем жидкости. Слабомагнитные частицы материала притягиваются к зубцам вращающегося валка и выносятся в концентратное отделение ванны. Немагнитные частицы разгружаются в немагнитное отделение ванны.

Плюсы: высокая эффективность для тонких классов, лучшее качество концентрата, возможность работы с влажным сырьем.

Минусы: высокие капитальные и эксплуатационные затраты (на водооборот, очистку воды), необходимость в сушильных установках (если нужен сухой товарный продукт).

Литература.

Пелевин А.Е. Магнитные и электрические методы обогащения. Екатеринбург, УГГГА, 2003 – 157 с.

Вайсберг Л.А., Устинов И.Д. Введение в технологию разделения минералов. СПб., Русская коллекция, 2019. – 168 с.

Пелевин А.Е. Повышение качества магнетитовых концентратов в переменном магнитном поле. // Обогащение руд. 2019.  №6. С. 19-24.

Арсентьев В.А., Герасимов А.М., Устинов И.Д. Термохимическое обогащение полезных ископаемых, содержащих слоистые силикаты. М.: Инфра-М. 2026. - 204 с.