Теоретические основы процессов магнитной сепарации
Магнитные методы обогащения широко применяются в практике переработки руд, в состав которых входят магнитные минералы. Это относится прежде всего к железным и марганцевым рудам, для которых магнитные методы являются основными. Кроме того, эти методы применяются при доводке коллективных концентратов, содержащих редкометальные магнитные минералы, как ильменит, монацит и др., а также при разделении, например, вольфрамо-оловянных концентратов, в которых магнитным минералом является вольфрамит, а немагнитным – касситерит [33, 51, 63].
Магнитные и электрические методы сепарации широко применяются также при утилизации твердых промышленных и бытовых отходов, содержащих металлические детали.
Разделение минералов осуществляется в магнитном поле, которое образуется вокруг постоянных магнитов или вокруг проводников с электрическим током. Такое магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции В, которая является силовой характеристикой магнитного поля, и которая определяет силу, действующую в точке поля на движущейся электрический заряд и действие магнитного поля на тела, имеющие магнитный момент. Индукция магнитного поля – величина, численно равная силе, с которой магнитное поле действует на единичный элемент тока, направленной перпендикулярно полю. Магнитное поле, созданное токами проводимости и не зависящее от магнитных свойств вещества, характеризуется вектором напряженности магнитного поля. В вакууме напряженность магнитного поля совпадает с магнитной индукцией В. Напряженность магнитного поля не зависит от свойств среды, а определяется только силой тока и формой проводника.
Диамагнетики - это вещества, магнитные моменты атомов которых в отсутствии внешнего поля равны нулю, т.к. магнитные моменты всех электронов атомов скомпенсированы При внесении диамагнетика в магнитное поле его атомы приобретают наведенные магнитные моменты, направленные противоположно направлению внешнего магнитного поля. Парамагнетики намагничиваются в направлении внешнего магнитного поля и поэтому к действию внешнего поля прибавляется действие наведенного внутреннего поля. Если исключить внешнее поле, парамагнетики возвращаются в не намагниченное состояние.
Ферромагнетики обладают сильными магнитными свойствами. Прежде всего это такие металлы, как железо, кобальт и никель. Эти вещества способны сохранять магнитные свойства и в отсутствии внешнего магнитного поля, представляя собой постоянные магниты.
Подавляющая часть сильномагнитных и слабомагнитных минералов связана с железом, это или основные железные минералы – магнетит, гематит, лимонит, сидерит или минералы, в которых присутствует железо или марганец– ильменит, вольфрамит и др.
Магнитные свойства минералов не являются постоянными физическими величинами. Они изменяются в зависимости от напряженности магнитного поля, температуры, крупности измельчения, формы частиц, влажности, особенности кристаллической решетки, наличия изоморфных примесей и дефектов.
Магнитное поле, в котором происходит процесс разделения, может быть однородным, когда напряженность в любой точке поля постоянная по величине и направлению или неоднородным, при этом градиент напряженности grad H, представляет собой производную dH/dx в направлении наибольшего возрастания Н. На магнитный минерал, помещенный в такое поле, действует вращающий момент, которое приведет его в положение, параллельное линиям поля.
Магнитные и электромагнитные сепараторы
Аппараты, в которых производится отделение магнитных частиц от немагнитных, называются магнитными сепараторами. В магнитных сепараторах преимущественно применяется неоднородное магнитное поле, создаваемое соответствующей формой полюсов, от которой зависит напряженность магнитного поля и магнитная сила.
Рисунок 99. Магнитные поля сепараторов.
а - однородное, б – неоднородное.
Магнитные поля сепараторов создаются магнитными системами из постоянных магнитов или электромагнитами. Постоянные магниты изготавливают из композитов на основе феррита бария, из алюминий-кобальт-никелевых сплавов, или композитов состава неодим-железо-бор. Эти три типа постоянных магнитов создают в сепараторах магнитные поля соответственно до 0,4; 1,3 и 1,6 Тл, причем в этом же порядке возрастает и стоимость магнитов. Магнитная система на основе композита неодим-железо-бор позволяет выделять практически все сильномагнитные минералы и их сростки с немагнитными минералами. Электромагнитные системы создают поля с индукцией до 2,0 Тл и позволяют выделять слабомагнитные минералы и их сростки.
Магнитные и электромагнитные сепараторы могут перерабатывать как сухие сыпучие материалы, так и водные пульпы измельченного минерального сырья.
Магнитные и электромагнитные сепараторы со слабым полем для сухого обогащения. На этих сепараторах средне- или тонкозернистая руда с помощью вибрационного питателя подается равномерным слоем сверху на вращающийся барабан, внутри которого установлена неподвижная магнитная система. Магнитные частицы притягиваются к поверхности барабана вблизи полюсов магнитной системы, выносятся в область ослабленного магнитного поля и разгружаются в нижней зоне барабана. Немагнитная фракция отделяется от поверхности барабана в верхней его части и поступает в хвостовой отсек.
Рисунок 100. Схема сухого магнитного сепаратора.
1 – бункер, 2 – вибропитатель, 3 – магнитная система, 4 – барабан, 5 – патрубок для отсоса пыли, 6 – скребок, 7 – кожух, 8 – рама.
Магнитные сепараторы со слабым полем для мокрого обогащения. В этих сепараторах рудная пульпа, как правило, подается в ванну к нижней зоне барабана. Сепараторы выполняются с прямоточными, противоточными и полупротивоточными ваннами.
Рисунок 101. Принципиальные схемы мокрых магнитных сепараторов со слабым полем.
а – прямоточный, б, в - противоточный, г – полупротивоточный.
Рисунок 102. Общий вид мокрого магнитного сепаратора со слабым полем.
При малом содержании магнитной фракции в питании показатели работы всех трех указанных выше типов сепараторов близки между собой, а при высоком содержанимагнитной фракции в питании преимущество имеют противоточные и полупротивоточные сепараторы. Прямоточные сепараторы для мокрого обогащения более эффективны для руд крупностью менее 6 мм, а противоточные и полупротивоточные – для руд крупностью менее 2 мм.
Электромагнитные сепараторы с сильным полем для сухого обогащения. Такие сепараторы применяются для обогащения слабомагнитных руд крупностью менее 6 мм. Для обеспечения нормальной работы сепараторов из питания должна быть предварительно выделена фракция сильномагнитных минералов. Рабочая зона сепаратора состоит из каскадно расположенных валков, намагничивающихся от электромагнитной системы, на которые подается питание. Валки выполняются из набора листков электротехнической стали и изолируются друг от друга специальным лаком для предупреждения перегрева системы вихревыми токами.
Рисунок 103. Схема сухого валкового электромагнитного сепаратора.
1 – валки, 2,3,4 – электромагнитная система, 5 – питатель, 6 - кожух.
Электромагнитные сепараторы с сильным полем для мокрого обогащения. Сепараторы предназначаются преимущественно для обогащения слабомагнитных руд, например, марганцевых крупностью менее 1,0 мм и состоят из каскадно расположенных зубчатых магнитных валков. Магнитные частицы притягиваются к зубцам валков и выносятся в зону ослабленного поля. На системе из двух верхних валков осуществляется отделение магнитных минералов, а на нижнем – доочистка немагнитного материала.
Рисунок 104. Схема мокрого валкового электромагнитного сепаратора.
1 – питатель, 2, 3, 5 – электромагнитная система, 4 – валки, 6 – разгрузочный патрубок, 7 – двигатель, 8 – рама, 9 – вентиль, 10 – кожух.
Электрическая сепарация
Электрическая сепарация основана на различии электрофизических свойств разделяемых компонентов, которые под действием электрического поля приобретают различную траекторию движения. Электрическую сепарацию применяют для обогащения и классификации сухого материала крупностью менее 4 мм, ее можно использовать и как обогатительный процесс, и как классифицирующий, например, для разделения частиц различной формы [52, 105, 111, 115].
Электрическая сепарация по электрической проводимости применяется для разделения компонентов с различной электропроводностью. Электропроводность минералов складывается из объемной и поверхностной составляющих. Значения объемной электропроводности минералов изменяется в широком диапазоне. Поверхностная проводимость зависит не только от вещественно состава минерала, но и от состояния их поверхности, например, формы или шероховатости. Поэтому колебания суммарной электропроводности еще более широки.
В горной промышленности сепарация по проводимости широко используется для обогащения титановых руд, для разделения коллективных концентратов редких и редкоземельных минералов, полученных методами гравитационного обогащения. Очень широко такая сепарация используется также при переработке вторичного сырья, например, радиоэлектронного лома для разделения металлических и неметаллических компонентов.
Электрическая сепарация, основанная на контактной электризации, называется трибоэлектрической и предназначена для разделения частиц с весьма близкими электрическими свойствами.
Важнейший этап электрической сепарации – сообщение частицам электрического заряда (электризация). Избыточный заряд на поверхности частицы какого-нибудь знака – положительного или отрицательного можно создать путем касания к электроду, находящемуся под электрическим потенциалом, или путем ионизации, например, в поле коронного разряда.
В горной промышленности наиболее распространены барабанные сепараторы для разделения по электропроводности. Принципиальные схемы сепараторов приведены на рис. 105.
Рисунок 105. Схемы электрических сепараторов: а – электростатический,
б - коронный, в – коронно-электростатический.
1 – бункер, 2 – заряженный или заземленный барабан, 3 – остроконечный электрод, 4 – цилиндрический электрод, 5 – устройство для очистки барабана.
Как следует из приведенных схем, исходный материал подается в камеру сепаратора тонким слоем вибрационным питателем на заземленный барабан с установленным рядом с ним электродом. Электропроводные частицы заряжаются от электрода и отталкиваются от него, а неэлектропроводные падают по свободной траектории в приемник для непроводящих частиц. Проводящие частицы в полете быстро разряжаются, приобретают заряд, близкий к заряду барабана, отталкиваются от него и попадают в соответствующий приемник. Напряженность электрического поля в сепараторах подобного типа составляет 20-30 тыс. вольт.
Одним из недостатков традиционных электрических сепараторов является их сравнительно низкая производительность, связанная с необходимостью проводить процесс в тонком слое материала. Интенсифицировать процесс электрической сепарации можно путем перевода разделяемого материала в псевдоожиженное состояние, например, под действием вибрации.
Материал взят из книги «Основы геометаллургии»
Л.А. Вайсберг, О.В. Кононов, И.Д. Устинов