CC BY
79
Л®1
ОБОГАЩЕНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
©В.И. Кармазин, В.В Кармазин,
Ц Ц Ц :: О.В. Замыцкий, В.А. Бардовский, > > > > 2000.................
УДК 622.7
В.И. Кармазин, В.В Кармазин,
О.В. Замыцкий, В.А. Бардовский
РАЗРАБОТКА НЕПРЕРЫВНОГО КАМЕРНОГО ВЫСОКОГРАДИЕНТНОГО МАГНИТНОГО СЕПАРАТОРА С СИЛЬНЫМ ПОЛЕМ
Введение
Процесс высокоградиентной сепарации в сильном поле возник в бывшем СССР в 40-е годы в институте «Ме-ханобр» [1], но тогда он не получил промышленного применения, по-видимому, вследствие недооценки его технологических возможностей и отсутствия чётких требований промышленности в области магнитного обогащения тонкоизмельченных материалов.
Второе рождение процесс получил двадцать лет спустя, после публикаций патентов Джонса и Карпентера [2, 3]. В СССР на этот раз уже очень остро стояла проблема обогащения окисленных железистых кварцитов, мелких классов марганцевых, хромовых руд, руд редких металлов, поэтому родились десятки новых отечественных конструкций, которые испытывались и принимались к серийному выпуску государственной комиссией Министерства чёрной металлургии СССР на IV секции Центрального горно-обогатительного комбината. Были также закуплены несколько зарубежных сепараторов ДР-300 (Джонса) для Михайловского горно-обогати-тельного комбината, сепараторов фирмы «Боксмаг-Рэпид» (Англия) для Дальневосточного горнохимического комбината и др. Более того, было изготовлено более 50-ти мощных высоко-градиентных сепараторов типа 6ЭРМ-3/300 (производительностью до 200 т/час) отечественного производства («Гипромашуглеобогащение») для Долинского ГОКа окисленных железных руд (Украина), который в связи с распадом СССР так и не был введён в эксплуатацию.
Такое обилие конструкций уже сопровождалось серьёзными теоретическими и экспериментальноконструкторскими исследованиями и процесс высокоградиентной сепарации в настоящее время хорошо изучен, надёжно моделируется и поддаётся инженерным расчетам.
Вместе с тем стали известны его недостатки и «узкие места», в частности:
• зависимость его эффективности от наличия в питании сильномагнитных минералов;
• низкое качество магнитной фракции при высоком извлечении тонкоизмельченных слабомагнитных частиц;
• относительно высокая себестоимость;
• низкая эффективность извлечения слабомагнитных частиц мельче 10 мкм, что важно при обезжелезнивании каолина и др.
В «Механобре» этот процесс родился под названием «магнитная фильтрация», чем он и является по своей сути. Это также свидетельствует от его зависимости от скорости «фильтрации» пульпы через высокоградиентную рабочую зону, что было убедительно показано проф. Э. Лоувером [4] и другими исследователями.
По существу основой этого процесса является высокоградиентные магнитные осадительные поверхности (слои шаров, рифленых пластин, стержней, сеток, пролочек и других матриц). Сравнительные испытания различных типов матриц провёл И.М. Рожков |5| определив их Ц ! область применения. Обширные иссле-
.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ;1 дования новых матриц проводил автор с
: : : : : : : : : : : китайскими коллегами (проф. Лин Де
Фу, проф. Ли и др.) НИИ Минметпрома КНР в г. Чанша [6].
Согласно развитым в этой работе представлениям, матрицы бывают контактные (например шары, стальная шерсть и др.), которые позволяют получить рекордно высокое извлечение слабомагнитных частиц, но требуют специальный регенерации, и саморегенерирующиеся - бесконтактные. Последние, в свою очередь, делятся на матрицы I рода, в которых рабочие элементы (например - рифленые пластины) установлены поперёк пути рабочего потока, и матрицы II рода, в которых рабочие элементы установлены параллельно магнитному потоку.
Наиболее изучены и широко распространены матрицы I рода, применяемые, например в ведущих типах высокоградиентных сепараторов ДР-300, 6ЭРМ-35/300 и др.
В этих матрицах рабочие щели редко превышают 3 мм, даже при самых высоких значениях напряжения возбуждения, что снижает их надёжность за счёт забивания щелей.
Преодолеть этот принципиальный недостаток можно только с помощью матриц II рода, которые в основном и используются в настоящей работе.
Одной из первых конструкций матриц II рода (1973 г.) являются колосниковые решетки из магнитной нержавеющей стали, установленные в роторе вдоль магнитного потока (радиально) с наклоном 28° к вертикали. Эту конструкцию использовала фирма Рапид в сепараторах типа Н^
Такая конструкция практически исключает возможность забивания матриц крупными зёрнами, а также имеет значительно большой вынос магнитной фракции на единицу своего веса.
Нами были продолжены исследования в направлении изучения технологических возможностей матриц второго рода, как наиболее устойчивых в работе (защищенных от механического забивания) и допускающих большие нагрузки по количеству магнитного продукта на единицу веса матрицы.
Извлечение тонких частиц слабомагнитных оксидов и гидроокислов железа, марганца, хрома, никеля, а также ферритов вольфрам-титана и др. требует магнитных сил, превышающих высокие значения диссипативных сил сопротивления среды, особенно существенные при движении тонких частиц. Последние нельзя уменьшить, снижая скорость пульпы, из-за промышленных требований максимальной производительности в одном сепараторе.
В большинстве упомянутых типов руд, к сожалению, по условиям раскрытия тонкое измельчение неизбежно, а если учесть, что магнитные свойства таких минералов соответствуют уровню этих свойств у парамагнетиков, т.е. очень малы, то увеличение магнитной силы можно достичь только за счет повышения напряженности внешнего магнитного поля или его градиента. По существу гематит является антиферромагнетиком, поэтому существуют физические методы повышения его магнитных свойств за счет магнитных и химических воздействий, но это выходит за пределы поставленной в работе задачи.
Теоретический анализ возможностей высокоградиентной сепарации
Применение традиционных магнитных систем ограничивает уровень напряженности, соответственно индукции насыщения материала сердечника магнитной системы в пределах 2 Тл. Гораздо большие возможности открывает использование в рабочем зазоре ферромагнитных осадительных матриц из магнитомягкого материала, которые, благодаря высокой магнитной проницаемости материала способны обеспечить большие градиенты напряженности магнитного поля в окрестностях полюсных выступов.
Такой подход остается правомерным при использовании любого источника внешнего поля, как традиционной электромагнитной системы, так и сверхпроводящей. Однако следует помнить, что в сильных полях возбуждения, приближающихся к уровню 2 Тл, дальнейшее повышение напряженности вызывает магнитное насыщение заостренных полюсных элементов ферромагнитных матриц и снижает влияние их формы на уровень пондеромоторной силы в зазоре. Это требует перехода на малые осадительные элементы матриц, соизмеримые с размером разделяемых частиц, как например стальная вата или стальная шерсть. Эти полюсные элементы (проволочки, сетки и др.) даже при их полном магнитном насыщении поддерживают высокий уровень локальных градиентов за счет суперпозиционного вклада своей индукции, повышая тем самым градиент - напряженности и уровень пондеромотор-ных магнитных сил вблизи своей поверхности.
Вм = He+J\(B>Bs) = Не+Js, (1)
так как Js = Const, то
grad He = (H+Js-H) A x = Js/ A x, (2)
где Вм - индукция магнитного поля матриц; Не - напряженность внешнего магнитного поля; Bs и Js - индукция и намагниченность материала матриц; A х - высота прикон-тактной зоны захвата элемента матрицы.
Из формулы (2) следует, что при J=Js градиент напряженности имеет максимальное значение, но при дальнейшем росте Не он будет уменьшаться, так как Js = const.
Все это имеет огромное значение для высокоградиентной сепарации, так как магнитное насыщение частиц минералов, как правило, наступает при более низких значениях Не, после чего вклад магнитных свойств самих частиц в уровень извлекающих их магнитных сил уже не увеличивается. Это легко видеть из классической формулы для пондеромоторной (тяговой) магнитной силы [7]:
Fm =M4gradHeJ VjgradHe^cSjHrgradHe =
= %GH1-gradHe, (3)
где Мч - магнитный момент частицы; J,l - намагниченность частицы; V - объем частицы; ж = JJH - объемная магнитная восприимчивость; ^ч = ж/— - удельная магнитная восприимчивость; ^ - плотность минерала частицы; H1 - напряженность внутреннего магнитного поля частицы; He - напряженность внешнего магнитного поля частицы.
Учитывая, что при B^B^ J4*Js, т.е. при магнитном насыщении минерала частицы в сильном внешнем поле He намагниченность частицы J,l = = const становится
постоянной величиной, т.е. имеет предел.
Конечно, с ростом Не, ж может уменьшаться, а H1 несколько увеличиваться, так как ^Hpconst, но в целом после достижения магнитного насыщения вклад напряженности внутреннего поля частицы H1 уже не увеличивается и дальнейший рост магнитной силы может быть достигнут только за счет увеличения grad He, независимо от того возрастает дальше He или нет. Крупность частиц труднообогатимых руд со временем снижается, поэтому необходимость соответствующего повышения уровня сил в сепараторах очевидна [8].
Первые конструкции сепараторов Джонса были камерными и имели целый ряд технологических преимуществ:
• высокий, регулируемый уровень давления питания и смывной воды при подаче в камеру;
• минимальное количество высокоградиентных матриц;
• компактность, отсутствие сложного и мощного привода и т.д.
Вместе с тем сепараторы периодического действия имеют свои органические недостатки, связанные со сложностью управления многоступенчатым циклом, низкой производительностью и др.
В настоящей работе была поставлена задача совместить преимущество двух конструкций и по возможности избежать известных недостатков.
Процесс сепарации осуществляется в предлагаемой конструкции следующим образом.
Слабомагнитную пульпу подают на вход рабочей камеры, с заданным напором вдоль осадительных поверхностей ферромагнитных тел. В камере создают магнитное поле с уменьшающейся напряженностью в направлении движения пульпы. При попадании пульпы в магнитное поле происходит разделение частиц: слабомагнитные частицы под действием пондеро-моторных сил осаждаются на рабочих поверхностях ферромагнитных тел, а немагнитные - под действием сил тяжести и гидродинамических сил опускаются вниз и, проходя сквозь зазоры между ферромагнитными телами, удаляются из рабочего пространства сепаратора. Предполагается, что сила, зависящая от градиента напряженности поля в рабочем зазоре достигает уровня сил потокосцепления между частицами и полюсными элементами матрицы. Осевшие слабомагнитными телами, удаляются из рабочего пространства сепаратора. Предполагается, что сила, зависящая от градиента напряженности поля в рабочем зазоре достигает уровня сил потокосцепления между частицами и полюсными элементами матрицы. Осевшие слабомагнитные частицы в зоне их захвата ферромагнитными телами находятся под действием магнитных
сил сцепления и гидродинамических сил потока пульпы. При этом сопротивление отрыву частиц от ферромагнитных тел превышает в 10©2 раз сопротивление их скольжению по телам. Величину гидродинамической силы напора пульпы FTML вдоль осадительной поверхности ферромагнитных тел в момент её поступления в рабочую камеру задают по условию:
F.г.м=р^ > Fск. = к(В2^^ 0)/2 О),
где р - давление в начальной части камеры, Па; S - площадь поперечного сечения камеры, м2; Fск. - сила сопротивлению магнитному скольжению частиц по рабочей поверхности ферромагнитных тел, Н; к - коэффициент плотности прилегания частиц к ферромагнитным телам; В - величина магнитной индукции, Тл; s - величина площади контактной поверхности частиц с телом, мм2; О0 - магнитная постоянная, Гн/м; О - коэффициент трения скольжения слабомагнитных частиц по рабочей поверхности ферромагнитных тел.
Слабомагнитные частицы после их осаждения на ферромагнитные тела под действием силы Fг.м. перемещаются по ним в сторону разгрузки путём магнитного скольжения. При перемещении магнитных частиц по осадительной поверхности от входа к выходу камеры, гидродинамическая сила потока пульпы убывает в связи с отводом потока пульпы, содержащим немагнитные частицы сквозь зазоры между ферромагнитными телами из рабочего пространства камеры. Для обеспечения непрерывности перемещения магнитных частиц по ферромагнитным телам, поле магнитной системы между ферромагнитными телами сепаратора устанавливают с различной напряженностью, убывающей в направлении движения пульпы. Величину напряжённости между ферромагнитными телами по всей длине камеры подбирают та-
ким образом, чтобы в каждый момент перемещения пульпы соблюдалось вышеупомянутое условие.
За пределами межполюсного пространства магнитной системы напряжённость магнитного поля стремится к нулю. Силы сцепления магнитных частиц с ферромагнитными телами в этой части камеры также стремятся к нулю. Поэтому под действием сил тяжести и гидродинамических сил происходит съём магнитной фракции с ферромагнитных тел и непрерывный сбор её в отдельную ёмкость.
Особенности конструкции сепаратора
Высокоградиентный камерный непрерывного действия магнитный сепаратор ВКНМС включает в себя магнитную систему 1, в межполюсном пространстве которой установлена рабочая камера 2 с размещённым внутри её пакетом параллельно расположенных ферромагнитных тел в виде призм 3. Рёбра и грани соседних призм 3 образуют между собой в направлении магнитного потока пары полюсов, равномерно распределённых по поперечному сечению камеры 2. Поперечные сечения призм 3 выполнены уменьшающимися по ходу движения пульпы, а их конечные участки расположены с закреплением вне зоны меж-полюсного пространства магнитной системы 1. Равномерность распределения призм 3 обусловлена неизменностью шага между центрами их тяжести по всей длине камеры 2. При использовании призм малого сечения во избежание их притяженения друг к другу (слипания) в магнитном поле, их закрепляют с натяжением между торцевыми стенками камеры 2. Количество граней призм 3 может быть различным, например три, четыре (фиг. 3-4). Верхняя грань каждой из призм 3 совмещена с направлением магнитного потока, что необходимо для равномерного распределения пульпы по всей длине камеры 2. В верхней
Рис. Схема высокоградиентного и высокоинтенсивного камерного магнитного сепаратора непрерывного действия и варианты рабочих матриц
части камеры 2 размещён питающий патрубок 4. Количество подаваемой в рабочее пространство камеры 2 пульпы регулируется заслонкой 5, размещённой в начале камеры 2 над верхним рядом призм 3. В нижней части камеры установлен регулируемый ограничительный шибер 6. Дно 7 камеры 2 под межпо-люсным пространством магнитной системы 1 выполнено наклонным в сторону движения пульпы. На конечном горизонтальном участке дна 7 размещены приёмник немагнитной фракции 8 и приёмник магнитной фракции 9. Для дополнительной очистки концов призм от случайно застрявших магнитных частиц между приёмником магнитной фракции 9 и шибером 6 установлен штуцер подачи воды 10. Камера 2 установлена с возможностью регулирования её угла наклона в вертикальной плоскости, например посредством винтового приспособления 11. Устройство снабжено вибратором 12, закреплённым на конечном участке корпуса камеры 2.
Сепаратор ВКНМС работает следующим образом. В рабочее межполюсное пространство камеры 2, создаваемое магнитной системой 1, через питающий патрубок 4 подаётся под заданным напором слабомагнитная пульпа, количество которой регулируется заслонкой 5 и поступает на осадительную поверхность призм 3. Под действием пондеромоторных сил происходит осаждение части магнитных частиц на рабочие поверхности верхнего ряда призм 3. Другая часть магнитных частиц вместе с немагнитными частицами в потоке пульпы проходит сквозь зазоры между верхним рядом призм 3 и под действием пондеромоторных сил поступает на рабочие поверхности нижних рядов призм 3, где и происходит окончательное осаждение магнитных частиц по всему объёму камеры 2. Немагнитные частицы под действием сил тяжести и гидродинамических сил уходят сквозь зазоры между призмами 3 и по наклонному дну 7 поступают в приёмник немагнитной фракции 8. Высокий градиент напряжённости магнитного поля в зазорах между полюсами, образованными рёбрами и гранями соседних призм 3, обеспечивает достаточно полное осаждение слабомагнитных частиц на их рабочую поверхность. Осевшие магнитные частицы под действием сил гидродинамического напора пульпы перемещаются вдоль призм 3 путём магнитного скольжения к концу камеры 2, выходят за пределы межполюсного пространства магнитной системы 1 и под действием сил тяжести и гидродинамических сил, отрываясь от призм 3, поступают в приёмник магнитной фракции 10. Увеличение зазоров между призмами 3 по ходу скольжения по ним магнитных частиц способствует облегчённому их съёму с конечных участков призм 3 и очистке от немагнитных частиц. Изменяя положение шибера 6, добиваются наиболее четкого отделения немагнитной фракции от магнитной. Вода, подводимая через штуцер 10, смывает остатки магнитной фракции на концах призм 3. Регулируя угол наклона камеры 2 посредством винтового приспособления 11, добиваются повышения эффективности магнитного сепарирования. Установка вибратора 12 способствует уменьшению сил сцепления магнитных частиц с конечными участками призм и, следовательно, улучшает их очистку от магнитных частиц. Параметры вибраций подбирают таким образом, чтобы отрыв магнитных частиц от призм 3 происходил за пределами межпо-люсного пространства магнитной системы.
Экспериментальные исследования
При создании испытательного стенда была использована магнитная система лабораторного изодинамического сепаратора СИМ-1, которая с помощью двух штурвалов через специаль-
ные редукторы могла принимать любое угловое положение, что очень важно при поиске оптимального режима сепарации.
Питание в сепаратор подавалось под напором центробежным насосом, в бункер которого возвращались магнитный и немагнитный продукты, чем достигался непрерывный режим работы стенда для сравнительно малых проб (около килограмма). Начальное содержание твердого в питании принимается, как обычно в мокрой сепарации 20...25%, а в ходе сепарации оно несколько снижается при подаче «подпорной» воды для регулировки процесса.
Основными регулируемыми параметрами (факто-рами) реТаблица 1
гулировки эффективности работы ВКНМС являются:
1. магнитная индукция в рабочем пространстве сепаратора;
2. напор в питающем патрубке сепаратора;
3. содержание твердого в питании;
4. угол наклона камеры (+12° до -12° к горизонтальной плоскости);
5. величина насадок на разгрузочных штуцерах для немагнитного магнитного продукта.
Остальные, нерегулируемые параметры (тип и конструкции матрицы, картина магнитного поля, различные камеры и т. д.) закладываются при изготовлении камеры и не регулируются в конкретной конструкции.
При планировании экспериментов по определению оптимальных параметров варьировались пять вышеуказанных параметров. Камера сепаратора, на которой производились экспериментальные исследования по устройству, соответствует рис. 1, а её размеры - высота, ширина и длина равны 50, 40 и 200 мм соответственно. Брусья составляющие матрицу имеют в сечении равносторонний треугольник, со стороной 3 мм, изготовленной из железа «Армко».
В качестве магнитных минералов в исходной пробе были выбраны слабомагнитные оксиды марганца - пиролюзит и псиломелан, имеющие относительно стабильную магнитную восприимчивость ^ © 1 © 10-6 см3/г, в отличие от слабомагнитных оксидов железа. Проба была отобрана на Порожненском месторождении (Россия) и после измельчения до крупности - 0,1мм предварительно отсепариро-вана на стандартном лабораторном магнитном сепараторе 138-СЭ с индукцией 0,5 Тл для удаления сильно и среднемагнитных минералов. В табл. 1 показаны результаты ВКНМС, полученные при оптимальных параметрах (В = 1,2 Тл, Н = 3...5 м, Э = +80 и т.д.).
Выводы
1. В лаборатории магнитных и электрических методов научно-технического центра Московского государственного горного университета осуществлен практически новый процесс, в котором магнитная фракция «сползает» под давлением пульпы в зону разгрузки. Таким образом, удалось создать высокоградиентный камерный магнитный сепаратор непрерывного действия.
Продукты Содержание Мп, % Выход, % Извлечение, %
Исходный 41,5 44,3 87,5
магнитный
Немагнитный 4,7 55,7 12,5
Исходный 21,0 100,0 100,0
2. По технологической эффективности новый сепаратор не 3. Недостатком сепаратора ВКНМС является сложность
уступает известным промышленным конструкциям ВГМС, но ручной регулировки процесса, поэтому в Центре разрабатыва-
значительно превосходит их по удельным показателям (произ- ется система его автоматического регулирования.
водительности на единицу массы сепаратора и расходу электроэнергии на одну тонну питания).
ІШшШшшШшШшШшШІШ» СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Деркач В.Г. и Дацюк И.С. Электро-магнитньїе процессьі обогащения, Метал-лургиздат, 1947.
2. Patent specification GB № 768,451, B 03 C, 1954.
3. Patent specification USA № 3,375,925 , B 03 C, 1968.
4. Louwer I.E., Wright T.L., Kokal H.R., The behavior of Mesabi silicate minerals in 20 kilogauss magnetic fields, SME Transaction, v.194, Iune, 1968.
5. Рожков И.М. Повышение устойчивости и эффективности процессов высокоградиентной сепарации путём применения осадительных поверхностей с продольным магнитным потоком, Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук, СКГМИ, Орджоникидзе, 1988.
5. Кармазин В.В. «Магнитные и электрические методы сепарации в решении экологических проблем горного производства» Сб. «Эколо-гические проблемы гор-
ного производства, переработка и размещение отходов» МГГУ и ИПКОН, М., 1995.
7. V.V.Karmazin, Teoretical Assessment of Technological Potential of Magnetic and Electrical Separation, Magnetic and Electrical Separation, Gozdon and Breach Sience Palishers, v.8, № 3, 1997.
8. Кармазин В.И., Кармазин В.В. Магнитные методы обогащения, М., Недра, 1984.
Кармазин Виталий Иванович докюр юхнических наук, профессор Национальной горной академии Украины.
Кармазин Виктор Витальевич — доктор технических наук, профессор МГГУ. Замыцкий О.В. — кандидат технических наук, доцент Криворожской горно-рудной академии.
Бардовский Владимир Анатольевич - аспирант МГГУ.
