4.1.11 Баланс сил при магнитной сепарации

В основном, любой процесс разделения минералов использует два типа сил, которые направленно отклоняют и действуют селективно при отделении одного продукта от другого. Предпосылка адекватного физического раскрытия обычно универсальна. Магнитная сепарация использует поле магнитных сил против сил, направленных противоположно, которые могут включать гравитационные, инерционные и силы сопротивления жидкости в различных сочетаниях. В зависимости от конструкции сепаратора магнитная сила может останавливать и захватывать магнитный продукт или только отклонять от предыдущего пути. Магнитная сила селективно действует на один продукт, в то время как противоположно направленные силы обычно неселективно действуют на оба продукта.

Например, поток частиц может пассивно двигаться на конвейерной ленте через магнитное поле. Поле оказывает влияние на силу тяги вверх, более или менее под прямым углом к направлению движения и противоположно направленной вниз силе тяжести. Магнитная сила должна превышать гравитационную для поднятия "магнитных" частиц из движущегося слоя. Магнитная сила относится к массе, следовательно, требование поднятия не зависит от размера частиц. Первоначальное движение слоя почти не влияет на этот баланс сил, единственное условие то, что частицы свободно поднимаются из слоя в пределах притяжения магнитного поля. Превышение магнитного ускорения над гравитационным контролирует возможную производительность, но магнитная сила должна быть ограничена, чтобы избежать захвата немагнитных частиц в поднимающийся продукт. Если немагнитная фракция образует желаемый ценный продукт, то предпочитают максимальную силу для поднятия магнитных частиц максимальному удалению магнитных загрязнений и связанных промпродуктов. Окончательная транспортировка магнитной фракции из выделенного продукта - вторичный процесс, который можно провести на поперечной ленте (как в сепараторе Везерил) или на вращающихся железных дисках (как в сепараторе Рэпид). Большие магнитные силы необходимы в конструкциях сепараторов для пульп, где оказывают влияние комбинированные силы тяжести и сопротивления жидкости. Матричные сепараторы являются типичным примером, где значительная сила вязкого сопротивления учитывается при расчете необходимой силы захвата.

Все конструкции сепараторов основаны на принципах подъема или захвата и имеют общий недостаток. Они нуждаются в переносе магнитных частиц выше градиента магнитного поля из области, где магнитная сила относительно слаба. Это неизбежно влечет за собой максимальные магнитные силы для создания соответствующих сил захвата. Максимальные силы в основном больше, чем требуемые для удержания частиц в позиции захвата. Ситуация улучшается, если другие силы могут помочь передвинуть магнитные частицы в область высокой магнитной силы.

Например, в сепараторе, описанном Коэном и Гудом, тороидальный поток жидкости переносит все частицы в область высокой напряженности магнитного поля, которая находится на одной стороне канала, рисунок 4.13. В этом случае магнитная сила должна быть достаточно высокой для предотвращения увлечения магнитных частиц потоком, направленным тангенциально. Баланс между магнитной силой и силой сопротивления жидкости связан с размером частиц. С уменьшением размера частиц магнитная сила, зависящая от массы, уменьшается как куб диаметром частицы d3, в то время как сопротивление жидкости движению частицы зависит от площади ее поверхности и, следовательно, уменьшается только как d2 .

Это становится заметным при диаметре частиц менее 0,1 мм, зависящего от плотности и магнитной восприимчивости минерала. Сопротивление жидкости может быть снижено при более низкой скорости потока или при более высокой магнитной силе для сепарации более мелких частиц. Например, вода течет со скоростью 10 см/с и оказывает сопротивление около 9-10-8 Н на частицу размером 0,1 мм. При скорости 5 см/с сопротивление падает до 4,7-10-8 Н.

• 
• 1 - орбитальный канал; 2 - направление потока; 3 - направление магнитной силы; 4 - тороидальный поток; 5 - магнитный продукт
  Рисунок 4.13 - Схема магнитного сепаратора с орбитальным каналом (тороидальный поток обеспечивает подходящий механизм перемещения)

Различный баланс сил устанавливается в конструкциях сепаратора, где магнитная сила должна быть достаточной только для того, чтобы отклонить магнитный продукт и выделить его из питания, установив разделительную перегородку для отдельного сбора двух продуктов. Эта магнитная сила значительно меньше, чем та, что требуется для "поднятия" или "захвата" магнитных частиц. Магнитная сила уравновешивается направленным импульсом силы каждой частицы. Импульс силы и магнитная сила зависят от массы, следовательно, скорость составляющих частиц - важная переменная процесса.

Пример сепараторов этого типа - индукционно-роликовый сепаратор (рисунок 4.14). Разделение несовершенно из-за различия в силе тяжести (размере) и объеме (сопротивлении). В индукционно-роликовых сепараторах общим является получение широкой центральной зоны "машинных промпродуктов" вследствие перекрытия траекторий магнитных и немагнитных фракций и отрицательного влияния узкого зазора сепаратора, через который должно пройти все питание. Существует значительное взаимное влияние частиц при столкновении с последующим искривлением траекторий.

• 
• 1- железный мост; 2- соленоид магнита; 3- железный сердечник
  Рисунок 4.14 - Принцип действия индукционно-роликового сепаратора с двумя роликами

Ролики имеют ребристую поверхность (не показано) для создания магнитной силы, действующей по направлению к ним.

В различных конструкциях магнитных сепараторов используют относительно малое отклонение магнитных частиц. Например, магнитную силу можно направить так, чтобы она действовала поперек диспергированного водного потока, который свободно падает в воздухе. Величина и направление магнитного импульса каждой частицы должны быть достаточны только для отклонения частицы за подходящий разделитель. Гравитационная (инерционная) сила противодействия поддается регулированию путем изменения высоты сбрасывания и, следовательно, скорости частиц, с которой они попадают в магнитное поле. Используя конструкцию магнита, можно выбрать длину пути, проходимого потоком питания в магнитном поле. Она вместе с магнитной силой может быть определена горизонтальным перемещением магнитного продукта. Желательно, чтобы магнитная фракция падала ниже границы действия магнитной силы, перед тем, как магнитные частицы подойдут к магниту близко, чтобы исключить возможность постоянного захвата частиц (рисунок 4.15). Размер частиц - несущественный фактор, так как обе силы (магнитная и противоположно направленная) зависят от массы. Однако возможно электростатическое взаимодействие с разделением тонких частиц крупностью менее 0,1 мм.

Поперечная толщина или радиус действия магнитной силы определяется шириной потока питания и, следовательно, производительностью по питанию. Это обеспечивает умеренно низкий градиент поля, который должен быть компенсирован высокой напряженностью поля. Существует два лимитирующих условия для баланса между напряженностью поля и градиентом. Магнитная сила у дальнего края магнитного потока (рисунок 4.15) должна быть достаточной для перемещения магнитных частиц за разделитель.

Большая магнитная сила у того края потока, который находится около магнита, должна позволять магнитным частицам падать ниже предела действия магнитной силы без их захвата. Для парамагнитных минералов градиент поля составляет 0,06-0,6 Тл/см при ширине потока 5-10см. Соответствующая максимальная интенсивность поля находится в пределах 2,5-4,5 Тл на небольшой высоте 2-5см или 1,5-2,5 Тл на расстоянии 10-20см.

• 
• 1 - ограничение эффективной магнитной силы; 2 - магнит; 3 - регулируемый разделитель
  Рисунок 4.15 - Принцип работы сепаратора свободного падения с ограниченным магнитным полем

Одно важное условие для успешной магнитной сепарации из смеси свободнопадающих частиц - питание должно двигаться плотным потоком. Если частицы так плотно расположены, что большинство или многие из них двигаются в турбулентном потоке, то весь поток ведет себя как жидкость. Это вызывается частицами в кильватере, которые неспособны двигаться поперек через границы вследствие разницы давлений. В плотном потоке отклонение существенной части (10 % и более) магнитных частиц с помощью поперечной магнитной силы дает в результате отклонение всего потока с небольшим или вообще невозможностью разделения магнитных и немагнитных частиц. Хорошо диспергированный поток должен иметь среднее содержание твердого около 10 % при колебаниях в интервале 5-20 % твердого, что зависит от удельных характеристик питания. Допустимые объемные концентрации твердого в питании зависят от свойств минералов, таких, как плотность, размеры и форма частиц. Доля магнитной фракции в питании в основном определяет легкость достижения хорошей сепарации. Наиболее легким случаем является удаление небольшого количества относительно крупнозернистых магнитных частиц из немагнитного продукта; стопроцентное удаление магнитной фракции достигается в одну стадию. Чистота магнитного продукта будет зависеть от плотности питания. С увеличением объемной плотности больше немагнитных частиц будет переноситься с магнитными и большая магнитная сила необходима для стопроцентного удаления магнитной фракции. В диспергированном потоке в потери частиц небольшой вклад вносят столкновения частиц, но это сильно преувеличивается в теоретических рассуждениях. Направления движения магнитных и немагнитных частиц в зоне разделения редко показывают углы отклонения более 25 градусов. Главное в непрямых столкновениях - скользящие удары с относительно маленьким прямым эффектом.

Наиболее трудный случай - разделение при высоком содержании магнитной фракции в питании, содержащем небольшую часть немагнитных частиц. Это требует самого большого объемного разбавления потока питания для того, чтобы минимизировать захват немагнитных частиц потоком магнитных частиц в зоне разделения. Также необходимо поддерживать магнитную силу настолько низкой, насколько это возможно для того, чтобы избежать захвата немагнитных частиц при образовании цепи магнитных частиц. Это предполагает постепенное удаление магнитных частиц в две или три стадии для максимального извлечения немагнитного продукта, что лучше, чем при одностадиальном разделении. Конечная перечистная стадия обычно необходима, если требуется высокое качество немагнитной фракции.

Значительная вязкость жидкости и связанные с ней силы сопротивления являются важным в магнитном разделении путем отклонения. Аналогичное разделение в водных суспензиях более затруднено или невозможно. Более медленное движение и большее время пребывания в магнитном поле должны быть обеспечены в конструкции таких сепараторов. Существуют многочисленные патенты для мокрых сепараторов такого типа, но никогда не было достигнуто практическое промышленное применение. Главная проблема в том, что магнитная сила очень слаба для преодоления сил сопротивления. Если магнитная сила повышается, это вызывает постоянный захват магнитных частиц из-за низких скоростей движения частиц в воде.

Точный баланс противоположно направленных сил составляет главную проблему в магнитной сепарации. Разделение двух минералов должно в принципе легко осуществляться, если есть соответствующее различие в их магнитных восприимчивостях. Даже если восприимчивость большей части магнитной фазы ничтожна, то достаточно высокая магнитная сила должна обеспечить разделение. Первый вопрос конструкции: есть ли достаточно большая магнитная сила, которую можно обеспечить в рабочем объеме для достижения необходимой скорости подачи питания. Второй вопрос конструкции: может ли геометрия и механика сепаратора обеспечить эффективные и управляемые противоположные силы в том же рабочем пространстве. В пределах ограничений пригодной магнитной силы большинство существующих конструкций магнитных сепараторов работает, если скорость подачи питания достаточно низка. В основном, производительность может быть увеличена для покрытия большего рабочего объема. Для увеличения градиента поля необходимо уменьшить рабочий объем, следовательно, только увеличение максимальной интенсивности поля удовлетворяет требованиям открыто градиентных сепараторов. Максимальная интенсивность магнитного поля в интервале 4-10 Тл была бы желательна, более высокая интенсивность применима, если питание поступает при больших скоростях или при существенной силе сопротивления жидкости.

Градиенты поля в матричных сепараторах достигают практического предела около 1 Тл/см и даже это налагает ограничения на применение. Градиенты поля в сепараторах с открытым каналом могут быть выбраны в интервале 0,05-1 Тл/см в целях обеспечения достаточной магнитной силы. Восприимчивость данного магнитного продукта определяет магнитную силу для разделения и влияет на возможный баланс между интенсивностью поля и его градиентом. В традиционных электромагнитах максимальная интенсивность поля имеет практические экономические пределы около 2 Тл. Сверхпроводящие магниты отличаются только реальной перспективой увеличения магнитной силы в ответ на увеличение силы сопротивления текучей среды или для сбора более слабомагнитного продукта. Магнитная сепарация редко настолько проста, насколько это может быть выведено из магнитных характеристик руды. Большинство натуральных руд представляют следующие сложности:

- промпродукты, состоящие из связанных магнитных и немагнитных минералов с широким рядом эффективных магнитных восприимчивостей;

- ценность имеют как магнитные, так и немагнитные минералы (например, вольфрам в вольфрамите и шеелите);

- минералы непостоянного состава могут находиться в интервале от магнитных до немагнитных свойств - ценные и породные минералы могут иметь перекрывающиеся магнитные восприимчивости.

Высокоинтенсивная магнитная сепарация всегда требует предварительного удаления сильно парамагнитных или ферромагнитных материалов из питания, независимо от типа конструкции сепаратора. Такие материалы захватываются и неизбежно блокируют любую систему.

Из приведенного обзора ситуации в мире по магнитному обогащению следует, что разделение механических смесей являлось и является актуальным и по сей день. Имеющиеся на сегодня технологии позволяют разделять смеси различного характера, но проблема магнитного разделения тонких механических смесей продолжает оставаться актуальной.

предыдущий раздел | содержание| следующий раздел

Поиск в журналах РАЕ:

Авторы Публикации