Повышение селективности обогащения магнетитовых кварцитов на основе применения высокоградиентного сепаратора с низкоинтенсивным переменным магнитным полем

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

УДК 622.778

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Повышение селективности обогащения магнетитовых кварцитов на основе применения высокоградиентного сепаратора с низкоинтенсивным переменным магнитным полем

Специальность 25.00.13 - «Обогащения полезных ископаемых»

Cыса Павел Анатольевич

Научный руководитель: проф., докт. техн. наук В.В. Кармазин

Москва 2016



Оглавление

Введение

1. Анализ технологических схем, процессов и аппаратов, применяемых для получения высококачественных магнетитовых концентратов, соответствующих требованиям бездоменной металлургии

1.1 Технологии дообогащения магнетитовых концентратов

1.2 Анализ конструкций магнитных сепараторов, применяемых для получения высококачественных концентратов

1.3 Выводы

2. Повышение селективности магнитного обогащения железорудных концентратов на основе управления процессом магнитной флокуляции

2.1 Анализ процесса флокуляции при обогащении во вращающихся магнитных полях

2.2 Исследования возможности получения высококачественных магнетитовых концентратов с помощью высокоградиентной сепарации в слабом переменном магнитном поле

3. Теоретический анализ процесса высокоградиентной сепарации в слабом переменном магнитном поле

3.1 Закономерности разделения магнитных частиц в рабочей зоне сепаратора ВГСНПМП

3.2 Гидродинамика движения пульпы в высокоградиентных средах

3.3 Анализ моделей процесса высокоградиентной магнитной сепарации

3.4 Моделирование процесса ВГСНПМП

4. Разработка конструкции и испытания сепаратора ВГСНПМП

4.1 Характеристика исходного материала

4.2 Разработка конструктивных параметров сепаратора

4.2.1 Выбор формы и размеров элементов высокоградиентной матрицы сепаратора.

4.2.2 Расчет высоты рабочей зоны сепаратора

4.2.3 Удельная емкость шаровой матрицы.

4.2.4 Расчет параметров массопереноса в рабочей зоне

4.3 Определение режимных параметров сепарации

4.3.1.Определение оптимальной напряженности магнитного поля в рабочем зазоре

4.3.2 Определение оптимального содержания твердого в питании

4.3.3 Расчет шаровой загрузки сепаратора.

4.4 Конструкция экспериментального сепаратора ВГСНПМП

4.5 Испытания экспериментального образца сепаратора ВГСНПМП

4.5.1 Результаты обогащения концентрата МГОКа на сепараторе ВГСНПМП

4.5.2 Определение сепарационных характеристик и ожидаемых показателей обогащения сепаратора ВГСНПМП

4.5.3 Проверка адекватности математической модели процесса ВГСНПМП

4.5.4 Выводы

5. Рекомендуемая технология обогащения магнетитовых кварцитов МГОКа на основе применения сепаратора ВГСНПМП

Заключение

Список литературы



Введение

Актуальность работы. Россия занимает одно из ведущих мест в мировом балансе железорудного сырья по запасам, производству, потреблению и экспорту продукции [24]. Прогнозные ресурсы РФ оцениваются в 160 млрд. т. со средним содержанием железа 35,8% [21, 81]. Истощение запасов богатого сырья привело к тому, что в настоящее время основное промышленное значение имеют магнетитовые руды с содержанием 31-35% железа, отличающиеся тонкой вкрапленностью рудных и нерудных минералов, из которых методом многостадиальной магнитной сепарации получают концентраты с содержанием 65-68% железа и 7-9% кремнезема [1].

В то же время во всех регионах мира быстрыми темпами развиваются технологии бездоменной металлургии. Статистические выкладки говорят о том, что производство железа прямого восстановления за последние 10 лет возросло более чем на 60% [1, 61].

Эта тенденция стимулируется следующими причинами:

- растут требования к качеству стали;

- кокс и коксующиеся угли все более труднодоступны, при этом есть огромные запасы природного газа и относительно дешевая электроэнергия;

- основное количество серы и фосфора попадает в чугун при доменном переделе и ухудшает качество стали.

Производство первичного металла в агрегатах бездоменной металлургии существенно отличается от доменного производства. Способ весьма экономичен. Отпадают затраты на коксохимическое производство. Производительность бездоменных процессов заметно выше традиционных способов выплавки стали из чугуна.

Главным сдерживающим фактором для развития бездоменной металлургии в РФ является ограниченность сырьевой базы вследствие жестких требований к содержанию кремнезема в концентрате, которое должно быть не более 3-3,5%. Этим требованиям соответствуют только железорудные суперконцентраты Лебединского и Оленегорского ГОКов.

Низкое качество железорудных концентратов поддерживает в странах СНГ технологию XIX в. - доменное производство. Удаление одной тонны кварца в шлак требует две тонны кокса и половину тонны флюсов. По себестоимости это составляет до 50 USD на тонну кварца, хотя для обогатительных фабрик затраты на удаление тонны кварца не превышают 5 USD, а удаление SiO₂ до уровня менее 3% открывает дорогу самым современным бездоменным процессам черной металлургии [40, 64, 65].

При содержании Fe_общ менее 64% концентрат можно продать только как аглоруду. При достижении содержания Fe_общ 70% цена концентрата значительно возрастает. На экспорт сейчас можно поставлять продукцию только с содержанием 68 -70% Fе_общ., что говорит о том, что нижней границей качества железорудного концентрата на сегодняшний день является содержание Fe_общ 68%.

В Российской федерации магнитное обогащение неизменно остается технологической основой использования руд черных металлов. Месторождение Курской магнитной аномалии (КМА) имеет самые большие в мире запасы магнетитовых руд - свыше 22 млрд.т. Здесь работают четыре горно-обогатительных комбината: Лебединский, Стойленский, Михайловский и Белгородский; Яковлевский рудник и объединение КМА-руда, которые производят более З0 млн. т/год концентратов. С начала 80-х годов функционирует Оскольский электрометаллургический комбинат, не имеющий доменных печей и являющийся одним из наиболее крупных подобных заводов в мире. При Лебединском ГОКе работают уже три установки горячего брикетирования железа.

Одним из путей решения проблемы повышения качества концентратов является создание новых сепараторов, позволяющих селективно разделять чистые зерна минералов от сростков с пустой породой. Перспективной разработкой является высокоградиентный сепаратор ВСПБМ 90/100, созданный в НТЦ МГГУ ГОМУ под руководством профессора В.В. Кармазина. Сепаратор показал хорошие результаты в схемах стадиального выделения концентратов и дообогащения товарных концентратов Лебединского и Михайловского ГОКов, но, при доводке концентрата на МГОКе, повышение качества сопровождалось существенным снижением извлечения Fe_общ в концентрат [3, 4, 27, 37].

Дальнейшее совершенствование технологии магнитного обогащения и создание новых конструкций высокоградиентных сепараторов, обеспечивающих повышение качества магнетитовых концентратов, является актуальной проблемой.

Диссертационная работа посвящена решению задачи повышения эффективности магнитной сепарации сильномагнитных руд, при производстве суперконцентратов для бездоменной металлургии, на основе предложенного автором нового процесса высокоградиентной магнитной сепарации в переменном магнитном поле с низкой напряженностью (ВГСНПМП).

Научной основой диссертации явились результаты исследований магнитной сепарации железных руд, значительный вклад в развитие которых внесли ведущие ученые: В.Г. Деркач, В.С. Замыцкий, В.И. Кармазин, В.В. Кармазин, Л.А. Ломовцев, П.Е. Остапенко, И.Н. Плаксин, Ян Свобода и др.[20, 29, 41 - 45, 49,64, 75, 76, 110 - 112, 114- 116, 118 - 120.]

Цель работы. Получение суперконцентратов с содержанием общего железа (Fe_общ.) 69% и выше на основе магнитной сепарации в слабом переменном магнитном поле (напряженностью менее 20 кА/м).

Идея работы. Повышение селективности обогащения магнетитовых кварцитов на основе применения высокоградиентного сепаратора с низкоинтенсивным переменным магнитным полем для получения высококачественных концентратов по схемам магнитного обогащения железорудных ГОКов.

Задачи исследований:

- анализ работающих технологических схем обогащения железорудных ГОКов и применяемых на них современных обогатительных процессов и аппаратов;

- теоретический анализ основных закономерностей высокоградиентной сепарации в низкоинтенсивном переменном магнитном поле (ВГСНПМП) с целью выявления параметров, оказывающих влияние на селективность разделения сильномагнитных концентратов;

- разработка математической модели нового процесса ВГСНПМП, объективно отражающей закономерности разделения магнитных частиц при его использовании, позволяющей определить основные конструктивные и технологические параметры сепаратора ВГСНПМП.

- разработка устройств для стендовых и лабораторных испытаний метода высокоградиентной магнитной сепарации в переменном магнитном поле при разделении сильномагнитных минералов;

- определение основных конструктивно-технологических параметров ВГСНПМП - сепаратора непрерывного действия и выдача предложений и рекомендаций по его использованию в технологических схемах для получения высококачественных магнетитовых концентратов, соответствующих требованиям к сырью для бездоменной металлургии.

Объектами исследований являлись конструктивно-технические и технологические параметры процессов и аппаратов высокоградиентной мокрой магнитной сепарации в слабом переменном магнитном поле (ВГСНПМП) для доводки магнетитовых концентратов железорудных ГОКов.

Методы исследований:

- магнитные, химические, гравитационные методы анализа исходных материалов и продуктов разделения;

- моделирование процесса сепарации в лабораторных условиях;

- теоретический анализ конструктивно-технологических параметров процесса ВГСНПМП на основе его математической модели;

- анализ результатов, полученных в ходе лабораторных испытаний с использованием компьютерной обработки в современных программах Statistica, Ansys и др.

В экспериментах использовались специальные и стандартные измерительные устройства и приборы.

Научная новизна работы

1.Установлен механизм повышения селективности магнитной сепарации, возникающий в высокоградиентной среде в результате воздействия переменного магнитного поля низкой интенсивности, заключающийся во вращательном и поступательном движении магнитных частиц разделяемой смеси в местах высокого градиента магнитного поля. Этот эффект обусловлен тем, что в результате наличия гистерезиса перемагничивания у частиц магнетита, в момент изменения полярности поля извлекающая магнитная сила кратковременно принимает противоположное направление. Впервые для предотвращения флокуляции с целью повышения качества магнетитового концентрата применено переменное магнитное поле частотой 50 Гц и напряженностью не выше 20 кА/м в сочетании с высокоградиентной извлекающей матрицей.

2. Разработана математическая модель, описывающая новый процесс высокоградиентной сепарации в низкоинтенсивном переменном магнитном поле (ВГСНПМП), включающая системы уравнений, отображающих зависимости технологических параметров процесса ВГСНПМП, его граничные условия и учитывающая функции распределения частиц по величине удельной магнитной восприимчивости (содержания Fe_общ) в исходном питании. Получены сепарационные характеристики и зависимости основных показателей обогащения от влияния параметров поля.

3. Впервые изучено теоретически и практически проверено воздействие переменного магнитного поля на работу матриц различной конфигурации (шаровых и цилиндрических), в результате чего установлено, что лучшее качество магнетитового концентрата достигается при применении шаровой матрицы, что позволяет достичь содержания 69% и выше при помощи магнитного метода сепарации. Выявлено, что оптимальным значением напряженности переменного поля является 9-15 кА/м.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработан новый процесс высокоградиентной сепарации в низкоинтенсивном переменном магнитном поле (ВГСНПМП), отличающийся применением высокоградиентных осадительных матриц, находящихся в переменном магнитном поле (частота 50Гц) малой напряженности (до 20 кА/м); установлен рабочий диапазон его основных технологических параметров; выявлен механизм удаления богатых сростков из слоя магнетитового концентрата, заключающийся в повышении подвижности осажденного слоя концентрата вследствие переориентации вектора извлекающей магнитной силы в момент смены полярности поля, также в результате использования гистерезиса перемагничивания магнетита, обеспечивающих высокоселективное разделение сильномагнитных материалов.

2. Создана математическая модель, описывающая новый процесс высокоградиентной магнитной сепарации в слабом переменном магнитном поле (ВГСНПМП), включающая систему уравнений, описывающих зависимости технологических параметров процесса ВГСНПМП и его граничные условия, на основе которой получены зависимости показателей обогащения от параметров поля, подтвержденные экспериментальными данными. Модель позволяет рассчитать напряженность магнитного поля, его градиент, скорость подачи пульпы и установить эффективные параметры обогащения для процесса ВГСНПМП;

3. Создан непрерывно действующий экспериментальный сепаратор ВГСНПМП, включающий электромагнитную систему, кольцевую высокоградиентную осадительную матрицу с большой осадительной поверхностью и небольшой глубиной зоны захвата, необходимой для удерживания частиц с наиболее высокой магнитной проницаемостью, а также привод и устройства загрузки и выгрузки продуктов обогащения; который позволяет при доводке рядового магнетитового концентрата получить суперконцентрат, содержащий более 69% Fe_общ при производительности по исходному питанию не менее 10 кг/ч.

Практическая значимость работы заключается в определении технологических параметров сепаратора ВГСНПМП, разработке технологического процесса, основанного на применении сепаратора ВГСНПМП, позволяющего доводить магнетитовые концентраты до содержания Feобщ 69% и выше по магнитной схеме без использования флотационной доводки, который может быть рекомендован для внедрения на Михайловском ГОКе. Получено положительное решение Федеральной службы по интеллектуальной собственности о выдаче патента по заявке №2014114166/03(022119) на авторские права по процессу ВГСНПМП.

Личный вклад автора состоит в постановке проблемы, анализе современного состояния производства высококачественных магнетитовых концентратов, формулировке задач исследования, установлении механизма гистерезисного взаимодействия материала с переменным полем, создании математической модели процесса ВГСНПМП и конструкции сепаратора ВГСНПМП, в планировании и проведении экспериментов, обработке полученных результатов, формулировании выводов и рекомендаций, защищаемых положений и их доказательстве.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на симпозиуме «Неделя Горняка», Москва, МГГУ, 2013г.; на десятой всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Энергосбережение. Экология. Новые технологии», Старый Оскол, 2013г.; на симпозиуме «Неделя Горняка» Москва, МГГУ, 2014г.; на симпозиуме «Неделя Горняка», Москва, МИСиС, 2015г.; на Конгрессе обогатителей стран СНГ, Москва, 2015г.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 120 наименований, 38 рисунков и 7 таблиц.

Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук, профессору В.В. Кармазину за научное руководство при выполнении работы.

Работа частично выполнена при поддержке Минобрнауки России в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы» (УИС RFMEFI57814X0049)



1. Анализ технологических схем, процессов и аппаратов, применяемых для получения высококачественных магнетитовых концентратов, соответствующих требованиям бездоменной металлургии

Во второй половине XX века возникшие дефициты источников энергии, территории, распространение производства металла в развивающихся странах, резкий рост требований к качеству металла и возросшие требования экологии заставили пересмотреть критерии успеха при получении черных металлов. На первый план выдвинулось бездоменное производство и, в первую очередь, метод прямого восстановления железа. [8, 30, 40, 62, 108].

Главным требованием, предъявляемым к концентратам, использующимся в качестве сырья в бездоменном производстве, является высокое содержание общего железа (более 68%) и низкое содержание кремния (менее 3 %). В России такие концентраты получают магнитными методами только на Лебединском и Оленегорском ГОКах [11, 93]. На других ГОКах качество концентратов регламентируется соответствующими ГОСТ и техническими условиями. Так для месторождений КМА технические условия на магнетитовый концентрат предусматривают: крупность - 0,1-0 мм; влажность - 10,5%; содержание железа - не менее 64%. В ряде концентратов регламентируется содержание вредных примесей - фосфора, серы, кремнезема [16,50].

В рыночных условиях основой для определения цены на концентраты стала их металлургическая ценность и качество концентратов на работающих ГОКах, как правило, выше регламентируемого техническими условиями. Раскрытие минералов в них достаточно высокое, что позволяет, используя различные методы доводки, отделить магнетитовые зерна от их сростков с кварцем и получить суперконцентраты, пригодные для бездоменного передела.

Для решения этой задачи применяются комбинированные способы обогащения.

Важной проблемой технологии обогащения, направленной на получение высококачественных концентратов, является выбор типа измельчения, определяющего раскрытие минералов и всю технологию дальнейшей переработки [85]. Самым простым и надежным решением является шаровое измельчение. Оно гарантирует высокую удельную производительность, но не обеспечивает селективность раскрытия минералов [1].

Низкая селективность раскрытия при шаровом измельчении связана с тем, что благодаря многократному превосходству физико-механических свойств стальных шаров по сравнению с железистыми кварцитами, разрушение последних идет в направлении удара, и зона контакта разделяемых минералов «магнетит-кварц» остается в виде сростков. П. Е. Остапенко считал, что количество необогащаемого класса, т. е. класса который распределяется пополам между концентратом и хвостами определяется произведением площади срастания минералов на средний размер зерна в последней стадии измельчения [65]. Самоизмельчение разрушает сростки по границе срастания минералов, поскольку физико-механические свойства разрушающего и разрушаемого материалов одинаковы. магнетитовый концентрат сепарация

Самоизмельчение обеспечивает более высокий технологический уровень для повышения качества конечного концентрата. Это подтверждают показатели работы, Лебединского ГОКа, получающего суперконцентраты для бездоменной металлургии (70% Fe_общ) [101, 48].

Современные комбинированные технологии получения высококачественных концентратов включают магнитную сепарацию с последующей доводкой магнитного концентрата тонким грохочением, гравитационными, флотационными и высокоселективными магнитными методами [9, 26, 52].

1.1 Технологии дообогащения магнетитовых концентратов

В мировой практике доводочные операции (тонкое грохочение, обратная катионная флотация и др.) позволяют повысить массовую долю железа в концентратах до 67,5-71,8% и понизить содержание кремнезёма в них до 3% и менее.

На предприятиях Pea Ridge (США), Malmberget (Швеция) доводочные отделения производят особо чистые концентраты (69-70% железа и до 2,5% кремнезема), которые используются для электросталеплавильного производства, аккумуляторной промышленности (71-71,2% железа и до 1% кремнезема) и порошковой металлургии (71,4-71,8% железа и до 0,3% кремнезема) [1, 30].

Флотация используется для отделения чистых магнетитовых зерен от их сростков с пустыми породами, так как сростки, имея незначительное количество нерудных минералов, обладают почти такой же магнитной восприимчивостью, как и чистые магнитные зерна, и поэтому при магнитной сепарации попадают в концентрат [17, 89].

Флотационная доводка магнетитовых концентратов за рубежом на таких предприятиях как Empire Main. Co. Tilden, (США); Adams, Griffith, Sherman (Канада); Kirkenes (Норвегия); Kiruna (Швеция); Bong Range (Либерия) осуществляется в основном в машинах Wemco, которые отличаются управляемой циркуляцией, способностью работать на грубом продукте и высоким извлечением [113, 117].

Флотация является самым распространённым способом повышения технико-экономических показателей железорудных обогатительных фабрик [26, 79, 89,].

При обогащении руд черных металлов применяются следующие виды флотации [8]:

- флотация рудных минералов анионными собирателями с депрессией минералов пустой породы (прямая анионная флотация);

- флотация с переводом в пенный продукт минералов пустой породы на основе применения активаторов и анионных собирателей для этих минералов и депрессоров для подавления рудных минералов (обратная анионная флотация);

- флотация с переводом в пенный продукт минералов пустой породы на основе применения катионных собирателей и депрессоров рудных минералов (обратная катионная флотация).

Реагентный режим флотации зависит от типа руды.

Обратная анионная флотация наиболее широко применяется для различных разновидностей железных руд, различающихся по вещественному составу. Эта флотация менее чувствительна к наличию шламов, не требует предварительного обесшламливания пульпы и может успешно применяться при повышенной жесткости воды. Обратная анионная флотация более эффективна для бедных концентратов, а обратная катионная флотация эффективнее при флотации продуктов с высоким содержанием железа и незначительным количеством шламов. В частности для получения высококачественных концентратов из концентратов магнитного обогащения.

Если магнетитовый концентрат получен из руды с большой массовой долей силикатов (магнетитовые кварциты), то для удаления силикатов применяют обратную катионную флотацию. Преимуществами обратной катионной флотации является то, что она не требует умягчения воды и большого расхода реагентов, ее продолжительность в 2-4 раза меньше, чем анионной, а селективность разделения выше.

Недостатками обратной катионной флотации являются большая чувствительность к наличию шламов и дозировке реагентов, высокая стоимость и повышенная токсичность собирателей.

Обратная катионная флотация нашла применение на обогатительной фабрике Михайловского ГОКа, как метод повышения качества магнетитового концентрата, обеспечивающий производство высококачественных железорудных концентратов, пригодных для производства доменных окатышей и технологии прямой металлизации [18, 19].

В результате флотационного дообогащения магнетитовых концентратов 5-й стадии мокрой магнитной сепарации, содержащих 66,0% общего железа и 7,3% кремнезема, получают 73,7% (от операции) низкокремнеземистого концентрата с содержанием железа 69,8% и кремнезема 2,9% для технологии прямой металлизации. При этом попутно получаются промпродукт, содержащий сростки, и хвосты с массовыми долями железа 64,0 и 48,0 % соответственно. Технологическая схема включает основную обратную катионную флотацию модифицированными аминами в колонной машине, контрольную флотацию камерного продукта основной флотации и перечистку пенного продукта основной флотации без циркуляции. Извлечение железа в общий концентрат составляет 93,2%.

Возможно получение 12,0% доменного концентрата с содержанием железа 64,0% (от операции выход составляет 62,32%, извлечение- 66,05%) и 7,26% пенного продукта с содержанием железа 69,38% (выход от операции -37,68%, а извлечение- 33,95%). Получаемые низкокремнеземистые концентраты соответствуют требованиям технологии бездоменной металлургии.

Магнито-флотационная доводка концентратов на Ингулецком ГОКе (Украина) обеспечивает получение флотационного концентрата с содержанием железа 69% при извлечении железа в концентрат до 90% (от операции). Процесс ведется на жесткой технической воде.

Доводка магнетитовых концентратов по технологии ЗАО «НПО «РИВС» осуществляется методом обратной катионной флотации с использованием собирателей на основе аминов. Высокая селективность собирателей исключает необходимость использования депрессоров. Флотация осуществляется на жесткой воде при частичном водообороте. При доводке получен концентрат, содержащий 69,5 % железа (при извлечении от операции 94,62 %) и 1,75 % кремнезема [77].

Практика показывает, что флотационное дообогащение железорудных концентратов, полученных в результате магнитной сепарации, является достаточно эффективным методом, позволяющим осуществлять производство высококачественных железных концентратов. Но сброс химических реагентов ухудшает состояние окружающей среды.

При объективно возрастающей хозяйственной деятельности человечества требования к охране окружающей среды будут только ужесточаться. Выполнение этих охранных мероприятий однозначно будет приводить к увеличению расходной составляющей формулы прибыли при использовании флотационных и физико-химических методов доводки магнетитовых концентратов. Следовательно, прибыльное, по сегодняшним меркам, предприятие через 10-15 лет может оказаться убыточным при чрезвычайно высоких расходах на охрану природы. Поэтому в настоящее время предпочтение отдается экологически чистым технологиям.

В последнее время в отечественной и зарубежной практике переработки железных руд нашло применение гидравлическое вибрационное грохочение [72]. Этот способ осуществляет разделение исходя из крупности и плотности частиц. При этом более мелкие и плотные частицы выводятся в подрешётный продукт. Учитывая особенности разделения на грохоте и особенности формирования фракционного состава магнетитовых промпродуктов и концентратов, тонкое грохочение применяется для стадиального выделения товарных концентратов, а также для получения высококачественного концентрата.

Промышленные испытания по стадиальному выделению концентрата при помощи грохотов «Derrick» 2SG48-60W-5STK перед последней стадией измельчения были проведены на ряде фабрик [96, 112] и дали положительные результаты.

На ОФ Высокогорского ГОКа установка двух грохотов с размером отверстия сита 0,18 мм перед второй (последней) стадией измельчения позволила вывести 59 % материала из питания цикла второй стадии в виде подрешётного продукта. При этом образовался резерв по увеличению производительности секции на 10-20 % при сохранении существующей массовой доли железа в концентрате и большем извлечении железа в концентрат (до 1,0-1,5 %) [65].

На ОФ Качканарского ГОКа на секциях по производству концентрата для агломерации проведены испытания грохотов по стадиальному выделению концентрата. Испытания выполнены на сите с размером отверстия 0,15 мм [64].

Задача повышения качества конечного концентрата при помощи тонкого грохочения решена на ОФ Костомукшского ГОКа в рамках программы модернизации фабрики, предусматривающей повышение массовой доли железа в концентрате, извлечения железа в концентрат и производительности комбината до 33 млн. тонн руды в год [22].

Испытания грохотов «Derrick» 2SG48-60W-5STK с целью повышения качества конечного концентрата проведены на ОФ Соколовско-Сарбайского ГОКа. Испытания проходили на секции № 14 по трёхстадиальной схеме измельчения [104]. В настоящее время на ОФ Соколовско-Сарбайского ГОКа грохоты «Derrick» с размером отверстия просеивающей поверхности 0,1 мм стоят в последних стадиях измельчения секций первой (двухстадиальная схема измельчения) и второй (трёхстадиальная схема измельчения) очередей. На секциях с трёхстадиальной схемой измельчения грохочение песков дешламации третьей стадии измельчения с последующим магнитным обогащением подрешётного продукта позволяет получать магнетитовый концентрат с массовой долей железа 66,6 %.

На ОФ Ковдорского ГОКа грохота «Derrick» разделяют концентрат третьей стадии магнитного обогащения с массовыми долями железа и пятиокиси фосфора 63,3 и 0,29 % соответственно на подрешётный продукт с массовыми долями железа и пятиокиси фосфора 64,1 и 0,17 % и на надрешётный продукт с массовыми долями железа и пятиокиси фосфора 61,5 и 0,58 %. Подрешётный продукт обогащается в последней стадии магнитной сепарации с получением концентрата № 1 с массовыми долями железа и пятиокиси фосфора 64,2 и 0,14 % соответственно. Надрешётный продукт дополнительно классифицируется, измельчается и обогащается. В результате получается концентрат № 2 с массовыми долями железа и пятиокиси фосфора 63,5 и 0,14 %. Содержание железа в суммарном магнетитовом концентрате составило 64 %. Использование тонкого грохочения позволило повысить содержание железа в концентрате на 0,7 %.

Применение тонкого грохочения на Костомукшском ГОКе позволило повысить массовую долю железа с 65,7 до 67,6% с одновременным повышением извлечения металла с 76,4 до 78%.

Высокие технологические показатели по доводке магнетитового концентрата получены с применением магнито-гравитационного классификатора типа МГК-1500 [28], промышленные испытания проведены на Костомукшском и Лебединском ГОКах. При использовании МГК-1500 на Костомукшском ГОКе можно повысить массовую долю железа в концентрате до 68,5-69,0% без использования тонкого грохочения. На Лебединском ГОКе указанный аппарат позволил получить концентрат с массовой долей железа 70-71% без использования обратной флотации и без выделения отвальных хвостов, т.е. с получением двух концентратов.

На Оленегорском ГОКе для доводки концентрата успешно применяются «бочки Зеленова», являющиеся магнитогравитационными сепараторами [5]. Там возможно так же применение флотационной доводки концентрата для снижения содержания кремнезема до уровня менее 2% и серы до уровня ниже 0,06% за счет механохимической активации его озоном (разработка НТЦ ГОМУ МГГУ). При этом комбинат может перейти на технологию горячего брикетирования по опыту Лебединского ГОКа, повысив стоимость своей продукции на порядок [59].

В случаях, когда для повышения степени раскрытия рудных минералов при дообогащении магнетитовых концентратов необходимо измельчение рядового концентрата в шаровой мельнице, необходимо учитывать, что без предварительной подготовки магнетитовой пульпы, этот процесс приводит к переизмельчению, ошламованию и потерям полезного компонента при последующей магнитной дешламации и магнитной сепарации [73]. Для предотвращения этих явлений возможно использовать способ получения высококачественного магнетитового концентрата [70], предусматривающий уплотнение пульпы до массовой доли твердого 70%, дезактивацию для отделения шламистых частиц нерудных минералов с поверхности рудных, а так же магнитно - гравитационное концентрирование подготовленного продукта в восходящем потоке и электромагнитном поле с напряженностью не более 24 кА/м.

Такая предварительная подготовка рядового магнетитового концентрата позволяет избежать в дальнейшем налипания за счет сил адгезии минералов пустой породы на крупные зерна рудных минералов и предотвратить их попадание в концентрат. Благодаря тому, что магнитно-гравитационная концентрация осуществляется по трем физическим признакам: крупности, плотности и магнитным свойствам минеральных комплексов, происходит селективное разделение рудной и нерудной фаз. Уплотнение и дезактивация магнетитовой пульпы и последующее магнитно-гравитационное концентрирование позволяют удалить часть свободного нерудного материала со сливом концентратора в отвальные хвосты. Черновой концентрат классифицируют на два продукта - крупный и тонкий. Крупный продукт доизмельчают, затем объединяют с тонким, что позволяет предотвратить переизмельчение свободных рудных частиц, раскрыть сростки без ошламования рудной фазы, и выделить нерудные частицы в отвальные хвосты.

Одним из наиболее эффективных методов борьбы с отрицательным влиянием флокуляции на процесс мокрой магнитной сепарации тонкоизмельченных материалов является применение вращающихся магнитных полей [56, 57]. Начиная с 60-х годов прошлого столетия, в этом направлении ведется много исследований. За последний период было предложено большое количество различных конструкций магнитных сепараторов с бегущими магнитными полями. Известны конструкции сепараторов с вращающейся и неподвижной магнитной системой [39, 67, 69].

Магнитная сепарация во вращающемся поле позволяет не только повышать качество железных концентратов, но и получать концентраты стадиально [71].

Промышленные испытания на Михайловском и Лебединском ГОКах показали высокую эффективность разработанного в НТЦ МГГУ высокоселективного магнитного сепаратора с вращающейся магнитной системой ВСПБМ-90/100.

Предложен вариант схемы обогащения, в которой питанием сепаратора ВСПБМ - 90/100 служат пески дешламации V стадии мокрой магнитной сепарации. По этой схеме можно получать два продукта: концентрат с содержанием железа общего 70,2% после флотации, который будет отправляться на ГБЖ и рядовой концентрат с содержанием железа общего 65,1% для получения окатышей. Реализация предложенного способа позволит по сравнению с действующей схемой обогащения на ОММО ДОК МГОКа, не снижая производительности, получать как высококачественные концентраты для ГБЖ, так и рядовой концентрат для фабрики окомкования [27].

1.2 Анализ конструкций магнитных сепараторов, применяемых для получения высококачественных концентратов

На железорудных ГОКах Российской Федерации мокрая магнитная сепарация осуществляется на сепараторах типа ПБМ (постоянные магниты, барабанный, мокрый). В этих сепараторах пульпа через приёмное устройство поступает в рабочее пространство под барабан сепаратора. Магнитные частицы, извлекаемые из нее силой притяжения магнитной системы, набранной из постоянных керамических магнитов, притягиваются к поверхности барабана, выносятся вращением барабана из зоны сепарации и смываются водой в приёмник магнитного концентрата [29, 54].

Промышленные модели сепараторов ПБМ отличаются своими размерами, типами ванн и имеют большую производительность. Например, противоточный сепаратор ПБМ-П-120/300 обеспечивает производительность 200-300 т/ч при крупности питания -4+0мм. Напряженность поля на поверхности барабана достигает 100 кА/м. Сепараторы ПБМ имеют магнитные системы с чередующимися полюсами магнитов, а также прямо-, противо- и полупротивоточные ванны. Конструкция сепараторов ПБМ показана на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Разрезы противо- и полупротивоточных сепараторов ПБМ-П-120/300 (а) и ПБМ-ПП-120/300 (б)

Барабанные сепараторы выпускаются и зарубежными производителями: «Sala», «Jafri», «Rapid», «Indiana» и др. и имеют похожую конструкцию. Сепараторы этого типа обеспечивают хорошее извлечение магнитного продукта (до 98%), что обусловлено высокой напряженностью поля на поверхности барабана (до 120 кА/м) [25,118]. Однако вследствие недостаточной селективности на большинстве ГОКов не удаётся достичь содержания железа общего железа в концентратах выше 65,5% без применения дополнительной их доводки, например, флотации [64, 84].

Наилучший из современных серийных магнитных сепараторов (ПБМ 120/300) способен выделять в отвальный продукт (хвосты) только немагнитные зёрна пустой породы и очень бедные сростки, а в концентрат - всю рудную смесь (магнетит и его сростки) [29]. Выделять чистый магнетит на нем невозможно по трем причинам:

- контрастность магнитных свойств на границе разделения между магнитной рудной смесью и немагнитными породными минералами значительно выше, чем между элементами рудной смеси (магнетитом и сростками), а селективность сепараторов недостаточна;

- жесткая магнитная флокуляция частиц магнетита в относительно сильном поле рабочей зоны сепаратора вызывает захват бедных сростков и частиц пустой породы в концентрат;

- высокая физико-механическая активация материала и пьезоэффект после измельчения вызывает появление зарядов у частиц кварца, которые закрепляют их на поверхностях магнетита кулоновскими силами «зеркального отображения».

Физической основой перечисленных проблем является существование двух разновидностей магнитной силы: адгезионной или потокосцепления (ближнего действия) и пондеромоторной - градиентной (дальнего действия). Первая вызывает флокуляцию частиц, а вторая - их сепарацию.

Первая неселективна, существует даже в слабых полях за счет остаточной намагниченности, но только при контакте между магнитными частицами, а вторая селективна и действует на достаточно большом расстоянии, но требует более высоких значений напряженности магнитного поля.

В серийных сепараторах типа ПБМ величина силы потокосцепления частиц достаточна для создания прочных флокул, и градиентная сила притягивает к барабану уже готовые флокулы, отделяя их от кварцевых зерен.

Магнитная флокуляция материала, вызванная наведенной или остаточной его намагниченностью и силами потокосцепления сохраняет флокулы даже вне магнитного поля и препятствует отделению магнитных частиц от их сростков с немагнитными при ММС сильномагнитных материалов [29].

Для повышения селективности ММС Т.Е. Владимировым [20] была предложена конструкция электромагнитного сепаратора с вертикально расположенной плоской магнитной системой, создающей бегущее магнитное поле, и вынесенным из зоны сепарации индукционным барабаном (рисунок 1.2.б). Сепаратор позволил получить высококачественные концентраты - вплоть до чистого магнетита, но он не получил промышленного применения из-за сложной электромагнитной системы и низкой производительности.

Рисунок 1.2. Электромагнитные сепараторы конструкции Т.Е. Владимирова с бегущим полем статорного типа (а) и плоскостного типа (б). 1 - магнитная система; 2 - ванна; 3 - направляющая спирали; 4 - распределительный конус; 5 - питающая труба; 6 - приемник концентратов; 7 - индукционный диск; 8 - приемник перелива; 9 - индукционный барабан; 10 - магнитный экран.

На Абагурской фабрике, а затем в Кривбассе были изготовлены и испытывались барабанные сепараторы типоразмера 167А-СЭ с бегущим магнитным полем и электромагнитными и комбинированными магнитными системами [29]. Принцип работы сепаратора 167А-СЭ заключается в следующем: питание по двум трубам направляется в загрузочную коробку сепаратора, откуда равномерным слоем подается на питающий лоток ванны под вращающийся барабан. Магнитные частицы под воздействием магнитного поля притягиваются к барабану и перемещаются к краю магнитной системы, где они отделяются от барабана и самотеком поступают в разгрузочную коробку. Немагнитные частицы вместе с основной массой воды разгружаются через хвостовые насадки и хвостовой патрубок. Производительность сепаратора достигает 35 т/ч при содержании твердого в питании 50%.

Определенными преимуществами перед электромагнитными сепараторами обладают сепараторы с вращающимися постоянными магнитами.

Известен магнитный сепаратор [29], разработанный в Уралмеханобре, рабочая ванна которого выполнена в виде системы наклонных каналов, расположенных по периметру вертикальной вращающейся магнитной системы (рисунок 1.3). В этой конструкции активно противодействуют друг другу управляемые магнитные и центробежные силы. Исходный материал равномерно распределяется по каналам. Опускаясь вниз, пульпа попадает в зону действия вращающегося магнитного поля, создаваемого вращающейся системой постоянных магнитов.

Рисунок 1.3 Барабанный сепаратор с вращающейся магнитной системой конструкции института Уралмеханобр. 1 - корпус сепаратора; 2 - рама; 3 - вращающаяся магнитная система; 4 - делитель выходных продуктов; 5 - каналы; 6 - магнитный продукт; 7 - немагнитный продукт.

Под действием магнитных сил магнитные частицы выделяются из потока и притягиваются к стенке рабочего канала. Так как магнитный барабан вращается, и рабочие каналы наклонены в сторону вращения, то перемещение магнитных флокул осуществляется только под действием магнитного поля. Под действием центробежных и магнитных сил пульпа расслаивается: немагнитные частицы отбрасываются к периферийной стенке желоба, магнитные притягиваются к внутренней стенке. Затем частицы продвигаются к разгрузочному концу желоба, где поток рассекается делительной перегородкой на магнитный и немагнитный продукты.

Разработанная в Уралмеханобре укрупненная непрерывно действующая установка с рабочим желобом центробежного сепаратора диаметром 600мм и производительностью до 3т/ч состояла из следующих узлов (рисунок 1.4): расходного бачка-агитатора, пульпопровода, насоса, рабочего желоба, выполненного в виде спирали, надеваемой на барабан с подвижной магнитной системой, привода магнитной системы и станины.

Рисунок 1.4 - Установка для центробежной мокрой сепарации конструкции Уралмеханобра. 1 - бак-смеситель; 2 - насос; 3 - центробежный сепаратор.

Исследования показали, что данный сепаратор целесообразно применять при доводке конечных магнитных продуктов.

Сепаратор конструкции ВНИИцветмета (рисунок 1.5) [44] внешне напоминает обычный барабанный сепаратор и состоит из футерованного резиной ротора набранного из штампованных листов стали с пазами, в которые заложена трехфазная обмотка. Движение потока пульпы в ванне совпадает с направлением вращения ротора и магнитного поля. При переменном токе 50А и напряжении 35В напряженность поля на поверхности ротора составляет 120 кА/м, а на расстоянии 10мм от поверхности 95 кА/м.

Рисунок 1.5 - Магнитный сепаратор с качающейся магнитной системой конструкции ВНИИ цветмета. 1 - приёмник; 2 - барабан, 3 - качающаяся магнитная система, желоб подачи питания; 5 - концентрат; 6 - съёмник; 7,8,10 - брызгала; 9 - приёмник концентрата.

Двухроторный электромагнитный сепаратор аналогичной конструкции (рисунок 1.6) также разработан ВНИИцветмет.

Рисунок 1.6 - Схема двухроторного электромагнитного сепаратора конструкции ВНИИцветмет. 1 -ванна сепаратора; 2- барабаны сепаратора; 3 -устройство разгрузки песковой фракции; 4 - переливной клапан.

Под действием центробежной силы, обусловленной бегущим магнитным полем, магнитные флокулы разрушаются. Взвешенный в магнитном поле у стенок статора слой ферромагнитных частиц выжимает к центру ванны пустую породу, которая уносится потоком воды вниз и разгружается через насадку. Чистые магнитные частицы под действием магнитных сил перемещаются в радиальном направлении к поверхности ванны, достигнув которой двигаются по окружности в сторону, противоположную перемещению бегущего поля. Частицы разгружаются индукционным диском в приемник концентрата. Сепаратор показал высокую эффективность сепарации, но недостатком является его малая производительность.

В институте Уралмеханобр была разработана и изготовлена экспериментальная модель сепаратора с бегущим магнитным полем (рисунок 1.7), предназначенного для работы в операциях доводки магнетитовых концентратов [44]. Особенностью сепаратора является наличие вращающейся внутри немагнитного кожуха барабана круговой многополюсной магнитной системы с полюсами чередующейся полярности.

Рисунок 1.7 -Магнитный сепаратор с вращающейся магнитной системой конструкции Уралмеханобр.

Благодаря этому в каждой точке над поверхностью барабана вектор напряженности магнитного поля совершает вращательное движение. Образующееся при этом магнитное поле способствует многократной переориентации магнитных флокул и частичному их разрушению. Это приводит к интенсивному освобождению из флокул механически захваченных породных частиц и дообогащению магнитного продукта. Сепаратор имеет ванну полупротивоточного типа. В отличие от аналогичных конструкций в сепараторе предусмотрено глубокое погружение барабана в пульпу (на 2/3 его радиуса), что способствует увеличению длины рабочей зоны и повышению извлечения полезного компонента в магнитный продукт. Исследования показали, что при использовании полупротивоточной ванны наиболее рациональным является направление вращения магнитной системы, совпадающее с направлением вращения барабана сепаратора. Это позволяет снизить потери магнетита с хвостами. Исследования также показали, что сепаратор устойчив к колебаниям нагрузки в широких пределах.

Магнитный сепаратор с вращающимся полем роторного типа конструкции Уралмеханобра показан на рисунке 1.8. Пульпа под давлением подается в криволинейный желоб, где под действием магнитных и центробежных сил разделяется на магнитную и немагнитную фракции. Через перфорационные отверстия в желоб подается вода для промывки магнитной фракции. Немагнитная фракция оттесняется под действием центробежных сил к внешней стенке желоба и через перфорационные отверстия вытесняется из аппарата. Напряженность магнитного поля на внутренней поверхности рабочего желоба составляет 6,3 кА/м.

Рисунок 1.8 -Магнитный сепаратор с вращающимся полем роторного типа конструкции Уралмеханобра. 1 - питатель; 2 - рабочая ванна; 3 - наклонные каналы; 4 - барабан; 5 - постоянные магниты; 6 - разгрузочное устройство.

Известны так же конструкции сепараторов карусельного типа, использующих полиградиентную среду для извлечения магнитной фракции. Примером такого сепаратора может быть электромагнитный сепаратор, разработанный в НИИЧермет (рисунок 1.9) [6].

Электромагнитный сепаратор состоит из электромагнитной системы с магнитопроводом 1, внутри которого расположены катушки 2 и ротор 3 с кольцевой рабочей зоной, заполненной ферромагнитными телами 4, установленный с возможностью вращения внутри магнитопровода 1. Кроме того, сепаратор снабжен перфорированной пластиной 9. Исходное питание попадает через каналы 5. Проходя через футерованную часть каналов 8 с большой скоростью, пульпа попадает в расширенную часть 7, где замедляется и, проходя через футерованную пластину 9, поступает в рабочую зону, заполненную ферромагнитными телами. Магнитная фракция удерживается в рабочей зоне, а немагнитная свободно выносится через отверстия 6. Далее магнитная фракция выносится ротором из зоны действия магнитной системы вместе с ферромагнитными телами и разгружается промывкой в отсутствие магнитного поля.

Рисунок - 1.9. Электромагнитный сепаратор конструкции НИИЧермет. 1 - кожух; 2 - уплотнитель; 3 - ротор; 4 - ферромагнитные тела; 5 - канал подачи питания; 6 - выходной канал; 7 - рабочая камера; 8 - футерованная часть канала; 9 - футерованная пластина.

Конструкции сепараторов роторного типа, несмотря на высокую эффективность, не нашли широкого применения в обогащении магнетитовых концентратов из-за большой энерго- и металлоемкости и невысокой производительности.

В процессе мокрой сепарации вязкость воды не позволяет флокулам быстро вращаться для разрушения центробежными силами, и поэтому понадобились дополнительные исследования по созданию соответствующих конструкций сепараторов.

Изучались следующие возможные подходы к решению этой задачи:

- управление ростом флокул в условиях перемешивания, когда в их ядро попадают только чистые магнетитовые зерна и такие флокулы переходят затем в концентрат;

- постоянное разрушение флокул в процессах сепарации;

- разрушение флокул между процессами сепарации;

- ослабление флокулообразования за счет снижения напряженности внешнего намагничивающего поля в сепараторе;

- очистка магнетитовых флокул от зерен пустой породы механическими воздействиями на их структуру.

Второй подход был реализован в сепараторах с амплитудно-частотной модуляцией магнитного поля, создаваемой магнитной системой на постоянных магнитах [92]. Сепаратор показал неплохие результаты, но массового применения не нашел.

Первый и четвертый подходы давно реализованы в известном магнито-гравитационном сепараторе - магнитный турбоциклон «бочка Зеленова» (рисунок 1.10) [5]. Слабое магнитное поле поддерживает во взвешенном состоянии ленточные структуры флокул, при этом они совершают круговое вращательное движение, высвобождаясь при этом от немагнитной фракции.

Рисунок 1.10 - Электромагнитный сепаратор Зеленова. 1 - корпус; 2 -электромагнитная система; 3 - загрузочное устройство; 4- лопастная мешалка; 5 - устройство подачи воды; 6- тангенциальные патрубки; 7- диски; 8 - крепление дисков; 9 - устройство для подачи питания; 10, 11 - разгрузочные устройства.

C гидромеханической точки зрения такой сепаратор является магнитным турбоциклоном, в котором вращение пульпы вызывается импеллером или тангенциальной подачей питания.

В результате этой операции удалось повысить содержание железа в концентрате на 6,5%(до 68%) при его извлечении 95%. Разработан размерный ряд этих сепараторов с различной производительностью и даже системами автоматизации.

Эти сепараторы успешно отработали на Оленегорском ГОКе уже около тридцати лет, обеспечивая производство суперконцентратов для бездоменной металлургии. Кроме того, они были успешно испытаны на ряде других ГОКов, в частности на Лебединском ГОКе [106].

На рисунке 1.11 показан магнитный сепаратор, разработанный к.т.н. В.А. Измалковым и проф. В.В. Кармазиным, для осуществления выше описанного способа магнитного обогащения руд [80]. Сепаратор запатентован совместно МГГУ и ОАО «Лебединский ГОК».

Рисунок 1.11 - Магнитный сепаратор МГГУ и ОАО «Лебединский ГОК» (авторы Измалков В.А. и Кармазин В.В.) 1 - ротор магнитного сепаратора; 2 - кожух-обечайка; 3 - корпус сепаратора; 4 - магнитная система; 5 - патрубок подачи питания; 6 - патрубок подачи воды; 7 - сетка; 8 - кольцевой желоб; 9 - слив шлама 10 - слив хвостов; 11 - спиральная направляющая; 12 - слив концентрата.

Магнитный сепаратор работает следующим образом: исходное питание в виде пульпы через патрубки 5 подается на рабочую внешнюю поверхность, вертикально установленного кожуха-обечайки 2, внутри которого расположена круговая вращающаяся магнитная система 1. Кожух с магнитной системой располагается в корпусе 3. Вращающаяся магнитная система на основе постоянных магнитов 4 с чередующейся полярности (N-S-N-S…) создает бегущее магнитное поле, характеризующееся вращением вектора напряженности в каждой точке рабочей поверхности кожуха и вызывающее вращение и качение флокул по поверхности кожуха. Немагнитные частицы под действием гравитационных сил опускаются на дно корпуса и разгружаются через патрубок 10, а слой флокул, образовавшийся в магнитном поле из частиц магнитной фракции и притянувшийся к поверхности кожуха, начинает двигаться навстречу движению полюсов магнитной системы. Флокулы под действием пондеромоторной магнитной силы, проходя через сетки 7, разрушаются (деструктурируются), а струи воды из коллекторов 6 вымывают при этом пустопородные и cростковые частицы, которые также опускаются вниз и разгружаются через патрубок 10. Шламистые частицы за счет восходящего потока воды поднимаются вверх, поступают в кольцевой желоб 8 и разгружаются через патрубок 9. Пройдя сквозь сетку, чистые магнитные частицы вновь формируются в слой флокул, который спиральной направляющей 11 выводится из зоны действия магнитного поля вниз и разгружается через концентратный патрубок 12.

...