Поступая через патрубок подачи питания 5 в зону действия магнитного поля, частицы магнетита образуют флокулы и начинают двигаться, перекатываясь по стенке корпуса навстречу вращению магнитной системы. При движении слоя флокул под действием гидромеханических сил струй промывной воды патрубки 9 освобождаются от немагнитных и сростковых фракций, которые опускаются в нижнюю часть камеры и разгружаются через патрубок 11. При прохождении флокул через сетки 6 происходит механическая дефлокуляция, затем повторная флокуляция, что позволяет повысить эффективность процесса разделения частиц по магнитным свойствам. С помощью спиральной направляющей 8 флокулы выводятся из зоны действия магнитного поля и поступают и концентратный отсек (сборник 7). Шламистая часть сепарируемого материала разгружается в желоб 3. При этом нарушаются условия потокосцепления, обуславливающие высокую прочность флокул, они «рассыпаются», а пондеромоторная магнитная сила, превосходя силы потокосцепления, способна протянуть сквозь сетку только магнетитовые зерна и богатые сростки. Рассеянные зерна пустой породы и бедные сростки тут же оседают в приемники для хвостов или промпродуктов. Однако данный аппарат обладает низкой производительностью и предъявляет высокие требования к крупности исходного питания, так как размеры ячеек сетки сопоставимы с размерами минеральных зерен.

Для реализации этого подхода было необходимо создание условий механического разрушения флокул (нейтрализации силы потокосцепления). Для этого было использовано «продавливание» их сквозь немагнитную сетку потоком пульпы. В качестве первой такой конструкции был изучен прямоточный магнитный шлюз, разделенный по горизонтали латунной сеткой с ячейкой 100 мкм, который способен достигать высокой удельной производительности. На искусственной смеси («магнетит-кварц» 4:1) результаты разделения оказались удовлетворительными, однако на реальных продуктах магнитный продукт оказывался засоренным сростками.

Это исследование показывает, что для повышения эффективности процесса магнитной сепарации необходимо управление флокулообразованием в рабочем пространстве сепаратора.

Такой механизм сепарации успешно реализован в высокоселективном опытно-промышленном сепараторе НТЦ МГГУ - ВСПБМ-90/100 (рисунок 1.12) с вращающейся магнитной системой [66], который прошёл промышленные испытания на ОФ Михайловского и Лебединского ГОКов.

Он является аналогом конструкции сепаратора Лаурилла [116] в мокром варианте, хотя имеет множество специфических особенностей, связанных с условиями работы. Мокрый магнитный сепаратор ВСПБМ-90/100 состоит из барабана, установленного в корпусе с возможностью вращения, круговой магнитной системы с постоянными магнитами чередующейся полярности, установленной внутри барабана, индукционной щетки с брызгалами для съема концентрата с поверхности барабана, загрузочного и разгрузочных устройств. Магнитная система, как и барабан, имеет частотный регулятор числа оборотов и вращается навстречу вращению барабана.

Рисунок 1.12 - Схема экспериментального высокоселективного магнитного сепаратора ВСПБМ-90/100 1 - магнитная система; 2 - лоток для съема концентрата; 3 - индукционный съемник концентрата типа «беличье колесо»; 4 - барабан с ребордами; 5 - брызгало; 6 - брызгало для перечистки концентрата; 7 - ванна сепаратора

Испытания сепаратора ВСПБМ-90/100 проводились в условиях ЛГОКа и МГОКа. При испытаниях сепаратора ВСПБМ - 90/100 на Лебединском ГОКе прирост общего железа в концентрат был довольно значителен и составил в среднем 7,5%, что значительно превышает прирост содержания общего железа в концентрате при аналогичных месте и условиях работы сепараторов ПБМ - 90/250 и ПБМ - 120/300 [3].

В условиях МГОКа сепаратор ВСПБМ-90/100 работал на питании второй стадии мокрой магнитной сепарации (прирост качества концентрата составлял до 12,1%) и на концентрате V стадии мокрой магнитной сепарации (прирост железа общего в концентрате изменялся от 1,3 % до 2,4 %).

По результатам промышленных испытаний [37] запатентована схема стадиального выделения концентрата [36] с массовой долей железа 68,5 %.

Проведенные испытания позволяют говорить о хороших перспективах использования сепаратора ВСПБМ-90/100, а также рассматривать магнитные сепараторы с вращающимся магнитным полем, препятствующим флокуляции магнитных частиц, как наиболее эффективные для дообогащения магнетитовых концентратов [4, 39].

Самым новым вариантом повышения качества магнетитовых концентратов является высокоградиентная магнитная сепарации в слабом поле. Этот способ успешно испытан проф. А.М. Туркеничем и его аспирантами на обычных высокоградиентных магнитных сепараторах [12, 13, 86, 91]. Туркеничем был получен патент на способ мокрой высокоградиентной сепарации тонкодисперсных магнетитовых руд и устройство для его осуществления [68].

1.3 Выводы

Рассмотренный опыт доводки концентратов на современных фабриках обогащения магнетитовых кварцитов показывает, что в настоящее время получение концентратов для бездоменной металлургии магнитными методами наиболее экономично и экологически безопасно, но существующие технологии магнитного дообогащения не на всех ГОКах РФ достаточно эффективны и требуют дальнейшего совершенствования.

Изучение достоинств и недостатков известных конструкций мокрых магнитных сепараторов с частотными и бегущими магнитными полями позволяет сформулировать следующие выводы:

- повышение качества концентрата можно достичь только при применении переменного или вращающегося магнитного поля;

- при получении высококачественных концентратов флокуляция является процессом, препятствующим селективному разделению, и образование её нужно по возможности контролировать;

-для увеличения удельной производительности сепаратора магнитная система должна обеспечивать достаточную глубину и длину распространения градиентного магнитного поля, а разгрузочные устройства обеспечивать быстрый вывод из процесса продуктов разделения,

-для повышения эффективности разрушения флокул и селективности извлечения частиц необходимо обеспечить достаточно высокую (выше 20Гц) частоту магнитного поля и создать такие условия, при которых основным критерием разделения была бы магнитная восприимчивость частиц.

При получении высококачественных магнетитовых концентратов, соответствующих требованиям бездоменной металлургии, экологическая безопасность, высокая производительность и низкая стоимость магнитной сепарации ставит ее вне конкуренции в сравнении с другими методами.

Мокрую магнитную сепарацию следует рассматривать в качестве главного способа дообогащения магнетитовых кварцитов. Поэтому разработка новых методов магнитной сепарации для осуществления интенсивных технологий получения суперконцентратов является перспективным научным направлением. При получении высококачественных концентратов флокуляция является процессом, препятствующим селективному разделению, и образование её нужно по возможности контролировать. Для получения высококачественных концентратов наиболее эффективными зарекомендовали себя магнитные сепараторы с вращающимся магнитным полем, препятствующим флокуляции магнитных частиц.

Наши экспериментальные и теоретические исследования подтвердили и даже улучшили эти результаты за счет предложенного нового процесса высокоградиентной сепарации в слабом переменном магнитном поле (ВГСНПМП). В этих исследованиях, которым посвящена настоящая диссертационная работа, удавалось повысить качество магнетитовых концентратов на 3-4%.



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

Как известно, для ферромагнитных суспензий, помещенных в магнитное поле, характерно взаимодействие частиц с образованием флокул [29].

Кроме этого, в некоторых источниках есть указания на диэлектрическую поляризацию частиц кварца за счет их пъезозарядки в процессах измельчения, в результате чего они так же притягиваются к поверхности проводника - магнетита, разубоживая концентрат [52].

Анализ технологического опыта получения высококачественных железорудных концентратов, приведенный в первой главе настоящей работы, показал, что магнитная флокуляция оказывает существенное влияние на процесс магнитной сепарации, способствуя, с одной стороны более полному извлечению тонких магнетитовых зерен, с другой - вызывая засорение концентрата путем захвата во флокулы немагнитных частиц [2, 95].

Поэтому при получении высококачественных концентратов проблема управления процессом флокулообразования выходит на первый план.

Для целенаправленного воздействия на этот процесс необходим теоретический анализ взаимодействия факторов, обуславливающих возникновение флокул.

2.1 Анализ процесса флокуляции при обогащении во вращающихся магнитных полях

Практически все известные на сегодняшний день высокоселективные сепараторы построены на основе применения вращающихся магнитных полей. Процесс магнитной сепарации во вращающихся магнитных полях создает условия для вращения флокул в рабочем пространстве сепаратора, что затрудняет захват бедных сростков в формирующиеся флокулы [28, 29, 90, 92, 107, 112].

Уравнение движения центра тяжести флокулы при сухой магнитной сепарации можно записать как [28]:

(2.1)

где: a- длина большой полуоси флокулы, м;

? - угловая частота ее вращения, .

При мокрой магнитной сепарации следует учитывать влияние силы динамического сопротивления среды (или силы Стокса), которая имеет большое значение при движении флокул в потоке жидкости. Она определяется по формуле:

(2.2)

где: V - скорость флокулы, м/с;

d -размер флокулы, м;

д -плотность флокулы, кг/;

Д - плотность среды, кг/.

Эта сила отрицательно влияет на эффективность сепарации. Когда она превышает сумму сил, двигающих флокулу вместе с барабаном, последняя начинает отставать от точки на поверхности барабана, при этом угол отставания продольной оси флокулы от вектора поля б увеличивается. Когда угол составит 180°, флокула, имеющая определенную остаточную намагниченность, выталкивается магнитным полем за зону удерживания и будет унесена центробежной силой в хвосты [28].

Это явление повторяется периодически через каждые 180° и приводит к резкому снижению эффективности сепарации, что доказано практикой обогащения на Лебединском ГОКе.

При вращении магнитной системы с чередующейся полярностью вектор напряженности поля в любой точке над поверхностью барабана совершает вращательное движение навстречу магнитной системе. Частота этого вращения равна частоте магнитного поля, т.е. пропорциональна относительной скорости вращения барабана против магнитной системы и числу пар полюсов[29]:

(2.3)

где: n₁-- число оборотов барабана в минуту;

n₂-- число оборотов магнитного шкива в минуту;

m-- число полюсов магнитной системы;

-- относительная частота вращения барабана против магнитного шкива,.

Угловая частота вращения вектора напряженности магнитного поля при этом составляет [23]:

(2.4)

Магнитное поле стремится повернуть флокулу продольной осью по направлению вектора напряженности поля. Это означает, что на флокулу в магнитном поле действует пара сил, пропорциональная синусу угла б и удлиненности флокулы. При небольших значениях б, когда sin б > а, эту пару можно записать следующим образом [28]:

(2.5)

где: ч_a, ч_b -- магнитные восприимчивости по соответствующим осям флокул, кг^?1(при a > b, ч_a>ч_b).

Эта пара сил даже при малых отклонениях приобретает существенные значения. Для магнетитовой флокулы уже при л= а/b= 2 в поле Н = 8кА/м она превышает 0,1Н/град. Это единственная пара сил, действующая на флокулу в однородном поле, поэтому флокула начинает вращаться синхронно с вектором напряженности поля, отставая от него на небольшой угол, обусловленный сопротивлением среды. Во время этого вращения один конец флокулы прижат к поверхности барабана избыточной магнитной силой; за счет трения между барабаном и флокулой. Последняя начинает катиться по поверхности барабана навстречу вращению магнитной системы, причем скорость ее поступательного движения прямо пропорциональна частоте ее вращения [27].

Таким образом, при сухой сепарации во вращающемся магнитном поле решающее влияние на формирование флокул оказывает центробежная сила, возникающая при вращении флокулы вокруг своей оси.

В.В. Кармазиным была определена зависимость между частотой и длиной флокулы:

(2.6)

где: н - частота вращения, Гц;

a- длина большой полуоси флокулы, м;

Н - напряженность магнитного поля, А/м;

ч - магнитная восприимчивость,

s - шаг полюсов магнитной системы, м;

t - ширина полюса, м;

д - поверхностное натяжение Н/м

t - время, с;

м - магнитная проницаемость, Гн/м.

с - коэффициент неоднородности магнитного поля;

Полученное выражение хорошо согласуется с экспериментальными данными, полученными перерасчетом скорости движения флокулы по барабану при данной частоте на длину флокулы (рисунок 2.1.)[27].

Как было показано выше, флокулы во вращающемся магнитном поле ориентируются по силовым линиям, перекатываясь по поверхности барабана. В точке между полюсами происходит разрушение флокулы и высвобождение немагнитных частиц, захваченных ею. Чем большее число вращений совершит флокула в процессе сепарации, тем меньше она будет содержать пустой породы, тем чище будет получен концентрат.

Рисунок 2.1 - Зависимость между частотой магнитного поля и длиной флокулы. 1-расчет по формуле Э. Лаурилла, 2 - зависимость по формуле В.В. Кармазина , 3 - данные фотоизмерений.

Однако при изучении практически полученных данных после испытаний сепаратора ВСПБМ - 32,5/20 оказалось, что при наложении зависимостей от частоты вращения барабана на частоты вращения магнитной системы происходят более сложные явления [27]. При сухой магнитной сепарации увеличение скорости вращения флокулы достигается увеличением скорости вращения барабана. При мокрой магнитной сепарации это невозможно из-за сопротивления среды, поэтому частота вращения магнитного поля определяется преимущественно частотой вращения магнитной системы.

В соответствии с формулами Лаурилла и Кармазина [28, 107] длина флокулы обратно пропорциональна частоте вращения вектора напряженности магнитного поля в рабочей зоне. Исследования показали, что полное разрушение флокулы центробежными силами наступает при частотах выше 200 с^-1, т. е. флокула должна вращаться со скоростью больше 200 об/мин, и только тогда она распадется на отдельные составляющие ее частицы.

В этом случае захваченные флокулами частицы кварца освобождаются и удаляются в хвосты, а эффективность сепарации з стремится к единице или 100%. Формула для расчета эффективности сепарации на ВСПБМ-90/100 [80] имеет вид:

з = з_о + шvщ +К_г.м.•н_б/s_д + К_и.р. •v_б/s_р, (2.7)

где: з_о - эффективность сепарации при неподвижной магнитной системе;

ш - коэффициент, учитывающий свойства флокулы;

щ - угловая частота вращения магнитного поля, рад;

К_г.м. и К_и.р. - коэффициенты, учитывающие влияние лопастных дефлекторов и индукционной решетки;

н_б - линейная скорость поверхности барабана при вращении, м/с.

Обычно значения этих коэффициентов достигают значения: з_о=0,3-0,4, ш=0,4-0,6; К_г.м. и К_и.р. достигают0,05 до 0,1, что соответствует уровню их влияния на процесс.

Полученные выводы справедливы для сепарации в вакууме и в определенных условиях при сухой центробежной магнитной сепарации, когда флокула вращается синхронно с вектором напряженности магнитного поля. В жидкости задача многократно усложняется, т.к. разные её слои движутся с разной скоростью и, соответственно, имеют разные режимы течения. Возникают пульсации, воздействующие на обогащаемый материал, и взаимные столкновения флокул, которые могут приводить как к их укрупнению, так и к их распаду. К тому же вязкость пульпы на порядок выше вязкости воздуха, что предопределяет появление пары сил сопротивления среды, препятствующих вращению флокул магнитным полем. Это вызывает отставание флокулы от исходной точки на поверхности барабана и вектора намагниченности флокулы М от вектора напряженности поля Н, на угол ц_о, который увеличивается с увеличением скорости вращения.

Следует учесть, что при вращении длина флокулы будет меньше в воде, чем в воздухе (определяется коэффициентом ш) за счет сил сопротивления среды, а также вследствие увеличения сил, сжимающих флокулу по направлению к центру, поэтому ее форм-фактор будет уменьшаться, стремясь к единице. Таким образом, флоккула будет стремиться к шарообразной форме, что также соответствует и энергетическим соображениям, так как прочность флокулы падает с увеличением ее длины, а сопротивление среды увеличивается пропорционально размерам флокулы.

В магнитном поле сепаратора ВСПБМ-90/100 (рис.1.12) рудные частицы флокулируют с образованием множества отдельных прядей флокул, при этом в них захватывается часть сростков и зерен пустой породы. Каждая флокула представляет собой совокупность нескольких десятков или сотен частиц, соединенных цепочкой, которая сориентирована длинной осью в пространстве вдоль силовых линий магнитного поля.

При относительном движении рабочей поверхности барабана и магнитной системы с чередующейся полярностью, вектор напряженности магнитного поля вблизи поверхности совершает вращение, то есть возникает явление «бегущего» магнитного поля. Флокулы, ориентируясь вдоль силовых линий, также совершают вращательное движение вокруг точки касания с рабочей поверхностью. При достаточно большой частоте вращения флокул происходит их разрушение и перегруппировка, что вызывает освобождение из них сростков и частиц пустой породы, которые самотеком разгружаются в нижней части корпуса, а частицы магнетита остаются во флокулах и транспортируются по барабану к индукционной щетке, где осуществляется вывод концентрата из процесса в конечный продукт.

Для дальнейшего повышения эффективности магнитной сепарации помимо модуляции частоты магнитного поля, которая достигается изменением числа оборотов магнитной системы, впервые была применена модуляция амплитуды (напряженности) магнитного поля. Это было достигнуто за счет применения в магнитной системе с чередующейся полярностью полюсов разной высоты.

Важнейшими параметрами режима сепарации, влияющими на флокулообразование, для сепаратора ВСПБМ-90/100 являются [27]:

-частота вращения барабана сепаратора;

-частота вращения магнитной системы сепаратора навстречу барабану (теоретически для повышения частоты вращения магнитного поля она должна быть максимально возможной);

-удельная производительность сепаратора по твердому;

-содержание железа в исходном продукте;

-содержание твердого в питании.

Статистически обработанные результаты испытаний сепаратора ВСПБМ-90/100 при различных режимах его работы приведены на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Зависимость прироста содержания железа общего в концентрате от частоты вращения барабана и магнитной системы сепаратора ВСПБМ-90/100

Результаты испытаний сепаратора ВСПБМ-90/100 показали, что применение вращающегося магнитного поля позволяет снизить вредное влияния флокуляции и создает условия, при которых основным критерием разделения становится магнитная восприимчивость частиц, что способствует повышению селективности разделения минералов.

В то же время образование флокул из магнитных частиц при прохождении через рабочую зону сепаратора способствует получению более бедных по содержанию извлекаемых минералов. Это объясняется тем, что магнитная восприимчивость флокул вследствие меньшего коэффициента размагничивания выше, а сопротивление водной среды их движению ниже, чем отдельной частицы.

На качество же магнитного концентрата образование магнитных флокул сказывается отрицательно, так как затрудняет отделение свободных магнитных зерен от их сростков с немагнитными минералами.

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

Приведенный выше анализ исследовательских работ и практики обогащения железосодержащих руд показывает, что применение вращающихся магнитных полей не всегда позволяет достигать качества концентратов, необходимого для бездоменной металлургии, и необходимость разработки новых способов сепарации, обеспечивающих высокую эффективность обогащения при максимальной селективности разделения минералов, остается актуальной.

Зависимость степени флокуляции суспензии ш от напряженности намагничивающего поля Н изучалась теоретически и экспериментально с использованием различных методик [29].

На рисунке 2.3 показаны этапы процесса флокуляции в зависимости от величины напряженности магнитного поля.

Рисунок 2.3 - Зависимость степени флокуляции частиц магнетита от напряженности поля (сплошная линия -- быстрое намагничивание, пунктирная -- медленное).

На участке, соответствующем напряженности поля от 0 до 20 кА/м, который соответствует равновесной части процесса, степень флокуляции пропорциональна . В этой зоне ?, что обусловливает равновесный характер процесса, так как пропорциональна , то Ш1=k.

При (Н20кА/м) за счет того, что становится больше , устойчивость суспензии теряется и происходит свертывание инфлюэнтных объемов суспензии вокруг центров кристаллизации. Однако после резкого увеличения Ш на величину ДШ процесс флокулообразования снова замедляется. Это вызвано значительным снижением концентрации ферромагнитной фазы в пульпе, что увеличивает расстояние между частицами (R>). После этого этапа в пульпе остаются флокулы, размер которых соответствует объему ферромагнитной фазы в инфлюэнтной зоне, и несфлокулированные частицы ферромагнитной фазы, оказавшиеся за пределами инфлюэнтных зон «сработавших» центров флокуляции. В процессе магнитной сепарации образовавшиеся флокулы притягиваются к барабану или оседают, но так или иначе уходят из суспензии.

Таким образом, при напряженности магнитного поля более 5 кА/м частицы тонкозернистого магнетита начинают объединяться во флокулы, а при напряженности свыше 25 кА/м вся масса магнетита приобретает структуру, состоящую из прижатых друг к другу флокул. Внутри этих флокул защемляются частицы кварца и бедных сростков, что снижает качество магнитного продукта.

В работе Туркенича А.М. [105] отмечается, что одну и ту же магнитную силу можно получить при различных комбинациях величины напряженности и градиента напряженности магнитного поля, т.к. притяжение частиц магнетита к извлекающей поверхности происходит под действием магнитной силы, которая описывается уравнением

F=чмmHgradH(2.8)

где: ч - магнитная восприимчивость частицы, кг^?1;

м - магнитная проницаемость среды, в которой происходит обогащение, Гн/м;

m - масса частицы;

H - напряженность магнитного поля, А/м;

gradH - градиент напряженности магнитного поля, А/.

Следовательно, необходимая магнитная сила может быть получена и в слабом магнитном поле, если градиент напряженности магнитного поля достаточно высок.

Запатентован способ высокоградиентной магнитной сепарации в слабых полях (ВГМССП) [68], позволяющий создать высокий градиент магнитного поля (10⁶-10⁷кА/м) и получить необходимую величину магнитной силы при значениях напряженности магнитного поля на порядок меньших, чем в барабанных сепараторах. Реализация этого процесса происходит в устройстве [91], в котором высокая неоднородность магнитного поля создается выступами и впадинами рифленых пластин, установленных в пакете с зазором относительно друг друга и помещенных между полюсами магнитной системы. Благодаря низкой напряженности поля значительно уменьшается флокулообразование, а, следовательно, захват зерен кварца и бедных сростков в магнитный продукт.

Исследования, выполненные на лабораторной установке [12], показали, что процесс ВГМССП позволяет при обогащении песков дешламатора 3-го приема ИнГОКа выделять до 21,0% концентрата с содержанием железа 67,3% (прирост качества 4,4%), 13,0% немагнитного продукта (53,6% железа), требующего дополнительного раскрытия и 66,3% промпродукта с содержанием железа 63,3%, предназначенного для флотационного обогащения.

При обогащении руды ПГОКа было получено 45,3% магнитного продукта с содержанием железа 68,2% (прирост качества 2,6%), промпродукта с содержанием железа 65,4% и 4,2% немагнитного продукта, содержащего 39,6% железа.

При обогащении концентрата ЦГОКа, возможно выделить 48,2% высококачественного магнетитового концентрата с содержанием железа 69,7% (прирост качества 1,7%), 3,0% немагнитного продукта содержащего 33,5% железа и 48,8% промпродукта, который по содержанию железа соответствует исходному продукту (67,8% железа) [86].

Полученные результаты показывают, что для процесса ВГМССП также справедлива закономерность: селективность и эффективность разделения минералов при магнитной сепарации снижается с уменьшением различия между их удельными магнитными восприимчивостями, однородности поля сепаратора по величине магнитной силы F_м= м₀mНgradH и уменьшением диапазона крупности зерен в исходном материале.

При прочих равных условиях, чем больше удельная магнитная восприимчивость, тем с большей силой магнитное поле воздействует на минеральное зерно и наоборот. Следовательно, чем меньше значение коэффициента селективности магнитного обогащения (отношение магнитных восприимчивостей разделяемых частиц ч₁/ч₂ более магнитных (ч₁) и менее магнитных (ч₂)), тем труднее осуществить разделение минералов. Достичь разделения близких по значению ч, минеральных зерен можно только в однородном по величине магнитной силы поле. При этом магнитные поля современных сепараторов неоднородны не только по напряженности H, но и по магнитной силе. По этой причине при близких значениях ч₁ и ч₂ разделяемых зерен может оказаться, что F_м1 более магнитного зерна, удаленного от полюса, будет меньше F_м2 менее магнитного зерна, находящегося у полюса, что приведет к взаимному засорению магнитного и немагнитного продуктов. Практика показывает, что для успешного разделения минералов в современных магнитных сепараторах крайне важно, чтобы коэффициент селективности магнитного обогащения был не менее 3--5.

Но, чем глубже обогащение, тем меньше коэффициент селективности, т.к. требуется отделять более богатые сростки.

При дообогащении товарных концентратов для бездоменной металлургии магнитными методами необходимо разделять минеральные зерна и сростки очень близкие по значению ч. Коэффициент селективности может находиться в пределах 1,5 - 2,2 и в этом случае флокуляция должна быть минимальной.

Проведенный выше теоретический анализ позволил нам предложить новый процесс - высокоградиентную сепарацию в низкоинтенсивном переменном магнитном поле (ВГСНПМП). Его отличие от известных процессов магнитной сепарации заключается в том, что на частицы магнетита и сростки оказывается комплексное воздействие: ослабление влияния магнитной флокуляции и улучшение отмывки слоя в поровых каналах, что позволяет отделять чистые зерна минералов от сростков и зерен пустой породы.

Процесс ВГСНПМП позволяет снизить отрицательное влияние магнитной флокуляции, включает механизм удаления богатых сростков из слоя магнетитового концентрата с использованием высокоградиентных осадительных поверхностей, находящихся в переменном магнитном поле (частота 50Гц) малой напряженности (до 20 кА/м). В этом процессе в отличие от остальных, использующих постоянные и вращающиеся поля было решено применить переменное магнитное поле. Это решение приводит к следующим изменениям:

- во-первых, в результате наличия гистерезиса перемагничивания переменное магнитное поле приводит к вибрации осадительных поверхностей и осевшего на них концентрата, благодаря чему увеличивается подвижность составляющих его частиц.

- во-вторых, при этом сохраняется эффект вращения свободных частиц и агрегатов (все предметы из магнитовосприимчивых материалов вращаются в переменном магнитном поле благодаря наличию гистерезиса перемагничивания).

- в-третьих, применение переменного поля приводит к полному размагничиванию осадительных поверхностей и концентрата, что способствует его лучшему смыву.

- в-четвертых, это решение не требует внесения каких-либо движущихся частей, переменное поле создается неподвижной электромагнитной системой.

Для подавления негативных последствий флокуляции, о которых было сказано ранее, в процессе ВГСНПМП было решено снизить напряженность магнитного поля менее 20 кА/м. Необходимый уровень извлекающей магнитной силы достигается применением полиградиентной матрицы.

В магнитных сепараторах типа ПБМ напряженность магнитного поля достигает 120кА/м, а градиент напряженности 20-30 кА/м [29], а в сепараторах ВГСНПМП напряженность - 10-20кА/м и градиент до 200 кА/м, т. е. магнитные силы в первом и во втором случае одинаковы.

Применение полиградиентной среды так же имеет многоплановое значение. Кроме создания градиентов магнитного поля, позволяющих создать необходимую магнитную силу для извлечения магнетита, полиградиентная среда разбивает зону сепарации на множество мелких одинаковых ячеек, внутри которых происходит процесс обогащения. Такое разбиение увеличивает вероятность захвата, т.к. путь проделываемый частицей от её текущего местоположения к полюсу значительно сокращается.

Переменное магнитное поле по-разному воздействует на свободные и связанные частицы. Как известно, намагниченная частица не может моментально переориентировать своё магнитное поле, на это требуется некоторое время. Это время тем больше, чем сильнее измельчен материал, так как он обладает большей магнитной жесткостью [10, 28]. В таких условиях изменившемуся внешнему магнитному полю противопоставляется сохранившееся наведенное собственное магнитное поле частицы, и она стремится повернуться таким образом, чтобы сориентироваться по линиям внешнего магнитного поля. Поворот занимает некоторое время, обусловленное сопротивлением окружающей среды. За это время внешнее магнитное поле снова меняет свой знак и процесс повторяется. В итоге магнитные частицы вращаются в переменном магнитном поле подобно якорю известного гистерезисного электродвигателя. Такое вращение полезно тем, что сростки, вращаясь, поворачиваются к полюсу магнита своей немагнитной стороной и могут быть унесены в хвосты вследствие уменьшения силы потокосцепления.

Во-вторых, вследствие того же гистерезиса перемагничивания возникают колебания накопившегося на полюсах материала. При изменении направления магнитного поля частицы, составляющие накопившийся материал не могут поменять своё положение из-за силы трения и отталкиваются от полюса магнита на короткий промежуток времени как единое целое. В результате возникают колебания с частотой внешнего магнитного поля, которые разрыхляют накопившийся слой, он «кипит» и высвобождает механически захваченные немагнитные включения. Подвижность слоя так же позволяет проявиться магнитной силе Архимеда, благодаря которой частицы с меньшей магнитной восприимчивостью выталкиваются в сторону меньшей напряженности поля.

В-третьих, важным фактором является механическая вибрация элементов полиградиентной матрицы под воздействием переменного магнитного поля. Механическая вибрация возникает вследствие её перемагничивания и способствует лучшему перемещению сепарируемого материала по каналам высокоградиентной матрицы. Кроме этого, механическая вибрация способствует лучшей перечистке, перемещению более сильномагнитных частиц в точки наиболее высоким значением напряженности магнитного поля с одновременным вытеснением оттуда менее сильномагнитных частиц.



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

Для практической реализации предложенного нами нового процесса ВГСНПМП необходимо теоретически оценить его технологические возможности при переработке магнетитовых кварцитов.

Предлагаемый процесс имеет существенные отличия от известных на сегодняшний день процессов обогащения магнетитовых кварцитов. В них частицы притягиваются из объёма пульпы к полюсу магнита и образуют неподвижный слой, остающийся таким до снятия магнитного поля и смыва. Случайно захваченные немагнитные частицы удерживаются в магнитном слое и попадают в концентрат, снижая его качество.

Главным отличием процесса ВГСНПМП является то, что разделение минералов происходит в переменном магнитном поле с напряженностью, не превышающей 20 кА/м, благодаря чему не наступает лавинная флокуляция пульпы.

Механизм взаимодействия магнитовосприимчивых частиц с переменным магнитным полем зависит от их магнитной восприимчивости и магнитной жесткости. У одного и того же материала эти параметры могут изменяться вследствие их различий по размерам, форме и наличию инородных включений [53] и вследствие этого возникает возможность разделения например, магнетита по размеру (магнитной жесткости). В рамках данной работы этот механизм разделения не рассматривается, т.к. стоит задача максимально полно извлечь магнетит из суспензии. Поэтому мы обращаем внимание на то обстоятельство, что переменное поле вызывает вибрацию полиградиентной матрицы, которая позволяет проявиться магнитной силе Архимеда, выталкивающей на поверхность слоя частицы с меньшей магнитной восприимчивостью, что способствует более точному разделению.

Кроме этого, вследствие постоянной переориентации магнитного поля частицы, находящиеся в относительно свободном состоянии на поверхности накопленного слоя, приобретают вращающий момент. При подаче дополнительной воды вращение способствует эвакуации бедных сростков, что повышает качество концентрата. Подробно вращение магнитных частиц в переменном магнитном поле описано Алленом [110,111].

Закономерности разделения частиц при осуществлении процесса ВГСНПМП достаточно сложны, зависят от многих факторов, обусловленных характеристиками высокоградиентной среды, параметрами магнитного поля в рабочей зоне и гидродинамическим режимом, определяющими траектории движения частиц вблизи ферромагнитных элементов и динамику их накопления, что требует детального рассмотрения.

3.1 Закономерности разделения магнитных частиц в рабочей зоне ВГСНПМП сепаратора

При осуществлении процесса ВГСНПМП в рабочую зону сепаратора помещаются тела из ферромагнитного материала с низкой коэрцитивной силой, создающие многополюсное рабочее пространство с градиентом магнитного поля, зависящим от формы поверхности полюсов и состава материала, заполняющего это пространство. В точках высокого значения градиента магнитного поля магнитная сила увеличивается на два-три порядка (в зависимости от формы поверхности элементов, создающих полиградиентную матрицу) и осаждение магнетита происходит в этих точках. Следовательно, процесс сепарации можно рассматривать как сумму одинаковых микропроцессов, происходящих в каждой точке с высоким значением градиента магнитного поля. В случае применения в качестве высокоградиентной среды стальных шаров, точки их соприкосновения являются точками рабочего пространства с высоким значением градиента магнитного поля одинаковым во всех точках соприкосновения, ориентированных по направлению линий магнитного поля.

В случае применения стальной ваты нет какой-то преимущественной ориентации составляющих её элементов, поэтому можно говорить о каких-то оценочных величинах, характеризующих процесс, таких как средний градиент магнитного поля, средняя величина площади осадительной поверхности и т.д.

Поскольку объём зоны сепарации разбивается полиградиентной средой на множество микрообъёмов, в которых происходит разделение, рассмотрим отдельно взятую точку с высоким градиентом магнитного поля. К её поверхности из окружающего объёма, заполненного пульпой, притягиваются магнитовосприимчивые частицы. Этот процесс аналогичен процессу высокоградиентной сепарации в постоянном магнитном поле, применяющемуся для извлечения слабомагнитных материалов [58].

Практически во всех процессах магнитного обогащения работа магнитной сепарации (или флокуляции) А определяется величиной уменьшения магнитостатической энергии ДEm. Так как процесс магнитной сепарации носит непрерывно-циклический характер, то работа сепарации совершается магнитной системой сепаратора в процессе притяжения частиц магнитных минералов к полюсам, а затем возвращается магнитной системе при отрыве этих частиц после разгрузки магнитной фракции.

С энергетической точки зрения механическая работа по массопереносу частиц во всех процессах магнитной сепарации всегда сопровождается некоторым снижением общей магнитной энергии сложной системы «полюса - частицы». В целом эта энергия равна:

(3.1)

E_м при сепарации и магнитной флокуляции частиц изменяется незначительно, и происходит за счет одной ее составляющей -- энергии магнитных полюсов или магнитостатической энергии E_m, Дж, в рассматриваемом объеме рабочего пространства - V:

E_m=0,5J²N·V,(3.2)

где Н, В -- соответственно напряженность поля, А/м, и индукция, Тл,

в элементах системы -- «полюса-частицы», заполняющих рабочее пространство;

J, N-- намагниченность (А/м) и коэффициент размагничивания указанных элементов рабочего пространства.

Оценить работу, совершаемую при магнитной сепарации за счет снижения энергии свободных полюсов в результате флокуляции частиц и притяжения их к полюсам, можно следующим образом:

(3.3)

где _- суммарная магнитостатическая энергия

соответственно магнитных полюсов сепаратора и частиц магнитной фракции, Дж;

E_m -- приведенная магнитостатическая энергия полюсов со слоем

магнитных частиц, Дж.

Если E_m=А(работа сепарации), то средняя магнитная сила, действующая в рабочем пространстве по направлению к полюсу (по оси N-S):

, (3.4)

где S -- площадь полюсной поверхности, ортогональной силовым линиям, м².

Учитывая, что последняя зависит от «микрорадиуса» элементов поверхности, можно с некоторыми дополнительными оговорками (для случая ) найти зависимость уровня этой силы от радиуса кривизны полюсов [44] (рисунок 3.1).

В случае, когда полюса представлены ферромагнитными шарами, которые упакованы с координационным числом, равным шести,

(3.5)

где r-- радиус шара, м;

V/(2r)³-- число шаров в объеме V,

C_c-- постоянная магнитной силы, зависящая от размеров и магнитных свойств материалов полюсов и частиц.

Рисунок 3.1 - Зависимость магнитной силы и извлечения от радиуса кривизны поверхности, образующей полюс магнита. - извлечение, %; - извлекающая сила магнитного поля, А²/м².

Легко заметить, что внутреннее поле материала полюса зависит от C_c, а внешнее определяется величиной 1/r, которая не зависит от уровня поля возбуждения и магнитных свойств извлекаемых частиц.

Из этого следует, что при низком уровне напряженности поля возбуждения и высоком градиенте напряженности можно достичь уровня пондеромоторных сил, достаточных для извлечения тонкоизмельченных сильномагнитных минералов, начиная с магнетита. При таком соотношении компонентов магнитной силы засорение магнетитового концентрата будет значительно ниже, чем при обычной сепарации. Это впервые показано экспериментально в работах Туркенича А. М. [12, 13]. Качество товарных концентратов Ингулецкого и Полтавского ГОКов в экспериментах, которые выполнялись на обычных рифленых пластинах роторных сепараторов удалось повысить на 3%.

Рассмотрим плоско-параллельный рабочий зазор сепаратора при отсутствии шаров. В этом зазоре напряженность поля равна:

(3.6)

где: магнитная проницаемость воздушного зазора, Гн/м;

U - магнитодвижущая сила, приложенная к зазору, Н;

S - площадь сечения зазора, перпендикулярная магнитному потоку, .

После введения в зазор слоя шаров можно записать:

(3.7)

где: магнитная проницаемость слоя шаров, Гн/м.

Она зависит от способа укладки шаров, от магнитной проницаемости материала шаров. При засыпании металлических шаров в ёмкость при отсутствии внешнего магнитного поля шары укладываются в структуру с координационным числом 8, реже 10.

Средний радиус кривизны осадительной поверхности можно определить исходя из величины необходимого градиента, который должен создавать определенную извлекающую силу, приблизительно равную по значению извлекающей силе в существующих сепараторах серии ПБМ.

(3.8)

В серийных магнитных сепараторах, эксплуатирующихся на горных предприятиях, напряженность поля у поверхности составляет 140-160 кА/м.

В проектируемом сепараторе ВГСНПМП она составляет не более 20 кА/м, следовательно, для сохранения извлекающей магнитной силы необходимо

выполнение равенства

(3.9)

Следовательно,

,(3.10)

где: h-напряженность поля на поверхности барабанного сепаратора, А/м;

H - напряженность поля на полюсах полиградиентного сепаратора, А/м.

Представим водную суспензию магнетита, как взвесь разнонаправленных частиц, магнитные моменты которых направлены хаотично в разные стороны и уравновешивают друг друга, не создавая какой-то магнитный поток. Под воздействием внешнего магнитного поля на частицы начинает действовать сила, ориентирующая их параллельно внешнему полю [28].

(3.11)

где: - магнитная восприимчивость подлинной и короткой осям частицы, а в случае шара по оси легкого и трудного намагничивания соответственно;

б - угол между осью частицы и направлением поля Н;

Когда ориентация закончена, векторы намагниченности частиц становятся коллинеарными, возникает сила кулоновского взаимодействия между полюсами соседних частиц [63,119]:

F=(3.12)

где и - объемные концентрации ферромагнитной фазы.

Под действием данной силы частицы начинают сближаться с образованием нитеобразных флокул, которые начинают укрупняться. В общем случае в некотором объеме мы можем говорить о сумме сил взаимного притяжения частиц, которую можно вычислить по формуле:

(3.13)

где: - безразмерный коэффициент, учитывающий особенности пространственной структуры суспензии,

- магнитная проницаемость объема суспензии, ед.

Образование флокул отрицательно влияет на качество концентрата, вследствие захвата сростков. Переменное магнитное поле снижает этот эффект, т.к. в случае, когда магнитовосприимчивая частица вносится потоком в зону действия магнитной системы сепаратора, питающейся переменным током, она сначала притягивается элементу матрицы градиентной магнитной силой и одновременно с этим приобретает наведенный магнитный момент. Элемент матрицы (шар или цилиндр) в этом случае выступает в качестве вторичного магнитного полюса. Достигнув максимума, интенсивность поля снижается по синусоиде (рисунок 3.2), а вместе с ней и магнитная сила притяжения

F_маг = м₀чmHgradHsinщt(3.14)

где: - магнитная постоянная, 4рГн./м;

ч - удельная магнитная восприимчивость частицы, м³/кг;

m - масса частицы, кг;

H - напряженность магнитного поля, А/м;

- частота магнитного поля, 1/с;

t - время, с.

При уменьшении напряженности поля магнитной системы до нуля частица удерживается на поверхности вторичного полюса силой потокосцепления (3.15):

(3.15)

где: В - магнитная индукция, Тл;

S - площадь контакта частицы, м².

Рисунок 3.2 - Зависимость магнитной силы от параметров переменного магнитного поля.

- извлекающая магнитная сила, .; Н - вектор поля электромагнита, А/м; В - вектор намагниченности ферромагнетика, А/м; tз - время запаздывания вектора В относительно Н, с.

Такой режим удержания присутствует только в момент перехода напряженности поля через нулевое значение. Магнитный поток в этот момент равен остаточному потоку магнитной индукции, приобретенному частицей за цикл намагничивания.

Пройдя через нулевое значение, магнитное поле меняет своё направление на противоположное, но частица, вследствие наличия гистерезиса, не может сразу же изменить свою намагниченность. В этот момент возникает ситуация, когда векторы магнитной индукции частицы и внешнего магнитного поля направлены противоположно.

Дальнейшее развитие событий зависит от наличия диссипативных сил, действующих на частицу. В случае, когда частица зажата в слое накопленного концентрата, быстрая переориентация её в пространстве невозможна, и она будет отталкиваться от вторичного магнитного полюса системы до тех пор, пока магнитный момент частицы не поменяет своё направление. На это требуется время (время задержки). После переориентации магнитного поля частицы, векторы магнитной индукции частицы и внешнего магнитного поля будут направлены коллинеарно, и частица снова будет притянута к полюсу магнитной системы.

В результате такого воздействия слой осажденного магнетита подвергается вибрации, а свободные частицы вращаются подобно ротору гистерезисного электродвигателя. Если полиградиентной средой является упругая матрица, например, металлическая вата, то она тоже вибрирует под воздействием переменного магнитного поля и заставляет вибрировать накопившийся материал.

Рассмотрим средний случай, когда частица находится в стесненном состоянии, но имеет некоторую свободу перемещения. Воздействие вибраций на осажденный слой магнетита приводит к тому, что если силы трения относительно невелики, частица будет отталкиваться от вторичного магнитного полюса с одновременным поворотом в таком направлении, чтобы компенсировать изменение поля магнитной системы. При отсутствии сопротивления среды частица развернулась бы на 180°, но в реальных условиях она поворачивается на некоторый угол б. Вместе с этим домены, составляющие частицу, так же начинают менять направление и поворачиваются таким образом, что магнитный момент частицы ориентируется на в градусов ближе к новому направлению магнитного поля системы. Полюс снова притягивает частицу, но уже повернутую на угол (180-в) относительно предыдущего периода. Далее процесс повторяется. Таким образом, за один полный период магнитовосприимчивая частица поворачивается на уголб = 180- в.

В стесненных условиях угол б0, а при отсутствии трения угол в и ограничен только инерцией частицы, которая крайне мала.

Следовательно, скорость вращения частицы или флокулы зависит от частоты поля возбуждения, коэрцитивной силы сепарируемого материала и силы сопротивления среды. Такое вращение неизбежно приводит к тому, что сростки поворачиваются к полюсу сепаратора своей немагнитной стороной и в момент слабого взаимодействия (при переходе напряженности поля через нулевое значение) могут быть с большой вероятностью вынесены из зоны контакта гидромеханической силой потока.

В случае обычной высокоградиентной сепарации, при накоплении в местах высокого градиента магнитного поля магнетита образуются флокулы и захваченные сростки после закрепления покрываются слоем чистых магнетитовых зерен, которые их прочно удерживают. В случае ВГСНПМП снижение напряженности поля и вибрации при переменном магнитном поле делают магнетитовый осажденный слой подвижным, и слабомагнитные сростки выталкиваются из него магнитными силами Архимеда:

F_{мА .}= (ч_магн. - ч_ср.)m·H·gradH,(3.16)

где: ч_магн. и ч_ср - удельные магнитные восприимчивости магнетита и сростков, м³/кг;

m- масса зерна, кг.

H - напряженность магнитного поля, А/м.

Если ч_ч>ч_ср, то магнетитовая частица притягивается (F_ма если ч_ср>ч_ч, частица (сросток) выталкивается силой?F_мА.

Процесс эвакуации сростков из рабочего пространства сепаратора при наложение пульсаций переменного поля показан на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Выталкивание магнитных флокул пульсирующим магнитным полем: а - осциллограмма поля; б - момент перемагничивания флокул.

Анализ закономерностей высокоградиентной сепарации в слабом магнитном поле показывает, что эффективность магнитного разделения зависит от силового режима сепарации, а при оптимальных условиях массопереноса - от уровня тяговых пондеромоторных магнитных сил, ответственных за флокуляцию, извлечение или удерживание магнитных минералов. Теоретически и экспериментально установлено, что в процессах сепарации используются в основном две из известных магнитных сил: адгезионная (ближнего действия - потокосцепления) и градиентная (пондеромоторная сила дальнего действия). Первая вызывает флокуляцию магнитных частиц (образование агрегатов - флокул за счет энергии свободных полюсов), а вторая их сепарацию от немагнитных [28].

Первая сила -F_п.с не селективна, существует даже в слабых полях, но только при контакте между магнитными частицами, способствует прочному удержанию механически захваченных немагнитных частиц.

F_п.с.=B²S/2м_o(3.17)

где: В - магнитная индукция, Тл;

S - площадь контакта частиц, ;

м_о - магнитная постоянная, Гн/м.

Вторая сила - селективна, действует на достаточно большом расстоянии от осадительной поверхности ( до 100 мм), но требует более высоких значений напряженности магнитного поля - Н и ее градиента, а также удельной магнитной восприимчивости - ч.

F_гр.=GчHgradH(3.18)

где: G - масса частицы, кг;

ч - удельная магнитная восприимчивость, кг^?1.

В случае использования переменного магнитного поля сумму этих сил можно представить как сумму воздействия положительной и отрицательной полуволны магнитной силы (рис. 3.2) Соотношение положительной и отрицательной полуволн составляющей магнитной силы зависит от многих факторов, таких как чистота материала, строение его кристаллической решетки, размеры частиц [10]. Кроме этого, сила магнитного взаимодействия на несколько порядков превышает силу магнитодинамического взаимодействия на частотах менее 1 кГц [82], поэтому расчет сил для дальнейшего анализа разрабатываемого процесса можно вести аналогично расчету сил в постоянном поле, учитывая, что

...