История развития и область применения магнитных методов обогащения

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ.. 2

ПРЕДИСЛОВИЕ.. 3

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ.. 4

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНОГО МЕТОДА ОБОГАЩЕНИЯ 6

2.1. Сущность и классификация магнитных методов обогащения. 6

2.2. Магнитная сила и её составляющие. 13

2.3. Динамика движения частиц при магнитной сепарации. 15

Движение частиц руды в сепараторах с верхней подачей. 15

Движение частиц руды в сепараторах с нижней подачей
при мокром обогащении. 18

3. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ.. 22

3.1. Классификация минералов по магнитным свойствам. 25

3.2. Определение магнитных свойств минералов. 26

3.3. Магнитные свойства магнетита и других минералов. 28

3.4. Влияние магнитных свойств разделяемых частиц
на процесс магнитного обогащения. 31

4. ПРАКТИКА МАГНИТНОГО ОБОГАЩЕНИЯ.. 33

4.1. Подготовка руды перед магнитным обогащением. 33

Грохочение. 33

Обеспыливание. 34

Обесшламливание. 34

Размагничивание. 35

Намагничивание. 35

Сушка. 36

Магнетизирующий обжиг 36

4.2. Обогащение сильномагнитных руд. 38

Характеристика сильномагнитных руд. 38

Требования к железорудному сырью и концентратам. 39

Технология обогащения сильномагнитных руд. 41

4.3. Обогащение слабомагнитных руд. 45

Технология обогащения слабомагнитных железных руд. 45

Технология обогащения марганцевых руд. 48

Технология обогащения коллективных гравитационных концентратов россыпных месторождений. 49

Технология обогащения черновых гравитационных
вольфрамовых концентратов. 50

4.4. Обогащение неметаллических полезных ископаемых. 52

ПРЕДИСЛОВИЕ

Ранее, в 2004 – 2006 годах были написаны обзоры по ряду основных разделов магнитного метода обогащения полезных ископаемых – магнитным сепараторам со слабым магнитным полем, сепараторам с сильным магнитным полем и обзор по активно развивающемуся в последнее десятилетие направлению – использованию в магнитном обогащении новых высокоинтенсивных редкоземельных постоянных магнитов типа неодим – железо – бор.

Поэтому в настоящий конспект включены «недостающие» для полного курса разделы по магнитным методам обогащения: физические основы магнитных методов сепарации, магнитные свойства минералов и практика магнитного обогащения. Таким образом, можно предположить, что в итоге составлен электронный вариант «базового» курса по магнитным методам обогащения полезных ископаемых.

Конспект подготовлен на основе известных монографий В.И. и В.В. Кармазиных «Магнитные методы обогащения» (1984 г.)» Магнитные и электрические методы обогащения» (1988 г.); содержащей большой экспериментальный материал книги Л.А. Ломовцева, Н.А. Нестеровой, Л.А. Дробченко «Магнитное обогащение сильномагнитных руд» (1979 г.); учебного пособия А.Е.Пелевина «Магнитные и электрические методы обогащения» (2003 г.).

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ

Впервые явление магнетизма было обнаружено китайцами, которые еще до нашей эры использовали полярность магнита и соз­дали компас. Известны первые попытки (XVII, XVIII вв.) примене­ния ручных постоянных магнитов для удаления магнетита из оло­вянных и других редкометалльных концентратов. Однако начало промышленного применения магнитного метода относится к концу XIX в., когда в США – Боллом и Нортоном – и в Швеции – Венстремом – были разработаны первые барабанные сепараторы с электро­магнитной системой для сухого обогащения магнетитовых руд.

В начале XX в. магнитное обогащение магнетитовых руд по­лучило относительно большое развитие в Швеции, что было связано с разработкой Грендалем (в 1906 г.) первого барабанного сепаратора для мокрой сепарации. Создание этого сепаратора, являющегося прототипом современных барабанных сепараторов, позволило ус­пешно и экономично обогащать мелкие классы крупности магнети­товых руд.

В конце XIX в. для магнитного обогащения слабомагнитных руд Ветериллем (США) был разработан ленточный сепаратор с замкнутой электромагнитной системой и заостренными полюсами, в котором была достигнута повышенная магнитная сила. В дальней­шем для обогащения слабомагнитных руд в России и за рубежом были разработаны дисковые, валковые и роликовые сепараторы, а также высокоградиентные сепараторы.

В России первый барабанный магнитный сепаратор был раз­работан в 1911 г. инженером В.А. Петровым на Урале и применен для сухой сепарации магиетитовой руды. Однако конструирование и серийное изготовление отечественных магнитных сепараторов было начато только в 1932-1934 гг. В настоящее время в России выпус­каются практически все типы магнитных сепараторов (для сухого и мокрого обогащения, с сильным и слабым полем), железоотделителей и другого специального оборудования, применяемого при маг­нитном обогащении.

Магнитные методы обогащения применяются:

- для обогащения руд черных и других металлов (железные, марганцевые руды и минералы россыпных месторождений);

- удаления железистых примесей из стекольного, керамического, абразивного и др. сырья (обезжелезивание неметаллических полезных ископаемых);

- регенерации тяжелосредных суспензий (извлечение магнетита и ферросилиция);

- удаления случайных железных предметов из различных продуктов обогатительных фабрик (исходный продукт дробилок, готовые концентраты сухих технологий и др.);

- переработки техногенного сырья (шламы и хвосты обогатительных фабрик; шлаки металлургического производства; кабельный, радиоэлектронный и другой лом цветных и черных металлов; твердые бытовые отходы).

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНОГО
МЕТОДА ОБОГАЩЕНИЯ

2.1. Сущность и классификация магнитных методов
обогащения

Магнитный метод обогащения основан на различии в маг­нитных свойствах подлежащих разделению компонентов исходного сырья. Магнитное обогащение осуществляется в магнитных сепара­торах или железоотделителях, особенностью которых является на­личие в их рабочей зоне разделения магнитного поля. При движе­нии разделяемого продукта через магнитное поле сепаратора под воздействием магнитной силы частицы с различными магнитными свойствами движутся по отличным друг от друга траекториям, что позволяет магнитные и немагнитные частицы выделять в свои про­дукты.

Кроме магнитной силы на частицы материала, перемещаемые через рабочую зону сепаратора, оказывают воздействие механиче­ские силы, которые совместно с магнитной определяют режим раз­деления. Среди механических сил выделим следующие.

1. Сила тяжести F_g = mg.

2. Центробежная сила F_ц = mv²/R (когда R >> d) или
F_ц = mv²(R+0,5d)²/R³ (когда d/R > 0,05), возникающая при движении материала по криволинейной траектории (транспортирующая поверхность, барабан).

3. Сила адгезии или молекулярного сцепления (прилипания немагнитной частицы к магнитной или к барабану сепаратора) F_сц = 4Аπσr₁r₂ /(r₁+r₂) или F_сц = Аπdσ (при одинаковом размере соприкасающихся частиц).

4. Сила сопротивления среды, в зависимости от крупности частиц, определяемая по законам Стокса, Аллена, Риттингера.

В приведенных формулах: m – масса частицы, кг; g – ускоре­ние свободного падения, равное 9,81 м/с²; v – скорость вращения ба­рабана сепаратора или движения частицы по криволинейной по­верхности, м/с; R – радиус барабана или криволинейной поверхно­сти, м; d – диаметр частицы, м; r₁ и r₂ – радиусы частиц, м; А – коэф­фициент, учитывающий площадь соприкосновения частиц, их влажность и др.; σ – поверхностное натяжение частиц на границе их раздела с окружающей средой (воздухом), Н/м.

Сила тяжести и магнитная сила действуют в одном направ­лении на разделяемые частицы в сепараторах с верхней подачей продукта. В аппаратах с движением материала под магнитной сис­темой (нижняя подача) извлечение частиц в магнитную фракцию будет при условии, что магнитная сила F_M больше силы тяжести F_g. Центробежная сила стремится оторвать частицу от барабана сепа­ратора с верхней подачей и также конкурирует с магнитной. Силы адгезии имеют большое значение при сепарации мелкодробленых продуктов. Немагнитные пылевидные частицы прилипают к маг­нитным и к транспортирующей поверхности, попадая с ними в магнитный продукт, значительно ухудшают качество концентрата. Для борьбы с этим явлением сепарацию мелкодробленых продуктов осуществляют в центробежном режиме (повышенные скорости вращения барабанов сепараторов), дополнительно применяя аспирационные системы для удаления пылевидных частиц. Сила сопротив­ления среды значимо не влияет на процесс разделения при сухом способе обогащения, так как плотность воздуха (1,23 кг/м³) значи­тельно меньше плотности разделяемых материалов, хотя с уменьше­нием крупности частиц ее влияние на процесс возрастает. В боль­шей степени сила сопротивления среды проявляется при обогаще­нии в водной среде (мокрая сепарация).

Для разделения магнитных и немагнитных частиц в магнит­ном поле сепаратора магнитная сила F_M, действующая на магнитные частицы, должна превышать равнодействующую всех механических сил ΣF_мех, направленную противоположно F_M, а магнитная сила F_M, действующая на немагнитные частицы, должна быть меньше ΣF_мех. Для анализа процесса разделения магнитных и немагнитных частиц в магнитном поле необходимо уметь определять магнитную и ме­ханические силы, действующие на частицы различной крупности и с разными физическими свойствами.

Среди многообразия процессов магнитной сепарации можно выделить шесть основных способов магнитного разделения. Первые три способа относятся к чисто магнитному обогащению, когда раз­деление осуществляется под действием магнитной силы по магнит­ным свойствам. При четвертом способе разделение осуществляется по магнитным свойствам, но без создания магнитной силы. При пя­том и шестом способах магнитная сила создает условия для разделе­ния частиц по другим физическим свойствам (плотности, электриче­ской проводимости). Рассмотрим способы магнитной сепарации.

1. Сепарация путем удерживания магнитных частиц на транс­портирующей поверхности (барабане, валке и др.). Данный способ реализуется в сепараторах (барабанных, валковых, роликовых и др.) с верхней подачей исходного материала. Широкое распространение получила предварительная сухая магнитная сепарация крупнокуско­вых железных руд с целью удаления пустой породы (барабанные се­параторы). Роликовые и валковые сепараторы применяются реже (для обогащения слабомагнитных руд).

Способ осуществляется следующим образом (рис. 2.1, а). Ис­ходные частицы попадают на барабан 1 и транспортируются им в зону разделения, ограниченную областью действия (сектором) маг­нитной системы 2. Немагнитные частицы под действием механиче­ских сил отрываются от барабана раньше, чем магнитные, и попа­дают в свой приемник. Магнитные частицы притягиваются к маг­нитной системе и транспортируются барабаном до края магнитной системы, после чего они отрываются и попадают в свой приемник.

2. Сепарация путем извлечения или отклонения магнитных частиц из движущегося потока материала. Данный способ реализуется в сепараторах (барабанных, валковых, роликовых и др.) с нижней (реже боковой) подачей исходного материала. Наибольшее распространение получила мокрая магнитная сепарация измельченных железных руд (барабанные сепараторы). Роликовые и валковые сепараторы применяются реже (для обогащения слабомагнитных руд).

Способ осуществляется следующим образом (рис. 2.1, б). Ис­ходные частицы транспортируются в зону разделения, ограничен­ную областью действия (сектором) магнитной системы 2. Немагнит­ные частицы движутся под барабаном 1, не изменяют траекторию под действием магнитной силы и попадают в свой приемник. Маг­нитные частицы извлекаются из исходного потока материала, притя­гиваются к магнитной системе и транспортируются барабаном до края магнитной системы, после чего они отрываются и попадают в свой приемник

3. Сепарация путем магнитного осаждения частиц на поверхность носителей (ферромагнитных тел). Данный способ реализуется в высокоградиентных сепараторах. Наибольшее распространение получила мокрая высокоградиентная магнитная сепарация тонкоизмельченных слабомагпитных материалов.

Способ осуществляется следующим образом (рис. 2.1, в). При нахождении рабочей матрицы сепаратора 2 между полюсами маг­нитной системы 1 в нее подается исходный продукт. Пульпа исход­ного материала проходит сквозь слой намагниченных под действи­ем внешнего магнитного поля ферромагнитных тел 3. Слабомагнит­ные частицы притягиваются к ферромагнитным телам, например шарам, а остальные частицы (немагнитные) удаляются потоком во­ды. После удаления немагнитных частиц рабочая матрица сепаратора выводится из зоны действия внешнего магнитного поля, и осуще­ствляется удаление слабомагнитных частиц потоком воды.

4. Магнитометрическая сортировка зернистых материалов. Данный способ реализуется в радиометрических (магнитометрических) сепараторах, чаще в режиме покусковой сортировки для предварительного обогащения. Магнитометрическая сортировка не получила широкого распространения.

Способ осуществляется следующим образом (рис. 2.1, г). Час­тицы исходного продукта транспортируются конвейером 1 и прохо­дят под электромагнитным индукционным датчиком 2, срабаты­вающим от собственного или наведенного магнитного поля частиц. Сигнал от датчика поступает в блок обработки информации и при­нятия решения 3, который определяет «качество» частицы и дает команду исполнительному механизму 4 на направление этой части­цы в соответствующий приемник.

5. Магнитогидростатическая (феррогидростатическая) сепарация. Данный способ реализуется в феррогидростатических сепараторах для разделения немагнитных минералов и металлов.

Признаком разделения при магнитогидростатическом (МГС) обогащении, как и при тяжелосредном обогащении, является плот­ность. Особенностью магнитогидростатического разделения являет­ся то, что требуемая кажущаяся плотность ферромагнитной жидко­сти (до 12000 кг/м³ и более) достигается под воздействием внешнего магнитного поля, что накладывает определённые ограничения на процесс, в частности на рабочий объем зоны разделения, который обуславливает производительность сепаратора.

Кроме магнитогидростатического метода известен магнито-гидродинамический метод обогащения по плотности. Разделение осуществляется в потоке электролита. В конструкции МГД-сепаратора обеспечивается перекрестное действие магнитного и электрического полей, в результате чего кажущаяся плотность электролита возрастает. Тяжелые частицы опускаются на дно, лег­кие – всплывают на поверхность. Данные аппараты в настоящее время не получили промышленного применения.

Рис. 2.1. Способы магнитного обогащения:

а – сепарация путем удерживания магнитных частиц: 1 – вращающийся барабан; 2 – неподвижная магнитная система; б – сепарация путем извлечения магнитных час­тиц: 1 – вращающийся барабан; 2 – неподвижная магнитная система; в – сепарация путем осаждения магнитных частиц на поверхности носителей: 1 – полюса магнитной системы; 2 – рабочая матрица; 3 – ферромагнитные тела; г – магнитометрическая сортировка: 1 – конвейер; 2 – датчик; 3 – блок обработки информации и принятия решения; 4 – исполнительный механизм; д – магнитогидростатическая сепарация: 1 – полюса магнитной системы; 2 – кювета, заполненная ферромагнитной жидкостью; е – электродинамическая сепарация: 1 – устройство для транспортировки материала в зону разделения; 2 – индуктор неременного магнитного поля.

и – исходный; м – магнитный; н – немагнитный; л – легкий; т – тяжелый;
п – провод­ники; нп – непроводники.

Магнитогидростатический метод осуществляется следующим образом (рис. 2.1, д). Частицы разделяемого продукта подаются в рабочую кювету 2 сепаратора, заполненную ферромагнитной жид­костью (ФМЖ) и находящуюся между полюсами магнитной систе­мы 1. Обычно физическая плотность приготовляемых ФМЖ не пре­вышает 1300 кг/м³. Под действием магнитного поля плотность ФМЖ «возрастает» до 12000 кг/м³ и более. Частицы разделяемого материала, имеющие плотность выше плотности магнитной жидко­сти, опускаются на дно ванны сепаратора, а частицы, имеющие бо­лее низкую плотность, поднимаются на поверхность жидкости.

6. Электродинамическая сепарация. Данный способ реализу­ется в электродинамических сепараторах для разделения немагнит­ных металлов по электропроводности (Cu-Pb, Al-Pb) или металлов от неметаллов.

Электродинамический метод обогащения основан на взаимо­действии магнитного поля и вихревых токов, возникающих в элек­тропроводном веществе под воздействием э.д.с., индуцируемой магнитным полем. Разделение происходит в переменном магнитном поле, причем это магнитное поле сначала создает в проводнике вихревой ток (электромагнитная индукция), а затем с ним взаимо­действует – выталкивает с определенной силой. Переменное магнит­ное поле создается в сепараторах тремя способами: 1 – применением магнитных систем, питаемых переменным током; 2 – при движении частиц относительно магнитной системы с чередующейся полярно­стью полюсов; 3 – при вращении магнитной системы с чередующей­ся полярностью полюсов.

Электродинамический метод осуществляется следующим об­разом (рис. 2.1, е). Частицы разделяемого продукта подаются на наклонную криволинейную поверхность 1. Под действием вибраций или под действием тангенциальной составляющей силы тяжести материал поступает в зону разделения, находящуюся над вращаю­щимся индуктором бегущего магнитного поля (барабан, ролик) 2. Электропроводные частицы, взаимодействуя с магнитным полем, приобретают определенное ускорение, отклоняются от общего по­тока материала и попадают в свой приемник. Неэлектропроводные частицы свободно движутся по транспортирующей поверхности и попадают в свой приемник.