4.3. Электромагнитная сепарация. Физические основы процесса

Магнитный метод обогащения основан на различии магнитных свойств минералов. В таблице 4.16 приведены сравнительные показатели магнитной притягиваемости некоторых минералов, причем эталоном служит мягкое чистое железо, притягиваемость которого принята за 100. В таблице 4.16 минералы условно разделены на три группы: сильномагнитные, слабомагнитные и немагнитные.

Если смесь рудных зерен различной магнитной притягиваемости передвигать в магнитном поле, то в зависимости от магнитопроницаемости сильномагнитные минералы будут отклоняться, а немагнитные зерна пройдут через магнитное поле без всякого изменения своего первоначального пути. В сильномагнитных минералах магнитные линии магнитного поля сгущаются, минералы намагничиваются и вследствие этого притягиваются магнитом.

Успехи в развитии электротехники и в изучении магнитных свойств веществ позволили широко использовать магнитный метод обогащения не только для сильномагнитных, но также и для слабомагнитных минералов.

В 20-е годы прошлого столетия в нашей стране чрезвычайно выросло производство чугуна и стали. Это потребовало ввода в эксплуатацию целого ряда новых железорудных месторождений, руда которых требует дополнительного обогащения. Для многих железных руд магнитный метод обогащения является основным. Как видно из таблицы 4.16, сильномагнитные минералы имеют в своем составе железо, и поэтому их обычно называют ферромагнитными. Были сконструированы барабанные электромагнитные сепараторы, с успехом применяющиеся для обогащения железных руд Урала, а также руд других железорудных месторождений. В дальнейшем было организовано конструирование и изготовление электромагнитных сепараторов на заводах.

Таблица 4.16

Относительная магнитная притягиваемость некоторых минералов

Минерал	Относительная магнитная притягиваемость	Минерал	Относительная магнитная притягиваемость
1	2	1	2
Сильномагнитные		Хромит FeOCr2O3	0,7
Железо Fe	100	Марматит (Zn, Fe)S	0,7÷0,6
Магнетит FeO Fe2O3	40,18
1	2	1	2
Франклинит (Fe, Zn, Mn)O(FeMn)2O3	35,38	Вольфрамит (Fe, Mn) WO5	0,6
Ильменит Fe TiO3	24,7	Монацит (Ce,La) PO4; Th;Si	0,55
Пирротин FenSn+1	6,69
Биотит (Mg, Fe)2 (HK)2 Аl2(SiO4)3	3,21	Манганит Mn2O3H2O	0,51
		Каламин Zn2SiO4H2O	0,51
Слабомагнитные		Гранат 3MgOAl2O33SiO2	0,4
Сидерит FeCO3	1,82	Немагнитные
Гематит Fe2O3	1,32	Кварц SiO2	0,37
Родонит MnSiO3	1,01	Рутил TiO2	0,37
Лимонит 2Fe2O33H2O	0,84	Церуссит PbCO3	0,3
Корунд Al2O3	0,83	Кераргирит AgCl	0,28
Пиролюзит MnO2	0,71	Аргентит Ag2S	0,27
1	2	1	2
Молибденит MoS2	0,23	Пирит FeS5	0,23
Доломит (CaMg) (CO3)2	0,22	Сфалерит ZnS	0,23
Борнит 5Cu2SFe2S3	0,22	Киноварь HgS	0,1
Апатит Ca5F(PO4)3	0,21	Халькозин Cu2S	0,09
Тетраэдрит 3Cu2SSb2S3	0,21	Куприт Cu2O	0,08
Тальк Mg3H2 (SiО3)4	0,15	Смитсонит ZnCO3	0,07
Арсенопирит FeAsS	0,15	Ортоклаз KAlSi3O8	0,05
Магнезит MgCO3	0,15	Стибнит Sb2S3	0,05
Халькопирит Cu2SFe2S3	0,14	Энаргит 3Cu2SAs2S5	0,05
Гипс CaSO42H2O	0,12	Галенит PbS	0,04
Флюорит CaF2	0,11	Кальцит CaCO3	0,03
		Витерит BaCO3	0,02

Сила, с которой магнит действует на другой магнит или на любое другое магнитное вещество, называется магнитной силой. Пространство, в котором действуют магнитные силы, называется магнитным полем. В магнитных сепараторах искусственно создается более сильное, нежели земное, магнитное поле. Магнитные силовые линии (рис.4.25,б) выходят из полюса N и проходят параллельными линиями равномерным потоком через воздушное пространство, затем входят в полюс S. Такое силовое поле называется однородным. Однако в магнитных сепараторах создают неоднородные магнитные поля (рис.4.25,а), т.е. такие, в которых силовые линии располагаются не параллельно, а в разных участках воздушного зазора гуще или реже.

Рис.4.25. Магнитное поле: а - неоднородное; б - однородное.

Напряженность H магнитного поля измеряется в эрстедах. За единицу напряжения принимается одна силовая линия или один эрстед на 1 см² площади, перпендикулярной направлению силовых линий. В однородном поле напряжение в любой точке постоянно, тогда как в неоднородном напряжение изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от магнитной массы:

, (4.40)

где m - масса магнитного полюса; r - расстояние.

Если в магнитное поле будет внесено вещество, обладающее большой магнитной проницаемостью, то магнитные силовые линии будут сгущаться внутри этого вещества. Число магнитных силовых линий, проходящих через 1 см² внутри этого магнитного вещества, измеряется гауссами и называется магнитной индукцией В, а отношение В/Н =  называется магнитной проницаемостью данного тела. Так как магнитная индукция В и напряженность магнитного поля Н выражаются одноименно, то магнитная проницаемость является числом отвлеченным и для воздуха или пустоты магнитная проницаемость принимается равной единице. Очевидно, что для тел парамагнитных  > 1, а для диамагнитных  < 1. Немагнитное вещество, например металлический висмут, обладающий отрицательной магнитной проницаемостью, будучи внесенным в магнитное поле, произведет противоположное изменение в направлениях силовых линий: магнитные силовые линии будут стремиться обогнуть висмут, а через него пройдет самое незначительное число силовых линий; полярности в диамагнитном веществе будут располагаться в обратном порядке, чем в веществах парамагнитных.

Согласно закону Кулона, сила взаимодействия магнитных масс m₁ и m₂, расположенных в однородной среде, равна:

, (4.41)

где с - коэффициент;  - магнитная проницаемость; r - расстояние между магнитными массами.

Интенсивность намагничивания I измеряется плотностью фиктивного слоя магнетизма на поверхности, перпендикулярной силовым линиям, и зависит от напряженности магнитного поля I/H=K.

Величина К называется магнитной восприимчивостью, которая определяется из условия , откуда

. (4.42)

Магнитная проницаемость  и магнитная восприимчивость К для слабомагнитных веществ являются величинами постоянными. Для сильномагнитных (ферромагнитных) веществ их значения меняются в зависимости от напряженности магнитного поля Н.

В таблице 4.17 даны значения магнитной проницаемости и магнитной индукции В для мягкого отожженного железа и серого чугуна в зависимости от напряженности магнитного поля Н. Насыщение мягкого железа считается достигнутым при 16 тыс. гауссов. Однако с повышением температуры степень намагничивания и индукция уменьшаются, и при температуре рекалесценции, которая для железа равна 785 С, магнитные свойства исчезают.

Таблица 4.17

Значение магнитной проницаемости в зависимости от изменения напряженности магнитного поля

Отожженное кованое железо			Серый чугун
H, Э	B, Гс	μ	H, Э	B, Гс	μ
1	2	3	4	5	6
1,66	5000	3012	5	4000	800
4	9000	2250	10	5000	500
5	10000	2000	21,5	6000	279
6,5	11000	1692	42	7000	166,6
8,5	12000	1412	80	8000	100
12	13000	1083	127	9000	70,87
17	14000	823	188	10000	53,19
28,5	15000	526	292	11000	37,67
50	16000	320
105	17000	161,9
200	18000	90
1	2	3	4	5	6
350	19000	54,2
666	20000	30
1490	22650	15,2
8600	30270	3,52
19880	41140	2,07

В современных магнитных сепараторах магнитное силовое поле создается специальными электромагнитами, так как в постоянных стальных магнитах максимально возможная индукция обычно не превышает 800 гауссов. Искусственным электромагнитом, или соленоидом, как известно, называется железный сердечник, вокруг которого слой за слоем намотана изолированная проволока. По проволоке пропускается постоянный ток.

Сила магнитного поля такого соленоида определяется уравнением:

, (4.43)

где n - число витков соленоида на 1 см длины сердечника; I - сила тока, А.

Если поперечное сечение соленоида велико по сравнению с его длиной, то такая плоская катушка называется тором, дающим силу магнитного поля:

, (4.44)

где N - общее число витков; r - радиус сердечника.

Магнитодвижущая сила F электромагнита будет составлять:

. (4.45)

Следовательно, магнитодвижущая сила F пропорциональна произведению числа витков N на силу тока I в амперах. Их произведение называется «ампер-витки».

Сила, оказывающая сопротивление прохождению силовых линий, называется магнитным сопротивлением:

, (4.46)

величина которого прямо пропорциональна длине цепи l, обратно пропорциональна магнитной проницаемости цепи _c и площади поперечного сечения S.

Магнитный силовой поток, представляющий произведение индукции на поперечное сечение:

, (4.47)

равняется магнитодвижущей силе, разделенной на магнитное сопротивление.

При магнитной цепи, состоящей из нескольких различных участков, магнитное сопротивление рассчитывается по условию:

.

При n = N/l магнитная индукция

.

Магнитная индукция может быть увеличена повышением магнитной проницаемости цепи электромагнита или увеличением напряженности магнитного поля путем создания большего числа ампер-витков на 1 пог. см.

Электромагнитные сепараторы представляют собой цепи первичных или вторичных электромагнитов.

При обогащении сильномагнитных минералов применяются наиболее простые цепи (рис.4.26,а), в которых электромагниты испускают свои силовые линии из полюса N в пространство, а затем эти линии возвращаются в полюс S. На рис.4.26,б представлена магнитная цепь сепаратора с внешней цепью 2, состоящей из железа.

Рис.4.26 Типы электромагнитных цепей

Магнитное поле, в котором производится разделение минералов средней магнитной проницаемости, заключается в воздушных зазорах 3-3’ между полюсами первичного и вторичного магнита. При разделении слабомагнитных руд применяются электромагнитные цепи (рис.4.26,в), в которых создается исключительно сильное магнитное поле. Внешняя цепь в этом типе электромагнита проходит по сердечнику второго электромагнита 3. Такое устройство цепи обеспечивает максимальную индукцию у заостренных полюсов и предотвращает утечку силовых линий в пространство.

На рис.4.27 представлена цепь магнитного сепаратора с рабочими полюсами вторичных электромагнитов 1. По наклонной поверхности из немагнитного материала 2-2 ссыпается или стекает смесь магнитных и немагнитных зерен. Под плоскостью 2-2 располагается сильный электромагнит 3, возбуждающий индукцию в заостренных полюсах 4 вторичного электромагнита, к которому и притягиваются магнитные зерна. При расчетах электромагнитных цепей определяется число ампер-витков.

Рис.4.27. Полюсы вторичных электромагнитов

Для хорошо изолированной проволоки из электролитной меди допускается 2,5, А на 1 мм² ее сечения. В зависимости от выбранного диаметра обмоточной проволоки устанавливается максимальная сила тока в магнитной цепи. Обмотка на сердечниках производится в несколько слоев, но так как при прохождении электрического тока обмотка нагревается, то безопасной считается толщина ее слоя от 50 до 100 мм. При этом во время длительной работы температура нагретой обмотки не должна превышать температуру окружающей среды более чем на 40÷50 С.

Сердечник и полюсные наконечники изготовляют из чистого кованого железа, в котором магнитное насыщение практически достигается при 16 тыс. гауссов. В этом случае (таблица 4.17) магнитная проницаемость для железа составит =320, тогда как для воздуха =1.

Допустим, что требуется создать напряженность магнитного поля в рабочей части магнитного сепаратора в 5 т. эрстед и площадь поля 100 см2 . В этом случае общее число силовых линий составит 5000100=500000.

Однако рассчитывать число ампер-витков надо с учетом утечки магнитных силовых линий в воздушном зазоре. Обычно утечка составляет от 0,3 до 0,45 от числа полезных силовых линий. Принимая утечку, равную 0,3, определяем общее число магнитных силовых линий, которые должны проходить через сердечник: 5000001,3=650000.

Отсюда можем определить поперечное сечение сердечника:650000/16000=40,6 см² , что при круглом сердечнике соответствует диаметру 7,2 см.

Магнитный поток:

.

Отсюда:

.

На основании последнего уравнения необходимое число ампер-витков определяется отдельно для воздушного зазора и для железного сердечника и наконечников. Для воздушного зазора магнитный поток Ф₁ принимается равным 500 тыс. эрстед, а для магнитной цепи величина Ф₂ = 650 тыс. эрстед. В приведенной формуле в случае воздушного зазора величина L приравнивается к величине зазора в сантиметрах, =1 и S по заданию равно 100, а при определении необходимого числа ампер-витков для внутренней цепи сепаратора величина L принимается равной длине железной части цепи в сантиметрах (по конструктивным соображениям); =320 и S, согласно предыдущему вычислению, равняется 40,6 см² . Если во внутренней цепи сердечник, ярмо и наконечники имеют различные сечения S, то суммарное сопротивление определяется по частям, как сумма каждого отдельного участка, согласно ранее приведенному уравнению.

Общее число ампер-витков магнитного сепаратора представляет собой сумму ампер-витков магнитного зазора и внутренней цепи. Наконец, число витков, необходимое для электромагнитного сепаратора, определяется N∙I/I=N, т.е. на максимально допустимую силу тока в амперах. Если медная проволока имеет сечение 2 мм², то максимально допустимая величина I = 5A. Например, при суммарном числе ампер-витков в магнитном сепараторе 12000 число витков соленоида на сердечнике равно 12000/5 = 2400 витков.

Сила притяжения электромагнита в однородном поле малоэффективна.

Рис.4.28 Сила притяжения зерна в однородном поле

На рис.4.28 показано такое магнитное поле с нейтральной плоскостью 0-0’. Если магнитная частица а будет находиться в этой нейтральной плоскости, то сила притяжения и сила отталкивания к каждому из полюсов электромагнита будут уравновешены, и частица а будет оставаться неподвижной, несмотря на весьма интенсивное магнитное поле и высокую магнитную индукцию, создаваемую в самой частице. Совершенно другое получается при помещении магнитной частицы в неоднородное поле (рис.4.29,а) с расходящимися лучеобразно силовыми линиями или при одном клинообразном полюсе (рис.4.29,б).

Рис.4.29. Сила притяжения электромагнита в неоднородном поле

Магнитные частицы, перемещенные в поле, приобретают соответствующую полярность, сила притяжения и отталкивания обратно пропорциональна квадрату расстояния соответствующего полюса частицы от полюса электромагнита. Сила притяжения магнитных частиц к полюсу электромагнита определяется формулой:

, (4.48)

где К - магнитная восприимчивость; V - объем частицы; Н - напряженность магнитного поля в эрстедах; x - расстояние от полюса электромагнита до частицы.

Частица будет перемещаться в направлении сгущения силовых линий, т.е. в направлении повышения интенсивности силового поля. В однородном магнитном поле величина Н постоянна. В этом случае dH²/dx=0. Следовательно, в однородном поле, как было отмечено выше, сила притяжения равна нулю независимо от напряженности самого поля. Если магнитная частица находится в непосредственном контакте с плюсом магнита, то подъемная сила, или сила отрыва, выражается как:

, (4.49)

где В - магнитная индукция, создаваемая в веществе, удерживаемом магнитом; S - сечение магнита.

Электромагнитные сепараторы, применяемые в лабораторной и заводской практике, представляют комбинацию электромагнита или нескольких электромагнитов с механическими транспортирующими приспособлениями для введения материала в магнитное поле и раздельного выноса магнитной и немагнитной частей из сферы действия магнитного поля. Магнитный сепаратор обычно имеет приспособление для регулирования процесса. Прежде всего, необходимо регулировать напряженность поля в зависимости от магнитной проницаемости рудных частиц. Чем меньшей магнитной проницаемостью обладают последние, тем плотнее должно быть силовое поле, чтобы вызвать в этих частицах индукцию, достаточную для притяжения их к полюсам. Магнитный сепаратор должен обеспечивать оптимальную плотность силового поля при минимальном напряжении. Магнитное поле должно быть одинаковым по всей ширине ленты или желоба. Скорость перемещения материала, степень и равномерность загрузки, а также воздушный зазор между полюсами и материалом необходимо регулироваться соответствующими приспособлениями.