5.2. Магнитная сепарация слабомагнитных минералов.

До настоящего времени магнитная сепарация слабомагнитных минералов осуществляется в сепараторах с замкнутой электромагнитной системой. Магнитная система этих сепараторов состоит из двух частей (рис.5.2.1). Одна часть – первичный магнит (электромагнит), состоящий из сердечника, полюсных наконечников и катушек, питаемых постоянным током.

Рис.5.2.1 Схема магнитного сепараторах с замкнутой магнитной системой

L длина рабочей зоны, h – глубина рабочей зоны

Вторая часть – вторичный магнит (валок или ролик), который находится между полюсами электромагнита и намагничивается благодаря магнитной индукции (намагничивание через влияние).

Электромагнит состоит из сердечника, полюсных наконечников и катушек, находящихся на сердечнике. Питание обмотки катушек производится постоянным током, поэтому в блоке питания сепаратора обязательно имеется полупроводниковый выпрямитель. Постоянный ток необходим, чтобы вектор напряженности поля H, [А/м], вектор gradH – градиента напряженности [кА/м²] и вектор магнитной силы поля Fм.с.п. = H*gradH [А²/м³] во время работы сепаратора не изменяли своего направления, т.е. были направлены из точки с меньшей величиной напряженности к точке с большей напряженностью и, следовательно, с большей величиной магнитной силы поля. В этом направлении будут перемещаться магнитные частицы.

Как было указано выше, вторичный магнит (валок или ролик), помещенный между полюсами электромагнита, намагничивается благодаря явлению магнитной индукции. Величина магнитной индукции «В» определяется по формуле

, где: (5.2.1)

величина индукции, [Тл] (тесла),

μ₀ - магнитная проницаемость вакуума, равная 4π*10^-7 Вб/А*м.

μ – относительная магнитная проницаемость материала валка или ролика,

H - напряженность магнитного поля на поверхности зубца валка или ролика.

Напряженность магнитного поля в сепараторах с замкнутой системой на поверхности зубцов валка достигает 800 – 1600 кА/м .

Для изготовления деталей магнитной системы используется трансформаторная сталь, т.е. сталь с весьма высокой магнитной проницаемостью. Материал сердечника электромагнита, полюсов его материал валка или ролика должен быть магнитомягким, т.е. легко и быстро намагничиваться и также быстро размагничиваться, иметь высокую магнитную проницаемость и малую остаточную индукцию

Диаметр валка или ролика больше, чем высота полюсного наконечника электромагнита. При вращении валка или ролика магнитные частицы перемещаются за делительную перегородку и отделяются от валка или ролика под действием центробежной силы F_ц = m*v²/R [Н] и силы тяжести F_т = m*g [Н]; Величина остаточной индукции, не должна превышать 0,4 – 0,8 [Тл].

Сочетание форм полюсных наконечников электромагнита и валка или ролика может различаться. Например, у лабораторного индукционно-роликового сепаратора марки 138-СЭ (сепаратор электромагнитный) - плоский полюс сердечника электромагнита в рабочей зоне сочетается с роликом, имеющим зубчатое строение, т.е. исходный материал движется по лотку, лежащем на плоском полюсе, а магнитный продукт притягивается к зубцам ролика.

На рис 5.2.3. показана схема расположения ролика и полюсных наконечников сепаратора с плоским полюсом (например, 138 - СЭ). Концентрация магнитных силовых линий растет по направлению от плоского полюса к зубцам валка. На плоском полюсе лежит вибрирующий лоток, по которому движется исходный материал. Магнитные частицы будут двигаться от лотка к ролику, т.к. в этом направлении ориентированы все три вектора поля.

Рис. 5.2.2. Лабораторный роликовый сепаратор 138б-СЭ с нижним питанием для сухого обогащения слабомагнитных руд.

Важно правильно выбрать шаг зубцов, который определяется в зависимости от крупности питания, т.е. размера частиц и принципа питания сепараторов. Глубина рабочей зоны как правило не должна превышать 2 d_max, т.е. 2-х максимальных диаметров частиц. Материал под ролик или валок должен подаваться в один слой.

В валковых сепараторах, работающих в промышленных условиях (например, в сепараторах ЭВС -36/100 (сепаратор электромагнитный валковый сухой) и ЭВМ-36/250 (сепаратор электромагнитный валковый мокрый), где «36» обозначает диаметр валка в сантиметрах, а «100» и «250» обозначают длины валков в сантиметрах), используется оптимизированное сочетание конфигурации полюсных наконечников (см. рис. 5.2.4).

При такой конструкции полюса электромагнита рассеивание магнитных силовых линий значительно уменьшается, а концентрация магнитных линий, соответственно, увеличивается. Следовательно, при одном и том же токе, подаваемом в обмотку электромагнита, можно получить как напряженность магнитного поля на конце зубца, так и градиент напряженности выше, чем при сочетании плоского полюса электромагнита с вторичным магнитом, имеющим зубчатую форму (см. рис. 5.2.5).

Еще раз следует отметить, что магнитная проницаемость воздуха очень мала, т.е. воздушный зазор оказывает большое сопротивление прохождению магнитных силовых линий.

При увеличении силы постоянного электрического тока, подаваемого в обмотку электромагнита, наблюдается рост напряженности магнитного поля на поверхности зубца, градиента напряженности в рабочем зазоре и рост силы магнитного поля.

Рис. 5.2.3. Ролик и полюсные наконечники сепаратора с замкнутой магнитной системой. Профиль зубцов показан условно. В реальных конструкциях применяются зубцы не с острыми, а с плоскими или закругленными вершинами (см. рис. 5.2.5).

s – шаг полюсов

h – глубина рабочей зоны

При достижении силой тока критического значения все нескомпенсированные магнитные моменты элементарных носителей магнетизма (атомов) направлены в одном направлении, преодолевая хаотическое броуновское движение атомов, которое стремится нарушить этот порядок. (Это соответствует наименьшему значению свободной энергии вещества, к которому оно всегда стремится согласно второму закону термодинамики). При дальнейшем повышении силы тока увеличение намагничивания зубцов практически не происходит. На рис.2.2.3.4 показан график этого явления.

Рис.5.2.4. Схема электромагнитной системы и профиль рабочей зоны сепаратора 2ЭВМ – 36/250.

1 – валок; 2 - полюсные наконечники; 3 – катушка; 4, 5, 6 – замкнутые магнитные контуры.

Рис.5.2.5. Зависимость силы магнитного поля H*gradH от расстояния между зубцами валка (ролика) и ответным полюсом (для гладкого полюса и полюса с выемками).

1 – треугольные зубцы; 2- прямоугольные зубцы.

Если сердечник электромагнитной системы находится в режиме насыщения, то неупорядоченных магнитных моментов элементарных носителей магнетизма нет. Дальнейшее повышение силы тока приводит только к нагреву катушек, возрастанию удельного расхода электроэнергии на 1 т исходного питания и к увеличению стоимости магнитной сепарации.

При конструировании сепаратора необходимо также правильно определить ширину зубца, производительность сепаратора и расход электроэнергии.

Замкнутые магнитные системы для обогащения слабомагнитного материала имеют двумерное магнитное поле, также как и открытые магнитные системы для обогащения сильномагнитного материала.

В них также все три вектора напряженности магнитного поля, градиент напряженности и сила магнитного поля изменяются в двух направлениях: по глубине и длине рабочей зоны сепаратора.

Напряженность магнитного поля для замкнутых систем, естественно, выше, т.к. слабомагнитные минералы имеют магнитную восприимчивость примерно на два порядка ниже. Напряженность магнитного поля для этих систем составляет от Н = 860 – 1.600 [кА/м], gradH = 20.000 [кА/м²] и сила магнитного поля F_м.п. = (5 ÷ 12)*10⁷ [кА²/м³].

Магнитные системы сепараторов для слабомагнитных минералов можно изготавливать с использованием постоянных магнитов из сплава Sm-Co-Pr (самарий-кобальт-празеодим). По своим магнитным характеристикам они являются вполне удовлетворительными, но не используются для изготовления промышленных сепараторов из-за высокой стоимости. Постоянные магниты, выполненные из сплава Fe-B-Nd (железо-бор-неодим) не уступают по магнитным характеристикам постоянным магнитам из сплава самарий-кобальт-празеодим и со временем могут заменить электромагниты в замкнутых магнитных системах. Эти сплавы обладают высокой энергией: индукция сплава составляет до 1 тесла, а произведение В*Н=Т [кА/м] составляет 10 - 45. Коэрцитивная сила составляет 100-300 [кА/м] в зависимости от формы магнита. Остаточная индукция 0,3-0,6 [Тл]. Такие магниты были изготовлены производственным объединением «Электрон» при участии сотрудников «Механобрчермета» в 1988г.