5.6 Магнитная и электромагнитная сепарация отходов

Магнитная сепарация представляет процесс сортировки (разделения) и обогащения твердых отходов с различными магнитными свойствами при избирательном прилипании их минеральных частиц к поверхности барабана магнитного сепаратора. Она основана на различии магнитных свойств разделяемых сыпучих (зернистых) компонентов отходов размером до 100 мм в магнитных сепараторах. Этот процесс находит широкое при­менение для обогащения руд черных, редких и цветных металлов, регенерации сильномагнитных утя­желителей, удаления железистых примесей из кварцевых песков, аб­разивов, керамического сырья, флюсов, ванадийсодержащих шлаков и других материалов, а также пищевых продуктов.

Процесс магнитной сепарации или магнитного обогащения приме­нительно к рудным материалам вклю­чает несколько стадий. Руда перед магнитным обогаще­нием подвергается дроблению и из­мельчению. Выбор других подгото­вительных операций определяется характеристикой руды и условиями процесса обогащения. К этим операциям относятся: грохочение, обес­пыливание, обесшламливание, намагничивание и размагничивание, сушка и обжиг руды.

Электромагнитная сепарация представляет процесс сортировки и обогащения твердых отходов с различными магнитными свойствами при прилипании их минеральных частиц к поверхности барабана под воздействием электрического тока в электромагнитных сепараторах.

Магнитную и электромагнитную сепарацию, а также сепараторы по конструктивным и технологическим особенностям можно классифицировать на следующие группы:

1. по виду магнитного поля и соответственно магнитов – непрерывное (электромагнитное) или постоянное, причем последние наиболее широко применяются в практике сепарации и обогащения сырья и отходов.

2. по среде, в которой происходит сепарация – сухая (воздушная) или мокрая (водная) сепарация (обогащение);

3. по направлению вращения – прямоточные, противоточные и полупротивоточные,

4. по магнитным свойствам – на сильномагнитные, слабомагнитные и немагнитные материалы (отходы);

5. по конструкции – на валковые, барабанные, роторные, пластинчатые, стержневые, размагничивающие и намагничивающие сепараторы.

Рассмотрим последовательно каждую группу по отдельности.

1 группа - постоянные магниты, как наиболее распространенные в практике сортировки и обогащения отходов, представляют магниты различной формы из жёсткого материала с высокой остаточной магнитной индукцией, сохраняющие состояние намагниченности в течение длительного времени и применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля.

Изготавливаются они из специальных сплавов, которые были обнаружены в результате исследований по улучшению магнитных свойств, для производства которых используются четыре основных класса магнитных материалов:

1. Керамические ферриты – Strontium-Iron (Ferrites, Ceramics);

2. Альнико – Aluminum-Nickel-Cobalt (Alnicos);

3. Самарий-кобальт – Samarium-Cobalt (SmCo);.

4. неодим-железо-бор – Neodymium-Iron-Boron (Nd-Fe-B, NdFeB, NIB - Neo magnets, "super magnets").

В настоящее время самыми сильными являются редкоземельные магниты, а именно спеченные магниты неодим-железо-бор (Nd-Fe-B). При высоких температурах эксплуатации (150⁰ C и выше) магниты самарий-кобальт (SmCo) могут быть сильнее магнитов неодим-железо-бор (в зависимости от параметров магнитной системы).

Магнитная энергия самариевых магнитов в 6 раз выше, а неодимовых в 10 раз выше, чем у привычных нам ферритовых (керамических) изделий. На практике это означает, что неодимовый магнитик, размером c куриное яйцо, неосторожно взятый в руки, способен раздробить пальцы. Т.е. механические усилия, которые могут создаваться современными постоянными магнитами уже не являются силами игрушечными или приборными, а вполне соответствуют усилиям, характерным для обычных машин и механизмов, т.е - десятки и сотни килограммов.

Все магниты на основе металлов являются проводниками, а так как алюминий, кобальт и никель – металлы, то и спеченные магниты на их основе – проводники электрического тока.

На силу магнитов могут влиять следующие факторы, которые следует учитывать в практике сепарации твердых отходов, а именно:

1. нагревание (если нагревается свыше 80⁰ С, магниты начинают теряют свои магнитные свойства, а поддерживая эту температуру длительное время или значительно увеличивая её, можно полностью размагнитить магниты);

2. радиация;

3. сильные электрические токи вблизи магнита;

4. другие магниты вблизи магнита;

5. высокая влажность (для магнитов неодим-железо-бор без защитного покрытия).

Если сохранять магнит вдали от указанных факторов, которые неблагоприятно влияют на магнит, он сохраняет свой магнетизм достаточно долго, например, магниты самарий-кобальт теряют менее 1% магнитной энергии за период 10 лет. Удары и вибрация не влияют на силу современных магнитных материалов, пока не наступает физическое разрушение магнита, для которых производители магнитных сепараторов дают не менее 10 лет непрерывной эксплуатации.

Что касается направления намагничивания и действия магнитных сил, то их намагниченность производится в соответствии с рисунком 5.13 по различным направлениям, в зависимости от назначения и условий эксплуатации магнита.

Рисунок 5.13 - Направления намагничивания материалов

2 группа - по среде, в которой происходит сепарация, в равной степени применяется и сухая и мокрая сепарация, но каждая имеет свою специфику и область применения.

Сухое магнитное обогащение производится в один прием или в два приема с пе­речисткой немагнитного продукта I приема. При сухом обогащении обычно выделяют отвальные хвос­ты и промпродукт, направляемый на измельчение и последующее мокрое магнитное обогащение

Мокрое магнитное обогащение обычно производится в три стадии, каждая из которых включает от од­ного до трех приемов.

В I стадии руда подвергается обогащению в один-два приема для выделения отвальных хвостов и промпродукта, направляемого в измельчение II стадии.

Во II стадии обогащение про­изводится, как правило, в один при­ем и включается в замкнутый цикл II стадии измельчения, что позво­ляет выделять хвосты по мере рас­крытия минералов пустой породы.

В III стадии обогащение произ­водится в два-три приема с перечисткой магнитного продукта во II и III приемах. В этой стадии выделяют концентрат, направляемый на обезвоживание, промпродукт, возвра­щаемый во II стадию измельчения, и отвальные хвосты. При обогащении магнетитовых руд широко используются размагничивание, намагничивание и обесшламливание тонкоизмельченных продуктов. Мокрая очистка производится в различных типах сепараторов, но набольшее распространение получили магнитные сепараторы барабанного типа (рисунок 5.14) , принцип действия которых заключается в одновременной подаче отходов и воды для промывки на магнитный барабан, откуда обогащенный продукт, содержащий ценные компоненты, направляется на дальнейшую переработку. а образующийся при этом жидкий шлам после соответствующих операций направляется на утилизацию (рисунок 5.15).

Рисунок 5.14 - Принципиальная схема работы магнитного сепаратора ПБМ

Рисунок 5.15 – Принципиальная схема утилизации жидкого шлама

3 группа - по направлению вращения – прямоточные, противоточные и полупротивоточные. Различают магнитные сепараторы, использующие в своей работе постоянные магниты и электромагниты. В настоящее время разделение материалов по магнитным свой­ствам осуществляется главным об­разом в постоянном магнитном поле. Наряду с магнитными свойствами разделяемых частиц на показатели сепарации оказывают влияние их плотность, крупность и форма, конструктивные особенности магнитного сепаратора, а также существенно влияет магнитная флокуляция силь­номагнитных частиц.

Для мокрого обогащения сильно­магнитных руд применяются магнитные барабанные сепараторы со сла­бым полем с нижним питанием с прямоточной, противоточной и полупротивоточной ваннами (рисунок 5.16 (а,б,в)).

У прямоточных сепараторов че­рез зону извлечения проходит весь объем питания, тогда как у противоточных и полупротивоточных в основном немагнитная его часть.

П ри низком содержании магнитной фракции в питании, т. е. при боль­шом выходе хвостов (>50 %), техно­логические показатели работы се­параторов с тремя типами ванн близки между собой. При высоком же содержании магнитной фракции в питании, т. е. при малом выходе хвостов (<30 %), технологические показатели работы прямоточных сепараторов значительно уступают показателям работы противоточных и полупротивоточных сепараторов. Прямоточные сепараторы пригодны для руды крупностью 6 мм и менее, противоточные — для руды крупностью 2 (3) мм и менее, полупротивоточные — для руды крупно­стью 0,3 мм и менее.

Рисунок 5.16 - Схемы магнитных барабанных сепараторов для мокрого обогащения со слабым полем с различными типами ванн

Полупротивоточные сепараторы можно применять и на более крупном материале - на сливе классификаторов или гидроциклонов крупностью -0,5 мм. Однако в этом случае для обеспечения их надежной работы необходимо пол­ностью исключить возможность по­падания в сепаратор случайных крупных кусков руды.

Сепараторы с различными ти­пами ванн при прочих равных ус­ловиях обеспечивают за один при­ем обогащения примерно одинако­вое качество магнитного продукта. Для последовательного осуществле­ния нескольких приемов обогаще­ния с перечисткой магнитного про­дукта необходимо учитывать удоб­ство компоновки сепараторов с раз­личными ваннами. Конструктивные особенности прямоточных и полупротивоточных сепараторов позво­ляют компоновать их горизонталь­но. Компоновка противоточных се­параторов требует значительного перепада высот (600—1000 мм) меж­ду соседними сепараторами.

Прямоточные сепараторы при прочих, равных условиях потребляют мощность, меньшую в 1,5—2 раза, чем противоточные.

Полупротивоточные сепараторы по потребляемой мощно­сти занимают промежуточное поло­жение.

Противоточные сепараторы по сравнению с прямоточными и полупротивоточными имеют наибольший износ барабана и ванны. По надежно­сти эксплуатации прямоточные сепа­раторы превосходят противоточные и полупротивоточные.

Полупротивоточ­ные сепараторы весьма чувствитель­ны к изменениям производительности, крупности и плотности питания. Уменьшение производительности ниже допустимого предела, повышение крупности и плотности питания полупротивоточного сепаратора могут привести к его забиванию.

4. группа - по магнитным свойствам, различают соответственно:

1. Сильномагнитные минералы, извлекаемые на магнитных сепараторах с относительно слабым магнитным полем напряженностью до 120 кА/м (магнетит, пирротин, графит, пиротин).

2. Слабомагнитные минералы, извлекаемые на магнитных сепараторах с сильным полем напряженностью 800—1500 кА/м и выше. Эта группа включает минералы с удельной магнитной восприимчивостью X = (750 - 10)•10-⁸ м³/кг: окислы, гидроокислы и карбонаты железа и марганца, вольфрамит, гранат, биотит и др.

Немагнитные минералы, не извлекаемые при магнитном обогаще­нии, удельная магнитная восприим­чивость % которых меньше 10^-7 м³/кг. К ним относятся: кварц, кальцит, касситерит, апатит и др.

Для магнитной сепарации при­меняют оборудование различных типов магнитные и электромагнит­ные сепараторы, железоотделители, анализаторы, дешламаторы, намагничивающие и размагничивающие аппараты. По конструкции их можно разделить на барабанные, валковые, роторные, пластинчатые, стержневые, размагничивающие и намагничивающие сепараторы, причем первый тип наиболее распространен по ряду своим конструктивных преимуществ и высокой надежности работы сепаратора такого типа.

М агнитные и электромагнитные сепараторы барабанного типа со слабым полем применяются для сухого обогащения отходов руд, представляющие собой барабан с много­полюсной магнитной системой, примером которых является электромагнитный барабанный се­паратор сепаратор 206-СЭ (рисунок 5.17). Преимущественно они применяется для удаления окалины из флюсов, обогащения ванадийсодержащих шлаков, очистки окалины от немагнитных примесей, обезжелезнения слабомагнитных руд перед их обогащением на сепараторах с силь­ным полем для сухого обогащения.

1 — бункер; 2 — вибрационный питатель;

3 — магнитная система; 4 — барабан;

5 — патрубок для отсоса пыли;

6 — скребок; 7 — кожух с приемникам;

8 — рама

Рисунок 5.17 - Магнитный сепара­тор 206-СЭ

Электромагнитные барабанные сепараторы со слабым полем предназначены для регенерации ферромагнитных утяжелителей при гравитационном обогащении руд и углей, магнитного обогащения частично окисленных железных руд и обезжелезнения различных материалов. В сепараторе типа 217-СЭ (рисунок 5.18) полюса электромагнитной системы чередуются не вдоль оси барабана, а по его пе­риметру, что обеспечивает перемеши­вание магнитного продукта и способствует повышению его качества. Барабан заполнен трансформаторным маслом для охлаждения обмотки возбуждения и получения магнитного поля повышенной напряженности. Сепаратор изготовляют с прямоточной (217-СЭ), противоточной (217П-СЭ) и полупротивоточной (217ПП-СЭ) ваннами.

1 - барабан; 2 - электромагнит;

3 - ванна; 4 и 12 - загрузочная и разгрузочная коробки;

5-распределительная коробка;

6 - успокоитель; 7 - питающий лоток;

8- концентратный лоток;

9 -хвостовые насадки;

10 -сливной патрубок;

11 -рама; 13- брызгало

Рисунок 5.18 – Сепаратор 217-СЭ

Э лектромагнитные сепараторы с сильным полем для сухого обогащения (рисунок 5.19) слабомагнитных руд применяют при обогащении материала крупностью не более 6 мм. и при отсутствии сильно магнитных частиц. Примером сепаратора является электромагнитный валковый сепаратор 229-СЭ с нижним питанием, предназначенный для обогащения руд редких металлов и олова, обезжелезнения различных материалов, в частности, стекольного сырья.

1-электромагнитная система;

2- питатель;

3-валок; 4- полюсный наконечник;

5 –сборник

Рисунок 5.19 - Электромагнитный валковый сепаратор 229-СЭ

К онструктивные особенности сепаратора 229-СЭ (специальный профиль зубцов валка и бесщелевого полюсного наконечника, многопродуктовый сборник) позволяют получить за один прием обогащения несколько продуктов, отличающихся по магнитным свойствам, в том числе конечный концентрат, отвальные хвосты и промпродукт, подвергаемый перечистке. Материал поступает самотеком в рабочую зону сильного магнитного поля, образованную поверхностями валка и полюсного наконечника. Магнитные частицы выносятся вращаю­щимся валком в зону ослабленного магнитного поля, где они отрыва­ются, образуя широкий веер. Немагнитные частицы скользят по впадинам наконечника. Продукты обогащения поступают в сборник из четырех отсеков. Продукты ряда смежных отсеков могут объединяться в соответствии с требованиями по их качеству.

Также конструктивно могут работать при подаче по транспортной ленте отходов с разделением их на хвосты и очищенный материал (концентрат) (рисунок 5.20).

Рисунок 5.20 – Принцип работы роторного сепаратора

М агнитные сепараторы серии СМВТ на основе постоянных магнитов NdFeB, предназначены для выделения цветных (токопроводящих) металлов фракцией -100,0 +1,0 мм из потока материала и обычно применяются в том случае, когда присутствует возможность установки нового оборудования в существующую технологическую линию с небольшими конструктивными доработками. Магнитный сепаратор цветных металлов серии СМВТ представляют собой горизонтально расположенный ленточный транспортер непрерывного действия, который состоит из натяжного барабана и магнитного приводного ротора. Приводной барабан и магнитный ротор имеют автономные регулируемые приводы вращения. Принцип действия сепаратора заключается в наведении электродвижущий силы (ЭДС) в токопроводящих цветных металлах, вращающимся магнитным полем. Это взаимодействие создает, в зависимости от физико-химических свойств сепарируемых цветных металлов, различные траектории падения материалов. Используя разницу траектории движения металлов и инертной массы, осуществляется их сепарация. Необходимо помнить, что все ферромагнитные включения необходимо удалить до попадания материала в зону сепарации. Все искусственные материалы, древесину и прочие не металлические материалы сепарируются в виде остаточной фракции.

Рисунок 5.21 - Магнитные сепараторы серии СМВТ

Высокая эффективность, низкие энергозатраты, простота в эксплуатации и быстрая окупаемость, обуславливают широкое применение магнитных сепараторов вихревого тока серии СМВТкак на предприятиях вторичной переработки ТБО (мусоросортировочные линии), так и для регенерации отходов металлургических комбинатов и предприятий перерабатывающих лом черных и цветных металлов – они эффективно выделяют токопроводящие цветные металлы из потока обрабатываемого материала, производить разделение цветных и черных металлов и неметаллов., а также для выделения примесей цветных металлов при переработке стеклобоя (в бое ликероводочной тары и банок) на предприятиях стекольной промышленности.

Платинчатые магниты благодаря полностью свободному условному проходу (внешней магнитной системе) (рисунок 5.22) используется там, где существует опасность зависания продукта в сепараторе или застревания улавливаемых ферромагнитных тел над слоем движущегося продукта. Максимально эффективно улавливает крупные металломагнитные примеси массой более 15 г, попадающиеся в сыпучих порошкообразных и гранулированных продуктах.

Рисунок 5.22 - Пластинчатые магниты ПСМ-1

О снову сепараторов типа ПСМ-1 составляют магнитные пластины, расположенные на откидных крышках. Магнитные пластины имеют направленное магнитное поле, перекрывающее проходное сечение пневмотранспорта, в котором движется продукт. Благодаря сильному магнитному полю уловленные металломагнитные примеси не сносятся потоком продукта, а прочно удерживаются в нижней "теневой зоне" пластины до момента очистки. Наибольший эффект сепарации достигается при наклонном расположении пластины, под углом не превышающем 45° (60°). В связи с этим, сварной корпус сепаратора ПСМ-1 выполняется по принципу "ломаное колено". Конструкция сепараторов типа ПСМ обеспечивает легкую выемку магнитных блоков для очистки, без применения большой физической силы. Возможно исполнение сепараторов с механической системой очистки, благодаря которой не требуется специальных щеток или скребков для съема ферромагнитных примесей.

Рисунок 5.23 - Пластинчатые магниты ПСМ-2

Для исключения зависания продукта в сепараторах могут применяться конструкции пластинчатого магнита ПСМ-2 (рисунок 5.23), которые устанавливаются в вертикальные самотечные трубы квадратного или круглого поперечного сечения, наклонные участки самотечных труб.

Основу сепараторов типа ПСМ-2 составляют магнитные пластины, расположенные на откидных крышках. Магнитные пластины имеют направленное магнитное поле, перекрывающее проходное сечение пневмотранспорта, в котором движется продукт. Благодаря сильному магнитному полю уловленные металломагнитные примеси не сносятся потоком продукта, а прочно удерживаются в нижней "теневой зоне" пластины до момента очистки.

Конструкция сепараторов типа ПСМ обеспечивает легкую выемку магнитных блоков для очистки, без применения большой физической силы. Возможно исполнение сепараторов с механической системой очистки, благодаря которой не требуется специальных щеток или скребков для съема ферромагнитных примесей, что нашло, широкое применение в комбикормовой, зерноперерабатывающей, горно-металлургической и химической промышленности. Используются для сепарации стекольной шихты, строительного щебня, древесной стружки, рассыпных и гранулированных комбикормов, зерна и других сыпучих продуктов.

Рисунок 5.24 – Шкивные железоотделители СМБ

Шкивные железоотделители серии СМБ рисунок 5.24) предназначены для удаления ферромагнитных тел и частиц из потока сухого материала, транспортируемого по конвейеру. В основу работы шкивного железоотделителя СМБ положен принцип извлечения ферромагнитных примесей из сыпучих материалов с помощью магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами на основе редкоземельных металлов. Сепарируемый материал подается на барабан с помощью транспортерной ленты. В момент соприкосновения материала с барабаном через ленту конвейера начинается его сепарация. Под действием мощного магнитного поля ферромагнитные частицы притягиваются к поверхности барабана и удерживаются до момента выхода транспортерной ленты с поверхности барабана, в результате чего магнитное поле исчезает и ферромагнитные частицы опадают в специальный контейнер. Шкивные железоотделители серии СМБ эффективно выделяют ферромагнитные тела из потока исходного материала, что позволяет получить чистый продукт, защитить от поломок дорогостоящее оборудование и произвести высококачественную очистку исходного сырья.