Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы и практика магнитных и электрических методов обогащения. Учебное пособие.pdf
1. Физические основы магнитного и электрического методов обогащения
dE
– изменение напряженности электрического поля во време-
dt
ни (плотность тока проводимости).
Физический смысл первого уравнение Максвелла заключается
в следующем: магнитное поле может возбуждать не только токами
проводимости j, но и изменением во времени электрического поля
.
dt
2. Второе уравнение Максвелла описывает вихри электрическо-
го поля (в интегральной и дифференциальной форме):
dE
dB
rot E = –
, (3)
dt
где dB – магнитная индукция, Тл.
Физический смысл второго уравнения Максвелла: электрическое
поле может возбуждаться не только электрическими зарядами, но
и изменением магнитного поля во времени.
Из первого и второго уравнений Максвелла вытекает, что переменное электрическое и магнитное поля следует рассматривать как два
неразрывно связанные проявления единого электромагнитного поля.
3. Третье уравнение Максвелла устанавливает соотношения для
источников магнитного поля:
в дифференциальной форме:
divB = 0, (4)
где div – скалярная величина, характеризующая расхождение векторов, т. е. изменения потока в каждой точке векторного поля;
интегральной форме:
B
·dS = 0. (5)
Третий закон Максвелла называют законом непрерывности линий вектора магнитной индукции,
физический смысл
которого состо-
ит в том, что магнитное поле не имеет истоков.
11
Физические основы и практика магнитных и электрических методов обогащения
4. Четвертое уравнение Максвелла устанавливает соотношение
для истоков электрического поля:
в дифференциальной форме:
div
D
= –ρ, (6)
где ρ – объемная плотность электрического заряда, К/м3.
интегральной форме:
Третье уравнение Максвелла является обобщением
D
·dS = ∑ q. (7)
закона Гаусса:
электрическое поле может иметь истоки, которыми являются электрические заряды.
Магнитное поле
является частным проявлением электромагнитного поля. Оно обнаруживается в действии на движущиеся электрически заряженные тела, а также на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от их состояния движения.
Магнитное поле можно создать электрическим током; перемен-
ным электрическим полем; намагниченными телами.
Характеристикой магнитного поля является:
в вакууме – напряженность H, А/м (Э);
в среде вещества – магнитная индукция B, Тл (Гс).
Магнитная индукция определяет силы, с которыми магнитное
поле действует на движущийся в нем электрический заряд, т. е. ток:
где
F
– сила Лоренца;
Л
q
– величина заряда;
F
= q·ϑ·В·sin α, (8)
Л
ϑ – скорость движения заряда;
Α
– угол между направлением скорости и индукцией B.
Сила Лоренца направлена перпендикулярно к плоскости, в ко-
торой лежат векторы B и ϑ.
Направление силовых линий можно определить по правилу бу-
равчика: если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводни-
12
1. Физические основы магнитного и электрического методов обогащения
ке, то направление движения рукоятки буравчика укажет направление
линий магнитной индукции (силовых линий).
Магнитные силовые линии выходят из северного (N) и входят
в южный (S) полюс.
Существует связь магнитной индукции с намагниченностью ве-
щества:
B′
= μ0·J, (9)
где B′ – магнитная индукция поля при прохождении тока J;
μ0 – магнитная проницаемость вакуума (4π·10–7 Гн/м).
Магнитная индукция связана с напряженностью:
где
B
– магнитная индукция внешнего магнитного поля напряженно-
0
B
= μ0·H, (10)
0
стью H.
В магнитном поле вещество намагничивается:
J
= æ·H, (11)
где J – намагниченность вещества с объемной магнитной восприимчивостью æ в поле напряженностью H;
æ – безразмерная величина.
Результирующее поле будет иметь индукцию:
B = B′
+
B
, (12)
0
т. е.
B =
μ0·J + μ0·H = μ0 (J + H) =
= μ0 (æ·H + H) = μ0 (æ + 1) H,
B =
μ0·μ·H, (13)
где μ – относительная магнитная проницаемость, показывающая, во
сколько раз магнитная проницаемость среды отличается от магнитной
проницаемости вакуума, зависит от напряженности магнитного поля
(рис. 1).
13
Физические основы и практика магнитных и электрических методов обогащения
–
–
–
–
μ
μ
max
μHH
Рис. 1. Кривая зависимости магнитной проницаемости вещества
от изменения напряженности B = f (H)
Наиболее часто используются понятия (табл. 1):
μ – нормальная магнитная проницаемость;
μ
– начальное значение проницаемости;
нач
μ
– максимальное значение проницаемости.
max
dB
Величину μd =
называют дифференциальной.
dH
Основные магнитные единицы системы СИ
Наименование Формула размерности
Сила тока I, Ампер, A I
Магнитный момент электрического тока Pm,
Амперквадратный метр, A/м
2
Магнитная индукция B, Тесла, Тл MT
Магнитный поток Ф, Вебер, Вб L2M T
Напряжённость магнитного поля H, Ампер на
метр, А/м
2
L
–1
L
Таблица 1
I
2
1
I
2
1
I
I
Абсолютная магнитная проницаемость
Генри на метр, Гн/м
Относительная магнитная проницаемость
Магнитная постоянная 0, Генри на метр, Гн/м
Магнитодвижущая сила M, Ампер, А
абс
,
2
–2 I–2
M T
L
1
2
M T
–2 I–2
L
I
14
1. Физические основы магнитного и электрического методов обогащения
–
–
Окончание табл. 1
Наименование Формула размерности
Намагниченность J, Ампер на метр, А/м L
1
I
3 M–1
L
1
Магнитная восприимчивость
Удельная магнитная восприимчивость , Куб.
3
метр на кг, м
/кг
Размагничивающий фактор N 1
Условная магнитная сила 0H grad H, кг/(м
2
с2)
2
L
M T
2
Контрольные вопросы и задания
1. Какие ученые внесли основной вклад в развитие теории элек-
трических явлений и электромагнитной индукции?
2. Приведите уравнения Максвелла и объясните их физический
смысл.
3. Каким образом можно создать магнитное поле?
4. Поясните, чему равна индукция магнитного поля?
5. Как влияет напряженность поля на магнитную индукцию?
15
Физические основы и практика магнитных и электрических методов обогащения
2. ПРАКТИКА МАГНИТНОГО ОБОГАЩЕНИЯ
2.1. Магнитные материалы
В практике магнитного обогащения применяют следующую
классификацию минералов по их магнитным свойствам: сильномагнитные, слабомагнитные и немагнитные.
Сильномагнитные минералы
извлекают на магнитных сепараторах с относительно слабым магнитным полем с напряженностью до
120 кА/м. Эти минералы имеют удельную магнитную восприимчивость
вещества
410
–5
м3/кг. К ним относятся магнетит (искусственный
и естественный), маггемит, титаномагнетит, франклинит и пирротин.
Встречаются, однако, и слабомагнитные разновидности пирротина.
Слабомагнитные минералы
извлекают на магнитных сепараторах с сильным полем напряженностью (800–1500 кА/м и выше). Эта
группа включает минералы с удельной магнитной восприимчивостью
=
(75010)10
–8 м3
/кг. К ним относятся оксиды, гидроксиды и карбона-
ты железа и марганца, ильменит, вольфрамит, гранат, биотит и др. Нижний предел удельной магнитной восприимчивости минералов, извлекаемых на сепараторах с сильным полем, имеет тенденцию к понижению по
мере совершенствования конструкций магнитных сепараторов.
Немагнитные минералы
обогащении. Их удельная магнитная восприимчивость < 10–7 м3/кг
не могут быть извлечены при магнитном
.
К таким минералам относятся кварц, кальцит, касситерит, апатит и др.
Для определения магнитных свойств минералов применяют
баллистический, магнитометрический и пондеромоторный методы.
2.1.1. Магнитные свойства
Одной из основных особенностей сильномагнитных веществ является зависимость их магнитной индукции или намагниченности от
напряженности поля.
16
2. Практика магнитного обогащения
На рис. 2 показано, что первоначальное намагничивание сильномагнитного вещества происходит по кривой
ОАD
. При циклическом перемагничивании, происходящем в последовательности, указанной стрелками, кривая намагничивания переходит в петлю гистерезиса. Петля гистерезиса, полученная для условий магнитного
насыщения, называется
предельной петлей
.
D
Индукция
Индукция
B
r
E
B
H
c
H
H
–
max
р
А
'
B
r
Напряженность
Напряженность
0
H
+
max
Рис. 2. Начальная кривая намагничивания
и петля гистерезиса сильномагнитного вещества
Основными характеристиками петли гистерезиса при испытаниях образца сильномагнитного вещества в замкнутой магнитной
цепи являются остаточная индукция
B
H
дукции
.
с
Если на рис. 2 по оси ординат вместо индукции
B
и коэрцитивная сила по ин-
r
В
откладывать
значение намагниченности J, то получится петля гистерезиса намагниченности. По этой петле можно определить остаточную намагни-
B
ченность
J
, коэрцитивную силу по намагниченности
r
H
и намагни-
с
ченность насыщения гистерезисной петли намагничивания.
Чем выше коэрцитивная сила, тем труднее материал поддается
размагничиванию.
17
Физические основы и практика магнитных и электрических методов обогащения
B
Если намагниченный образец вынуть из замкнутой магнитной
системы, то рабочая точка, характеризующая его магнитное состояние, переместится из точки
определяется размагничивающим полем
B
в точку Е (рис. 2), положение которой
r
Н
образца.
р
Поведение смеси намагниченных частиц в отсутствие магнитного поля зависит от их магнитного состояния, т. е. определяется пара-
метрами
Н
р
и
.
r
Магнитные свойства сильномагнитных веществ, как правило,
существенно зависят от температуры. При определенной для каждого
вещества температуре, называемой точкой Кюри, сильномагнитные
(ферромагнитные) свойства исчезают, и вещество становится парамагнитным.
Магнетит (FeOFe
ка Кюри = 578 С; намагниченность насыщения
коэрцитивная сила
приимчивость
Нс =
=
(0,181,28)10
) имеет следующие магнитные свойства: точ-
2O3
JS =
451454
кА/м;
1,6 кА/м; начальная удельная магнитная вос-
–2
м3/кг
.
Магнитное насыщение магнетита наступает при намагничивании в поле напряженностью около 320 кА/м
.
Для искусственных магнетита и маггемита, полученных при обжиге и магнитной сепарации слабомагнитных железных руд различных месторождений, характерна более высокая по сравнению с есте-
ственным магнетитом коэрцитивная сила (
Нс
10
кА/м). При магнит-
ном обогащении этих материалов образуются прочные флокулы, что
обуславливает относительно большое засорение магнитного продукта
сепарации немагнитными частицами (в отличие от магнитных продуктов, полученных из естественных магнетитовых руд). Такое явление наблюдается на ЦГОКе (Кривой Рог), где в промышленном масштабе параллельно с магнетитовой рудой обогащают окисленную железную руду после обжига.
Магнетитовые концентраты, содержащие значительное количество двуокиси титана, имеют также повышенную коэрцитивную силу
18
2. Практика магнитного обогащения
(
Н
= 510
с
приимчивость (
кА/м) и несколько пониженную удельную магнитную вос-
=
0,3810
-3 м3
/кг).
Магнитные свойства слабомагнитных минералов в отличие от
сильномагнитных не зависят от формы частиц и напряженности намагничивающего поля. Наблюдаемая в отдельных случаях зависимость удельной магнитной восприимчивости различных слабомагнитных минералов от напряженности поля, по-видимому, объясняется
наличием сильномагнитных включений.
Слабомагнитные минералы, подвергаемые магнитному обогащению, как правило, являются
парамагнитными веществами.
Определение магнитной восприимчивости минералов основано
на взвешивании образцов, помещённых в магнитное поле. Чем больше прирост «массы» образца в магнитном поле, тем выше его магнитные свойства.
Для определения магнитной восприимчивости слабомагнитных
минералов применяют пондеромоторный метод, предложенный Фарадеем. Магнитную восприимчивость образца определяют косвенным
методом – сравнивают магнитные силы, действующие
на исследуе-
мый образец и эталон.
Установка для определения магнитной восприимчивости пондеромоторным методом состоит из электромагнита 4 и весов 1, которыми измеряется сила притяжения исследуемых образцов (рис. 3, а).
Электромагнит имеет полюса со скошенными поверхностями, создающими изодинамическое поле (
HgradH
= const). Все части весов
установки изготовляются из немагнитного материала. Между весами
и электромагнитом устанавливается ферромагнитная плита 2 для экранирования магнитного поля.
Порошок слабомагнитного материала насыпают в стеклянную
колбочку до метки и помещают в зазор между полюсами. После этого
включают заданный ток в обмотке электромагнита и определяют
«массу» образца в магнитном поле. То же самое выполняется с колбочкой, заполненной эталоном. В качестве эталона используются чис-
19
Физические основы и практика магнитных и электрических методов обогащения
тые минералы или химические соединения, например хлористый марганец МnСl2 (χ = 14,45·10–7 м3/кг). Кроме взвешивания образца и эталона в магнитном поле выполняются взвешивания при выключенном
электромагните.
а б
Рис. 3. Установки для определения магнитных свойств: а – слабомагнитных
минералов (1 – весы; 2 – ферромагнитный экран; 3 –колбочка с образном;
4 – электромагнит; 5 – источник постоянного тока); б – сильномагнитных минералов (1 – весы; 2 – стеклянный цилиндр с образцом; 3 – электромагнит
(соленоид); 4 – источник постоянного тока)
Измерения выполняют три-четыре раза, а затем по средним значениям рассчитывают удельную магнитную восприимчивость образца
по формуле
χ
где
χ
– удельная магнитная восприимчивость эталона, м3/кг;
эт
m
– масса эталона, кг;
эт
m
– масса образца, кг;
об
= χэт
об
m
эт
Δ
m
об
/ (
m
об
Δ
m
), (14)
эт
20
Δ
m
– кажущийся прирост массы образца в магнитном поле, кг;
об
Δ
m
– кажущийся прирост массы эталона в магнитном поле, кг.
эт