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

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).

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.

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

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.

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.