Магнитная сепарация и обогащение железной руды

Магнитная сепарация и обогащение железной руды

Магнитная сепарация является старым методом обогащения железных руд и удаления примесей железа. С 1849 года в США был выдан ряд патентов на магнитную сепарацию, а тексты некоторых патентов до 1910 года описывают различные магнитные сепараторы для обогащения полезных ископаемых.

Методы магнитной сепарации используются, чтобы воспользоваться преимуществом разницы в магнитных свойствах для отделения железной руды от немагнитных сопутствующих пустых материалов. Магнитную сепарацию можно проводить как в сухой, так и во влажной среде, хотя влажные системы используются чаще.

Магнитное разделение — это физическое разделение дискретных частиц, основанное на трехсторонней конкуренции между тяговыми (i) магнитными силами, (ii) гравитационными, гидродинамическими силами сопротивления, силами трения или инерции и (iii) силами притяжения или отталкивания между частицами. . Эти силы в совокупности действуют по-разному на частицы исходного материала с разными магнитными свойствами. На рис. 1 показан принцип магнитной сепарации.

Рис. 1. Принцип магнитного разделения

Силами в магнитных сепараторах, которые конкурируют с магнитными силами и действуют на все частицы, проходящие через сепаратор, являются силы тяжести, гидродинамического сопротивления, трения и инерции. В зависимости от типа магнитного сепаратора некоторые из этих сил могут иметь большее или меньшее значение.

Сила гравитации важна для крупных частиц, тогда как сила гидродинамического сопротивления важна для мелких частиц. Таким образом, в магнитном сепараторе, обрабатывающем крупные частицы в сухом виде, исходный материал проходит через силу тяжести. Магнитные силы должны быть достаточными, чтобы удерживать магнитную частицу против конкурирующей силы гравитации. В мокром сепараторе для мелких частиц магнитная сила должна быть больше, чем сила гидродинамического сопротивления, которая действует потоком шлама на захваченные частицы.

Конкуренция между магнитной силой и конкурирующими силами в магнитном сепараторе определяет вероятность захвата или извлечения магнитной частицы в магнитном сепараторе. Силы между частицами, между магнитными и немагнитными частицами, определяют концентрацию продуктов магнитной сепарации. Если сила между частицами больше, чем магнитная и конкурирующая силы, то многие немагнитные частицы, вероятно, будут захвачены вместе с магнитными частицами. Наоборот, многие магнитные частицы могут быть унесены вместе с немагнитными частицами и не могут быть захвачены.

Для достижения высокого извлечения магнитных частиц сила магнитного разделения должна быть больше, чем сумма конкурирующих сил. Однако, если магнитная сила намного больше, чем конкурирующая сила, селективность разделения плохая, так как не делается различия между различными намагничиваемыми частицами. Селективность процесса в решающей степени определяется относительными величинами магнитной и конкурирующей сил, на которые влияет правильный выбор самого сепаратора и его рабочих параметров.

Действующие магнитные, конкурирующие и межчастичные силы определяют производительность сепаратора. Эти силы зависят как от природы разделяемого сырья, так и от характеристик магнитного сепаратора. Природа корма включает его размер и физические свойства, которые могут влиять на различные действующие силы. К характеристикам магнитного сепаратора относятся конструкция и его изменяемые параметры, в частности магнитное поле и скорость процесса. Между этими параметрами существует общая зависимость. Кроме того, магнитная сила в сепараторе может быть максимизирована путем согласования градиента магнитного поля с размером частиц.

Магнитный сепаратор разделяет исходный материал железной руды на два или более компонентов. Если целью является получение концентрированной магнитной железной руды, то другим немагнитным компонентом являются хвосты. В некоторых случаях также может существовать возможность выделения менее магнитного третьего компонента, называемого промпродуктом. Каждый из этих материальных потоков должен транспортироваться в сепаратор, через сепаратор или из сепаратора.

Магнитные и конкурирующие силы гравитации, трения, гидродинамического сопротивления или силы инерции имеют тенденцию разделять частицы, в то время как силы притяжения между частицами имеют тенденцию уменьшать степень разделения. В любой реальной ситуации разделения как магнитные, так и немагнитные частицы также обычно находятся в хвостах или промпродуктах, и только в предельном случае возможна полная магнитная сепарация. Эффективность магнитной сепарации обычно выражается как степенью извлечения (отношение магнитного материала в концентрированной руде к таковому в сырьевом материале), так и содержанием (доля магнитного материала в концентрированной руде). Это две обычно используемые независимые меры эффективности магнитного сепаратора. Эти меры зависят от относительной величины притягивающих магнитных сил, гравитационного, гидродинамического сопротивления, сил трения или инерции, а также сил притяжения или отталкивания между частицами.

В магнитной сепарации, хотя условия эффективной сепарации четко определены, существует сложность, поскольку относительная важность сил определяется главным образом размером частиц. В основном это связано с тем, что конкурирующие силы зависят от размера частиц. При сухой магнитной сепарации сила сопротивления обычно незначительно влияет на размер частиц и, следовательно, как правило, не оказывает существенного влияния на эффективность разделения. Наоборот, размер частиц существенно зависит от магнитной силы и силы тяжести при сухой магнитной сепарации. С другой стороны, при мокром разделении, где может быть важна сила гидродинамического сопротивления, на селективность разделения значительное влияние оказывает распределение частиц по размерам. С уменьшением размера частиц относительная важность гидродинамического сопротивления увеличивается по сравнению с магнитной силой.

В конструкции магнитного сепаратора необходимо, чтобы, помимо поля, был обеспечен также градиент напряженности поля для усиления движения частиц в желаемых направлениях. В поле однородного магнитного потока магнитные частицы сходятся в потоке и ориентируются так, что в его теле есть концентрация, но оно не движется. С другой стороны, создание сходящегося поля приводит к притяжению частиц к области с более высоким потоком.

Магнитное поле и градиент поля, воздействующие на частицы во всех магнитных сепараторах, могут создаваться различными способами, что приводит к широкому разнообразию геометрии и напряженности поля. В некоторых случаях постоянные магниты создают поля напрямую, в то время как в других случаях катушки и железные магнитные цепи используются для намагничивания ферромагнитной структуры, градиенты поля которой притягивают магнитные частицы.

Существуют различные типы магнитных сепараторов, которые были разработаны для обеспечения необходимого магнитного поля на основе обогащаемой руды наряду с другими критериями. Магнитные сепараторы можно разделить на две группы, а именно (i) низкой интенсивности и (ii) высокой интенсивности. Обе группы могут быть как мокрого, так и сухого типа. Некоторые из типов магнитных сепараторов, которые обычно используются, включают (i) влажную и сухую магнитную сепарацию низкой интенсивности (LIMS), (ii) магнитную сепарацию с высоким градиентом (HGMS), (iii) влажную магнитную сепарацию с высокой интенсивностью (WHIMS). ), (iv) валковые магнитные сепараторы для переработки слабомагнитных руд и (v) индукционная валковая магнитная сепарация (IRMS) для обогащения сухих руд. Магнитное поле обычно создается одним из нескольких способов, таких как (i) постоянный магнит, (ii) электромагнит с железным ярмом, (iii) соленоид и (iv) сверхпроводящий магнит.

Операции магнитной сепарации часто классифицируются как низкоинтенсивные или высокоинтенсивные. В сепараторах низкой интенсивности используются магнитные поля в диапазоне от 0,1 Тесла до 0,3 Тесла. Методы низкой интенсивности обычно используются для магнетитовой руды как недорогой и эффективный метод разделения. В сепараторах высокой интенсивности используются поля силой от 1 до 2 Тесла. Этот метод используется для отделения слабомагнитных железных руд, таких как гематит, от немагнитных или менее магнитных пустой породы. Другими факторами, важными при определении того, какой тип системы магнитного сепаратора следует использовать, являются размер частиц и содержание твердых частиц в подаваемой рудной пульпе.

Магнитные сепараторы обычно подразделяются на сухие/влажные магнитные сепараторы низкой интенсивности, сухие/влажные магнитные сепараторы высокой интенсивности и магнитные сепараторы с высоким градиентом. Группы, основанные на напряженности магнитного поля, показаны на рис. 2. Кроме того, имеется несколько сепараторов, которые также относятся к сухой группе высокой интенсивности, такие как постоянный роликовый магнитный сепаратор, изодинамический сепаратор, открытый градиентный магнитный сепаратор, вибрационный высокоградиентный магнитный сепаратор. магнитный сепаратор/фильтр и сверхпроводящий высокоградиентный магнитный сепаратор. Сухие магнитные сепараторы высокой интенсивности имеют более высокую напряженность магнитного поля, создаваемого либо постоянным магнитом, либо индуцированным магнитным полем для разделения частиц на основе их магнитной восприимчивости.

Рис. 2. Группы магнитных сепараторов по напряженности магнитного поля

Хотя существует несколько групп магнитных сепараторов, здесь описан принцип разделения двумя типами сепараторов (барабанные и высокоинтенсивные). Барабанный сепаратор представляет собой обычный магнитный сепаратор с низким градиентом. В таком сепараторе (рис. 3) сухой исходный материал вводится в верхней части вращающегося барабана. Частицы руды уносятся вниз по барабану за счет совместного действия сил гравитации и трения, которые передают вращение барабана частицам. Магнитные силы, создаваемые стационарными магнитами внутри барабана, удерживают более высокие магнитные частицы против вращающегося барабана. Эти частицы оседают справа, когда барабан проходит мимо конца магнитов. Немагнитные частицы свободно падают с барабана влево. В таком сепараторе могут использоваться как постоянные магниты, так и электромагниты. Подобные магнитные сепараторы широко используются для обогащения железных руд, содержащих магнетит.

             Рис. 3. Пример двух типов магнитных сепараторов

На рис. 3 также показано схематическое изображение высокоинтенсивного магнитного сепаратора. В этом высокоградиентном магнитном сепараторе используется магнит, предназначенный для создания сильного регулируемого поля в объеме контейнера. Этот объем заполнен матрицей из нитевидного ферромагнитного материала. Сильные магнитные силы, создаваемые высокими градиентами поля на краях нитей, эффективно захватывают очень мелкие (менее 100 микрон) частицы даже слабомагнитных веществ. Эти нити выбираются в соответствии с размером частиц сырья, чтобы оптимизировать магнитные силы. Исходная железная руда в виде жидкой (обычно водной) суспензии подается вниз через контейнер. Жидкие и немагнитные частицы легко проходят через относительно открытую структуру матрицы. Захваченные магнитные частицы легко вымываются, когда приложенное поле уменьшается до нуля. Магнитные сепараторы этого типа полезны для концентрирования или удаления мелких магнитных частиц при переработке железной руды для получения окатышей.

Магнитные сепараторы являются неотъемлемой частью систем обогащения низкосортной железной руды. Обжиг низкосортных железных руд для повышения их намагниченности (т. е. преобразования гематита в магнетит) расширяет область применения обычных магнитных сепараторов. Магнитные сепараторы также используются в некоторых случаях переработки железа.

Типы магнитных сепараторов

Существует несколько типов магнитных сепараторов, которые используются для обогащения железной руды. Наиболее распространены сухие и мокрые барабанные сепараторы, которые используются для обогащения железных руд. Ролковые сепараторы используются для переработки слабомагнитных железосодержащих руд, а шкивные сепараторы чаще всего используются для удаления примесей железа из различного сырья. Эти сепараторы используют либо постоянные магниты, либо электромагниты и работают в непрерывном режиме. Барабанные сепараторы и магнитные сепараторы с высоким градиентом более подробно описаны ниже.

Барабанные сепараторы – Барабанные сепараторы многих типов, возможно, являются наиболее распространенным типом магнитных сепараторов, которые используются. К этим типам относятся роликовые сепараторы со шкивом, сухим барабаном, мокрым барабаном, а также роликовые сепараторы с принудительным одновременным вращением, встречным вращением и противотоком.

Сепараторы с сухим барабаном, с принудительным валком и шкивом работают аналогично сепаратору, показанному на рис. 3 и описанному ранее в статье. Сухой корм сбрасывается с одной или другой стороны барабана или шкива в зависимости от относительной величины магнитных, центробежных или гравитационных сил, действующих на частицу. С помощью этих типов сепараторов можно извлекать промежуточную фракцию. Частицы промпродукта слабее притягиваются магнитной силой, чем частицы концентрата, и, следовательно, вынуждены падать в бункер между бункерами для концентрата и хвостов. Эти промежуточные продукты обычно состоят из частично высвободившихся частиц, содержащих как магнитные, так и немагнитные компоненты. Поскольку измельчение руд стоит дорого, часто экономически выгодно сначала обрабатывать руду с помощью сухого барабанного сепаратора и повторно измельчать промежуточную фракцию перед повторной магнитной обработкой.

Сухие барабанные сепараторы используются для обработки частиц размером до 100 микрон. Производительность этих сепараторов при производстве концентратов сильно зависит от содержания влаги в исходной руде. Если содержание влаги высокое, мелкие частицы могут прилипать к более крупным частицам, что приводит к менее полному разделению. Поскольку немагнитный барабан на рис. 1 вращается вокруг неподвижных полюсов магнитов внутри барабана, можно видеть, что магнитная частица испытывает силу различной величины, когда она движется по поверхности барабана. Это изменение силы магнитного поля может вызвать кувыркательное движение захваченных частиц, что способствует их отделению от нежелательных немагнитных частиц. Инверсия магнитного поля между магнитными полюсами также приводит к вращению частиц с оставшимися моментами. Удельное движение частицы сильно зависит от размера частицы.

Существует три основных типа мокрых барабанных сепараторов (рис. 4). Это (i) одновременные, (ii) противоточные и (iii) противоточные типы. Магниты в барабанах аналогичны магнитам, показанным на рис. 3, и охватывают ту же дугу, что и стрелки, указывающие вращение. В параллельном барабанном магнитном сепараторе исходная пульпа проходит через желоб в том же направлении, что и вращение барабана. Магнитные частицы притягиваются к вращающейся поверхности немагнитного барабана стационарными магнитами внутри барабана. Немагнитные частицы опускаются в самую нижнюю точку желоба и удаляются в виде хвостов. Магнитный концентрат переносится вращающимся барабаном вверх по водосливу вправо. Этот тип сепаратора производит высококачественный концентрат для частиц диаметром порядка нескольких миллиметров. Разделение происходит относительно чисто, поскольку на магнитные частицы действуют конкурирующие силы магнитного и гидродинамического сопротивления по всей периферии барабана. Эта очистка происходит даже несмотря на то, что изменение силы из-за чередующихся полюсов внутри барабана не приводит к такой же степени движения частиц на барабане, как это наблюдается в сухом сепараторе, где силы вязкости пульпы отсутствуют. Поскольку сепаратор с параллельным резервуаром часто образует хвосты, в которых остается относительно большое количество магнитного материала, хвосты часто перерабатываются в барабанном сепараторе, вращающемся в противоположных направлениях.

Сепаратор встречного вращения показан на рис. 4. Корм ​​проходит через желоб против направления вращения барабана. Магнитные частицы захватываются поверхностью барабана и уносятся вверх влево. Этот сепаратор обеспечивает высокое извлечение, но, как правило, концентрата низкого качества, поскольку большая часть магнитных частиц захватывается в короткой части барабана, и у материала захваченных частиц мало возможностей для высвобождения увлеченных немагнитных частиц. Высокое извлечение также является результатом возможности захвата частиц дальше по потоку барабаном и их переноса обратно в виде концентрата. Такой сепаратор обычно обрабатывает частицы размером до 100 микрон. Из-за своей способности улавливать магнитные частицы, которые не уносятся сразу, этот сепаратор имеет большую производительность, чем сепаратор параллельного типа.

Третий тип магнитного мокрого барабанного сепаратора, противоточный барабан, часто используется в качестве чистового сепаратора, поскольку он производит чрезвычайно чистый концентрат с хорошим извлечением частиц размером до 70 микрон. Этот сепаратор сохраняет некоторые черты как параллельного, так и противоположного типа. Этот сепаратор показан на рис. 4 как тандемный сепаратор с 3 барабанами. В этом сепараторе сырье вводится примерно посередине магнитной секции барабана. Поток подаваемой пульпы противоположен направлению вращения барабана, в то время как уносимые частицы движутся в том же направлении. Эти унесенные частицы промываются водой, подаваемой с левой стороны резервуара. Очищенный концентрат переливается влево.

Общим для всех мокрых барабанных сепараторов является перелив концентрата пульпы в конце резервуара. Это желательно для предотвращения втягивания магнитных частиц через границу раздела воздух-вода и связанной с этим потери магнитных частиц. В некоторых сепараторах, в которых требуется обезвоженный концентрат, магнитные частицы поднимаются над поверхностью шлама и соскребаются с барабана. В этих случаях суспензию необходимо рециркулировать для восстановления потерянных магнитных частиц.

Однако основной конкурирующей силой в мокром барабанном сепараторе является сила гидродинамического сопротивления. Это происходит из-за относительной скорости взвеси или промывочной воды, которая проходит мимо увлеченной частицы. В параллельном сепараторе эта скорость близка к окружной скорости, тогда как в сепараторе с противоположным вращением эти скорости складываются. Как правило, периферийные скорости барабана значительно выше, чем скорости пульпы. В дополнение к своему влиянию на относительную скорость сопротивления скорость барабана также влияет на производительность барабанного сепаратора. Более низкая скорость приводит к снижению производительности, а более высокая скорость уменьшает восстановление из-за более высоких скоростей сопротивления и приводит к большему износу поверхности барабана.

Некоторые из магнитных сепараторов называются сепараторами высокой интенсивности. Обычно это обозначает сепараторы обычной конструкции, в которых используются магниты большей силы, чем обычно. Они создают магнитные поля высокой интенсивности и способны удалять частицы, которые не реагируют на магнитный сепаратор низкой интенсивности.

Рис. 4. Типы магнитных барабанных сепараторов

Высокоградиентные разделители –

Было разработано несколько типов магнитных сепараторов с высоким градиентом, основанных на том факте, что высокие градиенты магнитного поля могут создавать большие магнитные силы. Эти сепараторы также называются сепараторами с «индуцированными полюсами», потому что градиенты поля создаются путем приложения относительно однородного фонового магнитного поля к ферромагнитной структуре (решетки, экраны, рифленые пластины или стальная шерсть) и индуцирования магнитных полюсов вдоль правильно ориентированных краев. Поскольку большие градиенты магнитного поля обычно могут существовать только в небольших объемах, эти сепараторы предназначены для отделения мелких магнитных частиц. Создание высоких градиентов и больших магнитных сил на площади поверхности, достаточно большой, чтобы улавливать практическое количество частиц, является серьезной проблемой. Иглы с осями, параллельными приложенному полю, создают высокие градиенты в относительно слабых полях, но доступная улавливающая поверхность очень ограничена. Напротив, нити, намагниченные перпендикулярно их длинной оси, имеют большой коэффициент размагничивания, но гораздо большую площадь поверхности.