Магнитное разделение и обогащение железных руд: передовые техники для эффективной концентрации железа

Магнитное разделение и обогащение железных руд

Магнитное разделение — старый метод концентрации железных руд и удаления постороннего железа. С 1849 года в США выдано ряд патентов на магнитное разделение, и тексты некоторых патентов до 1910 года описывают различные магнитные сепараторы для минеральной обработки.

Методы магнитного разделения используют разницу в магнитных свойствах для разделения железной руды от немагнитных сопровождающих горных пород. Магнитное разделение можно проводить как в сухой, так и во влажной среде, хотя влажные системы применяются чаще.

Магнитное разделение — физическое разделение дискретных частиц на основе трехсторонней конкуренции между трактивными силами: (i) магнитными, (ii) гравитационными, гидродинамическими, трением или инерциальными силами, и (iii) силами межчастичного притяжения или отталкивания. Эти силы комбинированно дифференциально действуют на частицы с разными магнитными свойствами в загрузочном материале. Рис. 1 показывает принцип магнитного разделения.

Рис. 1 Принцип магнитного разделения

Силы в магнитных сепараторах, конкурирующие с магнитными и действующие на все частицы, проходящие через сепаратор — это гравитация, гидродинамическое сопротивление, трение и инерция. В зависимости от типа магнитного сепаратора некоторые из этих сил могут иметь большее или меньшее значение.

Гравитационная сила значима для крупных частиц, тогда как гидродинамическая сила сопротивления значима для мелких частиц. Таким образом, в магнитном сепараторе, обрабатывающем крупные частицы в сухом виде, загрузочный материал проходит под действием силы тяжести. Магнитные силы должны быть достаточны, чтобы удерживать магнитную частицу против конкурирующей силы гравитации. Во влажном сепараторе для мелких частиц магнитная сила должна быть больше гидродинамической силы сопротивления, приложенной потоком суспензии к застрявшим частицам.

Конкуренция сил и эффективность разделения

Конкуренция между магнитной силой и конкурирующими силами в магнитном сепараторе определяет вероятность захвата или восстановления магнитной частицы. Межчастичные силы, те, что между магнитными и немагнитными частицами, определяют концентрацию продуктов магнитного разделения. Если сила между частицами больше магнитных и конкурирующих сил, то многие немагнитные частицы, вероятно, будут захвачены вместе с магнитными. Наоборот, многие магнитные частицы могут быть унесены вместе с немагнитными и не будут захвачены.

Для достижения высокого восстановления магнитных частиц магнитная разделяющая сила должна быть больше суммы конкурирующих сил. Если же магнитная сила намного больше конкурирующей, селективность разделения плоха, так как не делается различия между различными намагничиваемыми частицами. Селективность процесса критически определяется относительными значениями магнитных и конкурирующих сил, которые влияют правильный выбор сепаратора и его рабочих параметров.

Рабочие магнитные, конкурирующие и межчастичные силы определяют производительность сепаратора. Эти силы зависят от природы загрузки для разделения и характеристик магнитного сепаратора. Природа загрузки включает её размер и физические свойства, влияющие на различные задействованные силы. Характеристики магнитного сепаратора включают дизайн и его переменные параметры, особенно магнитное поле и скорость процесса. Существует общая связь между этими параметрами. Также магнитная сила в сепараторе может быть максимизирована путем согласования градиента магнитного поля с размером частицы.

Магнитный сепаратор разделяет загрузочный материал железной руды на два или более компонента. Если цель — получить магнитный концентрат железной руды, то другой компонент, немагнитный, — хвосты. В некоторых случаях также возможно разделение слабо магнитного третьего компонента, называемого миддингами. Каждый из этих материальных потоков должен транспортироваться в, через или из сепаратора.

Магнитные и конкурирующие гравитационные, трения, гидродинамические или инерциальные силы стремятся разделить частицы, в то время как притягательные межчастичные силы стремятся снизить степень разделения. В любой реальной ситуации для разделения магнитные и немагнитные частицы обычно находятся и в хвостах, или в миддингах, и только в предельном случае полное магнитное разделение возможно. Эффективность магнитного разделения обычно выражается как восстановлением (отношением магнитного материала в концентрате к тому в загрузке), так и качеством (долей магнитного материала в концентрате). Это две обычно используемые независимые меры эффективности магнитного сепаратора. Эти меры зависят от относительной величины трактивных магнитных сил, гравитационных, гидродинамических, трения или инерциальных сил, и притягательных или отталкивающих межчастичных сил.

В магнитном разделении, хотя условия эффективного разделения четко определены, есть сложность, так как относительная важность сил определяется преимущественно размером частицы. Это в основном потому, что конкурирующие силы зависят от размера частицы. В сухом магнитном разделении сила сопротивления обычно имеет пренебрежимое влияние на размер частицы и поэтому, как правило, не существенно влияет на эффективность разделения. Наоборот, размер частицы имеет значительную зависимость от магнитной силы и гравитационной силы при сухом магнитном разделении. С другой стороны, во влажном разделении, где сила гидродинамического сопротивления может быть важной, селективность разделения значительно влияет распределение размера частиц. С уменьшением размера частицы относительная важность гидродинамического сопротивления увеличивается по сравнению с магнитной силой.

В дизайне магнитного сепаратора необходимо, чтобы помимо поля, также обеспечивался градиент в силе поля для усиления движения частиц в желаемых направлениях. В поле равномерного магнитного потока магнитные частицы сходятся в потоке и ориентируются так, что есть концентрация в его теле, но она не движется. С другой стороны, создавая сходящееся поле, возникает результирующее тяготение частиц к области более высокого потока.

Магнитное поле и градиент поля, действующие на частицы во всех магнитных сепараторах, могут быть произведены различными способами и приводят к широко различающимся геометриям и силам полей. В некоторых случаях постоянные магниты производят поля напрямую, в других — катушки и железные магнитные цепи используются для намагничивания ферромагнитной структуры, градиенты поля которой притягивают магнитные частицы.

Существует различные типы магнитных сепараторов, разработанные для обеспечения требуемого магнитного поля на основе руд для обогащения вместе с другими критериями. Магнитные сепараторы широко делятся на две группы: (i) низкой интенсивности, и (ii) высокой интенсивности. Обе группы могут быть как влажного, так и сухого типа. Некоторые типы магнитных сепараторов в обычном использовании: (i) влажные и сухие сепараторы низкой интенсивности (LIMS), (ii) сепараторы высокого градиента (HGMS), (iii) влажные сепараторы высокой интенсивности (WHIMS), (iv) рулонные магнитные сепараторы для обработки слабомагнитных руд, и (v) индукционно-рулонное магнитное разделение (IRMS) для концентрации сухих руд. Магнитное поле обычно генерируется одним из нескольких способов: (i) постоянный магнит, (ii) электромагнит с железным ярмом, (iii) соленоид и (iv) сверхпроводящий магнит.

Операции магнитного разделения часто делятся на низкую или высокую интенсивность. Сепараторы низкой интенсивности используют магнитные поля 0,1–0,3 Тл. Методы низкой интенсивности обычно применяются к магнетитовой руде как недорогой и эффективный метод разделения. Сепараторы высокой интенсивности используют поля до 1–2 Тл. Этот метод используется для разделения слабомагнитных железных руд, таких как гематит, от немагнитных или слабомагнитных горных пород. Другие важные факторы для определения типа системы магнитного разделения включают размер частиц и твердое содержание рудной суспензии.

Магнитные сепараторы обычно группируются как сухие/влажные сепараторы низкой интенсивности, сухие/влажные сепараторы высокой интенсивности и сепараторы высокого градиента. Группировки на основе интенсивности магнитного поля показаны на рис. 2. Кроме того, есть несколько сепараторов, которые также относятся к группе сухой высокой интенсивности, такие как постоянный рулонный магнитный сепаратор, изодинамический сепаратор, сепаратор с открытым градиентом, вибрирующий сепаратор/фильтр высокого градиента, сверхпроводящий сепаратор высокого градиента. Сухие сепараторы высокой интенсивности имеют более высокую силу магнитного поля, сообщаемую либо постоянным магнитом, либо через индуцированное магнитное поле для разделения частиц на основе их магнитной восприимчивости.

Рис. 2 Группировки магнитных сепараторов по интенсивности магнитного поля

Принципы разделения барабанных и высокоинтенсивных сепараторов

Хотя существует несколько группировок магнитных сепараторов, здесь описаны принципы разделения двух типов сепараторов (барабанный и высокоинтенсивный). Барабанный сепаратор представляет собой обычный сепаратор низкого градиента. В таком сепараторе (рис. 3) сухая загрузка вводится в верх вращающегося барабана. Рудные частицы несут вниз по барабану комбинированным действием гравитационных и сил трения, передающих вращение барабана к частицам. Магнитные силы, производимые неподвижными магнитами внутри барабана, удерживают более магнитные частицы против вращающегося барабана. Эти частицы откладываются справа, когда барабан проходит мимо конца магнитов. Немагнитные частицы свободно падают с барабана слева. Такой сепаратор может использовать постоянные магниты или электромагниты. Подобные магнитные сепараторы широко используются для обогащения магнетитосодержащих железных руд.

Рис. 3 Пример двух типов магнитных сепараторов

Рис. 3 также показывает схемное представление высокоинтенсивного магнитного сепаратора. В этом сепараторе высокого градиента используется магнит, предназначенный для создания сильного регулируемого поля в объеме контейнера. Этот объем заполнен матрицей нитевидного ферромагнитного материала. Сильные магнитные силы, производимые высокими градиентами поля на краях нитей, эффективны в захвате очень мелких (менее 100 мкм) частиц даже слабомагнитных веществ. Нити выбираются для согласования с размером загрузочных частиц для оптимизации магнитных сил. Железная руда в жидкости (обычно воде) в виде суспензии пропускается вниз через контейнер. Жидкость 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 концентрации или удаления мелких магнитных частиц при обработке железной руды для пеллетного корма.

Магнитные сепараторы являются неотъемлемой частью систем обогащения низкокачественных железных руд. Обжиг низкокачественных железных руд для увеличения их намагниченности (превращение гематита в магнетит) расширяет применимость обычных магнитных сепараторов. Магнитные сепараторы также используются в некоторых приложениях по переработке железа.

Типы магнитных сепараторов

Существует несколько типов магнитных сепараторов, используемых для обогащения железных руд. Наиболее распространенные — сухие и влажные барабанные сепараторы для обогащения железных руд. Индукционно-рулонные сепараторы используются для обработки слабомагнитных железных руд, в то время как втулочные сепараторы чаще всего используются для удаления постороннего железа из различных загрузок. Эти сепараторы используют постоянные магниты или электромагниты и работают в непрерывном режиме. Барабанные сепараторы и сепараторы высокого градиента описаны ниже подробнее.

Барабанные сепараторы

Барабанные сепараторы многих типов, пожалуй, самый распространенный тип магнитного сепаратора. К ним относятся втулочные, сухие барабанные, влажные барабанные, и индукционные сопутствующие, контрвращающиеся и контртекущие рулонные сепараторы.

Сухие барабанные, индукционно-рулонные и втулочные сепараторы работают аналогично сепаратору, показанному на рис. 3 и описанному ранее. Сухая загрузка выбрасывается с одной или другой стороны барабана или втулки в зависимости от относительной величины магнитных, центробежных или гравитационных сил, действующих на частицу. С этими типами сепараторов возможно восстановление миддинговой фракции. Частицы миддингов слабее притягиваются магнитной силой, чем частицы концентрата, и поэтому заставляются падать в бункер между бункерами концентрата и хвостов. Миддинги обычно состоят из частично освобожденных частиц, содержащих магнитные и немагнитные компоненты. Поскольку измельчение руд дорого, часто экономически привлекательно сначала обработать руду сухим барабанным сепаратором и перемелить миддинговую фракцию перед повторным магнитным обогащением.

Сухие барабанные сепараторы используются для обработки частиц размером до 100 мкм. Их эффективность в производстве концентратов сильно зависит от влажности загрузочной руды. Если влажность высока, мелкие частицы могут прилипать к крупным, приводя к менее полному разделению. Поскольку немагнитный барабан на рис. 1 вращается мимо неподвижных полюсов магнитов внутри барабана, видно, что магнитная частица испытывает силу переменной величины, пока ездит на поверхности барабана. Эта вариация силы магнитного поля может производить качковое движение захваченных частиц, помогая их разделению от нежелательных немагнитных частиц. Переворот магнитного поля между магнитными полюсами также приводит к вращению частиц с остаточными моментами. Специфическое движение частицы сильно зависит от размера частицы.

Существует три основных типа влажных барабанных сепараторов (рис. 4). Это: (i) сопутствующие, (ii) контрвращающиеся, и (iii) контртекущие типы. Магниты в барабанах как те, что показаны на рис. 3, и охватывают примерно ту же дугу, что и стрелки, указывающие вращение. В сопутствующем барабанном магнитном сепараторе загрузочная пульпа проходит через желоб в том же направлении, что и вращение барабана. Магнитные частицы притягиваются к вращающейся поверхности немагнитного барабана неподвижными магнитами внутри барабана. Немагнитные частицы тонут в самой низкой точке желоба и сбрасываются как хвосты. Магнитный концентрат уносится вращающимся барабаном через перелив справа. Этот тип сепаратора производит концентрат высокого качества для частиц порядка нескольких миллиметров в диаметре. Разделение относительно чистое, так как магнитные частицы влияют конкурирующими магнитными и гидродинамическими силами сопротивления по всей периферии барабана. Эта очистка происходит, хотя вариация силы из-за чередующихся полюсов внутри барабана не производит той же степени движения частиц на барабане, как в сухом сепараторе, где вязкие силы суспензии отсутствуют. Поскольку сопутствующий желобный сепаратор часто производит хвосты, в которых остается относительно много магнитного материала, хвосты часто перерабатываются в контрвращающемся барабанном сепараторе.

Контрвращающийся сепаратор показан на рис. 4. Загрузка проходит через желоб в направлении, противоположном вращению барабана. Магнитные частицы подхватываются поверхностью барабана и уносятся вверх влево. Этот сепаратор дает высокое восстановление, но обычно низкого качества концентрата, так как большинство магнитных частиц захватывается на коротком участке барабана и мало возможностей для застрявших частиц освободитьзахваченные немагнитные частицы. Высокое восстановление также результатом возможности частиц быть подхваченными дальше по течению барабаном и уносимыми обратно как концентрат. Такой сепаратор обычно обрабатывает частицы до 100 мкм. Благодаря способности подхватывать магнитные частицы, не сразу захваченные, этот сепаратор имеет большую производительность, чем сопутствующий тип.

Третий тип влажного барабанного сепаратора, контртекущий барабан, часто используется как финишный сепаратор, потому что он производит экстремально чистый концентрат с хорошим восстановлением для частиц до около 70 мкм. Этот сепаратор сохраняет некоторые черты сопутствующего и контрвращающегося типов. Показан на рис. 4 как 3-барабанный тандемный сепаратор. В этом сепараторе загрузка вводится примерно в середине магнитного участка барабана. Поток загрузочной пульпы идет в направлении, противоположном вращению барабана, в то время как увлеченные частицы движутся в том же направлении. Эти увлеченные частицы промываются водой, вводимой слева от бака. Очищенный концентрат переливается влево.

Черта, общая для всех влажных барабанных сепараторов — перелив концентратной пульпы в конце бака. Это желательно для предотвращения вытягивания магнитных частиц через воздушно-водный интерфейс и потери магнитных частиц. В некоторых сепараторах, где требуется обезвоженный концентрат, магнитные частицы поднимаются над поверхностью пульпы и соскребаются с барабана. В этих случаях пульпа должна рециркулироваться для восстановления потерянных магнитных частиц.

Основная конкурирующая сила во влажном барабанном сепараторе — сила гидродинамического сопротивления. Она результатом относительной скорости суспензии или промывочной воды, проходящей мимо увлеченной частицы. В сопутствующем сепараторе эта скорость около периферийной скорости, а в контрвращающемся — скорости складываются. В общем, периферийные скорости барабана значительно выше скоростей суспензии. Помимо влияния на относительную скорость сопротивления, скорость барабана также влияет на производительность барабанного сепаратора. Более низкая скорость приводит к сниженной производительности, в то время как более высокая снижает восстановление из-за более высоких скоростей сопротивления и приводит к большему износу поверхности барабана.

Некоторые магнитные сепараторы называются высокоинтенсивными. Это обычно обозначает сепараторы обычного дизайна с магнитами большей силы, чем обычно. Они развивают высокоинтенсивные магнитные поля и способны удалять частицы, не реагирующие на сепаратор низкой интенсивности.

Рис. 4 Типы магнитных барабанных сепараторов

Сепараторы высокого градиента

Несколько типов сепараторов высокого градиента разработаны на основе факта, что высокие градиенты магнитного поля могут производить большие магнитные силы. Эти сепараторы также называются «индуцированными полюсными» сепараторами, потому что градиенты поля производятся применением относительно равномерного фонового магнитного поля к ферромагнитной структуре (решетки, экраны, канавчатые пластины или стальная шерсть) и индуцированием магнитных полюсов вдоль правильно ориентированных краев. Поскольку большие градиенты магнитного поля обычно могут существовать только в малых объемах, эти сепараторы предназначены для разделения малых магнитных частиц. Создание высоких градиентов и больших магнитных сил на площади поверхности, достаточно большой для захвата практического числа частиц — главная проблема. Иглы с осями, параллельными приложенному полю, производят высокие градиенты в относительно слабых полях, но доступная площадь захвата очень ограничена. Напротив, нити, намагниченные перпендикулярно своей длинной оси, имеют большой демагнитизирующий фактор, но гораздо большую площадь поверхности.