CC BY
218
УДК 621.317.7
Мязин
Виктор Петрович
Victor Myazin
Дядин Валерий Иванович
Valeri Dyadin
Латкин
Александр Сергеевич
Alexander Latkin
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ СЕПАРАТОР ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕЛКИХ КЛАССОВ
ЗОЛОТА ИЗ МЕТАЛЛОНОСНЫХ ПЕСКОВ
THE ELECTRODYNAMIC SEPARATOR WITH THE PULSE RUNNING MAGNETIC FIELD FOR RECOVERY OF SMALL GOLD GRADES FROM METAL-BEARING SANDS
Разработана конструкция электродинамического сепаратора с импульсным бегущим магнитным полем. Экспериментальные исследования показали, что использование генераторов импульсного напряжения (ГИН) позволяет отказаться от разработки и изготовления сложных специальных высокочастотных источников, применяемых для сепараторов непрерывной генерации бегущего магнитного поля; по сравнению с источниками непрерывной генерации применение (ГИН) позволяет значительно снизить энергопотребление и обеспечить извлечение тонких фракций металла на порядок выше, чем при гравитационных способах обогащения
The design of an electrodynamic separator with a pulse miming magnetic field is developed. Experimental research has shown that application of generators of pulse pressure (GPP) allows to abandon designing and manufacturing of difficult special high-frequency sources applied in separators of continuous generation of the running magnetic field; in comparison with sources of continuous generation application of GPP allows to lower power consumption considerably and to provide extraction of thin fractions of metal a sequence higher than at application of gravitational concentration methods
Ключевые слова: импульсное бегущее магнитное Key words: pulse running magnetic field, concentration, поле, обогащение, сепаратор, дисперсные частицы, separator, disperse particles, magnetic separation магнитная сепарация
В последние годы стало общепри- добыче золота из российских россыпных ме-
знанным, что при гравитационной сторождений потери достигают ~ 50 %, и ос-
новные приходятся на классы крупности -0,25...0,01 мм [1]. Эти классы крупности в золотодобыче оказались «вне зон действия» как гравитационных способов, так и гидрометаллургии. Для гравитации металл слишком мелок и легок и уносится водой, а для гидрометаллургии - слишком крупен и плотен и не растворяется полностью [5, 9]. Низка эффективность извлечения плоского золота, которое, несмотря на формальную принадлежность к более крупным классам крупности, гравитационными аппаратами также улавливается плохо. Другие методы, такие как флотация, амальгамация, магнитные методы для переработки россыпных месторождений золота, не используются вовсе или используются редко. Флотация не используется из-за низкой экономической эффективности при переработке россыпей с большим содержанием глинистых и проблем с нейтрализацией и утилизацией токсичных отходов. Амальгамация запрещена из-за вредного воздействия ртути на организм человека. Из магнитных способов в золотодобыче применяется разновидность полиградиентной сепарации - магнито-флокуляционная сепарация (МФ) [8, 6] и магнитогидродинамическая сепарация (МГД) [7]. Но широкого распространения эти методы в обогащении золотосодержащих песков не получили. Использование МФ - сепарации возможно лишь для переработки месторождений, в которых значительная часть мелкого золота связана с минералами железа и обладает ферромагнитными свойствами [4]. МГД - сепарация, несмотря на универсальность, малопроизводительна. Необходимость нейтрализации и утилизации отравленного, отработанного электролита также не способствует популярности этого способа.
В россыпях любого генезиса частицы свободного металла отличаются от частиц вмещающих пород своей более высокой электропроводностью. При воздействии на такую дисперсную смесь переменным магнитным полем, согласно закону электромагнитной индукции, во всех частицах смеси индуцируются вихревые токи. В частицах металла, имеющих
высокую электропроводность, вихревые токи оказываются значительно больше. В результате частицы металла взаимодействуют с внешним магнитным полем как идеальные диамагнетики и выталкиваются в пространство с меньшей напряженностью поля. Эти явления и свойства вещества лежат в основе электродинамического способа обогащения.
В современных электродинамических сепараторах рабочее магнитное поле создается либо движущимися постоянными магнитами [3], либо электромагнитами, питающимися от сети переменного тока [10]. Получаемые таким образом поля позволяют надежно выделять лишь сравнительно крупные (более 1 мм) частицы. Для выделения субмиллиметровых частиц магнитодвижущая сила в рабочем пространстве этих сепараторов недостаточна.
Металлическая частица изменяет траекторию движения только тогда, когда сумма внешних сил становится больше суммы сил, удерживающих её внутри потока частиц вмещающих пород. Одномерный вариант силы, действующей на минеральную частицу в рабочем объеме электродинамического сепаратора, удобно оценить по формуле [2]:
Б=-1 • р • Я4 а • Н(Ч,х) 8
ЭБ(?, х) дБ(?, х) Э? Эх
(1)
где Я - радиус металлической частицы;
о - проводимость частицы;
Н - напряженность магнитного поля,
В - индукция поля в материале частицы.
Из формулы видно, что в изменяющемся поле сила определяется скоростью изменения во времени и пространстве модуля вектора напряженности магнитного поля. Чтобы получить силу, достаточную для извлечения частицы металла из потока непроводящих частиц, нужно, чтобы магнитное поле было большим по амплитуде и быстро изменялось во времени и пространстве.
Сила, действующую на металлическую частицу со стороны переменного магнитного поля, связана с глубиной скин-слоя - фактически с размером вихревого тока в материале
проводника. Вихревые токи, возникающие в проводящих частицах, направлены так, что препятствуют проникновению поля внутрь частицы. Если размер частицы оказывается больше глубины скин-слоя в материале частицы, то вихревой ток своим магнитным полем экранирует внешнее поле. Внутри пространства, занимаемого частицей, и за ней магнитное поле отсутствует, и частица начинает двигаться благодаря возникшему градиенту магнитного поля. Если же глубина скин-слоя больше самой частицы, то в пространстве, занятом частицей, и в её окрестностях напряженность магнитного поля меняется слабо, и сила, действующая на частицу, оказывается недостаточной, чтобы сдвинуть её с места. В промышленных электрофизических аппаратах выходной сигнал чаще всего имеет форму непрерывной синусоиды, поэтому и глубину скин-слоя связывают с частотой изменения магнитного поля соотношением
I = ,1-^-' (2)
где то = 4Ж-10-7 Гн/м - магнитная постоянная; ш - циклическая частота колебаний поля; р - удельная проводимость материала частицы.
Глубина скин-слоя в 1 мм в частицах золота для синусоидального магнитного поля получается при частоте колебаний ы ~ 20 кГц. Чтобы уменьшить величину скин-слоя в десять раз и иметь возможность извлекать частицы ~ 0,1 мм, необходимо увеличить частоту колебаний поля в 100 раз [11]. Теоретически все просто. Однако непрерывный режим генерации высокочастотных магнитных полей большой напряженности связан с большим расходом энергии. Поэтому создание источников питания и рабочих узлов для электродинамических сепараторов, которые могли бы извлекать частицы металла крупностью менее 0,25 мм, является сложной технической задачей.
Выйти из положения можно, воспользовавшись свойствами импульсных магнитных полей. Применение генераторов импульсных
напряжений (ГИН-ов) в качестве источников для создания магнитного поля позволяет при малых затратах энергии получать в рабочем объеме сепараторов магнитные поля, принципиально недостижимые для систем непрерывной генерации. Движение проводящих частиц в импульсном магнитном поле более сложно, чем движение таких же частиц в поле постоянных магнитов и электромагнитов. При воздействии на частицу одиночного униполярного импульса одновременно происходит изменение многих параметров, характеризующих как частицу, так и окружающее её пространство. В результате воздействия импульса магнитного поля в частице возникает вихревой ток, величина и направление которого меняются вместе с изменением величины и направления магнитного поля. Это приводит к изменению магнитных свойств частицы - у неё появляется магнитный момент, и частица начинает взаимодействовать с внешним магнитным полем. Причем, все параметры взаимодействия меняются вместе с изменением параметров внешнего магнитного поля. В фазе нарастания мощного импульса магнитного поля даже малые частицы металла ускоряются и приобретают скорость, вполне достаточную для сепарации. Но в фазе спада внешнего поля к концу импульса скорость частицы снижается до нуля, т.к. при смене знака производной поля направление магнитного момента частицы также меняет знак, и ускоренная на переднем фронте импульса частица тормозится его задним фронтом. В коротком импульсе за время фазы нарастания частица не успевает сместиться в пространство, где поле слабое, так, чтобы в фазе спада поле уже не возвращало её в исходную точку. По окончании короткого импульса у частицы остается лишь очень небольшая скорость, обусловленная начальной скоростью и очень небольшим смещением частицы за время нарастания импульса, недостаточная для отделения её из общего потока частиц. Использование асимметричного импульса магнитного поля также не приводит к принципиальному изменению характера движения
частицы, поскольку за время нарастания поля частица не успевает изменить свое положение, сдвинувшись в область слабого поля. Она тормозится практически до нулевой скорости даже медленно спадающим, но длительным задним фронтом поля. Увеличение частоты следования импульсов также не приводит к увеличению скорости частицы.
Одним из решений проблемы могло бы стать значительное увеличение длительности импульса магнитного поля, но тогда значительно увеличится и расход энергии на генерацию импульса и потери в проводниках.
Одиночный униполярный импульс магнитного поля в фазе нарастания выталкивает металлическую частицу в пространство с меньшей напряженностью поля. А в фазе спада поле возвращает частицу обратно к исходной точке пространства. Это видно из анализа изменения направления вектора силы, действующей на частицу в поле униполярного импульса: в фазе нарастания импульса напряженность и градиент магнитного поля имеют одинаковые знаки, и частица выталкивается полем. В фазе спада у напряженности поля знак остается прежним (ток уменьшается, но остается положительным), а градиент меняет знак на противоположный. В результате сила меняет направление и возвращает частицу обратно.
Чтобы получить разделение, необходимо создать «бегущее поле», воздействуя на частицу группой следующих друг за другом через определенный промежуток времени импульсов - цугом импульсов магнитного поля. Промежуток времени между последующими импульсами внутри цуга (сдвиг по фазе) необходимо подобрать так, чтобы поле толкало проводящую частицу только в одном направлении, оставляя непроводящие частицы на месте. Так можно получить пространственное разделение проводящих и непроводящих частиц, независимо от их магнитных свойств.
В ИСЭ СО РАН совместно с Томским университетом и НИГТЦ ДВО РАН в 2007 г. в рамках Государственного контракта № 02.515.11.5003 был разработан и изготовлен
макет электродинамического сепаратора с импульсным бегущим магнитным полем. Макет включает источник питания с общим зарядным устройством и блоком управления, два емкостных накопителя с ключами-прерывателями -ГИН-а, рабочий орган и емкости для материала. Работа ГИН-ов синхронизирована так, что в каждой из катушек индуктора генерируются импульсы магнитного поля, смещенные друг относительно друга на время, оптимальное для процесса сепарации. Таким образом, из двух импульсов образуются цуги мощного магнитного поля, под воздействием которых частица разгоняется только в одном направлении. Частоту следования цугов можно менять и делать оптимальной для процесса обогащения. Применение ГИН-ов в качестве источников бегущего магнитного поля позволило получить в рабочем пространстве сепаратора силовой режим обогащения, достаточный для извлечения частиц немагнитных металлов размером менее 0,1 мм.
Рабочий орган сепаратора представляет собой сложный индуктор, состоящий из двух соосных бескаркасных цилиндрических катушек, навитых медной шиной «на ребро». Меж-витковая изоляция - слюда (мусковит). Направление токов - встречное, такое, что совокупное магнитное поле направлено вовнутрь, к оси катушек. Катушки отделены друг от друга дистанционной шайбой и стянуты фланцами с помощью стяжных шпилек. Рабочей зоной индуктора является пространство между катушками, непосредственно прилегающее к внутренней цилиндрической поверхности дистанционной шайбы.
На индукторе закреплены загрузочная емкость с конусным питателем-распределителем, регулирующим подачу исходного материала, круговой щелевой дозатор для равномерной подачи материала в рабочее пространство. Щель дозатора выведена на внутреннюю цилиндрическую поверхность индуктора со сходом у верхней кромки рабочей зоны. У нижней кромки рабочей зоны индуктора установлен цилиндрический отсекатель, отделяющий извлеченный материал.
Рис. 1. Компоновка рабочего органа сепаратора:
1 - исходный материал; 2 - поток частиц исходного материала; 3 - частицы проводящего компонента, вытолкнутые импульсом магнитного поля; 4 - емкость для извлеченного проводящего компонента; 5 - стяжная шпилька; 6 - дистанционная шайба; 7 - токоввод; 8 - отсекатель; 9 -конусный распределитель; 10 - емкость для охлаждающей жидкости; 11 - индуктор; 12 - щель дозатора
Классифицированный с отделенной магнитной фракцией исходный материал подается равномерным потоком сверху на конусный питатель - дозатор и через щель попадает в рабочее пространство под воздействие импульсов магнитного поля. В результате взаимодействия с импульсным бегущим магнитным полем проводящие частицы выталкиваются магнитным полем к центру индуктора и попадают за кромку отсекателя в емкость для сбора материала. Непроводящий материал практически не взаимодействует с магнитным полем и падает в щель между внутренней поверхностью индуктора и отсекателем. Таким образом, происходит пространственное разделение компонентов исходного материала.
Эксперименты проводились на искусст-
венных и природных материалах. Для экспериментов с искусственными смесями готовились навески дисперсного материала, которые состояли из кварцевого песка, опилок меди, латуни и алюминия. Содержание металлической фракции в смеси составляло 6 % от массы песка, по 2 % на каждый металл. Частицы металла имели разный размер - 0,5...0,1 мм, и перед внесением в смесь был сделан подсчет их количества. Песок взят неклассифицированный с размером зерен 0,5...0,1 мм. Лучше всего из магнитного поля выталкиваются частицы алюминия, т.к. они отлетают дальше, чем медь и латунь. Слабее всех выталкиваются латунные частицы. Это понятно: алюминий имеет проводимость лишь ненамного меньше, чем медь, но плотность в три раза меньше. В
результате воздействия одинаковой силы равные по размеру частицы получают ускорение тем большее, чем меньше их масса. Масса меньше у алюминиевой частицы, потому она летит дальше.
Среди выловленных частиц металла представлены все размеры, но большую часть составляют частицы класса 0,5 - 0,25. Результаты эксперимента представлены на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость степени извлечения частиц алюминия ■ , меди ! и латуни х от их размеров д
Искусственные смеси всегда проще природных песков. А новые приборы, хорошо разделяющие искусственные смеси, часто оказываются совершенно беспомощными при попытках разделения естественных песков или диспергированных руд. Поэтому на установке было произведено разделение титаномагнети-товых пеков халактырской пляжной россыпи. Песок также не был классифицирован, а лишь высушен и просеян, чтобы убрать крупные камни и посторонние включения. В навеске содержались частицы размером 1.0,1 мм. Оказалось, что титаномагнетитовый песок также выталкивается из магнитного поля, причем при однократном пропускании песка через аппарат было извлечено более 90 % титаномаг-нетита.
Выводы
1. Разработаны и изготовлены экспериментальная лабораторная и укрупнённая установка по разделению искусственных и природных дисперсных смесей с помощью импульсного бегущего магнитного поля. Эксперименты показали принципиальную возможность создания установок электродинамического обогащения дисперсных смесей, содержащих благородные металлы.
2. Приведены результаты исследования воздействия импульсного бегущего магнитного поля на образцы разных размеров из немагнитных металлов.
3. Установлено, что главными факторами, определяющими процесс разделения дисперсных смесей, являются величина произведения индукции и скорости изменения магнитного поля.
______________________________Литература
1. Богданович А.В. Современное оборудование и технологии высокоэффективного извлечения тонкозернистого золота из россыпных, рудных и технологических видов сырья / А.В. Богда-
нович, Л.П. Зарогатский, А.Н. Коровников // Обогащение руд. - 1999. - № 4. - С. 7-9.
2. Дядин В.И. Разделение минеральных смесей в импульсном бегущем магнитном поле /
В.И. Дядин, А.В. Козырев, А.С. Латкин, В.Г. Подковыров, Н.С. Сочугов // Обогащение руд. 2008. - № 5. - С. 39-42.
3. Кармазин В.В. Магнитные электрические и специальные методы обогащения полезных ископаемых / В.В. Кармазин, В.И. Кармазин. -М.: МГГУ, 2005. - 670 с.
4. Кармазин В.В. Новые методы извлечения мелкого золота при отработке россыпных и техногенных месторождений / В.В. Кармазин, Р.И. Исаков, В.П. Мязин, А.Б. Солоденко // Горный журнал. - 1999. - № 2. - С. 45-49.
5. Курсинов И.И. Технологические аспекты извлечения золота методом кучного выщелачивания на месторождении Дельмачик / И.И. Курсинов, В.В. Юдин, С.Г. Кондинский // Обогащение руд. - 2003. - № 1. - С. 16-19.
6. Мязин В.П. Технология обогащения золотосодержащих песков: учеб. пособ. / В.П. Мя-
Коротко об авторах___________________________________
Мязин В.П, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой обогащения полезных ископаемых и вторичного сырья, Читинский государственный университет (ЧитГУ) [email protected]
Научные интересы: экология горного производства при добыче и переработке минерального сырья
Дядин В.И., ведущий инженер Камчатского филиала
геофизической службы РАН
Научные интересы: инженерная физика, электродинамика, акустика
Латкин А.С, д-р техн. наук, профессор, заместитель директора по научной работе научно-исследовательского геотехнологического Дальневосточного отделения РАН
Научные интересы: Комплексное использование минерального сырья на основе разработок безотходных, экологически чистых технологий с применением аппаратов с активными гидродинамическими режимами
зин, О.В. Литвинцева, НИ. Закиева. - Чита: ЧитГУ, 2006. - 269 с.
7. Патент Ш 2098190 С1, В03В 9/00, 7/00, 06.05.95.
8. Патент Ш 2229937 С2, В03В 7/00, В03С 1/00, 06. 05.2002.
9. Птицын А.Б. Добыча золота методами геотехнологии, Ч. І-ІІ / А.Б. Птицын //ФТПРПИ. -2001, № 1. - С. 102-114; № 2. - С. 73-77.
10. Разработка опытно-промышленного образца сепаратора цветных металлов / Отчет о НИР (заключительный) // СПб. технический университет; руководитель Г.А. Шнеерсон.
11. Тамм И.Е. Основы теории электричества / И.Е. Тамм. - М., Ленинград: ОГИЗ Государственное изд-во технико-теоретической литературы, 1946. - 660 с.
_____________________________Briefly about the authors
V. Myazin, Doctor of technical science, professor, Holder of the chair of mineral dressing and second raw material. Chita State University
Areas of expertise: The ecology of mining during production and processing of mineral raw materials
V. Dyadin, Principal Engineer of Kamchatka branch office of geophysic service of Russian Academy of Sciences, Petropavlovsk-Kamchatsky
Areas of expertise: Engineering physics, electrodynamics, acoustics
A. Latkin, Doctor of Technical Sciences, Professor, Deputy Director of Research Geotechnological centre, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences
Areas of expertise: Complex use of mineral raw materials on the basis of design of wasteless, non-polluting technologies with application of devices with active hydrodynamic modes
