CC BY
43
УДК 539.2
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ ОБОГАЩЕНИЕ НЕМАГНИТНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СМЕСЕЙ
В.И. Дядин (КамчатГТУ), А.С. Латкин (КамчатГТУ, НИГТЦДВОРАН)
Проведены комплексные исследования электродинамического воздействия на диа-и парамагнетики. На основании исследований создана экспериментальная установка, позволяющая вести процессы обогащения сложных дисперсных смесей, содержащих частицы немагнитных металлов.
The complex researches of electrodynamic influence on dia and pair - magnetic materials are carried out(spent). On the basis of researches the experimental installation, allowing to conduct processes of enrichment of complex(difficult) disperced mixes, containing particles of not magnetic metals.
Для первичного обогащения дисперсных смесей, содержащих металлы или соединения «железного» ряда, широко применяются магнитные способы обогащения, использующие стационарные магнитные поля. Смеси, содержащие немагнитные металлы, такие как золото, металлы платиновой группы, серебро, такими способами сепарируются плохо. Вместе с тем для сепарации этих смесей можно использовать переменные магнитные поля.
В естественных дисперсных смесях, содержащих самородные металлы, частицы свободного металла отличаются от вмещающих пород своей высокой электропроводностью. Если на такую смесь воздействовать переменным магнитным полем, в частицах металла индуцируются вихревые токи, которые значительно больше токов в частицах вмещающих пород. Вихревые токи взаимодействуют с индуцирующим их магнитным полем. При нарастании напряженности поля частицы с вихревыми токами будут выталкиваться из магнитного поля, а при уменьшении -втягиваться в область с большей напряженностью. Подобрав закон, амплитуду и скорость изменения магнитного поля, можно добиться пространственного разделения частиц металла и вмещающих пород.
Идея такого способа обогащения дисперсных смесей минералов была высказана в работе [1]. В работах [2, 3] были получены выражения для сил взаимодействия вихревых токов с индуцирующим их магнитным полем. Сила взаимодействия [2] может быть выражена как
F~r4-a-B(t) -ddB(t), (1)
dt
где r - радиус частицы;
a - проводимость материала частицы;
B(t) - мгновенное значение индукции магнитного поля.
Сила взаимодействия зависит от четвертой степени радиуса частиц. При уменьшении размера частиц в одном и том же магнитном поле эта сила уменьшается быстрее, чем их вес. Но саму силу взаимодействия мы можем увеличить, увеличив значения индукции и скорости изменения
магнитного поля - В(^ и <dB(t . Таким образом можно получить силу взаимодействия,
dt
необходимую для разделения смесей, содержащих самые мелкие частицы немагнитных металлов.
Для проверки правильности формулы (1) изготовлена установка, схема которой приведена на рис. 1. Схема состоит из соленоида, диэлектрического штатива и аналитических весов ВЛКТ-160. Соленоид (1) закреплен на кронштейне над чашкой аналитических весов (4) на высоте 70 см, чтобы магнитное поле не воздействовало на весы. На чашке весов установлен штатив из диэлектрика (3), на котором в непосредственной близости от соленоида крепятся образцы (2).
Образцы представляют собой круглые пластинки одинаковой толщины, разного диаметра из меди, латуни, алюминия и титана. Перед включением соленоида весы уравновешиваются и выставляются «на ноль». При включении соленоида магнитное поле выталкивает пластинку из рабочей зоны, и весы сразу показывают силу взаимодействия.
Рис. 1. Схема установки для исследования взаимодействия магнитного поля с частицами из немагнитных металлов
Индукция и скорость изменения магнитного поля в эксперименте остаются постоянными, поэтому для пластинок из одного металла сила взаимодействия зависит только от размера пластинки. Результаты экспериментов с медными и алюминиевыми пластинками приведены на графиках (рис. 2).
160 120 80 40 0
Б, мН
■
щ •
■ ■ • •
■ •
20
25
30
35
40
45
Б,мм
50
Рис. 2. Графики зависимости силы взаимодействия магнитного поля с медными и алюминиевыми образцами различных размеров: Щ - медь; • - алюминий
На этой же установке исследована зависимость силы взаимодействия от электропроводности образцов. Эксперименты проводились на образцах диаметром 30 мм, толщиной 0,5 мм из меди, алюминия, латуни и титана. Результаты показаны на графике (рис. 3). Полученные экспериментально графики зависимости сил взаимодействия магнитного поля с индуцируемыми вихревыми токами от размера пластинок аналитически выражаются полиномами четвертой степени. Причем достоверность представления экспериментальных кривых как для меди, так и для алюминия превышает 90 %. А зависимость силы взаимодействия от проводимости достаточно хорошо отражается графиком линейной функции. Это значит, что формула (1) вполне пригодна для расчетов сил взаимодействия магнитного поля с индуцируемыми в частицах металла вихревыми токами.
Согласно формуле (1), чтобы на частицу золота размером 0,1 мм в переменном магнитном поле действовала сила, в десять раз превосходящая вес частицы, необходимы напряженность
йВ(г)
магнитного поля В (г) не менее 10 Тл и скорость его изменения
йг
'10 -10 Тл/с, так чтобы
произведение В(г)
йВ(г) йг
имело значение
-108 -109.
40
20
К мН
• у
• у у' •
• ^^
200
400
п
600
с, См/м
Рис. 3. График зависимости силы взаимодействия магнитного поля с частицами от проводимости металлов: ф - экспериментальные данные;--линия усреднения
Индукция 10 Тл - это уже область сильных магнитных полей. Генерация мощных импульсных магнитных полей представляет собой достаточно сложную техническую задачу. Импульсные магнитные поля получаются с помощью соленоидов, питаемых мощными импульсами электрического тока. Проблема генерации таких полей состоит главным образом в разработке и изготовлении подходящих источников питания, которые должны запасать необходимую энергию и передавать ее в виде мощных импульсов тока в соленоид. Наиболее распространенным способом получения мощных импульсов тока в настоящее время является способ разряда батареи конденсаторов. Для этого способа характерны высокая эффективность преобразования и передачи энергии в индуктивную нагрузку, хорошая приспособляемость к условиям экспериментов. К недостаткам следует отнести высокую стоимость конденсаторов, низкую плотность запасаемой энергии и связанные с этим размеры изготавливаемых источников [4-6].
Для проверки возможности разделения минерального сырья переменным магнитным полем была разработана и изготовлена экспериментальная лабораторная установка, схема которой приведена на рис. 4.
Рис. 4. Схема экспериментальной лабораторной установки: 1 - загрузочная емкость;
2 - генератор управления коммутирующим устройством; 3 - вибрационный питатель;
4 - коммутирующее устройство; 5 - преобразователь энергии (соленоид);
6 - поток разделяемого дисперсного материала; 7 - приемная емкость; 8 - сборник отходов
Принцип работы установки следующий: дисперсный материал, содержащий диа- и парамагнитные металлические частицы, из загрузочной емкости (1) вибрационным питателем (8) подается в магнитное поле, создаваемое соленоидом (4), где происходит разделение потока (7). Металлические частицы отбрасываются магнитным полем в приемную емкость (6), а частицы вмещающих пород падают в сборник отходов (5). Установка практически полностью изготовлена
из органического стекла и стеклотекстолита, только электродвигатель и некоторые крепежные детали остались металлическими. Все металлические детали и электродвигатель отнесены на максимальное расстояние от соленоида, чтобы при работе как можно меньше искажалось магнитное поле соленоида и как можно меньше энергии затрачивалось на индукционный нагрев металлических деталей.
Схема источника выбрана на основе емкостного накопителя как наиболее простая и удобная в условиях проводимого эксперимента. В качестве накопительных емкостей использованы конденсаторы К41И - 7,5 кВ х 100 мкФ, у которых из-за технических особенностей ресурс импульсов, к сожалению, ограничен. В качестве коммутирующего устройства применен быстродействующий тиристор ТБ 161-100-10, который при длительности импульса менее 10 мс
обеспечивает коммутацию тока до 1 кА и скорость изменения тока А" ~ 109 А/с.
Конденсаторы используются в режиме «неполного разряда», т. е. их заряд производится до напряжения меньше номинального, так что используется лишь около 5 % энергии, которую они могут запасать. Такой режим работы, а также наличие в схеме шунтирующего диода, защищающего конденсаторы от напряжений обратной полярности, позволяет значительно увеличить срок их службы. Режим «неполного разряда» позволяет также использовать в качестве коммутирующего устройства тиристор малой мощности (ТБ 161-100-10), несмотря на то что разряд конденсаторов происходит на нагрузку с активным сопротивлением около 100 мОм и индуктивностью около 50 мкГн. Принципиальная электрическая схема источника питания приведена на рис. 5.
Рис. 5. Принципиальная схема источника питания: 1 - выпрямляющий диод (ВЛ10-10); 2 - генератор управления тиристором;
3 -дроссель; 4 - коммутирующий тиристор (ТБ 161-100-10); 5 - батарея конденсаторов (К41И - 7,5 кВ х 100 мкФ); 6 - шунтирующий диод (Д161 250-14);
7 - нагрузка (соленоид, Я ~100 мОм, Ь ~50 мкГн)
При включении в сеть конденсаторы (5) через диод (1) и дроссель (3) заряжаются в течение первой четверти периода до напряжения примерно 400 вольт. После окончания заряда конденсаторов сигналом от генератора (2) открывается тиристор (4), и конденсаторы разряжаются через соленоид (7). Максимальное значение тока в соленоиде составляет ~ 500 А.
Скорости нарастания, а также длительность импульса тока в соленоиде определяются
характеристиками тиристора и составляют: —~ 10'' А/с, т ~ 50 мкс. После спада напряжения на
А
соленоиде до нуля тиристор автоматически запирается. Форма импульса тока также определяется характеристиками тиристора. Импульс тока пилообразный, с крутым передним и медленно спадающим задним фронтом. Длительность переднего фронта ~ 2 мкс. Такая форма импульса позволяет получить более эффективное разделение дисперсных смесей, т. к. во время нарастания тока в соленоиде в частицах металла индуцируются сильные вихревые токи. Частицы металла сильно взаимодействуют с магнитным полем и выталкиваются из общей массы дисперсного материала. Спад тока и магнитного поля в соленоиде происходит значительно медленнее, чем нарастание. Во время спада магнитного поля в соленоиде в частицах индуцируются слабые токи, взаимодействие оказывается также слабым, и частицы уже не возвращаются в общий поток, т. е. происходит пространственное разделение.
Для эксперимента была подготовлена навеска дисперсной смеси, которая состояла из кварцевого песка, опилок меди, латуни и алюминия. Содержание металлической фракции в смеси составляло 6 % от веса песка - по 2 % на каждый металл. Частицы металла имели разный размер -от 0,5 до 0,1 мм, и перед внесением в смесь был сделан подсчет их количества. Песок был взят также неклассифицированный, с размером зерен от 0,5 до 0,1 мм. Лучше всего из магнитного поля выталкиваются частицы алюминия, они отлетают дальше, чем медь и латунь. Слабее всех выталкиваются латунные частицы. Это понятно: алюминий имеет почти такую же проводимость, как у меди, 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, она и летит дальше.
Среди выловленных частиц металла представлены все размеры, но большую часть составляют частицы класса 0,5-0,25. Результаты эксперимента представлены на рис. 6.
5, мм
0,1 0,3 0,5
Рис. 6. Зависимость степени извлечения частиц алюминия (Щ), меди (П) и латуни (г) от их размеров 5
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 титаномагнетитовых песков 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 от 1 до 0,1 мм. Оказалось, что титаномагнетитовый песок также выталкивается из магнитного поля, причем с первой же попытки было извлечено более 90 % титаномагнетита.
Выводы
1. Приведены результаты исследования воздействия переменного магнитного поля на образцы разных размеров из немагнитных металлов.
2. Установлено, что главными факторами, определяющими процесс разделения дисперсных смесей, являются величина произведения индукции и скорости изменения магнитного поля.
3. Разработана и изготовлена экспериментальная установка по разделению искусственных и природных дисперсных смесей с помощью вихревых токов, индуцируемых в частицах переменным магнитным полем. Эксперименты показали принципиальную возможность создания установок электродинамического обогащения дисперсных смесей, содержащих благородные металлы.
Литература
1. Латкин А. С. Совершенствование методов обогащения тонкодисперсного минерального сырья // ФТПРПИ. - 1998. - № 3. - С. 108-113.
2. Дядин В.И., Латкин А.С., Синявин Д.С. Проблемы электродинамической сепарации для обогащения россыпей благородных металлов // Экологические проблемы и новые технологии комплексной переработки минерального сырья (Плаксинские чтения). Труды международного совещания. Ч. II. - Чита, 2002. - С. 100-105.
3. Дядин В.И., Синявин Д.С. Электродинамическое разделение минералов // Вестник
Камчатского государственного технического университета // Вып. 1. - Петропавловск-Камчатский, 2002.- С. 96-102, 152-156.
4. Карасик В.Р. Физика и техника сильных магнитных полей. - М.: Наука, 1964. - 268 с.
5. Лагутин А.С., Ожогин В.И. Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 346 с.
6. Монтгомери Д. Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов / Пер. с англ.; Под ред. Н.Е. Алексеевского. - М.: Мир, 1971. - 278 с.
