CC BY
27
УДК 622.73 Ф.Ф. Борисков
ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ ШАРОВОМ ИЗМЕЛЬЧЕНИИ С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ НА РУДОПОДГОТОВКУ И ПОВЫШЕНИЯ СЕЛЕКТИВНОСТИ РАСКРЫТИЯ МИНЕРАЛОВ
Семинар № 24
Применение магнетизма в горно-обогатительной промышленности постоянно расширяется в связи с разработкой новых методов магнитной сепарации руд и созданием новых модификаций магнитных сепараторов и постоянных магнитов с высокой напряженностью магнитного поля. На основе магнитоиндукционного эффекта производится извлечение магнетита из смеси его с немагнитными минералами с объемом переработки более 180 млн т сырой руды в год только в России.
Развиваются исследования влияния магнитострикции (изменение размеров и формы кристалла при намагничивании) на минеральное сырье.
Снижение прочности магнетитсодержащего сырья под воздействием магнито-импульсной обработки (МИО) изучено в [1, 2]. Образцы базальта (цилиндры высотой 25, диаметром 50 мм и кубики с ребром 30 мм), содержащего титаномагнетит и парамагнитные минералы (авгит, полевой шпат, хлорит), обрабатывались импульсами однородного магнитного поля напряженностью 2-105 А/м.
_3
длительностью — 1,2-10 с в течение 12—14 с. Измерения свойств базальта, проведенные спустя 24 часа после МИО показали, что его прочность на растяжение ap снизилась с 15,50 до
12,95 МПа, на сжатие ас с 261,30 до 219,1 МПа, т.е. на 14,65 и 16,16 %
[1]. МИО кварцево-магнетитовой руды приводит к развитию а с в зернах магнетита и кварца соответственно до 61,7 и 14,9 МПа, сдвиговых напряжений т до 43,77 и 17,41 МПа (к сожалению, в работе не приведены параметры МИО). Максимальное влияние на разупрочнение руды оказывает т в зернах магнетита на границах срастания его с зернами кварца. Величина т в этих зонах достигает 58,5 % от предела прочности на сдвиг. После МИО извлечение магнетита из руды повысилось с 77,65 до 79,62 %, содержание железа в концентрате — с 62,0 до 62,6 % [2].
В ИГД УрО РАН разрабатывается новое направление использования магнетизма в процессах дезинтеграции сырья, состоящее в использовании магнитных импульсов для подъема шаров на оптимальную высоту и увеличения силы удара при падении их на сырье. Импульсная магнитомеханическая мельница, предназначенная для реализации этих эффектов, состоит из барабана, электропривода, двух плоских электромагнитов М\ и М2, двух щеток и двух кольцевых коллекторов, через которые подаются импульсы электрического
Рис. 1. Подъем до 0° и ускорение шаров (а—> а ...) импульсами магнитного поля, создаваемые попеременно электромагнитами М1 и М2 при движении их совместно с барабаном магни-то-механической мельницы от 180° до 0° (зона действия импульсов показана радиальными стрелками)
270°
тока в обмотки М\ и М2 [3]. М\ и М2 под немагнитной футеровкой прикрепляются к барабану мельницы в диаметрально противоположных точках и вращаются вместе с ним (рис. 1). В простейшем — 1-м варианте мельницы ликвидация «мертвой зоны» шаров и подъем их на оптимальную высоту может осуществляться работой только одного электромагнита, например, М\. М\ создает импульс магнитной индукции В с длительностью ^ , равной времени перемещения
М\ от точки А с угловой координатой 225° до 0°. Шары притягиваются к полюсу Рэ электромагнита М\ и поднимаются до точки 0°, где М\ отключается от источника тока. От 0° до 30° шары движутся по инерции, вылетают в полость барабана, достигают оптимальной высоты КР , и падают вниз с ускорением д . Дополнительное ускорение а2 шары приобретают при работе одного из двух электромагнитов М\ и М2, которыми попеременно создаются магнитные импульсы тогда, когда каждый их них движется от точки 180° до 0° (на рис. 1
зона действия одного магнитного импульса показана стрелками).
Импульсная магнитомеханическая мельница работает следующим образом. Шары и руда загружаются в ее барабан. В точке 180° в обмотку М\ подается ток длительностью 4 , формирующий импульс магнитной индукции В и полюса Рэ с ^ в сердечнике М\.
К движущемуся полюсу Рэ притягиваются шары, которые захватывают часть руды. Флоккула шаров электромагнитом М\ и вращением барабана поднимается до 0°. В точке 0°, где М1 обозначен как (М1), обмотка отключается от тока. Шары теряют связь с (М1), преодолевают расстояние до уровня КР по инерции (как при работе одного электромагнита), а затем по кривой СКА устремляется в точку А. За время движения М\ по нижней полуокружности от 180° до 0° электромагнит М2 из точки 0 через 30, 45 и 90° смещается в противоположную точку 180°, где он обозначен как (М2). В (М2) наводится магнитное поле, в котором ферромагнитные шары разгоняются с ростом ускорения от а\, когда они находятся вверху далеко от Рэ, до а2 и больше (а3) во время движения Рэ от 180 до 225°. Дополнительное ускорение а3, кото-
Рис. 2. Графики зависимости выхода ] класса крупностью — 74 мкм от магнитной индукции В электромагнитов и коэффициента заполнения шарами К барабана импульсной магнитомеханической мельницы при измельчении колчеданной руды
Приравнивая
получаем:
t1 и t2
2D
gV2
= 7,5/
n
рое суммируется с g земного тяготения, приводит к значительному увеличению скорости шаров и кинетической энергии при их ударе по сырью. Производительность измельчения возрастет, если в момент падения шаров полюс Рэ электромагнита (М2), подключенного к электрической сети, переместится в точку A (M2,). Это условие выполняется при равенстве времени t1 падения шаров по кривой СКА и времени t2, за которое Рэ одного из электромагнитов, например, (М2) перемешается от 180 до 225°.
Из рис. 1 находим:
U1 =
2H H = D t = 2D
g ’ =V2’ Ui =VgV2’
где Н — высота падения шаров, м,
О — диаметр барабана мельницы, м.
4 = М1А/УЛ, М1А = п Б/8, УЛ = п Бп/60 4 = пБ/8 : пБп/60 = 7,5/п, где Чл — линейная скорость барабана, м/мин; п — число оборотов барабана в мин.
и находим кинематическую характеристику разрабатываемой мельницы:
п = 19,7бД/£.
Величина ускорения шаров зависит от значения импульсов магнитной индукции, которая создается попеременно электромагнитами М1 и М2 и которая возрастает с увеличением силы электрического тока, подаваемого в их обмотки. Увеличение кинетической энергии шаров магнитным полем при падении их на руду приводит к повышению эффективности дезинтеграции за счет повышения силы удара шаров по сырью.
Физическое моделирование измельчения медно-цинковой руды импульсным магнитомеханическим методом проводилось в лабораторной мельнице. Импульсы В в электромагнитах изменялись от 0 до 0,08 Т (Тесла), коэффициент заполнения барабана мельницы шарами К — от 0,22 до 0,54. При В = 0 выход у класса крупностью — 74 мкм зависит только от К и изменяется от 40 % (К = 0,22) до 47 % (К = 0,54 %). С повышением В от 0 до 0,08 Т у возрастает от 40 (К = 0,22) — 47 % (К = 0,54) до 68,0 (К = 0,54) — 87 % (К = 0,33). Наи-
большим приростом у с 42 до 87 % характеризуется импульсное магнитомеханическое измельчение с К = 0,33 при В = 0,08 Т (рис. 2 и 3).
Основные преимущества механики разрабатываемого метода измельчения, которые приводят к росту производительности шарового измельчения, сводятся к следующему:
1. Ликвидируется «мертвая зона» шаров импульсами В;
2. Оптимизируется процесс измельчения путем управления кинетической энергией шаров в широких пределах вариацией В при изменении, например, типа сырья.
Расчет удельных затрат электроэнергии Ец на измельчение руды импульсным магнитомеханическим методом проведен применительно к мельнице МШР-3200х3100 [3]. При объеме мельницы = 22,5 м , объемном весе шаров = 4,6 т/м3 и К = 0,33, обеспечивающем максимальный прирост у, вес шаровой загрузки составит 34 т. Электромагнит поднимает шары при В=0,747 Т и толщине немагнитной футеровки, равной 4 см. Ликвидация «мертвой зоны» шаров и увели-
Рис. 3. Графики зависимости выхода у класса крупностью — 74 мкм от коэффициента заполнения шарами К барабана магнитомеханической мельницы и магнитной индукции В электромагнитов при измельчении колчеданной руды
чение силы удара по сырью обеспечат снижение Ец на 25 %.
Влияние шарового измельчения импульсным магнитомеханическим методом на качество рудо-подготовки было изучено в лабораторных условиях на примере колчеданной медно-цинковой руды Карабашского месторождения с массовой долей меди 1,0, цинка 1,4, серы 28 % и крупностью частиц — 3 мм. Измельчение руды проводили традиционным методом (В = 0) и с использованием импульсов с В= 0,04 Т. Измельченный продукт был разделен на классы с крупностью частиц + 125, -125+74 и -74 мкм (табл. 1).
Минералогический анализ показал, что руда, измельченная в обычных условиях (В=0), содержит 50 % свободных зерен пирита в классе +125 мкм. Пирит представлен наиболее крупной вкрапленностью в руде (размер зерен до 2 мм), и поэтому он хорошо раскрывается в этом классе. Свободные зерна халькопирита и сфалерита отсутствуют в этом продукте (+125 мкм), так как их выделения в руде меньше, чем у пирита.
Измельчение при импульсах В =
0,04 Т приводит к увеличению выхода свободных зерен пирита в классах +125, -125+74 и -74 мкм соответственно с 50; 90 и 98 до 64; 96 и 100 %.
Повышение селективности раскрытия рудных минералов
при использовании импульсного магнитомеханического измельчения
Магнит- ная Выход рудных минералов %
Класс Халькопирит Сфалерит Пирит
индукция (В), т крупности, мкм Свободные зерна Срост- ки Свободные зерна Срост- ки Свободные зерна Срост- ки
+125 0 100 0 100 50 50
0 -125+74 81 19 43 57 90 10
-74 95 5 87 13 98 2
+125 0 100 0 100 64 36
0,04 -125+74 89 11 80 20 96 4
-74 97 3 97 3 100 0
Наибольший прирост выхода Л свободных зерен наблюдается у сфалерита ( А = 37 %), халькопирита (А =8 %) и пирита (А = 6 %) в классе -25+74 мкм. В классе -74 мкм содержание свободных зерен сфалерита, халькопирита и пирита повышается соответственно на 5, 4 и 2 % с раскрытием сфалерита и халькопирита до 97, пирита — до 100 %.
Увеличение количества свободных зерен рудных минералов в продуктах импульсного магнитомеханического измельчения достигается повышением вероятности разрушения сростков по межзерновым поверхностям, а не пе-реизмельчением сырья, которым сопровождаются традиционные способы рудоподготовки. Таким образом, применение импульсного магнитомеханического измельчения обеспечивает:
1. Рост производительности и снижение энергозатрат на процесс рудоподготовки;
2. Повышение селективности раскрытия минералов.
Влияние импульсного магнитомеханического измельчения на последующее обогащение колчеданной руды проводили в лабораторной мельнице при значениях В от 0 до 0,08 Т. Обогащение проводилось по схеме:
коллективная и медно-цинковая флотация. В процессе проведения 1-й операции сырье разделяли на коллективный сульфидный концентрат и хвосты, состоящие из минералов вмещающих пород. В результате 2-й операции получали медно-цинковый концентрат пенным продуктом, пиритный
— камерным. Опыты показывают, что измельчение руды разрабатываемым методом существенно повышает технологические показатели флотации руды (рис. 4). С повышением импульсов В растет качество концентратов и извлечение в них ценных компонентов. Наиболее высокие показатели получены при В = 0,08 Т. В коллективном медно-цинковом концентрате содержание меди увеличилось с 5,50 до 7,79 %; цинка с 7,31 до 11,12 %, извлечение металлов соответственно на 4,94 и 12,96 %, серы — на 26,03 % при сохранении качества пиритно-го концентрата на первосортном уровне (47,06—48,03 %). Сопоставление данных минералогического анализа с результатами флотации подтверждает предположение о том, что рост показателей обогащения обусловлен повышением селективности раскрытия минералов (таблица). Уменьшение количества сростков халькопирита и сфалерита с пиритом,
которое достигается импульсной магнитомеханической рудоподготовкой, положительно влияет на процесс разделения минералов при флотации и обеспечивает прирост извлечения меди и цинка в коллективный медно-
Рис. 4. Влияние магнитной индукции В в электромагнитах на флотационное извлечение е (а) и содержание а меди, цинка и серы в медноцинковом и пиритном концентратах (б) при измельчении колчеданной руды в импульсной магнитомеханической мельнице
цинковый концентрат, серы — в пиритный.
Исследование импульсного магнитомеханического измельчения проводилось на руде, не содержащей магнетита
( х 1 ~ 0,73 • 10-2 м3/кг) — природного ферромагнетика. Руда состоит из слабомагнитного халькопирита ( х 2 « 2,68 • 10-6м3/кг) с содержанием 3 % и немагнитных минералов (пирит, сфалерит, кварц, серицит, хлорит) в количестве 97 % с х 3 ~ 5 • 10-8 м3/кг.
Удельная магнитная сила Гм , действующая на единицу массы минерала равна
рм = М>ХНм, где /и0 — агнитная постоянная, х — удельная магнитная восприимчивость, Нк — напряженность магнитного поля.
Ферро-ферри-пара- и диамагнитные вещества взаимодействуют с Нк по разному. Величина интенсивности взаимодействия Нк с выделенными при обогащении сырья ферро-магнитными, слабомагнитными и немагнитными типами минералов
определяется с использованием зависимости (1) в соответствии со следующим соотношением:
АХЛёгааЯм/АХЛёгааЯм :
: АХ2Нмёга<Нм/ЯХ^мЕга^м : (2)
: АoХ2HмgгadHJА0Х1Нм§га^нм =
= Х1/Х1 : Х2/Х1 : Х3/Х1>
Подставив средние значения Х магнетита, халькопирита и немагнитных минералов в (2), находим, что интенсивности ферромагнитного, слабомагнитного и немагнитного взаимодействия характеризуются отношением ~ 1 : 3,67-10-4 : 6,41-10-6 по аналогии с сильными, электромагнитными, слабыми и гравитационными фундаментальными взаимодействиями с количественной характери-
_2
стикой их соответственно ~ 1 : 10 : 10_10: 10_38.
С применением данных [1] и [2] можно вычислить влияние магнитной составляющей на разупрочнение и селективность раскрытия минералов колчеданной руды Карабашского месторождения при измельчении ее магнито-механическим методом.
При ферромагнитном взаимодействии магнетита с МИО снижение прочности базальта на растяжение составило 14,65 %, на сжатие — 16,16 % [1]. Вклад слабомагнитного взаимодействия на снижение прочности руды достигает соответственно на растяжение 0,0054 % (14,65 % • 3,67-10_4), на сжатие — 0,0059 % (16,16 % • 3,67-10_4), немагнитного
— 0,000094 % (14,65 % • 6,41-10_6) и 0,0001 % (16,16 % • 6,41-10_6).
МИО кварцево-магнетитовой руды развивает в ней напряжения на сдвиг т до 58,5 % от т пп (предел прочности) за счет ферромагнитного взаимодействия магнетита с импульсами Нм
[2]. Влияние слабомагнитного взаимо-
действия на снижение прочности колчеданной руды за счет т составит 0,0314 % (58,5 % • 3,67-104), немагнитного — 0,000375 % (58,5 % • 6,41 -10_6) от т пп руды.
Рост селективности раскрытия магнетита, обусловленный МИО, можно выразить через повышение извлечения железа в концентрат на 1,97 % (с 77,65 до 79,62 %) [2]. Это позволяет определить также вклад слабомагнитного и немагнитного взаимодействия на селективность раскрытия минералов Карабашской колчеданной руды, равной соответственно 7,23 • 10_4 % (1,97 % • 3,67 • 10_4) и 1,26 • 10_5 % (1,97 % • 6,41 • 10_6).
Анализ полученных результатов показывает, что повышение техникоэкономических показателей достигнуто оптимизацией кинематики и динамики измельчения с помощью магнитных импульсов. Вклад слабомагнитного и немагнитного взаимодействия колчеданной руды и попутно осуществляемой МИО на процессы разупрочнения и селективности раскрытия минералов очень мал (< 0,0314 %), Поэтому импульсный магнитомеханический метод имеет общее значение и может использоваться для шарового измельчения сырья любой крепости за счет реализации ударного механизма его дезинтеграции.
Применение разрабатываемого метода для рудоподготовки крепких руд, содержащих ферромагнетики (магнетит, пирротин), позволит включить в процессы разупрочнения и селективного раскрытия минералов этого сырья эффект магнитострикции, генерирующий а с, а р и т , с максимальной величиной, развивающейся внутри минеральных комплексов по межзерновым границам.
1. Zum Einflus teines magnetischen Pulsfeldes auf die Festigkeitskennwerte von standardisiereten Prbfkurpen / Spacek Frantisek, Dockal Milan, Gull Gerd und And. // «Neue Bergbautechn.», 13 № 9, 521—523, ISSN 047-9403 DD (нем.)
2. Гончаров С. А, Бруев Б. П. Разупрочнение пород, содержащих минералы ферро-
магнетики // Горный информац.-аналит. бюлл. — 2004. — № 8. — С. 325—340.
3. Борисков Ф.Ф., Алексеев В.Д. Импульсные и автогенные методы переработки сырья. — Екатеринбург: УрО РАН. — 2005. — 150 с. I-1
— Коротко об авторах----------------------------------------------------------------
Борисков Ф.Ф. - Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 24 симпозиума «Неделя горняка-2006». Рецензент, д-р техн. наук, проф.В.М. Авдохин.
---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
MACЛOВ Валентин Владимирович Совершенствование технологии приготовления, разработка и выбор компонентов буровых промывочных жидкостей для строительства нефтяных и газовых скважин 25.00.15 к.т.н.
CTEПAHOВ Виталий Николаевич Разработка и исследование технологий ликвидации поглощений буровых растворов 25.00.15 к.т.н.
