CC BY
181
------------------------------------------------- © СИ. Кретов, 2006
УДК 621.928.8: 621.928.3 С.И. Кретов
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА СУХОЙ МАГНИТНОЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СЕПАРАЦИИ КУСКОВЫХ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ
Семинар № 24
Сухая магнитная (центробежная) сепарация (СМС или СЦМС) руды после мелкого дробления положительно влияет на процесс измельчения, классификации и стадиального мокрого магнитного обогащения, повышая производительность и эффективность обогащения самих фабрик за счет вывода части хвостов в голове процесса. Обычно в этих сепараторах определяющими являются магнитная сила и сила тяжести, но центробеж-ная сила - это резерв эффективности СЦМС, что легко доказать и теоретически и экспериметально.
Сухая магнитная сепарация преимущественно мелкодробленых относительно крупновкрапленных скарновых магнетитовых и титано-магнети-товых руд уже более 50 лет применяется на обогатительных фабриках регионов Урала и Сибири в России, на предприятиях Казахстана и Азербайджана [2]. Значительно меньшее распространение нашла сухая сепарация для предобо-гащения тонко- и весьма тонковкрап-ленных магнетитовых кварцитов
Кривбасса в Украине, а также КМА и Кольского полуострова в России. Практически отсутствует опыт предо-богащения бедных крупнодробленых магнетитовых руд.
Сухая центробежная магнитная сепарация обеспечивает получение более высоких результатов по сравнению с
другими известными методами магнитного обогащения. К достоинствам ее относятся: противоположно направленные разделяющие силы (магнитная и конкурирующие: центро-бежная и гравитационная), величины которых можно значительно увеличи-вать, минимальное сопротивление среды, независимость от внешних условий, минимальное количество изменяемых параметров и простота их регулировки. Этот процесс позволяет устранить магнитную флокуляцию, препятствующую эффективному разделению тонкоизмельченных сильномагнитных материалов.
Степень трудности разделения минералов магнитной сепарацией определяется главным образом соотношением их удельных магнитных восприимчивостей (контрастность свойств), которые при прочих равных условиях определяют величину магнитной силы. Если для
X
магнетита и кварца —>> 1, то для
Хкв.
магнетита и его сростка с кварцем это отношение с повышением содержания магнетита в последнем стремится к единице, т. е. для получения концентратов, содержащих около 70 % железа, требуется максимальная эффективность разделения.
Как показали экспериментальные исследования, такие концентраты могут
Схема сил, действующих на частицу при центробежной сепарации
быть получены при хорошем раскрытии материала в большинстве случаев только сухой центробежной магнитной сепарацией; другими магнитными методами такие результаты достигаются лишь на лег-кообогатимых, крупновкрапленных материалах [1, 2, 3].
Крупность сепарируемого материала также очень влияет на результаты разделения, так как при ее изменении меняются величины и качественная роль сил, участвующих в процессе сепарации. Влияние крупности материала на характер силового режима разделения можно определить принципиально для трех основных классов:
а) для крупнозернистых материалов (+0,5 мм) сила тяжести значительно превышает силы адгезионного слипания; такой материал, как правило, присутствует в магнитном поле сепаратора в виде отдельных зерен;
б) для мелкозернистого материала (—0,5 +0,05 мм) адгезионные силы приблизительно равны или превышают силы тяжести; в переменном магнитном поле этот материал также находится главным образом в виде отдельных зерен;
в) тонкоизмельченные или тонкодисперсные материалы (—0,05 мм) полностью представлены агрегатами из отдельных частиц — магнит- ными флокулами, которые не разрушаются до конца даже при высоких частотах магнитного поля (600 Гц).
Процесс сухой центробежной магнитной сепарации крупнозернистых и кусковых материалов прост, высокоэффективен и хорошо освоен в промышленности [1]. Эффективность магнитно-
го разделения мелкозерни-стых, а особенно тонкодисперсных материалов, обычно значительно ниже.
Условием успешной сепарации является максимальное увеличение разделяющих сил (рисунок). Магнитная сила имеет предел для каждой магнитной системы, поэтому центробежная сила должна превосходить силу тяжести, а радиальная составляющая их равнодействующей должна быть максимально приближена к магнитной. Исходя из этого принципа, полученные теоретические выводы (при условии равновесия частицы на барабане) вполне справедливы для зернистых материалов типа а) и б):
Fм - Fц + G - cos^ + fл - P = 0; (1)
ф = ®6 ■ t; ю6 = ; (2)
60 cxVH02e-cd - SVml (R + 0,5d) +
6 An (3)
+SVG COSmt + ^-^- - P = 0 б ndS
Если материал типа а) - крупнозернистый, то, разделив на V и опуская адгезионную силу, получим (при Р= 0):
60 Ic-x- H0
п v
пкр . 2
e cd + g -S - cosm61 S(R + 0,5 d)
(4)
где FM, Fn_, /СЛ и G — соответственно, магнитная, центробежная, адгезионная и
гравитационная силы; р - угол положения частицы на барабане; а6 - угловая скорость вращения барабана; t — время от начального момента (р= 0); п
— скорость вращения барабана, об/мин; V, ё, 3, х и а— объем, диаметр, удельный вес, магнитная восприимчивость и поверхностное натяжение частицы; А — коэффициент, учитывающий форму поверхности частиц,влажность и пр.; Я — радиус барабана; Р — реакция опоры барабана; с — коэффициент неоднородности магнитного поля системы; пкр— «критическое» число оборотов барабана, при котором отрываются и магнитные зерна.
Решая уравнение (3) при = 0 относительно угла р = ю6 • t, можно определить угол отрыва немагнитных частиц, а также время нахождения их на поверхности барабана (время сепарации).
Независимо от условий магнитного перемешивания материала, наличие интенсивного центробежного поля необходимо для эффективного удаления освобождающихся при этом немагнитных зерен. Таким образом, исследование центробежного режима сепарации имеет значение для любого из указанных случаев.
Для достижения максимальной эффективности необходимо, чтобы рабочее число оборотов барабана - п было по возможности ближе к критическому
- пкр, однако при этом может снижаться
устойчивость процесса. Частицы и флоккулы, которые в переменном поле движутся по определенным траекториям, могут при соответствующей частоте магнитного поля в результате взаимных столкновений вылетать за зону удерживания магнитным полем (если их кинетическая энергия больше энергии удерживающего магнитного по-
ля ґи = - Рц - О). При этом эффектив-
ность сепарации снижается, так как маг-нетитовые частицы и флоккулы попадают в хвосты.
Следовательно, устойчивость процесса зависит от высоты зоны удерживания, которую можно определить, решая совместно уравнения магнитной, гравитационной и центробежной сил в точке, где эти силы равны, т. е. где Р + в
/0 = —ц----= 1. Критерием для оценки
центробежного режима может служить «относительная центробежная сила» /а. Если обозначить высоту этой зоны через у, то:
Рм(х, у) = Рц (X, у )’ (7)
ахн 02в-2су =84 = (Я + у) (8)
Задавая необходимую высоту зоны удерживания в соответствии с крупностью материала на поверхности барабана, можно найти оптимальную центробежную силу (скорость барабана). Следует иметь в виду, что при удалении от поверхности барабана силы сопротивления среды вызывают отставание частиц от точки на поверхности барабана, которое несколько уменьшает действующую на них центробежную силу.
Многие комбинаты, обогащающие преимущественно магнетитовые кварциты, успешно внедрили технологию СЦМС для руды после мелкого дробления, причем перед ней ставится задача удалять только свободные куски пустой породы и бедные сростки, чтобы повысить исходное содержание железа в руде, увеличивая производительность
фабрики по концентрату.
Для МГОКа, перерабатывающего магнетитово-гематитовые кварциты, такая технология требовала создания сепараторов с повышенной напряженностью магнитного поля в рабочей зоне,
хотя рассмотренные выше закономерности СЦМС являются общими для любого типа руд.
Тем не менее, промышленные исследования этой технологии были начаты на МГОКе сотрудниками МГОКа и Белгородского филиала института «Меха-нобрчермет» еще в середине 80-х годов прошлого столетия. Они в лабораторных и промышленных условиях выполнили исследования по разработке технологии магнитного обогащения с предварительной сухой магнитной сепарацией дробленой руды, при которой кроме хвостов выделялись еще два железосодержащих продукта: магнетито-вый преимущественно гематитовый, обогащаемых раздельно [3].
На магнитных барабанах осуществлялось выделение немагнитного продукта при напряженности поля 80—85 кА/м (в первом приеме) и 90 -93 кА/м (во втором приеме). На электромагнитные сепараторы (напряженностью 125-130 кА/м) подавали магнитный материал барабанов для получения магнетитового и преимущественно гематитового продукта.
Магнетитовый продукт перерабатывали на секции № 10 по схеме трехстадийного измельчения в шаровых мельницах с пятистадийным мокрым обогащением на магнитных сепараторах со слабым полем типа ПБМ.
Преимущественно гематитовый продукт направляли на секцию № 9 (для обогащения окисленной руды), имеющую технологическую схему двухстадийного высокоинтенсивного мокрого магнитного обогащения.
Испытания установки СМС показали, что при выделении из руды немагнитного и преимущественно гематитового продуктов массовая доля магнетитового железа в обогащенном продукте СМС увеличивается на 2,9 % ( с
19,9 до до 22,8 °/о) при выходе продукта 65—75 %.
Увеличение массовой доли магнетитового железа в руде, направляемой на мокрое магнитное обогащение в слабом поле на секцию № 10, приводит к снижению массовой доли Реобщ в хвостах секции на 1,7—2,0 % и повышению качества концентрата по железу общему на 0,4 %. Выход концентрата и извлечение железа общего от питания секции возрастают соответственно на 5,4 и 7,7 % (абс). Испытания на секции № 10 показали, что применение предварительной СМС для выделения из дробленой руды немагнитного и преимущественно гематитового продуктов стабилизирует процессы из-мельчения, магнитного обогащения и обесшламли-вания обогащенного продукта, показали принципиальную воз-можность увеличить производство концентрата на 12— 17 % на существующих площадях действующих фабрик МГОКа [3].
Однако, перестроечный период помешал своевременно реализовать результаты этих исследований, а главное -тогда не было магнитных сепараторов на постоянных высокоэнергетичных магнитах типа К^Бе-Б. Изменились за истекший период и техникоэкономические условия на комбинате, в результате чего обогащение гематито-вых кварцитов было ограниченно. Тем не менее от СМС требовалось максимальное извлечение Реобщ, так как при установившемся коэффициенте захвата часть гематита попадала в магнетитовый концентрат.
Исследования влияния сухой магнитной сепарации (СМС) на процесс измельчения, классификации и стадиального мокрого магнитного обогащения, и последующее их внедрение были проведены нами только в последние три года непосредственно в промышленных
Производительность, т/ч 180
Диаметр и длина рабочей части барабана, мм 900х1500
Угол охвата магнитной системы, град. 151
В том числе зоны выделения отвальных хвостов, Тл 101
Индукция в рабочей зоне, на участке выделения отвальных хвостов, Тл
Максимальная частота вращения барабана, мин-1 0,21
Номинальная мощность электродвигателя, кВт, не более 70
Габаритные размеры, мм, не более 11
- длина
- ширина 2950
- высота 2800
Масса сепаратора вместе с приводным барабаном питающего конвейера, кг, 3300
не более 5700
условиях на 16 технологической секции отделения обогащения (ОО) дробильно-обогати-тельного комплекса (ДОК) МГОКа [4, 5]. Исходная рудная шихта крупностью 16-0 мм (средневзвешенный размер куска 8,8 мм) конвейерами-питателями подавалась на новые сепараторы типа ПБКС-90/150, разработанные ООО «НТЦ магнитной сепарации Магнис лтд.». Исследования влияния сухой магнитной сепарации (СМС) на процесс измельчения, классификации и стадиального мокрого магнитного обогащения, и последующее их внедрение были проведены нами только в последние три года непосредственно в промышленных условиях на 16 технологической секции отделения обогащения (ОО) дробильно-обогатительного комплекса (ДОК) МГОКа [4, 5]. Исходная рудная шихта крупностью 16-0 мм (средневзвешенный размер куска 8,8 мм) конвейерами-питателями подавалась на новые сепараторы типа ПБКС-90/150, установленные перед мельницами МШРГУ 45х60 I стадии измельчения (по одному сепаратору на мельницу). Магнитный продукт сухой магнитной сепарации поступал по желобу непосредственно в мельницу, немагнитные хвосты системой конвейеров транспортировались на склад для получения
щебня различных по крупности фракций.
Основные конструктивно-техноло-
гические параметры и рабочий режим нового сухого магнитного сепаратора конструкции ООО «НТЦ магнитной сепарации Магнис.лтд.» - ПБКС-90/150 представлены следующими данными (см. таблицу).
Производительность, которая обеспечит наилучшие условия разделения, т. е. производительность монослойной сепарации, можно определить, подставив в формулу производительности барабанного сепаратора оптимальное число оборотов барабана и толщину слоя, равную диаметру максимального зерна:
О = 0,002пЯпс/Ь$кг / мин = = 0,00012ПпсЬ>£б,т час,
где Я — радиус барабана, см; п — число оборотов барабана об/мин; Ь — ширина барабана, см; 5 — удельный вес материала, г/см; d — диаметр частицы (толщина слоя), см.
Зависимость между частотой магнитного поля и длиной флоккулы, что устанавливает связь между частотой магнитного поля V = Уотн/8, (где Уотн -линейная скорость поверхности барабана относительно поверхности магнитных полюсов, а 8 - шаг полюсов) и эффективностью сепарации п [3]. Указан-
ная зависимость п = ґ(у) может быть
представлена как п ~ Vк ■ V + п0, то есть уравнение параболы.
С этой точки зрения сепаратор ПБКС-90/150 имеет на наш взгляд резервы для совершенствования:
- необходимо исследовать возможность повышения скорость барабана, что повысит производительность сепаратора и снизит износ обечайки его барабана;
- малое число полюсов в магнитной системе и большой их шаг необходимы для достижения заданной глубины поля, но это снижает его частоту (интенсивность магнитного перемешивания материала в рабочей зоне), т. е. эффективность процесса сепарации.
- есть сведения, что на «Рудгормаше» применяют полимерно-корундо-вые футеровки, значительно превосходящие по износостойкости нержавеющую сталь, использованную в сепараторе ПБКС-90/150.
Устранение этих недостатков приведет к некоторому удорожанию, но и к повышению технико-экономи-ческих
показателей сепаратора.
В качестве критерия для оценки технологической эффективности использования СМС перед мокрым обогащением было выбрано достижение максимальной производительности секции по исходной руде текущей добычи с СМС и без нее (проектная схема) с получением товарного концентрата на уровне 65,565,6% железа.
В среднем за время испытаний на руде с массовой долей общего и магнитного железа 39,2 и 19,9 % сухой магнитной сепарацией выделялось 6,5 % (24,5 т/ч) немагнитного продукта с 24,0 % общего и 4,0 % магнитного железа и направлявшийся в мельницу магнитный продукт с 40,3 % общего и 20,9 % магнитного железа.
Проведенными на технологической секции № 16 ОФ ДОК МГОКа контрольными испытаниями по схеме с применением сухой магнитной сепарации и без нее установлено:
1. Сухая магнитная сепарация мелкодробленых неокисленных магнети-товых кварцитов позволяет повысить массовую долю общего и магнитного железа в магнитном продукте СМС, поступающем на измельчение первой стадии и дальнейшее обогащение, соответственно на 1,0 и 1,3 %.
2. Массовая доля готового класса (0,044 мм) в концентрате пятой стадии ММО составляет 91,1 %, а при проектной схеме 92,8 %, при массовой доле железа общего в нем 65,6 и 65,5%, соответственно.
3. Применение сухой магнитной сепарации бедной руды даёт возможность увеличения производительности секции по исходной рудной шихте на 24 т/ч. Производительность мельниц первой стадии измельчения при этом остаётся на прежнем уровне (332 т/ч против 335 т/ч по проекту) за счёт выделения операцией СМС немагнитного продукта в количестве 27 т/ч.
4. Применение технологии с использованием сухой магнитной сепарации даёт возможность дополнительного получения нового продукта, имеющего высокую ликвидность в регионе - товарного щебня.
5. Выход немагнитного продукта СМС во время испытаний колебался с изменением качества руды от 6,5-до 7,5 % и составлял 27,0 т/ч в среднем по секции при удельной производительности магнитного сепаратора ПБКС 90/150 129,3 т/м ч.
6. Крупность промпродукта СМС, поступавшего на измельчение первой стадии мокрого обогащения несколько превышала крупность среднего куска
проектной руды за счёт выделения при сухой магнитной сепарации немагнитной фракции со средневзвешенным диаметром куска 8,3 мм и массовой долей класса плюс 18 мм 5,7 %.
7. Удельный расход электроэнергии на тонну исходной руды (сухой вес) для мельниц второй, третьей стадий 16 секции при работе по схеме с СМС составил 5,4 и 5,8 кВт-ч/т, при работе этой же секции по проектной схеме 5,7 и 6,3 кВт-ч/т. Удельный расход электроэнергии в целом по секции на тон-
1. Кармазин В.В., Кармазин В.И.
Магнитные, электрические и специальные методы обогащения полезных. Том I, - М.: Издательство МГГУ. 2005.
2. Остапенко П.Е. Обогащение железных руд. - М.: Недра, 1985.
3. Плаксин И.Н., Кармазин В.И., Олофин-ский Н.Ф., Норкин В.В., Кармазин В.В. Новые направления глубокого обогащения тонковкра-пленных железных руд. - М.: Наука, 1964.
4. Кармазин В.В. Современные тенденции в
использовании минерального сырья. Сб. «Устойчивое развитие горнодобывающей про-
мышленности», Кривой Рог, КГТУ, 2004.
5. Ломовцев Л.А., Нестерова Н.А., Дроб-ченко Л.А. Магнитное обогащение сильномагнитных руд. - М.: Недра, 1979.
6. Отчеты НТЦ МГГУ выполнении работ по хоздоговору с ОАО ЛГОК (темы: ОПИ-363 и ОПИ-228) Москва-Губкин 2004-05 гг.
ну (сухого веса) рудной шихты/концентрата составил с СЦМС 23,5/68,5 кВт-ч/т и - 25,3/76,7 кВт-ч/т без нее.
8. Можно отметить, что СЦМС на МГОКе успешно внедрена и отметить в качестве важного резерва возможность существенно улучшить технологические показатели СЦМС за счет применения мелкого грохочения питания перед СЦМС, направляя при этом обогащенные мелкие классы непосредственно в мельницу.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
7. ^mazm V.I., Zelenov P.I., Ostapenko P.E., Karmazin V.V., Aleynikov N.A. Development of new processes for the beneficiation of magnet-ite-hematite ores at the Olenegorsk mining and beneficiation complex. X IMPC, London, 1973.
8. Маргулис В.С., Потапов С.А., Старыгин И.В., Ковальчук Х.У. и др. Применение сухой магнитной сепарации в схемах магнитного обогащения железистых кварцитов Михайловского горно-обогатительного комбината. Г.Ж., 9, 1987.
9. Гзогян Т.Н. и др. Интенсификация процессов рудоподготовки и обогащения железистых кварцитов на Михайловском ГОКе, ГИАБ МГГУ, №8, 2003.
10. Маргулис В. С., Потапов С.А., Старыгин И.В., Азаматов Ф.Л., Ковальчук X.y, Нечаев В.С. (Михайловский ГОК, Белгородский филиал института “Механобрчермет”), Обогащение руд, №8, 1987.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------
Кретов С.И. - аспирант Московского государственного горного университета, ОАО «МГОК», г. Железногорск.
