Теория и практика конструирования сепараторов на постоянных магнитах Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

СЕМИНАР 23

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

поля вне постоянного магнита определяется выражениями:

со (г) = М ^(<р - ц) [ 1п(| - z

2щ *

© В.В. Кармазин, М.П. Казимиров, В.А. Малахов, 2001

УДК 622.7:621.928.8

В.В. Кармазин, М.П. Казимиров, В.А. Малахов ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА КОНСТРУИРОВАНИЯ СЕПАРАТОРОВ НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ

В * (z )= 1 =

дЕ,

Мо

2nj

M cos(p -

(p-/)f

dE E-z

(3)

(4)

Определим например, параметры магнита сечение которого многоугольник с вершинами Z1: Z2: ... Zi ... Zn (рис. 1). Каждая из сторон

О

дним из приоритетных направлении совершенствования магнитных сепараторов различного типа, является применение в их конструкциях постоянных магнитов. Это обусловлено появлением высококоэрцитивных материалов из сплавов редкоземельных элементов, обладающих большои магнитнои энергиеи.

При разработке сепараторов на постоянных магнитах, наиболее важным вопросом является расчёт магнитного поля в рабочеИ зоне. В этоИ связи разработан аналитиче-скии метод расчета плоскопараллельных полеи постоянных магнитов. ОсновоИ метода является математическое представление постоянного магнита в виде простого слоя тока по поверхности с источниками, имеющими линеИ-ную плотность с(о). Комплексный потенциал простого тока согласно [1] определяется формулой:

/и=2Ур№"*- <1)

где z = x + jy - координата комплексной плоскости; ^ -

координата точки на линии контура магнита «с»

Это есть аналитическая функция комплексной переменной, описывающая семейство ортогональных линий тока и равного потенциала. Магнитное поле вне контура магнита потенциально, поскольку источники находятся только на контуре магнита. Описывается оно также орто-тональными функциями скалярного (qmi) и векторного (A2) магнитных потенциалов, удовлетворяющих уравнениям 2 2

Лапласа V cpm = 0 , V A2 = 0 . Поэтому комплексный магнитный потенциал Um может быть определен с помощью формулы (1).

Рассмотрев граничные условия для магнитной индукции и векторного магнитного потенциала, при M (z )= Const. можно определить что:

р(§)= Mo M cos(<p-/) (2)

где M - модуль вектора намагничивания; q>, /- угол между векторами £,, M и осью х-ов.

Тогда комплексный потенциал и магнитная индукция

многоугольника описывается, как

= Z, + t(Z+1 - Zi ) откуда d^r = (zi +1 - Zi ) , где 1

- формальная действительная переменная. Выразим COs(^ - /) через координаты i-й стороны: cos(<p - /) = cos cpcosy + sin^ sin/ =

=H

•i+1 ■

(zi+1 + z *i+1 -z - z *i )cosp +

1(z+1-;

i+1

+Zi + z:

i )sin/

(5)

С учетом этого формула (3) для і - ой стороны магнита принимает вид:

(\ ¿¿о * *

2) = М[(2+1 + zг+l - zг - z )с°5/ +

4п

1

+ л2+1 - г*+1 - + /) япИ |Ц(2 - 2) + +1 - 2 ^

о

(6)

Это определенный интеграл, который берется как табличный. В результате получаем:

m(z )=- т~M

4ж

1 +

zi+1 - Z

i+1 ■

Л

cos / + 1

z,+1 - Z

zi+1 - zi

-1

: [(zi+1 - z)ln(zi+1 - z) - (zi - z)ln(zi - z)]

sin/

(7)

Производная ш (г), определяющая В *(г) от выражения (7) будет отличаться лишь вторым сомножителем, который в этом случае примет вид [1п(гг-+1 - г)- ln(zi - г)]. Для определения расчетных параметров всего магнита выражение (7) необходимо суммировать по числу сторон магнита.

Разработаны программы расчёта поля по данным формулам построений графиков магнитной индукции и картин силовых линий. На рис. 1 приведены примеры подобных картин для магнитов разной конфигурации, построенные с помощью персонального компьютера. Многочисленные измерения магнитной индукции реальных магнитов или их систем показали что погрешность расчёта не превышает 5 %.

X

Рис. 1. Картины поля постоянных магнитов разной конфигурации

Силы, создаваемые полем постоянных магнитов могут быть определены из общего выражения пондеромотор-ных магнитных сил F = ^MVB [2]. Раскрывая grad B на плоскости в декартовой системе имеем :

^ = *0. M дх 4л

- k1(x2 - х)+ k2 (y2 ~ y) + k1(x1 ~ x)~ k2 (y1 ~ У) (x2 - x)2 +(У2 - У)2 (xl - x)2 + (У1 - У)2

k3(x4 - x)+ k4(y4 - y) + k3(x3 - x)-k4(уз - у) (x4 - x)2 +(У4 - y)2 (x3 - x)2 + (Уз - У)2

(10)

Имея в виду, что:

sma = sin

arctg

By

í

bX+b]

cosa = cos

arctg-

Bx

K2 + By

(11)

Подставляем формулы (9, 10, 11) в (8) и получим выражение силы в поле постоянного магнита. Для табуляции формулы (8) также составлены программы расчёта на ЭВМ. На рис. 2 показаны кривые эффективной плотности в объёме ферроколлоида намагниченностью 10 кА/м, расположенного над магнитами с индукцией на поверхности 0,2 Тл. Эффективная плотность определялась по формуле рэ = ро + ^ / g

где ро - физическая плотность ферроколлоида, g - уско-Рис. 2. К расчету магнитного поля постоянного магнита

рение силы тяжести. Многочисленные замеры величины рэ с помощью мерных тел известной плотности подтверждают соответствие расчетных и экспериментальных данных.

Разработанный аналитический метод расчёта позволяет достаточно точно определить силовое поле в сепараторах на постоянных магнитах. Метод использовался при разработке магнитных и магнитожидкостных сепараторов для обогащения золотосодержащих шлихов.

Некоторые из этих сепараторов показаны на рисунках. Организовано малосерийное их производство. Около двухсот аппаратов внедрено в практику золотодобычи.

Для реализации технологии магнитно-флокуляционной концентрации мелкого золота и амальгамы при промывке золотосодержащих песков в т.ч. и техногенных в НТЦ МГГУ разработан ряд конструкций. Общим для всех конструкций является наличие магнитной системы на основе блоков постоянных магнитов с чередующейся полярностью, осадительной поверхностью из немагнитного материала с магнитно - индукционной решеткой (трафаретами) и механизма, позволяющего перемещать магнитную систему относительно осадительной поверхности.

Одним из вариантов в направлении совершенствования техники и технологии магнитно-флокуляционной концентрации стал, разработанный в НТЦ МГГУ, сепаратор КПМФ-4(Л) с непрерывной разгрузкой шлиха. В конструкции КПМФ-4(Л) реализована идея непрерывной разгрузки накапливающегося шлиха (концентрата). Осадительной (рабочей) поверхностью является резиновая лента, движущаяся на встречу потоку материала с малой скоростью 1-2 см/с. При этом происходит рыхление слоя магнетита, за счет переориентации слоя магнетита, за счет переориентации слоя флокул, что значительно повышает эффективность процесса концентрации полезного компонента. Опытный образец ленточного концентратора успешно испытан в сезоне 2000 г. на участке ГГП «Амур-золоторазведка» в Амурской области.

Для выделения из шлиховых продуктов сильно

магнитных минералов и железного скрапа создан магнитный сепаратор тарельного типа. Сепаратор пред-

+

ставляет собой вибролоток, по которому перемещаются минеральные частицы. Над лотком неподвижно установлена система постоянных магнитов. Между лотком и магнитами вращается тарель с радиальными ребрами обращенными к лотку Магнитные частицы, оказавшись в поле действия постоянных магнитов отрываются от лотка, прилипают к табели и в процессе её вращения выносятся ребрами из магнитного поля, разгружаясь в соответствующий приемник Немагнитные частицы разгружаются в конце лотка в другой приемник. В сепараторе использована техполюсная система открытого типа из самарий-кобальтового сплава. Магнитная индукция в рабочем пространстве достигает 0,2 тесла. Оптимизация режима сепарации осуществляется изменением высоты магнитов над лотком, амплитуды колебаний лотка и его наклона. Масса аппарата составляет 28 кг. Производительность на материале крупностью 1мм составляет 20-30 кг/час. Сепаратор хорошо отделяет из шлихов магнетит пирротин и их сростки.

Для выделения слабомагнитных минералов создан роликовый магнитный сепаратор. В этом аппарате постоянные магниты замкнутые магнитопроводом в цепь, установлены под и над вибролотком, причём верхний магнит находится внутри полого ролика из магнитомягкой стали. Сечение внешней стенки ролика обращенной к вибролотку имеет пилообразную форму. Это создает в рабочем зазоре достаточно большую магнитную индукцию (до 0,8 тесла) и высокий градиент этой величины, что обеспечивает извлечение таких парамагнитных минералов как гематит ильменит гранат и многих других, встречающихся в золотосодержащих шлихах. Аппарат весит около 30 кг, имеет производительность по шлиху в пределах 3-10 кг/час. Регулировка сепарации осуществляется изменением положения ролика над вибролотком.

С целью повышения производительности создан двухвалковый магнитный сепаратор на постоянных магнитах из сплава необий-железо-бор, в котором осуществляются обе стадии магнитной сепарации. Сильномагнитные минералы извлекаются на первом лотке, выполненном из немагнитного материала с рифлями вдоль образующих. Магниты установлены внутри валка на несущей его неподвижной оси. Вынос и разгрузка магнитных частиц прилипших к валку под действием магнитного поля, обеспечивается рифлями на валке в процессе его вращения. Устройство второго валка аналогично вышеописанному роликовому сепаратору и отличается лишь конструктивным исполнением и увеличенной в 4 раза шириной рабочей зоны. Масса аппарата - 75 кг. Производительность 10-50 кг/час, в зависимости от содержания и соотношения в шлихе магнитных фракций. Положение магнитов и

вибролотков в данной конструкции также регулируется, что позволяет установить необходимый режим сепарации.

Основной задачей переработки шлихов является извлечение свободного золота. Для этого применяются магнитожидкостные сепараторы (МЖС). Это устройства, в которых минералы расслаиваются по удельному весу в псевдоутяжеленной неоднородным полем магнитной жидкостью. Чаще всего при этом используются ферроколлоиды магнетита в керосине. Наибольшее распространение в практике золотодобычи получили сепараторы в виде вибролотка с рабочим слоем ферроколлоида расположенным в клинообразном зазоре системы постоянных магнитов. Такая форма полюсов обеспечивает градиент магнитной индукции в направлении сил тяжести, а следовательно, создают в объёме дополнительную к архимедовой выталкивающую силу. Минералы расслаиваются по плотности в процессе перемещения вдоль рабочего слоя. Золото как наиболее тяжелое ползет по дну или скапливается на нем, остальные минералы плывут в объёме МЖ на разной высоте. В конце лотка фракции разного удельного веса отсекаются перегородками и попадают в соответствующие приемники.

На рис. 3 представлен один из таких аппаратов Длина рабочего зазора 350 мм, ширина в узкой части до 40 мм, магнитная индукция до 0 4 тэола, рабочий объём ферроколлоида 0,5 л. Масса аппарата 80 кг. Производительность до 20 кг/час. Сепаратор выполнен в трехпродуктовом варианте. Для настройки процесса разделения в конструкции предусмотрена возможность изменения ширины зазора и угла раствора между полюсами амплитуда колебаний и угол наклона вибро-лотка.

Интересной представляется конструкция МЖ - сепаратора, в котором движение легких частиц происходит поперек межполосного зазора, т.е. вдоль силовых линий магнитного поля (рис. 4). Это может улучшить гидродинамические условия разделения минералов. Угол раствора магнитов здесь может составить 90-120 градусов.

Оригинальной также является конструкция МЖ -сепаратора с плоской открытой магнитной системой. Золото и тяжелые минералы здесь собираются в приемники, снимаемые периодически. Легкие минералы попадают в карман сепарационной камеры, вытесняя из нее ферроколлоид, и также периодически разгружаются поворотом всей камеры на 90 градусов вокруг оси ее подвеса. Эта конструкция обеспечивает автоматически постоянство уровня МЖ в рабочей зоне. Существует и разрабатывается много других перспективных моделей МЖ - сепараторов

пределах РФ насчитывает около 50-ти примеров промышленного применения магнитных и магнитожидкостных сепараторов на постоянных магнитах. Потребителями этого оборудования являются золотодобывающие предприятия разной мощности и оснащенности. Сепараторы применяются для извлечения свободного золота из труднообогатимых промпродуктов кассовых отдувов, хвостов ручной и механической доводки, отходов ШОФ шлюзовых сполосков, текущих съёмов и других продуктов. Приведем несколько примеров промышленных испытаний оборудования на объектах его последующей эксплуатации.

В старательской артели «Заря-1» Амурской области накопилось большое количество золотосодержащих продуктов с высоким содержанием галенита, в том числе кассовых отдувов. После отработки режима МЖ-сепарации из этих продуктов в течении 3-х дней промис-пытаний выделено более 4-х кг чистого шлихового золота. В артели «Курчатовская» Магаданской области в период испытаний и наладки аппаратов было переработано

зультате выделено 5,2 кг шлихового золота. Высокие результаты были достигнуты в старательской артели «Г еор-гий» п. Мой-Уруста в районе средней Колымы. Сепараторы испытывались на концентратах гидросепаратора, содержащих 0,15 % золота и до 90 % пирита, а также на промпродукте ШОФ, содержащем около 1,0 % золота и до 40 % граната. В обоих случаях с помощью одной операции магнитной и МЖ - сепарации выделяется 95 %-ое шлиховое золото. В артели «Чукотка» Певекского района испытания проводились на труднообогатимых промпродуктах, содержащих много касситерита (до 60 %), пирита (до 30 %) и других тяжелых минералов, а также проволоку, окалину, дробь и пр. Из 20 кг такого материала было выделено более 1 кг золота в 95 %-й концентрат. Потери золота при переработке всех видов испытанных промпродуктов не превышают 2 %.

Эффективно, с помощью разнообразных сепараторов, проходит доработка хвостов обогащения текущих съёмов осуществляемая малыми предприятиями вручную на лотках, вашгердах, столах. Так в с/а «Золотинка» НПО Геометалл из хвостов вашгерда выделенных на полигоне с

помощью сепараторов на постоянных магнитах получено за один сезон более 12 кг шлихового золота. В следующем сезоне это количество удвоилось. По этой же технологии в период наладки оборудования в с/а «Дендрид» Амурской области выделено 1,2 кг чистого золота. Показательным является результат испытаний МЖ - сепарации хвостов золотоприемной кассы (ЗПК) промышленного участка «Красный» ассоциации «Сибирское золото» (г. Бодайбо), где из 12 кг отходов в одну операцию было выделено 43 г чистого шлихового золота. Па шлихах простого состава результаты внедрения МЖС менее эффектны, однако и здесь экономическая целесообразность имеет место. Так. в с/а «Александровская» (г. Зея Амурской обл.) из 500 л отходов ЗПК на магнитном и МЖ - сепараторах в период испытаний выделено 134,2 г шлихового золота. В артели «Дамбукинская» этого же района из 200 кг черных шлихов выделено 30 г золота.

Перспективным представляется использование разработанных аппаратов для переработки шлиховых сполос-ков во время съёмки металлов. Из 600 кг подобного материала в с/а «Пилос» (п. Красноярово Амурской обл.) выделено около 50г золота. На другом участке этого района из одной тонны серых шлихов выделено около 40 г золота. Переработка сполосков требует предварительного гравитационного обогащения перед МЖ - сепарацией, но в

1. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Методы теории функций комплексного переменного. - М.: Наука. 1987.

конечном итоге обеспечит прирост добычи металла на уровне 2-3 %.

Эффективным является применение магнитных и МЖ

- сепараторов при повторной переработке хвостов шлихообогатительных фабрик. Золото в этом случае, как правило, трудноизвлекаемое, тонкое, пластинчатое или чешуйчатое, ожелезненное, частично в виде сростков. Например, из лежалых хвостов ШОФ прииска «Карбин-ский» (Хабаровский край) с помощью центробежного сепаратора "Нельсона" было получено около 100 кг черных шлихов. В результате переработки их на магнитных МЖ

- сепараторах получено более 3 кг 98 %-го шлихового золота. Крупность золота в среднем 0,2мм. Испытания сепараторов на шлихообогатительных фабриках в п. Полярный, Бараниха, Уоть-Омчуг Магаданской обл., также подтвердили эффективность и целесообразность разработанных аппаратов для из»лечения золота из техногенного сырья.

Таким образом, практика промышленного применения сепараторов на постоянных магнитах подтверждает правильность выбранного направления модернизации этих аппаратов. В связи с этим фирмой «Г еос», совместно о Московским горным и Владикавказским технологическим университетами организован серийный выпуск этого оборудования реализация и его золотодобывающим предприятиям.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Кармазин В.И., Кармазин В.В., Магнитные методы обогащения руд. - М.: Недра, 1984.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

ІЇІ

Кармазин Виктор Витальевич - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.

Казимиров Михаил Павлович - ст. научный сотрудник, Северо-Кавказский государственный технологический университет.

Малахов Валерий Алексеевич - аспирант, Московский государственный горный университет.