Управление магнитной флокуляцией в процессах магнитного обогащения

 

Магнит­ная флокуляция существенно влияет на процесс магнитного обо­гащения, способствуя, с одной стороны, более полному извле­чению тонких ферромагнитных зерен, с другой — вызывая за­сорение концентрата путем захвата во флокулы немагнитных частиц.

Задача повышения эффективности разделения была бы зна­чительно упрощена, если бы в рабочую зону сепаратора пода­вались агрегированная пульпа или порошковая смесь, состоя­щие из чистых магнетитовых флокул и свободных немагнитных зерен. Это явление аналогично значительному искусственному укрупнению материала. Существует еще несколько аспектов, свидетельствующих в пользу магнитного агрегирования мате­риала перед разделением. Наиболее важные из них — повыше­ние магнитных свойств магнитно-структурированных флокул и отсутствие магнетитовых шламов, которые наиболее часто те­ряются в хвостах сепарации.

Применительно к магнитному обогащению и дешламации тонкоизмельченных сильномагнитных руд, исследования по по­вышению качества концентратов проводятся, в основном, в на­правлении очистки уже образовавшихся флокул от немагнит­ных включений. С этой целью увеличивают длину зоны сепарации, применяют вращающиеся магнитные системы, повышают частоту магнитного поля. Но даже при самых благоприятных условиях не удается очистить флокулы от богатых сростков и немагнитных включений, так как нижние слои материала на поверхности барабана практически неподвижны, а сепарация в монослое удорожает технологию магнитного обогащения руд.

В условиях современной технологии обогащения магнети-товых кварцитов естественный, ненамагниченный магнетит, со­держащийся в сливе мельниц первой стадии измельчения, попа­дает непосредственно в рабочие поля магнитных сепараторов напряженностью 80÷112 кА/м, и флокуляция происходит лавино­образно (практически мгновенно), поэтому захваты немагнит­ных зерен (кварц и др.) неизбежны.

Расчеты показывают, что для частиц магнетита крупно­стью 40 мм, помещенных в поле анализатора напряженностью 80 кА/м, сила взаимного притяжения на порядок больше силы магнитного поля в рабочем пространстве, зависящей от гради­ента напряженности. При удалении частиц друг от друга на расстояние больше диаметра сила взаимного притяжения при­мерно равна силе поля, в связи с чем для извлечения обособ­ленных частиц следует применять достаточно разбавленные пуль­пы (Ж:Т = 3:1), чтобы препятствовать сближению частиц на расстояние меньше диаметра.

 

Экспериментальные исследования показали, что сила взаим­ного притяжения частиц зависит также от типа магнитного по­ля. Так, прочность взаимного притяжения частиц в поле пере­менного тока примерно в 10 раз меньше, чем в постоянном поле, а в импульсных полях одной полярности на 5 % меньше вследст­вие действия вихревых токов, возникающих в частицах. В связи с этим в анализаторах лучше применять переменные поля.

Выражение для определения силы прочности F_n сцепления частиц на продольный разрыв следующее:

,

где α _э — коэффициент электрической поляризуемости на едини­цу объема; К ₁ - коэффициент, зависящий от формы и площа­ди контакта (для сферических частиц К ₁ =0,8·10²); V _ч— объем частиц, образующих агрегат, м³; ω_э— угловая частота, рад/с; t - время, с; ; - равен соотношению коэффициентов электрической поляризуемости частиц ( = α _э2 / α _э1; φ₀ - угол между большой осью агрегата и направлением си­ловых линий магнитного поля; N — коэффициент размагничи­вания (для шара N = 0,33).

Расчеты по этой формуле согласуются с экспериментальны­ми данными. С увеличением частоты поля длина прядей l, при прочих равных условиях, сокращается, что видно из эксперимен­тальных данных Лаурила:

,

где В — магнитная индукция пряди, Тл; μ ₀— магнитная про­ницаемость вакуума, Гн/м; δ— плотность пряди, кг/м³; f — частота бегущего поля, с^-1.

Видно, что для более эффективного размагничивания сле­дует применять устройства (соленоиды), питаемые переменным током повышенной частоты.

Относительно проста схема размагничивающего аппарата, состоящего из входной емкости, соленоида с коническим патруб­ком, масляного бака с катушкой, выходного устройства, преоб­разовательного блока (тиристоры ВКД-4-150-7) и конденсаторов СМ-650 В. Токоведущие части покрыты сетчатым ограждением, а масляный бак с катушкой заземлен. Включение катушки про­изводится в следующем порядке: сначала включается питание бло­ка управления, затем автомат преобразователя, после чего клю­чом включается контактор (категорически запрещается включать аппарат без размагничивающей катушки, в противном случае тиристоры выйдут из строя в результате короткого замыкания).

Для эффективной дефлокуляции необходимо: флокулы не должны успевать поворачиваться при изменении полярности; напряженность разнополярного поля должна быстро достигать максимального значения и медленно спадать; за время пребы­вания флокулы в аппарате она должна подвергаться 5—6 сме­нам полярности при напряженности, определяемой в зависимо­сти от коэрцитивной силы, с постепенным уменьшением ам­плитуды всплесков напряжения.

Первое условие соблюдается при поддержании достаточной плотности размагничиваемых пульп. Для выполнения двух дру­гих условий используется переменное поле убывающей ампли­туды, напряженность которого меняется по закону

,

где х — расстояние от начала зоны размагничивания до место­нахождения частицы, м; t — время, с; H _max— амплитудное зна­чение напряженности магнитного поля, А/м; ω — угловая частота переменного магнитного поля, рад/с; φ— угол сдвига фаз, рад. Для равномерного уменьшения амплитуды градиент напря­женности поля должен быть постоянным. При φ= 0 и t = х /v

(10.10)

где х - скорость движения пульпы, м/с; S — длина зоны раз­магничивания, м.

Пользуясь уравнением (10.10), можно найти, что при скоро­сти х = 2 м/с, S = 500 мм и φ = 1 частица не будет размагничена, так как она не будет находиться в знакопеременном поле. При 50 Гц и прочих равных условиях частицы пребывают в зоне раз­магничивания 0,25 с и испытывают 12,5 цикла перемагничивания. При этом от цикла к циклу напряженность падает на 8 %, а при f = 100 Гц — на 4%.

Под эффективностью размагничивания подразумевается отношение массы размагниченного продукта ко всему исход­ному продукту, способному размагничиваться:

,

где E _р— степень размагничивания, %; γ₁— масса размагничен­ного материала, г; γ₀— общая масса размагничиваемого мате­риала в пробе, г.

Масса размагниченного материала, полученного после про­хождения через аппарат, составит:

Масса размагничиваемого в общей массе материала рас­считывается по формуле:

,

где α — коэффициент; γ_р, γ_п.н, γ_п.р — выход слива пробы, соответ­ственно пропущенной через аппарат, полностью намагничен­ной и полностью размагниченной.

За эталон полностью намагниченного материала принимает­ся материал, намагниченный при напряжении поля 64—80 кА/м. В качестве полностью размагниченного принимается материал, размагниченный в переменном поле 64—80 кА/м для низкоко­эрцитивных руд и выше 112 кА/м - для высококоэрцитивных руд.

Учитывая, что коэффициент а для одного и того же мате­риала постоянен, степень размагничивания определяется по фор­муле:

(10.11)

Таким образом, количественной характеристикой степени процесса размагничивания является отношение увеличения вы­хода слива к выходу полностью размагниченной части пульпы.

Аппарат для контроля размагничивания представляет собой трубку из немагнитного материала диаметром 50 мм с двумя пробковыми кранами диаметром 12 мм.

Навеска магнитного материала (50—100 г) вводится в трубку через верхнее отверстие и заполняется водой до верхнего сливного патрубка, образуя, таким образом, пульпу с содержанием твер­дого 5—10 %. Затем трубку опрокидывают (вверх и вниз 20 раз для хорошего перемешивания пульпы), закрывая при этом слив­ное отверстие пробкой. После перемешивания трубка устанав­ливается вертикально и осаждение производится в течение 45 с. (Выбор времени осаждения 45 с определен согласно закону Стокса для осаждения частиц сферической формы крупностью 50 мкм). К концу этого периода открывается боковой кран и выпускает­ся неосевшая часть пульпы (слив). Оставшаяся часть пульпы (осадок) выпускается через нижний кран. Затем оба продукта вы­сушиваются для определения выхода слива yp и раздельно об­рабатываются на магнитном анализаторе при напряженности поля не менее 80 кА/м. Извлеченные из них магнитные фракции раздельно сушат и взвешивают, после чего объединяют и вновь пропускают через трубку. Немагнитные фракции, полученные после обработки слива и песков на магнитном анализаторе, в дальнейшем исследовании не участвуют.

Слив и пески, полученные после осаждения в трубке, следу­ет высушить и взвесить для определения выхода слива полно­стью намагниченного продукта γ_п.н. После этого его подверга­ют размагничиванию и вновь пропускают через осадительную трубку. Полученные после этого слив и пески снова необходимо высушить и взвесить для определения выхода полностью раз­магниченного материала γ_п.р. На основании полученных ре­зультатов рассчитывается степень размагничивания по формуле (10.11).

Теоретический расчет кинетики этих процессов позволяет определить требования к намагничивающим и размагничи­вающим аппаратам в зависимости от свойств руды.

Способ подготовки к магнитной сепарации пульп, содержа­щих тонкоизмельченные зерна магнетита, разработан и успеш­но испытан в промышленных условиях на обогатительной фаб­рике Оленегорского ГОКа.

Способ, названный «селективной магнитной флокуляцией», осуществляют путем плавного повышения напряженности маг­нитного поля в диапазоне. Для магнетитовых пульп крупностью 100 мкм этот диапазон составил 4—24 кА/м. Однако для достижения необходимой прочности флокул при подаче их в рабочую зону сепаратора использовался диапазон 4—40 кА/м.

Разработанный способ предусматривает обработку пульпы непосредственно перед операцией сепарации в специальном ап­парате — флокуляторе. Последний представляет собой ряд элек­тромагнитных катушек с возрастающей напряженностью маг­нитного поля (от 3,2—4 до 40 кА/м), внутри которых протекает минеральная суспензия. Аналогичное поле, в принципе, может быть создано системой постоянных магнитов, но практически при любом шаге магнитной системы трудно добиться одно­родности поля. И поскольку требуемое напряжение невелико, то лучше использовать электромагнитную систему.

При последовательном и равномерном усилении напряженности магнитного поля вначале образуются чисто магнетитовые флокулы (без включений немагнитных частиц), ко­торые в конце зоны обработки при увеличении H до 40 кА/м укрепляются и снаружи обрастают сростками магнетита с пустой породой. С целью повышения содержания магнетита в конечных флокулах необходимо применение турбулентно­го режима перемешивания пульпы при магнитной обработ­ке. При этом происходят процессы диссоциации — ассоциа­ции макрофлокул, снижающие содержание немагнитных ми­неральных зерен во флокулах.

В результате пульпа структурируется таким образом, что образуются чистые магнетитовые флокулы и немагнитные зер­на, что способствует повышению производительности и эффек­тивности работы мокрого магнитного сепаратора. Механиче­ские силы, разрушающие флокулы, обеспечиваются турбулент­ным режимом и вибрацией. Кроме того, очень важно не допус­тить перепада напряженности поля в сторону снижения ее при подаче материала в рабочую зону сепаратора, так как при этом часть селективных флокул разрушается и влияние агрегирова­ния снижается.

Были испытаны два варианта предварительной агрегации материала: в водной среде (обработка магнетитовых пульп) и в воздушной — при сухой центробежной магнитной сепарации.

Для изучения влияния предварительной обработки пульп в магнитном поле был использован разработанный автором се­лективный флокулятор, состоящий из немагнитной трубы, вну­три которой расположен лопастной турбулятор, создающий гид­родинамические силы для разрушения флокул. Труба с турбулятором помещена внутри электромагнитных катушек, число витков в которых возрастает вдоль по оси в соответствии с не­обходимой картиной магнитного поля.

Сравнительные испытания по мокрой магнитной сепара­ции проводились в лабораторных условиях при включенном и выключенном флокуляторе на магнетитовых кварцитах Кривбасса и восстановленных табачных рудах Камыш-Бурунского ЖРК крупностью —74 мкм. Опыты показали, что предвари­тельная селективная флокуляция обеспечивает повышение со­держания и извлечения железа (табл. 10.1).

Таблица 10.1

Влияние предварительной обработки пульпы во флокуляторе на результаты мокрой магнитной сепарации

Руда	Продукты	Выход Fe, %	Содержание Fe, %	Извлечение Fe, %
Криворожские кварциты	Концентрат	51/47,2	53,5/61,2	82,5/82,9
	Хвосты	49/55,8	11,6/10,4	17,5/17,1
	Исходный		32,8
Табачная Камыш-Бурунского ЖРК	Концентрат	41,4/41,1	62,5/66,7	73,3/79,3
	Хвосты	58,6/58,9	16,0/12,3	26,7/10,7
	Исходный		35,2
Примечание. В числителе — без обработки, в знаменателе — с обработкой.

 

Применение селективной флокуляции перспективно прежде всего для размагниченных продуктов, поступающих на сепара­цию (исходный продукт, сливы классификатора и гидроцикло­нов). Влияние постепенного магнитного структурирования на­иболее полно проявляется при сепарации тонкоизмельченных, но небогатых продуктов.

Совместно с Оленегорским ГОКом на базе размагничиваю­щего аппарата был изготовлен и испытан в промышленных усло­виях селективный магнитный флокулятор СФ-1.

Техническая характеристика опытно-промышленного образца селективного флокулятора СФ-1

Производительность по пульпе, м³/ч...........................................................70

Ток намагничивания, А................................................................................До 30

Номинальное напряжение постоянного тока, В..........................................220

Число катушек................................................................................................5

Длина лопастного турбулятора, мм............................................................1000

Изменение напряженности поля по длине

флокулятора при номинальном токе, кА/м................................................ 4—40

Габаритные размеры, мм:

ширина...................................................................................................... 635

высота........................................................................................................670

длина.......................................................................................................... 1080

Масса флокулятора, кг..................................................................................310

 

Флокулятор был смонтирован над загрузочной коробкой сепаратора 26-СБ и включен в операцию основной магнитной сепарации на сливе классификаторов.

При этом расстояние между магнитными системами флоку­лятора и сепаратора составляло около 250 мм, что могло при­водить к разрушению частиц подготовленных флокул и захвату примесей при входе пульпы в магнитную систему сепаратора.

 

В ходе промышленных испытаний изучено влияние плотно­сти пульпы, напряженности магнитного поля и производитель­ности на конечные показатели мокрой магнитной сепарации. При проектировании конструкции селективного магнитного флоку­лятора допустимая скорость движения пульпы во флокуляторе не должна превышать 1 м/с.

Восстановленная табачная руда (степень восстановления рав­на 15,8 %) имеет максимальную удельную магнитную восприим­чивость около 0,039 см³/г при Н = 36 кА/м и высокую коэрцитив­ную силу H _с = 18 кА/м (магнитожесткие руды), последнее существенно снижает эффективность магнитной сепарации, поэтому желательно применение любого способа управления структу­рой флокул, уменьшающего захват немагнитной фракции.

Флокулятор был включен в технологическую схему фабрики перед первой магнитной сепарацией (рис. 4.18, а). Обожженная та­бачная руда, измельченная в шаровой мельнице, попадала во фло­кулятор, после чего структурированная пульпа подавалась на маг­нитную сепарацию. Обожженная табачная руда поступала на фа­брику с двухзонного реактора кипящего слоя. Содержание железа в ней было непостоянно и составляло от 51,8 до 55,3 %, соответст­венно и степень восстановления колебалась от 11 до 12 %. Картина магнитного поля флокулятора представлена на рис. 10.3, б.

 

Рис. 10.3. Селективный магнитный флокулятор:

а —осевой разрез: 1 — немагнитная труба; 2 — турбулятор; 3 — электромагнитные ка­тушки; б — распределение магнитного поля в рабочей зоне магнитного селективного флоку­лятора (при I = 20 А); I—VII—номера катушек

Рис. 10.4. Зависимость эффективности обогащения ферромагнитных

руд от селективной флокуляции

 

Испытания проводились при включенном и выключенном флокуляторе (рис. 10.3). В результате испытаний установлено на­личие структурирования руды. Так, при картине магнитного поля, когда на входе флокулятора напряженность составляла 1600 кА/м, а на выходе — 16—20 кА/м (намагничивающий ток 9 А), содер­жание железа в концентрате было повышено на 1,2 %, а в хво­стах снижено на 7,4 %.

Рабочий проект селективного флокулятора СФ-1 был вы­полнен институтом Механобрчермет.

При сухом обогащении селективная флокуляция была ис­пытана применительно к процессу сухой центробежной магнит­ной сепарации. Исследования проводились сепаратором про­мышленного типа 21-СВ диаметром 400 мм и длиной 1000 мм.

Исследовались магнетитовые кварциты Криворожья и обож­женные табачные руды Камыш-Бурунского железорудного комбината. Руда предварительно измельчалась до 90 % клас­са -80 мкм в противоточной струйной мельнице конструкции ВНИИНСМ.

Магнитный сепаратор 21-СВЛ снабжен специальным уст­ройством для подготовки материала, состоящим из вибролотка и вспомогательной магнитной системы для флокуляции в усло­виях механического разрушения. Материал попадает на ви­бролоток, под которым установлены специальные магниты с чередующейся полярностью и с напряженностью 3,2 кА/м в начале лотка и 40 кА/м в конце. При движении материала в воз­растающем магнитном поле образуются чистые магнетитовые флокулы, так как при малой напряженности способны проти­востоять механическим силам только флокулы из весьма сильно­магнитных частиц. При увеличении напряженности флокулы укрепляются и снаружи обрастают сростками магнетика с квар­цем, которые легко отделяются затем механическими силами при перемешивании на барабане сепаратора.

Исследования показали, что применение селективной фло­куляции перед сухой сепарацией повышает содержание железа в концентрате на 3 %, извлечение на 0,7 %, одновременно сни­жая содержание и потери железа в хвостах (табл. 10.2). При этом улучшается качество концентрата и повышается эффективность процесса разделения.

Таблица 10.2

Влияние селективной флокуляции на процесс сухого магнитного разделения

Продукты	Выход, %	Содержание Fe, %	Извлечение Fe, %	Эффективность, %
Концентрат	46,3/44,4	58,2/61,2	80,7/81,4
Хвосты	53,7/55,6	12/11,2	19,3/18,6	64,2/69,1
Исходный		33,4
Примечание. В числителе — без обработки, в знаменателе — с обработкой.

 

Практически селективную флокуляцию можно осуществ­лять двумя способами: централизованно, с помощью специаль­ного флокулятора, аналогично ранее описанному, и локально, сепараторами, имеющими специальную конструкцию ванн, в которой для этой цели используются поля рассеивания основ­ной магнитной системы сепаратора. В существующих конст­рукциях сепараторов необходимо предусматривать механическое разрушение флокул (увеличением высоты перепада, длины пути или водоструйным разрушением и др.) в промпродуктах, посту­пающих с первого барабана на второй, со второго — на третий.

Таким образом, процесс селективной магнитной флокуля­ции позволяет вскрывать новые резервы повышения технико-экономических показателей обогащения тонкоизмельченных силь­номагнитных руд и интенсификации существующих процессов и аппаратов. Он уже реально используется в промышленности.

 

ЛЕКЦИЯ 11. УСТРОЙСТВО СЕПАРАТОРОВ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ПРИ МАГНИТНОМ ОБОГАЩЕНИИ