Высокоградиентные (полиградиентные) сепараторы

К этой группе сепараторов относятся аппараты с зоной разделения, заполненной ферромагнитными телами-носителями, замыкающими магнитный поток.

Основное применение высокоградиентных сепараторов – обогащение тонкоизмельчённых слабомагнитных руд, шламов и других продуктов (окисленные железные руды, обезжелезивание неметаллических полезных ископаемых).

Принцип разделения в высокоградиентном сепараторе заключается в следующем. При помещении матрицы, заполненной ферромагнитными телами, во внешнее магнитное поле ферромагнитные тела намагничиваются и создают высокое магнитное поле с трёхмерной неоднородностью с большим градиентом. Магнитная сила внутри объёма ферромагнитных тел хотя и ограничена, но больше, чем в любом другом сопоставимом сепараторе. Когда рабочая матрица сепаратора находится в зоне действия внешнего магнитного поля, в объём ферромагнитных тел подаётся пульпа исходного материала. Слабомагнитные частицы притягиваются к поверхности ферромагнитных тел. Немагнитные частицы проходят между ферромагнитными телами и разгружаются под действием силы тяжести (если использована верхняя подача материала). Далее рабочая матрица выводится из зоны действия магнитного поля, ферромагнитные тела размагничиваются, и слабомагнитная фракция смывается водой и попадает в свой приёмник.

Матрицы высокоградиентных сепараторов делятся на три группы: контактные, бесконтактные и комбинированные.

К контактным относятся матрицы, у которых ферромагнитные тела (шары, цилиндры) соприкасаются друг с другом. К бесконтактным относятся матрицы, у которых феррозаполнители (рифлёные пластины, стержни различного сечения) закреплены с зазорами друг относительно друга. Комбинированные матрицы заполняются ферромагнитными телами (сетка, стружка, вата), уложенными без зазоров между собой. В данном случае матрица является как контактной (в зоне соприкосновения её элементов), так и бесконтактной (в остальных зонах). Феррозаполнители матриц изготавливаются из магнитомягких материалов с высокой магнитной проницаемостью, низкой остаточной индукцией и высокой абразивной и коррозионной стойкостью.

Рассмотрим конструкцию и принцип работы высокоградиентных сепараторов на примере аппаратов, приведённых на рис. 4.

Наиболее простую конструкцию имеют барабанные шариковые сепараторы с неподвижной магнитной системой, расположенной внутри вращающегося барабана. В качестве ферромагнитной среды используются шарики, слоем уложенные на поверхности барабана. Для удержания шариков у поверхности барабана в нижней его части используют обечайку с отверстиями для разгрузки продуктов. Напряжённость магнитного поля таких сепараторов достигает 320-480 кА/м.

Барабанный шариковый сепаратор ЭБМШ-120/250 разработан для обогащения окисленных железных руд и шламов на фабриках невысокой производительности. Производительность сепаратора составляет 10-40 т/ч в зависимости от крупности и магнитных свойств исходного продукта.

На поверхность барабана сепаратора ЭБМШ-120/250 уложены металлические окатыши (ферромагнитные тела), которые намагничиваются под действием магнитной системы. Окатыши постоянно перекатываются и движутся в одном направлении с барабаном. В левой части сепаратора (рис. 4а) окатыши удерживаются у поверхности барабана за счет силы магнитной системы. В правой части сепаратора окатыши размагничиваются и падают вниз под действием силы тяжести, где они подхватываются магнитным полем и попадают опять в левую часть сепаратора. Сепаратор снабжён устройством автоматического извлечения комплекта ферромагнитных носителей со дна ванны при включении электромагнитной системы и укладкой их на дно ванны при выключении системы.

Сепаратор ЭБМШ-120/250 (см. рис. 4а) работает следующим образом. Пульпа исходного материала из питателя 3 поступает на вращающийся барабан 1 напротив неподвижной электромагнитной системы 2, установленной внутри барабана. Немагнитные частицы под действием гравитационных сил проходят сквозь слой окатышей и разгружаются в левой части сепаратора. Слабомагнитные частицы притягиваются к намагниченным окатышам и движутся в верхнюю часть барабана и, далее, в правую часть барабана, где окатыши размагничиваются и слабомагнитные частицы смываются с их поверхности водой. Для лучшей очистки окатышей от слабомагнитных частиц и лучшего их размагничивания правая часть сепаратора снабжена неподвижными немагнитными полками, по которым скатываются окатыши вниз.

Более сложную конструкцию и большие массу и размеры по сравнению с барабанными сепараторами имеют высокоградиентные сепараторы с перфорированным ротором (роторами). Рабочим элементом данных аппаратов является вращающийся ротор, разделённый на рабочие камеры (матрицы), заполненные ферромагнитными телами. Рабочая камера таких сепараторов поочерёдно входит в зону действия магнитного поля (зона загрузки исходного и разгрузки немагнитного продуктов) и в зону разгрузки магнитного продукта (внешнее магнитное поле отсутствует). Магнитная система роторных высокоградиентных сепараторов располагается снаружи и позволяет создавать более высокие значения магнитной силы.

Роторные высокоградиентные сепараторы по направлению вектора магнитной индукции делятся на две группы: с горизонтальным и вертикальным направлением. При несовпадении вектора индукции с направлением подачи питания (исходный подаётся сверху, горизонтальный вектор магнитной индукции) возрастает вероятность зарастания рабочих зазоров между ферромагнитными телами матриц. При совпадении вектора индукции и подачи питания (вертикальный вектор) уменьшается вероятность перекрытия рабочих зазоров магнитными частицами.

Для создания горизонтального магнитного поля используются более простые электромагнитные системы с боковым расположением полюсов относительно рабочих матриц. Однако для достижения требуемых объёмов зоны разделения необходимо значительно увеличивать размеры и массу электромагнита и самого сепаратора. К аппаратам этой группы относится сепаратор Джонса фирмы «Нumboldt Wedag» (Германия) (рис. 4г).

Для создания вертикального вектора магнитной индукции используются электромагнитные системы панцирного типа, один полюс которых располагается над вращающимся ротором, а другой – под ротором. Такое взаиморасположение полюсов создаёт более сильное и равномерное магнитное поле внутри объёма рабочей матрицы и обеспечивает большую единичную производительность сепаратора по сравнению с сепараторами с горизонтальным магнитным потоком. К группе аппаратов с вертикальным вектором магнитной индукции относятся сепараторы «Sala-Carousels» фирмы «Denver Sala» и ВМС-100/2 (рис. 4б и 4в).

Рис. 4. Высокоградиентные магнитные сепараторы:

а – ЭБМШ-120/250: 1 – барабан; 2 – электромагнитная система; 3 – питатель; 4 – брызгала;

б – Сала-Карусель: 1 – ротор; 2 – рабочие камеры (матрицы); 3 – обмотки возбуждения; 4 – магнитопровод; 5 – патрубки для подачи исходной пульпы; 6 – патрубки для подачи промывной воды; 7 – патрубок для предварительного заполнения рабочей камеры водой; 8 – станция разгрузки магнитного продукта; 9 – патрубок для подачи смывной воды; 10, 11 – патрубки для разгрузки немагнитных продуктов; 12 – патрубок для разгрузки магнитного продукта;

в – ВГС-100/2 (схематическое устройство): 1 – магнитопровод; 2 – обмотка возбуждения; 3 – верхние полюса магнитной системы с отверстиями для подачи исходного продукта; 4 – вал; 5 – рама; 6 – рабочая матрица с феррозаполнителем; 7 – перфорированный ротор; 8 – смывное устройство магнитного продукта; 9 – ванна;

г – сепаратор Джонса: 1 – магнитопровод; 2 – рама; 3 – обмотки возбуждения; 4 – ротор; 5 – рабочие камеры с феррозаполнителем; 6 – приёмники для подачи исходной пульпы и воды; 7 – ванна для сбора продуктов обогащения; 8 – вал; 9 – привод; 10 – вентилятор для охлаждения обмоток возбуждения.

Высокоградиентные сепараторы «Sala-Carousels» фирмы «Denver Sala» имеют кольцеобразный рабочий орган (ротор) 1, разделённый на рабочие камеры 2, в качестве матриц которых использованы сетки (см. рис. 4б). Рабочие камеры ротора проходят через замкнутую магнитную систему, создающую магнитный поток в вертикальном направлении. Магнитная система состоит из водоохлаждаемых медных обмоток 3 и магнитопровода 4 и расположена таким образом, что один полюс находится над ротором, а другой -под ротором. Исходная пульпа и промывная вода подаются в рабочую зону сверху по патрубкам 5 и 6, соответственно, а затем через щелевидные отверстия в верхнем полюсе магнитной системы. Через щелевидные отверстия в нижнем полюсе, а затем по патрубкам 10 и 11 разгружается немагнитная фракция. Перед загрузкой исходного продукта рабочая камера предварительно заполняется водой по патрубку 7. В процессе вращения ротора его текущая рабочая камера заходит в станцию разгрузки магнитного продукта 8. Станция разгрузки магнитного продукта имеет два варианта исполнения. При первом варианте смывная вода подаётся по патрубку 9 сверху, при втором – вода подводится снизу под давлением, а магнитный продукт разгружается с помощью сифона.

Охлаждение обмоток электромагнитной системы осуществляется водой. Расход воды составляет 0,15 л/мин на 2 кВт номинальной мощности. Контур охлаждения катушек сепаратора имеет автоматическую систему защиты от перегрева.

Фирма «Denver Sala» (США) разработала несколько моделей сепараторов «Sala-Carousels», отличающихся числом и мощностью электромагнитных систем (магнитных головок), размерами и как следствие производительностью.

Пражским институтом по исследованию руд и институтом «Механобрчермет» разработан двухбарабанный сепаратор ВГС-100/2 производительностью 100 т/ч (рис. 4в). Сепаратор ВГС-100/2 имеет два ротора (барабана) диаметром 2000 мм и шириной 1000 мм. Масса сепаратора 143,5 т, габаритные размеры 5140х5960х х3320 мм, мощность привода роторов 10,8 кВт, мощность электромагнитной системы при напряжённости 400 кА/м составляет 22,4 кВт (максимальная мощность – 84 кВт). Сепаратор имеет панцирную магнитную систему, создающую магнитный поток в вертикальном направлении. Сепаратор ВГС-100/2 в отличие от сепаратора «Sala-Carousels» имеет горизонтальную ось вращения роторов.

Панцирная магнитная система сепаратора ВГС-100/2 (см. рис. 4в) состоит из магнитопровода / с расположенной внутри обмоткой прямоугольного сечения 2 и полюсов 3 с отверстиями для подачи питания и промывной воды в рабочую матрицу ротора (верхние полюса) и разгрузки немагнитной фракции (нижние полюса). Часть магнитопровода, находящаяся внутри катушки, имеет кольцеобразный канал для прохождения в нём роторов 7, разделённых на рабочие камеры с матрицами 6. На внешней части магнитопровода установлены приёмники для продуктов разделения. Подача исходного продукта и разгрузка немагнитного продукта осуществляется в матрицах, находящихся в верхней части роторов (ротор находится внутри магнитной системы). Разгрузка немагнитного продукта осуществляется из матриц, находящихся в нижней части роторов (ротор находится в ванне 9). В качестве феррозаполнителя матриц используются стержни.

При обогащении окисленных железистых кварцитов (в две операции) в сепараторе В ГС-100/2 получены следующие показатели: выход концентрата 40,5 %; массовая доля железа в концентрате 59,3 %; извлечение железа в концентрат 68,1 %. Производительность по питанию составила 100 т/ч, массовая доля железа в исходном продукте 35,3 %, напряжённость магнитного поля 640 кА/м.

Сепараторы Джонса (Германия) имеют магнитную систему, создающую горизонтальный магнитный поток. Сепаратор Джонса (см. рис. 4г) состоит из электромагнитной системы, двух роторов 4 с рабочими камерами 5, заполненными рифлёными пластинами, приёмников 6 для подачи исходной пульпы в рабочую камеру ротора, устройства для промывки и смыва концентрата, вала роторов 8 с приводом 9 и ванн 7 для сбора продуктов обогащения. Электромагнитная система состоит из магнитопровода 1 и четырёх медных катушек 3, охлаждаемых потоком воздуха. Сепаратор имеет специальное очистное устройство для очистки рабочих зазоров между пластинами от сильномагнитных частиц. Очистное устройство установлено над рабочей матрицей вне зоны действия магнитного поля и обеспечивает периодическую подачу сжатого воздуха и воды, управляемую электронной системой.

Каждый ротор имеет по две точки подачи исходного продукта и разгрузки немагнитного (в зоне действия внешнего магнитного поля) и по две точки разгрузки магнитного продукта (вне зоны действия магнитного поля).

В качестве феррозаполнителя рабочих камер роторов применены пластины с шагом нарифлений 3,2 мм. Пластины установлены вертикально с зазором 0,8-2,5 мм. Максимальная напряжённость магнитного поля составляет 880 кА/м, она одинакова для верхнего и нижнего роторов. Мощность возбуждения магнитного поля сепаратора ДР-317 достигает 75 кВт.

Фирма «Humboldt Wedag» (Германия) разработала типоразмерный ряд сепараторов Джонса с диаметром роторов от 400 до 3350 мм, отличающихся габаритными размерами и производительностью (табл. 2).

Таблица 2. Технические характеристика сепараторов Джонса

Параметры	ДР-335	ДР-3 17	ДР-250	ДР-180	ДР-140	ДР-112	ДР-90
Диаметр ротора, см
Производитель- ность, т/ч
Габаритные разме ры, мм:
- длина	-
- ширина	-
- высота	-
Масса, т	-	98,0	70,0	41,7	23,0	22,4	16,0

Достоинством сепаратора Джонса является высокая механическая надёжность и простота конструкции. К недостаткам сепаратора следует отнести забивание (зарастание) рабочих зазоров между пластинами сильномагнитными частицами или случайными крупными предметами, что приводит к затруднению протекания пульпы через матрицы ротора.

Шведской научно-исследовательской организацией по обогащению полезных ископаемых на одном и том же исходном материале были проведены сравнительные испытания пяти наиболее известных зарубежных сепараторов с матрицами трех типов: сепаратор «Джонса ДР-71», «Боксмаг-Рэпид», «Ридинга 16 Поул», «Крупп-Сол-24/14» и «Сала-Карусель». Испытания проводили на искусственной смеси гематита с кварцем крупностью – 0,05 мм с массовой долей железа 43,7%.

Было установлено, что при наименьшей магнитной индукции на высокоградиентном сепараторе Сала с замкнутой магнитной системой панцирного типа достигаются наиболее высокие показатели. Близкие к ним показатели получены на сепараторе Джонса. Удельный расход электроэнергии самый высокий на сепараторе Сала. Испытания показали, что на матрицах всех типов высокая селективность разделения достигается для частиц крупнее 0,1 мм. Тот же уровень селективности сохраняется на сепараторе «Сала-Карусель» при разделении частиц крупностью 16–24 мкм и лишь несколько ниже на сепараторе Джонса.

Общим достоинством всех высокоградиентных сепараторов является создание в зоне разделения высокой магнитной силы, позволяющей обогащать тонкоизмельчённые слабомагнитные минералы и другие продукты.

К недостаткам всех конструкций высокоградиентных сепараторов с перфорированным ротором (роторами) относятся высокие расходы электроэнергии и воды при обогащении и резкое возрастание массы, размеров и стоимости при использовании сепаратора с высокой производительностью. Так, удельный расход электроэнергии на 1 т руды достигает: 0,5 кВт (сепаратор Джонса); 2,4 кВт («Sala-Carousels»); 3,45 («Крупп-Сол»), а удельный расход воды на 1 т руды достигает: 1,5-2,0 м³ (сепаратор Джонса); 24 м³ («Sala-Carousels»).

Кроме того, эффективность разделения в высокоградиентных сепараторах снижается при закреплении слабомагнитных частиц на поверхности ферромагнитных тел более чем в один слой. В связи с этим сепараторы достигают высоких результатов разделения при производительности ниже паспортной.

За рубежом и в России ведутся работы по созданию сепараторов с сильными магнитными полями на новых физических принципах и материалах: явлении сверхпроводимости и высокоинтенсивных редкоземельных постоянных магнитах. Они позволяют частично заменить дорогостоящие в эксплуатации сепараторы с электромагнитными системами. Однако это тема отдельного обзора.

Список использованной литературы

1. Кармазин В.В., Кармазин В.И. Магнитные и электрические методы обогащения: Учебник для вузов. М.: Недра, 1988, 304 с.

2. Пелевин А.Е. Магнитные и электрические методы обогащения. Учебное пособие – Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2003, – 157 с.

3. Азбель Ю.И. Электромагнитные и магнитные сепараторы института «Механобр» // Обогащение руд – 1995 – № 1-2, с. 89.

4. Справочник по обогащению руд. Основные процессы. М.: Недра, 1983.

Дата добавления: 2015-07-02