Brevet FR2253567A1 — publié le 19750704

La présente invention se rapporte à un procédé de sépa- ration magnétique de matières faiblement aimantables, dans lequel le matériau de charge comportant les particules à séparer est amené au séparateur magnétique après des mesures préparatoires appropriées comme le broyage fin, le séchage, le passage au tamis, la séparer tion préalable, puis les constituants aimantables du matériau de charge dont ltaimantabilité dépasse un certain seuil sont, sous lZaction du champ magnétique, dévié dans une mesure telle qulils parviennent dans des récipients capteurs ayant pour rôle de recevoir ces constituants, tandis que les autres matières, en fait les fractions non aimantables du matériau de charge, parviennent sans influence notable du champ magnétique, dans autres récipients prévus pour cela. Tous les séparateurs magnétiques réalisés actuellement comportent, comme partie active, des pôles de forme particulière en matières ferromagnétiques, qui sont des matières à aimantation permanente ou bien sont excitées et aimantées de façon courante au moyen d'enroulements parcourus par du courant. Dans le sépara- teur, le matériau de charge qui y est amené à létat sec ou à ltétat humide, en suspension, passe entre des entrefers en général étroits devant les pôles qui sont souvent recouverts par une couche séparatrice en matière amagnétique.Les constituants aimantables du matériau de charge sont attirés par les pôles magnétiques et se fixent sur eux ou sur la couche séparatrice amagnétique, dans la mesure où ces constituants ont une aimantabilité dépassant un certain seuil. Cela signifie qu'il se fixe aux pôle les constituants dont les susceptibilités spécifiques propres à la matière présentent de plus grandes valeurs que celles pour lesquelles le type de séparateur envisagé dans chaque cas est dimensionné ou aåusté. Toutes les autres matières parviennent sans influence dans le récipient capteur prévu pour cela.Le matériau attiré adhérant aux pôles magnétiques ou à la couche séparatrice en est alors séparé de façon variable, pour etre reçu alors par autres réci- piments capteurs : par exemple, le pôle magnétique passe en tournant sous la couche séparatrice, ou bien la couche séparatrice s'éloigne du pôle magnétique, mais le matériau qui adhère peut également être détaché mécaniquement ou bien chassé par de l'eau sous pression. Pour s'exprimer de façon simple, on obtient donc, comme résultat de cette séparation, à partir du mélange de charge ------ initial, un récipient comportant la matière ne subissant pas d'influences magnétiques, un autre récipient comportant de la matière séparée magnétiquement, dans lequel se trouvent indifféremment toutes les substances ayant des susceptibilités spécifiques égales et supérieures à la valeur limite éorrespondante du séparateur, ainsi qu'en général, dans la pratique, un troisième récipient encore comportant un produit mixte de matières des deux premiers récipients. La limite inférieure des susceptibilités spécifiques avec lesquelles on peut faire fonctionner des séparateurs magnétiques classiques est d'environ 10 kg/m3. Les matières dont il est question dans cette séparation magnétique ont en prépondérance des propriétés paramagnétiques, plus rarement diamagnétiques (les fractions ferromagnétiques sont séparées aux cours d'une séparation préalable). Pour obtenir un effet dynamique sur des substances paramagnétiques, on doit les amener dans un champ magnétique non homogène.En outre, l'intensité magnétique de ce champ doit être localement élevée. l'intensité du champ magnétique aimante les particules de matière paramagnétiques et l'oriente dans le champ magnétique dans la direction des lignes de champ, tandis que la variation locale du champ (le gradient) exerce une force dépendant de l'intensité d'aimantation de ia particule sur ladite particule qui a tendance à se déplacer vers les intensités de champ supérieures. L'aimantabilité d'une matière s'exprime par sa susceptibilité propre, tandis que l'intensité d'aimantation dépend de l'intensité de champ extérieure, de sorte que la force exercée sur la particule est proportionnelle au produit de l'intensité de champ et de la variation locale d'intensité du champ dans la direction de la ligne d'action de la force. Depuis très peu de temps, on s'intéresse beaucoup plus à des matières minérales rares présentant des susceptibilités spécifiques encore plus faibles que 10 8kg/m3 et, par suite, il apparait le besoin d'obtenir économiquement ces matières minérales rares extrêmement faiblement aimantables par séparation magnétique. L'invention a pour objet de perfectionner le procédé décrit cidessus et de compléter l'appareillage correspondant, de façon à tenir compte dans une large mesure du besoin indiqué. Pour y parvenir, selon l'invention; dans un procédé de séparation magnétique de matières faiblement aimantables caractérisé dans l'introduction on produit le champ magnétique, pour augmenter son intensité, dans l'entrefer de bobines supraconductrices, pour produire une hétérogénéisation voulns tiu champ servant à augmenter la force srexerçant sur des matières faiblement aimantables, impliquant la formation d'un gradient de champ, on agence spatialement et l'on monte élec- triquement plusieurs bobines de façon à former des multipoles et, pour augmenter encore la force locale, on superpose aux champs multipolaires un champ magnétique pratiquement homogène. Selon un autre mode d'exécution de ltinvention, pour réaliser les agencements multipolaires, on dispose plusieurs bobines supraconductrices symétriquement par rapport à l'axe de passage du flux, de façon que le gradient de champ soit orienté perpendiculairement au sens de déplacement. On obtient ainsi par le montage électrique des bobines, un champ présentant une symétrie de révolution par rapport à l'axe de passage du flux en ce qui concerne la valeur absolue de la densité de flux magnétique, avec une-action radiale avantageuse sur les particules. Selon un autre mode d'exécution cle de l'invention, pour produire ie champ magnétique superposé pratiquement homogène, on utilise un solénoïde enroulé autour des bobines dans le sens de la longueur. Cela augmente favorablement le niveau général du champ et élimine spécialement la propriété caractéristique des champs multipolaires, gênante pour la séparation de particnles paramagné- tiques, consistant en ce que l'intensité du champ est nulle sur l'axe. Selon un autre mode d' exécution de l'invention, on intercale avant le système de séparation magnétique du côté d'entrée une bobine de pré-aimantation en forme de solénoïde ; on obtient ainsi avantageusement une aimantation et une orientation préalable des fractions aimantables du matériau de charge. En outre, cette bobine peut être le prolongement du solénoïde utilisé pour la superposition homogène du champ, donc former un bloc avec ce solénoïde. Les figures 1 à 3 représentent un agencement des bobines de séparation magnétique supraconductrices, utilisable dans le cadre de l'invention. On a pris comme exemple un quadrupôle carrée; on envisage cependant aussi, bien entendu, autres modes de rEa- lisation pour la séparation magnétique selon 11 invention, par exempIe en premier lieu un agencement sextupolaire (les six bobines excitatrices principales sont alors placées autour de l'axe suivant un hexagone). Dans les deux cas (quadrupôle-ou sextupôle), la pièce de support prismatique 4 (figures 1, 2, 3) peut être remplacée avantageusement par une pièce cylindrique, par exemple un tube. la figure 1 représente en coupe transversale (en vue de dessus) un agencement de bobines de séparation magnétique selon l'invention, sous forme de quadrupôle carré ; les bobines principales la à lb présentent dans ce cas des liaisons frontales coudées des deux côtés. Sur la figure 2, les bobines principales la à id présentent bilatéralement des liaisons frontales simplement repliées; la figure 2 est, par ailleurs, identique à la figure 1. La figure 3 est une coupe longitudinale (profil) de la figure 2. Les références numériques désignent les éléments suivants: la à id : les bobines excitatrices principales, avec leurs sens de passage du courant, qui engendrent le champ (dans ce cas, quadrupolaire) 2 l'ouverture utile de l'installation 3 la paroi intérieure du cryostat 4 la pièce d'appui intérieure des bobines 5 la pièce d'appui centrale des bobines 6 le solénoïde extérieur qui engendre le champ superposé homogène mentionné 6a la bobine de pré-aimantation en forme de solénoïde ser vant à pré-aimanter et à orienter préalablement les frac tions aimantables du matériau de charge 7 l'anneau d'appui des bobines extérieures 8 la paroi extérieure du cryostat. On remplit d'hélium liquide les intervalles qui subsistent entre la paroi intérieure et la paroi extérieure du cryostat, -pour produire la température de supraconductibilité. Dans le procédé de séparation magnétique selon lwinven- tion, il nry a pratiquement plus de seuil inférieur des susceptibilités spécifiques, de sorte que même l'action sur des matières extrêmement faiblement aimantables du côté de sortie suffit pour séparer des substances non aimantables. Cela est d'autant plus vrai que le trajet le long duquel la particule est sous l'action de la force est plus long, car les forces (et, par suite, les déviations) par unité de longueur de trajet s'ajou-tent. En calculant correctement-la longueur de a partie active du séparateur, on peut donc faire varier le spectre des matières à séparer et, en particulier, le déplacer-également vers le bas. On peut décrire de la façon suivante, dans le cas du quadrupôle, le champ obtenu avec les mesures proposées par ------ l'invention. On introduit un système de coordonnées cartésiennes rectangulaires ayant pour axes X, Y et Z. Pour l'utilisation pratique, le système de coordonnées est orienté de façon qu'une section transversale du séparateur magnétique soit parallèle au plan X-Z, que l'axe longitudinal du séparateur magnétique coïncide avec l'axe des Z et que le sens positif de l'axe des Z soit dirigé en direction du prolongement du segment centre de la terre-origine des coordonnées. Comme partie active du séparateur magnétique, on utilise donc, par exemple, un quadrupôle sans fer, équipé de bobines supraconductrices (sans fer dans la mesure où l'on utilise pas de pièces de fer à contours particuliers générateurs de champs, par contre on peut prévoir un blindage de fer du système vis-à-vis de l'extérieur). Dans le cas du quadrupôle, le champ a, à l'intérieur de l'ouverture utile, la forme suivante connue, considérée dans une section transversale (par exemple, au centre) du quadrupôle. Dans un système de coordonnées X'-Y'-Z déduit--de l'ancien système X par une rotation de 45 , les lignes de champ forment un faisceau d'hyperboles équilatères conjuguées, de la forme Y' = # a, 2x' a étant un-paramètre. Les vecteurs de la. densité de flux magnétique sont des tangentes à ces lignes de champ et se trouvent dans le plan de coupe parallèle au plan X-Y. La valeur de la densité de flux magnétique augmente linéairement avec la distance à l'axe longitudinal du quadrupôle (axe des Z), elle est donc proportionnelle au rayon : B = G.R. Le facteur de proportionnalité G = dB/dR, est le gradient du champ (variation locale du champ) et il constitue une mesure du degré d'hétérogénéité du champ. Il est constant à l'intérieur de l'ouverture utile.Selon une caractéristique particulière de l'invention, on superpose alors à ce quadrupôle un champ magnétique pratiquement homogène, relativement faible, produit par un solénoIde supraconducteur bobiné autour de celui-ci, dans la direction longitudinale du quadrupôle. Ce champ de solénoïde est perpendiculaire au champ du quadrupôle, dont parallèle à l'axe des Z. La superposition a pour conséquence une augmentation des densités locales de flux du champ quadrupolaire initiale dtune valeur constante, tandis que le gradient de champ reste inchangé. Une autre conséquence, cependant sans importance pour le but d'application spécial, consiste en la rotation des vecteurs de la densité de flux magnétiques, du plan X-Z à la direction Z, la tangente de l'angle de rotation étant inversement proportionnelle à la distance à l'axe des Z. Les mesures prescrites produisent donc un champ idéal pour la séparation magnétique. L'utilisation de supraconducteurs produit de fortes intensités de champ et l'agencement multipolaire des bobines un gradient élevé, de sorte que le produit de l'inten sit de champ et du gradient, déterminant pour l'intensité des forces, prend des valeurs d'environ 10 fois plus élevées que celles qui peuvent être obtenues dans le cas de séparateurs magnétiques classiques. Cela est vrai, même lorsque ltentrefer limitant le passage du flux est, contrairement aux types de séparateurs antérieurs, relativement grand, comme dans le cas du présent séparateur.Comme on l'a montré, l'intensité de champ ou la densité de flux est proportionnelle au rayon, plus une constante additive, le gradient de champ est constant sur toute l'ouverture, par suite la force magnétique spécifique est, en tant que produit de ces deux grandeurs, proportionnelle au rayon, plus une constante d'addition. Cela signifie que la particule aimantée subit une force d'autant plus élevée qutil stest déjà éloigné de sa trajectoire rectiligne initiale.Cette propriété du champ compense, dans le cas du fonctionnement du séparateur envisagé en premier lieu, avec charge du mélange de matières verticalement de haut en bas, sous l'action de ltaccélération de la pesanteur, l'inertie croissant sous 11 effet de la vitesse de la particule augmentant constamment vis-à-vis des mouvements transversaux. Un avantage essentiel du procédé de séparation magnétique décrit réside dans sa caractéristique. de séparation fondamentalement différente des procédés connus, qui permet, à partir d'un mélange de matières comprenant plusieurs constituants d'aimantabilité variable, de séparer sélectivement ces constituants dans certaines limites de leur spectre en un stade opératoire. On obtient cette sélectivité du fait que, comme résultat de la séparation, on n'exploite plus seulement les particules fixées aux parois de séparation ou aux pôles, mais lton peut également sélectionner les particules déviées dans des mesures variables selon leurs différentes susceptibilités spécifiques du courant de particules maintenant déployé au moyen de dispositifs capteurs appropriés. Les deux diagrammes de la fleure 4a et de la figure 4b montrent la différence de caractéristique d'un séparateur magnétique classique (figure 4a), par rapport au système selon l'invention (figure 4b). Les ordonnées R X les susceptibilités spécifiques. La référence B désigne la paroi du récipient, qui limite la dévia ultérieure des particules. La comparaison montre qualitativement la translation du domaine d'utilisation vers les matières minérales plus faiblement aimantables. Une estimation grossière fait prévoir qu'avec le nouveau système, on peut séparer des matières minérales de 10 fois à 50 fois (pour des applications spéciales) plus faiblement aimantables que jusqu'à présent. Bien que le procédé de séparation décrit puisse être appliqué avantageusement au traitement des minerais, d'autres applications sont également parfaitement possibles ; par exemple, on peut appliquer le procédé à la séparation de particules faiblement aimantables gênantes dans des eaux, pour épurer l'eau. REVBNDiCATi0S 1.- Procédé de séparation magnétique de matières faiblement aimantables, dans lequel le matériau de charge comportant les constituants à séparer est amené au séparateur magnétique après des mesures préparatoires appropriées, comme le broyage fin; le séchage, le passage au tamis, la séparation préalable, puis les constituants aimantables du matériau de charge dont liman~ tabilité dépasse un certain seuil sont, sous l'action du champ magnétique, déviés dans une mesure telle qutils parviennent dans des récipients capteurs ayant pour rôle de recevoir ces constituants tandis que les autres matières, en fait les fractions non aimantables, du matériau de charge, parviennent sans influence notable du champ magnétique dans d'autres récipients prévus pour cela, caractérisé en ce que l'on produit le champ magnétique, pour augmenter son intensité, dans l'entrefer de bobines supradonduc trices, pour produire une hétérogénéisation visée-du champ servant à augmenter la force s'exerçant sur des matières faiblement aimantables, impliquant la formation d'un gradient de champ, en ce qu'on agence spatialement et lton monte électriquement plusieurs bobines de façon à constituer des-multipôles et, pour augmenter encore la force locale, on superpose aux champs multipôlaires un champ magnétique pratiquement homogène.. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour réaliser les agencements multipolaires, on place plusieurs bobines supraconductrices symétriquement par rapport à l'axe de passage du flux, de façon que le gradient du champ soit orienté perpendiculairement au sens de déplacement et qucil apparaisse, par le montage électrique des bobines, un champ à symé- trie de révolution en ce qui concerne la valeur absolue de la densité de flux magnétique, avec un effet dynamique radial. 3.- Procédé selon ltune quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour produire le champ superposé pratiquement homogène, on utilise un solénoide bobiné en sens longitudinal autour des bobines, de façon à augmenter le niveau général du champ et en même temps à éliminer la propriété caractéristique des champs multipolaires, consistant en ce que l'in- tensité du champ est nulle sur l'axe. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce quels pour aimanter et orienter préalablement les constituants magnétiques du matériau de charge, on intercale avant le système de séparation magnétique, du côté d'entrée, une bobine de pré-aimantation en forme de solénoïde. 5.- Procédé selon l'ensemble des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la bobine de pré-aimantation est un prolongement du solénoïde utilisé pour superposer le champ homogène et fait, par suite, un seul bloc avec lui. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on amène le matériau de charge avec les constituants à séparer à ltétat sec au séparateur. 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on amène la matière de charge au séparateur à l'état humide, en suspension. 8.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que lton amène le matériau de- charge au séparateur, sous llinflu- ence exclusive de 1a gravité. 9.- Application du procédé selon la revendication 1 à la séparation de particules faiblement aimantables fâcheuses dans des eaux, pour les purifier.