Doğal mıknatıslarla geliştirilen yüksek alan şiddetli yaş manyetik ayırıcı tasarlanması ve manganez ve manyetit cevherleri ile denenmesi
Design of high gradient wet magnetic seperator with permanent magnets and beneficiation of magnetite and manganese ores
Yazar: UTKU ANIL BAŞTAŞ
Danışman: PROF. DR. HAYRÜNNİSA ATEŞOK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Cevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Son yıllarda çok sayıda yüksek gradyentli yaş manyetik ayırıcı; zenginleştirme verimini arttırmak, geri kazanım ve kömür lavvarlarında manyetit kayıplarını azaltmak amacına yönelik olarak geliştirilmiştir. Zenginleştirme işlemi esnasında tanecikler üzerine etki eden manyetik kuvvet, manyetik alan şiddeti ile manyetik alan şiddetinin değişim oranı yani manyetik alan gradyentinin çarpımına eşit vektörel bir büyüklüktür. Ancak manyetik ayırma işlemlerinde, sistemi manyetik kuvvet haricinde etkileyen, parçacıklar arası çekim kuvveti, yaş ortamdan kaynaklanan kuvvetler gibi bir çok kuvvet de bulunmaktadır. Bilindiği üzere mineral taneleri üzerindeki manyetik çekim kuvvetinin artırılması, noktasal manyetik alan şiddetinden daha çok manyetik alan gradyentini artırmak suretiyle gerçekleştirilebilmektedir. Yüksek gradyentli manyetik ayırıcıların ortak özelliği, ferromanyetik bir malzemeden oluşan ve matris denilen bir dolgu malzemesi yardımı ile yüksek gradyent değerleri elde etmeleridir. Bu çalışmada ise San-Tez Projesi kapsamında yaş ortamda çalışan tambur içerisindeki sabit mıknatısların dizilimleri ve mıknatıs şekilleri değiştirilerek herhangi bir dolgu malzemesi olmaksızın yüksek gradyent değerleri elde edilmeye çalışılmıştır. 
Hematit, krom ve manganez gibi cevherlerin iri boyutlarda 5000 Gauss manyetik alan şiddeti üzerinde sabit mıknatıslı manyetik ayırıcılarda kuru olarak zenginleştirilmeleri başarılı olurken, bu cevherlerin ince boyutlarda sabit mıknatıslı kuru manyetik ayırıcılarla zenginleştirilmeleri yüksek verimle gerçekleştirilememektedir. Bu cevherlerin ince boyutlarda yaş yöntemler ile zenginleştirilmeleri yaş elektromanyetik ayırıcılar yardımı ile ya da gravite yöntemleri ile gerçekleştirilmektedir. İnce boyutta yaş ortamda ayırma yapan elektromanyetik ayırıcılar çok pahalı olup ithal edilmektedir ve çalışma maliyetleri de oldukça yüksektir. Bu tez kapsamında, N-52 tip neodyum sabit mıknatıslar kullanılarak ince boyutlarda yaş olarak zenginleştirme yapacak yüksek gradyentli tamburlu tip manyetik ayırıcının, tambur tasarımı içerisindeki mıknatıs dizgelerini   geliştirerek en yüksek manyetik kuvveti elde etmek esas alınmıştır. Mıknatıs dizilimlerinin Ansys 14.5 bilgisayar programında modellemesi yapılmış, optimum manyetik kuvveti yaratacak en uygun mıknatıs çeşidi B-H mıknatıslanma karakteristik eğrileri yardımı ile tespit edilmiştir. Mıknatıs dizilimi ve geometrisi belirlenerek manyetik ayırıcının tambur tasarımı gerçekleştirilmiş ve Manyet Manyetik Tutucular Tic. San. Ltd. Şti. tarafından manyetik ayırıcının prototip üretimi yapılmıştır. 
Tambur tasarımlarında öncelikle, Manyet firmasının kendi imkanları ile dizebildiği ve Manyet Tasarım olarak adlandırılan manyetik ayırıcının prototip üretimi yapılmış ve bu tasarımda manyetik alan mıknatıs üstü 5000 Gauss, Tambur üstü ise 3500 Gauss olarak ölçülmüştür. Bu tasarımlı manyetik ayırıcıda ilk olarak Tekirdağ Malkara Bölgesi, Uysal Madencilik A.Ş. Kömür Yıkama Tesisinde manyetik ayırıcıya beslenen manyetit ihtiva eden killi numune ve Haymana Bölgesi Manganez cevherleri ile zenginleştirme deneyleri yapılmıştır. +44 μm ve  -44 μm boyut gruplarında ile yapılan deneylerde, üç ayrı tambur mesafesi 2,5 mm, 5 mm ve 7,5 mm denenmiş olup, Davis tüpü ile yapılan analizler sonucunda,  +44 μm boyutunda en iyi sonuç %92,22 manyetit içerikli konsantre, %12,34 manyetit içerikli artık  -44 μm boyutunda ise %91,43 manyetit içerikli konsantre, %6,25 manyetit içerikli artık elde edilmiştir. Bu sonuçlar lavvarlarda manyetit kayıplarını önlemek için yeterli olup daha sonra tasarımı yapılan tamburlar ile deney yapmaya gerek kalmamıştır. 
Ankara Haymana Bölgesi manganez cevheri ile yapılan deneylerde ise en iyi sonuç beslenen numunenin ağırlıkça %0,19'u oranında, %5,20 Mn içerikli konsantre elde edilebilmiştir. Manyet tasarım manyetik ayırıcı manganez cevherinin zenginleştirilmesinde etkili sonuç vermediği için yeni tambur tasarımına gerek duyulmuştur.
Birinci tasarım olarak adlandırılan mıknatıs üstü 9000 Gauss, tambur üstü 6500 Gauss manyetik alan şiddetli manyetik ayırıcı mıknatıslar arasındaki akının daha verimli dışa yansıtılmasını sağlayıp daha etkin manyetik kuvvet elde edilmesini sağlayan Hallbach dizilimi ile prototip üretimi yapılmış olup bu manyetik ayırıcıda Trakya İstanbul - Çatalca Bölgesi ve Haymana Bölgesi olmak üzere iki farklı manganez numunesi ile zenginleştirme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Haymana Bölgesi manganez cevheri ile yapılan deneylerde en iyi sonuç beslenen malzemenin ağırlıkça %0,16'sı oranında %4,05  Mn içerikli konsantre, Trakya Bölgesi manganez cevheri ile yapılan deneylerde ise en iyi sonuç beslenen malzemenin ağırlıkça %0,72'si  oranında   %4,22  Mn içerikli konsantre elde edilebilmiştir.
İkinci tasarım olarak adlandırılan manyetik tamburda mıknatıs üstü 11200 Gauss, tambur üstü 7500 Gauss optimum gradyent değerini elde edecek biçimde dizayn edilmiş ve Trakya Çatalca ve Ankara – Haymana Bölgesi'nden alınan manganez numuneleri ile zenginleştirme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Haymana Bölgesi cevheri ile yapılan deneylerde en iyi sonuç beslenen malzemenin ağırlıkça % 2,85'i oranında, %24.16 Mn içerikli konsantre, Trakya Bölgesi manganez cevheri ile yapılan deneylerde ise en iyi sonuç ile beslenen malzemenin ağırlıkça %4,23'ü oranında %31,86 Mn içerikli konsantre elde edilebilmiştir.
Üçüncü tasarım olarak adlandırılan manyetik tamburun modellemesi Ansys 14.5 yazılımında yapılmış olup mıknatıs dizilimi sırasında çok kuvvetli manyetik alan oluşması dolayısı ile dizilim Manyet Firması'nın imkanları çerçevesinde başarılı şekilde gerçekleştirilememiştir. Ancak başarılı şekilde dizilimi gerçekleştirildiği takdirde sabit mıknatıslarla paramanyetik minerallerin ince boyutlarda yaş olarak zenginleştirilmesine yönelik sarsıntılı masalara oranla enerji açısından daha verimli ve işletme maliyeti düşük bir alternatif olacağı düşünülmektedir.

Abstract:
In recent years, many high gradient magnetic separators developed to improve the efficiency of enrichment process of the magnetic seperation, to reduce the magnetite losses in the coal plants in mineral processing industry. The magnetic force acting on the particles during the enrichment process is equal to the magnitude of the magnetic field strength and the rate of change in the magnetic field strength, that is called the magnetic field gradient. However, in magnetic separation processes, there are many forces that affect the system other than the magnetic force, such as gravitational force, the forces causes from the wet plant. It is known that increasing the magnetic attraction force on the mineral can be achieved by increasing the magnetic field gradient rather than the intensity of the magnetic field. For obtaining high magnetic gradient fields in High Gradient Magnetic Separation (HGMS) generally a filling material called matrix that is made of  ferromagnetic material is used. The objective of this investigation is to develop a drum type high gradient magnetic seperator with permanent magnets, to decrease the magnetite loses in the dense media in coal plants and to create an alternative enrichment method for beneficiation of under 0,1 mm sized manganese ores. So it was tried to obtain high gradient values without any filling material by changing the arrangement of the permanent magnets and magnet shapes in the drum working in the wet environment within the scope of San-Tez Project.
While ores such as hematite, chromium and manganese can be successfully enriched in dry magnetic separators over 5000 Gauss magnetic field strength, it is not possible to enrich these fine particle sized ores with wet type magnetic separators with permanent magnets efficiently. These ores can be enriched in fine sizes by the help of the electromagnetic separators or by gravity enrichment methods. Electromagnetic separators which are more efficient in the separation of fine size minerals in wet environment are very expensive due to high operating costs. In this thesis, it has been taken as basis to obtain the highest magnetic force by developing configuration of magnet arrays in the magnetic drum by using N-52 type neodymium permanent magnets. The magnet arrays were modeled in the Ansys 14.5 software program and the most suitable magnet configuration to create the optimum magnetic force with the help of the characteristic of B-H magnetization curves. The prototype production of magnetic separator was realised, with the optimization of magnet configuration and geometry, by Manyet Manyetik Tutucular Tic. San. Ltd. Şti. 
In the first step of the project, the dimensions of the prototype of the magnetic seperator is determined to provide the optimum conditions for laboratory studies.The optimum diameters were determined as 1200 mm height, 460 mm width and 820 mm  length. According to the result of the modelling studies that are performed in ANSYS 14.5 software the optimum conditions for magnetic drum is determined as; 251 mm radius, 250 mm width. Also,  according to the design reuslts, the magnets were alined in 1200 area of the magnetic drum and 0.5 mm air gap between the magnets and the drum provided the optimum conditions. Laboratory scale magnetic seperator is designed by Manyet Manyetik Tutucular Tic. San. Ltd. Şti. 
In the scope of the project three magnetic drums were produced in laboratory scale. In the first step  Manyet Design magnetic drum  is produced after that First Design and Second Design magnetic drums were produced. For the third design magnetic drum, the modelling  of the design is done in ANSYS 14.5 software but because of the problems occured in the assembly of the magnets this design can not produced successfully.
In the design of the drum, prototype production of a magnetic separator called Manyet Design, in which Manyet Company arrange with its own facilities, has been made like as existing magnetic drums only with the change of magnet type from Fe magnets to NdFeB magnets. In this design the magnetic field is measured as 5000 Gauss over magnets and 3500 Gauss above the magnetic drum. In this magnetic separator design, the tests were performed with firstly magnetite-containing clay samples that are taken from the fed of magnetic separator in Uysal Madencilik A.Ş. Coal Washing Plant in Tekirdağ Malkara Region and secondly manganese ores taken from Ankara Haymana Region. In the magnetite enrichment tests, tests were carried out with three different drum distances of 2.5 mm, 5 mm and 7.5 mm in the +44 μm and -44 μm particle size distributions. As a result of the analysis performed with the Davis tube, the best result in the size of +44 micron is 92.22% Magnetite-containing concentrate, 12.34% magnetite-containing tailing was obtanied. In the tests performed with -44 micron size, 91.43% magnetite concentrate and 6.25% magnetite content tailing were obtained as the best results.The average of the other results were about 87% Magnetite-containing concentrate and 13% Magnetite-containing tailing with high recoveries. These results were sufficient to prevent magnetite losses in the coal plants and there is no need to trial with the new design of magnetic drums. It can be clearly seen that one of the main causes of magnetite losses in coal plants is the low magnetic field of the magnetic seperator which is about 1000-1500 Gauss. If the magnetic seperator that has high magnetic field is used in magnetite recycling in coal plants, with the best results obtanied from enrichment tests, the magnetite losses in coal plants can be decreased from 3500 – 5000 gr/ ton to 500-1500 gr/ton. So this will provide cost saving to the coal plants.
 In experiments conducted with Ankara Haymana Region manganese ore; 0.19% by weight and 5,20% Mn content of sample were obtained as the best result. A new drum design was needed due to ineffective enrichment performance of the magnetic separator with manganese ores. 
In First Design Magnetic Drum configuration, 40 mm x 40 mm x 40 mm cubic and 40 mm x 40 mm x 20 mm  rectengular magnets were used in Hallbach Array configurations as 6 x 7 sets.In the first design; 9000 Gauss magnetic field over the magnets, 6500 Gauss magnetic field on the magnetic drum was achieved with the Hallbach array magnet configurations which enables more effective flux transfer between the magnets and more effective magnetic force obtained. In this magnetic separator design; enrichment tests were performed with the manganese ores taken from Trakya İstanbul - Çatalca Region and Ankara Haymana region. As the results of these experiments; the best results were obtained with in Haymana Region manganese ore were 0,05% Mn content concentrate with 0,16% by weight and 0,72% by weight of material which in Trakya Region manganese ore. Concentration of 4.22% Mn was obtained.
In the Second Design Magnetic Drum configuration, the magnetic drum was designed for the aim of having an optimum gradient value and  11200 Gauss magnetic field on the magnets and 7500 Gauss magnetic field on the magnetic drum was measured. In the Second Design, 77x40x40x30 and 77x40x40x40 sized magnets were used in Hallbach Array configurations as 5 x 7 sets. Also 10 mm sized rectangular, high magnetic permeability steel rot was placed to provide magnetik flux losses.  And enrichment tests were carried out with manganese samples taken from Trakya - Çatalca and Ankara - Haymana Region. In experiments performed with Haymana Region manganese ore, 2.85% by weight of concentrate with 24.16% Mn content and in Trakya region manganese ore with 4.2% by weight of concentrate with 31.86% Mn is obtained as the best results. It is clearly seen that especially in the Mn contents of the magnetic products were increased in the Second Design.
In the third design, magnetic drum was modeled in ANSYS 14.5 software program. Magnetic design was not performed by the company due to the difficulty on assembly of the magnets array according to strong magnetic field. However, if the assembly is successfully achieved this magnetic separator would be an alternative way for gravity separators in the enrichment of the manganese ores with low operating costs and energy saving. In the modeling studies that were performed in ANSYS 14.5 software the software can not able to measure the magnetic field and magnetic field gradient.
In this study, magnetic force was developed only with the change of magnet geometry and magnet configurations. With changing the other parameters such as the design of magnetic seperator and material type of magnetic drum, higher magnetic force will be obtained. So the developed magnetic seperator will be an alternative way to the gravity seperators in beneficiation of manganese ores.