Yüksek alan şiddetli yaş manyetik ayırıcı geliştirilmesi ve krom cevherleri ile denenmesi
High gradient  wet magnetic separator design and experiment with chromite ores
Yazar: NİLÜFER ELA CÜCE
Danışman: PROF. DR. HAYRÜNNİSA ATEŞOK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Cevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Ferromanyetik sistemler = Ferromagnetic systems ; Paramanyetik maddeler = Paramagnetic materials

Özet:
Manyetik ayırıcılar 19.yüzyılın sonlarında itibaren cevher hazırlamada; zenginleştirme, geri kazanım ve koruyucu amaçlı olarak farklı alanlarda kullanılmaktadır.   
Cevher hazırlamada kullanılan manyetik ayırma işleminde, cevher içerisine bulunan farklı manyetik özelliklere sahip taneler, belirli bir bölge içerisinde oluşturulan yüksek gradyentli bir manyetik alan içerisine sokulduklarında, bu tanelerin özelliklerine göre oluşan manyetik kuvvetler yardımıyla ayırma işlemi gerçekleştirilebilmektedir.  
Manyetik ayırma işlemi sırasında güçlü manyetik duyarlılığa sahip olan taneler, içerisinde bulunduğu alan doğrultusunda oluşan güçlü manyetik kuvvet yardımıyla karışımdan kolayca çekilerek uzaklaştırılırken, zayıf manyetik duyarlılığa sahip olan taneler üzerinde oluşan manyetik kuvvetin şiddeti de zayıf olacağı için bu taneler ayırmanın yapıldığı ortam içerisinde kalabilmektedir. Bu nedenle, manyetik alan kullanılarak gerçekleştirilen cevher zenginleştirme işleminin veriminin yüksek olmasında, kullanılan manyetik alan şiddetinin ve gradyentinin etkisi çok büyüktür. Ferromanyetik özellik gösteren mineraller güçlü bir manyetik duyarlılığa sahip olduklarından, düşük bir manyetik alan şiddeti ile ortamdan kolayca ayrıştırılabilirler. Bununla birlikte,  minerallerin büyük bir kısmını kapsayan paramanyetik özellik gösteren minerallerin manyetik duyarlılığı zayıf olduğu için, bu minerallerin ayrıştırılabilmesi için yüksek manyetik alan şiddetine ihtiyaç duyulmaktadır. Manyetik duyarlılığı olmayan mineraller ise diyamanyetik mineraller olarak tanımlanıp bu tip minerallere paramanyetik sıvılar ile işlem yapılarak manyetik özellik kazandırmak suretiyle ayırma işlemi uygulanabilmektedir. Bununla birlikte, bazı uygulamalarda zayıf manyetik özelliğe sahip minerallere bir dizi ısıl işlem yapılarak, manyetik duyarlılıkları yüksek olan minerallere dönüştürülüp ayırma işlemi gerçekleştirilmektedir.  
Hematit, krom ve manganez gibi paramanyetik cevherlerin iri boyutlarda 5000 Gauss ve üzerinde kalıcı manyetik alanlı sabit mıknatıslı ayırıcılarda  kuru olarak zenginleştirilmeleri başarılı olurken bu cevherlerin ince boyutlarda kalıcı mıknatıslı kuru manyetik ayırıcılarla zenginleştirilmesi mümkün olmamaktadır.  Dolayısıyla bu cevherler ya yaş elektromanyetik ayırıcılarla yada gravite yöntemleri ile zenginleştirilmektedir.  İnce boyutta yaş olarak zenginleştirme yapan elektromanyetik ayırıcılar pahalı olup ithal edilmekte ve aynı zamanda yüksek enerji sarfiyatı nedeniyle işletme giderleri de yüksek olmaktadır. Bu tez kapsamında kalıcı mıknatıslar kullanılarak ince boyutta zenginleştirme yapacak 10.000-12.000 Gauss manyetik alanlı ve yüksek gradyentli manyetik ayırıcı geliştirilmesi hedeflenmiştir.  Tez çerçevesinde; tamburun ana geometrik boyutları, tambur içerisinde kullanılacak mıknatıs tipleri ve uygun dizgeler belirlenmiş, manyetik yapının ön tasarımı gerçekleştirilerek, manyetik tasarımın bilgisayar destekli sonlu elemanlar yöntemi ile alan analizi  ve manyetik yapının optimizasyonu yapılmıştır.  Elde edilen bütün bu veriler neticesinde prorotip üretilmiş ve Türkiye' nin çeşitli bölgelerinden sağlanan krom cevherlerinin 1 mm altındaki boyutlarda zenginleştirme deneyleri yapılmıştır. 
Tez çerçevesinde geliştirilen mıknatıs tasarımları ile üretilen manyetik ayırıcılarla paramanyetik özellik gösteren kromit cevherlerinin ince boyutlarda zenginleştirilmesi gerçekleştirilmiştir.  Cevherlerle yapılan zenginleştirme deneylerinde; zenginleştirme proses akım şemasının geliştirilmesi ve optimize edilmesi hedeflenmemiştir.  Burada amaç tez çerçevesinde bu cevherlerin, ince boyutlarda geliştirilen manyetik ayırıcı  ile zenginleştirilebilirliğinin incelenmesidir.  
Bu tez kapsamında: gravite ayırmaları ile ince boyutlarda zenginleştirilen krom cevherleri için, bu zenginleştirme yöntemlerine alternatif sunularak (örneğin olivinli krom cevherlerinde sarsıntılı masalar ile çok verimli sonuç alınamaması gibi) cevher zenginleştirme endüstrisine yeni ve verimli bir cihaz kazandırılması olup, Dünyada ve Türkiye' de kalıcı (sabit) mıknatıslarla paramanyetik minerallerin ince boyutlarda yaş olarak zenginleştirilmesine yönelik sarsıntılı masalara alternatif ve enerji açısından verimli işletme maliyeti düşük bir manyetik ayırıcının geliştirilmesi ilk defa gerçekleştirilmiş olup hem teknolojik açıdan hem de ekonomik açıdan büyük fayda sağlanmıştır.  
Manyetik ayırma ile zenginleştirme yönteminin en büyük aşaması, 1960 yılında yüksek alan şiddetli Jones manyetik ayırıcısının geliştirilmesi ile olmuş ve 1970' li yıllardan itibaren endüstriyel ölçekteki uygulamaları başlamıştır. Yine 1970'li yıllarda yüksek alan şiddetli neodyum (Nd) gibi nadir toprak elementleri, alüminyum (Al) ve kobalttan (Co) oluşan sabit mıknatıslı sürekli manyetik ayırıcılar (RE manyetik ayırıcılar) geliştirilmiştir. Bu manyetik ayırıcıların o döneme kadar bilinen en güçlü sürekli manyetik ayırıcılar olduğu ve alan şiddetlerinin 22.000 Gauss'a kadar çıkabildiği bilinmektedir. Günümüzde bu tip manyetik ayırıcılar farklı firmalar tarafından kuru ayırma işlemleri için tambur veya rulo tipi olarak imal edilmektedir.  
1980'li yıllarda deneysel ölçekte geliştirilen ve 90'lı yıllardan itibaren endüstriyel ölçekte kullanıma başlayan "süper iletkenli" manyetik ayırıcılar günümüzün en yüksek alan şiddeti oluşturabilen yeni nesil manyetik ayırıcılarıdır. Bu ayırıcılar ile elde edilen manyetik alan şiddeti 50 000 Gauss (5 Tesla)' dır. Eriez ve Outotec firmaları tarafından üretilen bu cihazların manyetik alan şiddetinin 150000 Gauss'a kadar çıkabilmektedir. Yine son yıllarda geliştirilen Eddy-akımlı ayırıcılar ve manyetik sıvılar ise daha çok demir içermeyen katıların ayrılması için kullanılmaktadır. Son yıllardaki gelişmeler daha çok yüksek alan şiddetli yaş manyetik ayırıcılar üzerinde olmuştur. Giderek artan incelikte ve düşük manyetik duyarlılıktaki cevherlerin zenginleştirilmesi ve farklı kaynaklardan hammadde temini zorunluluğu bu alanda yapılan çalışmaları hızlandırmıştır.   
Özellikle son 20 yıl içerisinde çok sayıda yüksek alan şiddetli yaş manyetik ayırıcı geliştirilmiştir. Bu manyetik ayırıcıların ortak özelliği ferromanyetik bir malzemeden oluşan ve "matrix" denilen bir dolgu malzemesini ihtiva etmeleridir. Bu malzeme, hareketli bir sistem içerisinde bulunmakta ve elektro mıknatısın kutupları arasında yer almaktadır. Dolgu malzemesinin görevi, manyetik alan şiddetini ve manyetik alan şiddetinin değişim oranını – yani gradyantını- arttırmaktır. Başka bir deyişle, mineral taneleri üzerindeki manyetik çekim kuvvetinin arttırılması, noktasal manyetik alan şiddetinden daha çok manyetik alan gradyantını arttırmak suretiyle gerçekleştirilmiştir. Minerallerin ayrılmasında manyetik alan şiddeti kadar manyetik alan gradyantı da etkili olmaktadır.  
Cevher Hazırlamada Manyetik ayırıcılar uygulanan manyetik alan şiddetine göre "yüksek alan şiddetli" ve "düşük alan şiddetli" olmak üzere iki gruba ayrılmakta ve ortam cinsine göre "kuru" veya "yaş" yöntem olarak adlandırılmaktadır.  Çapları 1 mm ve daha büyük olan tanelerin zenginleştirme işlemlerinde kuru yöntemler kolayca kullanılırken, aynı yöntem 1 mm'den daha küçük boyutlu tanelerin ayrılmasında ortam tozunu arttırarak bazı çevre sorunlarına yol açmaktadır. Ayrıca, kuru ortamdaki taneler arasında oluşan elektrostatik çekim kuvvetlerinin ve manyetik alanın etkisi altında tanelerin topaklaşması(salkımlaşması), manyetik olmayan tanelerin de bu topaklar(salkımlar) içerisinde tutsak kalması ayırrma işleminin verimi önemli ölçüde düşürmektedir. Manyetik ayırıcı içerisinde oluşturulan manyetik alanın gradyentinin olabildiğince yüksek yapılması, topaklaşma sorununu azaltmaya yönelik önemli bir etkiye sahiptir. Her ne kadar topaklaşma sorunu yaş yöntemlerin kullanıldığı manyetik ayırıcılarda oluşsa da, oluşturulan manyetik alanının gradyetinin yükseltilmesine yönelik tasarım iyileştirme çalışmaları bu sorunun üstesinden gelmeye önemli katkılar sağlayacaktır.

Abstract:
Magnetic separators have been used in mineral processing in different fields such as ore dressing, recycling and interactive protection since the late 19th century.
During magnetic separation in mineral processing, when particles with different magnetic features in an ore are exposed to a high gradient magnetic field formed in a specific area, separation process can be carried out by magnetic forces which are  generated according to these particles' properties. 
Although particles with strong magnetic sensitivity are removed easily from mixture via strong magnetic force developed in the direction of magnetic field,  particles with weak magnetic sensitivity may be left in the separation media due to insufficient resultant magnetic force intensity. Therefore, the magnetic field strength and the gradient used in separation have significant effect on high efficiency of ore dressing performed by using magnetic field. Minerals displaying ferromagnetic property can be easily separated from the beneficiation medium with a low magnetic field strength by means of having strong magnetic sensitivity. In addition to this, since most of the minerals are paramagnetic with weak magnetic sensitivity, high magnetic field strength is required for successful seperation of these minerals. Minerals having no magnetic sensitivity are called diamagnetic and the seperation process can be carried out by pretreatment of these minerals with paramagnetic liquids in order to obtain magnetic properties. Besides, in some practices performing a range of heat treatment on weak magnetic featured minerals transforms them into minerals with high magnetic sensitivity so that separation process can be executed. 
Dry enrichment of oversized paramagnetic ores such as hematite, chromite, and manganese with residual magnetic field of 5000 Gauss and above is successful, however it is not possible to beneficiate these ores via dry magnetic separation when fine particle sizes are in question. Hence, these ores are dressed with either electromagnetic seperators or gravity methods. Electromagnetic seperators which perform wet beneficiation for fine sizes are expensive and imported.  Also, they have high operating costs because of high energy consumption. In this thesis study, development of a high gradient magnetic seperator with 10.000-12.000 Gauss magnetic field for enrichement of fine sized ores is targeted. Within this thesis scope, basic geometric dimensions of drum, types of magnets used in the drum, and suitable systems were determined, first drafts of magnetic structure are drawn, domain analysis of magnetic design using computer assisted finite element methods and the optimization of magnetic structure were done. According to this obtained data, a prototype was produced and the benefitiation experiments of chromite ores with particle sizes below 1 mm which are gathered from different regions of Turkey were conducted.
  
Chromite ores having paramagnetic features were enriched at fine sizes with magnet designs developed within this thesis. However, development and optimization of beneficiation prosess flow scheme were not aimed in ore dressing experiments. The main point is to study enrichment of these fine sized ores by magnetic seperator.
The purpose of the thesis involves introducing a new and productive device for ore dressing industry by proposing an alternative to problems arising from gravity separation methods (for example beneficiation with shaky tables of chromite ores with olivine doesn't conclude effectively) which are used for fined sized chromite ores. Hence, developing an energy-efficient and low-cost magnetic seperator aimed as an alternative to wet beneficiation of fine sized paramagnetic minerals by shaking tables for the first time in both the world and Turkey using permenant separators benefitted technologically and economically to a great extent. 
The greatest progress of beneficiation via magnetic separation was achieved in 1960 when Jones magnetic separator with high magnetic field strength was developed and industrial scale production started from the 1970s onwards. Again in 1970s,  continous permanent magnetic separators (RE magnetic separators) were manufactured using rare earth elements such as neodymium (Nd), aluminum (Al) and cobalt (Co) for high strength magnetic field supply. Until that era those devices have been known as the strongest continous magnetic separators which had field strengths up to 22.000 Gauss. Nowadays, this type of magnetic separators are fabricated by different companies as drum or roll versions for dry separation processes.
Magnetic separators with "superconductors" which were developed as laboratory scale devices in 1980s and found industrial use in early 1990s are new generation separators providing the highest magnetic field strength in modern-day. 50 000 Gauss (5 Tesla) magnetic field strength can be achieved with these separators. Magnetic field strength of devices manufactured by Eriez and Outotec companies can go up to even 150000 Gauss. Eddy-current separators and magnetic liquids are again recently developed technologies used for separation of nonferrous solids. Most of this recent development have been mainly focused on wet magnetic separators with very high field strength. Ever-increasing need for beneficiation of fine sized ores with low magnetic sensitivity and compulsory raw material supply from different sources fueled the ongoing studies in this field.
In the last 20 years, a vast number of wet magnetic separators with high field strength have been developed notably. The common trait of these devices is a ferromagnetic material based filler called "matrix". This material is placed inside a mobile system which is located  between the poles of electromagnets. The function of the filler is to increase magnetic field strength and rate of field strength change namely gradient. In other words, raising the attractive force on mineral particles is achieved by increasing magnetic field gradient rather than field strength. Magnetic field gradient is a parameter as important as magnetic field strength influencing enrichment process. 
In mineral processing, magnetic separators are classified as "high magnetic field" and "low magnetic field" according to applied magnetic field strength and "dry" or "wet" method according to type of separation medium. During enrichment of particles with diameter size above 1 mm dry methods can be performed easily, however, using the same method for particles with diameter size below 1 mm requires increase of medium powder which causes environmental problems subsequently. Besides, agglomeration of particles under the effect of electrostatic attractive forces and magnetic field plus trapped nonmagnetic particles inside these agglomerates reduces the efficiency of separation process significantly. Maintaning the magnetic field gradient inside magnetic separator as high as possible has a considerable effect on minimising agglomeration problem. Although agglomeration issues arise in magnetic separators when dry methods are performed, design enhancement studies regarding the increase of magnetic field gradient are promising in overcoming this problem.