Флокуляция магнетита с целью повышения качества железорудных концентратов

И.М. Зеленова

ФЛОКУЛЯЦИЯ МАГНЕТИТА С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ КОНЦЕНТРА ТОВ

Рассмотрены теоретические основы способа обогащения магнетитовых руд, основанного на селективной флокуляции магнитных минералов в поле низкой напряженности (4-16 кА/м), создаваемом соленоидом. Предложенный способ позволяет повысить качество конечных магнетитовых концентратов на 1,0-1,8 %, а также получать концентраты высокой чистоты, содержащие 71,9-72,1% железа и кремнезема 0,5% и менее.

Ключевые слова: флокуляция, минерал, магнитная восприимчивость, селективный, соленоид, флоккула,концентрат, магнитное поле, низкая напряженность поля.

~П процессах магнитного обогащения на селективность

-Я-М разделения минералов значительное влияние оказывает явление взаимодействия частиц в магнитном поле - магнитная флокуляция. Наряду с такими параметрами процесса как напряженность магнитного поля и динамические характеристики разделительной среды, флокуляция магнитных частиц может иметь положительное или отрицательное воздействие на процесс сепарации. Явление магнитной флокуляции в обогащении руд изучалось, в основном, применительно к магнитным сепараторам, обеспечивающим выделение магнетитовых концентратов из потока суспензии в виде малоподвижных агрегатов-флокул [1-4] Магнитная сила в таких сепараторах направлена противоположно гравитационной и значительно превосходит ее по величине. Обычно при этом используются магнитные поля напряженностью 80-120 кА/м и выше с высокой неоднородностью поля, градиент которого составляет 800 и более кА/м2. В этих условиях образуются трудно разрушаемые флокулы, разубоженные частицами немагнитного минерала и сростками, механически захваченными во флокулы, что особенно характерно для магнитожестких продуктов.

С целью повышения селективности разделения в схемы обогащения включают дополнительные операции, увеличивающие энергоемкость процесса и площади обогатительных фабрик. К таким операциям относятся предварительная магнитная агрегация частиц перед сепарацией в полях с постепенно увеличивающейся

напряженностью, очистка флокул в бегущих, переменных полях, циркуляция магнитных концентратов в схемах обогащения, промывка их дополнительной водой в перечистных операциях и другие методы, направленные на образование более селективных флокул. Однако, как показывает практика, удаление из жестких флокул механически захваченных примесей весьма затруднительно, или же ведет к снижению извлечения и эффективности обогащения.

Проблема приобретает особое значение при получении концентратов высокой чистоты для электротехнической, электронной промышленности, порошковой металлургии, когда требуются концентраты, содержащие 70-72% железа, 2,0-0,2% кварца и сотые доли других примесей. В связи с этим обстоятельством в виде доводочных циклов требуется флотация, гидрометаллургия и, как следствие, решение экологических вопросов. Анализ исследовательских работ и практики обогащения железосодержащих руд показывает необходимость разработки новых способов сепарации, обеспечивающих получение высокой эффективности обогащения при максимальной селективности разделения минералов.

Предложенный способ сепарации основан на применении магнитных полей, напряженность и градиент которых на порядок ниже обычно используемых в процессах магнитного обогащения, что создает условия для флокуляции в первую очередь частиц с максимальной магнитной восприимчивостью, в результате чего образуются селективные флокулы из свободных раскрытых зерен магнитных минералов [5]. Схематическое изображение процесса приведено на рис. 1.

Магнитное поле создается соленоидом, напряженность магнитного поля регулируется от 5 до 40 кА/м в зависимости от крупности частиц, их магнитной восприимчивости и гидродинамических условий процесса. Данные табл. 1 показывают, что магнетит из различных месторождений имеет близкие значения удельной магнитной восприимчивости, а напряженность магнитного поля, при которой она достигается, не превышает 40 кА/м.

Расчетные значения основных действующих в процессе сил были получены при разделении смеси магнетита и кварца Оленегорской руды при следующих условиях: напряженность магнитного поля Н= 4. 103 А/м, grad H=10 .102 А/м2, скорость восходящего потока V= 0,9 10-2 м/с., крупность частиц d=3,7 10—5 м. Таблица 1

Тип руды, месторождение Н^мах кА/м -3 %мах-10 м3/кг I* кА/м 1г кА/м Не кА/м Крупность, мкм

Т итаномагнетитовый Качканарское 28,8- 36,0 0,2- 0,3 12,0 1,6 8,0 -100

Апатитмагнетитовый Ковдорское - 0,1 - - 4,8- 6,4 -400

Скарно-магнетитовый Соколовское 14,4 0,5- 0,6 24,0 1,5 2,8 -100

Г ематит-магнетитовый Тейское 24,0 0,218 11,2 2,04 5,0 -100

Магнетит-гематитовый З. -Караджальское 24,0 0,225 12,0 2,0 5,2 -100

Железистые кварциты Криворожское - - 28,0 1,3 4,0 -100

Магнетитовые кварциты Лебединское - - 80,5 20,0 4,8 -150

Магнетитовые кварциты Михайловское - 0,49 28,9 5,45 5,15 -50

Магнетитовые кварциты Оленегорское 4,0 0,225 6,6 0,72 2,4 -300

Таблица 2

Значения основных сил процесса селективной флокуляции

Силы, н; скорость падения, м/с Частицы Флокулы

кварц магнетит

Магнитная потокосцепления 2,1 10'9 1,9 10'6

Магнитная пондеромоторная 9,3 10'12 1,6 10-7

Силы тяжести 4,3-10-10 1,1-10-9 4,5-10-5

Центробежная 2,7-10'п 5,2-10-11 2,5-10-6

Сопротивления среды 8,9-10-10 3,3-10-9 4,1-10-6

Скорость свободного падения 0,12-10-2 0,30-10-2 0,56

Скорость стесненного падения 0,28-10-3 0,69-10-3 0,13

Анализ значений действующих сил позволяет дать качественную характеристику процесса. Магнитная сила потокосцепления Fм на три порядка больше пондеромоторной силы F м, т.е. скорость образования флокул намного больше скорости движения частиц в зону максимальной напряженности поля. Отдельные частицы магнит-ного минерала или породы, если они не захвачены во флокулы,

будут выноситься потоком жидкости, т.к. скорость их свободного и стесненного падения намного меньше скорости восходящего потока. Для флокулы наибольшей силой является сила тяжести, которая на два порядка больше остальных сил, поэтому ее движение будет направлено вниз. Таким образом, образующиеся селективные флокулы отделяются в результате действия гравитационных сил, немагнитные минералы и сростки удаляются с потоком восходящей жидкости.

Отличительной особенностью процесса является снижение потребной магнитной энергии за счет совпадения вертикальной составляющей магнитной силы и гравитационной, а также использования структурированной суспензии в зоне флокуляции как усилителя магнитного поля [4]. Исследование флокуляции магнетита крупностью -74+10 мкм из руды Оленегорского месторождения показало, что уже при напряженности магнитного поля 8 кА/м в пределах изученных гидродинамических условий (У=0,5-1,8 10-2м/с) степень флокуляции составляет 92-95%, т.е. он практически полностью сфлокулирован. Селективность образующихся флокул исследовалась с использованием смесей Оленегорского магнетита и кварца крупностью -74,40 и -20 мкм в полях до 18 кА/м в восходящих потоках и при сдвиговых напряжениях, создаваемых перемешиванием суспензии, и оценивалась по содержанию кварца

Рис. 1. Схема процесса селективной флокуляции и разделения минералов в магнитно-гравитационных полях. Fм, Fт Fу, Fс - соответственно силыи магнитная пондеромоторная, тяжести, центробежная, сопротивления среды

а)

в)

б)

Рис. 2. Изменение содержания кремнезема во флоккулах р^Ю2 в зависимости от ско-рости восходящего потока Vи напряженности магнитного поля Н при разделении смеси магнетита и кварца крупностью, мкм: а) -74; б) -40; в) -20

во флокулах и коэффициентом селективности, рассчитанному по формуле Коэна (1):

К =

а

где Р - содержание магнетита во флокулах; а - содержание магнетита в исходном продукте.

Результаты исследования показали, что для материала каждой крупности имеется определенная область значений напряженности поля и скорости восходящего потока, при которых флокулы наиболее селективны (рис. 2). При напряженности поля, превышающей значение данной области, селективность флокул снижается и рост эффективности обогащения прекращается. В этих условиях приобретают значение силы вязкого межфракционного взаимодействия между частицами кварца, флокулами и силами сопротивления среды, с одной стороны, и магнитной и гравитационной силами с другой. С учетом того, что система является трехфазной, и, принимая,

что диаметр флокулы равен ширине ее в сечении, перпендикулярном направлению потока жидкости, уравнения сил будут иметь

вид:

^ Ц

+ к^2 - V,) = Цо%Нд^Н + 9

1 -р0'

Р1

Р2

+ k(v1 - V2) = 9

'1 -ро'

Р2

где г1, г2 - эффективный радиус частиц (флокул) магнетита и частиц кварца; р0, р1, р2 - плотность среды, магнетита (флокул) и кварца; % - удельная магнитная восприимчивость; ц - динамическая вязкость среды; V - скорость восходящего потока жидкости; У1,У2 - скорость осаждения частиц (флокул) магнетита и кварца; g - ускорение силы тяжести; Н - напряженность магнитного поля; к - коэфициент, учитывающий межфракционное взаимодействие твердых фаз; коэффициент к является симметричной функцией величины размеров взаимодействующих частиц и определяется выражением

к = 2 г1 • г2 •f -

f|ГL) = f ( —

После соответствующих преобразований были получены расчетные формулы для определения диапазона магнитных и гидродинамических сил, в котором образующиеся флокулы наиболее селективны:

(ИдгаЬИ)- >

д • V

2% • Р1 • Г12

1 +\4р + -М1 г-

1 +-^1 4р

1 +1

4р

р1 - р0 Х-Р1

(HдгadH) + <

д • V

2 % • р1 • г-

4р + -^ 11 + 1 гу/р ) 1 +4р1

р1 - р о

% • р1

где Р= -

2

д

д

2

Г

Г

Рис. 3. Граничные значения магнитных (Н) и гидродинамических (V) условий для образования селективных флоккул при сепарации материала различной крупности, мкм: dl -74; d2 -40; dз -20

Расчеты, проведенные по полученным формулам, позволили определить численные значения диапазона магнитных и гидродинамических сил для образования селективных флокул при разделении смесей магнет;ит-кварц различной крупности (рис. 3). Анализ рис. 3 показывает, что с увеличением скорости восходящего потока границы интервала селективной сепарации сдвигаются в сторону больших напряженностей поля, а величина самого интервала возрастает. Эта зависимость сохраняется также при снижении крупности частиц и постоянстве соотношения эффективных размеров флокул магнетита и частиц кварца при изменении других параметров.

Анализируя процесс образования и поведения флокул в гидродинамических условиях в магнитных полях малых напряженности и градиента можно выделить следующие основные этапы флокуло-образования в зависимости от роста напряженности возбуждения

Нв:

- без магнитного поля Нв=0, или при Нв, значительно меньшей, при которой удельная магнитная восприимчивость магнитных час-

тиц является максимальной (Нвэф), т. е. при 0=Нв << Нвэф, флокулы образуются за счет остаточной намагниченности, восходящий поток выносит их вместе с частицами магнетита и кварца в слив;

- при Нв=Нвэф (уровень Нвэф зависит от магнитной характеристики минерала и его крупности) образуются селективные флокулы линейной структуры, обладающие устойчивостью во всем объеме зоны флокуляции. Такие флокулы имеют форму, плотность, и вес, достаточные для преодоления скорости восходящего потока;

- при Нв > Нвэф, но менее той напряженности, при которой происходит лавинное образование жестких неподвижных флокул (Нвлав), т.е. при Нвэф<Нв<Нвлав', флокулы теряют подвижность, частицы кварца удерживаются во флокулах, селективность ухудшается;

- при Нв=Нлав флокулы имеют жесткие неподвижные объемные структуры. Частицы кварца захватываются во флокулы и не вымываются гидродинамическими потоками.

В реальных условиях разделения в силу широкого диапазона крупности, формы, плотности, магнитных характеристик минералов процесс имеет более сложный характер. Необходимо также иметь ввиду, что для эффективного разделения процессы формирования и выделения селективных флокул необходимо осуществлять в одном аппарате и одном силовом поле, т. к. скорости флокуляции и дефлокуляции составляют величину порядка 110-2 секунды [6].

Г ипотеза о динамическом равновесии процессов флокуляции и дефлокуляции в условиях магнитного поля и потока жидкости позволила связать степень селективности флокул с их размером.

Принимая, что разрушение флокул вызывается изотропными турбулентными пульсациями, описываемыми теорией Колмогорова, а прочность их определяется силами потокосцепления [2], и, приравнивая эти силы, была получена формула для определения критического размера флокулы, в частности ее длины в условиях максимальной селективности.

Основными параметрами, входящими в формулу и определяющими размер флоккулы, являются напряженность магнитного поля и скорость восходящего потока жидкости, а также магнитная проницаемость флоккулы, объем зоны флокуляции и скорость диссипации энергии:

Таблица 3

Расчетная длина флокул_____________________________________________

ТмЮ3 I 01 I 3 I 8 I 18 I 27 I 40”

I =

Цэф _ 1

[1 + NР(^эф _ 1)]

Цо

2Р • ку

н3

н

едис

где ц0 _ магнитная проницаемость вакуума; цэф.—магнитная проницаемость флоккулы; — N—размагничивающий фактор; Н—

напряженность магнитного поля; ку----универсальная постоян-ная,равная 1,6-2,33; едис—скорость диссипации энергии, равная N

8Дис- ,

pW

где N - мощность,необходимая для перемешивания; Р0-плотность суспензии; W-объем зоны флокуляции.

В табл. 3 приведены расчетные значения длины флокул в зависимости от напряженности поля при скорости восходящего потока 0,9 м/с для смеси магнетита и кварца крупностью -0,074+0 мкм.

Длина наиболее селективных флокул, образующихся в переменных условиях Н-У, показана на рис. 4.

Аналитическое описание условий образования селективных флокул магнетита позволило обосновать способ сепарации (МГФ-сепарацию), где применяются магнитные поля, характеристики которых (Н, gradН) предопределяют образование из частиц, имеющих в этих условиях максимальную магнитную восприимчивость, селективных флокул и дальнейшим отделением их с использованием гравитационных, магнитных и гидродинамических сил в восходящем потоке жидкости.

Предложенный способ сепарации был испытан в лабораторных, полупромышленных и промышленных условиях, в результате чего был создан ряд конструкций МГФ-аппаратов, работающих в режимах сепарации, дешламации и сгущения в зависимости от целей и параметров операции.

Проведены лабораторные испытания в промежуточных и конечных операциях обогащения руд Криворожских, Ковдорской,

Рис. 4. Размер (I) наиболее селективных флоккул, образующихся в переменных условиях Н - V

Оленегорской, Лебединской обогатительных фабрик. Показано, что при доводке конечных концентратов содержание железа возрастает на 1-1,8% при извлечении в операции 99,4-99,8%. Промышленные испытания проведены на Костомукшской, Оленегорской, Лебединской фабриках [7], Киркинесской (Норвегия), Сокли (Финляндия). Везде при работе МГФ-сепараторов на этих фабриках получены положительные результаты обогащения. С целью получения концентратов высокой чистоты использовались концентраты Оленегорской и Лебединской обогатительных фабрик. В промышленных условиях получены магнетитовые концентраты, содержащие 71,9-72,0% железа и 0,3-0,17% кремнезема при доводке оленегорского концентрата и 71,2% железа и 0,74-0,55% кремнезема при доводке лебединского концентрата.[8].

----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Плаксин И.Н., Кармазин В.В. Магнитная флокуляция тонкоизмельчен-ных материалов в процессе сепарации. Доклад на V научно-технической сессии института Механобр, 1966.

2. Кармазин В.И., Кармазин В.В. Магнитные методы обогащения. Недра, 1984, 416с.

3. Laurila E. On the behaviour of the mfgnetic powder in a rotating magnetic fields. Annales Scientiarum Technical. Ser,A.,VI Physica, Helsinki, 1959,34, p.3-13.

4. Алейников Н.А., Усачев П.А., Зеленое П.И. Структурирование ферромагнитных суспензий. Л., Наука, 1974, 119 с.

5. А.с. 831182 (СССР) «Способ разделения магнетитовых материалов». Зеле-нова И.М., Сентемова В.А., Зеленов П.И., Ляхов В.П. Опубл. в Б.И.,1981, №19.

6. Хинце И.О. Турбулентность., Физматгиз,1963,680 с.

7. Изучение механизма флокуляции и прогнозирование показателей обогащения в процессах МГФ-сепарации. Отчет, №160, Оленегорск 1985, 26 с.

8. Зеленова И.М. Исследование обогатимости тонкоизмельченных магнетитовых суспензий в слабомагнитных полях с целью получения концентратов высокой чистоты. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, ИПКОН АН СССР, Москва, 1979.

9. А.с. 1243821 (СССР) Электромагнитный сепаратор. Зеленова И.М., Слад-кович В.Ф. и др. Опубликован в Б.И.

Zelenova I.M.

Flocculation of magnetite with aim to increase iron-ore concentrate’s quality Theoretical basement of magnetite ore dressing is concerned, which is based on the selective flocculation of magnetic minerals in low tension (4016 kA/m) field, created by solenoid. The usage of this method allows as to increase the quality offinal magnetite concentrates by 1.0-18% as to get concentrates of high purity, containing 71.9-72.1% of Fe and 0.5% or less of silica.

— Коротко об авторе ---------------------------------------------

Зеленова И.М. - кандидат технических наук, научный сотрудник, Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова, РАН, лаборатория проблем металлургии комплексных руд, e-mail irizeleno@ yandex.ru