Способ сепарации магнитных частиц и устройство сепаратора
METHOD OF SEPARATING MAGNETIC PARTICLES AND SEPARATOR DEVICE

Изобретение относится к лабораторному способу обогащения полезных ископаемых, в частности - к мокрой магнитной сепарации магнитных частиц и может использоваться для изучения образцов горной породы аналитическими методами.
Краткой сущностью заявленного способа является использование циркуляции жидкости с образцом в закрытом контуре, с прохождением через постоянные редкоземельные магниты, склеенными между собой одноименными полюсами, для обогащения образцов горной породы посредством использования постоянных магнитов которые обеспечивают создание градиентных зон магнитного поля. При этом оптимальное количество градиентных зон должно быть не менее 2.
Выбор количества градиентных зон зависит как от размера магнитов, так и напряженности магнитного поля создаваемого ими.
В заявленном техническом решении использованы четыре магнита длиной 7 мм, диаметром 4 мм, которые создают четыре градиентных зоны, одна на конце магнита, три в местах склейки магнитов. Градиент создаваемого магнитного поля (dH/dz) не менее 600 Э/мм. Магниты помещены в чехол из тонкого (до 0.1 мм), плотно прилегающего немагнитного материала.
Известно, что магнитные сепараторы используются в тех областях применения, где необходимо притягивать и выделять (сепарировать) ферромагнитные материалы любой формы и размера из смеси материалов. Способность сепаратора к притяжению зависит как от магнитного поля, которое он может генерировать (напряженность и градиент), так и от собственной индукции сепарируемого объекта, которая определяется его форм-фактором и степенью его магнитной проницаемости.
Долгое время в качестве притягивающего элемента использовали постоянные магниты, выполненные из керамических материалов, таких как феррит бария и, еще лучше, феррит стронция. Эти магниты имеют среднюю внутреннюю и остаточную магнитную энергию и способны притягивать в пределах определенного расстояния ферромагнитные материалы с большим форм-фактором и/или средневысокой магнитной проницаемостью. Позднее стали применяться другие притягивающие элементы, выполненные из спеченных материалов с высокой внутренней остаточной магнитной энергией, известных как редкоземельные элементы. Эти магниты могут притягивать в пределах относительно короткого расстояния, но с большой эффективностью, даже материалы с низким форм-фактором и/или средне-низкой и очень низкой магнитной проницаемостью. Также в последнее время все чаще в качестве притягивающего элемента используются электромагниты, в которых можно изменять силу притяжения, в зависимости от поставленных задач. На данный момент все конструкции являются громоздкими и рассчитанными на большое количество сепарируемого образца. Еще одним недостатком является прохождение сепарируемого образца через притягивающий элемент только один раз.
Таким образом, целью настоящего изобретения является создание магнитного сепаратора, который позволяет преодолеть ограничения известных сепараторов. Эта цель достигается посредством сепаратора, в котором сепарируемый образец циркулирует в замкнутом контуре, неоднократно проходя через притягивающий элемент. Притягивающий элемент выполнен из цилиндрических постоянных магнитов, выполненных из редкоземельных элементов, диаметром не более 5 мм, что увеличивает градиент магнитного поля, и соответственно, силу притяжения магнитных частиц. Для создания большего количества градиентных зон магнитного поля, магниты соединяются одноименными полюсами.
Выделение и дальнейшее изучение магнитного сепарата позволяет определить качество руд, выделить минералы-носители намагниченности в осадочных породах. Изучение полученного сепарата и выявление классов магнитных минералов и дальнейшее определение условий их образования может дать ответы об алмазоносности территории. Также выделение магнитной фракции и ее изучение, может быть использовано для восстановления геотермической истории нефтяного месторождения.
Предлагаемый способ представляет значительный интерес для компаний и предприятий, осуществляющих свою деятельность в области изучения климата, разработки месторождений и добычи углеводородов, компаний работающих с рудным сырьем и добывающих алмазы.
Из исследованного уровня техники выявлена полезная модель № 110299 «Магнитный валковый сепаратор на постоянных магнитах». Сущностью известного технического решения является магнитный валковый сепаратор на постоянных магнитах, включающий магнитный валок в виде цилиндра, питатель, течку, а также ванну, внутри которой в нижней ее части установлены регулируемые перегородки, делящие ее на два отсека с выпускными патрубками и позволяющие регулировать ширину зоны приема каждого из отсеков, устройство для очистки рабочей поверхности валка от осажденных на него частиц магнитной фракции сепарируемого продукта, отличающийся тем, что в качестве устройства для очистки рабочей поверхности валка от осажденных на него слабомагнитных и сильномагнитных частиц применяется шнек, изготовленный из эластичного упругого материала, транспортирующий эти частицы к краю валка, где происходит их разгрузка в отсек ванны для магнитного продукта.
Недостатком известного технического решения является применение сухой сепарации, что может привести к потере вещества при малом его количестве. Недостатком также является однократное прохождение сепарируемого материала через магнитную систему.
Из исследованного уровня техники выявлено изобретение по патенту РФ № 2324542 «Магнитный сепаратор с ферритовыми и редкоземельными постоянными магнитами». Сущностью известного технического решения является магнитный сепаратор с постоянными магнитами, содержащий ферромагнитный элемент для соединения цепи между по меньшей мере двумя магнитными полюсами, отличающийся тем, что каждый магнитный полюс выполнен из ферритовых магнитов в нижней части, находящейся в контакте с упомянутым ферромагнитным элементом для соединения цепи, и из редкоземельных магнитов в верхней части, которая представляет собой поверхность входа/выхода магнитных силовых линий. Магнитный сепаратор по п.1, отличающийся тем, что в каждом магнитном полюсе отношение между эффективной магнитной длиной ферритовых магнитов и редкоземельных магнитов составляет от 1:1 до 3:1, предпочтительно 2:1. Магнитный сепаратор по п.1 или 2, отличающийся тем, что он состоит из ферромагнитного цилиндра, вокруг которого нанесены магнитные полюса, причем упомянутый цилиндр окружен защитным кожухом из немагнитного материала, заполненным фиксирующей смолой, и этот узел закреплен на валу так, что он может использоваться как конвейер, на котором транспортируется обрабатываемый материал .Магнитный сепаратор по п.1 или 2, отличающийся тем, что ферритовые магниты выполнены из феррита бария или феррита стронция. Магнитный сепаратор по п.1 или 2, отличающийся тем, что редкоземельные магниты выполнены из самария-кобальта или железа-бора-неодима. Магнитный сепаратор по п.3, отличающийся тем, что ферритовые магниты выполнены из феррита бария или феррита стронция. Магнитный сепаратор по п.3, отличающийся тем, что редкоземельные магниты выполнены из самария-кобальта или железа-бора-неодима. Магнитный сепаратор по п.4, отличающийся тем, что редкоземельные магниты выполнены из самария-кобальта или железа-бора-неодима.
Таким образом, сущностью технического решения является магнитный сепаратор с изменяемым магнитным полем, содержащий корпус в виде вращающегося немагнитного барабана, расположенные в нем две магнитные системы с постоянными магнитами, расположенные с возможностью изменения напряженности создаваемого ими магнитного поля, отличающийся тем, что барабан снабжен валом и магнитными системами, установленными с двух сторон от вала с возможностью изменения положения относительно боковой внутренней поверхности барабана, вал жестко связан с корпусным элементом в виде рамки, две стенки которой перпендикулярны, а две параллельны валу, при этом на последних установлены два ярма, в каждом из них закреплена магнитная система, содержащая блок постоянных магнитов, при этом ярмо выполнено в виде секторного элемента с задней стенкой, параллельной боковой поверхности барабана и двумя боковыми стенками перпендикулярными оси барабана, каждая боковая стенка ярма снабжена прямоугольным и круглым вырезами, через прямоугольные вырезы пропущены с зазором направляющие квадратной формы, снабженные ограничителями в виде двух вилок, служащих для регулирования хода ярма относительно боковой поверхности барабана и перпендикулярно его оси, между задней стенкой и направляющими ярма параллельно им установлены кулачковые валы с двумя эксцентриками, которые взаимодействуют с вилками направляющих, в свою очередь, каждый кулачковый вал расположен с возможностью вращения в двух держателях, жестко связанных со стенками рамки, параллельными валу, вал барабана, в свою очередь, установлен с возможностью вращения вокруг своей оси в момент настройки магнитных систем для установки их в рабочее положение, а длина прямоугольного паза в стенке ярма рассчитана таким образом, чтобы угол вращения кулачковой оси был равен 180°.
Недостатком известного технического решения является малый градиент магнитного поля, несмотря на возможность изменения напряженности магнитного поля создаваемого постоянными магнитами, градиент поля является более существенным признаком при сепарации слабомагнитного вещества.
Из исследованного уровня техники выявлено изобретение по патенту РФ № 2263547 «Способ магнитной сепарации слабомагнитных материалов и устройство для его осуществления». Сущностью известного технического решения является магнитная сепарация слабомагнитных материалов в горной, стекольной, химической, керамической и других отраслях промышленности. Способ магнитной сепарации слабомагнитных материалов включает подачу сепарируемого материала к наклоненным относительно вертикальной плоскости удлиненным ферромагнитным телам, установленных с зазором и параллельно друг другу, дальнейшее перемещение материала вдоль удлиненных ферромагнитных тел в магнитном поле, градиент которого действует против силы тяжести и зависит от геометрической формы и магнитных свойств удлиненных ферромагнитных тел, разделение в магнитном поле материала на магнитную и немагнитную фракции, падение под действием силы тяжести немагнитной фракции материала вниз через зазоры между смежными удлиненными ферромагнитными телами, дальнейшее перемещение магнитной фракции материала вдоль удлиненных ферромагнитных тел в направлении ее разгрузки при выходе из зоны действия магнитных сил.
Недостатком известного технического решения является проход сепарируемого материала через зону притяжения магнитов только один раз, что сказывается на низкой эффективности при его использовании по назначению.
Из исследованного уровня техники выявлено изобретение по патенту РФ № 104487 «Валковый сепаратор на постоянных магнитах для обогащения слабомагнитных материалов». Сущностью известного технического решения является валковый сепаратор на постоянных магнитах для сухого и мокрого обогащения слабомагнитных материалов, включающий загрузочное и разгрузочные устройства, корпус, поворотные шибера, съемник концентрата и выполненный с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси магнитный валок, на поверхности которого закреплены постоянные магниты чередующейся полярности из сплава неодима с железом и бором, отличающийся тем, что магнитный валок выполнен в виде полого цилиндра, причем магниты выполнены в виде колец с наклеенными на них кольцевыми дисками из магнитомягкой стали, а в случае мокрого обогащения устройство снабжено приспособлением для подачи воды, переливным устройством и сменными насадками на выпускных патрубках разгрузочного устройства.
Недостатком известного технического решения является проход сепарируемого материала через зону притяжения магнитов только один раз, необходимость предварительного очищения от сильномагнитных примесей. Указанное  сказывается на низкой эффективности при его использовании по назначению.
Из исследованного уровня техники выявлено изобретение по патенту РФ № 2700135 «Магнитный сепаратор на постоянных магнитах для мокрого обогащения слабомагнитных материалов». Сущностью известного технического решения является магнитный сепаратор на постоянных магнитах для мокрого обогащения слабомагнитных материалов, включающий корпус с ванной, размещенные в нем с зазором две магнитные системы из постоянных магнитов - основную и дополнительную, при этом основная магнитная система расположена в барабане с приводом от электродвигателя с возможностью поворота относительно оси барабана, устройство снабжено также загрузочной коробкой и разгрузочными устройствами в виде патрубков для отвода магнитной и немагнитной пульпы, а также трубопроводом для подачи жидкости, отличающийся тем, что загрузочная коробка корпуса снабжена успокоителем потока подаваемой пульпы, который помогает равномерно распределить поступающую пульпу по всей рабочей длине сепаратора, а корпус устройства выполнен в виде коробчатой конструкции, снабженной двумя ножками, с дном в виде ванны, при этом барабан сепаратора расположен в центральной части корпуса и снабжен приводным валом, внутри немагнитного корпуса барабана расположен вал основной магнитной системы, выполненной в виде кольцевых сегментов постоянных магнитов, снабженных полюсными наконечниками, установленными в свою очередь на немагнитном корпусе барабана сепаратора, а основная магнитная система снабжена узлом регулировки ее положения внутри магнитного барабана, расположенным на торце вала основной магнитной системы, кроме того, корпус устройства снабжен системой смывных форсунок, расположенных на подающем трубопроводе и секторной выгнуто-вогнутой перегородкой, выполненной под барабаном сепаратора и обращенной выгнутой частью в сторону дна ванны, при этом на внешней поверхности перегородки установлена дополнительная магнитная система из постоянных магнитов, кроме того, устройство снабжено узлом регулирования рабочего зазора между магнитными системами, установленным с двух сторон от торца приводного вала основной магнитной системы, наконец, между полюсными наконечниками основной магнитной системы выполнены каналы для прохождения сепарируемой жидкости в рабочий зазор полюсных наконечников, а между магнитными системами установлены проставки, служащие для снижения потерь жидкости вне магнитных наконечников.
Недостатком известного технического решения является использование барабана для перемешивания жидкости с породой, что приводит к потере вещества и невозможности сепарации маленьких количеств образца. Указанное сказывается на низкой эффективности при его использовании по назначению.
Во всех выше описанных известных технических решениях сепарация проводится для обогащения в условиях промышленного производства при больших объемах образцов, тогда как, если количество материала ограничено, то в больших по размеру приборах будет потеря вещества и минимальное количество отсепарированного материала. Указанные недостатки сказываются на их низкой эффективности при их  использовании в лабораторных условиях.
Наиболее близким, принятым за прототип, выбран сепаратор, работающий по принципу циркуляции потока жидкости с порошкообразным образцом в замкнутом контуре (T. von Dobeneck, N. Petersen and H. Vali, Bakterielle Magnetofossilien, Geowiss. in unserer Zeit 1, 27-35, 1987). Сущностью известного технического решения является сепарация магнитных частиц с помощью циркулирующей по трубкам воды с дробленной породой содержащей, магнитные частицы, которые неоднократно проходят через сепарирующий элемент – железный стержень.
Недостатками прототипа по отношению к способу и по отношению к устройству являются:
- использование железного стержня для сепарации, в отличие от использования магнитов в заявленном техническом решении, что приводит к увеличению количества сепарируемых частиц в заявленном техническом решении;
- отсутствие подбора количества сепарирующих элементов, в отличие от заявленного технического решения, где количество постоянных магнитов подбирают в зависимости от магнитной восприимчивости образца с возможностью изменения количества градиентных зон магнитного поля в рабочей зоне аппарата,
- отсутствие стадии и элемента для взмучивания осадка в делительной воронке, что приводит к более низкой эффективности при его использовании по назначению в условиях лаборатории, по сравнению с заявленным техническим решением;
- отсутствие стадии повтора извлечения постоянного магнита с прилипшими частицами и очистки поверхности немагнитного чехла от прилипших частиц при большом количестве магнитных частиц, что приводит  к меньшему количеству сепарируемых частиц по сравнению с заявленным техническим решением;
- отсутствие подбора скорости циркуляции воды и времени сепарации в зависимости от магнитной восприимчивости сепарируемого образца.
Целью и техническим результатом заявленного технического решения
является устранение недостатков прототипа для повышения эффективности сепарирования материалов в условиях лаборатории  путем многократного прохождения исследуемого образца через область высокоградиентного магнитного поля.
Заявленное техническое решение позволяет извлечь максимальное количество магнитного вещества из образца, при этом использование заявленного технического решения не требуются большие затраты и постоянный контроль за процессом.
Сущностью заявленного технического решения
отличающийся тем, что
отличающийся тем,
является способ сепарации магнитных частиц с помощью сепаратора, заключающийся в том, что в стеклянную кювету помещают необходимое количество сепарирующих элементов, в конусовидную делительную воронку заливают дистиллированную воду с предварительно перемешанным в ней измельченным образцом горной породы с фракционным составом до 0.5 мм, включают перильстатический насос для возможности циркуляции воды с образцом через конусовидную делительную воронку и стеклянную кювету с сепарирующими элементами, циркуляцию воды с образцом продолжают до того момента, пока количество налипшего на сепарирующий элемент магнитных частиц не перестанет увеличиваться, далее перильстатический насос выключают, из стеклянной кюветы извлекают сепарирующий элемент в чехле с прилипшими к чехлу частицами, сепарирующий элемент извлекают из немагнитного чехла, магнитные частицы смывают с чехла,  в конусовидную делительную воронку компрессором постоянно подают воздух для возможности взмучивания воды с образцом, в качестве сепарирующего элемента используют постоянные магниты, количество постоянных магнитов подбирают в зависимости от магнитной восприимчивости образца с возможностью изменения количества градиентных зон магнитного поля в рабочей зоне аппарата, при большом количестве магнитных частиц в образце стадию извлечения постоянного магнита с прилипшими частицами и очистки поверхности немагнитного чехла от прилипших частиц повторяют, скорость циркуляции воды и время сепарации подбирают в зависимости от магнитной восприимчивости сепарируемого образца. Сепаратор по п. 1, содержащий установленные на стойках и распорках последовательно соединенные конусовидную делительную воронку, стеклянную кювету, перильстатический насос; при этом  стеклянная кювета содержит сепарирующие элементы, помещенные в чехол из тонкого - до 0.1 мм, плотно прилегающего немагнитного материала; сепаратор снабжен системой трубок для обеспечения циркуляции воды с образцом через конусообразную делительную воронку и стеклянную кювету с помощью перильстатического насоса, что содержит компрессор с возможностью постоянной подачи воздуха для взмучивания воды с образцом через трубку, отходящую от компрессора и опущенную в конусообразную делительную воронку; сепарирующие элементы представляют собой  постоянные магниты, склеенные одноименными полюсами, с возможностью создания градиентных зон магнитного поля.
Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг 1, Фиг.2.
На Фиг. 1 изображен магнитный сепаратор (общий вид), где:
1 – стойка,
2 – распорки,
3 – кольцо поддержки,
4 – конусовидная делительная воронка,
5 – отводная  трубка с краном на конусовидной делительной воронки,
6 – стеклянная кювета,
7 – сепарирующие элементы - постоянные магниты,
8 – держатель для зажима,
9 – зажим,
10 – перильстатический насос,
11, 12 – трубки силиконовые для циркуляции жидкости,
13 – компрессор,
14 – силиконовая трубка для подачи воздуха
На Фиг. 2 изображена стеклянная кювета 6, где:
6 - стеклянная кювета;
15 – стеклянный отвод для подсоединения силиконовой трубки 11.
Технический результат достигается благодаря тому, что заявленный сепаратор для извлечения магнитных частиц оснащен в качестве сепарирующих элементов постоянными магнитами (например, редкоземельными) диаметром не более 5 мм, а также перильстатическим насосом для циркуляции воды с образцом в замкнутом контуре. Неоднократное прохождение образца по замкнутому контуру через градиентные поля обеспечивает максимальное количество извлечения магнитных частиц из исследуемого образца.
Далее заявителем описано устройство заявленного сепаратора.
основных частей
Заявленный сепаратор установлен на штативах 1 и распорках 2 и состоит из следующих : конусовидной делительной воронки 4, установленной на кольце поддержки 3, стеклянной кюветы 6, перильстатического насоса 10, компрессора 13, постоянных магнитов 7.
Стеклянная кювета 6, которую поддерживает зажим 9 с держателем 8, установлена после делительной воронки 4 и имеет диаметр наиболее широкой части 16 мм и высоту 121 мм. Внутри кюветы установлены сепарирующие элементы в виде магнитов 7, склеенные одноименными полюсами, для создания градиентных зон магнитного поля. Магниты 7 помещены в чехол из тонкого (до 0.1 мм), плотно прилегающего немагнитного материала, обеспечивающего возможность исключения попадания мелких магнитных частиц исследуемого образца на поверхность магнита 7.
Силиконовая трубка 11 одним концом прикреплена к отводной  трубке с краном 5, а другим концом к стеклянному отводу 15 стеклянной кюветы 6.
Силиконовая трубка 12 одним концом  прикреплена к стеклянной кювете 6, далее трубка 12 проходит через перильстатический насос 10 для создания циркуляции потока жидкости. Другим концом силиконовая трубка 12 опущена в горло конусообразной делительной воронки 4.
Силиконовая трубка 14 отходит от компрессора 13 и опущена в конусообразную делительную воронку 4 до отводной трубки 5. По силиконовой трубке 14 постоянно подается воздух для взмучивания воды с образцом около отводной трубки 5, что предотвращает засорение отводной трубки 5.
Далее заявителем описан заявленный способ сепарации.
В  стеклянную кювету 6 помещают необходимое количество сепарирующих элементов, представляющие собой постоянные магниты 7, склеенные одноименными полюсами.  Количество постоянных магнитов определяют в зависимости от магнитной восприимчивости горной породы. При увеличении количества магнитов происходит увеличение количества высокоградиентных зон магнитного поля в рабочей зоне сепаратора.
В конусовидную делительную воронку 4 заливают дистиллированную воду, с предварительно перемешанным в ней измельченным образцом горной породы с фракционным составом до 0.5 мм.
Включают перильстатический насос 10 для циркуляции воды с образцом по силиконовым трубкам через конусовидную делительную воронку 4 и стеклянную кювету 6 с постоянными магнитами 7.
Включают компрессор 13 и по силиконовой трубке 14 постоянно подают воздух для взмучивания воды с образцом в конусовидной делительной воронке 4, что предотвращает засорение отводной трубки 5.
Циркуляцию воды с образцом продолжают до того момента, пока количество налипшего на магнит 7 вещества не перестанет увеличиваться.
После этого перильстатический насос 10 выключают, из стеклянной кюветы 6 извлекают постоянный магнит 7 в чехле с прилипшими к чехлу частицами. Магнит 7 извлекают из немагнитного чехла и магнитные частицы смывают с чехла. При большом количестве магнитных частиц в образце стадию извлечения постоянного магнита 7 с прилипшими частицами и очистки поверхности немагнитного чехла от прилипших частиц повторяют несколько раз, что увеличивает процент извлечения магнитных частиц.
Скорость циркуляции воды и время сепарации подбирают в зависимости от магнитной восприимчивости сепарируемого образца.
Ввиду того, что горные породы обладают широким диапазоном магнитной восприимчивости, режим сепарации для каждого вида породы подбирается индивидуально, вследствие чего, по мнению заявителя, конкретные показатели  скорости циркуляции воды и времени сепарации нецелесообразно включать в формулу изобретения.
достигнуты поставленные цели и заявленный технический результат
Таким образом, из описанного выше можно сделать вывод, что заявителем , а именно: повышена эффективность сепарирования материалов в условиях лаборатории за счет многократного прохождения исследуемого образца через область высокоградиентного магнитного поля.
Заявленное техническое решение позволяет извлечь максимальное количество магнитного вещества из образца, при этом использование заявленного технического решения не требуются большие затраты и постоянный контроль за процессом.
Заявленное техническое решения соответствует критерию «новизна», т.к. из исследованного уровня техники на выявлены технические решения с заявленной совокупностью признаков, представленных в независимых пунктах формулы изобретения.
Заявленное техническое решения соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. является неочевидным для специалиста вследствие того, что из исследованного уровня техники не выявлены технические решения, которые могут быть реализованы с использованием заявленной совокупности признаков, приведенных в независимых пунктах формулы заявленного технического решения.
Заявленное техническое решения соответствует критерию «промышленная применимость», т.к. апробировано в лабораторных условиях и получено подтверждение заявленных целей, а именно - полученные результаты подтверждают высокую эффективность использования заявленного сепаратора и заявленного способа при исследовании образцов горных пород.