МАТРИЦА ВЫСОКОГРАДИЕНТНОГО МАГНИТНОГО СЕПАРАТОРА

Область техники
Полезная модель относится к дополнительному оборудованию устройств для разделения материалов по магнитным свойствам - магнитной сепарации и может быть применена в горнорудной, химической и других отраслях промышленности для обогащения слабомагнитных руд и для глубокой очистки различных материалов от слабомагнитных включений.
Уровень техники
Одним из важнейших условий эффективного извлечения частиц слабомагнитной фракции в высокоградиентной магнитной сепарации является правильный выбор матриц с осадительными элементами, на поверхности которых происходит закрепление слабомагнитных частиц в зоне извлечения магнитной фракции. Различные конструкции таких матриц, отличаются друг от друга формой поверхности осадительных элементов, величиной зазоров между ближайшими элементами, коэффициентом заполнения ферромагнитным материалом рабочего пространства.
Известен магнитный сепаратор (патент DE3314923 (А1), состоящий из корпуса с входным и выходным патрубками, намагничивающей системы, рабочие матрицы которого состоят из стержневых ферромагнитных осадительных элементов. Однако, такой сепаратор обладает, низкой пористостью рабочей матрицы, имеет малый объем пропускных каналов между стержневыми элементами и недостаточно развитую осадительную поверхностью вследствие малого объема рабочего пространства, в котором достигаются высокие значения силового параметра магнитного поля, а потому является малопроизводительным при высоком значении коэффициента заполнения пространства матрицы ферромагнитным материалом. Стремление увеличить производительность при использовании матриц такого типа ведет к существенному, технологически неоправданному повышению скорости движения сепарируемого материала в проходных каналах матрицы и снижению эффективности сепарации.
Известна матрица для высокоградиентного магнитного сепаратора (патент US 3912634 (А), выполненная из слоев сетки из ферромагнитной стали.
Известна матрица из решеток, которые выполнены в виде жалюзи, причем планки соседних решеток наклонены в противоположные стороны и смещены друг относительно друга на половину шага (авторское свидетельство СССР SU 904782).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является магнитный сепаратор (патент РФ №2300421), имеющий рабочую матрицу, состоящую из стержневых осадительных проволочных элементов, выполненных в виде пружинных тел. При этом проволочные элементы выполнены в виде высокопористых пружинных тел, обладающих низкой металлоемкостью и способных формировать высокоградиентные магнитные поля. При этом оси пружинных тел ориентированы по отношению к намагничивающей системе таким образом, чтобы магнитный поток проходил вдоль осей пружинных тел и одновременно ориентированных поперек направления потока очищаемой среды в рабочей матрице.
Недостатком такого сепаратора является то, что при использовании пружинных элементов из тонкой проволоки, обеспечивающей создание высокого градиента магнитного поля, необходимого для улавливания слабомагнитных частиц, пружины, под действием магнитного поля, непредсказуемо сжимаются и нарушают рабочий процесс.
Все упомянутые выше матрицы имеют высокий коэффициент заполнения рабочего пространства ферромагнитным материалом, что в особо сильных магнитных полях приводит в крайне высокому уровню сил магнитного взаимодействия между ферромагнитными элементами матриц и магнитной системой сепаратора. Особенно остро эта проблема встает в сепараторах со сверхпроводящими магнитными системами, где токонесущие элементы магнитной системы, создающие магнитное поле, размещаются в криостате, а устройство надежного закрепления сверхпроводящих соленоидов внутри криостата затруднено из-за высоких требований к их тепловой изоляции.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель является создание высокоградиентных матриц, сочетающих в себе хорошо развитую осадительную поверхность с сравнительно невысоким значением коэффициента заполнения рабочего пространства ферромагнитным материалом.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности процесса магнитной сепарации высокоградиентного сепаратора.
Для достижения технического результата предложена матрица высокоградиентного магнитного сепаратора, содержащая осадительные элементы, в виде параллельно установленных на некотором расстоянии друг от друга цилиндрических стержней из немагнитного полимерного материала в поверхность которых интегрированы ферромагнитные концентраторы, которые частично заглублены в тело немагнитного стержня и частично выступают над его поверхностью, при этом, осадительные стержни ориентированы поперек направления магнитного потока и направления движения исходного материала, а ферромагнитные концентраторы интегрированные в цилиндрические стержни выполнены в виде ориентированных вдоль оси стержня отрезков ферромагнитной проволоки малого диаметра или ферромагнитной дроби или стальных опилок.
Кроме того, коэффициент заполнения ферромагнитным материалом рабочего пространства сепаратора, в которое помещены матрицы, составляет единицы или доли процентов.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показано поперечное сечение кассеты, заполненной осадительными элементами, где:
1 - немагнитные стержни из полимерного материала;
2 - стенки кассеты, в которых закреплены стержни.
На фиг. 2 показано изменение индукции магнитного поля В (Тл) на окружности, огибающей осадительный элемент при фоновом магнитном поля 1,3 Тл.
2
На фиг. 3 показано изменение силового параметра γ=|BgradB| (Тл/м) магнитного поля на поверхности осадительного элемента при фоновом магнитном поле 1,3 Тл
Осуществление полезной модели
На фиг. 1 представлено поперечное сечение кассеты с осадительными элементами в виде цилиндрических стержней 1 из немагнитного (например, полимерного) материала с интегрированными в поверхность ферромагнитными пруткамии малого (по сравнению с диаметром немагнитного стержня) диаметра.
Достоинством таких осадительных элементов является то, что в извлечении и удержании слабомагнитных частиц участвуют области осадительной поверхности, расположенные как сверху осадительного элемента, так и на его боковых участках. Сверху осадительного элемента участки с наибольшими значениями силового параметра магнитного поля располагаются между ферромагнитными концентраторами, через которые осуществляется замыкание магнитного поля (достаточно высокие значения градиента магнитного поля достигаются за счет изменения в радиальном направлении тангенциальной компоненты поля при приближении к боковой поверхности ферромагнитного концентратора). На боковых поверхностях осадительного элемента такие участки примыкают к вершинам ферромагнитных концентраторов (здесь достигаются локальные максимумы магнитного поля и его градиента, который растет за счет изменения в радиальном направлении нормальной компоненты индукции магнитного поля).
Одним из вариантов такой матрицы является матрица, представляющая собой пространственную структуру, составленную параллельно ориентированными поперек магнитного поля и поперек направления движения материала цилиндрическими стержнями из немагнитного материала (полипропилен, капролон и пр.), в поверхность которых интегрированы ферромагнитные элементы, выполняющие функцию концентраторов магнитного потока. Ферромагнитные элементы частично заглублены в тело стержня (например, вплавлены), частично выступают над поверхностью. Вблизи таких концентраторов образуются участки пространства с высоким уровнем магнитных сил. Роль подобных концентраторов могут играть ферромагнитные стержни малого диаметра или отрезки ферромагнитной проволоки, ориентированные вдоль образующей основного стержня, стальная дробь малого диаметра, стальные опилки и пр. Кривизна поверхности ферромагнитных концентраторов, выступающей над поверхностью осадительного элемента, выбирается исходя из гранулометрического состава частиц магнитной фракции, содержащихся в исходном продукте. Чем меньше средний размер частиц магнитной фракции, тем меньше должен быть радиус кривизны поверхности ферромагнитных концентраторов.
Матрица с осадительными элементами сконструирована таким образом, что обогащаемый материал при движении сверху вниз попадает сначала на верхнюю часть осадительного элемента, а затем огибает его вдоль боковых поверхностей. При этом, весьма важным фактором, влияющим на эффективность работы осадительного элемента, является наличие зон со значительной величиной индукции магнитного поля практически на всех участках поверхности осадительного элемента.
На фиг. 2 показано, как изменяется расчетное значение индукции магнитного поля при перемещении по окружности, огибающей осадительный элемент цилиндрической формы, в поверхность которого интегрированы ферромагнитные стержни (прутки) меньшего диаметра.
Расчет произведен для случая, когда диаметр полимерного стержня 1 равен 10 мм, ферромагнитных прутков 0,5 мм, индукция фонового магнитного поля равна 1,3 Тл. Индукция магнитного поля осциллирует с шагом, величина которого равна шагу, с которым установлены на поверхности тонкие стальные прутки. При этом, максимумы индукции на боковых поверхностях осадительного элемента располагаются на поверхности интегрированных в поверхность стальных пруток, а на верхней и нижней поверхностях осадительного элемента - между прутками. Наличие столь сильной неоднородности магнитного поля на осадительной поверхности способствует увеличению магнитных сил, притягивающих и удерживающих слабомагнитные частицы на ней. Максимумы этих сил, так же, как и максимумы индукции поля, на боковых поверхностях располагаются на внешней поверхности интегрированных в поверхность стальных прутков, а на верхней и нижней поверхностях осадительного элемента - между прутками.
Наиболее наглядное представление о силовых характеристиках осадительного элемента дает расчетная кривая изменения силового параметра γ=|BgradB| на поверхности осадительного элемента, представленная на фиг. 3.
2
Важно при этом, что эти значения заметно выше, чем известные аналогичные показатели электромагнитного роторного сепаратора с рифлеными пластинами для достижимого на нем уровня фонового магнитного поля (менее 10000 Тл/м при фоновом магнитном поле 1,3 Тл и коэффициенте заполнения рабочего объема ферромагнитным материалом 50-60%).
Ферромагнитные элементы, выполняют функцию концентраторов магнитого потока, вблизи поверхности которых локализовано множество зон действия высокоградиентных магнитных сил. Локализация областей осаждения магнитного продукта в виде дискретно расположенных зон снижает риск забивания магнитным продуктом зазоров между осадительными элементами. Коэффициент заполнения ферромагнитным материалом рабочего пространства сепаратора при использовании таких матриц имеет величину не более нескольких процентов, что позволяет применять их в случаях, когда требуется снизить уровень сил магнитного взаимодействия между рабочим органом и магнитной системой сепаратора, в частности, при использовании сверхпроводящих магнитных систем.
Таким образом, полиградиентные матрицы из полимерных или других немагнитных материалов с интегрированными в осадительную поверхность ферромагнитными концентраторами обладают повышенной эффективностью магнитной сепарации за счет большого числа зон локализации высокоградиентных магнитных сил, низкой вероятности забивания магнитным продуктом зазоров между осадительными элементами с одновременным снижением уровня сил взаимодействия между магнитной системой и осадительными элементами благодаря снижению коэффициента заполнения рабочего пространства ферромагнитным материалом.