СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ БЕГУЩЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ В РАБОЧЕЙ ЗОНЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО СЕПАРАТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF GENERATING TRAVELLING MAGNETIC FIELD IN ELECTRODYNAMIC SEPARATOR WORKING ZONE AND DEVICE TO THIS END

Группа изобретений относится к области обогащения полезных ископаемых, в частности для извлечения мелких проводящих частиц, таких как золото, серебро, платиноиды из металлсодержащих россыпных месторождений различного генезиса, а также для их извлечения из руд, концентратов и хвостов обогащения. Конкретнее изобретение относится к способу электродинамической сепарации металлоносных песков и устройству для реализации этого способа.
Суть электродинамической сепарации состоит в том, что в частицах разделяемых материалов с помощью переменного магнитного поля индуцируются вихревые токи, благодаря которым у частиц возникает индуцированные магнитные моменты, и, таким образом, меняются их магнитные свойства. Чем большие вихревые токи возбуждаются, тем большие магнитные моменты возникают у частиц, тем большими оказываются различия в их магнитных свойствах. Вихревые токи в частицах, согласно закону электромагнитной индукции, определяются их электропроводностью и скоростью изменения индукции магнитного поля
,
где I - вихревой ток в частице; σ - электропроводность частицы; В - индукция магнитного поля.
Поскольку электропроводность частиц металла большая, вихревые токи в них оказываются всегда большими, и частицы металла взаимодействуют с внешним магнитным полем сильнее, чем частицы вмещающих пород.
Известны способы генерации переменного магнитного поля в рабочей зоне электродинамических сепараторов, такие как: движением в непосредственной близости от рабочей зоны постоянных магнитов, и генерацией электромагнитами, также находящимися в непосредственной близости от рабочей зоны и питающимися переменным током (US 4743364, кл. В03С 1/22, опубл. 10.05.1988 г. и US 6095337, кл. В03С 1/23, опубл. 01.08.2000 г.).
4
Напряженность и скорость изменения магнитного поля в рабочей зоне, полученные такими способами, ограничены либо величиной остаточной намагниченности постоянных магнитов и скоростью их перемещения относительно сепарируемого материала, либо количеством потребляемой электромагнитами энергии и индукцией насыщения материала сердечников. Напряженность полей, получаемых такими способами, не превышает ~1.5·10 Гс. Частота изменения магнитного поля в электромагнитах также, чаще всего, ограничена частотой изменения промышленных переменных токов - 50 (60) Гц. Поэтому серийно выпускаемыми электродинамическими сепараторами из транспортирующих потоков хорошо извлекаются только частицы металла, размером более 15 мм. Для извлечения более мелкого металла серийно выпускаемые электродинамические сепараторы не применяются. Препятствием этому является недостаточная величина магнитодвижущей силы в их рабочей зоне. Это основной недостаток известных способов.
Известно устройство для магнитной сепарации мелкодисперсного сырья, содержащее вибропитатель, снабженный диэлектрическим конусом, сепарационную камеру в виде полого перфорированного диэлектрического цилиндра с расположенными на нем в шахматном порядке отверстиями, снабженного ребрами, навитыми спирально по ходу расположения отверстий. Вращающуюся магнитную систему, представляющую собой полый вертикально ориентированный цилиндр из диэлектрическо материала, содержащий на внешней стороне чередующиеся по полярности ряды расположенных радиально вдоль оси цилиндра блоков постоянных магнитов одной полярности в ряду (RU 2295392, кл. В03С 1/24, опубл. 20.03.2007 г.).
Упомянутое устройство позволяет вести сепарацию ферромагнитных, парамагнитных и диамагнитных примесей и может быть использовано, например, для извлечения золота из некоторых типов золотосодержащих песков в классах крупности +1 мм. Устройство извлекает крупные (+1 мм) ферромагнитные и парамагнитные частицы, а диамагнитная фракция вместе с вмещающим инертным материалом, мелкими ферро- и парамагнетиками уходит в хвосты.
3
Основными недостатками известного устройства являются низкая эффективность извлечения ценного компонента минеральных частиц крупностью - 1 мм, и невозможность выделения диамагнитной фракции из вмещающего материала (т.е. устройство не разделяет, например, мелкое золото и инертный вмещающий материал). Этот недостаток особенно ярко проявляется при попытках обогащения песков, в которых исходный материал практически полностью состоит из инертного диэлектрического материала и содержит диамагнетики лишь в малых количествах (например: металлоносные пески с низким содержанием ферромагнетиков и содержанием мелкого и тонкого золота ~1÷0.1 г/м). В этом случае все золото (диамагнетик) при сепарации критикуемым устройством остается вместе с вмещающими породами, т.е. не разделяется.
имп
имп
Наиболее близким по технической сущности к предложенным способу и устройству является устройство электромагнитного сепаратора для обогащения полезных ископаемых, использующее генерируемое бегущее магнитное поле, в котором магнитная система выполнена в виде двух катушек с источниками питания, расположенных соосно. Импульсы магнитного поля второй катушки имеют задержку относительно импульсов магнитного поля первой катушки на время ΔТ=0.1÷0.4 Т, где Т - длительность импульса магнитного поля (RU 2351398, кл. В03С 1/02, опубл. 10.04.2009 г.).
Недостатком данного устройства является его малая производительность, так извлечение полезных компонентов из массопотока разделяемого материала составляет миллиграммы в минуту, поэтому такое устройство не пригодно для использования в промышленных целях.
Следует подчеркнуть, что металлическая частица изменит траекторию движения только тогда, когда сумма сил, действующих на нее со стороны магнитного поля, станет больше суммы сил, удерживающих ее внутри потока частиц вмещающих пород. Силу, действующую на минеральную частицу в рабочем объеме электродинамического сепаратора, удобно оценить по формуле (см. Дядин В.И., Кожевников В.Ю., Козырев А.В., Подковыров В.Г., Сочугов Н.С. Метод электродинамической сепарации малых проводящих частиц // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2008. №3. С.132-139):
где R - радиус металлической частицы;
σ - проводимость частицы;
Н - напряженность магнитного поля;
В - индукция магнитного поля в материале частицы.
Из формулы следует, что извлекать частицы металла, крупностью менее 1 мм, из транспортирующего массопотока непроводящих частиц можно лишь в большом по амплитуде, быстро изменяющемся во времени и пространстве поле. Получить магнитное поле с необходимыми характеристиками можно только с помощью электромагнитов. Но генерация в непрерывном режиме магнитных полей с такими характеристиками требует чрезвычайно большого расхода энергии. Поэтому создание источников питания и рабочих узлов для электродинамических сепараторов, позволяющих эффективно извлекать частицы металла крупностью менее 1 мм, является сложной технической задачей.
Техническим результатом предлагаемого изобретения для объекта устройства является повышение его производительности и значительное снижение энергопотребления, а для обоих заявленных объектов - повышение эффективности извлечения мелких фракций полезного компонента благодаря созданию условий для увеличения напряженности, скорости изменения и градиента магнитного поля, что дает увеличение магнитодвижущей силы в рабочей зоне сепаратора и позволяет расширить диапазон классов крупности извлекаемых частиц металла за счет мелких и тонких фракций, в том числе имеющих плоскую форму.
Названный технический результат достигнут в предложении благодаря применению импульсного бегущего магнитного поля и принципиально иной организации массопотока разделяемого материала.
Импульсный способ генерации позволяет получать поля с параметрами, принципиально не достижимыми при непрерывной генерации, при которой для получения поля расходуется огромное количество энергии, которая в конечном итоге превращается в тепло, способное не только переплавить разделяемый материал, но и саму установку.
Для получения импульсного поля с параметрами, достаточными для разделения мелких частиц, энергии нужно в десятки раз меньше, поэтому охлаждать такое устройство гораздо легче. В результате открывается возможность генерации достаточно мощных полей и создание установок для сепарации мелких частиц.
Сущность предлагаемого способа генерации бегущего магнитного поля в рабочей зоне электродинамического сепаратора заключается в том, что для возбуждения вихревых токов, необходимых для извлечения частиц металла крупностью меньше 1 мм генерируют одиночные импульсы магнитного поля, из которых образуют цуги бегущего магнитного поля, при этом импульсы магнитного поля внутри цуга синхронизируют, а амплитуду импульсов и частоту следования цугов выбирают из условия обеспечения требуемой степени извлечения из массопотока частиц обогащаемого класса крупности полезного компонента.
Основным достоинством заявляемого способа является возможность генерации при малом расходе энергии в рабочем пространстве сепараторов магнитного поля с характеристиками, принципиально недостижимыми для систем непрерывной генерации. Благодаря этому расширяется диапазон извлекаемых классов крупности полезного компонента за счет мелких и тонких классов крупности, и, тем самым, увеличивается общая эффективность процесса обогащения.
Проверка предложенного способа осуществлялась на лабораторной установке, схема которой приведена на фиг.1.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Для экспериментов были использованы катушки К и К, имеющие по 24 витка, выполненные из медной шины толщиной 0.2 мм и шириной 5 мм. Межвитковая изоляция выполнена из полиимидной пленки толщиной 50 мкм. Внутренний диаметр катушек - 5 мм, внешний - 24 мм, их индуктивность составляет 12 мкГн. Катушки жестко закреплены на расстоянии 6 мм друг от друга. Импульсы тока в них, близкие по форме к одному периоду синусоиды, сформированы с помощью LC-цепи, включающей накопительную емкость C (С) номиналом 80 мкФ, защитную индуктивность L (L) номиналом 7 мкГн, и катушку К (K). Коммутация цепи осуществлялась быстрыми импульсными тиристорами T (T) марки ТБИ243-500. Через тиристоры протекает первый полупериод импульса тока, при смене направления тока во втором полу периоде открываются диоды D (D) марки ДЧ143-500, и вторая половина импульса протекает через них. Зарядка накопительных емкостей осуществлялась зарядными устройствами ЗУ1 и ЗУ2 до напряжений от 500 до 2000 В, что обеспечивало получение импульсов тока в катушках амплитудой до 2 кА. Импеданс цепи разряда составлял 1 Ом, поэтому амплитуда тока импульса численно равнялась зарядному напряжению. Система управления, обозначенная на фиг.2 чертежа блоком 14, могла генерировать как одиночные импульсы, так и импульсы с частотой повторения до 100 Гц, но в описываемых экспериментах использовались только одиночные импульсы.
1
1
2
2
2
В качестве модельных частиц использовались кусочки медного провода диаметром от 0.05 до 0.4 мм. Длина частиц примерно равнялась их диаметру. Каждая частица подавалась в пространство между катушками из системы сброса, обозначенного на фиг.2 блоком 15, путем открытия электромагнитного затвора выходного отверстия. Через время задержки τ, равное пролету частицы от выходного отверстия системы сброса до центра катушек и составляющее около 40 мкс, запускался тиристор T и формировался импульс тока в первой катушке. Через время задержки τ относительно момента запуска первого тиристора запускался тиристор Т и формировался импульс тока во второй катушке. Время задержки τ могло изменяться от 0 до 100 мкс и было одним из параметров эксперимента. Генерация двух смещенных импульсов тока в катушках приводила к формированию импульсного бегущего магнитного поля между катушками, направленного от первой катушки ко второй.
Падающие частицы попадали на приемную плоскость, расположенную ниже на 25 см от центра катушек и представляющую собой покрытую слоем масла поверхность с миллиметровой сеткой. Слой масла предотвращал отскок падающих частиц, позволяя фиксировать истинное место падения частицы. Измерением расстояния L от точки вертикального падения частиц в отсутствии поля до точки падения частиц в присутствии поля определялась горизонтальная скорость, приобретенная частицей в сепараторе, в приближении ее постоянства во время падения, которое также бралось постоянным в приближении равноускоренного движения частицы в поле тяготения и равным 0.22 с.
Следует отметить, что частицы имели сложную форму и попадали в зону воздействия импульса. Кроме того, момент достижения частицей точки между центрами катушек мог варьироваться в пределах нескольких миллисекунд из-за разброса момента их выпадения из выходного отверстия блока 15. Указанные особенности приводили к тому, что частица подвергалась воздействию импульса бегущего магнитного поля не обязательно точно в точке между центрами катушек, а в некоторой окрестности около этой точки. Как следствие, частица приобретала различные скорости, и на приемной плоскости формировалось распределение частиц, следствием которого был их разброс по рассчитанным приобретенным скоростям.
На фиг.2 представлен график зависимости экспериментально измеренной и теоретически вычисленной скорости, приобретенной частицей от ее диаметра, для двух значений зарядного напряжения: 1 - 1500 В; 2 - 2000 В. Из графика следует, что в пределах изменения экспериментальных параметров не зафиксировано отклонение только частиц диаметром 0.05 мм, т.е. их отклонение оказалось меньше достоверно измеряемой величины. Уже частицы диаметром 0.1 мм приобретали скорость 1-2 см/с, что позволяет говорить о возможности сепарации таких частиц в импульсном бегущем магнитном поле, формируемом сдвинутыми по фазе токами двух катушек. В области диаметров менее 0.2 мм наблюдалось приемлемое согласие экспериментальных данных с расчетными величинами, полученными для тех же условий. Заниженные экспериментальные значения скоростей, полученные при диаметрах частиц более 0.2 мм, связаны с особенностями конструкции сепаратора: смещение на расстояние L~2 см предельное, поскольку при больших углах отклонения частицы от вертикали она способна задевать элементы конструкции сепаратора и изменять направление движения. Это проявляется в увеличении разброса частиц на приемной поверхности и занижении среднего отклонения.
На фиг.3 представлен график зависимости скорости частицы от задержки импульса второй катушки относительно импульса первой. Зарядное напряжение 1500 В; 1 - диаметр частиц 0.4 мм, 2 - 0.25 мм. Исходя из графика виден эффект бегущего поля: при одновременном включении катушек скорость частиц близка к нулю, максимальная скорость достигается при задержке включения второй катушки около 50 мкс, что соответствует примерно 0.2 от периода колебаний, как это и было предсказано теоретическими расчетами, исходя из которых скорость, приобретенная частицей, обратно пропорциональна квадрату ее размера, но прямо пропорциональна квадрату поля (т.е. квадрату тока в катушках и квадрату зарядного напряжения). Следовательно, для сохранения постоянной скорости частицы, при уменьшении ее размера, необходимо пропорционально увеличивать ток в катушках.
Важно отметить, что параметры, использованные в эксперименте, не являются предельными для современных силовых полупроводниковых приборов. Возможно кратное увеличение рабочих напряжений и токов. Таким образом, в импульсном бегущем магнитном поле, формируемом сдвинутыми по фазе токами двух катушек, вполне возможно ускорить частицы с размерами 50 мкм и менее до скоростей около 1-2 см/с.
На основании вышеприведенного можно сделать вывод о том, что теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность сепарации малых частиц (порядка 0.1 мм) в импульсном бегущем магнитном поле, формируемом сдвинутыми по фазе токами двух катушек, а предлагаемый способ может быть использован для создания технологий извлечения мелкого и тонкого золота из россыпных и техногенных месторождений.
Сепаратор, реализующий предлагаемый способ, позволяет эффективно извлекать частицы металла, которые теряются при обогащении песков существующими методами (классы крупности -0.5 мм, +0.1 мм).
Предлагаемый способ использования импульсного бегущего магнитного поля реализуется в электродинамическом сепараторе, предназначенном для промышленного обогащения металлоносных песков.
Сепаратор содержит загрузочную емкость с конусным распределителем, выходное кольцевое отверстие которого соединено со средством подачи транспортирующего материала (металлоносных песков) в рабочую зону. Это средство выполнено в виде кольцевой камеры. Также сепаратор содержит сложный индуктор, состоящий из нескольких соосных катушек, по меньшей мере две из которых расположены с внутренней стороны кольцевой камеры и выполнены с возможностью выталкивания проводящих частиц транспортирующего материала к внешней стенке этой камеры, а по меньшей мере одна катушка расположена с внешней стороны камеры и выполнена с возможностью притягивания этих частиц к внешней стенке камеры.
Катушки подключены к соответствующим источникам импульсов напряжений, работа которых синхронизирована таким образом, что в обмотки индуктора они подают следующие друг за другом импульсы магнитного поля, образующие цуги бегущего магнитного поля. Под кольцевой камерой расположено средство отделения проводящих частиц от остальных частиц транспортирующего материала, выполненное в виде конусного отсекателя.
В сепараторе применена система принудительного жидкостного (масляного) охлаждения, включающая емкости для охлаждающего вещества, расположенные с внутренней и с внешней сторон относительно катушек сложного индуктора.
В качестве охлаждающего реагента может быть использовано трансформаторное масло. Для сокращения энергопотребления предложенного сепаратора в качестве охлаждающего реагента могут быть использованы также сжиженные газы, такие как жидкий азот или водород.
На фиг.4 схематично изображена конструкция предложенного сепаратора, состоящего из: загрузочной емкости 1 с конусным распределителем 2, сложного индуктора, состоящего из совокупности подключенных каждая к отдельному источнику импульсов напряжений, соосных, плоских, бескаркасных катушек 3.1, 3.2 и 3.3, разделенных дистанционными шайбами 4, стяжных фланцев 5 и 7, емкостей 6 для охлаждающего вещества, токовводов 8, полого конусного отсекателя 9, отделяющего извлеченный материал 10 от непроводящих частиц 11, стяжных винтов 12 и установленной между катушками сложного индуктора кольцевой камеры 13.
Устройство работает следующим образом.
Классифицированный, с отделенной магнитной фракцией, исходный материал подается равномерным потоком в загрузочную емкость 1 на конусный распределитель 2 и через кольцевую камеру 13 попадает в рабочую зону катушек индуктора под воздействие импульсного бегущего магнитного поля, генерируемого источниками и катушками 3.1, 3.2, 3.3. Причем катушки 3.1 и 3.2 выталкивают, а катушка 3.3 притягивает проводящие частицы к внешней стенке кольцевой камеры. В результате взаимодействия с импульсным бегущим магнитным полем проводящие частицы 10 извлекаются из массопотока и попадают за кромку отсекателя 9. Непроводящий инертный материал 11 с магнитным полем практически не взаимодействует и свободно падает в щель между цилиндрической поверхностью контейнера для охлаждающей жидкости 6 индукторов 3.1 и 3.2 и отсекателем 9. Так происходит пространственное разделение компонентов исходного материала.
Описанный сепаратор позволяет эффективно извлекать частицы металла класса крупности -0.5 мм, +0.1 мм.