КРИОМАГНИТНАЯ СИСТЕМА СЕПАРАТОРА
SEPARATOR CRYO-MAGNETIC SYSTEM

Изобретение относится к области электротехники и магнитного обогащения полезных ископаемых и может быть использовано в составе криомагнитной системы сепаратора для получения сильного магнитного поля.
Для обеспечения высокого качества обогащения и большой производительности магнитного сепаратора зона сепарации - область сильного магнитного поля - должна быть протяженной (не менее 1 м), в первую очередь в направлении подачи и движения исходного продукта обогащения, чтобы эффективно происходил захват магнитных и парамагнитных частиц за время их прохождения сильного магнитного поля. Для создания протяженной области сильного магнитного поля существует множество технических решений и конструкций сверхпроводниковых магнитных систем. В современных магнитных сепараторах зона сепарации располагается, как правило, за пределами криомагнитной системы, например сбоку или снизу ее.
Известно техническое решение для создания протяженной области сильного магнитного поля (см. Д.Монтгомери. Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов. Издательство «Мир», Москва, 1971), в котором магнитная система выполнена в виде одиночного сверхпроводникового соленоида цилиндрической формы, средний диаметр которого должен быть не меньше длины области сильного магнитного поля. При длине этой области 1 м средний диаметр обмотки тоже составляет 1 м, а вес соленоида, создающего в геометрическом центре магнитное поле с индукцией 5 Т, достигает 400 кг.
Недостатком такой магнитной системы является большая себестоимость и эксплуатационные затраты из-за высокой стоимости сверхпроводникового провода и жидкого гелия.
Также известна квадрупольная сверхпроводниковая магнитная система, состоящая из четырех соленоидов эллиптической формы, которая используется в исследованиях протонной плазмы (Г. Брехна. Сверхпроводящие магнитные системы. Издательство «Мир», Москва, 1976). Для создания в центре соленоида магнитного поля с индукцией 3,9 Т обмотка соленоида имеет длину вдоль большой оси эллипса 99,2 см, вдоль малой оси 38 см и высоту 7,6 см. Вес одного соленоида 336 кг.
К недостаткам данной магнитной системы относится сложность в изготовлении соленоидов эллиптической формы, так как для их намотки используется специальное намоточное оборудование, например карусельный станок; трудности в обеспечении постоянной силы натяга провода при намотке не цилиндрической обмотки, а также большие, неравномерные по периметру эллиптической обмотки, растягивающие механические напряжения магнитного происхождения за счет лоренцового взаимодействия тока и магнитного поля, особенно на линейных участках обмотки.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является криомагнитная система, описанная в патенте ФРГ №743567, МПК В03С 1/10, опубл. 25.06.80, Бюл. №23. Криомагнитная система состоит из нескольких сверхпроводниковых обмоток соленоида, каждая из которых имеет эллиптическую форму, большая ось эллипса расположена в направлении протяженного участка зоны сепарации - области сильного магнитного поля. Система обмоток размещена в бандаже (ярме), охватывающем обмотки и изготовленном из железа, установлена в нижней части гелиевого криостата, образуя криомагнитную систему магнитного барабанного сепаратора. Сепаратор с описанной сверхпроводниковой магнитной системой используется для мокрого магнитного обогащения магнитных материалов.
К недостаткам такой конструкции криомагнитной системы сепаратора относятся:
- сложность изготовления обмоток соленоида эллиптической формы и обеспечение постоянной силы натяжения и постоянной плотности намотки витков, в особенности на линейных участках обмотки, на которых витки плотно не прижимаются и практически провисают;
- существенное превышение величины магнитного поля в обмотке по сравнению с полем в геометрическом центре соленоида, что, с учетом зависимости критического тока сверхпроводника от индукции магнитного поля Iс(В), ограничивает возможность получения сильного магнитного поля в центре соленоида;
- возникновение больших неравномерных по периметру эллиптической обмотки радиальных растягивающих напряжений магнитного происхождения, что может привести к деформации обмотки и преждевременному переходу ее из сверхпроводникового в нормальное состояние. В таких соленоидах (длиной 1 м) механические напряжения на линейных участках достигают нескольких сотен тонн, и для их компенсации обмотки соленоида помещают в бандаж - железное ярмо, вес которого в несколько раз превышает вес соленоида;
- большие дополнительные затраты жидкого гелия на охлаждение массивного бандажа - железного ярма.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования криомагнитной системы сепаратора путем изменения конструкции сверхпроводникового соленоида, его установки и запитки током, что позволит упростить способ изготовления сверхпроводникового соленоида, повысить надежность и экономичность при эксплуатации криомагнитной системы сепаратора.
Поставленная задача решается за счет того, что в криомагнитной системе сепаратора, состоящей из сверхпроводникового соленоида, включающего не менее двух обмоток, которые размещены в бандаже, криостат, в нижней части которого установлен соленоид, согласно изобретению обмотки соленоида выполнены цилиндрической формы и с параллельными осями. Обмотки установлены в одной плоскости перпендикулярно к ней и последовательно друг за другом в одном направлении с зазором. При этом соседние обмотки соленоида соединены последовательно, а электрически включены встречно друг другу. Бандаж состоит не менее чем из двух параллельных между собой и плоскости, в которой расположены обмотки, металлических плит, установленных с зазором относительно друг друга в вертикальном направлении. В плитах выполнены сквозные отверстия, в которых установлены обмотки соленоидов, в количестве, равном количеству обмоток соленоида, и диаметром, равным внешнему диаметру обмоток.
Обмотки соленоида выполнены цилиндрической формы, что позволяет упростить процесс изготовления сверхпроводникового соленоида за счет простоты изготовления каркаса цилиндрической формы, на который наматывают обмотку. Если обмотка выполняется бескаркасной путем, то в качестве связующего используется эпоксидная смола. Изготовление разборной технологической оснастки в этом случае также цилиндрической формы в этом случае так же просто. Кроме того, для изготовления цилиндрических обмоток используют стандартные намоточные станки. В обмотках такого типа растягивающие радиальные напряжения за счет лоренцового взаимодействия протекающего в них тока и магнитного поля распределены равномерно по круговому периметру, что исключает деформацию обмотки в локальном месте и преждевременный переход ее из сверхпроводникового в нормальное состояние.
Расположение обмоток соленоида, у которых оси симметрии параллельны, в одной плоскости перпендикулярно к ней и последовательно друг за другом в одном направлении обеспечивает в этом направлении протяженную область сильного магнитного поля в зоне сепарации. Установка обмоток с зазором относительно друг друга обеспечивает возможность регулирования и достижения необходимой однородности магнитного поля в направлении расположения обмоток соленоида.
Последовательное соединение обмоток соленоида, при котором соседние обмотки электрически включены встречно друг другу, обеспечивает увеличение модуля индукции магнитного поля в зоне сепаратора за счет сложения (суммирования) компонент магнитного поля от соседних соленоидов.
Размещение обмоток соленоида в бандаже, выполненном в виде плит, установленных с зазором относительно друг друга в вертикальном направлении, в которых выполнены сквозные отверстия в количестве, равном количеству обмоток соленоида, и диаметром, равным внешнему диаметру обмоток, обеспечивает жесткость и надежность конструкции сверхпроводникового соленоида за счет компенсации радиальных растягивающих напряжений в каждой обмотке и сил магнитного взаимодействия соседних обмоток друг с другом, а также исключает воздействие этих сил на элементы конструкции криостата. Общая толщина трех плит составляет лишь 25-30% от высоты обмотки соленоида, а в качестве материала плит используют легкие алюминиевые сплавы, например Д16Т. Поэтому вес такого бандажа в десятки раз меньше чем вес железного ярма-бандажа, описанного в прототипе.
Надежность сверхпроводникового соленоида повышается за счет возможности выполнения ремонта или замены не всего соленоида, а отдельной поврежденной обмотки, например, при аварийном переходе соленоида из сверхпроводникового в нормальное состояние.
На фиг. 1 показан пример выполнения сверхпроводникового соленоида, состоящего из трех обмоток цилиндрической формы, на фиг. 2 - электрическая схема соединения обмоток соленоида, а на фиг. 3 - направление силовых линий магнитного поля двух соседних обмоток: а - при согласном включении; б - при встречном включении обмоток.
Сверхпроводниковый соленоид (см. фиг. 1) состоит из трех последовательно соединенных обмоток 1, 2 и 3 цилиндрической формы с параллельным осями и установленных в одной плоскости одна за другой в одном направлении. Обмотки соленоида установлены с зазором относительно друг друга и размещены в отверстиях параллельных плит 4, диаметр отверстий которых равен внешнему диаметру обмоток. Плиты изготовлены из легкого алюминиевого сплава Д16Т и установлены с зазором относительно друг друга по высоте. Сверхпроводниковый соленоид в собранном виде представляет единый блок и установлен на дне гелиевой емкости 5 криостата 6. Центровка обмоток 1, 2 и 3 соленоида в гелиевой емкости 5 криостата 6 осуществляется с помощью трех направляющих труб 7, которые располагаются во внутренних отверстиях обмоток соленоида. Трубы 7 приварены ко дну и крышке гелиевой емкости 5 криостата 6 и имеют внешний диаметр, который обеспечивает необходимый зазор (около 1,0 мм) с обмотками соленоида для прохождения жидкого гелия. Зона сильного магнитного поля - зона сепарации 8 - расположена под плоским дном криостата 6.
Обмотки 1, 2 и 3 соленоида соединены последовательно, а электрически включены встречно друг другу. К началу обмотки соленоида 1 и концу обмотки соленоида 3 подсоединен сверхпроводниковый ключ 9, состоящий из рабочего элемента 10 и нагревателя 11, фиг. 2. Запитка сверхпроводникового соленоида током осуществляется от внешнего источника питания с помощью клемм 12 и 13, а запитка нагревателя 10 сверхпроводникового ключа 8 - с помощью клемм 14 и 15.
Криомагнитная система сепаратора работает следующим образом.
После заливки жидкого гелия в гелиевую емкость 5 криостата 6 обмотки соленоида 1, 2 и 3 переходят в сверхпроводниковое состояние. От внешнего слаботочного источника тока (на фиг. 2 не показан) с помощью клемм 14 и 15 вводится ток в нагреватель 11 и переводят рабочий элемент 10 сверхпроводникового ключа 9 в нормальное резистивное состояние. С помощью клемм 12 и 13 от сильноточного источника питания (на фиг. 2 также не показан) в последовательно соединенные обмотки соленоидов 1, 2 и 3 вводят ток и возбуждают заданное значение магнитного поля в рабочей зоне сепарации 8. Направление токов в соленоидах показано стрелками, фиг. 2. Встречное включение соседних обмоток соленоида увеличивает модуль магнитной индукции в зоне сепарации, который равен корню квадратному из суммы квадратов составляющих магнитной индукции Bz, Вх и By. На фиг. 3 приведены два варианта включения соседних соленоидов сверхпроводникового соленоида, из которого видно, что при согласном включении соседних обмоток силовые линии магнитного поля направлены встречно друг другу как в центре обмоток, так и за их пределами - в зоне сепарации и, следовательно, магнитные поля от каждой обмотки вычитаются. Силовые линии магнитного поля при встречном включении соседних обмоток соленоида направлены в одну сторону, и, следовательно, магнитные поля от этих обмоток складываются и тем самым увеличивают модуль магнитной индукции в зоне сепарации.
Между двумя обмотками соленоида с током возникает сила магнитного взаимодействия, которая при согласном включении токов в обмотках отталкивает их друг от друга и притягивает - при встречном включении токов. Для компенсации сил притяжения соседних обмоток равномерно по их высоте установлены три плиты - компенсаторы этих сил 4, которые также защищают обмотки от возможного разворота. Кроме того, плиты-компенсаторы разгружают от силовых нагрузок со стороны обмоток соленоида элементы конструкции гелиевой емкости 5 криостата 6.
Предлагаемое техническое решение было реализовано в экспериментальном образце криомагнитной системы сепаратора сухого обогащения отходов железорудного производства производительностью до 10 т, включающей в себя сверхпроводниковый соленоид, состоящий из трех обмоток цилиндрической формы, гелиевый криостат и блоки питания и управления. Обмотки соленоида изготовлены по бескаркасной технологии с использованием эпоксидной смолы в качестве связующего, намотаны сверхпроводниковым проводом диаметром 1,2 мм, 1,0 мм и 0,85 мм из сплава НТ-50 и имели размеры: диаметр внутреннего отверстия 300 мм, наружного - 385 мм и высоту 170 мм. Каждая обмотка при токе 230 А создавала в центре магнитную индукцию 5 Т. Для обеспечения заданной однородности поля в зоне сепарации обмотки соленоида установлены с предварительно рассчитанным зазором 50 мм относительно друг друга, а для обеспечения жесткости конструкции и компенсации механических усилий между обмотками последние плотно установлены в отверстиях параллельных и равномерно установленных по высоте обмоток трех плит толщиной 20 мм из алюминиевого сплава Д16Т. Общая длина соленоида составила 1270 мм, а вес - 165 кг. Рабочая зона сепарации расположена под плоским дном криостата. Испытания криомагнитной системы показали, что при токе в обмотках соленоида 225 А обеспечивается зона однородного магнитного поля - зона сепарации - длиной 1200 мм, шириной 200 мм и высотой 100 мм. Модуль магнитной индукции в верхней части рабочей зоны составил 2 Т, а в нижней ее части, на расстоянии 100 мм, 1,3 Т. Неоднородность магнитного поля на длине 1200 мм - не более 10%.