СПОСОБ МАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ ФЕРРОПРИМЕСЕЙ МЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СЫПУЧЕЙ СРЕДЫ
METHOD FOR MAGNETIC CONTROL OF FINE LOOSE MEDIUM FERRIC IMPURITIES

Изобретение относится к области магнитного разделения и может быть использовано в различных отраслях промышленности (в частности, в производстве стекла и керамики) для контроля в сырьевых сыпучих средах железистых примесей путем их выделения из пробы анализируемой среды. Актуальность данного вопроса, предусматривающего осуществление обязательного контроля содержания (массовой доли, концентрации) таких примесей, ухудшающих качество сред и продукции, а также снижающих ресурс работы оборудования, непосредственно вытекает из соответствующих нормативных документов. Например, предельное (допустимое) значение этого параметра в сырьевых сыпучих средах оговаривается в ГОСТах (актуализированных) [1-5] для таких мелкозернистых сред, как кварцевый песок, полевой шпат, доломит, тальк, вяжущие гипсовые и пр.
Известен способ выделения из сыпучей среды железистых примесей, обладающих магнитоактивными свойствами (ферропримесей), основанный на магнитном захвате таких примесей; например, этот способ реализуется в решениях [6-9], а также во многочисленных (широко освещенных в научно-технических и патентных публикациях) аппаратах - магнитных сепараторах.
Однако, в отличие от технологических целей (добиться определенного удаления ферропримесей из среды), результаты реализации этого способа для целей контроля содержания ферропримесей в среде могут использоваться лишь отчасти из-за всегда реально неполного выделения таких примесей и, стало быть, неполной информации об их содержании (массовой доле, концентрации).
Известны целевые способы магнитоконтроля ферропримесей сыпучих сред, в частности группа практически одинаковых способов, описанных в ГОСТах (актуализированных) [3, 10-12] и пр. Общим принципиальным признаком этой группы способов является проведение многократных последовательных операций по магнитному выделению ферропримесей из пробы анализируемой среды (точнее - выделению массы материала, имеющего в своем составе как фракцию частиц ферропримесей, так и, к сожалению, фракцию вовлеченных частиц анализируемой среды). Операция осуществляется, в частности, путем ручного магнитного сканирования слоя пробы анализируемой среды полюсами магнитной системы. Как правило - это постоянный магнит, перемещаемый в продольном и поперечном направлениях (для обеспечения магнитного воздействия на всю пробу) в верхней части пробы, причем магнит снабжен легкосъемными оболочками-перегородками для накопления и последующего оперативного разобщения выделенной массы с полюсами. После проведения операций массовую долю (концентрацию) таких примесей находят как результат деления массы выделенного материала на массу (или объем) изучаемой пробы.
Весьма сходной с предыдущей группой является группа способов магнитоконтроля ферропримесей сыпучих сред, реализуемых в соответствующих анализаторах, предусматривающих прохождение слоя пробы анализируемой среды по наклонному желобу (см., в частности, [13, 14]). В основе их работы заложен тот же принцип многократных операций магнитного выделения ферропримесей (массы материала, содержащего ферропримеси). Только в этих анализаторах последовательные операции выполняются расположенными по ходу желоба узлами (секциями) магнитной системы, создающими зоны магнитного поля для захвата и осаждения ферропримесей.
По сути, отличие упомянутых двух групп способов друг от друга состоит лишь в характере взаимного перемещения основных рабочих элементов: пробы анализируемой среды и магнитной системы (системы воздействия на среду магнитного поля). Так, в противоположность первой группе идентичных между собой способов, во второй группе идентичных между собой способов подвижным органом является проба среды, а неподвижным - магнитная система.
При реализации этих, в общем-то, родственных групп способов, базирующихся на одном и том же многооперационном (многосекционном) принципе магнитного выделения ферропримесей из пробы анализируемой сыпучей среды, достигается их более полное извлечение (разумеется, при достаточном для этого числе операций) с получением массы выделенного материала. После деления этой массы на массу или объем пробы получают данные о содержании (массовой доле, концентрации) ферропримесей в пробе среды (если же число операций недостаточно для наиболее полного извлечения ферропримесей, то для этого случая предусматривается опытно-расчетный способ магнитоконтроля [15], основывающийся на специальном анализе получаемой опытной зависимости выделяемых операционных масс от порядкового номера операции).
Однако обе упомянутые группы способов магнитоконтроля ферропримесей сыпучей среды (напомним: по принципиальным признакам - это один и тот же многооперационный базовый способ, только несколько адаптируемый к той или иной сыпучей среде и условиям реализации) обладают двумя существенными недостатками, отрицательно сказывающимися на точности контроля.
Первый недостаток состоит в отсутствии критериальных условий скорости взаимного перемещения пробы анализируемой сыпучей среды и магнитной системы: обоснования этой скорости отсутствуют, ее выбор, как правило - произвольный, субъективный. Между тем, при неоправданно большой величине этой скорости магнитный захват феррочастиц становится затруднительным, а реализация способа - неэффективной.
Второй недостаток заключается в том, что в выделяемом (магнитным воздействием) материале, наряду с наличием собственно частиц ферропримесей, в той или иной мере присутствуют, как уже упоминалось, вовлеченные (в основном, из-за проявления адгезионных сил сцепления) высокодисперсные частицы самой анализируемой среды, что делает результат контроля ферропримесей недостаточно достоверным. И хотя при выполнении некоторых вариантов [10, 11] этого способа предусматривается осуществление приема дополнительного магнитного воздействия на уже выделенную массу материала (для взаимного разделения содержащихся в этом материале фракции ферропримесей и фракции вовлеченных частиц анализируемой среды), результативность такого приема низка.
Оба эти недостатка негативно сказываются на точности контроля содержания (массовой доли, концентрации) ферропримесей сыпучей среды.
Целью изобретения является повышение точности контроля содержания ферропримесей сыпучей среды за счет устранения недостатков, связанных с неопределенностью (отсутствием обоснования, произвольностью в выборе) скорости взаимного перемещения пробы анализируемой среды и магнитной системы, а также с низкой результативностью применяемого дополнительного (предназначенного для разграничения фракции ферропримесей и фракции вовлеченных частиц) приема магнитного воздействия на уже выделенную из пробы анализируемой среды массу магнитоактивного материала.
Поставленная цель достигается тем, что в способе, предусматривающем проведение неоднократных операций выделения из анализируемой пробы сыпучей среды массы материала, содержащего ферропримеси, например, путем взаимного перемещения этой пробы и магнитной системы, а также выполнение дополнительного приема магнитного воздействия на выделенную массу материала для разделения содержащихся в этом материале фракции ферропримесей и фракции вовлеченных частиц анализируемой среды, взаимное перемещение пробы и магнитной системы осуществляется при ограничиваемой скорости, обеспечивающей эффективный захват ферропримесей из пробы, а дополнительный прием магнитного разделения фракций выделяемого материала выполняется посредством мокрого магнитного разделения каждой из операционных масс выделенного материала, осуществляя для этого их смачивание в жидкости (как дисперсионной среде) для получения соответствующих суспензий, подвергаемых магнитному воздействию.
Например, для варианта магнитной системы, включающей магнитные элементы Nd-Fe-B, и при наличии в сыпучей среде железосодержащих примесей-частиц скорость перемещения пробы по наклонному желобу ограничивается условием:
а
а
где  - эмпирический параметр, зависящий от выбора магнитной системы (при традиционном использовании магнитных элементов Nd-Fe-B, в частности, диаметром 25 мм и толщиной 10 мм: ≅0,6 Н/мм), ρ - плотность вещества феррочастицы, x - удаленность движущейся феррочастицы от полюса магнитной системы (для «периферийных» частиц - толщина слоя перемещающейся пробы анализируемой среды).
кин
пр
Это условие вытекает из необходимого требования: кинетическая энергия W при входе феррочастицы в зону магнитного воздействия не должна превышать работу А по преодолению воздействующей на феррочастицу магнитной силы (для ее достаточного удаления от зоны магнитного воздействия), т.е.
при этом
Согласно данным исследований [16-18] выражение для магнитной силы имеет вид:
где d и m - характерный размер феррочастицы (для шарообразных частиц - диаметр) и ее масса.
Тогда, интегрируя (4) с учетом (5), можно записать, что
После подстановки (3) и (6) в (2) последует оговоренное выше необходимое условие (1).
Что касается дисперсионной среды, используемой для смачивания выделяемого материала (в целом, из-за большого присутствия феррочастиц - магнитоактивного) для получения соответствующих, подвергаемых магнитному воздействию суспензий, то в качестве этой среды обычно можно использовать воду. Для облегчения же последующего получения выделенной массы материала в сухом виде (т.е. для непосредственного взвешивания) в качестве дисперсионной среды целесообразно использовать легко испаряющуюся жидкость, например спирт.
А что касается приема дополнительного магнитного воздействия на получаемые суспензии (для разделения фракций выделенного материала), то его, как вариант, можно осуществить погружением в суспензию магнита, предварительно помещенного в легко снимаемую (разумеется, вместе с извлеченными ферропримесями) оболочку, с возможностью перемещения магнита по объему суспензии.
Способ осуществляется следующим образом.
Производится отбор пробы анализируемой сыпучей среды и выполняются многократные операции выделения из нее ферропримесей - с получением массы магнитоактивного материала. Для этого можно использовать обычные, описанные выше варианты взаимного перемещения этой пробы и магнитной системы, а именно: вариант ручного магнитного сканирования слоя пробы анализируемой среды постоянным магнитом или вариант пропускания слоя пробы анализируемой среды по наклонному желобу с секциями магнитной системы.
При этом важным обстоятельством является то, что взаимное перемещение пробы и магнитной системы должно осуществляться при ограничиваемой (верхним значением) скорости - для обеспечения эффективного захвата ферропримесей. Значение этой скорости должно удовлетворять указанному выше условию (1), т.е. не превышать определенной предельной величины, численное значение которой в соответствии с (1) зависит от ряда параметров.
После получения выделенного магнитоактивного материала осуществляется смачивание этого материала (каждой из его операционных масс) в жидкости - как дисперсионной среде. В образовавшейся суспензии это способствует устранению адгезионных сил сцепления между феррочастицами и вовлеченными частицами анализируемой среды, т.е. получению суспензии с двумя, лишенными взаимных связей, дисперсными фазами (феррочастицы и вовлеченные частицы анализируемой среды).
В качестве дисперсионной среды для получения суспензии частиц выделенного материала целесообразно использовать (вместо воды) легко испаряющуюся жидкость, например спирт, что облегчает последующее получение выделенной массы материала в сухом виде (для непосредственного взвешивания).
Затем производится магнитное воздействие на полученные суспензии - для взаимного разделения (разграничения) дисперсных фаз этой суспензии (феррочастицы и частицы анализируемой среды). Это осуществляется, например, погружением в суспензию магнита с возможностью его перемещения по объему суспензии, при этом магнит предварительно помещается в легко снимаемую (разумеется, вместе с образовавшимся у полюсов осадком ферропримесей) оболочку.
После магнитного извлечения дисперсной фазы собственно феррочастиц, т.е. получения материала (осадка), лишенного вовлеченных частиц анализируемой среды, производится высушивание и взвешивание этого материала. Далее определяется содержание ферропримесей (массовая доля, концентрация) в анализируемой сыпучей среде - как отношение получаемой или вычисляемой массы материала (осадка) к массе пробы анализируемой среды.
Данный способ, предполагающий реализацию эффективного скоростного режима взаимного перемещения пробы анализируемой среды и магнитной системы, а также эффективного магнитного воздействия на выделяемый из пробы магнитоактивный материал (специально смачиваемый до получения суспензии взаимно разобщенных частиц этого материала), позволяет повысить точность контроля содержания (массовой доли, концентрации) ферропримесей сыпучей среды.
Источники информации
1. ГОСТ 22551-77. Песок кварцевый, молотые песчаник, кварцит и жильный кварц для стекольной промышленности. Технические условия.
2. ГОСТ 15045-78. Материалы кварц-полевошпатовые для строительной керамики. Технические условия.
3. ГОСТ 23672-79. Доломит для стекольной промышленности. Технические условия.
4. ГОСТ 21234-75. Тальк молотый для керамической промышленности. Технические условия.
5. ГОСТ 125-79. Вяжущие гипсовые. Технические условия.
6. Патент 2412007 РФ. Способ классификации ультрадисперсных и наночастиц по размерам и устройство для его осуществления. Райныш В.Α., Шурупов А.В., Шурупов М.А. 2011.
7. Патент 2426718 РФ. Способ получения гранулированного бисфенола А высокого качества. Йоситоми Казуюки, Масуда Суити, Кодама Масахиро, 2011.
8. Патент 2407595 РФ. Способ получения магнитных микросфер разных фракций из летучей золы тепловых станций. Шаронова О.М., Аншиц А.Г., Акимочкина Г.В., Петров М.И., 2009.
9. Патент 2486012 РФ. Способ извлечения железосодержащих компонентов из техногенного материала тонкого класса. Прохоров К.В., Александрова Т.Н., Богомяков Р.В., 2012.
10. ГОСТ 23789-79. Вяжущие гипсовые. Методы испытаний.
11. ГОСТ 25216-82. Тальк и талькомагнезит. Метод определения железа.
12. ГОСТ 8253-79. Мел химически осажденный. Технические условия.
13. А.с. СССР 1319904. Магнитный анализатор. Кармазин В.И., Кармазин В.В., Шанаурин В.Е., Рожков И.М. 1987.
14. А.с. СССР 1461506. Магнитный анализатор. Рожков И.М., Кармазин В.В. 1989.
15. Патент 2409425 РФ. Способ определения концентрации магнитовосприимчивых примесей в текучей среде. Сандуляк А.В., Пугачева М.Н., Сандуляк А.А., Ершова В.А., 2009.
16. Сандуляк А.А., Ершова В.А., Полисмакова М.Н., Сандуляк А.В. Методика и результаты диагностики силовых характеристик неоднородных зон магнитных сепараторов (прямое зондирование) // Метрология, 2011, №2.
17. Сандуляк Α.Α., Сандуляк А.В., Ершова В.А. Экспериментально-расчетное определение силовых и энергетических характеристик рабочих зон магнитных сепараторов // Метрология, 2012, №2.
18. Sandulyak А.А., Sandulyak A.V., Ershova V.A. An experimental-theoretical determination of the force and energy characteristics of the operating zones of magnetic separators // Measurement Techniques. 2012. Vol. 55. No.3.