Электродинамический сепаратор

Электродинамический сепаратор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых и может быть использовано для сепарации мелких металлических включений, в частности золота, из потока сыпучего материала, в частности песка россыпных и техногенных месторождений.

Известно, что основные потери россыпного и рудного золота происходят на операциях первичного обогащения, в которых теряется главным образом тонкое, пластинчатое и пылевидное золото с размером частиц от миллиметра до нескольких микрон. В связи с истощением большинства месторождений в переработку вовлекается все более бедное, труднообогатимое и сложное по составу сырье. В стране за многие десятилетия золотодобычи накоплено также значительное количество техногенных россыпей, которые нередко конкурируют по содержанию и запасам золота с месторождениями, вовлекаемыми сегодня в переработку [1]. Однако качественное обогащение труднообогатимых и техногенных россыпей возможно только с помощью новых технологических процессов.

Применяемые в современной золотодобыче гравитационные методы и аппараты извлечения видимо подошли к пределу своих физических возможностей. Несмотря на огромное количество изобретений и усовершенствований, металл размером менее 0.2 мм этими аппаратами улавливается плохо [2]. По оценкам специалистов в российских россыпях осталось мелкого и тонкого золота примерно столько, сколько уже добыто [3]. Около 10000 тонн золота лежит в техногенных месторождениях, расположенных на поверхности Земли, чаще всего вблизи от уже обустроенных районов. Но чтобы извлечь это золото, необходимы новые технологии первичного обогащения, которые позволили бы эффективно извлекать золото в диапазоне классов крупности - 0.2 - 0.01 мм.

Устройства, реализующие новые способы добычи, должны иметь, по сравнению с гравитационными, лучшую извлекательную способность в диапазоне классов крупности - 0.2-0.01 мм., более высокую производительность, а в сравнении с выщелачивающими методами быть экологически безопасными и иметь потенциальную возможность дальнейшего совершенствования и улучшения своих технических и технологических характеристик.

Россыпные месторождения являются естественными смесями минералов, в которых частицы свободного металла отличаются от вмещающих пород высокой электропроводностью. Если на такую смесь подействовать переменным магнитным полем, то во всех частицах минералов будут индуцироваться вихревые токи Фуко. В металлических частицах, благодаря высокой проводимости, вихревые токи будут значительно сильнее токов во вмещающих породах. Токи Фуко взаимодействуют с внешним магнитным полем так, что проводящее тело выталкивается из области усиленного поля. В результате такого взаимодействия металлическая частица приобретает некоторый импульс, который позволяет отделить проводящие частицы от непроводящих. Этот метод используется при магнитной сепарации сыпучих минералов в высокоградиентных сепараторах с постоянными магнитами, но создаваемое движущимися постоянными магнитами поле позволяет отделять только сравнительно крупные частицы. Трудность заключается в том, что сила, действующая на проводящую частицу, помещенную в градиентное магнитное поле, зависит от отношения размера частицы R к толщине скин-слоя (глубине проникновения магнитного поля в металл) λ. Если размер частицы меньше толщины скин-слоя, то механический импульс, приобретаемый частицей, оказывается очень малым, а конечная скорость частицы стремительно падает при уменьшении отношения R/λ.

Существует значительное количество патентов, посвященных совершенствованию методов электродинамической сепарации проводящих частиц. В патентах США №4743364 и №6095337 [4, 5] описан метод сепарации электрически проводящих частиц от непроводящего материала, основанный на использовании высокочастотного магнитного поля, возбуждаемого магнитной катушкой в зазоре сердечника, выполненного из ферромагнитного материала. Поток материала, содержащий проводящие частицы, подается в зазор сердечника, где проводящие частицы приобретают импульс, пропорциональный их размеру, и могут быть выделены из потока непроводящих частиц. Недостатком метода является то, что в описанных устройствах частица приобретает импульс, достаточный для сепарации, лишь если ее размер соизмерим с толщиной скин-слоя, который в свою очередь связан с частотой поля соотношением

,

где µ₀=4π·10^-7 Гн/м - магнитная постоянная, ω-круговая частота поля, ρ-удельная проводимость материала частицы. Для случая золота толщина скин-слоя 1 мм будет достигаться при частоте поля около 20 кГц, а для уменьшения скин-слоя в два раза необходимо увеличение частоты поля в четыре раза. Создание высокочастотных полей высокой напряженности является очень сложной технической задачей и требует большого расхода энергии, поэтому минимальный размер частиц, которые могут быть выделены указанными методами, составляет около 0.5 мм.

Обойти многие трудности, непреодолимые как для обычных, так и сверхпроводящих электромагнитов, позволяет техника импульсных магнитных полей. Импульсные магнитные системы потребляют электроэнергии значительно меньше, поэтому их проще охлаждать. Обмотки импульсных катушек можно изготавливать из тонкого проводника и получать в их рабочей зоне поля с характеристиками, недостижимыми для постоянных магнитов, обычных и сверхпроводящих электромагнитов.

Сепаратор, использующий импульсные магнитные поля, описан в устройстве, которое является прототипом данной заявки [6]. Сепаратор содержит загрузочный бункер, приемную емкость для проводящих частиц, приемную емкость для непроводящих частиц, соленоид (катушку) с источником импульсов тока и средство подачи смеси в зону формирования магнитного поля. Принцип действия сепаратора основан на том, что при пропускании импульса тока через катушку, вблизи нее генерируется импульсное высокоградиентное магнитное поле, возбуждающее токи Фуко в проводящей частице, находящейся в этом магнитном поле. Взаимодействие токов Фуко с нарастающим магнитным полем приводит к выталкиванию частицы в область более слабого поля, что позволяет получить эффект пространственного разделения проводящих и непроводящих частиц.

Недостатком прототипа является то, что хотя в процессе нарастания магнитного поля даже мелкая частица металла приобретает скорость, достаточную для сепарации, при спаде поля к концу импульса до нуля скорость частицы также снижается до нуля, так как при смене знака производной поля направление магнитного момента частицы также меняет знак и ускоренная на переднем фронте импульса поля частица будет заторможена на его заднем фронте. В результате у частицы останется лишь очень небольшая скорость, обусловленная конечным смещением частицы в течение короткого импульса тока в катушке. Поэтому сообщить большой импульс малой частице с помощью единственной индукционной катушки, ток в которой нарастает и спадает до нуля, не удается. Это подтверждается проведенными численными расчетами, позволившими определить скорость частицы в зависимости от ее размеров и параметров поля.

На фиг.1 показан график рассчитанной скорости частицы от времени за один полупериод синусоидального тока катушки, состоящей из 10 витков (радиус внутреннего витка 2 мм и внешнего - 10 мм). Для расчета были взяты следующие величины: плотность материала частицы ρ=15000 кг/м³ удельная проводимость частицы σ=5·10^-7 (Ом·м), радиус частицы R=0,1 мм, длительность импульса 120 мкс, амплитуда тока 3 кА. При этом максимальная напряженность магнитного поля на оси катушки составляет 3·10⁶ А/м, а градиент напряженности 1,5·10⁹ А/м². Можно видеть, что в течение действия импульса поля частица приобретает скорость порядка 1 см/сек, но к концу импульса тормозится до очень малых скоростей, не позволяющих осуществить эффективное выделение частицы из потока. Использование несимметричной формы импульса тока, предложенной в прототипе, не приведет к кардинальному изменению ситуации, поскольку за время нарастания поля частица не успеет существенно изменить свое положение, сдвинувшись в область слабого поля, поэтому частица будет заторможена практически до нулевой скорости даже медленно спадающим полем.

Технический результат, достигаемый в данном сепараторе, - повышение эффективности сепарации за счет выделения мелких и тонких фракций металла, а также частиц металла, не выделяющихся гравитационными методами из-за физико-химических особенностей поверхности частиц.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном электродинамическом сепараторе, содержащем катушку с источником питания для генерации импульсного магнитного поля, средство подачи смеси в зону магнитного поля, приемную емкость для проводящих частиц, приемную емкость для непроводящих частиц, согласно изобретению используется дополнительно вторая катушка с источником питания, расположенная соосно первой, а импульсы магнитного поля второй катушки имеют задержку относительно импульсов магнитного поля первой катушки время ΔT=0,1÷0,4Т_имп, где Т_имп - длительность импульса магнитного поля.

Предлагаемое устройство изображено на фиг. 2. Как и в прототипе, сепаратор содержит загрузочный бункер 1, приемную емкость для проводящих частиц 2, приемную емкость для непроводящих частиц 3, соленоид (катушку) 4 с источником импульсов тока 5 и средство подачи смеси в зону формирования магнитного поля 6. Но предлагаемое устройство кроме этого содержит вторую катушку 7 с источником питания 8.

Устройство работает следующим образом. В загрузочный бункер загружается смесь, включающая частицы металла, например золота, которая через средство подачи 6 поступает в зону между катушками 4 и 7. На катушки 4 и 7 от генераторов импульсов 5 и 8 с определенной частотой поступают импульсы тока, причем импульс тока в катушке 7 задержан относительно импульса тока в катушке 4. В этом случае смена знака производной магнитной индукции будет одновременно сопровождаться сменой знака градиента индукции, а сила, действующая на частицу, не будет менять знака, пока не закончатся оба импульса тока. В результате у частицы к этому моменту сохранится высокая скорость движения. Под действием импульса бегущего магнитного поля частицы металла будут приобретать скорость, направленную в сторону второй катушки и в процессе падения будут выделяться из потока непроводящих частиц и попадать в приемный бункер для полезного продукта 2. Импульсы тока могут иметь форму, близкую к одному периоду синусоиды, как показано на фиг.3, но могут иметь и форму половины периода синусоиды, или же иметь длительность nT/2, где n - целые числа, Т - длительность периода.

На фиг. 3 приведены результаты расчетов скорости частицы в поле двух катушек с теми же параметрами, что и на фиг. 1. Можно видеть, что частица всегда ускоряется в импульсном бегущем магнитном поле, формируемом двумя катушками. Максимальная скорость частицы достигается к концу второго импульса V_max 1.6 см/с. Если сдвиг между импульсами тока варьировать, то максимальная скорость будет меняться, и оптимальный режим наблюдается при сдвиге между импульсами Δt≈Т/3 (именно этот случай и демонстрируется на фиг. 3).

Экспериментальная проверка принципа действия предлагаемого устройства была проведена на макете, собранном по схеме, представленной на фиг.2. Катушки 4 и 7 были выполнены из медной шины толщиной 0,2 и шириной 5 мм. Внутренний диаметр катушек был 5 мм, внешний диаметр - 18 мм, количество витков в катушках - 20. Катушки подключались к генераторам 5 и 8, создающим в катушках импульсы тока с формой, близкой к одному периоду синусоиды. Амплитуда импульсов тока была 2,5 кА, длительность импульса 200 мкс. В качестве проводящих частиц использовались частицы меди диаметром 0,25 мм. Вместо приемных бункеров 2 и 3 размещалась приемная плоскость, позволяющая фиксировать распределение частиц вдоль оси катушек. Расстояние от устройства подачи 6 до приемной плоскости составляло 0,25 м, что обеспечивало время пролета частиц 0.22 секунды. В экспериментах фиксировалось среднее отклонение частиц от точки вертикального падения из устройства подачи, откуда определялась скорость, которую частица приобретает в сепараторе в приближении ее постоянства во время падения.

Были проведены три эксперимента: с пропусканием импульса тока только через катушку 4 и с пропусканием тока через обе катушки. Результаты экспериментов приведены ниже.

Эксперимент 1
Параметр	Значение
Амплитуда тока в катушке 4	2500 А
Амплитуда тока в катушке 7	0А
Среднее смещение частиц	не зафиксировано
Средняя скорость частиц, приобретенная в сепараторе	0
Эксперимент 2
Параметр	Значение
Амплитуда тока в катушке 4	2500 А
Амплитуда тока в катушке 7	2500 А
Время задержки между импульсом тока в катушке 4 и импульсом тока в катушке 7	40 мкс
Среднее смещение частиц	5 мм
Средняя скорость частиц, приобретенная в сепараторе	2,3 см/сек
Эксперимент 3
Параметр	Значение
Амплитуда тока в катушке 4	2500 А
Амплитуда тока в катушке 7	2500 А
Время задержки между импульсом тока в катушке 4 и импульсом тока в катушке 7	45 мкс
Среднее смещение частиц	13 мм
Средняя скорость частиц, приобретенная в сепараторе	6 см/сек

Таким образом, эксперименты доказывают, что использование в устройстве системы из двух катушек позволяет существенно улучшить эффективность сепарации мелких и тонких фракций металла.

Источники информации

1. Техногенные месторождения минерального сырья. / Макаров А.Б. // Соросовский образовательный журнал, том 6, №8, 2000.

2. Беневольский Б.И. Золото России: проблемы использования и воспроизводства минерально-сырьевой базы. // М.: «Геоинформцентр». 2002. 464 с.

3. О главных вопросах изучения обломочного вещества осадочных пород и россыпных месторождений золота./ Сурков А.В., Хотылев О.В. // Матер. Науч. Семинара Система «Планета Земля» (Нетрадиционные вопросы геологии) 4-6 февраля 2004 г., Москва, МГУ, с.103-114.

4. Патент США US 4743364, 10 мая 1988 г.

5. Патент США US 6095337, 1 августа 2000 г.

6. Патент на полезную модель RU, по заявке №2006116399, 12.05 2006 г., положительное решение от 13.06.2007 г.

Электродинамический сепаратор проводящих частиц, содержащий катушку с источником питания для генерации импульсного магнитного поля, средство подачи смеси в зону магнитного поля, приемную емкость для проводящих частиц, приемную емкость для непроводящих частиц, отличающийся тем, что дополнительно содержит вторую катушку с источником питания, расположенную соосно первой, причем импульсы магнитного поля второй катушки имеют задержку относительно импульсов магнитного поля первой катушки на время ΔТ=0,1÷0,4 Т_имп, где Т_имп - длительность импульса магнитного поля.