Opisano budowę wysokogradientowego separatora magnetycznego, zbudowanego na magnesach stałych. Pole to wytworzono bez zastosowania nabiegunników w przestrzeni otaczającej pary jedno- imiennych biegunów tych magnesów. Mała objętość strefy roboczej separatora ogranicza jego zasto sowanie do materiałów drobnoziarnistych (poniżej 0,3 mm). Wykazano skuteczność urządzenia przy oczyszczaniu piasków morskich z granatów oraz mieszaniny kwarcowo-skaleniowej z biotytu. W obu przypadkach zawartość szkodliwych domieszek obniżono do wartości poniżej 1%.
1. WSTĘP
Separatory magnetyczne wykorzystują siły wciągające drobiny substancji w obszar silnie niejednorodnego pola magnetycznego. Siła dF, działająca na mały element obję tości d V danej substancji, jest równa (Matviejev 1983):
d F ~ \ irjurir grad B 2 d V
gdzie:
/u - przenikalność magnetyczna substancji,
- przenikalność magnetyczna próżni,
B - indukcja magnetyczna w teslach.
Jak wynika z tego wzoru, skuteczność separatora zależy od wartości gradientu in dukcji magnetycznej a nie od wartości samej indukcji. Nawet gdy wartości indukcji wy twarzane przez potężne elektromagnesy są bardzo duże, w obszarze, gdzie pole magne tyczne jest jednorodne, wypadkowa sił działających na cząstkę magnetyczną jest równa zeru. Dlatego też podawanie (w niektórych książkach i katalogach) maksymalnej war tości indukcji wytwarzanej przez dany separator ma sens jedynie wówczas, gdy jed nocześnie podaje się wartość gradientu indukcji. Duże separatory wytwarzają pole silnie niejednorodne w dużej objętości, co ma znaczenie dla wydajności separacji. Można jed nak wytworzyć takie pole w mniejszym obszarze (po zbudowaniu miniseparatora)
* Instytut Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Wrocławskiego, 50-204 Wrocław, pl. Maxa Borna 9, Poland.
** Instytut Nauk Geologicznych Uniwersytetu Wrocławskiego, 50-204 Wrocław, pl. Maxa Borna 9, Poland.
86 T. L e w o w s k i, A. G r o d z i c k i
i uzyskać identyczną skuteczność separacji materiałów drobnoziarnistych, co prawda przy zmniejszonej wydajności. Ten problem można z kolei rozwiązać przez równoległe połączenie kilku miniseparatorów.
Istotną korzyścią wynikającą ze stosowania miniseparatorów jest obniżenie wyma gań co do wartości maksymalnej indukcji magnetycznej. Pole o dużym gradiencie może być wytworzone także przy użyciu typowych magnesów trwałych, co pozwala oszczę dzić energii zużywanej do zasilania elektromagnesów. Separatory na magnesach stałych są też znacznie lżejsze i mają mniejsze rozmiary. Mogą więc być stosowane w bada niach terenowych.
2. APARATURA
W Instytucie Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Wrocławskiego zbudowano mi niseparator magnetyczny, w którym zastosowano ferrytowe magnesy trwałe o kształcie pierścieni o przekroju prostokątnym, namagnesowane w kierunku osi walca (Lewowski 1989). Magnesy te są produkowane seryjnie na potrzeby przemysłu elektronicznego, co znacznie obniża ich koszt. Wysokość pierścieni wynosi 10 mm, a średnica zewnętrzna 64 mm. Do budowy bębna separatora magnetycznego użyto 22 szt. magnesów, m a on więc 21 stref o dużym gradiencie indukcji. Wartość indukcji magnetycznej przy po wierzchni bębna wynosiła 170 mT, a dzięki odpowiedniemu ustawieniu magnesów (jednakowymi biegunami ku sobie) gradient indukcji magnetycznej mierzony w kierun ku prostopadłym do bębna wynosił 75 mT/mm. Gradient ten ma wartość prawie stałą do wysokości ok. 1 mm.
Aby sprawdzić skuteczność separacji opisanego urządzenia, wykonano badania na materiale drobnoziarnistym, zawierającym zanieczyszczenia w postaci substancji słabo magnetycznych, takich jak biotyt albo granaty, których usunięcie wymaga zastosowania separatorów magnetycznych charakteryzujących się dużym gradientem indukcji magne tycznej. Do badań wytypowano osady piaszczysto żwirowe pochodzące z Ławicy Słupskiej, znajdującej się na obszarze polskiej części szelfu Morza Bałtyckiego oraz granitoidy z Granicznej występujące w masywie granitowym Strzegom-Sobótka.
3. ANALIZA WYNIKÓW WZBOGACANIA
1. O s a d y p ia s z c z y s t o - ż w ir o w e były wydobywane za pomocą pogłębiarki z Ławicy Słupskiej, a następnie utylizowane w Zakładzie Przeróbki Kruszywa Naturalnego „Krusz-Geo” w Gdańsku. Żwir dla budownictwa jest odtransportowywany z terenu zakładu. Na miejscu pozostaje drobniejszy osad piaszczysto-mułowy z domieszką żwi ru. Jest to materiał nie wykorzystywany, stanowiący odpad z produkcji kruszywa. W y kazuje on podwyższoną zawartość minerałów ciężkich, które są wstępnie podkoncentro- wane w trakcie przeróbki. W dalszej kolejności utwory te zostały wzbogacone grawita cyjnie na stole koncentracyjnym.
Skład mineralny koncentratów przedstawiono w tabeli 1. Ponieważ w uzyskanym koncentracie występują nadal znaczne ilości minerałów o różnej podatności magnetycz nej, oczyszczano go za pomocą opisanego wyżej miniseparatora. Skład mineralny p ro duktu oczyszczonego podany jest również w tej samej tabeli.
Tabela 1. Skład mineralny koncentratu piasków morskich Nazwa minerału Nadawa, % obj. Frakcja niemagnet., % obj.
Cyrkon 28,40 82,80 Rutyl 0,30 0,85 Amfibole 1,46 0,86 Pirokseny 0,70 0,43 Turmalin 0,68 0,84 Apatyt 0,22 0,20 Granaty 43,86 0,84 Staurolit 0,75 0,84 Dysten 0,10 0,43 Minerały rudne 22,04 0,84
Kwarc (frakcja lekka) 1,49 11,07
W porównaniu z nadawą w oczyszczonym koncentracie została w sposób istot ny zmniejszona zawartość minerałów magnetycznych, a przede wszystkim granatu i materiałów rudnych reprezentowanych przez tlenki żelaza i tytanu, a także amfiboli i piroksenów.
2. G ranitoidy z G ranicznej. Badania dotyczyły próby uzyskania czystych koncen tratów skaleniowo-kwarcowych z odpadów gromadzonych na hałdach powstających w czasie eksploatacji granitu. Skład mineralny skały zestawiono w tabeli 2.
Tabela 2. Analiza mikrometryczna granitoidu z Granicznej (wg Majerowicza 1979) Składniki % objętości Plagioklazy 39,62 Skaleń potasowy 25,56 Kwarc 26,20 Biotyt 8,30 Tlenki żelaza 0,09 Apatyt 0,11 Cyrkon 0,12
Pobrane z różnych miejsc hałdy trzy próbki skalne zostały selektywnie rozdrobnio ne w specjalnym dezintegratorze (Grodzicki, Matz 1975) w celu możliwie pełnego roz dzielenia agregatów polimineralnych na ziarna monomineralne bez ich niepotrzebnego niszczenia. Materiał został wstępnie wzbogacony grawitacyjnie, przesiany i przemyty w celu uzyskania odpowiednich wzorców. Różnią się one nieco między sobą pod wzglę dem zawartości procentowej głównych komponentów, co można stwierdzić na podsta wie tabeli 3 (A - kwarc i skalenie, B - agregaty kwarcowo-biotytowe, C - biotyt). Jest to wynikiem zróżnicowania petrograficznego materiału skalnego i zastosowania
8 8 T. Le w o w s ł i, A. Gr o d zic k i
zmiennych parametrów wstępnego wzbogacania prób. Następnie nadawa poddana została separacji magnetycznej w miniseparatorze. Oczyszczony produkt przesiano na kolumnie sit i rozdzielono na 3 lub 4 klasy ziarnowe. Skład mineralny oczyszczonego produktu wyjściowego oraz odpadów przedstawiono w tabeli 3.
Tabela 3. Skład mineralny granitów z Granicznej
Nr
Klasa ziarnowa
Nadawa Odpad Koncentrat
mm A B C A B C A B C 1 1-0,5 94,34 1,51 4,15 73,52 2,59 23,89 95,23 3,33 1,44 0,5-025 97,00 2,00 1,00 0,25-0,12 98,00 0,80 1,20 0,12-0,06 99,00 0,40 0,60 2 0,5-0,25 91,86 2,08 6,06 62,50 6,25 31,25 96,00 3,00 1,00 0,25-0,12 97,00 1,50 1,50 0,12-0,06 99,40 0,20 0,40 3 0,5-0,25 85,85 3,45 10,70 50,00 10,00 40,00 96,20 2,80 1,20 0,25-0,12 98,20 0,80 1,00 0,12-0,06 99,20 0,20 0,60
A - kw arc i skalenie, B - agregaty biotytu z kw arcem lub skaleniam i, C - biotyt.
Z tabeli 3. wynika, że produkt oczyszczony reprezentuje prawie czysty koncentrat skaleniowo-kwarcowy (A). Składa się on z monomineralnych siani kwarcu i skaleni reprezentowanych przez płagioklazy i skalenie potasowe. Ich zawartość wzrasta w mia rę zmniejszania się średnicy ziaren. Ta sama uwaga odnosi się do agregatów kwarco- wo-biotytowych i skaleniowo-biotytowych (B). W produkcie oczyszczonym obserwuje się tylko nieznaczną zawartość (ok, 1%) słabo magnetycznego biotytu, którego ilość maleje w kierunku frakcji drobniejszych.
4. WNIOSKI
W podsumowaniu należy stwierdzić, że skuteczne usuwanie z mieszanin takich słabo magnetycznych minerałów jak biotyt (podatność magnetyczna
= n
- 1 = 36-60 • 10's ) lub granat(%m =
60-160 ■ 10‘6) (Łuszczkiewicz 1990) świadczy o bardzo dobrych parametrach technicznych separatora oraz o możliwości zastosowania go w wielu procesach technologicznych, w których dotychczas pracują wysokogradiento- we, lecz energochłonne separatory elektromagnetyczne. Należy też dodać, że zastosowa ny w niniejszych badaniach model separatora jest urządzeniem prototypowym, a w cza sie eksploatacji zauważono dalsze możliwości jego usprawnienia. Może on także praco wać „na mokro". Istniejący w Instytucie Fizyki Doświadczalnej Zakład „Wrofiz” jest w stanie wykonać modele przystosowane do pracy z różnymi minerałami i w różnychwarunkach, także potowych, o wydajności od kilkudziesięciu kilogramów do kilku ton na godzinę. Należy jeszcze raz podkreślić, że opisany separator może skutecznie wzbo gacać jedynie materiały drobnoziarniste (poniżą 0,3 mm).
N a zakończenie chcemy podkreślić, że przedstawione rezultaty badań należy trak tować jako wstępne. Zdajemy sobie sprawę, że nie są one w pełni jednoznaczne i satysfakcjonujące dla specjalistów zajmujących się inżynierią mineralną, gdyż wyniki nie są podane w postaci pełnego bilansu produktów i składników.
W pierwszym etapie badań naszym głównym celem było stwierdzenie czy rozdział z wytypowanych mieszanin przy zastosowaniu skonstruowanego minisepara- tora w ogóle będzie przebiegał. Takie zjawisko niewątpliwie zachodzi i obejmuje szereg wyszczególnionych minerałów. Tym samym, w naszym przekonaniu, postawione zada nie zostało rozwiązane.
Drugim zaplanowanym etapem badań będzie określenie skali tego zjawiska, a więc ilościowa ocena skuteczności procesu wzbogacania i próba podania jego bilansu. W najbliższej przyszłości to zadanie chcemy wykonać, korzystając także z konsultacji i interdyscyplinarnej współpracy ze specjalistami zajmującymi się inżynierią mineralną. Wydaje się to celowe, gdyż separacja drobnoziarnistych materiałów wykonana na su cho sposobami magnetycznymi stwarza wiele bardzo trudnych problemów technicznych
z czego dobrze zdajemy sobie sprawę. .
LITERATURA.
GRODZICKI A., MATZ T. (1975), Patent polski nr 89397.
LEWOWSKIT. (1989), Separator magnetyczny na magnesach stałych, zwłaszcza bębnowy. Zgłoszenie patentowe n r P 277157.
ŁUSZCZKIEWICZ A. (1990), Właściwości minerałów pierwiastków ziem rzadkich decydujące o tech nologii ich wzbogacania. Rozdział w: Pierwiastki ziem rzadkich. Surowce, technologie, zastoso wanie (Praca zbiorowa pod red. W. Charewicza), Warszawa, WNT, s. 94-108.
MAJEROWICZ A. (1979), Granitoidy Masywu Strzegom-Sobótka, Rozdz. w: Surowce mineralne Dol nego Śląska (praca zbiorowa pod redakcją K. Dziedzica i innych), Wrocław, Ossolineum, s. 207-211.
MATVIEJEV A.N. (1983), Elektriiestvo i magnetizm, Moskva, WyzSaja Śkola.
Lewowski T., Grodzicki A ., (1994), Beneficiation o f the w eak-m agnetic substances by m eans o f a sm all, high-gradient m agnetic separator on permanent ferrite magnets,
Physicochemical Problems o f Mineral Processing, 28, 8 5 -8 9 (Polish text)
The construction o f small, high-gradient magnetic separator operating on permanent magnets is reported. The high-gradient magnetic field is created close to the narrow gap between the poles of permanent magnets, without the use o f pole shoes. This field is sufficient to separate the material sized from 0 to 0.3 mm. The apparatus was applied to the beneficiation of non-magnetic substances (granites and sea sands), highly contaminated by weak-magnetic ones, such as garnets or biotite. In all cases a decrease o f the impurities level below 1% is attained.
F izykochem iczne P ro b lem y M ineralurgii, 28 (1994), 9 1 -9 7
Peter BALÂÈ*, Jaroslav BRIANCIN**