Seria: G Ó R N I C T W O z. 190 Nr kol. 1088
Antoni C I E Ś L A 5^
Marian B R O Z E K xx) Karol N O W A K O W S K I X X ^ Władysław P I L C H X X '
ZASTOSOWANIE S E P A R A T O R Ó W NA DP RZ E WO DN IK O WY CH DO W Z B O G A C A N I A WYB RA N YC H S U R O W C Ó W M I NE RA LN Y CH
S t r e s z c z a n i e . W a rtykule omówiono m ożliwości za st osowania ma gn e
ty c zn eg o separa t or a nadprzewodnikowego. Omówiono konst ru kc j ę sepa
ratora laboratoryjnego. Poda no przykłady jego zastosowań.
1. W P R O W A D Z E N I E
Separa to ry nadprzewodnikowe, to nowa generacja s ep ar at o ró w m a g n et yc z
nych r óżnięca się od rozwlęzaó klasycznych tym. Ze Jako źródło pola magne
tycznego z a s t o s o w a n o elektromagnes n adprzewodnikowy. Zas t os ow an i e nadprze
wodników na u zw ojenie e le k tr o m a g n e s ó w pozwala - w stosunku do elektroma
gnesów z uzwojen ie m k o nw en cj o na ln ym - na:
- uzyskanie zna cz ny c h natężeń pól magnety cz ny c h o Z adanych konfiguracjach w dużych przest rz e ni ac h roboczych,
- obniżenia całko wi te g o z a po tr ze b ow an ia mocy elektrycznej, a co za tym idzie - o b n i ż en i a k o s z tó w eksploatacji,
- k il kakrotne z m ni ej sz e ni e cięża ru 1 objętości.
Zalety te - w a s pekcie aplikacji e l e k t r om ag ne s ów n ad pr ze w odnikowych do
•eparacjl - o zn aczaję nie tylko a t r a k cy jn oś ć ekonomlcznę, ale przede wszystkim m o żl iw oś ć u zy s kania efektów, które do tej pory były trudne do oslęgnlęcia. Chodzi głównie o obróbkę frakcji o n aj dr obniejszym u z i e m i e niu 1 s ł a b y c h w ł as nościach magnetycznych.
Na rys. 1 p ok az a n o hi st og r am podat no śc i magnetycznej 165 substancji a ł a b om ag n et yc zn y ch , natomiast rys. 2 p rz edstawia typy s ep ar a to ró w m a g n e tycznych st os ow a ne do ekstra kc ji częstek o różnej granulacji i różnych własnościach m a g ne ty cz n yc h [V].
" ^ I n s t y t u t E l e k t r o en er g et yk i AGH.
xx ^Instytut Prz er ób k i i W y k o r zy st an i a S u r o wc ów Mineralnych AGH.
Rys. 1. Hi st ogram podatności mange- tycznej 165 z w i ą z k ó w p a ra ma g n e t y c z
nych
Fig. 1. Chart of the 165 p a r a m a g n e tic compounds
Rys. 2. Typy s e p a r a t o r ó w stosowane dla różnych m i n e r a ł ó w w zależności od ich p odatności ma g ne tycznej 1
u z i e m i e n i a
Fig. 2. Types of m a g n et i c separator for different min er a ls dependent of 25! PAKAMA&ieTW
(1651 J0| f r [ ö l T * k g ]
¿5
20
15
?ODĄTNOŚC MĄ0/1€TYCZM
10 100 1000 10.000
m i m U A $ r e K [ p m ]
ciA.xeK
U / 7 * k q l
---separatory mokre ---separatory suche
E ks t ra kc ja cząstek b a r dz o dro bn y ch i o słabych w ł as no ś c i a c h m a g n e t y c z nych m o ż l iw a Jest - Jak w id a ć z rys. 2 - w tzw. s e p ar a to ra ch w ys ok o gr a- d iento w yc h z elek tr om a gn es am i n ad pr ze w odnikowymi, w których uz yskuje się gęstości siły mag ne t yc zn ej |fm | rzędu 6 . 1 0 11 Nm- 3 , podczas gdy klas y cz ne odmiany s ep ar a t o r ó w (np. bę bnowe) charak te ry z uj ę się s to s un ko wo małę w ar tośclę | f | (ok. 2 . 105 fh” 3 ) QiQ.
2. R O Z W I Ą Z A N I A K ON ST R U K C Y J N E S E P A R A T O R Ó W N A D P R ZE WO D NI KO WY C H
2.1. Separa t or y o d chylające
Sę to urzędz en i a o działaniu cięgłym, w których frakcja m ag ne t y c z n a zo- taje siłę pola m a g n e ty cz n eg o od ch yl o na od pionowo p rz epływajęcej z a w i e siny. W obs za rz e silnie n i e j e dn or od n eg o pola n a stępuje proces separacji.
Najczęściej sp ot y ka ne rozwięzania źródła pola w s ep a ratorach o d c h yl a jących, to kons tr u kc je u k ła dó w s o l e n o i d ó w pracujęcych w różnych k o n f i g u racjach (układy dipolowe, m u l t i d i p o l o w e , k wa drupolowe i t p . ). Wybór danej k on fi gu ra c ji uzależniony Jest od s tosowanej w artości i ndukcji pola oraz od wł as no ś ci fizycznych m a t e r i a ł ó w przezna cz o ny ch do separacji. W y m i en io ne układ y charak te ry z uj e duże z ł o ż o n oś ć konstr u kc ji mechanicznej oraz du
że koszty zwi ąz a ne z w yk on a n i e m u rządzeń pomo cn ic z yc h (np. k r iostaty nie typowych kształtów).
2.2. Separatory matrycowe
Ź r ó dł e m pola magnety cz ne g o w tego typu se pa r atorach jest prostsze w bu
dowie uz w oj en ie solenoidalne. N ie je d norodność pola nie Jest wytwarzana przez uzwojenia o kr eślonego kształtu, lecz przez elementy ferromagnetycz
ne (np. włókna waty s ta lowej) u mi eszczone w kanistrze wprow ad z on ym w po
le magnetyczne. Częstkl frakcji magnetycznej pr zepływające przez matrycę (kanister z watę) osadzaję się na elementach ferromagnetycznych. Pozosta
łe częstki (frakcja ni em ag netyczna) odbierane sę poza matrycę. 0 skutecz
ności se pa ra c ji d ecyduję - obok natężenia pola - głównie własności eleme n
tów ferroma gn et y cz ny ch (rozmiar, wła sn o śc i magnetyczne). Konstrukcja n ad
p rz ew o dnikowego separa to ra m a t ry co we g o Jest przyczynę cyklicznego char ak teru pracy. Rzutuje to w istotny sposób na e ks ploatację elektromagnesu nadprzew od ni k ow eg o jjs].
Tabela 1
Porównanie s e pa ra t o r ó w od c hy la ję c eg o i matrycowego
T y p s eparatora Odchylajęcy Matrycowy
Praca separa to ra cięgła cykliczna
(Jest to przyczynę o b n i żenia e f ektywnego czasu pracy o 40-f50%)
K on strukcja
uzwojenia z łożona prosta
Konst rukcja krlostatu
z łożona (konieczność usytu
owania kanału se pa racyjnego w pobliżu u z w o j e n i a )
prosta
Ko n strukcja separatora
prosta złożona
(konieczność wymiany m a t r y c y )
Z ia rn i st oś ć w z b o g a
canego materiału^um] ~ 2 0 ~ 1
Wy da j no ść [t/hj do 100 do 20
3. L AB OR A T O R Y J N Y SEP A RA TO R N A D P R Z EW O DN IK OW Y Z B U D O W A N Y W AGH
W Instyt uc i e Elektroe ne rg et y ki Akademii Górniczo-Hutniczej, w ramach problemu "Zastosowanie kriogeniki w g ospodarce narodowej", we współpracy z jugosłowiańska firmę Energolnvest Sarajevo, zbudowano elektromagnes nadprzewodnikowy, w którym obszar pola magnety cz n eg o ( ~ 2 dcm3 ) dostępny jest w temperaturze otoczenia. Kriostat elektromagnesu posiada "goręcy"
kanał przel ot ow y o średnicy 90 mm, który u mo żliwia swobodny d o stęp do po
la magnetycznego. Uz wo je n ie e le kt r om ag ne s u w y k o n an a jest w ksz t ał ci e so- lenoidu z n a d p r ze wo d ni ka NbTl typu F60 (0,6) firmy V ac uu mschmelzs.
T a k i e r o zwięzanle k o n s t ru kc yj n e el ek tr o ma gn es u umożliwia Jego wyko r zy stanie, Jako źródł a pola w s e p ar at or z e matrycowym. Do kana łu elektromagne
su w p r o w ad z a się kan i st er z matrycę, przez którę p r zepływa se pa ro w an a zawiesina. Po n a p eł ni en i u m a t r yc y frakcję magnetycznę. wymi en ia się Ję na czystę bez o d w z bu dz an l a elektromagnesu. W tym celu p rzesuwa się matrycę poza ob szar pola m ag ne t y c z n e g o (gdzie pr z ywraca s ię Jej z d o l no śc i akumula
cyjne), przy równ o cz es ny m w p r o w a d z e n i u do strefy s ep aracji czystej ma-
Rye. 3. Konst ru kc j a l a bo r at or yj n eg o s ep ar a to ra n a d p r z e w o dn i ko we go 1 - uzwojenie n a d p r z e wo dn ik o we (solenold), 2 - m a t r yc a separatora, 3 - w p r o w a d z e n i e nadawy, 4 - w p ł y w p r oduktu niemagnetycznego, 5 - ciekły hel, 6 - ciekły azot, 7 - ekran azotowy, 8 - zawór próżniowy, 9 - lewar azoto
wy, 10 - wy pływ helu gazowego, 11 - krioprzepust pomiarowy, 12 - lewar helowy, 13 - krioprzepust prędowy
Fig. 3. C o ns tr u ct io n of the laboratory s up er c o n d u c t i n g separator
tryoy. Na rys. 3 p r z e d st a wi on o konst ru k cj ę la bo r atoryjnego separa to r a nadprzewodnikowego zbudo wa ne go w I EE AGH, natomiast cykl pracy sepa ra to ra z wymienn ym i dwoma m a t r yc am i pokazuje rys. 4.
elektromagnes ńadprżerfoaniZoNy
Hypołnfenie terromagneb/cene [kan aki
0,2 oj o,i 0ż
strefa separvgi stre fa nymiany matrycy
Rys. 4. Praca separa to r a n a d pr ze w od ni ko w eg o z w ym i en ny mi matrycami Fig. 4. Scheme of work in g cykle of the super c onducting separator with the
exch an g ab le matrix
4. MO ŻLIWOŚĆ Z A S T O S O W A N I A S E P A R A T O R Ó W NADPRZE WO DN I KO WY CH
Można w y od r ę b n i ć trzy grupy procesów, w których znajduję zastosowanie nadprzewodnikowe separatory w y s o k o g r a d i e n t o w e : o c z ys zc za n ie rozdr ob ni o nych m a te r i a ł ó w stałych z domieszek magnetycznych, w zb og a c a n i e rud, ocz y
szczanie ścieków. Szczeg ó ło wy opis możliw oś ci z as to s ow ać tych separa to ró w znaleźć można m.in. [l, 4^].
Aktualnie prowadzi się, na o p isanym w p. 3 n a dp rz e wo dn ik o wy m sepa ra to rze matrycowym, prace przygo to w aw cz e nad uszlac h et ni an i em kaolinu. Ich celem Jest ma ks ym a ln e obniżenie zawartości zwlę zk ów barwięcych w kaolinach pochodzących z obecn ie eksplo at ow a ny ch pok ła d ów krajowych.
5. P OD SU MOWANIE
Z przeprowa dz on y ch rozważać wynika, że separatory nadprzewodnikowe stwsrzaję nowe Jakościowo perspektywy w przeróbce kopalin.
W wyniku in te nsywnych prac prowadzonych w wielu krajach, zbudowano szereg nadprzewodnikowych s e p ar at or ó w laboratoryjnych i półprzemysłowych.
«(literaturze [l] znaleźć można informacje o pięciu instalacjach pr zemy
słowych separacji magnetycznej, z wykorzy st a ni em e l ek tr om a gn es ów nadprze
wodnikowych: dwie w Wielkiej Brytanii, po jednej w USA, RFN i Czechosło-
wacjl. Z a s t o s o w a n o je do wz b og a c a n i a rudy żelaza, o c z ys zc za n ia kaolinu i o ds ia r c z a n i a węgla. In dukcja w p r z es tr z en i roboczej tych s e p a r a t o r ó w wy.
nosi 2r5 T, a w y d a j n o ś ć 3Ą100 t/h.
O pisany w niniejazaj pracy s e p a r a t o r jest pie r ws zę k onstrukcję nadprts.
w o d n i k o w e g o s e pa ra t o r a ma tr y c o w e g o powstałę w kraju. Aktualnie, po okre
s ie ro zruchu elekt ro ma gn e su . Jest on p rz yg o to wy wa n y do badań nad wzboga
caniem kaolinu. Oeśli uzys ka n e za jego pomocę efekty będę konkurencyjne - zaró wn o pod w zg lę d e m technicznym. Jak i e k o n o mi cz ny m - w sto su nk u do e f e k t ó w uzys ki w an yc h w istn ie ję cy c h rozwięza ni ac h klas yc z ny ch - jest s zansa na r o z p o w s ze c hn ie ni e tego typu s e p a r a t o r ó w w kraju 1 ich wykorzy
s ta ni e nawet na s ka lę przemysłowę.
P rzyczyn p ow ol n eg o w p r o wa dz an i a e l e k t r o m a g n e s ó w nad p rz ew od n ik ow yc h do s e p a ra c ji należy u p a t ry wa ć w konie c zn oś ci s t os ow a ni a t em pe r at ur helowych 1 wyso ki e j próżni, a także w p rz e sa d n i e o st r ożnym podejściu przemysłu do s to su n k o w o drogich (Jeśli idzie o koszt inwes ty cj i ) i nie w pełni spraw
dzonych urzędzeń. Oednsk o s t at n ie osięg nl ę ci a w d zi e dz in ie nowych wysoko
t e m p e ra tu r ow yc h n a d p r z e w o d n i k ó w i p r z ew i dy wa ne w zwięzku z tym znaczne o bn iżenie k o s zt ów budow y i eksp lo at a cj i e l e k t r o m a g n e s ó w na dp rzewodniko
wych stw ar za j ę persp ek ty w y u po w sz ec hn i en ia s e p a r a t o r ó w nadprzewodnikowych,
L I T E R A T U R A
FlT Kopp O.: S u p e r c o n d u c t i n g Mag n et ic S ep ar a t i o n IEEE Trana. on M a g n . , Vol. 24, No 2, 1988.
[~2j Gerber R. : Some Aspec ts of the present status of HGMS. IEEE Trans, on Magn. Vol. 18, No 3, 1982.
C ieśla A., Matras A.: W y z n a c z a n i e rozkładu sił przy przemieszczaniu m a t r yc y w n a d p r z e w od ni ko w ym s e pa r at or ze magnetycznym. Praca Naukowe In s ty tu tu P o d st aw E l e k t r ot e ch ni ki i El ek t ro te ch n ol og li Politechniki W ro cł aw sk i ej nr 25, Seria: K o n fe r en cj a nr 6. " Na dp rzewodnictwo w e l e k t r o t e c h n i c e ” . W r o c ł a w 1988.
£4] Oder R . : High Gradient Ma gnetic Separation. Theory and Applications.
IE E E Trans, on Magn. Vol. 12, No 5, 1976.
IIPHMEHEHHE CBEPXUPOBOflaiHErO CEUAPAI OP A B OEOrAIl(EHiIH
II 0 JIE 3 HUX
H CKOnAEMLHP e 3 jo m e
B d a m n noKasaHO b o3moj£h o c t b npHuenenHH M arHHTHoro CBepxnpoBo,n«mero cenapaiopa. IIpeflCTaBjieHO K OH CTpyKUHm aaCopaiopHoro annapaia h npniiepa ero npHMeHeHHH.
APPLICATION OF S U P E R C O N D U C T I N G MAGNETIC SEP A RA TO R FOR B E NE FI CI A T ION OF SO ME MINERALS
S u m m a r y
In the paper the pos si b il it ie s of a pplying of a s up e rc on du c ti ng m a g n e tic se pa rator has been presented. The const ru ct i on of the laboratory superconducting se parator has been discussed. Some example of applying of superconducting sep ar at o r has been presented.
