Сделай Сам Свою Работу на 5

Оптимизация показателей МЭМО





 

Результаты опытов, описанных в предыдущем параграфе, на­глядно показали, что процесс мокрой магнитной сепарации не­достаточно селективен. В концентрат извлекаются не только сильномагнитные рудные зерна, но и в несколько раз менее магнитные сростки и даже частицы пустой немагнитной породы, защемленные в немагнитных прядях.

Для достижения эффективных показателей необходимо до­биваться, чтобы оставшиеся нераскрытыми сростковые зерна были по возможности беднее по содержанию магнитного мине­рала. Для удаления немагнитных зерен следует применять вы­талкивание их полем на магнитногидростатических аппаратах (В. А. Чумаков, 1980 г.).

Получение оптимальных показателей должно обеспечивать максимально прибыльную работу фабрики. Для этого надо, с одной стороны, получать концентраты высшего качества с мак­симальным извлечением в них полезных минералов, а с дру­гой — всемерно уменьшать себестоимость переработки сырья.

Экономическая эффективность обога­щения характеризующая прибыль зависит от себестоимости переработки сырья и ценности полученных продуктов. Первая определяется суммой себестоимости операций по схеме обогащения, вторая — суммой реализации концентратов в зависимости от удельного расхода сырья на 1 т концентрата и содержания полезного минерала в сырье и концентратах.



Эти величины можно определять по формулам

где ΣС — себестоимость переработки 1 т сырья по схеме цепи аппаратов, руб/т; γ — выход концентрата, доли ед.; Эу — удель­ный расход электроэнергии на измельчение 1 т исходной руды, кВт·ч; а0 — цена 1 кВт-ч электроэнергии, руб.; а1 —доля стои­мости электроэнергии в себестоимости обогащения сырья 1 ≈ 0,2); b0 и b — соответственно базовая цена и доплаты за по­вышение ее при увеличении качества концентрата, руб/т (для железорудных концентратов они равны соответственно 11,2 и 0,54); βб и β — содержание полезного минерала соответственно базовое и фактическое, % (для желе­зорудных концентратов βб = 65%).

Наибольшая разность между ценой и себестоимостью характеризует опти­мальное значение показателей.

При несоответствии цен на концентраты интересам отрасли народного хозяйства (в данном случае — черной металлургии) прибыль необходимо вычислять не по обогатительной фабрике, а по конечному результату стоимости металла на металлурги­ческом заводе, переплавляющем концентрат. В этом случае стоимость удаления породы в виде жидкого шлака, выпускае­мого из доменных печей, в десятки раз превышает стоимость удаления пустой породы на фабриках методами МЭМО. Поэто­му выгодно произвести дополнительные затраты при обогаще­нии, если экономия в металлургических цехах с избытком пере­крывает их.



Для получения наилучших показателей магнитного обогаще­ния необходимо знать потенциальные характеристики обогатимости руд магнитным способом. Такие характеристики должны, определяться точно и по стандартным методикам (погрешность, опытов не должна превышать допустимых значений, чтобы не­дооценка возможностей сырья исключалась).

В зависимости от применяемых способов различают следу­ющие виды характеристик обогатимости, которые могут быть получены при магнитном анализе и обогащении исходного сырья:

- потенциальные, когда в магнитную фракцию в лабораторных условиях полностью извлекаются все магнитные минералы и их сростки с немагнитными, а разделение их по содержанию маг­нитных минералов проводится сортировкой (подсчетом под микроскопом) и контролируется гравитационным анализом;

- реальные показатели, получаемые при разделении магнит­ных фракций на лабораторных магнитных анализаторах с ис­пользованием физико-химических и химических способов под­готовки проб к разделению;



- реализуемые характеристики, устанавливаемые на магнит­ных сепараторах в практических условиях, при которых учиты­вается снижение эффективности вследствие неполного раскры­тия, неточного разделения и колебания производительности.

По первой характеристике оцениваются результаты, которые могут быть получены на практике лишь в отдельной перспекти­ве. Реальные характеристики целесообразно использовать при контроле работы фабрик и технологической оценке перспектив применения магнитного обогащения для исследуемого сырья. Реализуемые показатели необходимы для проектирования, экс­плуатации и оценки качества обслуживания оборудования на магнитно-обогатительных фабриках.

 


ЛЕКЦИЯ №9.ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ МАГНИТНОЙ ФЛОКУЛЯЦИИ ДИСПЕРСНЫХ СИЛЬНОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ ПА ПРОЦЕССЫ МАГНИТНОГО ОБОГАЩЕНИЯ

 

Стремление совокупности (систем) ферромагнитных частиц в поле магнитного сепаратора к уменьшению общей магнитостатической энергии (энергии свободных полюсов) приводит к образованию агрегатов из этих частиц, именуемых флокулами.

Магнитно-адгезионное взаимодействие частиц с образова­нием флокул наиболее характерно для ферромагнитных суспен­зий — несплошных ферромагнитных сред, в которых магнит­ный поток многократно преломляется из вакуума, воды или воз­духа (диа- или немагнитной среды) в ферромагнитную и наобо­рот (ферросуспензии, полиградиентные среды и т. д.). Такие сре­ды обладают повышенной магнитостатической энергией, зависящей, как правило, от внешнего поля. Уровень этой энергии, приводящий к магнитному взаимодействию частиц суспензии, определяет механические напряжения, вызывающие повышение ее вязкости и потерю устойчивости.

При потере устойчивости происходит «самодеформация» или «свертывание» ферромагнитной фазы суспензии, сопровождаю­щаяся снижением ее магнитостатической энергии, которая при­водит к образованию хлопьеобразных агрегатов из отдельных частиц — флокул.

Иными словами: магнит­ная флокуляция — это процесс образования агрегатов из час­тиц сильномагнитных материалов под влиянием внешнего маг­нитного поля или за счет остаточной магнитной индукции этих частиц.

В практике магнитного обогащения решающее значение име­ет наведенная магнитная флокуляция, которая возникает в ра­бочем поле сепаратора, препятствуя успешному разделению ми­нералов. Поэтому в настоящей работе будет рассматриваться только этот вид флокуляции. Магнитная флокуляция, вызван­ная остаточной индукцией, имеет подчиненное значение в маг­нитной сепарации, но она значительно влияет на процессы тон­кой классификации, искажая результаты седиментационного ана­лиза. Этот вид флокуляции влияет также на флотацию, сгущение, фильтрацию и измельчение сильномагнитных материалов, и в этих процессах он заслуживает внимания.

Магнитную флокуляцию условно можно рассматривать как взаимодействие магнитных масс частиц (собственных или наве­денных внешним полем) на основе магнитного закона Кулона. Полное выражение силы притяже­ния двух диполей (рис. 9.1, а) имеет вид:

(9.1)

 

Рис.9.1. Положение частиц при взаимодействии (а) и схема сил, растягивающих флокулу (б)

Для диполей, длина которых l существенна, первый член уравнения (9.1) значительно превышает сумму второго и третьего и последни­ми можно пренебречь. В случае наведенных масс силу этого взаимодействия можно выразить следующим образом:

, (9.2)

где т1, m2— магнитные массы взаимодействующих частиц или флокул; r — расстояние между условными точками их сосредо­точения; μ0— магнитная проницаемость среды (в системе СГСМ), для пустоты, воздуха и воды μ0= 1; α — угол между вектором напряженности магнитного поля и линией взаимодействия час­тиц или флокул.

Понятие «магнитная масса», явля­ясь эквивалентом заряда в электростатике, лишено такого непосредственно­го физического смысла, но удобно для изучения многих процессов магнито­статики. Магнитная масса имеет размерность потока - [А·м], излучаемого данной точкой полюса. Ее можно определить из аналитических выражений намагни­ченности J = M/V, J = χН и магнитного момента М = m а. Та­ким образом:

(9.3)

где χ — магнитная восприимчивость материала флокулы; Н — напряженность магнитного поля в области флокулы; J – намагнтченность флокулы; а, V, S — соответственно длина, объем, площадь поперечного сечения фло­кулы; ψ — коэффициент заполнения объема флокулы; — ее эффективное сечение, .

Концентрация магнетита (естественного или искусственно­го) в материале флокулы влияет только на ее восприимчивость и проницаемость, но так как это влияние хорошо изучено, то здесь рассматривается только флокуляция чистого тонкоизмельченного магнетита.

Микроскопические наблюдения и фотоизмерения показали, что естественные формы флокул близки к эллипсоиду враще­ния, полуоси которого а, b = с. Такая форма соответствует наи­меньшей потенциальной энергии ферромагнетика в магнитном поле.

Магнитное поле стремится повернуть флокулу продольной осью а по направлению вектора напряженности поля. Это оз­начает, что на флокулу в магнитном поле действует пара сил, пропорциональная синусу угла α и удли­ненности флокулы λ = a/b. При небольших значениях α, когда sin α > α, эту пару можно записать так:

, (9.4)

где χa,χb — магнитные восприимчивости по соответствующим осям флокул (при а > b величина χa > χb).

Эта пара сил даже при малых отклонениях приобретает су­щественные значения. Для магнетитовой флокулы уже при λ= a/b = 2 в поле Н= 1000 Э она превышает 1000 дин/градус. Так как это единственная пара сил, действующая на флокулу в од­нородном поле, то α →0, a cosα → 1.

Механизм роста (удлинения) флокул показан на рис. 9.1,б. Силу, которая прижимает боковую частицу с магнитной мас­сой одного полюса т к основной цепочке в точке контакта с двумя ее частицами, магнитные массы которых т1, и т2, можно найти как равнодействующую на основе закона Кулона с уче­том вращающего действия магнитного поля на каждую пару частиц. Проекцию этой силы на продольную ось цепочки мож­но записать приблизительно так:

(9.5)

Эта сила, которая растягивает флокулу, снижая ее потенци­альную энергию. При R > Foc (Foc - сила осевого сжатия) флокула удлиняется, а при R = Fоси, она находится в состоянии равновесия. Таким образом, плотность флокуляции определяется суммой этих сил.

Считая флокулу макроскопически однородной, можно най­ти напряженность магнитного поля внутри флокулы для случая однородного поля. Напряженность внешнего поля Не в области флокулы распадается на две составляющие: h — напряженность поля внутри флокулы и Hi = NI— напряженность размагничи­вающего поля:

(9.6)

Так как , то напряженность поля внутри флокулы равна:

или (9.7)

Коэффициент размагничивания N вэтой формуле учитыва­ет влияние формы тела и зависит только от нее. Эта зависи­мость для большинства геометрических форм представляет зна­чительную трудность при аналитическом выражении, однако для эллипсоида вращения получаются наиболее простые выра­жения. Так, при удли­ненности флокулы

(9.8)

В системе СГСМ коэффициент размагничивания умножает­ся на 4 π.

Строение флокулы и ее прочность в однородном магнитном поле.Рассмотрим случай, когда флокула образу­ется из одинаковых кубиков, площадь поперечного сечения ос­тается постоянной по всей длине флокулы, вследствие чего та­кие флокулы состоят из одной цепочки. В этом идеальном случае коэффициент размагничивания зависит только от длины флокулы, т. е. N = f(a). Силу осевого сжатия флокулы относительно среднего сечения в данном случае мож­но определить, рассматривая взаимодействие двух половинок флокулы на основе формул (9.2) - и (9.3) - , используя при этом значение напряженности поля внутри флоккулы в соответствии с формулой (9.7) - :

(9.9)

Необходимо отметить, что рассмотренный случай, когда минеральные частицы имеют форму куба, практически не встречаются. Сепарируемые частицы имеют неправильную форму и поэтому для теоретического анализа происходящих процессов наиболее приемлемо рассматривать шарообразную форму частиц. В этом случае расположив частицы в цепочку можем убедиться, что площадь поперечного сечения такой цепочки периодически изменяется по ее длине. В точках соприкосновения частиц, где площадь поперечного сечения минимальна, магнитная проводимость цепочки резко снижается, и часть силовых линий магнитного поля замыкается по воздуху, создавая участки с повышенной напряженностью поля, в которых присоединяются соседние частицы, увеличивая магнитную проводимость. Этот процесс происходит до того момента, когда достигается равновесное эффективное сечение, зависящее от свойств частиц и напряженности поля.

Исследованиями было доказано, что при изменении длины флоккулы от 0,5 до 5 мм, удли­ненность флокулы λ изменяется приблизительно от 1,5 до 2,2. Таким образом, наиболее оптимальной формой минеральных частиц можно считать форму эллипсоида. Установлено, что сила осевого сжатия для такого эллипсоида можно рассчитывать по формуле:

(9.10)

Исходя из формул (9.9) и (9.10) можно убедиться в том, что при значительном увеличении длины флокулы сила осевого сжатия стремится к нулю, из-за роста коэффициента размагничивания N. Следовательно, длина флоккулы всегда есть величина конечная, и ее предел обусловлен наличием разрушающих сил (сил трения, тяжести и др.).

Длину флоккулы в однородном магнитном поле удобнее оценивать из энергетических соображений, используя выражение потенциальной энергии флоккулы:

, (9.11)

из которого следует, что при N → 0 (бесконечное удлонение), потенциальная энергия стремится к постоянной величине и рост флоккулы прекращается.

Магнитная флокуляция в неоднородных полях.В практике магнитной сепарации наиболее часто употребляют экспонен­циальные, а в ряде случаев изодинамические магнитные поля. Например, для открытой магнитной системы с чередующейся по­лярностью в случае барабанного сепаратора радиальная состав­ляющая напряженности поля описана формулой Сочнева:

(9.12)

где с - коэффициент неоднородности поля; х — радиальное расстояние от поверхности барабана.

Выражение для силы осевого сжатия во флокуле при N = f(а) можно записать таким образом:

(9.13)

Анализируя данное выражение, можно видеть, что длина флокулы в этом случае будет значительно короче, чем в одно­родном поле, так как с увеличением длины сила осевого сжатия падает гораздо быстрее.

Аналогичное выражение можно получить для изодинамического поля, подставляя в формулу

соответствующее ему значение градиента напряженности поля.

При расчете усилий осевого сжатия во флокуле в неодно­родном поле необходимо учитывать пондеромоторное действие поля. Магнитная сила FM распределена экспоненциально вдоль оси флокулы и составляет

.

Средняя величина этой силы при нахождении флокулы на расстоянии у от поверхности барабана равна:

(9.14)

Условием статического равновесия в каждом сечении фло­кулы при нахождении ее на поверхности барабана будет:

(9.15)

где Р — реакция опоры барабана.

В процессе центробежной сепарации роль силы Р выполня­ет центробежная сила, которая распределена равномерно по объему, поэтому флокула в радиальном положении имеет яйце­видную форму.

Если предположить, что сила осевого сжатия постоянна, будучи равной определенному значению разрушающей силы, то можно найти зависимость длины флокулы от напряженно­сти поля. Используя формулу:

,

получим

(9.16)

Эта формула, как и формула (9.14), полностью справедлива только в определенном диапазоне длины, но принципиальный характер ее сохраняется для всей кривой. Если учесть, что μ и тоже являются функциями напряженности, то можно пред­сказать общий характер кривой. Вначале с увеличением напря­женности резко возрастает Foc до значения, равного разруша­ющей силе, а затем, при дальнейшем росте Н, длина флокулы уменьшается.

Более общим и в тоже время более строгими являются электродинамический и магнитно-гидродинамический подхо­ды, рассматривающие всю область флокулы как единую систе­му. В этом случае помимо максвелловских натяжений на флокулу, плотность, которой выше плотности суспензии, будут дей­ствовать и стрикционные натяжения Гельмгольца, вызывающие во флокуле давление, сжимающее ее с бо­ков и вытягивающее в направлении магнитного поля.

При намагничивании суспензии слабым однородным по­лем, когда тяговое усилие не вызывает движения (равнодейст­вующая равна нулю), а растягивает флокулу, стрикционные на­тяжения будут сжимать ферромагнитную фазу подобно гидро­статическому давлению к центру флокулы.

Экспериментальные наблюдения процессов флокуляции в различных условиях подтвердили предположение — при нало­жении механических вибраций или ультразвука флокулы уп­лотняются гораздо больше. Процессы «лавинной» флокуляции при FM > Fмex также сопровождаются большим механическим захватом немагнитных зерен, на которые действует выталкивающая «архимедова» сила, возникающая за счет сил магнит­ного сжатия флокулы. Поэтому по­тенциальная магнитостатическая энергия при флокуляции может быть использована для очистки флокулы от немагнит­ных примесей.

Эффективно использовать магнитостатическую энергию для получения высококачественного концентрата из, например, магнетитовых флокул можно только при уменьшении сил трения между час­тицами магнетита за счет применения поверхностно активных веществ (ПАВ) или механических колебаний флокулы. Этот путь связан с несколько повышен­ными энергозатратами и стоимостью процесса, но они оправ­дываются повышением качества концентратов.

Известно, что основные параметры процесса флокуляции и свойства образованных флокул определяют весь ход процесса сепарации в рабочих пространствах сепараторов и его резуль­таты, поэтому необходимо установить между ними связь.

Наиболее действенным инструментом изучения динамики и кинетики процесса флокуляции остается параметрический ана­лиз на основе экспериментальных и теоретических исследова­ний.

Рядом авторов с использованием различных методик экспериментально изучалась зависимость степени флокуляции суспензии ψ от напряженности намагни­чивающего поля Hе (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Зависимость степени флокуля­ции частиц минерала-ферромагнетика от напряженности поля (сплошная линия — быстрое намагничивание, пунктирная — медленное).

Флокуляция: I — равновесная, II — лавинная, III — по закону действующих масс

 

На участке I, который соответствует равновесной части процесса, степень флокуляции пропорциональна магнитной силе Fм. В этой зоне магнитная сила меньше гидромеханической силы - , что обусловливает равновесный характер процесса. Так как FM пропорциональна H2, то

.

При Hкр (участок II) за счет того, что FM становится больше FГМ, устойчивость суспензии теряется и происходит свертывание инфлюэнтных объемов суспензии вокруг центров кристаллиза­ции. Однако после резкого увеличения ψ на величину Δψ про­цесс флокулообразования снова замедляется. Это вызвано зна­чительным снижением концентрации ферромагнитной фазы в пульпе, что увеличивает расстояние между частицами (R > Rкp). После этого этапа в пульпе остаются флокулы, размер которых соответствует объему ферромагнитной фазы в инфлюэнтной зо­не, и несфлокулированные частицы ферромагнитной фазы, ока­завшиеся за пределами инфлюэнтных зон «сработавших» цен­тров флокуляции. В процессе магнитной сепарации образовав­шиеся флокулы притягиваются к барабану или оседают в про­цессе флокуляции, но, так или иначе, уходят из суспензии.

В суспензии остаются только несфлокулировавшиеея части­цы, концентрация которых настолько мала, что флокуляция при Н = const практически приостанавливается, т. е.

.

Далее, с ростом Н (участок III) процесс флокуляции подчи­няется закону «сложных процентов», т. е. масса сфлокулированного при данной напряженности материала пропорциональна массе его в этот момент в пульпе (γ) и коэффициенту k, завися­щему от магнитных свойств, крупности, физико-химических свойств поверхности и др.:

откуда

следовательно,

.

Значение С находим из начальных условий ( )

.

Степень флокуляции обычно определяют как отношение сфлокулированных частиц к общему содержанию твердого в суспензии, т. е.:

так как , то следовательно,

На кривой эта область соответствует участку III.

Обобщая изложенное, можно представить зависимость в виде ступенчатой, кусочно-гладкой функции

(9.17)

где k1, k2. — коэффициенты, зависящие от концентрации флокул в пульпе, удельной магнитной восприимчивости, числа Рейнольдса; H0 — начальная напряженность магнитного поля, вы­зывающая равновесную флокуляцию; — прирост степени флокуляции при лавинной флокуляции; ψ2— степень флокуляции к моменту прекращения лавинного флокулообразования ; Нх — напряженность поля, позволяющая завершить процесс флокуляции ; Hкр — критическая напряженность поля, вызывающая лавинную флокуляцию.


ЛЕКЦИЯ 10. МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ ФЛОКУЛ ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПО­ЛЕМ И УПРАВЛЕНИЕ МАГНИТНОЙ ФЛОКУЛЯЦИЕЙ В ПРОЦЕССАХ ОБОГАЩЕНИЯ

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.