Магнитное обогащение

Магнитное обогащение — это совокупность методов и процессов разделения минералов и других материалов, основанных на различии их магнитных свойств (магнитной восприимчивости). Является одним из основных методов обогащения полезных ископаемых, применяется для извлечения сильномагнитных (ферромагнитных) и слабомагнитных (парамагнитных) компонентов из руд и техногенного сырья, а также для удаления магнитных примесей из немагнитных (диамагнитных) продуктов.

Физические основы метода

Магнитное обогащение основано на взаимодействии частиц материала с неоднородным магнитным полем. При помещении частицы в такое поле на неё действуют две основные силы: магнитная сила, стремящаяся переместить частицу в область с большей напряжённостью поля, и конкурирующие силы (гравитационные, центробежные, силы трения и гидродинамического сопротивления). Результирующее движение частицы зависит от соотношения этих сил.

Магнитные свойства веществ количественно характеризуются магнитной восприимчивостью (χ). По величине магнитной восприимчивости все материалы делятся на три основные группы:

• Ферромагнетики (χ >> 0, до 10⁶): обладают высокой магнитной восприимчивостью, способны сильно намагничиваться и сохранять остаточную намагниченность. К ним относятся железо, никель, кобальт, магнетит (Fe₃O₄), ферриты.
• Парамагнетики (χ > 0, но мала, порядка 10⁻⁶–10⁻³): слабо притягиваются магнитом, намагничиваются только в присутствии внешнего поля. Примеры: гематит (Fe₂O₃), ильменит (FeTiO₃), хромит (FeCr₂O₄), пирротин (Fe₁₋ₓS), вольфрамит, сидерит.
• Диамагнетики (χ < 0, порядка 10⁻⁶): отталкиваются от магнита, намагничиваются против направления поля. Примеры: кварц, полевой шпат, кальцит, графит, вода, большинство органических веществ.

Для разделения частиц с разной магнитной восприимчивостью используется неоднородное магнитное поле. Чем выше градиент напряжённости поля, тем больше магнитная сила, действующая на частицу. В современных сепараторах напряжённость поля может достигать 2 Тл и более, а градиент — десятков тысяч Тл/м.

История развития

Первые упоминания об использовании магнита для извлечения железных частиц относятся к древним временам. Однако промышленное применение магнитного обогащения началось в XIX веке. В 1850-х годах в США и Европе были запатентованы первые магнитные сепараторы для очистки зерна и руды.

Значительный прогресс произошёл в начале XX века, когда были разработаны барабанные сепараторы с постоянными магнитами и электромагнитами. В 1920-1930-х годах магнитное обогащение стало широко применяться для обогащения железных руд (магнетитовых кварцитов) в СССР, США, Швеции.

Во второй половине XX века, с развитием технологии высокоэнергетических постоянных магнитов (самарий-кобальт, неодим-железо-бор) и сверхпроводящих магнитов, стало возможным создание мощных и компактных сепараторов, способных эффективно извлекать слабомагнитные минералы. Это расширило область применения метода на обогащение гематитовых, ильменитовых, хромитовых и других руд.

Классификация методов и оборудования

Методы магнитного обогащения классифицируются по нескольким признакам.

По типу магнитного поля

• Слабопольное обогащение (слабое магнитное поле, H < 120 кА/м): используется для извлечения сильномагнитных (ферромагнитных) материалов, таких как магнетит, пирротин, ферросилиций. Применяются сепараторы с постоянными магнитами или электромагнитами с низкой напряжённостью поля.
• Сильнопольное обогащение (сильное магнитное поле, H > 120 кА/м): применяется для извлечения слабомагнитных (парамагнитных) материалов. Используются электромагнитные сепараторы с высоким градиентом поля, часто с ферромагнитными матрицами (сетки, шары, иглы), создающими локальные неоднородности поля.

По среде, в которой происходит разделение

• Сухое магнитное обогащение (в воздушной среде): применяется для крупнокускового материала (обычно > 1-3 мм) или для материалов, не допускающих увлажнения (например, огнеупорное сырьё, абразивы).
• Мокрое магнитное обогащение (в водной среде): наиболее распространённый метод для тонкоизмельчённых руд (< 1 мм). Пульпа (смесь руды и воды) подаётся в сепаратор, что позволяет эффективно разделять мелкие частицы и снижает пылеобразование.

По конструктивному исполнению

Основные типы магнитных сепараторов:

• Барабанные сепараторы: наиболее распространённый тип для мокрого и сухого обогащения. Магнитная система (постоянные магниты или электромагниты) расположена внутри вращающегося барабана. Пульпа или сухой материал подаётся на поверхность барабана; магнитные частицы притягиваются и выносятся из зоны разделения, а немагнитные смываются или ссыпаются.
• Валковые сепараторы: используются для сухого обогащения мелкозернистых материалов. Материал подаётся на вращающиеся валки с магнитной системой. Магнитные частицы удерживаются на валке и переносятся в приёмник, а немагнитные отбрасываются центробежной силой.
• Ленточные (шкивные) сепараторы: магнитная система встроена в приводной барабан конвейерной ленты. Материал, движущийся по ленте, разделяется: магнитные частицы притягиваются к барабану и падают под ним, а немагнитные сбрасываются с ленты дальше.
• Высокоградиентные сепараторы (HGMS): содержат ферромагнитную матрицу (например, стальную вату или сетку), помещённую в сильное магнитное поле. Пульпа проходит через матрицу, слабомагнитные частицы задерживаются на её элементах, а немагнитные проходят сквозь. После насыщения матрицы магнитное поле отключается, и уловленные частицы вымываются.
• Сверхпроводящие сепараторы: используют сверхпроводящие магниты для создания экстремально сильных и однородных полей (до 5-10 Тл). Позволяют извлекать очень слабомагнитные частицы (например, пигменты, глины) и работать с высокой производительностью.

Технологические схемы

Магнитное обогащение редко применяется как единственный метод. Обычно оно входит в состав комбинированных схем, включающих дробление, измельчение, грохочение, классификацию, гравитационное или флотационное обогащение.

Типичная схема обогащения магнетитовых кварцитов включает:

1. Многостадийное дробление и измельчение руды до крупности, обеспечивающей раскрытие зёрен магнетита (обычно 0,07-0,1 мм).
2. Мокрое магнитное обогащение на барабанных сепараторах (слабопольное) для получения чернового концентрата.
3. Дешламацию (удаление тонких шламов) и классификацию.
4. Доводочные операции (магнитная сепарация, иногда флотация или гравитация) для повышения качества концентрата до требуемого содержания железа (обычно 65-70%).

Для слабомагнитных руд (гематитовых, ильменитовых) часто применяют сильнопольную магнитную сепарацию, иногда в сочетании с гравитационными методами или флотацией.

Применение

Магнитное обогащение широко используется в различных отраслях промышленности:

• Горнорудная промышленность: обогащение железных руд (магнетитовых, гематитовых, мартитовых), марганцевых руд, хромовых руд, вольфрамовых и молибденовых руд, редкоземельных элементов.
• Чёрная и цветная металлургия: переработка шлаков, окалины, пылей, содержащих железо, никель, кобальт.
• Угольная промышленность: удаление пирита (FeS₂) и других магнитных примесей из угля, регенерация ферромагнитных суспензий (ферросилиция) в процессах гравитационного обогащения.
• Строительная индустрия: очистка кварцевого песка, полевого шпата, каолина, известняка от оксидов железа, придающих нежелательную окраску.
• Химическая и пищевая промышленность: удаление металлических частиц (износ оборудования) из порошков, гранул, жидкостей (например, в производстве катализаторов, пигментов, муки, сахара).
• Экология и переработка отходов: извлечение чёрных металлов из твёрдых коммунальных отходов, золы ТЭЦ, шлаков металлургических заводов, очистка сточных вод.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая селективность разделения по магнитным свойствам.
• Относительно низкие эксплуатационные затраты (отсутствие реагентов, простота обслуживания).
• Экологическая чистота (не используются химические реагенты, процесс ведётся в водной или воздушной среде).
• Возможность автоматизации и высокой производительности.
• Эффективность для широкого диапазона крупности частиц (от десятков миллиметров до единиц микрон).

Недостатки:

• Ограниченная применимость — разделение возможно только для материалов, различающихся по магнитной восприимчивости.
• Необходимость предварительной подготовки материала (дробление, измельчение, классификация) для обеспечения раскрытия зёрен и оптимальной крупности.
• Высокая стоимость мощных магнитных систем (особенно сверхпроводящих) и их энергопотребление.
• Чувствительность к содержанию влаги и налипанию материала (особенно при сухом обогащении).
• Затруднено обогащение тонкодисперсных частиц (менее 10-20 мкм) из-за преобладания гидродинамических и адгезионных сил.

Источники

1. Кармазин В.В., Кармазин В.И. Магнитные, электрические и специальные методы обогащения полезных ископаемых. — М.: Недра, 1988.
2. Богданов О.С., Тихонов О.Н. Обогащение полезных ископаемых. — М.: Недра, 1986.
3. Справочник по обогащению руд. В 4 т. / Под ред. О.С. Богданова. — М.: Недра, 1982-1984.
4. Wills B.A., Napier-Munn T.J. Wills' Mineral Processing Technology. — 7th ed. — Elsevier, 2006.
5. Svoboda J. Magnetic Techniques for the Treatment of Materials. — Kluwer Academic Publishers, 2004.
6. ГОСТ 25006-81. Оборудование обогатительное. Термины и определения.