Теоретические основы процессов магнитной сепарации

Магнитные методы обогащения широко применяются в практике переработки руд, в состав которых входят магнитные минералы. Это относится прежде всего к железным и марганцевым рудам, для которых магнитные методы являются основными . Кроме того эти методы применяются при доводке коллективных концентратов, содержащих редкометальные магнитные минералы, как ильменит, монацит, франклинит и др., а также при разделении, например вольфрамо-оловянных концентратов, в которых магнитным минералом является вольфрамит, а немагнитным – касситерит.

Разделение минералов осуществляется в магнитном поле, которое образуется вокруг постоянных магнитов или вокруг проводников с электрическим током. Такое магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции В, которая является силовой характеристикой магнитного поля и которая определяет: силу, действующую в точке поля на движущейся электрический заряд; действие магнитного поля на тела, имеющие магнитный момент. Индукция магнитного поля – величина векторная, численно равная силе, с которой магнитное поле действует на единичный элемент тока , направленной перпендикулярно полю. За единицу магнитной индукции в системе СИ принята индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1А действует максимальная сила Ампера 1 Н. Эта единица называется тесла ( Тл) и равна

1 Тл =

Магнитное поле, созданное токами проводимости и не зависящее от магнитных свойств вещества, характеризуется вектором напряженности магнитного поля. В вакууме напряженность магнитного поля совпадает с магнитной индукцией В.

H = B - 4π J ( в системе единиц СГСМ) или H = (B/μ₀) – J ( в системе единиц СИ), где J – намагниченность вещества ( магнитный момент единицы его объема), μ₀ – магнитная постоянная, равная 4 π · 10^-7 гн/м или 1,26 · 10^-6 гн/м.

Напряженность магнитного поля не зависит от свойств среды, а определяется только силой тока и формой проводника.

Отношение μ= В/μ₀ Н , определяющее магнитные свойства вещества, называемое магнитной проницаемостью. Численное значение ее выражается в относительных единицах по отношению к абсолютному значению магнитной проницаемости вакуума μ₀. Величина μ = μ'/μ₀ , где μ' = В/Н называется относительной магнитной проницаемостью. Она не зависит от системы единиц.В зависимости от величины μ вещества делят на диамагнетики ( μ<1), парамагнетики (μ >1) и ферромагнетики( μ >> 1).

Диамагнетики- это вещества, магнитные моменты атомов которых в отсутствии внешнего поля равны нулю, т.к. магнитные моменты всех электронов атомов скомпенсированы При внесении диамагнетика в магнитное поле его атомы приобретают наведенные магнитные моменты, направленные противоположно направлению внешнего магнитного поля. Вектор намагниченности диамагнетика равен J = H · , где χ – магнитная восприимчивость среды. Для всех диамагнетиков χ< 0 и составляет 10^-6…10^-5.

Парамагнетикинамагничиваются в направлении внешнего магнитного поля и поэтому к действию внешнего поля прибавляется действие наведенного внутреннего поля. Если исключить внешнее поле, парамагнетики возвращаются в ненамагниченное состояние. Магнитная восприимчивость у диамагнетиков находится в пределах 10^-5…10^-3.

Ферромагнетики обладают сильными магнитными свойствами. Прежде всего это такие металлы, как железо, кобальт и никель. Эти вещества способны сохранять магнитные свойства и в отсутствии внешнего магнитного поля, представляя собой постоянные магниты. В ферромагнитных веществах величина χ может иметь очень большие значения – до 10⁴…10⁶.

Магнитная проницаемость является одним из основных магнитных свойств тел. Она характеризует способность их пропускать магнитные силовые линии, как бы концентрируя их в себе при внесении тела в магнитное поле. Тело, обладающее магнитной проницаемостью в магнитном поле, само намагничивается, т.е. становится магнитом, и вступает во взаимодействие с полюсами основного магниты, в поле которого оно было помещено. Например, железо, магнетит, гематит и некоторые другие металлы и минералы, обладающие высокой магнитной проницаемостью, легко притягиваются полюсами магнита, тогда как кварц, кальцит и гипс, имеющие небольшую магнитную проницаемость, магнитные силы не оказывают действия.

Все вещества в той или иной мере взаимодействуют с магнитным полем, у некоторых материалов магнитные свойства сохраняются и в отсутствие внешнего магнитного поля, намагничивание материалов происходит за счет токов, циркулирующих внутри атомов – вращения электронов и движения их в атоме.

В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов вещества ориентированы обычно беспорядочно, так что создаваемые ими магнитные поля компенсируют друг друга. При наложении внешнего магнитного поля атомы стремятся сориентироваться своими магнитными моментами по направлению внешнего магнитного поля, и тогда компенсация магнитных моментов нарушается, тело приобретает магнитные свойства – намагничивается. Большинство тел намагничивается очень слабо и величина индукции магнитного поля В в таких веществах мало отличается от величины индукции магнитного поля в вакууме В₀.

Ферромагнитные вещества обладают очень высокими максимальными проницаемостями, например, для железа она составляет 5000. В таким материалах при сравнительно малых напряженностях поля Н возникают большие индукции В, но связь между этими величинами нелинейна из-за явления насыщения и гистерезиса, которое заключается в неоднозначной зависимости индукции в веществе от индукции внешнего магнитного поля при его изменении.

Одним из основных магнитных свойств тел является магнитная восприимчивость – физическая величина , характеризующая связь между намагниченностью ( магнитным моментом) вещества и магнитным полем в этом веществе. Объемная магнитная восприимчивость равна отношению намагниченности единицы объема вещества J к напряженности Н намагничивающего магнитного поля, т.е. χ = J / H. Магнитная восприимчивость величина безразмерная. Рассчитанная на единицу массы вещества она называется удельной магнитной восприимчивостью, т.е. χ _уд. = χ / ρ, где ρ- плотность вещества. Магнитная восприимчивость может быть как положительной, так и отрицательной. Отрицательной магнитной восприимчивостью облаждают диамагнетики, т.к. они намагничиваются не по направлению поля, а против. У парамагнетиков и ферромагнетиков магнитная восприимчивость положительная, т.к. они намагничиваются по направлению внешнего поля.

По технологической классификации все минералы в зависимости от величины удельной магнитной восприимчивости принято делить на три группы:

Немагнитные ( парамагнитные) минералы, обладающие удельной магнитной восприимчивостью менее 1,26 · 10 ^-7 м³/ кг и диамагнитные минералы, которых удельная магнитная восприимчивость менее );

Слабомагнитные или парамагнитные минералы с величиной удельной магнитной восприимчивостью от 7,5 ·10^-6 до 1,26 ·10^-7 м³/ кг;

Сильномагнитные или ферромагнитные с величиной удельной магнитной восприимчивости более 3,8 · 10^-5 м³/ кг. Ферромагнитными свойствами обладают четыре элемента : железо, никель, кобальт и гадолиний.

Как видно из табл. 52, подавляющая часть сильномагнитных и слабомагнитных минералов связана с железом, это или основные железные минералы – магнетит, гематит, лимонит, сидерит или минералы, в которых присутствует железо или марганец– ильменит, вольфрамит и др.

Таблица 52. Классификация минералов по удельной магнитной восприимчивости χ, 10^-8 м³/кг

Магнитные свойства минералов не являются постоянными физическими величинами. Они изменяются в зависимости от напряженности магнитного поля, температуры, крупности измельчения, формы частиц, влажности, особенности кристаллической решетки, наличия изоморфных примесей и дефектов.

Магнитное поле, в котором происходит процесс разделения, может быть однородным, когда напряженность в любой точке поля постоянная по величине и направлению. При этом градиент напряженности grad H, представляет собой производную в направлении наибольшего возрастания Н. На магнитный минерал, помещенный в такое поле, действует вращающий момент, которое приведет его в положение, параллельное линиям поля ( рис. 118).

Рис. 118. Однородное ( а) и неоднородное ( б) магнитное поле

В неоднородном поле, в котором grad > 0, кроме вращающего момента, магнитные минералы испытывают силу F, которая перемещает их в направлении градиента поля, т.е. в направлении более интенсивных участков поля. Наличие этой силы обуславливает отделение магнитных частиц от немагнитных при перемещении их через магнитное поле.

Аппараты, в которых производится отделение магнитных частиц от немагнитных, называются магнитными сепараторами. В магнитных сепараторах применяется только неоднородное магнитное поле, создаваемое соответствующей формой полюсов, от которой зависит напряженность магнитного поля и магнитная сила.

Напряженность магнитного поля, создаваемая элементом тока iΔl в системе СИ равна

(92)

Где α – угол между iΔl и r,

r – расстояние от элемента тока до точки, в которой определяется напряженность.

Это соотношение называется законом Био- Савара. Единицей напраяженности магнитного поля в системе СИ является ампер на метр ( А/м). 1 А/м – напряженность магнитного поля, создаваемого прямолинейным бесконечно длинным проводником с током 4 А на расстоянии 2 м от него. В системе СГСМ напряженность магнитного поля измеряется в эрстедах. Соотношение этих величин равно 1 А/м = 4π · 10^-3 Э.

Магнитная сила, действующая на частицы минералов в магнитном поле, равна потенциальной энергии, которую приобретает частица при намагничивании, т.е.

F_m = μ₀ JV gradH (93)

где μ₀ – магнитная проницатемость в вакууме, равная 4π 10^-7, Гн/м;

J – удельная магнитная восприимчивость;

V – объем частицы;