DE2401026A1

DE2401026A1 - Verfahren zur magnetscheidung schwach magnetisierbarer stoffe

Info

Publication number: DE2401026A1
Application number: DE19742401026
Authority: DE
Inventors: Karl-Juergen Greve
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1973-12-07
Filing date: 1974-01-10
Publication date: 1975-06-12
Also published as: IT1026793B; CH565594A5; FR2253567A1; FR2253567B3

Description

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Verfahren zur Magnetscheidung schwach magnetisierbarer Stoffe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Magnetabscheidung schwach magnetisierbarer Stoffe, bei dem das Aufgabegut mit den abzuscheidenden Bestandteilen nach geeigneten Aufbereitungsmassnahmen - wie Mahlen, Trocknen, Sieben, Vorscheidung dem Magnetscheider zugeführt wird, wonach die magnetisierbaren Bestandteile des Aufgabegutes, die einen gewissen Schwellwert der Magnetisierbarkeit überschreiten, unter der Einwirkung des Magnetfeldes so weit abgelenkt werden, dass sie in besondere, zur Aufnahme dieser Bestandteile dienende Auffangbehälter gelangen, während alle übrigen Stoffe und namentlich, die nicht magnetisierbaren Anteile des Aufgabegutes ohne wesentliche Beeinflussung durch das Magnetfeld in andere, dafür vorgesehene Behälter gelangen« .

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Alle bisher gebauten Magnetscheider besitzen als aktiven Teil besonders geformte Pole aus ferromagnetischen Materialien, die entweder als Dauermagnetwerkstoffe ausgelegt sind oder in herkömmlicher Art mittels normalleitender, stromdurchflossener Wicklungen erregt und magnetisiert werden. Im Scheider wird das Aufgabegut, das diesem entweder in trockener oder in nasser, aufgeschlemmter Form zugeführt wird, zwischen meist engen Luftspalten an den Polen vorbeigeführt, die oft durch eine Trennschicht aus unmagnetischem Material abgedeckt sind. Die magnetisierbaren Bestandteile des Aufgabegutes werden von den Magnetpolen angezogen und an diese oder an die unmagnetische Trennschicht angelagert, soweit diese Bestandteile einen gewissen Schwellwert der Magnetisierbarkeit überschreiten. Das heisst, es werden die Bestandteile an die Pole angelagert, deren materialeigene spezifische Massensuszeptibilitäten grössere Werte aufweisen als diejenigen, für welche der jeweilige Scheidertyp ausgelegt bzw. eingestellt ist. Alle übrigen Stoffe gelangen unbeeinflusst in dafür vorgesehene Auffangbehälter. Das an den Magnetpolen bzw. an der Trennschicht haftende, angezogene Gut wird nun auf verschiedene Weise von diesen getrennt, um dann von weiteren Auffangbehältern aufgenommen zu werden: zum Beispiel dreht sich der Magnetpol unter der Trennschicht hinweg, oder die Trennschicht bewegt sich vom Magnetpol fort, das anhaftende Gut kann aber auch mechanisch abgestreift oder durch Druckwasser fortgespült

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werden.

Vereinfacht gesagt, erhält man also im Ergebnis dieser Scheidung aus dem ursprünglichen Aufgabegemisch einen Behälter mit dem magnetisch unbeeinflussten Material, einen weiteren Behälter mit dem magnetisch abgeschiedenen Material, in welchem sich unterschiedslos alle Stoffe mit gleichen und höheren Massensuszeptihilitäten als dem entsprechenden Grenzwert des Scheiders befinden, sowie in der Praxis meist noch einen dritten Behälter mit einem Mischprodukt aus Materialien der beiden ersten Behälter.

Der untere Grenzwert von Massensuszeptibilitäten, mit denen konventionelle Magnetscheider betrieben werden können, liegt

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etwa bei 10 kg/m . Die Materialien, um die es sich bei dieser Magnetscheidung handelt, haben überwiegend paramagnetische, seltener diamagnetische Eigenschaften (ferromagnetische Anteile werden in einer Vorscheidung ausgesondert). Um eine Kraftwirkung auf paramagnetische Stoffe zu erzielen, müssen diese in ein inhomogenes Magnetfeld eingebracht werden. Zudem muss die magnetische Feldstärke dieses Feldes örtlich hoch sein. Die magnetische Feldstärke magnetisiert das paramagnetische Stoffteilchen und richtet es im Magnetfeld in Richtung der Feldlinien aus, während die örtliche Feldstärkeänderung (der Feldgradient) eine von der Intensität der Ma-

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gnefisierung des Teilchens abhängige Kraftwirkung auf das Teilchen ausübt, welches die Tendenz zeigt, sich in Richtung höherer Feldstärken zu bewegen. Die Magnetisierbarkeit eines Stoffes drückt sich durch seine eigene Massensuszeptibilität aus, während die Intensität der Magnetisierung von der äusseren Feldstärke abhängt, so dass die Kraftwirkung auf das Teilchen dem Produkt aus Feldstärke und örtlicher Feldstärkeänderung in Richtung der Kraftwirkung proportional ist.

In jüngster Zeit zeigt sich nun ein vermehrtes Interesse an seltenen Mineralien mit noch kleineren Massensuszeptibilitäten

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als 10 kg/m und damit das Bedürfnis, diese äusserst schwach magnetisierbaren seltenen Mineralien ebenfalls mittels Magnetscheidung wirtschaftlich zu gewinnen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren derart zu verbessern und apparativ zu ergänzen, dass dem besagten Bedürfnis in beträchtlichem Masse Rechnung getragen wird. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei dem einleitend charakterisierten Verfahren zur Magnetscheidung sclwach magnetisierbarer Stoffe das Magnetfeld zwecks Erhöhung der Feldstärke im Luftspalt von supraleitenden Spulen erzeugt wird, dass zur Verwirklichung einer der Erhöhung der Kraftwirkung auf schwach magnetisierbar Stoffe dienenden, eine Feldgradientenbildung' einschliessenden, gezielten Inhomogenisierung des Feldes eine räumliche Konfiguration und elektrische

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ORIGINAL JNSPECTED

Zusammenschaltung mehrerer Spulen zu Multipolanordnungen vorgenommen wird und dass zur weiteren Verstärkung der örtlichen Kraftwirkung den Multipolfeldern ein praktisch homogenes Magnetfeld überlagert wird.

Gemäss einer Ausbildung der Erfindung werden zur Verwirklichung der Multipolanordnungen mehrere supraleitende Spulen symmetrisch zur Durchflussachse derart angeordnet, dass der Feldgradient senkrecht zur Bewegungsrichtung orientiert ist. Somit entsteht durch die elektrische Zusammenschaltung der Spulen ein zur Durchflussachse bezüglich des Absolutbetrages der magnetischen Flussdichte rotationssymmetrisches Feld mit vorteilhafter radialer Kraftwirkung auf die Teilchen.

Gemäss einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird zur Erzeugung des praktisch homogenen magnetischen Ueberlagerungsfeldes ein in Längsrichtung um die Spulen herumgewickeltes Solenoid verwendet. Dadurch wird in günstiger Weise das allgemeine Feldniveau erhöht und namentlich die charakteristische und für die Teilchenscheidung paramagn.eiischer Teilchen nach-., teilige Eigenschaft der Multipolfeider, dass die Feldstärke auf der Achse. Null ist, eliminiert.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor-, dass dem Magnetscheidesystem eingangsseitig eine solenoidförmige Vormagnetisierungsspule vorgeschaltet wird; dadurch wird in

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vorteilhafter Weise eine zeitliche Vormagnetisierung und Ausrichtung der magnetisierbaren Anteile des Aufgabegutes erreicht. Zudem kahn diese Spule die Verlängerung des für die homogene Feldüberlagerung benutzten Solenoides sein, also mit diesem Solenoid eine Einheit, bilden.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine Anordnung der supraleitenden Magnetscheiderspulen, wie sie im Sinne der Erfindung verwendbar ist. Als Beispiel wurde ein quadratischer Quadrupol gewählt; es kommen naturgemäss aber auch andere Ausführungsformen für die erfindungsgemässe Magnetscheidung in Betracht, so vor allem eine Sextupolanordnung (die sechs Haupterregerspulen sind dann im Sechseck um die Achse angeordnet). In beiden Fällen (Quadrupol bzw. Sextupol) kann der prismatische Trägerkörper 4 (Fig. 1,2,3) mit Vorteil durch einen zylinderförmigen Körper, d.h. ein Rohr, ersetzt werden.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt (Draufsicht) eine Magnetscheider-Spulenanordnung im Sinne der Erfindung in quadratischer Quadrupolform; die Hauptspulen la - Id weisen hier beidseitig abgekröpfte Stirnverbindungen auf. In Fig. 2 weisen die Hauptspulen la - Id beidseitig einfach gebogene Stirnverbindungen auf; im übrigen besteht Uebereinstimmung mit Fig. 1. Fig. 3 zeigt e.inen Längsschnitt (Profil) der Fig. 2.

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Die" Bezugsziffern bedeuten:

la - Id die Haupterregerspulen mit ihren Stromrichtungen,
die das .(in diesem Falle Quadrupol-) Feld erzeugen

2 die nutzbare Oeffnungsweite der Anlage

3 die innere Kryostatwand

4 den inneren Spulenstützkörper

5 den mittleren Spulenstützkörper

6 das äussere Solenoid, welches das erwähnte homogene Ueberlagerungsfeld erzeugt

6a die der zeitlichen Vormagnetisierung und Ausrichtung der magnetisierbaren Anteile des Aufgabegutes dienende solenoidförmige Vormagnetiserungsspule

7 den äusseren Spulenstützring

8 die äussere Kryostatwand

Die verbleibenden Zwischenräume zwischen innerer und äusserer Kryostatwand sind zwecks Herstellung der Supraleitungs-Temperatur mit flüssigem Helium angefüllt.

Beim erfindungsgemässen Magnetscheideverfahren gibt es praktisch keinen unteren Schwellwert der Massensuszeptibilitäten mehr, so dass, auch die Kraftwirkung auf äusserst schwach
magnetisierbare Stoffe ausgangsseitig zur Unterscheidung von

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nichtmagnetisierbaren Stoffen genügt. Dies gilt um so mehr, je länger der Weg ist, längs dessen Verlauf das Teilchen unter der Kraftwirkung des Feldes steht, da sich die Kraftwirkungen (und somit die Auslenkungen) pro Längeneinheit des Weges summieren. Durch passende Längenbemessung des aktiven Teiles des Scheiders lässt sich also das Spektrum der abzuscheidenden Stoffe variieren und insbesondere auch nach unten verschieben.

Das mit den erfindungsgemäss vorgeschlagenen Massnahmen erzeugte Feld kann im Falle des Quadrupels folgendermassen beschrieben werden:

Es wird ein rechtsorientiertes kartesisches Koordinatensystem mit den Achsen X, Y und Z eingeführt. Für den praktischen Gebrauch ist das Koordinatensystem so orientiert, dass ein Querschnitt des Magnetscheider parallel zur X-Y-Ebene liegt, die. Längsachse des Magnetscheider mit der Z-Achse zusammenfällt und dass die positive Z-Achse in Richtung der Verlängerung der Strecke Erdmittelpunkt-Koordinatenursprung zeigt.

Als aktiven Teil des Magnetscheiders verwendet man also z.B. einen mit supraleitenden Spulen ausgestatteten, eisenlosen Quadrupol (eisenlos insofern, als keine mit besonderen feldformenden Konturen versehene Eisenstücke verwendet werden, dagegen eine Eisenabschirmung des Systems nach aussen hin vorgesehen werden kann). Beim Quadrupol hat das Feld innerhalb der

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nutzbaren Oeffnungsweite bekanntlich folgende Form, betrachtet in einem Querschnitt (z.B. in der Mitte) des Quadrupols: In einem um 45° gegen die alte X-Achse verdrehten Koordinatensystem X¹-Y¹-Z bilden die Feldlinien eine Schar gleichseitiger,

konjugierter Hyperbeln der Form y¹ = - ⁿ^ ^{a a}l^s ?^ara-

2x' meter. Die Vektoren der magnetischen Flussdichte sind Tangenten dieser Feldlinien und liegen in der zur X-Y-Ebene parallelen Schnittebene. Der Betrag der magnetischen Flussdichte nimmt linear mit dem Abstand von der Längsachse des Quadrupols (Z-Achse) zu, ist also proportional dem Radius: B = G · R. Der Proportionalitätsfaktor G = -jrr ist der Gradient des Feldes (örtliche Feldänderung) und dient als Mass für die Inhomogenität des Feldes. Er ist innerhalb der nutzbaren Oeffnungsweite konstant. Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung wird diesem Quadrupol nun ein praktisch homogenes, relativ schwaches Magnetfeld überlagert, erzeugt durch ein in Längsrichtung des Quadrupols um diesen herumgewickeltes supraleitendes Solenoid. Dieses Solenoidfeld ist senkrecht zum Quadrupolfeld gerichtet, also parallel zur Z-Achse. Die Ueberlagerung hat eine Erhöhung der örtlichen Flussdichten des ursprünglichen Quadrupolfeldes um einen konstanten Wert zur Folge, während der Feldgradient unverändert bleibt. Eine weitere, für den speziellen Verwendungszweck jedoch bedeutungslose Folge ist die Verdrehung der Vektoren der magnetischen Flussdichte aus der X-Y-Ebene in die Z-Richtung, wobei

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der Tangens des Verdrehwinkels umgekehrt proportional dem Abstand von der Z-Achse ist.

Die vorbeschriebenen Massnahmen erzeugen also ein für die Magnetscheidung ideales Feld: Die Verwendung von Supraleitern liefert hohe Feldstärken und die Multipolanordnung der Spulen einen hohen Gradienten, so dass das für die Kraftwirkung massgebende Produkt aus Feldstärke und Gradient etwa lOmal höhere Werte annimmt, als sie bei konventionellen Magnetscheidern erreichbar sand. Dies gilt selbst dann, wenn der den Durchsatz beengende Luftspalt im Gegensatz zu früheren Scheidertypen relativ gross ausfällt, wie es beim vorliegenden Scheider der Fall ist. Wie gezeigt, ist die Feldstärke oder die Flussdichte proportional dem Radius zuzüglich einer additiven Konstante, der.Feldgradient über die ganze Oeffnungsweite ist konstant, daher ist auch die spezifische magnetische Kraft als Produkt dieser beiden Grossen proportional dem Radius zuzüglich einer additiven Konstante. Das bedeutet, dass das magnetisierte Stoffteilchen eine um so grössere Kraftwirkung erfährt, je weiter es bereits aus seiner ursprünglichen geradlinigen Bahn abgelenkt ist. Diese Eigenschaft des Feldes kompensiert bei der in erster Linie vorgesehenen Arbeitsweise des Scheiders mit Aufgabe des Materialgemisches von oben vertikal nach unten unter Einwirkung der Fallbeschleunigung die durch die stets wachsende Geschwindigkeit des Teilchens wachsende Trägheit

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gegenüber Querbewegungen.

Ein Hauptvorteil des beschriebenen Magnetscheideverfahrens liegt in seiner von den bekannten Verfahren grundsätzlich verschiedenen Scheidecharakteristik, welche es gestattet, aus einem Materialgemisch mit mehreren unterschiedlich magnetisierbaren Bestandteilen diese Bestandteile in bestimmten Grenzen.ihres Spektrums in einem Arbeitsgang selektiv abzuscheiden. Diese Selektivität wird dadurch erreicht, dass hier als Ergebnis der Scheidung nicht mehr nur die an Scheidewände oder Pole angelagerten Teile verwertet werden, sondern die nach Massgabe ihrer unterschiedlichen Massensuszeptibilitäten verschieden weit ausgelenkten Stoffteilchen können nach Passieren des Scheiders aus dem jetzt aufgefächerten Teilchenstrom mittels geeigneter Auffangvorrichtungen selektiert werden. Die beiden Diagramme Fig. 4a und Fig. 4b zeigen den Unterschied der Charakteristik eines konventionellen Magnetscheiders (Fig. 4a) gegenüber der des erfindungsgemäss vorgeschlagenen Systems (Fig. 4b). Die Ordinaten R bezeichnen dabei die Weite der Ablenkung der Stoffteilchen, die Abzissen X die Massensuszeptibilitäten. Das Bezugszeichen B bezeichnet die Behälterwand, welche die weitere Teilchenaus lenkung begrenzt. Der Vergleich zeigt qualitativ die Verschiebung des Anwendungsbereiches in Richtung schwächer magnetisierbarer Mineralien. Eine gtöbe Abschätzung lässt erwarten, dass mit dem neuen

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System etwa lOmal bis in Spezialanwendungen 5Omal schwächer magnetisierbar Mineralien als bisher abgeschieden werden können.

Obschon das beschriebene Magnetscheideverfahren vorteilhaft für Erzaufbereitung Verwendung finden kann, sind auch andere Anwendungen durchaus möglich; zum Beispiel kann das Verfahren zur Abscheidung von unerwünschten schwach magnetisierbaren Teilchen in Gewässern zum Zwecke der Wasserreinigung benutzt werden.

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Claims

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Patentansprüche

1, Verfahren zur Magnetscheidung schwach magnetisierbarer Stoffe, bei dem das Aufgabegut mit den abzuscheidenden Bestandteilen nach geeigneten Aufbereitungsmassnahmen - wie Mahlen, Trocknen, Sieben, Vorscheidung - dem Magnetscheider zugeführt wird, wonach die magnetisierbaren Bestandteile des Aufgabegutes, die einen gewissen Schwellwert der Magnetisierbarkeit überschreiten, unter der Einwirkung des Magnetfeldes so weit abgelenkt werden, dass sie in besondere, zur Aufnahme dieser Bestandteile dienende Auffangbehälter gelangen, während alle übrigen Stoffe und namentlich die nicht magnetisierbaren Anteile des Aufgabegutes unbeeinflusst durch das Magnetfeld in andere, dafür vorgesehene Auffangbehälter gelangen, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld zwecks Erhöhung der Feldstärke im Luftspalt von supraleitenden Spulen erzeugt wird, dass zur Verwirklichung einer der Erhöhung der Kraftwirkung auf schwach magnetisierbare Stoffe dienenden, eine Peldgradientenbildung einschliessende.ii gezielten Inhomogenisierung des Feldes eine räumliche Konfiguration und elektrische Zusammenschaltung mehrerer Spulen zu Multipolanordnungen vorgenommen wird und dass zur weiteren Verstärkung der örtlichen Kraftwirkung den Multipolfeldern ein praktisch homogenes Magnetfeld überlagert wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verwirklichung der Multipolanordnungen mehrere supraleitende Spulen symmetrisch zur Durchflussachse derart angeordnet werden, dass der Peldgradient senkrecht zur Bewegungsrichtung orientiert ist und durch die elektrische Zusammenschaltung der Spulen ein zur Durchflussachse bezüglich des Absolutbetrages der magnetischen Plussdichte rotationssymmetrisches Feld mit radialer Kraftwirkung entsteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des praktisch homogenen magnetischen Ueberlagerungsfeldes ein in Längsrichtung um die Spulen herumgewickeltes Solenoid verwendet wird, wodurch das allgemeine Feldniveau erhöht und gleichzeitig die charakterischeEigenschaft der Multipolfeider, dass die Feldstärke auf der Achse Null ist, eliminiert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, dass zwecks zeitlicher Vormagnetisierung und Ausrichtung der magnetisierbaren Anteile des Aufgabegutes dem Magnetscheidesystem eingangsseitig eine solenoidförmige Vormagnetisierungsspule vorgeschaltet wird.
5. Verfahren nach Ansprüchen 4 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormagnetisierungsspule eine Verlängerung des für die homogene Feldüberlagerung benutzten Solenoides ist und somit mit diesem eine Einheit bildet.

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6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufgabegut mit den abzuscheidenden Bestandteilen in trockener Form dem Scheider zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Aufgäbegutes an den Scheider in nasser, aufgeschwemmter Form erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Aufgabegutes an den Scheider unter dem aussehliesslichen Einfluss der Schwerkraft erfolgt.
9. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch l.zur Abscheidung von unerwünschten schwach magnetisierbaren Teilchen in Gewässern zum Zwecke der V/asserreinigung.

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