В.И. Дядин¹, А.С. Латкин²

1 – Камчатская опытно-методическая сейсмологическая партия ГС РАН, бульвар Пийпа ,9, 683006, г. Петропавловск-Камчатский, Россия

2 – Научно-исследовательский геотехнологический центр ДВО РАН, Северо-Восточное шоссе, 30, 683002, г. Петропавловск-Камчатский, Россия

 Аннотация. Для обогащения смесей, содержащих немагнитные металлы, предложено применять переменные магнитные поля. Приведена формула для расчета сил воздействия переменных магнитных полей на частицы немагнитных металлов, подтверждена ее справедливость, установлены главные факторы, определяющие процесс сепарации. На примере экспериментальной лабораторной установки показана принципиальная возможность построения технологии обогащения дисперсных смесей, с немагнитными металлами при помощи переменных магнитных полей.

На Камчатке еще в социалистические времена были открыты промышленные месторождения полиметаллических руд, титаномагнетита, платины, золота. Открытие  таких месторождений, как правило, дает мощный импульс экономическому развитию региона. С такими месторождениями Камчатка должна быть просто обречена если не на процветание, то на жизнь хотя бы соответствующую региону–донору. Тем более, что после развала СССР именно горнодобывающие отрасли оказались одним из немногих факторов, придающих России геополитический вес и надежды на лучшее будущее. Развитие горнодобывающей отрасли для Камчатки становится вопросом все более злободневным и, судя по всему, уже безальтернативным.    В настоящее время ведется промышленная добыча платины, началась добыча золота, начаты работы по обустройству шанучского месторождения медно-никелевых руд, разработан проект комбината по переработке титаномагнетитовых песков халактырской пляжной россыпи. Однако специфика Камчатки накладывает ряд ограничений на использование некоторых технологий добычи минерального сырья. Здесь невозможно использовать, например, технологию кучного выщелачивания золота в том виде, в котором она применяется в Австралии или США. Кучное выщелачивание - экологически опасная технология. Высокий уровень сейсмической активности, сильная трещиноватость горных пород, долгая и суровая зима, ранимость природы делают на Камчатке даже эту высокоэффективную в теплых странах технологию нерентабельной. Для Камчатки и для всего российского Севера, нужны экологически безопасные и высокопроизводительные технологии добычи, которые бы не травмировали природу и позволяли получать конкурентоспособную продукцию.

Одной из технологий добычи, пригодных для Камчатки, может стать технология разделения дисперсного золото- и платиносодержащего сырья, основанная на использовании свойств вихревых токов, индуцируемых переменным магнитным полем в частицах металла.

Золото- и платиносодержащие россыпные месторождения представляют собой естественные дисперсные смеси минералов, в которых частицы свободного металла отличаются от вмещающих пород своей высокой электропроводностью. Если на такую смесь подействовать переменным магнитным полем, то в частичках минералов будут индуцироваться  вихревые токи. В металлических частицах, благодаря их высокой проводимости, вихревые токи будут значительно сильнее, чем в частицах вмещающих пород, которые, чаще всего, являются хорошими изоляторами. Вихревые токи в металлических частицах взаимодействуют с индуцирующим их магнитным полем. При нарастании напряженности  магнитного поля частицы металла выталкиваются из магнитного поля, а при уменьшении – втягиваются в область с большей напряженностью. Подобрав закон, амплитуду и скорость изменения магнитного поля, можно добиться пространственного разделения частиц металла и вмещающих пород.

Идея технологии разделения дисперсного минерального сырья при помощи индуцированных вихревых токов была высказана в работе [1]. Расчеты показали, что сила взаимодействия магнитного поля и частиц металла пропорциональна произведению проводимости, четвертой степени размера частицы, напряженности магнитного поля и скорости его изменения [2]:

  ,                (1)

где  удельная проводимость;   линейный размер частицы;  напряженность магнитного поля.

Для уверенного извлечения частиц золота величиной 0,1 мм необходимо магнитное поле напряженностью В(t) ~ 10 Тл при скорости изменения  ~ 10⁷  - 10⁸ Тл/с.  Магнитные поля с такими параметрами получают с помощью соленоидов, преобразующих импульсы тока в импульсы магнитного поля. Генератор импульсных токов (ГИТ), соленоид и экспериментальная лабораторная установка были разработаны и изготовлены в лаборатории кафедры физики  КГТУ. ГИТ изготовлен на основе емкостного накопителя энергии. В качестве накопителя  использован конденсатор К41И – 7,5 кВ 100 мкФ, а в качестве прерывателя тока – быстродействующий тиристор ТБ 161–100. Установка состоит из ГИТ, преобразователя энергии-соленоида, загрузочной емкости, вибрационного питателя приемной емкости и емкости для сбора отходов. Соленоид установлен на кронштейне под желобом вибрационного питателя, так, что дисперсная смесь, сходя с питателя, попадает на торец его рабочей зоны. Частицы металла с индуцированными в них вихревыми токами выталкиваются магнитным полем в приемную емкость. Вмещающие породы с магнитным полем практически не взаимодействуют и падают в сборник отходов.

Электрическая схема генератора импульсных токов приведена на рисунке 1.

Конденсаторы, использованные в установке, имеют ограниченный ресурс рабочих импульсов, поэтому в установке они работают в режиме неполного разряда, что позволяет значительно увеличить срок их службы. При включении схемы  конденсатор С заряжается через диод D₁ и дроссель L₁ в течение первой четверти периода до напряжения ~ 400 В. После достижения максимального напряжения по сигналу от генератора G открывается тиристор Т, и конденсатор разряжается через соленоид L₂. Для предотвращения разрушения конденсатора импульсами обратной полярности в схему введен щунтирующий диод D₂. Работа конденсатора в режиме неполного разряда делает возможным использование для размыкания тока сравнительно маломощный тиристор ТБ 161–100, который обладает подходящим для нас быстродействием. При длительности импульсов менее 10 мс тиристор обеспечивает коммутацию тока амплитудой до 1000 А.  Скорость нарастания тока в импульсе   А/с (что позволяет получать в соленоиде Тл/с). Форма, амплитуда и длительность импульса тока, вырабатываемого генератором, показаны на рисунке 2.

Такая форма импульса позволяет индуцировать в частицах металла сильные вихревые токи во время нарастания поля в соленоиде. Частицы металла сильно взаимодействуют с магнитным полем и выталкиваются из общего потока дисперсного материала. Спад магнитного поля в соленоиде происходит значительно медленнее, чем нарастание. Во время спада в частицах металла индуцируются слабые вихревые токи, и частицы взаимодействуют с внешним полем слабо. Взаимодействие при спаде магнитного поля в соленоиде оказывается слабым, еще и потому, что частицы металла находятся уже на значительном расстоянии от соленоида и не возвращаются в общий поток. Происходит пространственное разделение компонент дисперсной смеси. Потребляемая установкой мощность около 600 Вт.

Эксперименты проводились с искусственной смесью минералов, составленной из кварцевого песка крупностью от 0,5 до 0,1 мм и опилок меди, алюминия и латуни, крупностью от 3,0 до 0,1 мм. Смесь не была  классифицирована, чтобы сразу было видно, частицы каких размеров извлекаются. В результате эксперимента выяснилось, что в извлеченном материале присутствуют частицы всех металлов и всех классов крупности, в том числе класса 0,1 мм. Основную массу извлеченного металла составляют частицы классов 0,5–0,2 мм,  причем частицы алюминия выталкиваются магнитным полем дальше, чем латунь и медь. Это объяснимо. Алюминий имеет проводимость лишь ненамного меньшую, чем  медь, а плотность – в три раза меньшую. Легкая частица выталкивается дальше.

Неожиданно мало оказалось извлечено частиц крупностью 3–1,5 мм, хотя, по нашим представлениям, они должны были составлять основную массу извлеченного металла. Этот факт требует дополнительного исследования.

Выводы

1.      Показана возможность разделения дисперсных смесей с помощью индуцируемых в частицах вихревых токов.

2.      Установлено, что главными факторами, определяющими процесс разделения, являются величина индукции и скорость изменения магнитного поля.

3.      Изготовлена экспериментальная установка, которая показала принципиальную возможность построения технологии обогащения содержащих благородные металлы дисперсных смесей с помощью вихревых токов, индуцируемых в частицах металла.

ЛИТЕРАТУРА

1.      Латкин А.С. Совершенствование методов обогащения тонкодисперсного сырья // ФТПРПИ.  1998.  № 3. С.108–113.

2.      Дядин В.И., Синявин Д.С. Электродинамическое разделение минералов // Вестник Камчатского государственного технического университета: Петропавловск-Камчатский. 2002. Вып.1. С.152–156.