磁気分離と鉄鉱石の選鉱

磁気分離と鉄鉱石の選鉱

磁気分離は、鉄鉱石の濃縮とトランプ鉄の除去のための古い技術です。 1849年以来、磁気分離に関する多くの特許が米国で発行されており、1910年以前のいくつかの特許のテキストには、鉱物処理用のさまざまな磁気分離器が記載されています。

磁気分離法は、非磁性の脈石材料から鉄鉱石を分離するための磁気特性の違いを利用するために使用されます。磁気分離は、乾式環境または湿式環境のいずれかで実行できますが、湿式システムの方が使用されています。

磁気分離は、けん引力（i）磁力、（ii）重力、流体力学的抗力、摩擦、または慣性力、および（iii）引力または反発粒子間力の間の3方向の競合に基づく離散粒子の物理的分離です。 。これらの力が組み合わさって、供給材料の異なる磁気特性の粒子に異なって作用します。図1に磁気分離の原理を示します。

図1磁気分離の原理

磁力と競合し、セパレーターを通過するすべての粒子に作用する磁気セパレーターの力は、重力、流体力学的抗力、摩擦、および慣性の力です。磁気セパレーターのタイプに応じて、これらの力の一部は重要性が高くなったり低くなったりする可能性があります。

重力は大きな粒子に対して重要であり、流体力学的抗力は小さな粒子に対して重要です。したがって、乾燥形態の大きな粒子を処理する磁気分離器では、供給材料は重力を通過します。磁力は、競合する重力に抗して磁性粒子を保持するのに十分である必要があります。小粒子用の湿式分離器では、磁力は、トラップされた粒子にスラリー流によって加えられる流体力学的抗力よりも大きくする必要があります。

磁気分離器における磁力と競合する力との間の競合は、磁性粒子が磁気分離器に捕捉または回収される可能性を決定する。磁性粒子と非磁性粒子の間の粒子間力が、磁気分離の生成物の濃度を決定します。粒子間の力が磁力や競合する力よりも大きい場合、多くの非磁性粒子が磁性粒子とともにトラップされる可能性があります。逆に、多くの磁性粒子は非磁性粒子と一緒に運ばれる可能性があり、トラップされない可能性があります。

磁性粒子の高い回収率を達成するために、磁気分離力は、競合する力の合計よりも大きくなければなりません。ただし、磁力が競合する力よりもはるかに大きい場合、さまざまな磁化可能な粒子が区別されないため、分離の選択性は低くなります。プロセスの選択性は、セパレータ自体とその動作パラメータの正しい選択によって影響を受ける磁力と競合する力の相対値によって決定的に決定されます。

作用する磁力、競合、および粒子間力がセパレーターの性能を決定します。これらの力は、分離されるフィードの性質と磁気分離器の特性の両方に依存します。フィードの性質には、関連するさまざまな力に影響を与える可能性のあるサイズと物理的特性が含まれます。磁気分離器の特性には、設計とその可変パラメータ、特に磁場とプロセス速度が含まれます。これらのパラメータの間には一般的な関係があります。また、磁場勾配を粒子サイズに一致させることにより、セパレーターの磁力を最大化することができます。

磁気分離器は、鉄鉱石供給材料を2つ以上の成分に分離します。目的が磁性濃縮鉄鉱石を生産することである場合、非磁性の他の成分はテーリングです。場合によっては、ミッドリングと呼ばれる磁気の弱い第3成分を分離する可能性もあります。これらの各マテリアルストリームは、セパレーターに、セパレーターを介して、またはセパレーターから排出されます。

磁力および競合する重力、摩擦、流体力学的抗力、または慣性力は粒子を分離する傾向があり、引力の粒子間力は分離の程度を低下させる傾向があります。分離の実際の状況では、通常、磁性粒子と非磁性粒子の両方が尾鉱またはミッドリングにも見られ、限られた場合にのみ完全な磁気分離が可能です。磁気分離効率は通常、回収率（供給材料の磁性材料に対する濃縮鉱石の磁性材料の比率）とグレード（濃縮鉱石の磁性材料の割合）の両方で表されます。これらは、磁気分離器の有効性のために通常使用される2つの独立した手段です。これらの測定値は、牽引磁力、重力、流体力学的抗力、摩擦力または慣性力、および引力または反発粒子間力の相対的な大きさに依存します。

磁気分離では、効率的な分離の条件が明確に定義されていますが、力の相対的な重要性は主に粒子サイズによって決定されるため、複雑になります。これは主に、競合する力が粒子サイズに依存しているためです。乾式磁気分離では、抗力は通常、粒子サイズにほとんど影響を与えないため、原則として、分離の効率に大きな影響を与えることはありません。それどころか、粒子サイズは、乾式磁気分離中の磁力と重力に大きく依存します。一方、流体力学的抗力が重要となる可能性がある湿式分離では、分離の選択性は粒子サイズ分布に大きく影響されます。粒子サイズが小さくなると、磁力と比較して流体力学的抗力の相対的な重要性が高まります。

磁気分離器の設計では、磁場に加えて、粒子の所望の方向への移動を促進するために、磁場強度の勾配も提供される必要がある。均一な磁束の場では、磁性粒子は磁束に収束し、体に集中するように向きを変えますが、移動しません。一方、収束場を生成することにより、粒子がより高いフラックス領域に向かって引っ張られます。

すべての磁気セパレーターの粒子に作用する磁場と磁場勾配は、さまざまな方法で生成でき、磁場の形状と強度が大きく異なります。永久磁石が直接磁場を生成する場合もあれば、コイルと鉄磁石回路を使用して、磁場勾配が磁性粒子を引き付ける強磁性構造を磁化する場合もあります。

鉱石に基づいて必要な磁場を他の基準とともに利用できるように設計されたさまざまなタイプの磁気セパレーターがあります。磁気セパレーターは大きく2つのグループに分類されます。すなわち、（i）低強度と（ii）高強度です。どちらのグループも、ウェットまたはドライ操作タイプのいずれかです。一般的に使用されている磁気分離器のタイプには、（i）湿式および乾式、低強度磁気分離（LIMS）、（ii）高勾配磁気分離（HGMS）、（iii）湿式高強度磁気分離（WHIMS）があります。 ）、（iv）弱磁性鉱石を処理するためのロール磁気分離器、および（v）乾燥鉱石を濃縮するための誘導ロール磁気分離（IRMS）。磁場は通常、（i）永久磁石、（ii）鉄ヨーク付き電磁石、（iii）ソレノイド、（iv）超電導磁石などのいくつかの方法のいずれかによって生成されます。

磁気分離操作は、多くの場合、低強度または高強度のいずれかに分類されます。低強度セパレーターは、0.1テスラから0.3テスラの範囲の磁場を使用します。低強度技術は通常、安価で効果的な分離方法としてマグネタイト鉱石に使用されます。高強度セパレーターは、1テスラから2テスラまでの強力なフィールドを採用しています。この方法は、ヘマタイトなどの弱磁性の鉄鉱石を非磁性または低磁性の脈石材料から分離するために使用されます。どのタイプの磁気分離器システムを使用するかを決定する上で重要な他の要因には、粒子サイズと鉱石スラリー供給物の固形分が含まれます。

磁気セパレーターは、一般に、乾式/湿式低強度磁気セパレーター、乾式/湿式高強度磁気セパレーター、および高勾配磁気セパレーターとしてグループ化されます。磁場強度に基づくグループ分けを図2に示します。さらに、パーマネントロール磁気セパレーター、アイソダイナミックセパレーター、オープングラジエント磁気セパレーター、振動高グラジエントなど、乾燥した高強度グループでも考慮されるセパレーターはほとんどありません。磁気セパレーター/フィルター、および超伝導高勾配磁気セパレーター。高強度の乾式磁気分離器は、永久磁石または誘導磁場のいずれかによって磁場強度が高くなり、磁化率に基づいて粒子を分離します。

図2磁場強度に基づく磁気セパレーターのグループ化

磁気分離器にはいくつかのグループがありますが、ここでは2種類の分離器（ドラムと高強度）による分離の原理について説明します。ドラム分離器は、従来の低勾配磁気分離器の代表的なものです。このような分離器（図3）では、乾燥した供給材料が回転ドラムの上部に導入されます。鉱石粒子は、ドラムの回転を粒子に伝達する重力と摩擦力の複合作用によって、ドラムに沿って下向きに運ばれます。ドラム内の静止磁石によって生成される磁力は、回転するドラムに対してより高い磁性粒子を保持します。これらの粒子は、ドラムが磁石の端を通過するときに右側に堆積します。非磁性粒子はドラムから左に自由に落下します。このようなセパレータは、永久磁石または電磁石のいずれかを使用できます。これらに類似した磁気セパレーターは、マグネタイト含有鉄鉱石の選鉱に広く使用されています。

図32種類の磁気セパレーターの例

図3は、高強度磁気分離器の概略図も示しています。この高勾配磁気分離器では、容器の容積に強力な調整可能な磁場を生成するように設計された磁石が使用されています。このボリュームには、フィラメント状の強磁性体のマトリックスが詰め込まれています。フィラメントのエッジでの高磁場勾配によって生成される強い磁力は、弱磁性物質の非常に細かい（100ミクロン未満）粒子をトラップするのに効果的です。これらのフィラメントは、磁力を最適化するために、供給粒子のサイズに一致するように選択されます。流体（通常は水）スラリー中の鉄鉱石供給物は、容器を通過します。流体および非磁性粒子は、マトリックスの比較的開いた構造を容易に通過します。印加された磁場がゼロになると、トラップされた磁性粒子は簡単に洗い流されます。このタイプの磁気セパレーターは、ペレット供給用の鉄鉱石を処理する際の微粒子の濃縮または除去に役立ちます。

磁気セパレーターは、低品位の鉄鉱石選鉱システムの不可欠な部分です。低品位の鉄鉱石を焙焼して磁化を増加させる（つまり、ヘマタイトからマグネタイトへの変換）と、従来の磁気セパレーターの適用範囲が広がります。磁気セパレーターは、特定の鉄のリサイクル用途でも使用されます。

磁気セパレーターの種類

鉄鉱石の選鉱に使用されている磁気セパレーターにはいくつかの種類があります。最も一般的なのは、鉄鉱石の選鉱に使用されている乾式および湿式ドラム分離器です。誘導ロールセパレーターは、弱磁性の鉄含有鉱石を処理するために使用されますが、プーリーセパレーターは、さまざまな原料からのトランプ鉄の除去に最もよく使用されます。これらのセパレーターは、永久磁石または電磁石のいずれかを使用しており、連続モードで動作します。ドラムセパレーターと高勾配磁気セパレーターについては、以下で詳しく説明します。

ドラムセパレーター –多くのタイプのドラムセパレーターは、おそらく使用されている最も一般的なタイプの磁気セパレーターです。これらのタイプには、プーリー、ドライドラム、ウェットドラム、誘導同時、逆回転、および向流タイプのロールセパレーターが含まれます。

ドライドラム、誘導ロール、およびプーリーセパレーターは、図3に示され、記事で前述したセパレーターと同様に動作します。ドライフィードは、粒子に作用する磁力、遠心力、または重力の相対的な大きさに応じて、ドラムまたはプーリーの片側または反対側から投げ出されます。これらのタイプのセパレーターを使用すると、中程度の画分を回収することが可能です。ミッドリング粒子は、濃縮粒子よりも磁力によって弱く引き付けられるため、濃縮ビンと尾鉱ビンの間のビンに落下させられます。これらのミッドリングは、一般に、磁性成分と非磁性成分の両方を含む部分的に遊離した粒子で構成されています。鉱石の粉砕には費用がかかるため、最初に乾式ドラムセパレーターで鉱石を処理し、磁気的に後退させる前に中間留分を再粉砕することは、多くの場合、経済的に魅力的です。

ドライドラムセパレーターは、100ミクロンの小さな粒子を処理するために使用されています。精鉱の製造におけるこれらのセパレーターの性能は、供給鉱石の含水量に強く影響されます。水分含有量が高い場合、小さな粒子が大きな粒子に付着し、完全な分離ができなくなる可能性があります。図1の非磁性ドラムは、ドラム内の磁石の固定極を通過するため、磁性粒子がドラムの表面に乗るときにさまざまな大きさの力を受けることがわかります。磁力の強さのこの変化は、トラップされた粒子のタンブリング運動を生成する可能性があり、これは、不要な非磁性粒子からのそれらの分離を助ける。磁極間の磁場の逆転はまた、残りのモーメントを伴う粒子の回転をもたらす。粒子の特定の動きは、粒子サイズに強く依存します。

ウェットドラムセパレーターには3つの主要なタイプがあります（図4）。これらは、（i）同時、（ii）逆回転、および（iii）向流タイプです。ドラムの磁石は図3に示すようなもので、回転を示す矢印と同じ円弧を覆っています。コンカレントドラム磁気分離器では、供給スラリーはドラムの回転と同じ方向にトラフを通過します。磁性粒子は、ドラム内の固定磁石によって非磁性ドラムの回転面に引き付けられます。非磁性粒子はトラフの最低点に沈み、尾鉱として引き抜かれます。磁気濃縮物は、回転ドラムによって右側の堰を越えて運ばれます。このタイプのセパレーターは、直径数ミリメートルのオーダーの粒子用の高品位濃縮物を生成します。磁性粒子はドラムの周囲全体に沿って競合する磁気的および流体力学的抗力の影響を受けるため、分離は比較的きれいです。この洗浄は、ドラム内の交互の極による力の変化が、スラリーの粘性力が存在しないドライセパレーターで見られるのと同じ程度の粒子運動をドラム上で生成しない場合でも発生します。同時タンクセパレーターは、比較的大量の磁性材料が残るテーリングを生成することが多いため、テーリングは、逆回転ドラムセパレーターで後退することがよくあります。

逆回転セパレーターを図4に示します。フィードはドラム回転の方向と反対のトラフを通過します。磁性粒子はドラムの表面で拾われ、左に運ばれます。このセパレーターは、ほとんどの磁性粒子がドラムの短いセクションにトラップされ、トラップされた粒子の材料が同伴された非磁性粒子を放出する機会がほとんどないため、高い回収率をもたらしますが、一般に低品位の濃縮物です。高い回収率は、粒子がドラムによってさらに下流でピックアップされ、濃縮物として持ち帰られる機会からも生じます。このようなセパレーターは通常、100ミクロンまでの粒子を処理します。すぐには同伴されない磁性粒子を拾う能力があるため、このセパレーターはコンカレントタイプよりも大きな容量を備えています。

3番目のタイプの磁気ウェットドラムセパレーターである向流ドラムは、約70ミクロンまでの粒子の回収率が高く、非常にクリーンな濃縮物を生成するため、仕上げセパレーターとしてよく使用されます。このセパレーターは、同時回転型と逆回転型の両方のいくつかの機能を保持しています。このセパレーターは、3ドラムタンデムセパレーターとして図4に示されています。このセパレーターでは、ドラムの磁気セクションの中間点付近にフィードが導入されます。供給スラリーの流れはドラムの回転方向と反対であり、同伴粒子は同じ方向に移動します。これらの同伴粒子は、タンクの左側に導入された水によって洗浄されます。洗浄した濃縮物は左側に溢れています。

すべての湿式ドラム分離器に共通する特徴は、タンクの端での濃縮スラリーのオーバーフローです。これは、磁性粒子が空気-水界面を通って引き込まれ、結果として磁性粒子が失われるのを防ぐために望ましい。脱水濃縮物が望まれるいくつかの分離器では、磁性粒子がスラリーの表面上に引き上げられ、ドラムからこすり落とされる。これらの場合、失われた磁性粒子を回収するためにスラリーを再循環させる必要があります。

ただし、ウェットドラムセパレーターの主な競合力は、流体力学的抗力です。これは、同伴粒子を通過するスラリーまたは洗浄水の相対速度に起因します。同時セパレーターでは、この速度は周辺速度の周りにありますが、逆回転セパレーターでは、これらの速度が追加されます。一般に、周辺ドラム速度はスラリー速度よりもかなり速い。相対抗力速度への影響に加えて、ドラム速度はドラムセパレーターの容量にも影響を与えます。速度が遅いと容量が減少し、速度が速いと抗力速度が高くなるため回復率が低下し、ドラム表面の摩耗が大きくなります。

磁気セパレーターのいくつかは、高強度セパレーターと呼ばれています。これは一般的に、通常よりも強力な磁石を使用する従来の設計のセパレーターを指します。それらは高強度の磁場を発生させ、低強度の磁気分離器に反応しない粒子を除去することができます。

図4磁気ドラムセパレーターの種類

高勾配セパレーター –

高磁場勾配が大きな磁力を生み出すことができるという事実に基づいて、いくつかのタイプの高勾配磁気分離器が開発されてきた。これらのセパレーターは、比較的均一なバックグラウンド磁場を強磁性構造（グリッド、スクリーン、溝付きプレート、またはスチールウール）に適用し、適切に配向されたエッジに沿って磁極を誘導することによって磁場勾配が生成されるため、「誘導極」セパレーターとも呼ばれます。大きな磁場勾配は一般に少量でしか存在できないため、これらのセパレーターは小さな磁性粒子を分離するために設計されています。実用的な数の粒子をトラップするのに十分な大きさの表面積にわたって、高い勾配と大きな磁力を生成することが大きな問題です。適用されたフィールドに平行な軸を持つ針は、比較的低いフィールドで高い勾配を生成しますが、利用可能なトラップ面は非常に限られています。対照的に、長軸に垂直に磁化されたフィラメントは、消磁係数が大きくなりますが、表面積ははるかに大きくなります。