Magnetische scheiding en ijzererzbereiding: geavanceerde technieken voor efficiënte ijzerconcentratie

Magnetische scheiding: historisch en actueel

Magnetische scheiding is een oude techniek voor concentratie van ijzererts en verwijdering van vreemd ijzer. Sinds 1849 zijn in de VS talloze octrooien uitgegeven; teksten vóór 1910 beschrijven diverse magnetische scheiders voor mineralenverwerking.

De methode benut het verschil in magnetische eigenschappen om ijzererts van niet-magnetische gangue te scheiden. Kan droog of nat uitgevoerd worden (nat systemen zijn gangbaarder).

Krachten in magnetische scheiding

Figuur 1 toont het principe. Magnetische scheiding is een fysieke scheiding van discrete deeltjes gebaseerd op driedubbele competitie tussen tractieve krachten:

1. Magnetische krachten
2. Gravitatie, hydrodynamische wrijving, wrijving, of inertiekrachten
3. Aantrekkende of afstotende interdeeltjeskrachten

Deze krachten werken differentieel op deeltjes met uiteenlopende magnetische eigenschappen in het voermateriaal.

De concurrenterende krachten (zwaartekracht, hydrodynamische wrijving, wrijving, inertie) werken op alle deeltjes die de scheider doorlopen. Hun relatieve belangrijkheid hangt af van het type scheider.

• Zwaartekracht significant voor grote deeltjes.
• Hydrodynamische wrijving significant voor kleine deeltjes.
• Droge scheider voor grote deeltjes: voer passeert door zwaartekracht; magnetische kracht moet zwaartekracht overwinnen.
• Natte scheider voor kleine deeltjes: magnetische kracht moet hydrodynamische wrijving van slurrystroom op gevangen deeltjes overwinnen.

Scheidingsefficiëntie en selectiviteit

De competitie tussen magnetische kracht en concurrenterende krachten bepaalt de kans dat een magnetisch deeltje gevangen wordt. Interdeeltjeskrachten bepalen de concentratie van de producten. Als interdeeltjeskrachten > magnetische + concurrenterende krachten → veel niet-magnetische deeltjes gevangen. Als magnetische kracht >> concurrenterende krachten → slechte selectiviteit (geen onderscheid tussen magnetiseerbare deeltjes). Selectiviteit wordt kritiek bepaald door de relatieve waarden van magnetische en concurrenterende krachten, beïnvloed door keuze scheider en werkparameters.

Magnetische scheider splitst voer in twee of meer componenten: magnetisch concentraat, niet-magnetisch afval (tailings), eventueel minder magnetische derde component (middlings). Alle stromen moeten getransporteerd worden in, door en uit de scheider.

Magnetische en concurrenterende krachten scheiden deeltjes; aantrekkende interdeeltjeskrachten verminderen scheidingsgraad. In de praktijk zijn zowel magnetische als niet-magnetische deeltjes in tailings/middlings; volledige scheiding is een limietgeval. Efficiëntie wordt uitgedrukt in:

• Terugwinning (recovery): verhouding magnetisch materiaal in concentraat ten opzichte van voer.
• Graad (grade): fractie magnetisch materiaal in concentraat.

Beide afhankelijk van relatieve grootte van tractieve magnetische krachten, zwaartekracht, hydrodynamische wrijving, wrijving/inertie, interdeeltjeskrachten.

Invloed van deeltjesgrootte

Relatieve belangrijkheid van krachten wordt voornamelijk bepaald door deeltjesgrootte (concurrenterende krachten hangen af van grootte).
Droge scheiding: wrijving verwaarloosbaar; deeltjesgrootte beïnvloedt magnetische kracht en zwaartekracht significant.
Natte scheiding: hydrodynamische wrijving kan belangrijk zijn; selectiviteit sterk beïnvloed door deeltjesgrootteverdeling. Met afnemende grootte neemt relatieve belang hydrodynamische wrijving ten opzichte van magnetische kracht toe.

Magnetisch veld en gradiënt

In een uniform magnetisch veld convergeren magnetische deeltjes bij de flux en oriënteren zich, maar bewegen niet. Een convergerend veld (gradiënt) oefent een trekkracht uit naar hogere fluxdichtheid. Veld en gradiënt kunnen geproduceerd worden door: permanente magneten, elektromagneten met ijzeren joch, solenoïden, supraleidende magneten.

Categorisering van magnetische scheiders

Breed in twee groepen: (i) lage intensiteit, (ii) hoge intensiteit. Beiden kunnen droog of nat zijn. Gangbare typen:

• Droge/natte lage-intensiteit magnetische scheiding (LIMS)
• Hoge-gradiënt magnetische scheiding (HGMS)
• Natte hoge-intensiteit magnetische scheiding (WHIMS)
• Rolmagnetische scheiders voor zwak magnetische ertsen
• Inductie-rol magnetische scheiding (IRMS) voor droge ertsen

Veldintensiteit: lage intensiteit 0,1–0,3 Tesla (magnetiet, goedkoop/effectief); hoge intensiteit 1–2 Tesla (zwak magnetische ertsen zoals hematiet). Andere factoren: deeltjesgrootte, vastestofgehalte slurry.

Daarnaast bestaan scheiders in de droge hoge-intensiteit groep: permanente rolmagnetische scheider, isodynamische scheider, open-gradiënt magnetische scheider, trillende hoge-gradiënt magnetische scheider/filter, supraleidende hoge-gradiënt magnetische scheider.

Trommelscheider (drum separator) – representatief voor conventionele lage-gradiënt scheider

Droog voer bovenaan roterende trommel ingevoerd. Deeltjes bewegen naar beneden door zwaartekracht + wrijving (overdracht rotatie). Stationaire magneten in trommel houden magnetische deeltjes tegen roterende trommel. Deze lossen rechts af na magneten; niet-magnetische vallen vrij linksaf. Kan permanente magneten of elektromagneten gebruiken. Wijd gebruikt voor beneficiëring van magnetiet-dragende ijzerertsen.

Hoge-intensiteit magnetische scheider (high gradient magnetic separator)

Magnet produceert sterk instelbaar veld in container, gevuld met matrix van draadvormig, ferromagnetisch materiaal. Sterke magnetische krachten door hoge veldgradiënten aan randen van draden vangen zeer fijn (<100 µm) deeltjes van zelfs zwak magnetische stoffen. Draden afgestemd op voerdeeltjesgrootte om magnetische krachten te optimaliseren. Ijzerertsvoerslurry (water) door container. Vloeistof en niet-magnetische deeltjes passeren open structuur matrix. Gegrepen magnetische deeltjes worden uitgewassen bij veldreductie naar nul. Nuttig voor concentratie/verwijdering fijn magnetische deeltjes bij verwerking ijzererts voor pelletvoer.

Toepassingen

Integrale onderdeel van lagegraads ijzerertsbeneficiëring. Roasting van lagegraads ertsen om magnetisatie te verhogen (hematiet → magnetiet conversie) vergroot toepasbaarheid conventionele magnetische scheiders. Ook gebruikt in bepaalde ijzerrecyclingtoepassingen.

Typen magnetische scheiders in detail

Meest gangbaar: droge en natte trommelscheiders voor ijzerertsbeneficiëring. Geïnduceerde rolscheiders voor zwak magnetische ijzererts, poliescheiders voor verwijdering vreemd ijzer. Alle gebruiken permanente magneten of elektromagneten, continu werkend. Trommelscheiders en hoge-gradiënt scheiders hieronder nader beschreven.

Trommelscheiders (drum separators)

Veel typen: polie, droge trommel, natte trommel, geïnduceerde gelijklopende, tegenlopende, tegenstroom typen rolscheiders.

Droge trommel, geïnduceerde rol, polie werken zoals eerder beschreven (Fig. 3). Droog voer wordt aan één of andere kant van trommel/polie afgeworpen, afhankelijk van relatieve grootte magnetische, centrifugaal-, zwaartekracht. Middlings (zwak aangeslagen deeltjes) vallen in bak tussen concentraat en tailings. Middlings bestaan uit gedeeltelijk gelibereerde deeltjes met magnetische en niet-magnetische componenten. Economisch aantrekkelijk: initiële behandeling met droge trommel, hermalen middlings, opnieuw magnetische behandeling.

Droge trommelscheiders behandelen deeltjes tot 100 µm. Prestaties sterk beïnvloed door vochtgehalte voererts. Hoog vochtgehalte → kleine deeltjes kleven aan grote → minder complete scheiding. Niet-magnetische trommel draait langs statische polen magneten binnenin → magnetisch deeltje ervaart varierende kracht → kantelende beweeg van gevangen deeltjes helpt scheiding van ongewenste niet-magnetische deeltjes. Omkeer van magnetisch veld tussen polen zorgt ook voor rotatie van deeltjes met resterende momenten. Specifieke beweging sterk afhankelijk van deeltjesgrootte.

Natte trommelscheiders (wet drum separators) – drie hoofdtypen (Fig. 4)

1. Gelijklopend (concurrent): voerslurry zelfde richting als trommelrotatie. Magnetische deeltjes aangeslagen op roterend oppervlak niet-magnetische trommel door stationaire magneten. Niet-magnetische zakken naar laagste punt, afgevangen als tailings. Concentraat wordt door trommel over overlopen naar rechts meegenomen. Hoge graad concentraat voor deeltjes van paar mm. Scheiding relatief schoon (magnetische deeltjes beïnvloed door magnetische en hydrodynamische wrijving langs hele omtrek). Tailings bevatten vaak nog magnetisch materiaal → herbehandeling in tegenlopende trommel.
2. Tegenlopend (counter-rotating): voer tegengestelde richting trommelrotatie. Magnetische deeltjes opgepikt, naar links boven meegenomen. Hoge terugwinning, maar algemeen lage graad (meeste magnetische deeltjes gevangen in kort traject, weinig kans ontvijgen niet-magnetische deeltjes). Behandelt deeltjes tot 100 µm. Grotere capaciteit dan gelijklopend type.
3. Tegenstroom (counter-current): vaak als afwerkingscheider: extreem schoon concentraat met goede terugwinning tot ~70 µm. Combineert kenmerken van beide bovenstaande. Fig. 4 toont 3-trommel tandem. Voer midden in magnetische sectie trommel. Stroomrichting tegengestelde trommelrotatie, meegesleept deeltjes zelfde richting. Meegesleept deeltjes gewassen door water linkszijde tank. Geschoond concentraat overlopen naar links.

Gemeenschappelijk kenmerk: overflow concentraatslurry aan eind tank → voorkomt verlies magnetische deeltjes door lucht-water-interface. Bij ontwaterd concentraat: deeltjes boven wateroppervlak getrokken en afgeschraapt; slurry hercirculeren om verlies te herwinnen.

Hoofdconcurrenterende kracht in natte trommel: hydrodynamische wrijving (relatieve snelheid slurry/waswater langs gevangen deeltje). Gelijklopend: ~perifere snelheid; tegenlopend: snelheden opgeteld. Perifere trommelsnelheden doorgaans veel hoger dan slurry-snelheden. Trommelsnelheid beïnvloedt ook capaciteit: langzamer → lagere capaciteit; sneller → lagere terugwinning (hogere wrijvingssnelheden) en meer walsverslijt.

Hoge-gradiënt scheiders (high gradient separators)

Ontwikkeld op basis dat hoge magnetische veldgradiënten grote magnetische krachten produceren. Ook "geïnduceerde pool" scheiders genoemd: veldgradiënten geproduceerd door toepassen relatief uniform achtergrondveld op ferromagnetische structuur (roosters, schermen, geribbelde platen, staalwol) → geïnduceerde magnetische polen langs correct georiënteerde randen. Aangezien hoge gradiënten alleen in kleine volumes kunnen bestaan, zijn deze scheiders ontworpen voor scheiding kleine magnetische deeltjes. Productie hoge gradiënten en grote krachten over voldoende groot oppervlak om praktische aantallen deeltjes te vangen is een uitdaging. Naalden met assen parallel aan toegepast veld produceren hoge gradiënten in relatief lage velden, maar beperkte vangstopppervlak. Filamenten gemagnetiseerd loodrecht op lange as hebben grote demagnetiseringsfactor, maar veel groter oppervlak.