Partikeln im Fein- und Feinstkornbereich in einem magnetischen Starkfeld

Zur Sortierung paramagnetischer Minerale werden im Feinkorn¬ bereich unterhalb ca. 1 mm Starkfeld-Magnetscheider eingesetzt, bei denen in einer Magnetanordnung in einem zwischen dessen Magneten erzeugten homogenen Magnetfeld ferromagnetische In¬ duktionselemente vorgesehen sind, die eine Feldverzerrung und damit magnetische Anziehungs- und Abstoßungskräfte bewirken. Das in einem flüssigen oder gasförmigen Trägermedium, meist Wasser, gegebenenfalls auch Luft, suspendierte zu trennende Gut (Trenngut) aus paramagnetischen Teilchen und nicht-magnetisier- baren Partikeln wird durch das längs der Induktionselemente ver¬ zerrte Magnetfeld geleitet. Dabei werden die paramagnetischen Partikeln durch die magnetische Anziehungskraft zu den Induk¬ tionskörpern hin abgelenkt und lagern sich an diesen an, während die anderen, nicht-magnetisierbaren Partikeln dem Strom des Trägermediums folgen und das Magnetfeld passieren. Die an den Induktionselementen angelagerten Partikeln werden zu einem späteren Zeitpunkt, zu dem das Magnetfeld nicht mehr wirksam ist, ab- und ausgespült, um das Magnetkonzentrat zu gewinnen. Derartige Magnetscheider bezeichnet man deshalb auch als Rückhaltescheider.

Die Induktionselemente können profilierte Platten, Kugeln, zylindrische Stäbe oder Drähte sein. Die charakteristische Länge ihrer Topographie, z.B. der Durchmesser der Drähte oder die Höhe der Profile, bestimmt den Grad der Inhomogenität des Magnetfeldes, die mit abnehmenden Abmessungen monoton zunimmt. Die magnetische Kraft wächst mit dem Grade der Inhomogenität, verhält sich proportional zur Suszeptibilität der Partikeln und dem Partikelvolumen und steigt mit abnehmendem Abstand vom Induktionsselement an.

Der prinzipielle Aufbau des Rückhaltescheiders bedingt eine diskontinuierliche Betriebsweise. In einem großtechnischen Prozeß ist jedoch eine kontinuierliche Betriebsweise erwünscht. Um diese zu verwirklichen, sind besondere Maßnahmen zu ergrei¬ fen.

Im einfachsten Fall werden zwei oder mehrere Magetscheider eingesetzt, deren Abscheidetakte aufeinanderfolgen. Hierbei wird das Trenngut jeweils dem im Abscheidetakt befindlichen Magnetscheider zugeführt. Anschließend wird der Magnet ausge¬ schaltet und das Konzentrat ausgespült während ein anderer Magnetscheider bei eingeschaltetem Magnetfeld sortiert. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Paket der Induktions¬ elemente aus dem Magnetfeld herauszunehmen und dann das Magnet¬ konzentrat auszuspülen. Dazu eignet sich eine Karussellanord¬ nung in besonderem Maße, da immerfort unbeladene Induktions¬ elemente in das Magnetfeld eingebracht und beladene herausge¬ nommen werden. Die am meisten verwendete Ausbildung technischer Starkfeld-Magnetscheider verwirklicht deshalb die Karussell¬ anordnung.

Es sind auch Vorschläge bekannt, Starkfeld-Magnetscheider nach dem Prinzip der kontinuierlich arbeitenden Querstrom-Trennappa¬ rate zu bauen. Die paramagnetischen Partikeln werden wie bei den zuvor angegebenen Rückhaltescheidern durch die Anziehungs¬ kraft zu den Induktionselementen, also quer zur Transportrich-

tung hin abgelenkt. Sie sollen sich jedoch dort nicht anlagern sondern durch das strömende Medium entlang der Induktionsele¬ mente transportiert und am Ausgang des oder jedes Trennkanals durch Trennschneiden vom übrigen, mit den nicht-magnetisier- baren Partikeln beladenen Strom abgetrennt werden. Ein solcher Querstrom-Starkfeld-Magnetscheider hat gegenüber den taktweise arbeitenden Magnetscheidern bzw. den Karussellscheidern zwar den theoretischen Vorteil, daß das Magnetfeld nicht aus- und eingeschaltet und die Aufgabe- und Produktströme nicht umge¬ schaltet werden müssen, die Anordnung der Induktionselemente ortsfest bleibt und das konstruktiv aufwendige Karussell ent¬ fällt, jedoch den Nachteil, daß bei der Umsetzung dieses Vor¬ schlags in einen großtechnisch verwendbaren Trennapparat die Schwierigkeit auftritt, daß der Transport der Partikeln, insbe¬ sondere der paramagnetischen Partikeln, entlang der Induktions¬ elemente unbefriedigend oder überhaupt nicht erfolgt. Quer- strom-Starkfeld-Magnetscheider dieser Bauform bewähren sich im Feinkornbereich überhaupt nicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Gut, das paramagnetische Partikeln im Fein¬ kornbereich unterhalb ca. 1 mm enthält, kontinuierlich im Querstrom in einem starken Magnetfeld sortiert werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein Verfahren der genannten Art zu schaffen, welches eine wirksamere Trennung und eine bessere Trennschärfe erlaubt. Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung eines Verfahrens, welches ausreichende Durchsätze für großtechnischen Einsatz ermöglicht.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung zum Durchführen des genannten Ver¬ fahrens kontinuierlichen Sortierens.

Der Trenngutstrom fließt gemäß einem Aspekt der Erfindung parallel zu wenigstens einem Induktionselement und wird am Ende einer Trennstrecke in wenigstens einen an paramagnetischen Partikeln verarmten und einen an paramagnetischen Partikeln

angereicherten Produktstrom aufgeteilt. Im einzelnen wird der Trenngutstrom parallel zu jedem Induktionselement in einem Magnetfeld geführt, in welchem die magnetische Abstoßungskraft jedes Induktionselements zu der Schwerkraft, bei gutem ruhenden System, oder zu der Zentrifugalkraft, bei einem rotierenden System, so orientiert ist, daß die resultierende Kraft die ab¬ zutrennenden paramagnetischen Partikel von dem Induktionsele¬ ment weg und die anderen Partikeln zu dem Induktionselement hin bewegt, wobei der Strom oberhalb jedes Induktionselements im Schwerkraftfeld und auf der der Drehachse zugewandten Innen¬ seite jedes Induktionselements im Zentrifugalfeld geführt wird.

Gemäß einem weiteren Apsekt der Erfindung wird das angegebene Verfahren des kontinuierlichen Sortierens mit einer Vorrichtung durchgeführt, in der außerhalb jedes Trennkanals jeweils ein Induktionselement in Form eines Drahtes mit kreisförmigem elliptischem oder romboidem Querschnitt rechtwinkelig zu den Feldlinien der Magnetanordnung ausgerichtet ist. Jeder Trenn¬ kanal, der etwa so lang ist wie das Induktionselement, befindet sich oberhalb des Induktionselements und hat eine Breite von etwa bis zu dem einfachen und einee Höhe von etwa dem ein- bis zweifachen Durchmesser des Induktionselements.

Das neue Magnetscheideverfahren und der neue Starkfeld-Magnet¬ scheider ermöglichen es, bei einer magnetischen Suszeptibilität der paramagnetischen Teilchen zwischen 10 -5 und 10-2 einwand¬ freie technische Trennungen im Partikelgrößenbereich zwischen einigen Mikrometer und einigen Millimeter zu erzielen. Erfin¬ dungsgemäß werden sowohl die magnetische Abstoßungskraft zur Trennung benutzt als auch die Massenkraft (Schwerkraft bzw. Zentrifugalkraft) . Diese Abstoßungskraft ist antiparallel zur Schwerkraft bzw. zur Zentrifugalkraft gerichtet.

Um jedes Induktionselement entstehen nebeneinander Gebiete mit Feldverdichtung, die Anziehungskräfte bewirken, und Feldverdün¬ nung, die Abstoßungskräfte hervorrufen. So hat das Feld nur ein stab- oder drahtförmiges zylindrisches Induktionselement mit

kreisförmigem, elliptischem oder rhomboidem Querschnitt eine vierstrahlige Symmetrie, wie dies in Fig. la dargestellt ist. Das an sich homogene Magnetfeld der Feldstärke H wird derart ausgerichtet, daß die Feldlinien horizontal verlaufen. Die stab- oder drahtförmigen zylindrischen Induktionselemente sind horizontal jedoch rechtwinkelig zu den Feldlinien angeordnet. In dieser Anordnung resultieren in den Sektoren I und III Abstoßungs- und in den Sektoren II und IV Anziehungskräfte, die sich mit zunehmendem Abstand von der Achse reduzieren. In der Vertikalen über dem Draht ist die Abstoßung antiparallel zur Schwerkraft gerichtet. Es ergibt sich ein Abstand, bei dem Abstoßungs- und Schwerkraft dem Betrag nach gleich groß sind. Bei gegebenem Feld und Drahtdurchmesser des Induktionselements bestimmt nur die Suszeptibilität der Partikeln jedoch nicht deren Größe diesen Gleichgewichtsabstand.

In einem über einem Induktionselement 1 vorgesehenen Trennkanal 2 ordnen sich die Partikeln entsprechend ihrer Suszeptibilität in verschiedenen Höhen an, während Partikeln mit der Suszepti¬ bilität Null aufgrund der Schwerkraft auf den Boden des Trenn¬ kanals sedimentieren. Auf diese Weise driften paramagnetische Partikeln 3 und nicht-magnetisierbare bzw. unmagnetische Partikeln 4 in entgegengesetzten Richtungen, wie dies in Fig. lb dargestellt ist, so daß beide Partikelsorten erstmals mühe¬ los voneinander getrennt werden können. Bei genügend hohem Trennkanal 2 berühren die paramagnetischen Partikeln die obere Kanalwand nicht; ihr Transport durch den Trennkanal bleibt deswegen unbehindert.

Das Trenngut wird in einem fluiden Medium dispergiert und als Trenngutstrom 5, wie in Fig. 1c dargestellt, am Einlaßende 7 des Trennkanals 2 eingespeist und auf einer sich anschließenden Trennstrecke 11 sortiert. Im Auslaßende 12 des Trennkanals 2 ist eine Trennschneide 13 vorgesehen, die ihn in einen oberen Auslaßkanal 14 und einen unteren Auslaßkanal 15 unterteilt. Aus dem oberen Auslaßkanal 14 tritt ein oberer Produktstrom 16 aus, der mit den paramagnetischen Partikeln angereichert ist, also

das Magnetkonzentrat enthält. Den unteren Auslaßkanal 15 verläßt ein unterer Produktstrom 17, der an paramagnetischen Partikeln verarmt ist bzw. die anderen Partikeln, also das Unmagnetische, enthält.

Dem Trennkanal 2 können auch zwei Ströme übereinander getrennt zugeführt werden, sh. Fig. Id. Dazu ist in ihm am Einlaßende 7 eine Trennwand 8 vorgesehen, die das Einlaßende in einen oberen Einlaßkanal 9 und in einen unteren Einlaßkanal 10 unterteilt. In den unteren Einlaßkanal 10 wird der Trenngutstrom 5 einge¬ speist. Durch den oberen Einlaßkanal 9 wird ein Strom 6 eines vorzugsweise reinen fluiden Mediums, z.B. Wasser, aufgegeben. Die Durchflußgeschwindigkeit ist so einzustellen, daß die Ver¬ weilzeit in der Trennstrecke 11 des Trennkanals für die Drift aller oder zumindest der meisten paramagnetischen Partikeln über die Höhe der auslaßseitig vorgesehenen Trennschneide 13 ausreicht.

Um den Transport der unteren Schicht aus unmagnetischen Parti¬ keln zu erleichtern, sind der Trennkanal 2 und das Induktions¬ element 1 vorzugsweise vom Einlaß zum Auslaß um einen Winkel von 0° bis 50°, vorzugsweise von 15° bis 40°, gegen die Hori¬ zontale geneigt.

Mit diesem magnetischen Trennverfahren läßt sich erstmals eine kontinuierliche Strömungsortierung feinkörniger paramagne¬ tischer Materialien von nicht-magnetischen Teilchen mit guten

Trennschärfen im Feinkornbereich durchführen. Beispielsweise

..3 konnten Mischungen aus Hämatit (_C - 3 ^* 10 ) und Quarz mit

Partikeln zwischen 10 und 100 μm so sortiert werden, daß sich Fehlausbringen von Hämatit im unteren Produktstrom, also im Unmagnetischen, bzw. von Quarz im oberen Produktstrom, also im Magnetkonzentrat, von weniger als 2 % ergaben. Das Induktions¬ element war hierbei ein Reineisendraht von 3 mm Durchmesser und 100 mm Länge, die Flußdichte wurde auf 1,5 Tesla und die Strö¬ mungsgeschwindigkeit auf 8 cm/s eingestellt. Diese Ergebnisse lassen sich mit üblichen Karussell-Magnetscheidern nicht er¬

In einem technischen Starkfeld-Magnetscheider werden zur Erhö¬ hung des Durchsatzes und besseren Ausnutzung des Spaltvolumens zwischen den Magnetpolen mehrere Induktionselemente und zuge¬ hörige Trennkanäle gleichgerichtet eingebaut. Die Induktions¬ elemente können so angeordnet werden, daß im Querschnitt ent¬ weder ein rechteckiges Muster, wie in Fig. 2a dargestellt, oder ein rhomboides Muster entsprechend Fig. 2b entsteht. Im ersten Fall resultieren aus der Überlagerung der Magnetfelder Flächen 20, in denen die magnetische Kraftwirkung verschwindet. Die Gleichgewichtshöhe der paramagnetischen Partikeln liegt unter¬ halb dieser Flächen. Befindet sich die obere Wand des Trenn¬ kanals nicht unterhalb der Fläche 20, dann steigen die paramag¬ netischen Partikeln nicht bis zur oberen Wand auf, so daß ihr Transport durch den Trennkanal nicht durch Reibung oder Haft¬ kräfte behindert wird. Die Trennschneide 13 ist unterhalb der Gleichgewichtshöhe zu positionieren. Im zweiten Fall bewirken die seitlich des Trennkanals angeordneten Induktionselemente, daß oberhalb einer bestimmten Höhe die nach oben gerichtete Magnetkraft von einem Minimalwert wieder bis zu einem Maximum in der Höhe der Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten der Induktionselemente ansteigt und danach bis auf Null abfällt. Durch diesen Kraftverlauf zwischen den Höhen des Miniraums und des Maximums entsteht eine partikelfreie Schicht, wodurch sich der mit paramagnetischen Partikeln angereicherte Strom leichter als sonst von jenem an paramagnetischen Partikeln verarmten Strom abtrennen läßt.

Das Magnetfeld kann entweder durch Permanent-, Elektromagnete oder durch supraleitende Spulen erzeugt werden. Die entgegenge¬ setzten Driftrichtungen von paramagnetischen und unmagnetischen Partikeln erfordern eine der magnetischen Abstoßkraft entgegen¬ wirkende Massenkraft. Bei geraden feststehenden Trennkanälen ist dies die Schwerkraft. Es kann dafür aber auch die Zentri¬ fugalkraft genutzt werden, wenn die Induktionselemente und die Trennkanäle in einem rotierenden System konzentrisch oder spiralförmig zu dessen Drehachse vorgesehen sind oder wenn

feststehende Induktionselemente und Trennkanäle eine gekrümmte Form besitzen, so daß beim Durchströmen Zentrifugalkräfte entstehen.

Je nach Wahl des Magnetsystems und der Massenkraft sind ver¬ schiedene Ausführungsformen für erfindungsgemäße Repulsions- Starkfeld-Magnetscheider möglich. Vier vorteilhafte Ausfüh¬ rungsbeispiele sind im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung näher beschrieben, in der zeigt:

Fig. 3a und 3b einen Magnetscheider mit feststehenden, geraden, geneigten Induktionselementen und Trennkanälen zwischen den Polen eines Permanent- oder Elektromagneten im Längs- und im Querschnitt,

Fig. 4 einen Magnetscheider mit feststehenden, geneigt angeordneten geraden Induktionselementen und Trennkanälen in einer supraleitenden Spule,

Fig. 5a und 5b einen Magnetscheider mit Anordnung spiral¬ förmiger Induktionselemente und Trennkanäle in einem zwischen den Polen eines Permanent- oder Elektromagneten umlaufenden Rotor im Längs- und im Querschnitt, und

Fig. 6 einen Magnetscheider mit Anordnung spiralförmiger Induktionselemente und Trennkanäle in einem in einer supraleitenden Spule umlaufenden Rotor.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3, die einen Repulsions- Starkfeld-Magnetscheider für die Sortierung im Schwerkraftfeld zeigt, ist der Magnet, bei dem es sich um einen Permanentmagne¬ ten oder, vorzugsweise, einen Elektromagneten handeln kann, so ausgerichtet, daß die Feldlinien horizontal verlaufen. Zwischen Polschuhen 21 und 22 befindet sich ein Körper 23 mit einem Trennsystem aus drahtförmigen Induktionselementen 1 und darüber- liegenden Trennkanälen 2. Die Induktionselemente liegen recht¬ winklig zu den Feldlinien, sind jedoch gegenüber der Horizonta-

len um einen Winkel von 15 bis 40° geneigt. In jedem Trennkanal 2 wird am Einlaßende 7 unterhalb einer Trennwand 8 durch den unteren Einlaßkanal 10 der Trenngutstrom 5, i.a. Trenngut in Wasser suspendiert, und oberhalb der Trennwand 8 ein trenn- gutfreier Fluidstrom 6 durch den oberen Einlaßkanal 9, i.a. reines Wasser, eingespeist. Am Auslaßende 12 jedes Trennkanals 2 aber noch im Magnetfeld befindet sich die Trennschneide 13, die den Strom in einen oberen Produktstrom 16 mit dem Magnet¬ konzentrat und einen unteren Produktstrom 17 mit dem Unmagne¬ tischen trennt, die durch die Auslaßkanäle 14 bzw. 15 abgezogen werden. Ein erstes, nicht dargestelltes Kanalsystem am Einla߬ ende 7 des Trennsystems verteilt den Trenngutstrom 5 und den Fluidstrom 6 auf die Trennkanäle 2, ein zweites, ebenfalls nicht dargestelltes Kanalsystem am Auslaßende 12 faßt einer¬ seits die oberen Produktstrδme 16 und andererseits die unteren Produktströme 17 zusammen.

In Fig. 4 ist ein Repulsions-Starkfeld-Magnetscheider für die Sortierung im Schwerkraftfeld in einer supraleitenden Spule 25 dargestellt. Eine supraleitende Spule 25 weist eine rechteckige, warme Öffnung 26 auf. Die Spule ist derart angeordnet, daß die im Spuleninnenraum axial gerichteten Feldlinien horizontal ver¬ laufen und die längere Kante der rechteckigen, warmen Öffnung 26 gegenüber der Horizontalen um einen Winkel zwischen 15° und 40° geneigt ist. Das Trennsystem befindet sich in der warmen Öffnung 26. Die Induktionselemente 1 und Trennkanäle 2 sind rechtwinklig zu den Feldlinien und parallel zu der längeren Kante ausgerichtet. Wie bei dem Magnetscheider nach Fig. 3 wird jedem Trennkanal 2 unten durch Einlaßkanäle 10 ein Trenngut¬ strom 5 und oben durch Einlaß anäle 9 ein Wasserstrom voneinan¬ der durch eine Trennwand 8 getrennt, aufgegeben und es werden am Auslaßende 12 zwei Produktströme 16 und 17 voneinander durch eine Trennschneide 13 getrennt, durch Auslaßkanäle 14 und 15 abgezogen. Die Verteilung des gesamten Trenngutstromes und des gesamten Wasserstromes auf die Trennkanäle 2 erfolgt ebenso durch ein Kanalsystem, wie auch die oberen und unteren Produkt¬ ströme aus den Auslaßkanälen 14 und 15 jedes Trennkanals durch ein solches zusammengeführt werden.

Fig. 5 zeigt einen Repulsions-Starkfeld-Magnetscheider für die Sortierung im Zentrifugalfeld mit Permanent- oder Elektromag¬ netanordnung. Zwischen Polschuhen 21 und 22 eines Magneten mit einer Mittelbohrung 28 ist ein Rotor 30, dessen Welle 31 parallel zu den Feldlinien ausgerichtet ist, gelagert. Der Magnet wird vorzugsweise so montiert, daß die Feldlinien verti¬ kal verlaufen. Im Rotor 30 sind mehrere spiralförmig von innen nach außen führende Induktionselemente 1 und Trennkanäle 2 ausgebildet. Die Trennkanäle 2 befinden sich auf der der Dreh¬ achse zugewandten Innenseite der Induktionselemente 1. Der Trenngutstrom 5 wird über einen einzigen Einlaßkanal 32 im oberen Teil der Welle 31 zugeführt und auf die Trennkanäle 2 des Rotors 30 durch ein nicht dargestelltes Kanalsystem ver¬ teilt. Die oberen Produktströme 16 und die unteren Produkt- strδme 17 der Trennkanäle 2 werden durch ein ebenfalls nicht dargestelltes Kanalsystem zusammengeführt und über zwei Aus¬ laßkanäle 14 und 15 im unteren Teil der Welle 31 des Rotors 30 ausgetragen.

Der Repulsions-Starkfeld-Magnetscheider für die Sortierung im Zentrifugalfeld nach Fig. 6 hat eine supraleitende Spule. In deren warmer, kreisrunder Öffnung 26 läuft ein Rotor 30 um. Die Drehachse der Welle 31 fällt mit der Spulenachse zusammen. Die Induktionselemente 1 und die Trennkanäle 2 des Rotors 30 ver¬ laufen in zur Drehachse rechtwinkligen Ebenen konzentrisch zur Drehachse. Der Trenngutstrom 5 wird über einen Einlaßkanal 32 im oberen Teil der Welle 31 zugeführt und auf die Trennkanäle 2 durch ein nicht dargestelltes Kanalsystem verteilt. Die jeweils oberen Produktströme 16 und unteren Produktströme 17 werden ge¬ trennt zusammengeführt und über die zwei Auslaßkanäle 14 und 15 im unteren Teil der Rotorwelle 31 ausgetragen.