Magnetische Trennung & Eisenerzaufbereitung: Fortschrittliche Techniken für effiziente Eisenkonzentration

Magnetische Trennung und Eisenerzaufbereitung

Die magnetische Trennung ist eine alte Technik zur Konzentration von Eisenerzen und zur Entfernung von Fremdeisen. Seit 1849 wurden in den USA zahlreiche Patente auf magnetische Trennung erteilt, und einige Patente vor 1910 beschreiben eine Vielzahl von Magnetabscheidern für die Mineralverarbeitung.

Magnetische Trennverfahren nutzen den Unterschied in den magnetischen Eigenschaften zur Trennung von Eisenerz von nicht-magnetischem Begleitgangmaterial. Die magnetische Trennung kann sowohl in trockener als auch in nasser Umgebung durchgeführt werden, wobei Nasssysteme häufiger im Einsatz sind.

Die magnetische Trennung ist eine physikalische Trennung diskreter Partikel, basierend auf dem dreifachen Wettbewerb zwischen: (i) magnetischen Zugkräften, (ii) gravitativen, hydrodynamischen Widerstands-, Reibungs- oder Trägheitskräften, und (iii) attraktiven oder abstoßenden Interpartikelkräften. Diese Kräfte wirken kombiniert differentiell auf Partikel unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften im Einspeisematerial. Abb. 1 zeigt das Prinzip der magnetischen Trennung.

Abb. 1 Prinzip der magnetischen Trennung

Die Kräfte in Magnetabscheidern, die mit den magnetischen Kräften konkurrieren und auf alle Partikel wirken, die den Abscheider durchlaufen, sind Schwerkraft, hydrodynamischer Widerstand, Reibung und Trägheit. Je nach Art des Magnetabscheiders können bestimmte dieser Kräfte mehr oder weniger Bedeutung haben.

Die Gravitationskraft ist bei großen Partikeln signifikant, während die hydrodynamische Widerstandskraft bei kleinen Partikeln dominiert. Daher durchläuft das Einspeisematerial in einem trockenen Magnetabscheider für große Partikel das Schwerefeld. Die magnetischen Kräfte müssen ausreichen, um das magnetische Partikel gegen die konkurrierende Schwerkraft zu halten. In einem Nassabscheider für kleine Partikel muss die magnetische Kraft größer sein als die hydrodynamische Widerstandskraft, die der Suspensionsstrom auf die gefangenen Partikel ausübt.

Wettbewerb der Kräfte und Trennleistung

Der Wettbewerb zwischen magnetischer Kraft und konkurrierenden Kräften in einem Magnetabscheider bestimmt die Wahrscheinlichkeit, dass ein magnetisches Partikel eingefangen oder zurückgewonnen wird. Die Interpartikelkraft zwischen magnetischen und nicht-magnetischen Partikeln bestimmt die Konzentration der Trennprodukte. Wenn die Kraft zwischen den Partikeln größer ist als die magnetischen und konkurrierenden Kräfte, werden wahrscheinlich viele nicht-magnetische Partikel zusammen mit den magnetischen eingefangen. Umgekehrt können viele magnetische Partikel mit den nicht-magnetischen mitgerissen werden und nicht eingefangen werden.

Um eine hohe Rückgewinnung magnetischer Partikel zu erreichen, muss die magnetische Trenkraft größer sein als die Summe der konkurrierenden Kräfte. Ist die magnetische Kraft jedoch viel größer als die konkurrierende Kraft, ist die Selektivität der Trennung gering, da keine Unterscheidung zwischen verschiedenen magnetisierbaren Partikeln getroffen wird. Die Selektivität des Prozesses wird kritisch durch die relativen Werte der magnetischen und konkurrierenden Kräfte bestimmt, die durch die richtige Wahl des Abscheiders und seiner Betriebsparameter beeinflusst werden.

Die wirksamen magnetischen, konkurrierenden und Interpartikelkräfte bestimmen die Abscheiderleistung. Diese Kräfte hängen sowohl von der Art des zu trennenden Einspeisematerials als auch von den Eigenschaften des Magnetabscheiders ab. Die Art der Einspeisung umfasst ihre Größe und physikalischen Eigenschaften, die die verschiedenen Kräfte beeinflussen können. Die Eigenschaften des Magnetabscheiders umfassen Design und variable Parameter, insbesondere das Magnetfeld und die Prozessrate. Es besteht eine allgemeine Beziehung zwischen diesen Parametern. Auch kann die magnetische Kraft in einem Abscheider maximiert werden, indem der Magnetfeldgradient an die Partikelgröße angepasst wird.

Der Magnetabscheider trennt das Eisenerz-Einspeisematerial in zwei oder mehr Komponenten. Wenn der Zweck die Produktion eines magnetisch konzentrierten Eisenerzes ist, ist die andere, nicht-magnetische Komponente der Abgang. In manchen Fällen kann auch eine weniger magnetische dritte Komponente, das sogenannte Mittelgut, abgetrennt werden. Jeder dieser Materialströme muss in den Abscheider hinein, durch ihn hindurch oder aus ihm heraus transportiert werden.

Die magnetischen und konkurrierenden gravitativen, Reibungs-, hydrodynamischen Widerstands- oder Trägheitskräfte tendieren zur Trennung der Partikel, während die attraktiven Interpartikelkräfte den Trennungsgrad verringern. In jeder realen Situation für die Trennung finden sich sowohl magnetische als auch nicht-magnetische Partikel normalerweise in den Abgängen oder Mittelgütern, und nur im Grenzfall ist eine vollständige magnetische Trennung möglich. Die Effizienz der magnetischen Trennung wird üblicherweise sowohl durch die Rückgewinnung (Verhältnis von magnetischem Material im Konzentrat zu dem in der Einspeisung) als auch durch den Gehalt (Anteil magnetischen Materials im Konzentrat) ausgedrückt. Dies sind die beiden normalerweise verwendeten unabhängigen Maße für die Wirksamkeit des Magnetabscheiders. Diese Maße hängen von der relativen Größe der ziehenden magnetischen Kräfte, gravitativen, hydrodynamischen Widerstands-, Reibungs- oder Trägheitskräfte und attraktiven oder abstoßenden Interpartikelkräften ab.

Bei der magnetischen Trennung, obwohl die Bedingungen für effiziente Trennung klar definiert sind, gibt es eine Komplikation, da die relative Bedeutung der Kräfte hauptsächlich durch die Partikelgröße bestimmt wird. Dies liegt daran, dass die konkurrierenden Kräfte von der Partikelgröße abhängen. Bei trockener magnetischer Trennung hat die Widerstandskraft meist einen vernachlässigbaren Effekt auf die Partikelgröße und beeinflusst daher als Regel die Trennungseffizienz nicht erheblich. Im Gegensatz dazu hat die Partikelgröße bei trockener magnetischer Trennung signifikante Abhängigkeit von der magnetischen Kraft und der Gravitationskraft. Andererseits, bei Nassabscheidung, wo die hydrodynamische Widerstandskraft wichtig sein kann, wird die Selektivität der Trennung erheblich durch die Partikelgrößenverteilung beeinflusst. Mit abnehmender Partikelgröße nimmt die relative Bedeutung des hydrodynamischen Widerstands im Vergleich zur magnetischen Kraft zu.

Im Design eines Magnetabscheiders ist es notwendig, dass neben einem Feld auch ein Gradient in der Feldstärke bereitgestellt wird, um die Bewegung der Partikel in die gewünschten Richtungen zu verstärken. In einem Feld gleichmäßigen magnetischen Flusses konvergieren magnetische Partikel am Fluss und orientieren sich so, dass eine Konzentration in seinem Körper entsteht, aber es bewegt sich nicht. Erzeugt man hingegen ein konvergierendes Feld, resultiert eine resultierende Anziehung der Partikel zum höheren Flussbereich.

Das Magnetfeld und der Feldgradient, die auf die Partikel in allen Magnetabscheidern wirken, können auf vielfältige Weise erzeugt werden und resultieren in stark variierenden Feldgeometrien und -stärken. In einigen Fällen erzeugen Permanentmagnete die Felder direkt, in anderen Fällen werden Spulen und Eisenmagnetkreise verwendet, um eine ferromagnetische Struktur zu magnetisieren, deren Feldgradienten die magnetischen Partikel anziehen.

Es gibt verschiedene Arten von Magnetabscheidern, die entwickelt wurden, um das erforderliche Magnetfeld basierend auf den aufzubereitenden Erzen sowie anderen Kriterien zu ermöglichen. Magnetabscheider werden grob in zwei Gruppen eingeteilt: (i) niedrige Intensität und (ii) hohe Intensität. Beide Gruppen können sowohl nass als auch trocken betrieben werden. Gängige Typen sind: (i) nasse und trockene Niedrigintensitäts-Magnetabscheidung (LIMS), (ii) Hochgradienten-Magnetabscheidung (HGMS), (iii) nasse Hochintensitäts-Magnetabscheidung (WHIMS), (iv) Rollenmagnetabscheider für schwachmagnetische Erze, und (v) Induktionsroll-Magnetabscheidung (IRMS) zur Konzentration trockener Erze. Das Magnetfeld wird üblicherweise durch eine von mehreren Methoden erzeugt: (i) Permanentmagnet, (ii) Elektromagnet mit Eisenschenkel, (iii) Spule und (iv) supraleitender Magnet.

Magnetische Trennoperationen werden oft als niedrige oder hohe Intensität kategorisiert. Niedrigintensitätsabscheider nutzen Magnetfelder von 0,1 bis 0,3 Tesla. Niedrigintensitätsverfahren werden normalerweise bei Magneterz als kostengünstige und effektive Trennmethode eingesetzt. Hochintensitätsabscheider verwenden Felder von 1 bis 2 Tesla. Dieses Verfahren dient zur Trennung schwachmagnetischer Eisenerze wie Hämatit von nicht-magnetischen oder weniger magnetischen Gangmaterialien. Weitere wichtige Faktoren für die Wahl des Magnetabscheidertyps sind Partikelgröße und Feststoffgehalt der Erzsuspension.

Magnetabscheider werden allgemein als trockene/nasse Niedrigintensitäts-Magnetabscheider, trockene/nasse Hochintensitäts-Magnetabscheider und Hochgradienten-Magnetabscheider gruppiert. Die Gruppierungen basierend auf der Magnetfeldintensität sind in Abb. 2 dargestellt. Zusätzlich gibt es einige Abscheider, die auch zur trockenen Hochintensitätsgruppe gehören, wie Permanentrollen-Magnetabscheider, isodynamische Abscheider, offene Gradienten-Magnetabscheider, vibrierende Hochgradienten-Magnetabscheider/Filter und supraleitende Hochgradienten-Magnetabscheider. Hochintensitäts-Trockenmagnetabscheider haben höhere Magnetfeldstärke, vermittelt entweder durch Permanentmagnet oder induziertes Magnetfeld, um Partikel basierend auf ihrer magnetischen Suszeptibilität zu trennen.

Abb. 2 Gruppierungen von Magnetabscheidern basierend auf Magnetfeldintensitäten

Prinzipien ausgewählter Abscheidertypen

Obwohl es mehrere Gruppierungen von Magnetabscheidern gibt, werden hier die Trennprinzipien von zwei Typen (Trommel und Hochintensität) beschrieben. Der Trommelabscheider ist repräsentativ für konventionelle Niedriggradienten-Magnetabscheider. In einem solchen Abscheider (Abb. 3) wird das trockene Einspeisematerial oben an einer rotierenden Trommel eingeführt. Die Erzpartikel werden durch die kombinierte Wirkung von Gravitations- und Reibungskräften, die die Trommelrotation auf die Partikel übertragen, nach unten entlang der Trommel getragen. Magnetische Kräfte, erzeugt von stationären Magneten innerhalb der Trommel, halten die höher magnetischen Partikel an der rotierenden Trommel. Diese Partikel werden rechts abgelagert, wenn die Trommel am Ende der Magnete vorbeibewegt. Die nicht-magnetischen Partikel fallen frei links von der Trommel ab. Ein solcher Abscheider kann entweder Permanentmagnete oder Elektromagnete verwenden. Magnetabscheider ähnlicher Art werden weit verbreitet für die Aufbereitung magnethaltiger Eisenerze eingesetzt.

Abb. 3 Beispiel für zwei Arten von Magnetabscheidern

Abb. 3 zeigt auch die schematische Darstellung des Hochintensitäts-Magnetabscheiders. In diesem Hochgradienten-Magnetabscheider wird ein Magnet verwendet, der ein starkes einstellbares Feld im Containervolumen erzeugt. Dieses Volumen ist mit einer Matrix aus filigranem, ferromagnetischem Material gefüllt. Starke magnetische Kräfte, erzeugt durch die hohen Feldgradienten an den Kanten der Filamente, sind effektiv beim Einfangen sehr feiner (weniger als 100 µm) Partikel sogar schwachmagnetischer Substanzen. Diese Filamente werden passend zur Größe der Einspeisepartikel gewählt, um die magnetischen Kräfte zu optimieren. Die Eisenerzeinspeisung in Flüssigkeit (meist Wasser) Suspension wird nach unten durch den Behälter geleitet. Die Flüssigkeit und nicht-magnetischen Partikel passieren die relativ offene Struktur der Matrix leicht. Die eingefangenen magnetischen Partikel werden leicht ausgewaschen, wenn das angelegte Feld auf null reduziert wird. Magnetabscheider dieses Typs sind nützlich für die Konzentration oder Entfernung feiner magnetischer Partikel bei der Verarbeitung von Eisenerz für Pelletzufuhr.

Anwendungen und Typen

Magnetabscheider sind integraler Bestandteil von Niedriggrad-Eisenerz-Aufbereitungssystemen. Das Rösten von niedriggradigen Eisenerzen zur Erhöhung ihrer Magnetisierung (d. h. Umwandlung von Hämatit in Magnetit) erweitert die Anwendbarkeit konventioneller Magnetabscheider. Magnetabscheider werden auch in bestimmten Eiserecycling-Anwendungen eingesetzt.

Arten von Magnetabscheidern

Es gibt mehrere Arten von Magnetabscheidern für die Eisenerzaufbereitung. Die häufigsten sind trockene und nasse Trommelabscheider für die Eisenerzaufbereitung. Induzierte Rollabscheider werden zur Behandlung schwachmagnetischer eisenhaltiger Erze verwendet, während Rollenabscheider (Pulley Separators) am häufigsten zur Entfernung von Fremdeisen aus verschiedenen Einspeisungen eingesetzt werden. Diese Abscheider verwenden entweder Permanentmagnete oder Elektromagnete und arbeiten im kontinuierlichen Modus. Trommelabscheider und Hochgradienten-Magnetabscheider werden im Folgenden näher beschrieben.

Trommelabscheider

Trommelabscheider vieler Typen sind vielleicht der häufigste Typ von Magnetabscheider. Diese Typen umfassen Rollen-, Trockentrommel-, Nasstrommel- und induzierte gleichlaufende, gegenläufige und gegenstromige Rollabscheider.

Trockentrommel-, Induzierte Roll- und Rollenabscheider arbeiten ähnlich wie der in Abb. 3 gezeigte und zuvor beschriebene Abscheider. Das trockene Material wird je nach relativer Größe der magnetischen, zentrifugalen oder gravitativen Kräfte, die auf das Partikel wirken, von einer Seite der Trommel oder Rolle ausgeworfen. Mit diesen Abscheidertypen ist es möglich, eine Mittelgutfraktion zurückzugewinnen. Die Mittelgutpartikel werden schwächer von der magnetischen Kraft angezogen als die Konzentratpartikel und fallen daher in einen Behälter zwischen Konzentrat- und Abgangsbehälter. Diese Mittelgüter bestehen generell aus teilweise gelösten Partikeln, die sowohl magnetische als auch nicht-magnetische Komponenten enthalten. Da das Mahlen von Erzen teuer ist, ist es häufig wirtschaftlich attraktiv, das Erz zunächst mit einem Trockentrommelabscheider zu behandeln und die Mittelgutfraktion vor der erneuten magnetischen Behandlung nachzumahlen.

Trockentrommelabscheider behandeln Partikel bis zu 100 µm. Die Leistung dieser Abscheider bei der Konzentratproduktion wird stark vom Feuchtigkeitsgehalt des Einspeiseerzes beeinflusst. Bei hohem Feuchtigkeitsgehalt können kleine Partikel an größere haften, was zu einer weniger vollständigen Trennung führt. Da die nicht-magnetische Trommel in Abb. 1 an den stationären Polen der Magnete innerhalb der Trommel vorbeidreht, erfährt ein magnetisches Partikel eine Kraft variierender Größe, während es auf der Trommeloberfläche reitet. Diese Variation der magnetischen Kraft kann eine Tumbling-Bewegung der gefangenen Partikel erzeugen, die ihre Trennung von unerwünschten nicht-magnetischen Partikeln unterstützt. Die Umkehr des Magnetfeldes zwischen den Magnetpolen resultiert auch in einer Rotation der Partikel mit verbleibenden Momenten. Die spezifische Partikelbewegung ist stark von der Partikelgröße abhängig.

Es gibt drei Haupttypen von Nasstrommelabscheidern (Abb. 4): (i) gleichlaufend (concurrent), (ii) gegenläufig (counter-rotating) und (iii) gegenstromig (counter-current). Die Magnete in den Trommeln sind wie in Abb. 3 dargestellt und bedecken etwa den gleichen Bogen wie die rotationsanzeigenden Pfeile. Beim gleichlaufenden Trommelmagnetabscheider wird die Einspeisesuspension in dieselbe Richtung wie die Trommelrotation durch den Trichter geleitet. Magnetische Partikel werden von den stationären Magneten innerhalb der Trommel an die rotierende Oberfläche der nicht-magnetischen Trommel angezogen. Die nicht-magnetischen Partikel sinken zum tiefsten Punkt im Trichter und werden als Abgang abgezogen. Das magnetische Konzentrat wird von der rotierenden Trommel über den Überlauf nach rechts mitgeführt. Dieser Abscheidertyp erzeugt ein hochgradiges Konzentrat für Partikel im Bereich weniger Millimeter Durchmesser. Die Trennung ist relativ sauber, da die magnetischen Partikel entlang des gesamten Trommelumfangs von den konkurrierenden magnetischen und hydrodynamischen Widerstandskräften beeinflusst werden. Diese Reinigung erfolgt, obwohl die Kraftvariation durch die alternierenden Pole innerhalb der Trommel nicht den gleichen Grad an Partikelbewegung auf der Trommel erzeugt wie im trockenen Abscheider, wo die viskosen Kräfte der Suspension fehlen. Da der gleichlaufende Trichterabscheider oft Abgang produziert, in dem ein relativ großer Anteil magnetischen Materials verbleibt, werden die Abgänge oft in einem gegenläufigen Trommelabscheider nachbehandelt.

Der gegenläufige Abscheider ist in Abb. 4 dargestellt. Die Einspeisung wird entgegen der Trommelrotationsrichtung durch den Trichter geleitet. Die magnetischen Partikel werden auf der Trommeloberfläche aufgenommen und nach links oben mitgeführt. Dieser Abscheider erzeugt eine hohe Rückgewinnung, aber generell ein niedriggradiges Konzentrat, da die meisten magnetischen Partikel in einem kurzen Abschnitt der Trommel eingefangen werden und wenig Gelegenheit besteht, dass das Material der gefangenen Partikel eingeschlossene nicht-magnetische Partikel freisetzt. Die hohe Rückgewinnung resultiert auch aus der Möglichkeit, dass Partikel weiter stromabwärts von der Trommel aufgenommen und als Konzentrat zurückgetragen werden. Ein solcher Abscheider behandelt normalerweise Partikel bis 100 µm. Aufgrund seiner Fähigkeit, nicht sofort eingegangene magnetische Partikel aufzunehmen, hat dieser Abscheider eine größere Kapazität als der gleichläufige Typ.

Der dritte Typ des magnetischen Nasstrommelabscheiders, die gegenstromige Trommel, wird oft als Endabscheider verwendet, da er ein extrem sauberes Konzentrat mit guter Rückgewinnung für Partikel bis ca. 70 µm erzeugt. Dieser Abscheider behält einige Merkmale sowohl des gleichlaufenden als auch des gegenläufigen Typs bei. Er ist in Abb. 4 als 3-Trommel-Tandemabscheider dargestellt. In diesem Abscheider wird die Einspeisung etwa in der Mitte des magnetischen Abschnitts der Trommel eingeführt. Der Fluss der Einspeisesuspension ist entgegengesetzt zur Trommelrotationsrichtung, während die mitgeführten Partikel in dieselbe Richtung reisen. Diese mitgeführten Partikel werden von Wasser gewaschen, das auf der linken Seite des Behälters eingeführt wird. Das gereinigte Konzentrat läuft links über.

Ein Merkmal, das allen Nasstrommelabscheidern gemeinsam ist, ist der Überlauf der Konzentratsuspension am Ende des Behälters. Dies ist wünschenswert, um zu verhindern, dass magnetische Partikel durch die Luft-Wasser-Grenzfläche gezogen werden und der resultierende Verlust magnetischer Partikel entsteht. In einigen Abscheidern, in denen ein entwässertes Konzentrat gewünscht ist, werden die magnetischen Partikel über die Suspensionsoberfläche hinaus nach oben gezogen und von der Trommel abgeschabt. In diesen Fällen muss die Suspension rückgeführt werden, um die verlorenen magnetischen Partikel zurückzugewinnen.

Die hauptsächliche konkurrierende Kraft in einem Nasstrommelabscheider ist jedoch die hydrodynamische Widerstandskraft. Diese resultiert aus der relativen Geschwindigkeit der Suspension oder des Spülwassers, das an einem eingegangenen Partikel vorbeistreicht. Im gleichlaufenden Abscheider beträgt diese Geschwindigkeit etwa die Peripheriegeschwindigkeit, während im gegenläufigen Abscheider diese Geschwindigkeiten addiert werden. Im Allgemeinen sind die peripheren Trommelgeschwindigkeiten erheblich höher als die Suspensionsgeschwindigkeiten. Zusätzlich zu seinem Effekt auf die relative Widerstandsgeschwindigkeit beeinflusst die Trommelgeschwindigkeit auch die Kapazität eines Trommelabscheiders. Eine niedrigere Geschwindigkeit ergibt eine reduzierte Kapazität, während eine höhere Geschwindigkeit die Rückgewinnung aufgrund höherer Widerstandsgeschwindigkeiten verringert und zu größerem Trommelverschleiß führt.

Einige Magnetabscheider werden als Hochintensitätsabscheider bezeichnet. Dies bezeichnet generell Abscheider konventionellen Designs mit stärkeren Magneten als üblich. Sie erzeugen hochintensive Magnetfelder und sind in der Lage, Partikel zu entfernen, die nicht auf Niedrigintensitäts-Magnetabscheider ansprechen.

Abb. 4 Arten von magnetischen Trommelabscheidern

Hochgradientenabscheider

Mehrere Typen von Hochgradienten-Magnetabscheidern wurden auf der Grundlage der Tatsache entwickelt, dass hohe Magnetfeldgradienten große magnetische Kräfte erzeugen können. Diese Abscheider werden auch "induzierte Pol"-Abscheider genannt, weil die Feldgradienten erzeugt werden, indem ein relativ gleichmäßiges Hintergrundmagnetfeld auf eine ferromagnetische Struktur (Gitter, Siebe, genutete Platten oder Stahlwolle) angewendet wird und magnetische Pole entlang richtig orientierter Kanten induziert werden. Da große Magnetfeldgradienten generell nur in kleinen Volumen existieren können, sind diese Abscheider für die Trennung kleiner magnetischer Partikel konzipiert. Die Erzeugung hoher Gradienten und großer magnetischer Kräfte über eine ausreichend große Oberfläche, um praktische Partikelzahlen einzufangen, ist eine Hauptfragestellung. Nadeln mit ihren Achsen parallel zum angewendeten Feld erzeugen hohe Gradienten in relativ niedrigen Feldern, aber die verfügbare Fangoberfläche ist sehr begrenzt. Im Gegensatz dazu haben Filamente, die senkrecht zu ihrer Längsachse magnetisiert sind, einen großen Entmagnetisierungsfaktor, aber viel größere Oberfläche.