ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ЦИКЛОН Российский патент 1998 года по МПК B03C1/00 

Изобретение относится к области магнитного обогащения и может быть использовано в процессах сепарации и сгущения магнитных и электропроводящих материалов на обогатительных фабриках.

Известен гидроциклон (а. с. N 234266), включающий корпус, состоящий из цилиндрической и конической частей, патрубки для подачи питания и удаления продуктов разделения, электромагнитную систему, расположенную с наружной стороны цилиндрической части корпуса, питаемую переменным трехфазным током.

Недостатком гидроциклона является невысокая эффективность процесса сгущения магнитного материала из-за подачи питания выше электромагнитной системы в зону действия магнитного поля малой напряженности и неспособности электромагнитной системы данной конструкции активно перемещать магнитный материал в осевом направлении.

Известен электромагнитный циклон (а. с. N 561573), включающий цилиндроконический корпус, установленную в цилиндрической части корпуса насадку, электромагнитную систему в виде статора электродвигателя, выполненного в виде спирали, и расположенную с наружной стороны корпуса, питающий и разгрузочные патрубки.

В известном электромагнитном циклоне вращающееся магнитное поле перемещает магнитные частицы в направлении движения потока материала, причем магнитная волна движется в горизонтальной плоскости, т.е. вызывает вращение магнитных частиц вокруг их вертикальной оси. Смещение магнитного материала в вертикальном направлении происходит в результате наличия зон пониженной и повышенной напряженностей магнитного поля, расположенных по спирали.

Недостатком этого электромагнитного циклона является невысокая эффективность процесса разделения из-за недостаточно активного участия бегущего магнитного поля в транспортировке магнитных частиц из зоны разделения к области разгрузки магнитного продукта, что снижает интенсивность процесса удаления магнитных частиц из зоны разделения и ухудшает качество магнитного продукта.

Известен электромагнитный гидроциклон (а. с. SU 1421407 A1, B 03 C 1/00), принятый за прототип, включающий цилиндроконический корпус, патрубки для подачи питания и удаления продуктов разделения, концентратор магнитного потока, установленный с наружной стороны сливного патрубка, электромагнитную систему, выполненную из отдельных линейных индукторов с поперечными пазами для обмотки, установленных вдоль образующих на поверхности корпуса со смещением в осевом направлении по винтовой нисходящей линии с углом наклона 0,5-9,5^o по отношению к оси входного патрубка, причем первый линейный индуктор установлен непосредственно за питающим патрубком по ходу подачи питания.

Недостатком прототипа является недостаточно полное использование взаимодействия бегущего магнитного поля и вращающегося потока материала для перемещения магнитных частиц к устройству для разгрузки магнитного продукта, что снижает эффективность процесса разделения исходного материала из-за недостаточно интенсивного процесса удаления магнитных частиц из зоны разделения и ухудшает качество магнитного продукта, это связано с тем, что магнитные волны всех бегущих полей индукторов движутся в одном направлении в вертикальных плоскостях перпендикулярно вращающемуся потоку материала.

Задача изобретения состоит в повышении эффективности процесса разделения за счет улучшения транспортировки магнитных и электропроводящих частиц в зоне разделения бегущими полями индукторов.

Поставленная задача достигается тем, что в известном электромагнитном гидроциклоне, включающем цилиндроконический корпус, патрубки для подачи питания и удаления продуктов разделения, концентратор магнитного потока, установленный с наружной стороны сливного патрубка, электромагнитную систему, выполненную из отдельных линейных индукторов с поперечными пазами для обмотки, установленных вдоль образующих на поверхности корпуса со смещением в осевом направлении по винтовой нисходящей линии с углом наклона 0,5 - 9,5^o по отношению к оси входного патрубка, причем первый линейный индуктор установлен непосредственно за питающим патрубком по ходу подачи питания, что линейные индукторы установлены без смещения в осевом направлении и создают бегущие магнитные поля, направленные в верхнюю часть корпуса, а катушки всех индукторов, находящиеся в одной горизонтальной плоскости, подключены к питающей сети со смещением по фазе относительно подключения катушек первого индуктора и создают в этих плоскостях магнитные поля, смещенные по фазе, вращающиеся против направлении вращения потока материала в циклоне, причем число индукторов кратно числу фаз питающей сети.

Отличительной особенностью предложенного технического решения является воздействие на разделяемый материал электромагнитным полем, которое образовано суперпозицией бегущих магнитных полей, состоящих из совокупности бегущих магнитных волн, распространяющихся вдоль прямых линий в одном направлении, и одинаково направленных вращающихся магнитных волн, движущихся в параллельных плоскостях, при этом бегущие и вращающиеся магнитные волны смещены по фазе относительно друг друга, созданное описанным выше образом электромагнитное поле улучшает транспортировку магнитных частиц в зоне разделения в направлении области разгрузки магнитного продукта и, тем самым, повышает эффективность процесса разделения материала.

Сущность предложенного технического решения состоит в том, что одновременное взаимодействие магнитных частиц с бегущими и вращающимися магнитными волнами, движущимися в поперечных направлениях, вызывает появление сил, перемещающих их как против направления движения бегущих, так и против направления вращения вращающихся магнитных волн, которые: а) улучают условия существования магнитных частиц в виде виброкипящего перемещающегося слоя в зоне разделения, т. к. препятствуют объединению частиц в магнитные виброфлокулы (плоские стенки толщиной в несколько зерен, образующихся вдоль направления движения бегущей магнитной волны); б) позволяет создать поток магнитного материала в направлении результирующей этих сил в зоне разделения в сторону области разгрузки магнитного продукта наилучшим образом, т.к. при выборе направления результирующей силы учесть другие гидродинамические потоки материала в зоне разделения.

Электромагнитная система на предлагаемом электромагнитном циклоне располагается не только одновременно на внешних поверхностях цилиндрической и конической частей корпуса, но может быть расположена либо на цилиндрической, либо на конической частях аппарата.

Для простоты описания работы предлагаемого устройства рассматривается гидроциклон с электромагнитной системой, расположенной на цилиндрической части корпуса.

На фиг. 1 изображен гидроциклон с электромагнитной системой, в виде линейных индукторов, расположенных с наружной стороны цилиндрической части корпуса вдоль прямых Б, Г, Д, Е, Ж, Ф.

На фиг. 2 изображен поперечный разрез гидроциклона и электромагнитной системы плоскостью "И" и указано подключение начал кольцевых катушек к трехфазной сети переменного тока в этой плоскости.

На фиг. 3 изображен продольный разрез линейного индуктора, расположенного вдоль прямой "Б", указано расположение горизонтальных плоскостей И, К, Л, М, Н, П, Р, Т, Ш, Ц, Э, Ю относительно обмотки индуктора и подключение начал кольцевых катушек этого индуктора к трехфазной сети переменного тока.

На фиг. 4 показан механизм образования вращающегося магнитного поля (или вращающихся магнитных волн) кольцевыми катушками линейных индукторов, расположенных в плоскости "И", и механизм образования бегущего магнитного поля (или бегущей магнитной волны) линейным индуктором, расположенным вдоль прямой "Б", при подключении электромагнитных обмоток линейных индукторов к сети трехфазного тока. В левой части изображены векторные диаграммы токов в отдельных фазах обмотки, а в правой показаны соответствующие этим диаграммам направления токов в проводниках, находящихся в различных пазах, а также указаны направления силовых магнитных линий и расположение северного и южного полюсов магнитного поля соответствующее этим направлениям.

На фиг. 5 изображена активная сторона линейного индуктора (т.е. сторона индуктора, которой он обращен к поверхности корпуса гидроциклона) и схема подключения начал и концов кольцевых катушек к трехфазной сети (стрелками указана подача питания, обмотка соединена в "звезду"), изображен линейный индуктор, расположенный вдоль прямой "Б" на поверхности корпуса.

На фиг. 6 изображена развертка боковой поверхности цилиндрической части корпуса гидроциклона с расположенными на ней линейными индукторами вдоль прямых Б, Г, Д, Е, Ж, Ф, а также указана схема подключения начал кольцевых катушек, необходимая для создания бегущего и вращающегося полей в указанных направлениях, или для создания бегущих магнитных волн в вертикальном направлении и вращающихся магнитных волн в горизонтальном направлении.

На фиг. 7 схематично изображена совокупность бегущих магнитных волн, движущихся вдоль прямых Б, Г, Д, Е, Ж, Ф, и вращающихся магнитных волн, перемещающихся в параллельных плоскостях И, К, Л, М, Н, П, Р, Т, Ш, Ц, Э, Ю, а также указаны направления их движения.

На фиг. 8 изображены силы, действующие на магнитную частицу в результате ее взаимодействия с бегущим и вращающимся магнитными волнами (полями) и со стенкой корпуса, или слоем частиц.

Предлагаемый электромагнитный гидроциклон изображен на фиг. 1 и включает корпус, состоящий из цилиндрической 1 и конической 2 частей, питающий 5, сливной 6 и песковый 7 патрубки, электромагнитную систему в виде отдельных линейных индукторов 8, расположенных на цилиндрической части корпуса вдоль прямых Б, Г, Д, Е, Ж, Ф. Каждый линейный индуктор состоит из магнитопровода 9, в пазах которого расположена электромагнитная обмотка в виде отдельных кольцевых катушек 10.

Линейный индуктор 8, расположенный вдоль прямой "Б", создает бегущее магнитное поле, движущееся в направлении сливного патрубка 6, при подключении кольцевых катушек 10 к сети трехфазного тока по схеме, приведенной на фиг. 3, фиг. 5. Вход фаз в катушки обозначен - A, B, C, выход X, Y, Z, обмотка соединена в "звезду". Механизм образования бегущего магнитного поля трехфазным током показан на фиг. 4. В левых частях чертежа изображены векторные диаграммы токов в отдельных фазах обмотки, причем направления A, B, C соответствуют направлениям токов в пазах, где питание подается в начало катушки, противоположные направления X, Y, Z соответствуют направлениям токов в пазах, где питание подается в конец катушки. В правых частях чертежа показаны соответствующие этим диаграммам направления токов в проводниках, находящихся в различных пазах. Когда вектор тока на диаграмме, вращаясь, проходит выше оси абсцисс, считаем, что ток в пазу направлен за плоскость чертежа и обозначен крестиком. Когда вектор тока данной фазы обмотки, поворачиваясь, оказывается ниже оси абсцисс, ток в это время имеет обратное направление и обозначен точкой. Векторные диаграммы даны для различных моментов времени последовательно через 1/6 часть периода переменного тока, определив по ним направление тока во всех проводниках, пользуясь представлением о силовых линиях магнитного поля и правилом "буравчика", изображены картины магнитного поля над линейным индуктором, расположенным вдоль прямой "Б", что свидетельствует о том, что над поверхностью линейного индуктора создается продольное бегущее магнитное поле, перемещающееся от горизонтальной плоскости "И" к горизонтальной плоскости "Ю" при подключении начал кольцевых катушек к сети трехфазного тока по схеме A, Z, B, X, C, Y, A, Z, B, X, C, Y. Бегущее магнитное поле линейных индукторов, расположенных вдоль прямых Г, Д, Е, Ж, Ф, будет двигаться в этом же направлении, если начала их кольцевых катушек будут подключены к сети трехфазного тока по схеме, представляющей собой отрезок последовательности A, Z, B, X, C, Y, A, Z, B, X, C, Y, A, Z, B, X, C, Y.

Кольцевые катушки шести линейных индукторов 8, расположенные в горизонтальной плоскости "И" (фиг.2), при подключении начал к сети трехфазного тока по схеме A, Z, B, X, C, Y образуют поперечное вращающееся магнитное поле, движущееся против направления вращения часовой стрелки в горизонтальной плоскости. Механизм образования поперечного вращающегося магнитного поля показан на фиг.4. Направление тока в кольцевых катушках сечения И-И, обозначенное стрелкой в сторону вращения часовой стрелки, соответствует направлению тока в пазах индуктора на линии "Б", обозначенному крестиком, направление тока против вращения часовой стрелки соответствует точке, кроме того, на фиг. 4 и фиг. 5 стрелками указаны направления рассмотрения проводников в пазах индукторов при определении направлений токов в сечениях плоскостями "Б", "Г", "Д", "Е", "Ж", "Ф". На картинах магнитного поля над линейными индукторами в сечении И-И, изображенных в соответствии с векторными диаграммами и определенными по ним токами в катушках, при использовании представлений о силовых линиях магнитного поля и правила "буравчика" видно, что в плоскости горизонтального сечения И-И имеются две равные области, в которых действуют северный и южный полюса магнитного поля в любой момент времени и образуется вращающееся магнитное поле, т. е. при подключении начал кольцевых катушек линейных индукторов в сечении И-И к сети трехфазного тока по схеме A, Z, B, X, C, Y (фиг. 2) создается поперечное вращающееся магнитное поле, движущееся в горизонтальной плоскости против направления вращения часовой стрелки, причем глубина проникновения магнитного поля внутрь корпуса при таком подключении катушек максимальна для данного расположения индукторов.

Таким образом, линейный индуктор 8, расположенный вдоль прямой "Б" на цилиндрической 1 части корпуса, создает бегущее магнитное поле, движущееся в направлении сливного патрубка 6, которое полностью характеризуется своей бегущей магнитной волной, движущейся в этом направлении. Кольцевая обмотка линейных индукторов 8 в горизонтальной плоскости "И" создает вращающееся магнитное поле, которое полностью характеризуется своей вращающейся магнитной волной, движущейся против направления вращения часовой стрелки.

Для создания бегущих магнитных волн, движущихся вдоль прямых "Б", "Г", "Д", "Е", "Ж", "Ф" вертикально вверх в сторону сливного патрубка 6, и вращающихся магнитных волн, движущихся в горизонтальных плоскостях "И", "К", "Л", "М", "Н", "П", "Р", "Т", "Ш, "Ц", "Э", "Ю" против направления вращения часовой стрелки, как изображено на фиг. 7, линейные индукторы 8 размещают на поверхности корпуса и подключают начала их кольцевых катушек к сети трехфазного тока по схеме, изображенной на фиг. 6. В результате образуется совокупность смещенных по фазе и в пространстве бегущих магнитных волн и смещенных в пространстве и по фазе относительно друг друга в соседних параллельных плоскостях вращающихся магнитных волн.

Начала кольцевых катушек 10 линейных индукторов 8 (фиг. 6) подключены к сети трехфазного тока по схеме, представляющей собой отрезок, равномерно перемещающийся по последовательности A, Z, B, X, C, Y, A, Z, B, X, C, Y, A, Z, B, X, C, Y,........ (последовательность в направлении сливного патрубка 6), так чтобы в горизонтальных плоскостях "И"... .... "Ю" схема подключения начал кольцевых катушек 10 представляла собой отрезок, равномерно перемещающийся по последовательности A, Z, B, X, C, Y, A, Z, B, X, C, Y, A, Z, B, X, C, Y, ....... (последовательность против направления вращения часовой стрелки, или против направления подачи исходного питания в гидроциклон).

Электромагнитный гидроциклон, изображенный на фиг. 1, работает следующим образом.

Исходный материал, содержащий магнитные частицы, через питающий патрубок 5, установленный по касательной к цилиндрической 1 части корпуса, подается в гидроциклон. Продукты разделения разгружаются через расположенные по оси сливной 6 и песковый 7 патрубки. Благодаря тангенциальной подаче и осевой разгрузке в гидроциклоне создается вращение материала (пульпы) и радиальное его перемещение, в результате чего вблизи цилиндрической 1 и конической 2 поверхностей корпуса образуются нисходящий вихревой поток материала, содержащего более крупные и тяжелые частицы, в направлении пескового патрубка 7, а в центре восходящий вихревой поток материала, содержащего более мелкие и легкие частицы, в направлении сливного патрубка 6.

Электромагнитная система, состоящая из отдельных линейных индукторов 8, расположенных на поверхности корпуса и подключенных к сети трехфазного тока по схеме, изображенной на фиг. 6, создает в рабочем объеме гидроциклона электромагнитное поле, образованное суперпозицией бегущих магнитных полей (фиг. 7). Эта суперпозиция состоит из совокупности бегущих магнитных волн, движущихся в вертикальных плоскостях "Б", "Г", "Д", "Е", "Ж", "Ф" в сторону сливного патрубка 6, и магнитных волн, вращающихся против направления вращения материала в гидроциклоне /против направления вращения часовой стрелки/ в горизонтальных плоскостях "И", "К","Л","М","Н","П", "Р", "Т", "Ш", "Ц", "Э", "Ю". Кроме того, образованное таким образом электромагнитное поле имеет высокую глубину проникновения в объем цилиндрической 1 части корпуса.

Магнитное поле, наложенное на вращающийся поток материала, увеличивает радиальную скорость движения магнитных частиц к цилиндрической 1 стенке корпуса, что позволяет улучшить их извлечение в нисходящий вихревой поток. Воздействие на магнитные частицы суперпозицией бегущих магнитных полей, кроме того, вызывает появление дополнительной электромагнитной силы F_рез действующей в зоне разделения 3 и вызывающей перемещение магнитного материала вдоль цилиндрической 1 поверхности к области разгрузки магнитного продукта 4.

На фиг. 8 изображены угловые скорости вращения и силы, действующие на магнитную частицу при ее взаимодействии с суперпозицией бегущих магнитных полей и с цилиндрической 1 стенкой (или слоем частиц вблизи этой стенки).

- угловая скорость вращения магнитной частицы вокруг своей горизонтальной оси, вызванная взаимодействием с бегущей магнитной волной, совпадает с направлением потока исходного материала (согласно правила правого винта).

- угловая скорость вращения магнитной частицы вокруг своей вертикальной оси, вызванная взаимодействием с вращающейся магнитной волной, направлена вертикально вверх (согласно правила правого винта).

- результирующая скорость вращения магнитной частицы вокруг своей оси, составляющей угол α с горизонтальной плоскостью и угол β с вертикальной осью.

- сила, действующая на магнитную частицу в результате ее взаимодействия с бегущей магнитной волной и цилиндрической стенкой 1, направлена вертикально вниз.

- сила, действующая на магнитную частицу в результате ее взаимодействия с вращающейся магнитной волной и цилиндрической стенкой 1, направлена по касательной к цилиндрической поверхности 1 в горизонтальной плоскости в сторону вращения потока материала в гидроциклоне.

- результирующая сила, действующая на магнитную частицу в зоне разделения 3 и направленная под углом α к вертикальной оси и углом β к горизонтальной плоскости в сторону области разгрузки магнитного продукта 4.

Бегущая магнитная волна, движущаяся вертикально вверх вдоль цилиндрической стенки 1, взаимодействует с магнитной частицей и приводит ее во вращение в направлении своего распространения, при этом частица вращается вокруг своей горизонтальной оси с угловой скоростью , при контакте со стенкой 1 перекатывается по ней вертикально вниз, т.е. на магнитную частицу в зоне разделения 3 действует сила . Вращающаяся магнитная волна, движущаяся в горизонтальной плоскости против направления вращения потока материала в цилиндрической 1 части корпуса, взаимодействует с магнитной частицей и вызывает ее вращение вокруг своей вертикальной оси в этом направлении с угловой скоростью , при контакте со стенкой 1 частица перекатывается по ней в направлении движения потока материала в горизонтальной плоскости, т.е. на магнитную частицу в зоне разделения 3 действует сила
Одновременное взаимодействие магнитной частицы с бегущей и вращающейся магнитными волнами вызывает ее вращение в результирующем направлении (также против направления вращения часовой стрелки) вокруг своей оси, расположенной под углом α к горизонтальной плоскости и под углом β к вертикальной оси с угловой скоростью а при контакте с стенкой 1 частица перекатывается по ней в направлении области разгрузки магнитного продукта 4, составляющем угол α с вертикальной осью и угол β с горизонтальной плоскостью (или под углом 90^o к ), т.е. на магнитную частицу действует результирующая сила в зоне разделения 3.

Наличие дополнительной силы активизирует перемещение магнитных частиц в нисходящий вихревой поток материала в направлении области разгрузки магнитного продукта 4, улучшает транспортировку магнитного материала вблизи активных поверхностей линейных индукторов 8, препятствует накоплению его в этих областях и благоприятствует созданию в зоне разделения 3 виброкипящего перемещающегося слоя из магнитных частиц вблизи цилиндрической стенки 1, что приводит к повышению эффективности процесса разделения.

Сравнительные испытания предлагаемого электромагнитного циклона и базового объекта (прототипа), а также других известных электромагнитных гидроциклонов проведены в промышленных условиях при обогащении слива классификатора крупностью 50% класса - 0,074 мм. Результаты испытаний приведены в таблице.

Анализ результатов сравнительных испытаний свидетельствует о том, что предлагаемый электромагнитный циклон по сравнению с базовым объектом (прототипом) позволяет повысить эффективность процесса разделения на 7,4% (с 28,3% до 35,7%), при этом содержание железа в магнитном продукте увеличивается на 1,1% (с 53,1% до 54,2%).

Предлагаемый электромагнитный циклон будет использоваться при утилизации железосодержащих и электропроводящих тонкодисперсных металлургических отходов, а также на обогатительном производстве АО "НТМК"н

Электромагнитный циклон предназначен для сепарации и сгущения магнитных и электропроводящих материалов и содержит цилиндроконический корпус, патрубки для подачи питания и удаления продуктов разделения. Электромагнитная система циклона выполнена из отдельных индукторов, установленных вдоль образующих на поверхности корпуса. Первый индуктор установлен непосредственно за питающим патрубком. Катушки всех индукторов, находящиеся в одной горизонтальной плоскости, подключены к питающей сети со смещением по фазе относительно подключения катушек первого индуктора, причем число индукторов кратно числу фаз питающей сети. 1 табл., 8 ил.

Электромагнитный циклон, включающий цилиндроконический корпус, патрубки для подачи питания и удаления продуктов разделения, электромагнитную систему, выполненную из отдельных индукторов, установленных вдоль образующих на поверхности корпуса для создания бегущих магнитных полей, направленных в верхнюю часть корпуса, причем первый линейный индуктор установлен непосредственно за питающим патрубком по ходу подачи питания, отличающийся тем, что катушки всех индукторов, находящиеся в одной горизонтальной плоскости, подключены к питающей сети со смещением по фазе относительно подключения катушек первого индуктора для создания в этих плоскостях магнитных полей, смещенных по фазе и вращающихся против направления вращения потока материала в циклоне, причем число индукторов кратно числу фаз питающей сети.