МАГНИТНЫЙ СЕПАРАТОР Российский патент 2007 года по МПК B03C1/00 

Изобретение относится к области магнитного разделения и может быть использовано в химической, пищевой, металлургической, энергетической и других отраслях промышленности для удаления из текучих сред различных магнитовосприимчивых примесей, т.е. примесей, склонных к магнитному осаждению. В их числе, например, такие ферропримеси как частицы коррозии и износа оборудования, окалина, различные металлические включения (последствия металлообработки, ремонта, обслуживания, дробления и размола сырьевых компонентов и пр.). Снижая качество сред, эти примеси к тому же являются серьезным дестабилизирующим фактором производства, так как уменьшают надежность и долговечность работы оборудования: интенсифицируют износ, приводят к поломкам и выходу из строя оборудования, провоцируют аварийные остановки производства и т.д.

Известен магнитный сепаратор (патент США №4602997), содержащий систему намагничивания, намагничиваемую этой системой матрицу в виде засыпки гранулированных тел, в порах которых осуществляется довольно эффективный захват магнитовосприимчивых примесных частиц, присутствующих в очищаемой среде, протекающей сквозь матрицу. Недостатком этого сепаратора, содержащего и намагничивающую (дорогостоящую) систему и намагничиваемую фильтр-матрицу, является то, что такая эффективная в работе конструкция неоправданно дорога при использовании ее для очистки текучих сред с относительно крупными магнитовосприимчивыми примесными частицами, а для очистки сыпучих сред неприменима вообще из-за сравнительно малой пористости и соответственно малого сечения проходных каналов-пор. По этой же причине лимитируется и производительность аппарата, а для обеспечения бóльшей пропускной способности (при тех же естественно формирующихся значениях пористости фильтр-матрицы и поперечного сечения «капиллярных» пор-каналов) необходимо увеличивать габариты (поперечное сечение) рабочей зоны и аппарата в целом, что в конечном счете также приводит к неоправданному повышению металлоемкости и удорожанию аппарата.

Практически теми же недостатками обладает и сепаратор-прототип (патент ФРГ №3316443), имеющий систему намагничивания, намагничиваемую этой системой матрицу в виде стержней (как осадительных элементов), между которыми протекает очищаемая среда. Хотя в этой конструкции имеется определенная ограниченная возможность для регулирования пористости матрицы и увеличения сечения проходных каналов, а значит, - производительности и расширения круга очищаемых сред, общая металлоемкость и стоимость такого сепаратора (в конечном счете - стоимость самого процесса очистки) остается высокой, не оправдывающей результат очистки оговоренных здесь текучих сред, а именно сред с относительно крупными частицами-примесями, в том числе сыпучих сред. Кроме того, применяемые в данной конструкции стержни, имея, хотя и круглое сечение, тем не менее создают повышенное сопротивление потоку очищаемой среды; кроме того, применяемые круглые (объемные) стержни ограничивают возможность создания необходимого проходного сечения, так как сами перекрывают значительную часть проходного сечения. Попытка же существенного увеличения проходного сечения за счет увеличения расстояния между стержнями (тоже существенного) в этой и подобных конструкциях приводит к столь же существенному ухудшению характеристик поля между стержнями, появлению «провальных» зон. Как следствие, снижается не только эффективность работы, но и рабочий цикл, поскольку наряду со снижением магнитных сил захвата снижаются также магнитные силы удержания локально осаждающихся и накапливающихся частиц.

Что же касается самой системы намагничивания, то она в силу конструктивных особенностей сепаратора-прототипа и сепараторов данного типа является нерационально многозвенной для решения ряда специфичных практических задач: в нее входит, во-первых, непосредственно магнитная система как источник поля (блоки постоянных магнитов, электромагнит как намагничивающая катушка со строго соответствующим ей сердечником, соленоид), во-вторых, направляющие магнитопроводы (за пределами блоков постоянных магнитов и намагничивающих катушек), в-третьих, ферромагнитные осадительные элементы, в-четвертых, проходная зона сепарации. В итоге закон полного тока, записанный для магнитной цепи сепаратора-прототипа (и других магнитных сепараторов, в том числе аналога), кроме основных членов, характеризующих магнитное напряжение непосредственно в магнитной системе (источнике поля) и проходной зоне сепарации, содержит «второстепенные» члены, характеризующие магнитное напряжение (падение магнитного напряжения) в остальных, «второстепенных» (промежуточных) звеньях магнитной цепи. А такие промежуточные звенья, как «посредники», кроме отрицательного фактора дополнительной металлоемкости, отрицательно влияют на конечный результат создания необходимого поля непосредственно в проходной зоне сепарации для эффективного захвата частиц.

Кроме того, часто применяемые магнитные системы в виде пакетов постоянных магнитов, несмотря на кажущееся соответствующее кратное форсирование намагничивающей силы при кратном увеличении количества магнитов, на самом деле не приводят к желаемому результату, о чем свидетельствуют соответствующие измерения (см. фиг.1): рост индукции поля В на выходе блока постоянных магнитов, состоящего из N магнитов, после N=2-3 резко снижается, а затем и вовсе стабилизируется. Так, 4-й, 5-й и последующие магниты являются по существу балластными (см. фиг.1), а это говорит о том, что использование многоэлементных блоков постоянных магнитов попросту неоправданно и с точки зрения металлоемкости, и с точки зрения достижения потенциальных значений магнитной индукции и, как следствие, - эффективности очистки.

Задача изобретения заключается в снижении металлоемкости, повышении производительности, эффективности и рабочего цикла, удешевлении сепаратора, предназначенного для удаления из текучих (в том числе сыпучих) сред преимущественно крупнодисперсных магнитовосприимчивых частиц.

Технический результат достигается тем, что система профильных магнитных стержней, выполненных с дистанционно размещенными в них магнитами таким образом, что магнитные стержни ориентированы ребрами навстречу потоку очищаемой среды, а помещенные в них магниты обращены своими полюсами в межстержневую зону, снабжена размещенными между стержнями фиксаторами рабочего зазора, расположенными соосно стяжкам, пронизывающим магнитные стержни, причем магнитные стержни рабочей системы выполнены с возможностью расположения вдоль их нижних ребер дополнительных, в том числе пристыкованных, магнитных стержней, с прохождением магнитных потоков магнитных стержней и дополнительных магнитных стержней во взаимно перпендикулярных направлениях. Таким образом, применение профильных магнитных стержней, ориентированных ребрами навстречу потоку очищаемой среды, способствует увеличению проходных зазоров и уменьшению сопротивления потоку очищаемой среды. Кроме того, помещенные в магнитные стержни магниты обращены своими полюсами непосредственно в межстержневое пространство (таким образом, количество звеньев каждой локальной магнитной цепи сведено к минимуму: в данном случае это магнит и межстержневая проходная зона сепарации). Между стержнями устанавливаются необходимые по длине фиксаторы рабочего зазора (см. фиг.2-5) для создания требуемого сечения проходной зоны сепарации, например трубчатые фиксаторы, в которых соосно размещены стяжки, пронизывающие магнитные стержни. Торцы магнитных стержней могут быть выполнены скошенными (см. фиг.3), воспроизводящими профиль рабочего элемента оборудования технологической линии (в том случае, если сепаратор помещается в этот элемент, например бункер, переходную горловину, для более полного «охвата» всего потока очищаемой среды, проходящей через этот элемент). Для удержания накапливающегося осадка магнитные стержни рабочей системы могут быть снабжены дополнительными магнитными стержнями, расположенными вдоль нижних ребер стержней (см. фиг.4,a), в том числе пристыкованным к ним (см. фиг.4,б); в этом случае они обращаются плоскостью к ребрам стержней (с наиболее желаемым прохождением магнитных потоков базовых магнитных стержней и дополнительных магнитных стержней во взаимно перпендикулярных направлениях).

Применение ряда предложенных технических решений позволяет отказаться от традиционного автономного использования (см. аналог, прототип и другие многочисленные конструкции), хотя и функционально взаимосвязанных, но конструктивно четко разделенных узлов таких как «намагничивающая система» (генерирующая магнитный поток) и «намагничиваемая рабочая матрица» (воспринимающая магнитный поток) с осадительными элементами-телами. В предлагаемом сепараторе эти узлы оптимально совмещены, им придаются одновременно функции и активного генератора магнитного потока, и активных осадительных элементов: не только с точки зрения обеспечения эффективного воздействия на осаждаемые частицы-примеси, но и с точки зрения обеспечения возможности минимизации сопротивления потоку очищаемой среды, обеспечения необходимого пропускного рабочего зазора и соответствующего сечения, обеспечения оптимальной «привязки» к действующему технологическому оборудованию и пр. Для этого магнитные стержни рабочей системы выполнены профильными, с размещенными непосредственно в них магнитами, это избавляет от необходимости применять громоздкую намагничивающую систему (как отдельный узел), уменьшает металлоемкость и удешевляет конструкцию. А то решение, что магниты в стержнях размещены обращенными своими полюсами в межстержневое пространство (навстречу противоположным полюсам противостоящих магнитов), позволяет напрямую, без дополнительных звеньев-«посредников» магнитной цепи, избирательно и эффективно воздействовать на очищаемый поток. В предлагаемом сепараторе магнитные стержни ориентированы ребрами навстречу потоку очищаемой среды, они работают по принципу ножей-рассекателей потока (в отличие от круглых стержней) при минимальном перекрытии рабочего сечения аппарата и минимальном лобовом сопротивлении потоку очищаемой среды. Кроме того, в таком пакете «плоских» стержней облегчается возможность целенаправленного варьирования проходного зазора и сечения (фиксаторами и пронизывающими стяжками) для обеспечения заданной, а при необходимости - повышенной производительности при очистке различных, в том числе сыпучих, сред. К тому же предлагаемый пакет плоских стержней предпочтителен и с точки зрения его профилирования сообразно форме рабочего элемента действующего технологического оборудования (например, бункера, горловины технологической линии), куда помещается сам сепаратор. При этом эффект удержания уловленных примесей еще более повышается (с одновременным повышением рабочего цикла сепаратора) за счет применения дополнительных магнитных стержней, расположенных вдоль нижних ребер с прохождением базовых и дополнительных магнитных потоков (способствующих удержанию осадка) во взаимно перпендикулярных направлениях (иначе дополнительные магнитные стержни были бы лишь прямым продолжением основных).

На фиг.1 показаны данные индукции магнитного поля В, регистрируемые тесламетром на поверхности высокоэнергетичных постоянных магнитов Nd-Fe-B (уединенных или концевых в блоке таких же магнитов): кривая 1 - магниты толщиной 10 мм и поперечным размером 25 мм; кривая 2 - магниты толщиной 10 мм и поперечным размером 40 мм. Наблюдается явно замедляющийся рост индукции В в зависимости от количества магнитов в блоке N; эта зависимость далека от желаемой прямой пропорциональной. Так, для блока из 2-х магнитов «выходная» индукция поля увеличивается в 1,2-1,3 раза (а не в 2 раза) по сравнению с индукцией поля одного магнита, а для блока из 3-х магнитов - всего лишь в 1,4-1,5 раза (а не в 3 раза), а далее индукция поля практически не увеличивается. Это свидетельствует о том, что при увеличении количества магнитов N в блоке и лишь некотором ограниченном увеличении индукции В экономичность магнитной системы снижается. С этой точки зрения предпочтительным решением является применение безблоковых (одиночных) магнитных элементов, как это и осуществлено в предлагаемом сепараторе.

На фиг.2-5 изображены варианты общего вида рабочего модуля предлагаемого сепаратора с профильными («плоскими»), ориентированными ребрами навстречу потоку очищаемой среды стержнями, в которых дистанционно расположены магниты (фиг.2), вариант со скошенными торцами магнитных стержней (фиг.3), варианты с дополнительными магнитными стержнями (фиг.4,a - дистанционными, фиг.4,б - встык), а также некоторые опытные образцы предлагаемого сепаратора (фиг.5), соответствующие указанным на фиг.2 и 3 вариантам при их испытаниях в промышленных условиях. Согласно изобретению обтекаемая очищаемой средой рабочая система магнитных стержней 7 содержит профильные стержни, внутри которых дистанционно расположены магниты 2, причем сами магнитные стержни ориентированы ребрами навстречу потоку очищаемой среды, а помещенные в них магниты обращены своими полюсами в рабочее межстержневое пространство, где и проходит процесс сепарации. Система профильных магнитных стержней работает по принципу ножей-рассекателей при минимальном перекрытии проходного сечения сепаратора и минимальном лобовом сопротивлении потоку очищаемой среды. Эта система магнитных стержней 1 (фиг.2-5) снабжена фиксаторами рабочего зазора 3 (например, трубчатыми), размещенными между стержнями, соосно им расположены сквозные стяжки 4. Размер фиксаторов рабочего зазора выбирается из ряда режимных условий: производительности, характера текучей среды и ферропримесей, их размеров и размеров частиц дисперсной фазы и пр. Профильные магнитные стержни могут быть выполнены со скошенными торцами (фиг.3), воспроизводящими профиль того рабочего элемента оборудования технологической линии (потока среды, нуждающейся в очистке), куда помещается сепаратор, например в бункер, горловину сужающегося канала и пр. Для обеспечения условий, исключающих сползание уловленных ферропримесей под действием собственного веса и набегающего потока очищаемой среды целесообразно дополнительно устанавливать концевые профильные магнитные стержни 5, расположенные вдоль ребер базовых стержней 1 (фиг.4,a, б) и обращенные плоскостью к ребрам базовых стержней (для прохождения магнитных потоков базовых магнитных стержней во взаимно перпендикулярных направлениях): дистанционно (фиг.4,а) или встык (фиг.4,б).

Сепаратор работает следующим образом. Очищаемая среда, поступая в рабочую зону между профильными стержнями 7 сепаратора (поперечный размер этой проходной зоны регулируется фиксаторами 3, расположенными между стержнями 1 на сквозных стяжках 4), подвергается прямому воздействию поля магнитной системы (постоянных высокоэнергетичных магнитов 2). Находящиеся в этой среде ферропримеси притягиваются к поверхностям профильных стержней 1 сепаратора, оседают на них, а очищенная среда, лишенная ферропримесей, выводится из сепаратора.

Использование изобретения позволяет снизить металлоемкость и стоимость сепаратора, предназначенного для удаления преимущественно крупнодисперсных магнитовосприимчивых частиц, повысить его производительность, рабочий цикл и эффективность очистки различных текучих, в том числе сыпучих (дробленых), сред от таких ферропримесей, как последствия коррозии и износа оборудования, металло- и термообработки, ремонта и обслуживания оборудования, дробления и размола сырьевых компонентов и пр. Тем самым улучшается качество сред, повышаются надежность и долговечность работы оборудования, так как исключается попадание ферропримесей на активные поверхности оборудования, что предотвращает преждевременный износ, поломки, выход из строя, аварийные остановки оборудования.

Изобретение направлено на удаление из текучих сред различных ферропримесей, склонных к магнитному осаждению, позволяет снизить металлоемкость и повысить эффективность рабочего цикла. Магнитный сепаратор содержит рабочую систему магнитных стержней, обтекаемых очищаемой средой; магнитные стержни выполнены профильными, с дистанционно размещенными в них магнитами. Магнитные стержни ориентированы ребрами навстречу потоку очищаемой среды, а помещенные в них магниты обращены своими полюсами в межстержневую зону. Между профильными стержнями сепаратора устанавливаются фиксаторы рабочего зазора, в которых размещены сквозные стяжки. Магнитные стержни снабжены дополнительными концевыми профильными магнитными стержнями, расположенными вдоль нижних ребер базовых стержней, в том числе пристыкованным к ним. 5 ил.

Магнитный сепаратор, содержащий рабочую систему магнитных стержней, обтекаемых очищаемой средой, отличающийся тем, что система профильных магнитных стержней, выполненных с дистанционно размещенными в них магнитами таким образом, что магнитные стержни ориентированы ребрами навстречу потоку очищаемой среды, а помещенные в них магниты обращены своими полюсами в межстержневую зону, снабжена размещенными между стержнями фиксаторами рабочего зазора, расположенными соосно стяжкам, пронизывающим магнитные стержни, причем магнитные стержни рабочей системы выполнены с возможностью расположения вдоль их нижних ребер дополнительных, в том числе пристыкованных магнитных стержней, с прохождением магнитных потоков магнитных стержней и дополнительных магнитных стержней во взаимно-перпендикулярных направлениях.