Сверхпроводниковый магнитный сепаратор

 

Изобретение относится к магнитной сепарации и может быть использовано в горно-обогатительной промышленности для обеспечения слабомагнитных руд. Цель - снижение эксплуатационных затрат при работе сепаратора. Сепаратор содержит криостат 1 кольцевой формы с теплым внутренним отверстием, который включает наружный кожух 2 и окруженную теплозащитным экраном 3 гелиевую ванну 4, соединенную с кожухом трубами-горловинами 5. снабженными сифонами 6. Внутри гелиевой ванкы размещена сверхпроводящая катушка возбуждения 8. С внешней стороны гелиевой ванны в вакуумном пространстве установлены две силовые обечайки 9, соединенные между собой опорным кольцом 10. Внутри вертикального теплого отверстия криостата проходит магнитопровод 11 сепаратора, оканчивающийся двумя полюсными наконечниками (ПН) 12. Магнитный шток полюсов замыкается через вращающийся (роторный)сепарационный блок (СБ) 13, снабженный рабочими камерами 14, в которых находится обогащаемый материал. Пульпа, содержащая частицы обогащаемого материала, подается на СБ 13 в рабочую камеру 14, находящуюся против ПН 12 магнмтопровода. Под действием сильного магнитного поля магнитные частицы пульпы налипают на поверхность рабочей камеры. После поворота СБ и выхода рабочей камеры из зоны действия сильного магнитного поля налипшие частицы смываются потоком воды. 1 ил. сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)й 8 03 С 1/30

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4771629/03 (22) 20.12.89 (46) 29.02.92. Бюл. М 8 (71) Особое конструкторское бюро Института высоких температур АН СССР (72) Г.Л.Березин, Ю.Л.Буянов, Н,А.Буянова, П.Л.Петров и В.А.Товма (53) 621.928(088.8) (56) The magnetic separation of mlnerai

sturries by à cryogenic magnet system, Cryogenics, 1976, hL 10, р. 579-582. (54) СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ МАГНИТНЫЙ СЕПАРАТОР (57) Изобретение относится к магнитной сепарации и может быть использовано в горно-обогатительной промышленности. для обеспечения слабомагнитных руд, Цель— снижение эксплуатационных затрат при работе сепаратора, Сепаратор содержит криостат 1 кольцевой формы с "теплым" внутренним отверстием, который включает наружный кожух 2 и окруженную теплозащитным экраном Э гелиевую ванну 4, соединенную с кожухом трубами-горловинами 5, „„ Ц„„1715428 А1 снабженными сифонами 6. Внутри гелиевой ванны размещена сверхпроводящая катушка возбуждения 8. С внешней стороны гелиевой ванны в вакуумном пространстве установлены две силовые обечайки 9, соединенные между собой опорным кольцом i0.

Внутри вертикального "теплого" отверстия криостата проходит магнитопровод 11 сепаратора, оканчивающийся двумя полюсными наконечниками(ПН) 12. Магнитный шток полюсов замыкается через вращающийся (роторный)сепарационный блок (СБ) 13, снабженный рабочими камерами 14, в которых находится обогащаемый материал.

Пульпа, содержащая частицы обогащаемого материала, подается-на С6 13 в.рабочую камеру 14, находящуюся против ПН 12 магнитопровода. Под действием сильного магнитного поля магнитные частицы пульпы налипают на поверхность рабочей камеры.

После поворота СБ и выхода рабочей камеры из зоны действия сильного магнитного поля налипшие частицы смываются потоком

1715428

Изобретение относится к магнитной сепарации, в частности к сверхпроводниковым магнитным сепаратором, и может быть использовано, например, в горно-обогатительной промышленности для обогащения слабомагнитных руд.

Известен сверхпроводниковый магнитный сепаратор, содержащий криостат с

"теплым" внутренним отверстием, в котором окруженная теплозащитным экраном гелиевая ванна с размещенной в ней сверхпроводящей катушкой возбуждения закреплена на наружном кожухе криостата с помощью радиально расположенных опор.

Недостаток сепаратора состоит в сложной конструкции опор, которые должны иметь специальные узлы крепления к кожуху и ванне, препятствующие деформации опор при термических усадках гелиевой ванны и самих опор, а также в трудности монтажа концентрически расположенных обечаек криостата, составляющих гелиевую ванну, экран и наружный кожух при наличии радиально расположенных опор.

Известен выбранный эа прототип сверхпроводниковый магнитный сепаратор, содержащий криостат кольцевой формы, в котором гелиевая ванна с размещенной в ней сверхпроводящей катушкой возбуждения закреплена на нару>кном кожухе криостата, при этом силы электромагнитного взаимодействия между катушкой и сепарационным блоком, расположенным вне криостата, воспринимаются радиальными опорами, проходящими в кольцевом зазоре вакуумного пространства криостата, образованном внутренней обечайкой наружного кожуха и гелиевой ванной, выполненными в виде чатянутых проволок (спиц), связывающих торцовые фланцы гелиевой ванны с наружным кожухом.

Недостаток данного сепаратора состоит в высоких эксплуатационных затратах, обусловленных значительным теплопритоком к жидкому гелию по опорам (проволокам)вследствие ограниченной длины опор, распОлагающихся в кольцевом зазоре между гелиевой ванной и наружным кожухом.

Кроме того, технология сборки сепаратора сложна, так как система проволочных опор требует индивидуального закрепления и натяжения проволок на гелиевой ванне и наружном кожухе.

Цель изобретения — снижение эксплуатационных затрат при работе сепаратора.

Указанная цель достигается тем, что в сверхпроводниковом магнитном сепараторе, включающем криостат кольцевой формы с расположенной внутри него катушкой воз60 сильфонами 6, Внутри труб-горловин проходят токовводы, питающие катушку, сифоны

50 буждения, помещенной в гелиевую ванну криостата, закрепленную в нем посредством опорных элементов, и сепарационный блок, сепаратор снабжен магнитопроводом с полюсными наконечниками, проходящим через теплое отверстие криостата, и по крайней мере двумя концентрическими силовыми обечайками, расположенными в вакуумном пространстве криостата и соединенными между собой посредством опорных элементов, при этом внутренняя обечайка жестко соединена по торцам с гелиевой ванной, а внешняя — с наружным кожухом криостата, причем сепарационный блок расположен напротив полюсных наконечников магнитопровода.

В результате такого выполнения сверхпроводникового магнитного сепаратора обеспечивается воэможность восприятия сил электромагнитного взаимодействия между сверхпроводящей катушкой и ферромагнитными массами, окружающими криостат, при увеличенной длине теплового моста, образованного силовыми обечайками, что приводит к уменьшению распространения по ним тепла теплопроводностью от теплого наружного кожуха криостата к гелиевой ванне и соответственно к уменьшению скорости испарения -жидкого гелия.

Минимальная длина теплового моста, образованного силовыми обечайками, по крайней мере равна половине высоты гелиевой ванны и при обычно выполняемом условии высота гелиевой ванны больше ее диаметра, будет всегда больше длины теплового моста образованного каждой радиальной опорой (связывающей верхний и .нижний фланцы гелиевой ванны с наружным кожухом), которая равна половине разности между диаметром гелиевой ванны и диаметром внутренней обечайки наружного кожуха.

Кроме того, концентрично расположенные вокруг гелиевой ванны силовые обечайки служат дополнительными теплозащитными экранами, которые уменьшают приток тепла тепловым излучением от кожуха криостата в низкотемпературную зону. Это позволяет снизить эксплуатационные затраты при работе сепаратора.

Сущность изобретения поясняется чертежом, Сверхпроводниковый магнитный сепаратор содержит криостат 1 кольцевой формы с "теплым" внутренним отверстием, который включает наружный кожух 2 и окруженную теплозащитным экраном 3 гелиевую ванну 4, соединенную с кожухом трубами-горловинами 5, снабженными

1715428

40

55 для залива гелиевой ванны жидким гелием, диагностические провода. Через трубы-горловины осуществляется также выход испарившегося гелия. На теплозащитный экран

3 навит змеевик 7, по которому проходит жидкий азот или пары испарившегося гелия, охлаждающие экран. Внутри гелиевой ванны размещена сверхпроводящая катушка возбуждения 8. Пространство между гелиевой ванной и кожухом вакуумировано. С внешней стороны гелиевой ванны в вакуумном пространстве установлены две силовые обечайки 9, соединенные между собой опорныМ кольцом 10, которое расположено в плоскости, проходящей через центр катушки возбуждения, при этом одна из обечаек скреплена по торцам с гелиевой ванной, а другая — с наружным кожухом.

Теплозащитный экран 3, расположенный с внешней стороны гелиевой ванны, размещен между силовыми обечайками 9 и имеет тепловой контакт с опорным кольцом 10.

Внутри вертикального теплого отверстия криостата проходит магнитопровод.11 се 1а-. ратора, оканчивающийся двумя полюсными наконечниками 12. Магнитный поток полюсов замыкается через вращающийся (роторный) сепарационный блок 13, снабженный рабочими камерами 14, в которых находится обогащаемый материал. Криостат может быть установлен на фундаментной плите, либо непосредственно связан с магнитопроводом сепаратора.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Пульпа, содержащая частицы обогащаемого материала, подается на сепарационный блок 13 в рабочую камеру 14, находящуюся против полюсов 12 магнитопровода. При этом под действием сильного магнитного поля магнитные частицы, содержащиеся в пульпе, налипают на поверхность рабочей камеры. После поворота сепарационного блока и выхода рабочей камеры из эоны действия сильного магнитно- 45 го поля налипшие частицы смываются потоком воды. Сверхпроводящая катушка возбуждения 8, обеспечивая высокий уровень магнитного поля в рабочем зазоре сепаратора, необходимого для извлечения 50 магнитных частиц из потока пульпы, одновременно является источником сильных полейй рассея н и я. В резул ьтате, взаимодействуя с этим магнитным полем, части магнитопровода сепаратора или другие ферромагнитные массы, расположенные вне катушки, создают магнитную силу

F одностороннего притяжения катушки, зависящую от массы ферромагнитных тел и от величины и градиента поля.

Приложенная к катушке возбуждения сила магнитного взаимодействия передается через обечайку гелиевой ванны на ее верхний и нижний фланцы (крышку и днище) и затем через силовые обечайки 9 и опорное кольцо 10 на наружный кожух 1 криостата сепаратора. Те же элементы конструкции будут нагружены также суммарной силой тяжести-Г катушки и гелиевой ванны, поскольку наружный кожух с помощью сильфо нов 6, установленных на трубах-горловинах 5, механически развязан с гелиевой ванной в осевом направлении, Данная сильфонная развязка препятствует возникновению термических деформаций при захолаживании криостата в системе гелиевая ванна — наружный кожух; позволяет избежать изгибающих моментов в трубах-горловинах от действия сил магнитного взаимодействия; уменьшает тепловой поток в гелиевую ванну от наружного кожуха, так как тонкостенные сильфоны являются значительными тепловыми сопротивлениями, Тепловой поток от наружного кожуха будет передаваться в rелиевую ванну в основном по силовым обечайкам, При использовании предлагаемого сепаратора достигается положительный эффект, обусловленный снижением эксплуатационных затрат за счет уменьшения скорости испарения жидкого гелия в криостате вследствие уменьшения теплопритока в низкотемпературную зону излу- чением от теплого наружного кожуха к гелиевой ванне криостата через систему дополнительных экранов, образованных силовыми обечайками, а также уменьшения теплопритока теплопроводностью по этим же обечайкам вследствие большей длины их теплового моста по сравнению с радиальными опорами при равной или меньшей площади поперечного сечения обечаек по сравнению с суммарной площадью радиальных опор, Усилия, передаваемые на опорные кольца через силовые обечайки под воздействием радиальной силы взаимодействия между катушкой и ферромагнитными массами, вызывают в обечайках напряжения изгиба и среза. Максимальное изгибное напряжение определяется по уравнению о „вЂ”, (о) (1)

F ll l2

1/4 х0 д где F — радиальная сила;

D — диаметр силовой обечайки; д — толщина обечайки;

l — длина силовой обечайки, равная длине гелиевой ванны;!

1 и !2 длины участкоВ силаВаи абе чайки, на которые ее делит опорное кольцо (!1С !2), (о ) — допускаемое напряжение на растяжение.

Максимальное напряжение на срез В абечайках определяется па уравнению

Т такс —, .. — 0 б (<) (2) такс

В сравниваемых радиальных опорах (проволоках) возникающие напряжения определя1атся по формуле

0 = — -(о|

KS1 (3) где Sp — суммарная площадь поперечного сечения радиальных опор;

К 1/3 — коэффициент эффективной работы опор (под действием радиальной силы эффективно работает только часть опор, расположенных Вдоль действия радиальной силы или составляющие с ней небольшой угол).

Для протяженных силовых обечаек (I/D > 2) определяющими напряжениями в обечайке явля1отся изгибные напряжения и отношение поперечных сечений силовой абечайки Я2 — ë: D ä и радиальных опор S1, определяется, исходя из уравнений (1) и (3) при равных напряжениях в обечайке и радиальных опорах, соотношением

S2 4 К!1!2 (4)

S1 !О ! аким образам, если отношение I/О не превышает примерна трех-четырех (что выполняется в большинстве случае В криостатах магнитных сепараторов), тогда, с учетам принятого коэффициента К = 1/3, из уравнения (4) следует, чго поперечное ечение силовых обечаек будет меньше поперечного сечения радиальныхопор{Я2/S1с 1). Так как меньшая длина. теплового моста силовой обечайки между наружным кожухом криостата и гелиевой ванной 2I1 = !/2 (при услоВии, чта BblcoT8 сверхправадлщей KGT øêè равна половине длины гелиевай ванны), а длина-радиальной Опары I рад оп. =(О/2 -о/2)с !

/2 (при !/D > 2), (здесь D — диаме р гелиевай ванны, d — диаметр "теплого" отверстия криостата), тогда тепловой поток по.силовым обечайкам прямо пропорциональный площади поперечного сечения и обратно пропорциональный длине теплОВога моста будет меньше, чем в радиальных опорах.

Для коротких силовых абечаек (I/D < 2) определяющими напряжениями в обечайке

Формула изобретения

Сверхпроводниковый магнитный сепаратор, включающий криостат кольцевой формы с расположенной внутри него катушкой возбуждения, помещенный в гелиевую ванну криостата, закрепленну1О в нем посредством опорных элементов, и сепарационный блок, о т л и ч а ю щ и и 6:я тем, что, с целью снижения эксплуатационных затрат при работе сепаратора, он снабжен магнитоправодом с полюсными наконечниками, 45 проходящим через теплое отверстие криостата, и по крайней мере двумя концентрическими силовыми обечайками, расположенными в вакуумном пространстве криостата и соединенными между собой

50 посредством опорных элементов, при этом внутренняя Обечайка жестко соединена по торцам с гелиевой ванной, а внешняя — с наружным кожухом криостата, причем сепарационный блок расположен напротив полюсных наконечников магнитопровада.

30 являются касательные напряжения и соотношение между поперечными сечениями обечаек и радиальных опор из уравнений (2) и {3) будет иметь вид

S2 2К

=1

S1 06 т,е. и в этом случае теплоприток по силовым обечайкам будет меньше, чем па радиальным опорам, так как длина теплового моста в абечайках больше, чем в радиальных опорах (для обычно вы полняемого случая

l/D > 1, где I — длина гелиевой ванны, катушки и силовой обечайки, а 0 — диаметр гелиевой. ванны и катушки).

Кроме снижения эксплуатационных затрат за счет уменьшения теплопритока в низкотемпературную зону криостата сепаратора, упрощается технология его изготовления, путем последовательной сварки концентрических абечаек в отличие от сепаратора с радиальными опорами, требующими индивидуального монтажа каждой опоры.

При использовании заявленного сепаратора имеется возможность полностью или частично избежать дополнительных изгибающих моментов s силовых обечайках от действия радиальной. составляющей силы одностороннего притяжения, путем расположения опорного кольца, связывающего силовые обечайки, в плоскости, проходящей через центр катушки возбуждения.