«Принцы» и «нищие» в царстве минералов

Кроме магнетита, промышленное значение имеют сопутствующие ему оксиды — гематит и мартит (Fe₂O₃). Кристаллический гематит называют железным блеском, а тонкозернистый — красным железняком. Карбонат железа — сидерит и гидрооксиды — лимонит и гетит имеют бурую и желтовато-бурую окраску. Эти минералы слабомагнитны, имеют немного меньшую плотность, чем магнетит, и, как правило, добываются только вместе с ним. Титаномагнетиты — ильменит, перовскит и другие — также имеют промышленное значение, но добываются ради титана. Перспективным источником железа являются также пиритные огарки, остающиеся после обжига пирита в производстве серной кислоты.

Основным способом обогащения железных руд является магнитная сепарация. Минералы-ферромагнетики содержат ионы с неспаренными спинами, магнитные моменты которых ориентируются кристаллическим полем в пределах магнитных доменов; их можно уподобить микромагнитам размером от микрометра до миллиметра. Магнитные моменты доменов в отсутствие магнитного поля имеют различную ориентацию, поэтому намагниченность, например, чистого самородного железа не проявляется. В магнитном поле домены, подобно спинам в парамагнетиках, ориентируются, что вызывает разориентацию доменов у одних минералов сразу, у других спустя некоторое время, а у третьих сохраняется остаточная намагниченность. Это связано с разной подвижностью магнитных моментов доменов в разных минералах, зависящей от наличия нарушений кристаллической решетки — дислокации, включений других минералов, зональности или мозаичности кристаллов и других неоднородностей.

Ни один природный минерал не притягивается магнитом с такой силой, как металлическое железо, но зато почти все железосодержащие минералы обладают в той или иной степени магнитными свойствами. Магнетит содержит 72 % железа и всего в 2,5 раза слабее, чем металлическое железо, притягивается магнитом. Несколько слабее притягивается железомарганцевый минерал — франклинит и железотитановые — титаномагнетит и ильменит. Эти сильномагнитные минералы легко отделяются электромагнитом. Еще в XVII в. обычным магнитом магнетит удаляли из смеси тяжелых минералов. Плотность магнетита — 5,2 г/см³, при промывке и гравитационном обогащении он попадает в шлихи вместе с золотом, вольфрамитом, касситеритом.

Принципиальная схема магнитной сепарации

а — сепаратор, б — железоуловитель

Большинство минералов проявляют магнитные свойства только в сильном магнитном поле с высокой напряженностью. Магнитная индукция, которую создает магнитное поле, изменяется в присутствии минерала. Мерой ее изменения служит магнитная проницаемость минералов и связанная с пей магнитная восприимчивость. Магнитные свойства зависят не столько от содержания железа, сколько от структуры соединения. Наиболее магнитна окись-закись железа — магнетит. Окиси железа — гематит и лимонит — слабомагнитны, Невелика магнитность сульфида железа — пирита и карбоната железа — сидерита. Чтобы изменить природные свойства минералов, руду обжигают, нагревая до температуры 550–600 °C с добавкой углерода, а сидерит, содержащий углерод, — без добавок. Вместо углерода можно применить доменный или коксовый газ, содержащий окись углерода, которая также действует как химический восстановитель. Восстанавливая часть трехвалентного железа Fe₂O₃ в закись-окись Fe₃O₄ — магнетит, обжиг превращает все железные минералы, содержащиеся в руде, в сильномагнитные. Кроме того, обжиг облегчает последующее дробление и измельчение, так как нагревание до высокой температуры и охлаждение приводят к растрескиванию породы.

Основная часть магнитного сепаратора — электромагниты, создающие магнитное поле определенной интенсивности, в котором немагнитные и магнитные минералы ведут себя по-разному. На немагнитные действует только сила тяжести; магнитные, кроме того, притягиваются электромагнитом. Соотношение этих двух сил и определяет траекторию движения магнитных частиц.

Частицы с различной магнитной восприимчивостью попадают в различные фракции. Чем сильнее и определеннее выражены магнитные свойства, тем точнее сепарация.

В зависимости от соотношения магнитных восприимчивостей разделяемых минералов применяются сепараторы с различной интенсивностью магнитного поля. Сепарация может происходить как в воздушной, так и в водной среде.

Кроме электромагнитов, сепараторы снабжены устройством для непрерывной загрузки руды и разгрузки концентратов и хвостов.

Простейшей конструкцией магнитного сепаратора, отвечающей всем этим требованиям, является вращающийся барабан с системой электромагнитов (подвижной или неподвижной) внутри. Материал подается сверху на цилиндрическую поверхность барабана: магнитные зерна притягиваются и падают под барабан, а немагнитные скользят по поверхности и оказываются в приемнике перед барабаном.

Барабанный магнитный сепаратор