WYZNACZANIE PODATNOŚCI MAGNETYCZNEJ SUBSTANCJI STAŁYCH ZA POMOCĄ IZODYNAMICZNEGO POLA MAGNETYCZNEGO opracował dr inż. Tomasz Ratajczak na podstawie instrukcji Łuszczkiewicza (2016) 1. WSTĘP Jedną z użytecznych cech substancji jest podatność magnetyczna. Cechę tę można wykorzystać do identyfikacji substancji, a także do innych celów, w tym do wydzielania jej z mieszanin za pomocą separacji magnetycznej. Magnetyczne właściwości substancji, w tym także i minerałów, charakteryzuje się wielkością zwaną podatnością magnetyczną. W praktyce częściej używa się wielkości zwanej podatnością magnetyczną właściwą, definiowaną formułą: gdzie oznacza gęstość substancji w kg/m 3. = /, m 3 /kg (1) Właściwości magnetyczne minerału są wypadkową własności magnetycznych pierwiastków chemicznych, z których zbudowany jest minerał. Własności magnetyczne pierwiastka silnie zależą od temperatury i wynikają z budowy jego atomu, a głównie ze struktury jego zewnętrznej powłoki elektronowej i są opisywane tak zwanym wypadkowym momentem magnetycznym, definiowanym jako suma wektorowa momentu orbitalnego i spinowego elektronów. Na podstawie podatności magnetycznej substancje dzieli się na 5 grup (Svoboda, 1987, Drzymała, 2009): diamagnetyki ( < 0), na przykład kwarc SiO2, korund Al2O3, kalcyt CaCO3, dolomit CaCO3. MgCO3, baryt BaSO4, magnezyt MgCO3, sfaleryt ZnS, galena PbS, chalkozyn Cu2S, cyrkon ZrSiO4, rutyl TiO2, anhydryt CaSO4, gips CaSO4. 2H2O, skalenie: ortoklaz (skaleń potasowy, K[AlSi3O8] o r az albit (skaleń sodowy, Na[AlSi3O8]), paramagnetyki właściwe ( > 0), na przykład piryt FeS2, markasyt FeS2, bornit Cu5FeS4, chalkopiryt CuFeS2, getyt FeOOH, almandyn Fe3Al2Si3O12 (minerał z grupy granatów), antyferromagnetyki ( = f (natężenie pola magnetycznego H), na przykład hematyt Fe2O3, ilmenit FeTiO3, syderyt FeCO3, limonit, monacyt (Ln)PO4, turmalin, piroluzyt MnO2, ferrimagnetyki ( = f(h)), na przykład magnetyt Fe3O4, maghemit -Fe2O3, pirotyn FeS, ferromagnetyki ( = f(h)) na przykład żelazo rodzime, żelazo-platyna, żelazonikiel oraz wytworzone przez człowieka stopy żelaza jak stal. Właściwości magnetyczne minerałów silnie zależą od obecnych w ich strukturze zanieczyszczeń lub domieszek izomorficznych pierwiastków silnie magnetycznych, takich jak żelazo, nikiel, kobalt i niektóre lantanowce jak samar, dysproz a zwłaszcza terb. Stąd 1/5
można zauważyć różnice w klasyfikacjach minerałów według ich właściwości magnetycznych, podawane przez różnych autorów. Podatność magnetyczną ciał o własnościach magnetycznych stałych określa się metodami statycznymi Faradaya lub Gouya posługując się tak zwanymi wagami magnetycznymi mając do dyspozycji bryłkę badanego minerału (Praca zbiorowa, 1976). Podatność magnetyczną materiałów sypkich można wyznaczyć za pomocą separatora izodynamicznego typu Frantz metodą Nesseta-Fincha (1980). Pomiar podatności magnetycznej ciał stałych, których właściwości zależne są od natężenia pola magnetycznego H, wykonuje się w urządzeniach z niejednorodnym polem magnetycznym, wyznaczając krzywe namagnesowania. Pomiaru podatności magnetycznej ciał w postaci sypkiej można też dokonać za pomocą separatora typu Frantz (Nesset i Finch, 1980). Z praktycznego punktu widzenia, surowce mineralne, niezależnie od ich natury fizycznej i przedstawionego powyżej podziału, dzieli się na cztery grupy(blaschke i inni, 1981): silnie magnetyczne (magnetyt, maghemit, pirotyn), średnio magnetyczne (syderyt, ilmenit, hematyt, granaty, ksenotym), słabo magnetyczne (limonit, monacyt, ciemny rutyl, piryt, piroluzyt), niemagnetyczne (kwarc, kalcyt, skalenie, gips, cyrkon, rutyl). Podatność magnetyczną niektórych surowców można zmieniać drogą tzw. prażenia magnetyzującego. Dotyczy to niektórych minerałów Fe, Co, Ni zawierających słabo magnetyczne składniki paramagnetyczne (na przykład limonit, syderyt i niektóre odmiany hematytu). 2. LABORATORYJNY SEPARATOR MAGNETYCZNY FRANTZ'A W laboratoryjnych badaniach nad magnetyzmem substancji przydatny jest izodynamiczny separator magnetyczny skonstruowany przez S. Frantza w 1936 roku. Jest to urządzenie laboratoryjne służące do testowania własności minerałów oraz ich mieszanin i ich rozdzielania. Separator ten pracuje na sucho, chociaż znane są jego wersje pracujące na mokro. Cechą szczególną tego urządzenia, odróżniającą go od innych powszechnie stosowanych typów separatorów magnetycznych, gdzie materiał magnetyczny jest przyciągany, jest charakterystyka pola magnetycznego przestrzeni roboczej powodująca wypychanie ziarn mineralnych (Łuszczkiewicz, 2016). Zasadniczą częścią tego separatora jest elektromagnes składający się z dwóch zwojnic nawiniętych na rdzeń tworzących dwa bieguny, pomiędzy którymi znajduje się rynienka. Pomiędzy biegunami, w przestrzeni roboczej (na rynience), wytwarza się pole, którego linie sił skierowane są antyrównolegle w przeciwnych kierunkach. W celu obniżenia wpływu sił tarcia na badany materiał, do rynienki przymocowany jest trwale wibrator, który przekazuje swoje drgania do nachylonej rynienki wymuszając tym ruch (przesypywanie się) ziarn rozdzielanego materiału. Amplituda drgań wibratora jest regulowana. Materiał przeznaczona do separacji podawany jest na rynienkę za pomocą lejka, którego odkręcanie lub dokręcanie reguluje ilość zasypywanego materiału. Separator Frantza posiada szczególnie przydatną cechę. Jest nią możliwość płynnej regulacji wielkości pola magnetycznego, które jest kontrolowane natężeniem płynącego przez zwojnice prądu przy pomocy wbudowanego w korpusie amperomierza. Konstrukcja separatora Frantza pozwala na dowolne ustawienie położenia rynienki transportującej ziarna minerałów w czasie badań poprzez regulacje nachylenia wzdłużnego i poprzecznego. 2/5
Wypadkowa wszystkich wyżej wymienionych parametrów: natężenia pola magnetycznego, amplitudy drgań rynienki, ilości zasypywanego przez lejek materiału i położenie rynienki transportującej, pozwalają na precyzyjny wyznaczenie podatności magnetycznej substancji i rozdział minerałów o zbliżonych podatnościach magnetycznych. Dla minerałów paramagnetycznych, dla których podatność nie zależy od natężenia pola magnetycznego, podatność właściwą można wyznaczyć ze wzoru Nesseta i Fincha (1980): =19.2 sin 50 10-6 /I 2 (2) gdzie: 50 - kąt nachylenia bocznego elektromagnesu, przy którym 50% materiału rozdzielonego trafia do frakcji magnetycznej, a drugie 50% do niemagnetycznej,, I - natężenie prądu zasilającego elektromagnes, A. 3. WYKONANIE ĆWICZENIA UWAGA: Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia należy zdjąć z rąk zegarki i wyjąć z kieszeni urządzenia elektroniczne, które w wyniku działanie pól magnetycznych mogą ulec nieodwracalnym uszkodzeniom. Celem ćwiczenia jest określenie podatności magnetycznej właściwej wybranego minerału oraz stwierdzenie jakiego rodzaju właściwości magnetyczne minerał ten wykazuje. Badanie to określono nazwą procedury Nesseta-Fincha (1980). Wykonanie badania 1. Do badań przygotować badaną substancję o uziarnieniu 0,1-0,2 mm przez przesiewanie. 2. Odważyć w naczyńku wagowym 5 g badanego materiału. 3. Sprawdzić kompletność wyposażenia separatora, zwłaszcza właściwe umieszczenie naczyniek odbierających rozdzielone produkty separacji i zwrócić uwagę na kolor oraz przeznaczenie naczyniek. Srebrny pojemnik przeznaczony jest na produkt niemagnetyczny (FN), a złoty na produkt magnetyczny (FM). 4. Ustawić według wskazówek prowadzącego i zanotować kąt boczny ( ) i kąt wzdłużnego nachylenia separatora. 5. Sprawdzić, czy pokrętło regulacji amperomierza i wibratora ustawione są na zerze. 6. Włączyć prąd zasilający uzwojenie elektromagnesu i kierując się wskazaniami amperomierza nastawić odpowiednie (według polecenia prowadzącego) natężenie prądu I 1. Do zakręconego lejka nadawczego separatora wsypać naważkę badanej substancji, a następnie włączyć zasilanie wibratora i ustawić jego drgania pokrętłem na głośne "brzęczenie". Powoli odkręcać lejek nadawczy, obserwując pojawienie się cienkiego strumienia materiału wysypującego się z lejka materiału i doprowadzając strumień do stałej niewielkiej wydajności. 7. Po przepuszczeniu przez separator całej masy naważki, produkty rozdziału zważyć, zanotować wagi produktów i wyliczyć wychody, %. Oba produkty połączyć (zsypać razem) i materiał wsypać powtórnie do lejka nadawczego separatora powtarzając całą operację rozdziału od początku. Porównać oba wyniki i jeśli wychody procentowe produktów nieznacznie się różnią, wyliczyć średnie arytmetyczne mas produktów oraz wyliczyć wychody ostateczne i wpisać je do tabeli wyników. 8. Zwiększyć o 2 kąt nachylenia bocznego separatora i powtórzyć wszystkie operacje opisane w poprzednim punkcie. 9. Zwiększyć o następne 2 kąt nachylenia bocznego separatora i powtórzyć wszystkie 3/5
operacje opisane w punkcie 6. 10. Zwiększać lub zmniejszać o 2 kąt nachylenia bocznego separatora i powtarzać wszystkie operacje opisane w punkcie 6 zwracając uwagę, by wśród otrzymanych wyników (wyliczonych wychodów produktów FM i FN) wszystkich doświadczeń znalazły się takie, dla których wychody np. FM znajdują się w pobliżu 50% oraz są znacznie większe i znacznie mniejsze od 50%. 11. Wykonać drugą serię pomiarów: zwiększyć nieznacznie natężenie prądu zasilającego uzwojenie separatora do wartości I 2 i powtórzyć wszystkie operacje opisane w punktach 5 do 9. Wymagana jest tylko nieznaczna zmiana natężenia prądu zasilającego, rzędu 0.1 0.4 A, gdyż taka właśnie już wywołuje wystarczająco, dla tego pomiaru, silną zmianę w natężeniu pola magnetycznego. 12. Wykonać trzecią serię pomiarów: zwiększyć nieznacznie natężenie prądu zasilającego uzwojenie separatora o kolejne 0.1 0.4 A, do wartości I 3 i powtórzyć wszystkie operacje opisane w punktach 5 do 9. Ten punkt wykonać jeśli pozwoli na to czas przeznaczony na ćwiczenie. 4. OPRACOWANIE WYNIKÓW BADAŃ Wyniki z poszczególnych serii pomiarów wpisać i opracować zgodnie z podaną tabelą 1. Wyniki zestawione w tabeli nanieść na papierze milimetrowym przedstawić w formie zależności = f( ) i odczytać wartości kąta 50, (dla wychodu =50%) dla przyjętych ustawień natężenia pola magnetycznego. Następnie wyliczyć kolejne wartości podatności magnetycznej właściwej dla badanego minerału dla poszczególnych serii doświadczeń, według stosownego wzoru (2). Ocenić i przedyskutować otrzymane wyniki i podać wnioski końcowe z badań. Tabela 1. Wyniki badań podatności magnetycznej według procedury Nesseta-Fincha [ g g g FM =... FN =... = = = X 1 = X 2 = X 3 = 5. BIBLIOGRAFIA Blaschke Z., Brożek M., Ociepa Z., Tumidajski T., 1983. Górnictwo Cz. V. Zarys 4/5
technologii procesów przeróbczych. Skrypt AGH, nr 931. Kraków. Detław A. A., Jaworski B.N., 1970. Elektryczność i magnetyzm. PWN Warszawa. Drzymała J., 2009. Podstawy mineralurgii, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław. Łuszczkiewicz A., 2016. Instrukcja do ćwiczeń: Własności magnetyczne minerałów, http://www.minproc.pwr.wroc.pl/zpkio/pdf/przerkoplab/labpk13.pdf, dostęp: 16.02. 2016 r. Praca zbiorowa, 1976. Poradnik Górnika, Tom V. Wyd. Śląsk, Katowice. Nesset J.N., Finch J.A., 1980. Determination of magnetic parameters for field dependent susceptibility minerals by Frantz isodynamic magnetic separator. Trans. IMM, Sec. C., 89, C161-C166. Svoboda J., 1987. Magnetic methods for the treatment of minerals, Developments in Mineral Processing, 8, D.W. Fuerstenau (red. serii), Elsevier, Amsterdam. 5/5