[논문 리뷰] Calculation of Evaluation Variables for High Gradient Magnetic Separation with an Idealized Capture Model

F.J. Xu, Anbin Chen|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 29.

Minerals Flotation and Separation Techniques참고 문헌 19인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이상화된 조건에서 입자 흡착을 시뮬레이션함으로써 고기울기자기분리(HGMS)에서 핵심 평가 변수인 등급과 복구율을 계산하는 계산 모델을 제안한다. 유한요소분석과 순환 경계 조건, 다선자기장 조건을 적용하여 입자 크기와 자성광물 함량에 기반한 흡착 효율 함수를 유도하며, 포화 자화가 증가함에 따라 더 강한 자기장이 주는 이점이 점점 감소함을 보여주며, 흙백토 정제에 대한 사례 연구를 수행한다.

ABSTRACT

This paper regards feed mine as a mixture of intergrowths and pure non-magnetic mineral particles, presents a method to calculate the evaluation variables such as grade and recovery in high gradient magnetic separation (HGMS). A idealized capture model is constructed in which the interaction between particles is not taken into account and only for the initial aggregation condition that the separator has the highest capture efficiency. In the model we adopt the functions that use nominal particle radius and magnetic mineral content as independent variables to describe volume fraction distribution and capture efficiency of intergrowths respectively. Through adding multi-wire magnetic fields and setting periodic boundary conditions in flow field analysis, we modify the computational domain of the single-wire capture theory to a element domain that periodically appears in the multi-wire matrix. By means of finite element software, particle trajectories, flow field and magnetic field are clearly exhibited, and then capture efficiency function is obtained by interpolation method. The calculated evaluation variables theoretically represent the best performance of magnetic separator for a given feed. They can assist mineral engineers to evaluate or compare the effects of different magnetic separation systems in advance. We use removal of iron impurity from kaolin as an example to illustrate the presented calculation method. The results quantitatively compare the evaluation variables of the separation at different magnetic fields and show that the advantage of higher magnetic field in separation efficiency decreases with the increase of saturation magnetization of magnetic mineral.

연구 동기 및 목표

• 이dealized 흡착 조건에서 고기울기자기분리(HGMS)의 등급과 복구율을 예측하기 위한 이론적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 입자 간 상호작용 없이 초기 집합 조건에서 흡착 효율이 최대화될 때의 입자 흡착 효율을 모델링하기 위해.
• 자기장 강도와 자성광물의 포화 자화가 분리 성능에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 실험적 테스트 이전에 자기분리 시스템을 평가하거나 비교할 수 있는 예측 도구를 제공하기 위해.

제안 방법

• 입자 간 상호작용이 없고 초기 흡착 효율이 최대일 때를 전제로 하는 이상화된 흡착 모델을 구축한다.
• 입자 반지름과 자성광물 함량을 독립 변수로 하여 부피 분율 분포와 흡착 효율 함수를 정의한다.
• 다중선자기장과 순환 경계 조건을 적용하여 단일선 흡착 이론을 선 매트릭스 내의 대표 단위세포로 확장한다.
• 유한요소 소프트웨어를 사용하여 수정된 계산 도메인 내에서 입자 궤적, 유동장, 자기장을 시뮬레이션한다.
• 시뮬레이션 결과의 보간을 통해 흡착 효율을 유도하여 분리 성능의 정량적 평가를 가능하게 한다.
• 철 잡물 제거를 위한 흙백토 사례 연구를 통해 자기장 강도와 광물 자화 수준을 변화시키면서 방법을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입자 크기와 자성광물 함량을 변화시킬 때 자기장 강도가 HGMS의 흡착 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 자성광물의 포화 자화가 증가함에 따라 더 강한 자기장이 주는 성능 이점은 어느 정도 감소하는가?
• RQ3 이dealized 흡착 조건 하에서 주어진 공급 조성에 대해 HGMS에서 이론적으로 도달할 수 있는 최대 등급과 복구율은 무엇인가?
• RQ4 입자 크기와 자성광물 함량이 함께 작용하여 HGMS에서 혼합물의 분포와 흡착에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 초기 집합 조건에서 흡착 효율이 최대화되어 HGMS 성능의 상한선을 제공한다.
• 더 강한 자기장은 분리 효율을 향상시키지만, 자성광물의 포화 자화가 증가함에 따라 그 여유 이득은 점점 감소한다.
• 모델은 흙백토 공급에서 자기장 강도가 증가함에 따라 자성광물의 포화 자화가 증가함에 따라 성능 향상의 이점이 점점 줄어든다는 것을 예측한다.
• 유한요소 시뮬레이션은 입자 궤적, 유동장, 자기장을 명확하게 시각화하여 보간 기반의 흡착 효율 추정을 정확하게 가능하게 한다.
• 이 방법을 통해 다양한 자기장 강도와 공급 조성 간의 분리 결과를 정량적으로 비교할 수 있다.
• 이dealized 모델은 실제 HGMS 시스템을 평가하고 설계 매개변수를 최적화하기 위한 이론적 기준을 제공한다.