Wyznaczanie podatności magnetycznej substancji stałych

METODY BADAŃ SUROWCÓW MINERALNYCH (LABORATORIUM)
Wybrane podstawowe metody oznaczania właściwości fizycznych skał i minerałów
T1: Wyznaczania podatności magnetycznej substancji stałych za pomocą izodynamicznego pola magnetycznego
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:
= / , m3/kg
(1)
gdzie oznacza gęstość substancji w kg/m3.
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 a z 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
METODY BADAŃ SUROWCÓW MINERALNYCH (LABORATORIUM)
Wybrane podstawowe metody oznaczania właściwości fizycznych skał i minerałów
T1: Wyznaczania podatności magnetycznej substancji stałych za pomocą izodynamicznego pola magnetycznego
można zauważyć różnice w klasyfikacjach minerałów według
magnetycznych, podawane przez różnych autorów.
ich właściwości
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
METODY BADAŃ SUROWCÓW MINERALNYCH (LABORATORIUM)
Wybrane podstawowe metody oznaczania właściwości fizycznych skał i minerałów
T1: Wyznaczania podatności magnetycznej substancji stałych za pomocą izodynamicznego pola magnetycznego
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 10-6/I2
50
(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
o r a z 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 I1. 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
METODY BADAŃ SUROWCÓW MINERALNYCH (LABORATORIUM)
Wybrane podstawowe metody oznaczania właściwości fizycznych skał i minerałów
T1: Wyznaczania podatności magnetycznej substancji stałych za pomocą izodynamicznego pola magnetycznego
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 I2 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 I3 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
FM = ...
FN = ...





g
=




g

=
=
=
=
=
=
X1 = …
=
X2 = …
=
X3 = …
5. BIBLIOGRAFIA
Blaschke Z., Brożek M., Ociepa Z., Tumidajski T., 1983. Górnictwo Cz. V. Zarys
4/5
METODY BADAŃ SUROWCÓW MINERALNYCH (LABORATORIUM)
Wybrane podstawowe metody oznaczania właściwości fizycznych skał i minerałów
T1: Wyznaczania podatności magnetycznej substancji stałych za pomocą izodynamicznego pola magnetycznego
technologii procesów przeróbczych. Skrypt AGH, nr 931. Kraków.
Detław A. A., Jaworski B.N., 1970. Elektryczność i magnetyzm. PWN Warszawa.
Drzymała J., 2009. Podstawy
Wrocławskiej, Wrocław.
mineralurgii,
Oficyna
Wydawnicza
Politechniki
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