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Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM 2014
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DESARROLLO DE MATERIALES, PROCESOS Y EQUIPOS MAGNETORREOLÓGICOS
PARA BENEFICIO DE MINERALES
Development of magnetorheological materials, process and equipment for wealth
RESUMEN
En esta investigación se desarrolló un fluido magnetorreológico (FMR) con
magnetita como material magnético, aceite como fluido de transporte y aditivos
antigravitacionales y antiaglomerantes. Se diseñó y construyó un equipo para
beneficio de minerales con FMR, que permite modificar la densidad aparente del
fluido, de forma directamente proporcional a la intensidad del campo magnético,
flotando y hundiendo las partículas de densidad menor y mayor a la del FMR,
respectivamente. Las pruebas se realizaron con carbón mineral, logrando
eficiencias en la separación de cenizas, del 75 y el 86 por ciento, en muestras
filtradas por tamiz 4 y 8.
Palabras clave: beneficio de minerales, densidad aparente, fluidos
Magnetorreológicos, magnetita, lavado de carbones, separación gravimétrica de
minerales.
ABSTRACT
In this investigation, a Magnetorehological Fluid (MRF) was developed with
magnetite as the magnetic material, oil as the carrier fluid and antigravity and
anti-caking additives. A prototype for wealth with MRF at a laboratory level was
designed and built; This machine allows modifying the apparent density of the
fluid, in direct proportion to the intensity of the magnetic field; the particles
more dense than MRF, sink and the particles less dense than MRF, float. The
testing was made with two samples coal, passed through sieves number 4 and 8.
The efficiency of separating ashes was around 86 and 75 percent, respectively.
Keywords: Apparent density, Coals cleaning, Gravimetric separation of
minerals, Magnetorehological Fluid, Magnetite, Wealth.
1. INTRODUCCIÓN
El desarrollo de materiales inteligentes con propiedades
químicas, eléctricas, magnéticas, mecánicas o térmicas
que se pueden transformar con agentes externos [1], son
de gran interés en el
campo de investigación e
innovación; un ejemplo, los fluidos con propiedades
reológicas, en los que la viscosidad se puede modificar
hasta que el fluido se comporte como un sólido, en
presencia de campos magnéticos de alta intensidad, o
como un fluido newtoniano, en ausencia de estos. Existen
varios tipos de fluidos, como los electrorreológicos (ER)
descubiertos por Willis Winslow en 1949 [2], y los
magnetorreológicos desarrollados a través del tiempo por
investigadores como: Rabinow (1948), Papell (1965),
Rosensweig y O’Connoe (1962), Massar (1981) y Elmore
(1938), [3]. Los minerales con alta concentración cada
vez son más escasos, por lo que se hace necesario
eliminar las impurezas presentes en estos, mediante la
selección y aplicación de procesos de beneficio. Dentro
de estas técnicas sobresalen los métodos de separación
gravimétrica que se usan para tratar una gran variedad de
Fecha de Recepción: 7 de septiembre de 2014
Fecha de Aceptación: 9 de septiembre de 2014
MARCO A. ARDILA B.
Ingeniero metalúrgico, M. Sc.
Profesor Asistente
Universidad Pedagógica y
Tecnológica de Colombia
[email protected]
PILAR TRIVIÑO R.
Química, M. Sc.
Universidad Pedagógica y
Tecnológica de Colombia
[email protected]
ÉDGAR A. TORRES B.
Ingeniero electromecánico, M. Sc.
Profesor Asistente
Universidad Pedagógica y
Tecnológica de Colombia
[email protected]
CLAUDIA P. MOLINA G.
Ingeniero metalúrgico, M. Sc.
Profesor ocasional TC
Universidad Pedagógica y
Tecnológica de Colombia
[email protected]
minerales, que varían desde los sulfuros pesados como la
galena (peso específico 7,5) hasta el carbón (peso
específico 1,3), y para tamaños de partículas muy finas.
Estos métodos tienen gran aceptación debido a que los
costos de operación son menores comparados con otros
procesos que tienen el mismo objetivo, tales como la
flotación y la floculación [4]. Uno de los pioneros de las
técnicas y tecnologías de separación de material con
medio ferromagnético, fue Rosenzweig, [5], [6]. Se
sumaron Reimers G., Rholl S. y Khalafalla S. [7],
quienes diseñaron un proceso y un dispositivo
magnetogravimétrico para separación de partículas
usando fuerzas de levitación no verticales. Honer F. y
Quets J. [8], desarrollaron un equipo para separar
pequeñas partículas de 5 mm hasta 1 µm de diámetro por
diferencia de densidad. En Japón, Nakatsuka [9]
desarrolló un modelo para tratar escoria de metal,
utilizando FMR y un imán permanente de tierras raras;
también se tratan minerales de Al, Zn, Cu, Pb con
tamaños menores a 30 mm de diámetro. Otra técnica
desarrollada, es el equipo Magstream [10], similar a un
proceso de medios densos en centrífuga, donde se
2
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alcanza la separación por una combinación de densidad
de las partículas y propiedades magnéticas.
para verificar el flujo y el balance de carga representado
en el diagrama de la figura 2.
El proyecto plantea demostrar la viabilidad técnica para
desarrollar una adaptación de la técnica y la tecnología
del proceso de beneficio de minerales, por diferencia de
densidades con FMR. Para lograr estas metas, se debe
diseñar y producir un fluido magnetorreológico, a partir
de magnetita mineral de yacimientos colombianos [11]; e
igualmente, diseñar y construir un prototipo de máquina
para llevar a cabo el proceso de beneficio de minerales
con FMR a nivel de laboratorio.
De esta forma, el artículo presenta los resultados del
método experimental aplicado para la obtención del
ferrofluido, la simulación del comportamiento de una
partícula levitando en FMR, afectado por un campo
magnético, y del proceso de diseño mecánico del
prototipo, para el cual se aplicó el método de French [12]
correlacionado con las necesidades del diseño.
Finalmente, se presentan los resultados de las pruebas de
operación del equipo de beneficio de minerales, aplicada
a la separación de cenizas del carbón en medio denso,
que para este caso es el FMR de densidad variable, en
proporción directa a la intensidad del campo magnético.
Figura 2. Diagrama de flujo y configuración del proceso.
El proceso de diseño mecánico del equipo se realiza
correlacionando el método de French, con los
requerimientos propios del equipo para beneficio de
minerales por métodos gravimétricos, empleando FMR
(figura 3).
2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
2.1 Preparación y simulación del FMR.
Se llevó a cabo de acuerdo con la secuencia de
actividades relacionadas en la figura 1.
Figura 3. Correlación del problema de diseño con el
método French.
Se aplicaron técnicas de análisis de información,
creatividad y análisis funcional, entre otros
procedimientos, teniendo en cuenta conceptos de diseño
para manufactura, ensamble, usabilidad, tamaño del
cuerpo humano, postura, alcance y movilidad, fuerza y
potencia, así como rapidez y acción controlada. El
proyecto concluye con la construcción y pruebas de
funcionamiento del equipo.
Figura 1. Secuencia metodológica de la preparación y
simulación del FMR.
2.2 Diseño y construcción del prototipo para beneficio
de minerales con FMR.
A partir de un análisis de operaciones, se define la
ubicación de los elementos y la distribución del sistema,
3. RESULTADOS
3.1 Selección, concentración, preparación
caracterización de magnetita (Fe3O4)
y
Se analizaron muestras del Hobo (Huila), y de arenas
negras del Río Magdalena de Puerto Colombia
(Atlántico). La caracterización química, por vía húmeda,
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registra contenidos de Fe3O4, del 49.71% en las arenas
negras, y del 50.4% en la muestra del Hobo. Las
propiedades de las arenas de Puerto Colombia (contienen
hasta 50% de minerales pesados acumulados por la
acción de las olas) favorecen el proceso de concentración
y reducción de tamaño; en consecuencia, fue el mineral
de magnetita seleccionado.
3
mecánica de los sólidos cristalinos por acción de ciertos
equipos de molienda produce alteraciones y cambios
texturales, que pueden llegar a ser estructurales, aunque
éste no es el caso, pero tienen gran interés en el
desarrollo de materiales [13]. (figura 5).
La concentración del mineral se realizó en un equipo de
separación magnética de tambor; la caracterización, por
análisis petrográficos, de fluorescencia de rayos X (FRX)
(tabla 1), difracción de rayos X (DRX), microscopio
electrónico de barrido (MEB), y propiedades magnéticas.
PETROGRAFÍA
Compuesto
%
Magnetita
76.0
Piroxeno
7.5
Anfíboles
6.0
Epidotita
3.5
Cuarzo
2.0
Circón
0.5
Feldespatos
2.5
Granate
0.5
Clorita
1.5
-
FRX
Compuesto
Fe3O4
FeTiO3
SnO2
Cl
Cs2O
BaO
ZrO2
Co3O4
Rb2O
ThO2
SrO
%
75.1
8.02
4.9
4.3
2.3
2.0
1.5
1.4
0.1
0.3
0.04
Tabla 1. Análisis petrográficos y de FRX.
El análisis de fases indica la cristalinidad de la magnetita;
el difractograma confirma la presencia de cuarzo e
ilmenita, además de otros compuestos no definidos por
superposición de picos. Para la identificación de fases y
la indexación, se compara el difractograma con las fichas
de PDF-2 Release 2005 en el programa X´pert High
Store Plus (figura 4).
Figura 4. Difractograma de magnetita mineral.
La micrografía del mineral original permite diferenciar
los cristales prismáticos de magnetita. Luego del
tratamiento mecánico esta distinción desaparece,
observándose un sistema particulado de morfología
homogénea. La magnetita mineral se ve una sola masa, lo
cual significa que se aglomera, posiblemente porque al
reducirla de tamaño se genera supermagnetismo. Es
posible que con la molienda haya ocurrido una activación
Figura 4. Micrografía MEB de magnetita.
El ciclo de histéresis y las propiedades magnéticas de la
magnetita se realizaron en un magnetómetro tipo SQUID
(Superconducting Quantum Interference Device)
Quantum
Design
MPMS
(Magnetic
Property
Measurement System). A temperatura de 8 K. La curva
de histéresis de la magnetita (figura 6), confirma
comportamiento superparamagnético, por la tendencia de
partículas a segregarse para formar aglomerados cuyos
polos magnéticos inducidos en la superficie pueden
generar campos de desmagnetización con lo que se
reducen los momentos magnéticos efectivos y la
permeabilidad [14] acorde a la interpretación de los
resultados del MEB.
Figura 6. Curva de histéresis de la magnetita.
Para la selección de aditivos, fluidos de transporte y
preparación del fluido, se tomaron como base los
parámetros sugeridos por Kalafalla [15] y Carson [16],
con referencia a magnetita, fluido portador y tensoactivo.
Se siguió el procedimiento propuesto en la investigación
para obtener ferrofluidos a partir de magnetita mineral
[11], realizada por el Grupo de Carbones y Carboquímica
de la UPTC [3]. Como resultado se preparó un FMR
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compuesto por 30% en peso de magnetita, adiciones de
tensoactivo de tipo aniónico, dodecil sulfato de sodio al
3%, y ácido oleico 5% como dispersante, en un 42% en
peso de aceite lubricante para motores 20W30.
3.2 Simulación del comportamiento de una partícula
levitando en FMR afectado por un campo magnético
3.2.1 Definición de sistema. La técnica para la obtención
de flotados y hundidos de un mineral no magnético
consiste en la levitación y hundimiento selectivos, con
base en las densidades de la partícula y del medio de
separación. Cuando un FMR se expone a un campo
magnético externo, aumenta su densidad con el aumento
de la intensidad del campo. Este comportamiento se
puede modelar a partir del sistema mostrado en la Figura
7:
3.2.4 Implementación del modelo en computador: el
modelamiento del sistema se hizo con ANSYS (Licencia
de la Universidad Santo Tomás de Aquino –Tunja).
3.2.5 Pre y postprocesamiento: Sobre la geometría
trapezoidal de la celda de flotación se genera el mallado y
se aplican las cargas, se definen las condiciones de
frontera y se verificaron las propiedades de materiales
para proceder al procesamiento de datos. Los resultados
gráficos se presentan en la figura 8.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 7. Comportamiento de la partícula al aplicar
campo magnético externo.
Donde N y S representan los elementos generadores del
campo magnético con gradiente en función de la altura;
Fm, fuerza de tracción magnética; W, fuerza
gravitacional; Fe, fuerza de flotación (principio de
Arquímedes); Fef, fuerza de flotación aportada por el
FMR.
3.2.2 Formulación del modelo. [17] Sin considerar
efectos de inercia, el sistema de fuerzas que actúan sobre
una partícula no magnética suspendida en un volumen de
FMR, afectado por un campo magnético, es:
W  mg   pV p g
Fm 
1
o
k pV p BB
Fe  V f g f
Fmf 
1
o
(1)
(2)
Figura 8. Postprocesamiento del modelo. (a) Aplicación
de vectores en dirección del campo magnético. (b)
Alineación de partículas del FMR. (c)Solución nodal del
campo magnético. (d) Solución nodal de contorno para
distribución de densidades del FMR en función del
campo magnético.
La simulación registra un aumento en la densidad del
FMR, debido al gradiente de campo magnético aplicado.
A mayor campo que se concentra, más magnetita por la
fuerza externa recibida (parte más cercana entre los
extremos del campo magnético). La diferencia de
densidades
se
comprueba
experimentalmente,
corroborando la tendencia de incremento en la misma
dirección del campo magnético. Ver tabla 2.
(3)
J f V p B
(4)
3.2.3 Preparación de datos: los datos de entrada
corresponden a los parámetros de valor constante como
W, densidad aparente del fluido en ausencia de campo
magnético, intensidad del campo magnético, fuerza de
empuje y densidad de la partícula. Los datos de salida
corresponden a la densidad del punto de corte, en el cual
se mantiene levitando una partícula.
DATOS EXPERIMENTALES
SIMULACIÓN
Campo
Densidad
Densidad
Magnético
(g/cm3)
(g/cm3)
0
1.01
1.515
5
1.01
1.523
20
1.07
1.527
100
1.1
1.531
150
1.12
1.534
200
1.25
1.538
Tabla 2. Comparación densidad experimental y
simulada.
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3.3 Prototipo para beneficio de minerales con FMR
La figura 10 tiene la siguiente configuración: sistema de
alimentación: tolva con dosificador de banda
transportadora. Celda de beneficio: contenedor no
metálico del FMR y de la carga de mineral a tratar; es
permeable a los campos magnéticos, siendo el dispositivo
en el cual, el FMR modifica su densidad por acción del
campo para llevar a cabo el proceso de beneficio del
mineral. Sistema de Separación de hundidos: banda
transportadora con canaletas. Sistema de Separación de
flotados: tornillo sinfín con sistema de recuperación de
fluido magnético que fluye adherido a las partículas
flotadas. Sistema de recuperación y recirculación del
FMR: malla de acero vibratoria, para separar el FMR de
los materiales sólidos, con colectores independientes. El
fluido, finalmente, se recircula hacia la celda de
beneficio. Sistema de control: sistema de lazo abierto,
programable por el usuario, según características del
material a beneficiar.
5
Donde: Pmi: peso muestra inicial, Czi: cenizas de la
muestra inicial, DeFMR: densidad equivalente del FMR,
Pmf: peso muestra flotada, Czf: cenizas de la muestra
flotada, Czs: cenizas separadas, n: eficiencia proceso
beneficio. La eficiencia del proceso se da en función del
peso de carbón flotado con respecto a la muestra inicial
de cada tamiz.
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Los resultados de las pruebas de operación del equipo
registran 1.3 y 1.4 por ciento de separación de cenizas en
las fracciones flotadas, para granulometrías pasadas por
los tamices ASTM No. 4 y No. 8, respectivamente. En
términos de rendimiento de proceso se observa que de
una carga de 542 gramos, con cenizas iniciales de
14.86% y granulometría pasada por tamiz No.4, se
recuperaron 466 gramos con 13.56% de cenizas; es decir,
que la eficiencia del proceso para estas condiciones, es
del 86%. En los mismos términos para los resultados de
la muestra pasada por tamiz No. 8, la eficiencia es del
75%. Con base en los resultados obtenidos, se concluye
que la producción de FMR a partir de magnetita y el
desarrollo de técnicas y tecnologías para el proceso de
beneficio de minerales con fluidos magnetorreológicos,
es técnicamente viable y funcional.
Como consecuencia de este mismo análisis, se evidencia
la necesidad de optimizar el diseño del equipo a nivel de
sistemas de control, para lograr mayores niveles de
precisión y eficiencia en el proceso.
A través de esta investigación se ha desarrollado a nivel
de laboratorio, la adaptación tecnológica de un modelo de
utilidad para un equipo de beneficio de minerales, con
FMR; igualmente producidos a partir de magnetita
mineral de yacimientos colombianos.
Figura 10. Fotografía del prototipo.
3.4 Resultados de las pruebas de operación
Las pruebas de operación del equipo se realizaron a partir
de una muestra de 1000 g de carbón coquizable, sometida
a molienda; de esta se obtuvo una primera fracción de
458 g pasados por un tamiz estándar No.8, y una segunda
fracción de 542 g pasados por un tamiz estándar No. 4.
Los resultados de las pruebas del equipo para beneficio
de minerales con FMR, medidos en la separación de
cenizas de los carbones flotados, a diferentes densidades
y granulometrías, se muestran en la tabla 3.
Muestra
Muestra
inicial
Tamiz
ASTM No. 4
Tamiz
ASTM No. 8
Pmi
(g)
Czi
%
1000
15.40
542.0
458.0
De
Pmf
(g)
Czf
%
Czs
%
n
%
-
-
15.40
0
-
14,86
1.23
466.0
13.56
1.3
86
15.40
1.36
343.5
14,00
1.4
75
FMR
(g/cc)
Tabla 3. Resultados de las pruebas de separación de
cenizas para una muestra de carbón, en el equipo de
beneficio de minerales con FMR.
Agradecimientos
Los autores agradecen el apoyo recibido por parte de
Colciencias, la Gobernación de Boyacá, la Dirección de
Investigaciones de la Universidad Pedagógica y
Tecnológica de Colombia, y el Centro de Investigaciones
de la Universidad Santo Tomás Seccional Tunja, así
como a los semilleros de investigación que participaron
en este proyecto.
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