Optimering av cykloner för uttag av biprodukt i överloppet

EXAMENSARBETE

Optimering av cykloner för uttag av biprodukt i överloppet

Ludvig Gustafsson Nyström 2015

Civilingenjörsexamen

Industriell miljö- och processteknik

Luleå tekniska universitet

Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser

LKAB

Optimering av cykloner för uttag av biprodukt i överloppet

Examensarbete i Industriell miljö- och processteknik, inriktning Hållbar mineral- och metallutvinning, civilingenjör - X7005K

Ludvig Gustafsson Nyström 2015-09-29

Examinator: Bertil Pålsson Handledare, LTU: Bertil Pålsson Handledare, LKAB: Patrik Lundqvist

Sammanfattning

LKAB tillverkar flera typer av högförädlade järnmalmsprodukter, fines och pellets, för

järnframställning samt för applikationer som industrimineral. De olika industrimineralsprodukterna har särskilda specifikationer och olika användningsområden. Vid LKAB i Malmberget har ett problem uppmärksammats vid klasseringen av magnetitslurry i ett hydrocyklonbatteri, som används vid produktionen av två olika specialprodukter. Problemet ligger i att produktkvaliteten från hydrocyklonöverloppet är ojämn. Grovkornsandelen tenderar att vara för stor, vilket medför att produktspecifikationen på senare produkt inte hålls och materialet får sänkt produktvärde eller måste förkastas.

Det här examensarbetet ska undersöka om det går att få jämnare produktkvalitet samt sänkt grovkornsandel i överloppet från hydrocyklonbatteriet. Detta kommer att undersökas med olika provtagningar, i full produktion under sommarhalvåret, och analyser som grundar sig i litteratur och simuleringar i MODSIM. Undersökningarna innefattar undersökning av en avgränsad delkrets, med referensproduktbalans i MatBal, samt utvärdering av olika ombestyckningar och ändrade

processinställningar av hydrocyklonbatteriet. Examensarbetet syftar till att kunna åstadkomma en ökad förståelse av detta hydrocyklonbatteriproblem, med förhoppning att hitta en möjlig lösning till problemet och/eller ge förslag på fortsatta undersökningar.

För de olika undersökningarna kommer bland annat olika kapacitetsprov samt prov för analys tas. De olika analysmetoderna som används för att utvärdera undersökningarna är XRF-, våt laserdiffraktion och fuktanalys.

Examensarbetet har kartlagt och gett bättre förståelse för hur delkrets och hydrocyklonbatteri fungerar, samt vad det finns för möjligheter för sänkt grovkornsandel i cyklonbatteriöverlopp.

Från undersökning av delkrets kunde mindre variationer observeras samt att provtagningen var hyfsat överensstämmande med tidigare provtagning. Produktbalans överensstämde relativt bra med tidigare utförd produktbalans, förutom att primärcyklonens återcirkulering var mycket mindre än vad som tidigare antagits.

Tryckfallsundersökningen på cyklonbatteriet motsade litteratur och simuleringar till viss del, eftersom överlopp gav grövre produkt med ökat tryckfall, och visar att ett ökat tryckfall bör ej vara lösning för att sänka överloppets grovkornsavdel. Undersökningarna av sänkt överloppsrörsdiameter och ökad underloppsdiameter följde simulering och litteratur bra, bör dock ej vara lösning för att sänka grovkornsandel i överlopp. Dessa ombestyckningar hade kunnat vara en lösning om undre gränsvärdena (<63 µm, <45 µm och <20 µm) för överloppets produkt var svåra att hålla.

Undersökningen av samtidigt sänkt underlopps- och överloppsrörsdiameter visade bäst förändring i avseende på sänkt grovkornsandel till överlopp samtidigt som övrig partikelstorleksfördelning för över- och underlopp hölls nära konstant.

I

Abstract

LKAB produce several different highly refined iron ore products, fines and pellets, for the

manufacturing of iron and industrial minerals applications. The different industrial minerals products have individual specifications and therefore different area of usage. At LKAB in Malmberget a

problem come to attention when magnetite slurry is classified in a cyclone cluster, which is used at the production of two special products. The problem is that the quality of the overflow product is irregular. The coarse particle fractions tend to be too large. This causes that a product cannot hold its specifications, and may receive a lower product value or is rejected.

This master thesis investigates if it is possible with a more even product quality as well as a lower coarse grain part in the overflow. This is investigated with different samplings procedures, in full production during the summer, and analyses that is based on literature and simulations with

MODSIM. The different investigations consist of an investigation on a delimited circuit, with product balances in MatBal, and evaluation of different geometrical and process changes on the cyclone cluster. This master thesis intends to give an increased understanding of the hydrocyclone problem, with the expectation of finding a possible solution and/or proposal on further investigations.

Some capacity tests were done as well as sampling for later analysis. The analysis methods chosen for the evaluation of the investigations were XRF, wet laser diffraction and moisture analysis.

This master thesis have mapped and given a better understanding on how the circuit and cyclone cluster works, as well what possibilities there are for decreased coarse grains in the battery overflow.

From the circuit investigation could smaller variations be observed as well as it was in fair agreement with previous sampling. The product balance compared well with previous ones, except for that the recirculation from the primary cyclone was determined to be much lower.

The pressure drop investigation on the cyclone cluster contradicted partly the literature and the simulations, since the overflow gave a coarser product with increased pressure drop, and shows that an increased pressure drop should not be the solution to decrease the coarse grain part in the overflow. The investigations of decreased underflow and overflow diameter followed the simulations and the literature well, but should not be the solution to decrease the coarse grain part in the

battery overflow. These changes could be the solution if the lower limits (<63 µm, <45 µm and <20 µm) on the overflow were difficult to keep. The investigation where under- and overflow diameter were both decreased showed the best change, in respect to lower the coarse grain part in the overflow and at the same time as remaining particle size distribution for the under- and overflow were kept close to unchanged.

II

Förord

I denna rapport presenteras resultatet av detta examensarbete, vilket är det avslutande arbetet på min universitetsutbildning. Examensarbetet syftar till att ge prov på kunskaper och färdigheter om att planera, utföra och presentera projekt som förvärvats under civilingenjörsutbildning Industriell miljö- och processteknik på Luleå Tekniska Universitet, med relevans för yrkesverksamheten.

Examensarbetet har utförts vid LKAB (Luossavaara-Kiirunavaara AB) i Malmberget på forskning och utvecklingsavdelning (FoU) med handledning från Avdelningen för mineralteknik.

Till sist tack till er som varit stöd under min studietid, speciellt tack till min sambo Evelina. Vill även tacka er som varit till hjälp och kommit med synpunkter kring och under tiden för mitt

examensarbete.

Malmberget, juni, 2015 Ludvig Gustafsson Nyström

III

Högskoleverkets mål för civilingenjörsutbildningen relaterade till examensarbetet

Mål 1 För civilingenjörsexamen skall studenten visa kunskap om det valda teknikområdets vetenskapliga grund och beprövade erfarenhet samt insikt i aktuellt forsknings- och utvecklingsarbete

Se kapitel 3, litteraturstudie

Mål 2 För civilingenjörsexamen skall visa såväl brett kunnande inom det valda teknikområdet, inbegripet kunskaper i matematik och naturvetenskap, som väsentligt fördjupade kunskaper inom vissa delar av området

Se kapitel 3, litteraturstudie och kapitel 4, metodik

Mål 3 För civilingenjörsexamen skall studenten visa förmåga att med helhetssyn kritiskt, självständigt och kreativt identifiera, formulera och hantera komplexa frågeställningar samt att delta i forsknings- och utvecklingsarbete och därigenom bidra till kunskapsutvecklingen

Hela arbetet

Mål 4 För civilingenjörsexamen skall studenten visa förmåga att utveckla och utforma produkter, processer och system med hänsyn till människors förutsättningar och behov och samhällets mål för ekonomiskt, socialt och ekologiskt hållbar utveckling

Arbetet visar på en möjlighet att minska förlusterna av en biprodukt, som annars går på deponi.

Mål 5 För civilingenjörsexamen skall studenten visa förmåga att i såväl nationella som internationella sammanhang muntligt och skriftligt i dialog med olika grupper klart redogöra för och diskutera sina slutsatser och den kunskap och de argument som ligger till grund för dessa

Arbetet är muntligt och skriftligt presenterat för företaget och det är utfört på plats i företagets process tillsammans med företagets personal

Mål 6 visa insikt i teknikens* möjligheter och begränsningar, dess roll i samhället och människors ansvar för hur den används, inbegripet sociala och ekonomiska aspekter samt miljö- och ar

betsmiljöaspekter

Inte direkt täckt i arbetet, men inom kurser i civilingenjörs- programmet, t ex kursen M0002K, Miljöanalys

IV

Innehållsförteckning

1 Introduktion... 1

1.1 Inledning ... 1

1.1.1 Syfte & mål ... 1

1.1.2 Problemställning & avgränsningar ... 1

2 Bakgrund ... 3

2.1 LKAB - Luossavaara-Kiirunavaara AB ... 3

2.2 Geologi... 3

2.3 Processenheterna ... 4

2.3.1 Kvarnen ... 4

2.3.2 Primärhydrocyklonen ... 4

2.3.3 Hydrocyklonbatteriet ... 5

2.3.4 Kontroll av hydrocyklonerna ... 6

2.4 Material ... 6

2.4.1 Ingående kvarn ... 6

2.4.2 Ingående hydrocyklonbatteri ... 6

2.5 Förenklad processbeskrivning av delkrets ... 7

3 Litteraturstudie ... 8

3.1 Hydrocyklonen ... 8

3.1.1 Utformning & funktion ... 8

3.1.2 Cyklonens geometri ... 9

3.1.3 Vätskeflöde i hydrocyklonen ... 11

3.1.4 Partikelmönster ... 14

3.1.5 Hydrocyklon analysparametrar ... 17

3.1.6 Effekter av olika parametrar... 20

3.1.7 3-produktshydrocykloner ... 25

3.1.8 Hydrocykloner i serier ... 26

3.2 Material ... 28

3.2.1 Magnetit ... 28

3.2.2 Gråberg ... 28

3.3 Analysmetoder ... 29

3.3.1 MODSIM - MODular SIMulator for Mineral Processing Plants ... 29

3.3.2 MatBal – Material Balance Software ... 29

3.3.3 Laserdiffraktion ... 30

V

3.3.4 Röntgenfluorescens - XRF ... 30

4 Metodik ... 31

4.1 Analysmetoder ... 31

4.1.1 Simulering ... 31

4.1.2 Produktbalans över delkrets i MatBal ... 38

4.1.3 Malvernanalys–laserdiffraktion... 40

4.1.4 Röntgenfluorescens–XRF ... 40

4.2 Undersökning & provtagning ... 41

4.2.1 Undersökning av delkrets ... 43

4.2.2 Undersökning av tryckfall ... 44

4.2.3 Undersökning av sänkt överloppsrörsdiametern, 50 mm istället för 60 mm ... 45

4.2.4 Undersökning av ökad underloppsdiametern, 35 mm istället för 25 mm ... 45

4.2.5 Undersökning av sänkt under- och överloppsrörsdiameter, 20 mm istället för 25 mm & 50 mm istället för 60 mm ... 46

5 Resultat & diskussion ... 47

5.1 Delkrets ... 47

5.1.1 Simulering av delkrets ... 47

5.1.2 Produktbalans MatBal ... 53

5.1.3 Provtagning av delkrets ... 55

5.2 Hydrocyklonbatteriet ... 58

5.2.1 Hydrocyklonbatteriets grundsimulering ... 58

5.2.2 Undersökning av tryckfall ... 59

5.2.3 Undersökning av sänkt överloppsrörsdiameter, 50 mm istället för 60 mm ... 66

5.2.4 Undersökning av ökad underloppsdiameter, 35 mm istället för 25 mm ... 71

5.2.5 Undersökning av sänkt under- och överloppsrörsdiameter, 20 mm istället för 25 mm & 50 mm istället för 60 mm ... 76

5.3 Övrigt ... 81

6 Slutsatser ... 83

6.1 Delkrets ... 83

6.2 Hydrocyklonbatteriet ... 84

6.2.1 Undersökning av tryckfall ... 84

6.2.2 Undersökning av sänkt överloppsrörsdiameter, 50 mm istället för 60 mm ... 84

6.2.3 Undersökning av ökad underloppsdiameter, 35 mm istället för 25 mm ... 85

6.2.4 Undersökning av sänkt under- och överloppsrörsdiameter, 20 mm istället för 25 mm & 50 mm istället för 60 mm ... 85 VI

6.3 Övrigt ... 86

7 Rekommendationer & fortsatta arbeten ... 87

8 Litteraturförteckning ... 88

9 Bilagor ... 90 10 Del II – Intern ... Fel! Bokmärket är inte definierat.

VII

Figurer

FIGUR 1.KULKVARNEN. ... 4

F^IGUR 2.PRIMÄRHYDROCYKLON. ... 4

F^IGUR 3.HYDROCYKLONBATTERIET. ... 5

F^IGUR 4.PROCESSCHEMA FÖR DELKRETSEN. ... 7

F^IGUR 5.HYDROCYKLONENS UTFORMNING.(J.J.C^ILLIERS,2000) ... 9

FIGUR 6.ILLUSTRERAR HYDROCYKLONENS OLIKA DIAMETRAR SAMT DESS KONVINKEL.(D.BRADLEY,THE HYDROCYCLONE: INTERNATIONAL SERIES OF MONOGRAPHS IN CHEMICAL ENGINEERING,1965). ... 10

FIGUR 7.LINJE FÖR DEN VERTIKALA NOLLHASTIGHETEN.(D.BRADLEY,THE HYDROCYCLONE:INTERNATIONAL SERIES OF MONOGRAPHS IN CHEMICAL ENGINEERING,1965) ... 11

FIGUR 8.ILLUSTRERING AV DEN VERTIKALA HASTIGHETEN.(D.BRADLEY, THERMOPEDIA,2015). ... 12

FIGUR 9.ILLUSTRERAR DEN RADIELLA HASTIGHETSFÖRDELNINGEN.(D.BRADLEY,THE HYDROCYCLONE:INTERNATIONAL SERIES OF MONOGRAPHS IN CHEMICAL ENGINEERING,1965). ... 13

FIGUR 10.ILLUSTRERAR KORTSLUTANDE LAST OCH VIRVELSTRÖM.(D.BRADLEY,THE HYDROCYCLONE:INTERNATIONAL SERIES OF MONOGRAPHS IN CHEMICAL ENGINEERING,1965) ... 13

FIGUR 11.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNINGENS FYRA REGIONER.(ENLIGT RENNER OCH COHEN,1978 FRÅN (B.A.WILLS,2006)) ... 14

FIGUR 12.%FAST I ING. PÅVERKAN AV UTLOPPSMÖNSTRET.(A.DAVAILLES,2012) ... 15

FIGUR 13.EFFEKT AV UNDERLOPPSSTORLEKEN.(B.A.WILLS,2006) ... 16

FIGUR 14.EXEMPEL PÅ AVSKILJNINGSKURVA OCH KORRIGERAD AVSKILJNINGSKURVA.(B.A.WILLS,2006) ... 18

FIGUR 15.KORRELATIONEN MELLAN MATNING OCH AVSKILJNINGSGRÄNS FÖR OLIKA CYKLONDIAMETRAR.(J.J.CILLIERS,2000) ... 21

FIGUR 16.TREPRODUKTSHYDROCYKLON MED TVÅ ÖVERLOPP.(A.MAINZA,2004) ... 25

FIGUR 17.PARAPLY KONTROLLERAT UTTAGNINGSSYSTEM.(L.SVAROVSKY,1984) ... 26

F^IGUR 18.SERIE KOMBINATION PÅ ÖVERLOPPET. ... 26

F^IGUR 19.SERIE KOMBINATION PÅ UNDERLOPPET. ... 27

F^IGUR 20.FLÖDESSCHEMA FÖR SIMULERING AV DELKRETS. ... 31

F^IGUR 21.MALMSPECIFIKATIONER FÖR DELKRETSEN... 32

FIGUR 22.DENSITETKLASSERNA. ... 32

FIGUR 23.INGÅENDE MATERIALSPECIFIKATION FÖR DELKRETS. ... 32

FIGUR 24.MASSFÖRDELNING. ... 33

FIGUR 25.MODELLPARAMETRAR FÖR PRIMÄRHYDROCYKLONEN. ... 33

FIGUR 26.MODELLPARAMETRAR FÖR HYDROCYKLONBATTERIET. ... 34

FIGUR 27.KULKVARNENS MODELLPARAMETRAR. ... 35

FIGUR 28.SIMULERING AV HYDROCYKLONBATTERIET. ... 36

FIGUR 29.MALMSPECIFIKATION. ... 36

FIGUR 30.INGÅENDE MATERIALSPECIFIKATION. ... 37

FIGUR 31.MODELLPARAMETRAR. ... 37

FIGUR 32.NODSCHEMA FÖR DELKRETSEN. ... 39

FIGUR 33.BOXNODSCHEMA FÖR DELKRETSEN. ... 39

FIGUR 34.DELKRETS MED PROVTAGNINGSPUNKTER. ... 41

F^IGUR 35.ILLUSTRERING AV POSITIONERING AV REFERENS- OCH TESTCYKLON. ... 42

F^IGUR 36.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR STRÖM 4,8,9&11, REFERENS SIMULERING. ... 48

F^IGUR 37.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR PRIMÄRCYKLONENS ÖL ^OCH UL, SÄNKT SPÄDNING,53% ISTÄLLET FÖR 51% ^{FÖR ING} PRIMÄRCYKLON. ... 49

FIGUR 38.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR CYKLONBATTERIETS ÖL OCH UL, SÄNKT SPÄDNING,53% ISTÄLLET FÖR 51% FÖR ING PRIMÄRCYKLON. ... 49

FIGUR 39.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR PRIMÄRCYKLONENS ÖL OCH UL, SÄNKT A/V FÖRHÅLLANDE. ... 50

FIGUR 40.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR CYKLONBATTERIETS ÖL OCH UL, SÄNKT A/V FÖRHÅLLANDE... 50

FIGUR 41.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR PRIMÄRCYKLONENS ÖL OCH UL,10% LÄGRE ING MATERIAL. ... 51

FIGUR 42.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR CYKLONBATTERIETS ÖL OCH UL,10% LÄGRE ING MATERIAL. ... 51 VIII

FIGUR 43.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR STRÖMMAR INKLUDERADE I UNDERSÖKNINGEN AV DELKRETSEN,4 AV 8 CYKLONER I

DRIFT. ... 55

FIGUR 44.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR STRÖMMAR INKLUDERADE I UNDERSÖKNINGEN AV DELKRETSEN,6 AV 8 CYKLONER I DRIFT. ... 56

FIGUR 45.TROMPKURVA FÖR PRIMÄRCYKLONEN,6 AV 8 CYKLONER. ... 57

FIGUR 46.TROMPKURVA FÖR CYKLONBATTERI,6 AV 8 CYKLONER. ... 57

FIGUR 47.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR GRUNDSIMULERING. ... 59

FIGUR 48.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR 5 AV 8 CYKLONER. ... 60

FIGUR 49.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR 4 AV 8 CYKLONER. ... 60

F^IGUR 50.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR 3 ^AV 8 ^CYKLONER. ... 61

F^IGUR 51.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR INGÅENDE BATTERI, ^FÖR 3-6 CYKLONER I DRIFT. ... 62

F^IGUR 52.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR UNDERLOPPET, ^FÖR 3-6 CYKLONER I DRIFT. ... 63

FIGUR 53.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR ÖVERLOPPET, FÖR 3-6 CYKLONER I DRIFT... 64

FIGUR 54.TROMPKURVA 5 AV 8 CYKLONER. ... 65

FIGUR 55.TROMPKURVA 4 AV 8 CYKLONER. ... 65

FIGUR 56.TROMPKURVA 3 AV 8 CYKLONER. ... 66

FIGUR 57.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNINGEN FÖR SÄNKT ÖVERLOPPSRÖRSDIAMETER,55 MM ISTÄLLET FÖR 60 MM. ... 67

FIGUR 58.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNINGEN FÖR SÄNKT ÖVERLOPPSRÖRSDIAMETER,50 MM ISTÄLLET FÖR 60 MM. ... 67

FIGUR 59.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR UNDERLOPP A&B MED ÖVRE OCH UNDRE GRÄNSVÄRDEN FÖR HUVUDPRODUKTEN, FÖR UNDERSÖKNINGEN AV ÖVERLOPPSDIAMETER. ... 68

FIGUR 60.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR ÖVERLOPP A&B MED ÖVRE OCH UNDRE GRÄNSVÄRDEN FÖR BIPRODUKTEN, FÖR UNDERSÖKNINGEN AV ÖVERLOPPSDIAMETER. ... 69

FIGUR 61.TROMPKURVA MED 60 MM ÖVERLOPPSRÖRSDIAMETER. ... 70

FIGUR 62.TROMPKURVA MED 50 MM ÖVERLOPPSRÖR. ... 70

FIGUR 63.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR ÖKAD UNDERLOPPSDIAMETER,30 MM ISTÄLLET FÖR 25 MM. ... 71

F^IGUR 64.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR ÖKAD UNDERLOPPSDIAMETER,35 MM ISTÄLLET FÖR 25 ^MM. ... 72

F^IGUR 65.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR UNDERLOPP A&B MED ÖVRE OCH UNDRE GRÄNSVÄRDEN FÖR HUVUDPRODUKTEN, FÖR UNDERSÖKNINGEN AV UNDERLOPPSDIAMETER. ... 73

F^IGUR 66.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR ÖVERLOPP A&B MED ÖVRE OCH UNDRE GRÄNSVÄRDEN FÖR BIPRODUKTEN, ^FÖR UNDERSÖKNINGEN AV UNDERLOPPSDIAMETER. ... 74

FIGUR 67.TROMPKURVA MED 25 MM UNDERLOPPSDIAMETER. ... 75

FIGUR 68.TROMPKURVA MED 35 MM UNDERLOPPSDIAMETER. ... 75

FIGUR 69.KOMBINERAD:50 ÖVERLOPPSRÖR ISTÄLLET FÖR 60MM &20 MM UNDERLOPP ISTÄLLET FÖR 25 MM. ... 76

FIGUR 70.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR UNDERLOPP A&B MED ÖVRE OCH UNDRE GRÄNSVÄRDEN FÖR HUVUDPRODUKTEN, FÖR UNDERSÖKNINGEN AV KOMBINATION. ... 77

FIGUR 71.PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING FÖR ÖVERLOPP A&B MED ÖVRE OCH UNDRE GRÄNSVÄRDEN FÖR BIPRODUKTEN, FÖR UNDERSÖKNINGEN AV KOMBINATION. ... 78

FIGUR 72.TROMPKURVA MED 60 MM ÖVERLOPPSRÖRSSDIAMETER OCH 25 MM UNDERLOPPSDIAMETER. ... 79

FIGUR 73.TROMPKURVA MED 50 MM ÖVERLOPPSRÖRSSDIAMETER OCH 20 MM UNDERLOPPSDIAMETER. ... 79

IX

Tabeller

TABELL 1.PRIMÄRHYDROCYKLONENS SPECIFIKATIONER. ... 5

TABELL 2.HYDROCYKLONBATTERIET SPECIFIKATIONER. ... 5

T^ABELL 3.SIKTANALYS FÖR MAGNETSEPARERINGSKONCENTRATET IN I KVARNEN. ... 6

T^ABELL 4.SIKTANALYS FÖR HYDROCYKLONBATTERIETS INLOPP. ... 6

T^ABELL 5.DE TVÅ FAMILJERNA FÖR GEOMETRISKA HYDROCYKLONFÖRHÅLLANDEN.(M.A^NTUNES,1992) ... 10

T^ABELL 6.EFFEKTEN AV OLIKA CYKLONPARAMETRARS FÖRÄNDRING PÅ KAPACITETEN, AVSKILJNINGSGRÄNSEN OCH VERKNINGSGRADEN. (J.J.CILLIERS,2000)(K.HEISKANEN,1993)... 23

TABELL 7.DELKRETSSIMULERINGARNA MED DESS INSTÄLLNINGAR. ... 35

TABELL 8.HYDROCYKLONBATTERIETS SIMULERINGAR MED INSTÄLLNINGAR... 38

TABELL 9.NODUPPSÄTTNINGEN, FÖRBINDELSEN MED UTSIDAN BETECKNAS 0. ... 40

TABELL 10.UNDERSÖKNINGARNA MED PROVTAGNINGSPUNKTER. ... 41

TABELL 11.UNDERSÖKNING AV DELKRETS. ... 43

TABELL 12.UNDERSÖKNING AV TRYCKFALL. ... 44

TABELL 13.UNDERSÖKNING AV SÄNKT ÖVERLOPPRÖRSDIAMETER,50 MM ISTÄLLET FÖR 60 MM... 45

TABELL 14.UNDERSÖKNING AV UNDERLOPPSDIAMETER,35 MM ISTÄLLET FÖR 25 MM. ... 45

TABELL 15.UNDERSÖKNING AV SÄNKT UNDER- OCH ÖVERLOPPSRÖRSDIAMETER. ... 46

TABELL 16.SIMULERAT TRYCKFALL FÖR PRIMÄRCYKLONENS OCH CYKLONBATTERIETS FÖR OLIKA DELKRETSSIMULERINGAR. ... 47

TABELL 17.UPPMÄTT KAPACITET FÖR ÖL-&UL-BATTERI SAMT BERÄKNAD FAST (T/H) FÖR ÖL-,UL-BATTERI OCH ING PRIMÄRCYKLON, NÄR 4 RESP.6 AV 8 CYKLONER I BATTERIET VAR I DRIFT. ... 53

T^ABELL 18.INMATAT FAST (^T/^H) FÖR STRÖM 2,5,6 ^OCH 7,4 ^AV 8 CYKLONER I DRIFT. ... 53

T^ABELL 19.BALANSERAT FAST (^T/^H), ENLIGT NODSCHEMA, ^NÄR 4 ^AV 8 CYKLONER VAR I DRIFT. ... 53

T^ABELL 20.INMATAT FAST (^T/^H) FÖR STRÖM 2,5,6 ^OCH 7,6 ^AV 8 CYKLONER I DRIFT. ... 54

T^ABELL 21.BALANSERAT FAST (^T/^H), ENLIGT NODSCHEMA, ^NÄR 6 ^AV 8 CYKLONER VAR I DRIFT. ... 54

TABELL 22.TRYCKFALL FÖR SIMULERINGAR AV ÖKAT TRYCKFALL. ... 59

TABELL 23.AVLÄST TRYCKFALL ÖVER CYKLONBATTERIET, FÖR VARIERAT ANTAL CYKLONER I DRIFT. ... 61

TABELL 24.ANALYSPARAMETRAR FÖR VARIERAT ANTAL CYKLONER I DRIFT. ... 66

TABELL 25.ANALYSPARAMETRAR FÖR CYKLON A&B I UNDERSÖKNINGEN AV MINSKAD ÖVERLOPPRÖRSDIAMETER. ... 71

TABELL 26.ANALYSPARAMETRAR FÖR CYKLON A&B I UNDERSÖKNINGEN AV ÖKAD UNDERLOPPSDIAMETER. ... 76

TABELL 27.ANALYSPARAMETRAR FÖR KOMBINATIONSUNDERSÖKNINGENS CYKLON A&B. ... 80

X

Bilagor

BILAGA A-DATA FRÅN TIDIGARE UNDERSÖKNING ... 90

BILAGA B-TIDIGARE BALANSERING PÅ DELKRETS ... 91

B^ILAGA C-K^VARNEFFEKT ... 92

B^ILAGA C-XRF,DELKRETSUNDERSÖKNING,4 ^AV 8 ^CYKLONER ... 93

B^ILAGA E-XRF,DELKRETSUNDERSÖKNING,6 ^AV 8 ^CYKLONER ... 94

B^ILAGA F-XRF,UNDERSÖKNING AV TRYCKFALL ... 95

BILAGA G-BERÄKNINGSTABELLER,CYKLONBATTERI,4 AV 8 CYKLONER ... 96

BILAGA H-BERÄKNINGSTABELLER,CYKLONBATTERI,6 AV 8 CYKLONER ... 97

BILAGA I-VIKT% FAST ... 98

BILAGA J-SUMMABILD,PROVTAGNINGSPUNKTER... 99

BILAGA K-SUMMERING AV DELKRETSSIMULERINGAR ... 100

BILAGA L-PARTIKELSTORLEKSFÖRDELNING DELKRETS SIMULERINGAR ... 101

BILAGA M-MATBALRESULTAT,4 AV 8 CYKLONER ... 102

BILAGA N-PRODUKTBALANS,4 AV 8 CYKLONER ... 103

BILAGA O-MATBALRESULTAT,4 AV 8 CYKLONER ... 104

BILAGA P-PRODUKTBALANS,6 AV 8 CYKLONER ... 105

BILAGA Q-RÅSIKTDATA FÖR DELKRETSUNDERSÖKNING,4 AV 8 CYKLONER ... 106

BILAGA R-RÅSIKTDATA FÖR DELKRETSUNDERSÖKNING,6 AV 8 CYKLONER ... 107

BILAGA S-TROMPKURVOR,DELKRETSUNDERSÖKNING,4 AV 8 CYKLONER ... 108

B^ILAGA T-BERÄKNINGSTABELLER,PRIMÄRCYKLON,4 ^AV 8 ^CYKLONER ... 109

B^ILAGA U-BERÄKNINGSTABELLER,PRIMÄRCYKLON,6 ^AV 8 ^CYKLONER ... 110

B^ILAGA V-SUMMERING AV HYDROCYKLONBATTERISIMULERINGAR ... 111

B^ILAGA W-R^ÅSIKTDATA,UNDERSÖKNING AV TRYCKFALL ... 112

BILAGA X-BERÄKNINGSTABELLER,TRYCKFALLSUNDERSÖKNING,5 AV 8 CYKLONER ... 113

BILAGA Y-BERÄKNINGSTABELLER,TRYCKFALLSUNDERSÖKNING,4 AV 8 CYKLONER ... 114

BILAGA Z-BERÄKNINGSTABELLER,TRYCKFALLSUNDERSÖKNING,3 AV 8 CYKLONER ... 115

BILAGA Å-RÅSIKTDATA UNDERSÖKNING AV SÄNKT ÖL ... 116

BILAGA Ä–BERÄKNINGSTABELLER,CYKLON A,SÄNKT ÖL ... 117

BILAGA Ö-BERÄKNINGSTABELLER,CYKLON B,SÄNKT ÖL ... 118

BILAGA AA-RÅSIKTDATA,UNDERSÖKNING AV ÖKAT UL ... 119

BILAGA AB-BERÄKNINGSTABELLER,CYKLON A,ÖKAT UL ... 120

BILAGA AC-BERÄKNINGSTABELLER,CYKLON B,ÖKAT UL ... 121

BILAGA AD-RÅSIKTDATA,UNDERSÖKNING AV SÄNKT UL&ÖL ... 122

BILAGA AE-BERÄKNINGSTABELLER,CYKLON A,SÄNKT UL&ÖL ... 123

BILAGA AF-BERÄKNINGSTABELLER,CYKLON B,SÄNKT UL&ÖL ... 124

XI

Symbollista

Jt - fyllnadsgrad av kvarn, uttryckt som fraktion.

nc - fraktion av kritiskhastighet.

d50 - avskiljningsgräns: partikeldiametern när 50 % inmatade massan går till underloppet.

Fck - centrifugalkraften.

Fström - strömningsmotståndet.

Din - inloppsdiameter.

Do - överloppsdiametern.

Dc - cyklondiametern.

Du- underloppsdiametern.

ϴ- cyklonkonvinkeln.

L- totala höjden av cyklonen.

l - överloppsrörslängden.

vt - vätskans tangentiella hastighet.

r - radien av den tangentiella rörelsen.

k – exponent som varierar mellan 0,5-1,0.

vr - vätskans radiella hastighet.

vv - vätskans vertikala hastighet.

CD - strömningskoefficienten.

ur - radiella hastigheten för partikeln.

ρl - vätskans densitet.

Ac - partikelns tvärsnittsarea vinkelrätt mot partikelrörelsen.

Fp - kraften som verkar på partikeln.

v - relativa hastigheten av partikeln och vätskan.

ut - tangentiella partikelhastigheten Vp - volym av partikeln.

ρs - densitet för fast material.

dp - partikeldiameter.

d50c - korrigerad avskiljningsgräns/partikelstorlek då 50 % av ingående material går till underloppet.

yc - korrigerad massfraktion till underlopp.

y - verklig massfraktion till underlopp.

XII

R - fraktion av vätska till underlopp.

Q - ingående volymetriska flödet dvs. kapasiteten.

ɸ - fraktion fast i ingående material.

d75 - partikeldiametern när 75 % inmatade massan går till underloppet.

d25 - partikeldiametern när 25 % inmatade massan går till underloppet.

d75c - korrigerade partikelstorlek då 75 % av ingående material går till underloppet.

d25c - korrigerade partikelstorlek då 25 % av ingående material går till underloppet.

EG - utbyte i fraktion av grovt till underlopp.

mu - massandel till underlopp.

Δcu - vikt% i fraktion i underlopp.

Δcf - vikt% i fraktion i ingående flöde.

EC - korrigerat utbyte i fraktion av grovt till underlopp.

XL - vätskeandel till underlopp.

I - Imperfektionen.

G - separationshalten.

η - sorteringseffektiviten.

ɸdu- - andelen av inmatat material finare än avskiljningsgränsen som går till underloppet.

ɸdo+ - andelen av inmatat material grövre än avskiljningsgränsen som går till överloppet.

Cdu- - kumulativt % finare än avskiljningsgränsen i underloppet.

Cdf- - kumulativt % finare än avskiljningsgränsen i ingående material.

Cdo+ - kumulativt % större än avskiljningsgränsen till överloppet.

Cdf+ - kumulativt % större än avskiljningsgränsen i ingående material.

Mul - materialflöde till underlopp.

Min - materialflöde till inlopp.

Dul – underloppets utspädningsratio.

Din – ingående utspädningsratio.

D - utspädningsration.

Fw - vikt% fast i slurry.

ρp - pulpdensiteten.

S – Flödesuppdelningen

H - tryck uttryckt som ”head of feed slurry”.

XIII

ΔP - tryckfall.

vin - ingående hastighet.

NI - nötningsindexet.

cw - fast masskoncentration.

n - exponent för antalet cykloner i serie.

h – inre cyklonhöjd, h=L-l.

fs - faktor för slurrydensitet.

ρg - densiteten för det lättaste fasta materialet.

ϕ5 – kvarnfaktor som justerar andelen fint sönderfall som bildas vid 5 mm.

Papp - applicerade kvarneffekten.

Fv – Volym% fast

XIV

1 Introduktion 1.1 Inledning

LKAB tillverkar flera typer av högförädlade järnmalmsprodukter, fines och pellets, för

järnframställning samt för applikationer som industrimineral. Några av dessa finesprodukter kommer att behandlas i detta arbete, i huvudsak en biprodukt¹ från överloppet av ett

magnetitfineshanterande cyklonpaket.

LKAB/Malmberget har uppmärksammat ett problem vid klassering av biprodukt. Grovkornsandelen i hydrocyklonbatteriets överlopp blir tidvis för stor och detta medför att produktspecifikationen på biprodukt inte hålls och materialet får sänkt produktvärde eller måste kastas. År 2014 var det cirka 49 % av producerat material som ej höll produktspecifikation, varav 86 % på grund av för hög grovkornsandel. För 2015 har ny produktspecifikation erhållits med lägre krav på mindre fraktioner, dock ligger grovkornsproblemet kvar. Vid tillverkning av denna specialprodukt och industrimineral används fint anrikat rågods från sovringen.

1.1.1 Syfte & mål

Det här examensarbetet ska undersöka möjligheten att få jämnare och bättre produktkvalitet på biprodukt, detta genom att på något sätt sänka grovkornsandelen utan att äventyra huvudprodukt² eller övrig biproduktspecifikation.

Examensarbete önskar kunna åstadkomma en ökad förståelse av hydrocyklonbatteriets process och klasseringsproblem, med förhoppning att hitta en möjlig lösning på problemet och/eller ge förslag på fortsatta undersökningar.

1.1.2 Problemställning & avgränsningar

Problemet ligger i att kvaliteten på produkten från hydrocyklonöverloppet har varit ojämn, i form av att grovkornsandel tenderat att vara för stor, vilket medfört att produktspecifikationen inte hållits och materialet har fått sänkt produktvärde eller blivit kastat. I examensarbetet kommer främst hydrocyklonbatteriet som hanterar klasseringen av denna magnetitslurry att studeras, i form av dess över- och underlopp, för att se om det går att få jämnare produktkvalitet samt minskad

grovkornsandel till överloppet och därmed få en biprodukt som håller produktspecifikationerna.

Detta utan att äventyra biproduktens- och huvudproduktens produktspecifikationer, se huvud- och biproduktens produktspecifikationer i Bilaga I (intern bilaga). Studierna av hydrocyklonbatteriet kommer att innefatta provtagning, analysering, och utvärdering av olika ombestyckningar och processförändringar av cyklonerna. Förutom detta kommer det att utföras en studie på en delkrets³ för att säkerhetsställa kretsen och ge ökad förståelse för stegen innan hydrocyklonbatteri. Denna studie kommer innefatta: provtagning; analysering; utvärdering av skillnader, i fukthalt och kemisk sammansättning, nu och tidigare; produktbalans i MatBal med jämförelse med tidigare

utfördproduktbalans.

1 Biprodukt – hydrocyklonbatteriets överlopp, under begränsad tidsperiod när huvudprodukten framställs, efter magnetseparering och filtrering.

2 Huvudprodukt – kampanjprodukt som fås från delström av ingående cyklonbatteri samt hydrocyklonbatteriets underlopp, efter magnetseparering och filtrering.

3 Delkretsen – den del av kretsen för produktion av huvud- och biprodukten som valts att studeras, se förenklad processbeskrivning nedan i avsnitt 2.4 Förenklad processbeskrivning av delkrets.

1

Grunden för de olika undersökningarna på hydrocyklonbatteriet kommer basera sig på simuleringar i MODSIM med stöd från en litteraturstudie. Simuleringsverktyget kommer även användas för att undersöka om problemet kan ligga utanför hydrocyklonbatteriet, där olika fall som kan ge ökad grovkornsandel i cyklonbatteriets överlopp undersöks innan cyklonbatteriet, i en simulerad delkrets.

Det som ska uppmärksammas är att ingående simuleringsdata kan innehålla brister samt att simuleringsresultat endast skall ses som indikationer på vad som kan vara intressant att utreda närmare.

All provtagning kommer att utföras i full produktion under sommarhalvåret när dessa produkter produceras, detta innan överloppet av hydrocyklonbatteriet ställs om för att producera biprodukt.

Detta för att undvika eventuella påverkningar av undersökningar på biprodukt. Under

provtagningarna kommer det att utföras mindre kapacitetsprovtagningar samt analysprovtagningar.

Analysmetoderna som kommer att användas för att utvärdera prover är: kemisk analys med XRF, för produktbalansering i MatBal; partikelfördelningsanalys med våtMalvern (våt laserdiffraktion) samt invägning och beräkning av vikt% fast. Vid undersökning av olika bestyckningar utfördes provtagning på test- samt referenscyklon. Utvärdering av detta arbete kommer att ligga till grund för

lösningsförslag samt förslag till fortsatt arbete.

Under examensarbetet kommer studenten i fråga att utföra eller observerade alla sina

undersökningar, från provtagning, invägning, torkning, uppdelning och analysering. Detta med instruktioner och rådgivning från ansvarig personal. Under examensarbetet gång kommer rådfrågning och synpunkter tas från LTU- och LKABhandledare.

Förutom litteratur, simuleringar och undersökningar kommer det att förekomma olika intervjuer och samarbeten, med bland annat LKAB-personal och företaget ”WEIR minerals” (se internt kapitel), för att hitta en möjlig lösning på den ökade grovkornsandelen i hydrocyklonbatteriets överlopp.

Det utfördes en mindre omfattande undersökning av huvud- och biproduktens marknad, med några dess olika användningsområden (se internt kapitel). Processbeskrivningar för produktionen av huvud- och biprodukten samt processjämförelse med annan special magnetitfinesprodukt som tillverkas i samma krets sammanfattas i internt kapitel.

2

2 Bakgrund

2.1 LKAB - Luossavaara-Kiirunavaara AB

År 1890 bildades LKAB eller Luossavaara-Kiirunavaara Aktiebolag och är ett av svenska staten helägt aktiebolag.

LKAB är ett gruvbolag som har utgångspunkt i norra Sverige och Malmfälten, där de bryter och förädlar järnmalm. LKAB använder sig av både underjordsbrytning samt brytning i dagbrott och omsätter cirka 30 miljarder kronor per år och har cirka 4200 anställda i 14 länder. Den största delen av verksamheterna finns i Kiruna, Svaapavaara samt Malmberget. Produktionen består till största del av järnmalmspellets, cirka 80 %, resterande är främst sinterfines. Förutom pellets och sinterfines tillverkar LKAB olika typer av specialprodukter, i form av bland annat magnetitfines.

LKAB:s affärsidé är att bolaget ska framställa och leverera förädlade järnmalmsprodukter samt tjänster som kan skapa mervärden för kunden i deras produktion av järn. Visionen LKAB har är att företagets kunder ska uppfatta dem som den producent som genererar mest mervärde, dvs. ska vara ledande inom sin verksamhetsnisch/område. Från detta kommer varumärkslöftet ”Performance in Ironmaking”, vilket går ut på att LKAB:s produkter skall förbättra kundernas resultat, lönsamhet och dess processer på ett positivt sätt.

LKAB har högt fokus på forskning, för att behålla sin starka kunskapsposition inom: sänkt

klimatpåverkan, tillämpning av industrimineral, pellitisering, bergmekanik och gruvteknik. LKAB:s FoU är indelad i 4 avdelningar: gruvteknik, pellitisering, mineralteknik samt reduktionsmetallurgi. FoU:s avdelning för mineraltekniks ämnesområden är mineralteknik, processmineralogi samt olika processtekniska styr-, regler- och mättekniker.

LKAB har en rad dotterbolag: LKAB Minerals; LKAB Wassara; LKAB Berg & Betong; LKAB Fastigheter;

LKAB Kimit samt LKAB Mekaniska. (LKAB, 2015)

2.2 Geologi

Malmlagret i Malmberget är i stort sett ett sammanhängande fält på ungefär 2,5x5 km (N-SxE-V), med 45-50 ° sluttande linsformade malmkroppar mot söder med varierande tektonisk struktur, storlek samt kemisk och mineralogisk sammansättning. Där Malmbergets malmlager har genomgått en senare intensiv regional metamorfos, till skillnad från Kiruna malmen. Detta har medfört

förändringar av malmen samt i omgivande gångbergarter, i form av att porfyrerna har omvandlats till leptit och gnejs med något grövre kornsstorlek. Omvandlingen har även orsakat en grövre

kornstorlek på själva malmmineralen, magnetit (Fe3O4) och hematit (Fe2O3). (C.Lund, 2003)

3

2.3 Processenheterna

2.3.1 Kvarnen

Kulkvarnen ∅ 3250*4300 mm med innermåtten ∅ 3150*4080 mm, är en Morgårdshammar, se Figur 1. Fyllnadsgraden (Jt) är 0,42; nc (fraktion av kritiskhastighet⁴) är 0,75 och malkropparna som används är 30 mm kulor. Motoreffekten är 900 kW där nyttjad kvarneffekt brukar variera beroende på

användning, i detta fall (produktion av huvud- och biprodukt) 0,75; dvs. 670 kW. (M.Enberg, 2014)

Figur 1. Kulkvarnen.

2.3.2 Primärhydrocyklonen

Primärhydrocyklonen är en Warman – CAVEX 650CVX, som kan ses nedan i Figur 2 och dess specifikationer ges i Tabell 1. Dessa är uppmätta och avlästa från skalenlig komponentritning se Bilaga II (intern bilaga). Normalt tryckfall cirka 0,5-1,0 bar och ingående material håller cirka 55 % fast.

Figur 2. Primärhydrocyklon.

4 Kritisk hastighet – eller kritiska varvtalet är varvtalet när materialet i kvarnen börjar centrifugera.

4

Tabell 1. Primärhydrocyklonens specifikationer.

Parametrar: Enhet:

Cyklontyp: - Warman cyclone – CAVEX,

650CVX - rubber lined

Cyklondiameter: mm 650

Inloppsdiameter: mm 273 (265x220)

Underlopp (UL): mm 130

Överloppsrör (ÖL): mm 260

2.3.3 Hydrocyklonbatteriet

Hydrocyklonbatteriet som undersöks, se Figur 3, består av 8 stycken 5-delade ”Warman– CAVEX 150CVX06” hydrocykloner, se Tabell 2. Hydrocyklonbatteriets specifikationer är taget från skalenlig komponentritning i Bilaga III (intern bilaga). Cyklonbatteriet består av 6 stycken av hydrocyklonerna som justeras med manuella skivventiler, de andra två använder sig av digitalt reglerbara skivventiler och används för att justera trycketfallet över cyklonbatteriet. Tryckfallet över hydrocyklonbatteriet brukar ligga på cirka 0,4-0,5 bar, enligt produktbeskrivning, se avsnitt 2.5 Förenklad

processbeskrivning av delkrets. Det gemensamma inloppet fördelas mellan de öppna

hydrocyklonerna, vilket brukar vara 6 av 8 stycken när biprodukt produceras. Det gemensamma överloppet samlas upp i behållare, som har ett avledningsrör vid för hög nivå, och materialet leds iväg med två parallella överlopp. Underloppet från hydrocyklonerna tillsammans med eventuellt spädvatten samlas upp i behållare för vidare avledning.

Figur 3. Hydrocyklonbatteriet.

Tabell 2. Hydrocyklonbatteriet specifikationer.

Parametrar: Enhet:

Cyklontyp: - Warman cyclone – CAVEX,

150CVX06 - rubber lined

Cyklondiameter: mm 150

Inloppsdiameter: mm 29 (17 x 40)

Underlopp (UL): mm 25

Överloppsrör (ÖL): mm 60

5

2.3.4 Kontroll av hydrocyklonerna

Den kontroll som sker regelbundet på primärhydrocyklonen och hydrocyklonbatteriet innan start av produktionen av huvud- och biprodukten är kontroll av slitage av underlopps- och

överloppsrörsdiametrar. Byte av infodring på underlopp och överloppsrör när: underloppsdiameter >

27 mm och överloppsrörsdiameter > 63 mm för hydrocyklonbatteri; underloppdiameter > 130-170 mm och överloppsrörsdiameter 260-290 mm för primärhydrocyklonen.

Sedan 2007 har det i snitt bytts cirka 0,75 överloppsrör och cirka 0,85 underlopp på

hydrocyklonbatteriet per år och cyklon i drift. För primärcyklonen är bytena färre cirka 0,25 byten per år för överloppsröret och underloppet, med något kortare bytesintervall på underloppet.

2.4 Material

Nedan specificeras de olika simuleringarnas ingående material.

2.4.1 Ingående kvarn

Koncentratet från magnetsepareringen som går in i kvarnen antas bestå av 98 % magnetit och 2 % gråberg. Där magnetiten och gråberget antas bestå till 100 % av sina respektive faser. Största partikel antas till 1000 µm. Nedan i Tabell 3 ses siktanalys för ingående material

(magnetsepareringskoncentrat), se Bilaga C.

Tabell 3. Siktanalys för magnetsepareringskoncentratet in i kvarnen.

Siktfraktioner: Vikt% fast till underlopp:

<1000 µm 100,00

<710 µm 99,20

<500 µm 88,80

<355 µm 68,20

<250 µm 48,00

<180 µm 31,00

<125 µm 18,20

<90 µm 11,00

2.4.2 Ingående hydrocyklonbatteri

Ingående material i hydrocyklonbatteriet antas vara 98 % magnetit och resterande antas vara

gråberg. Där magnetiten och gråberget antas bestå till 100 % av sina respektive faser. Största partikel antas till 355 µm. Nedan i Tabell 4 ses ingående siktanalys till hydrocyklonbatteriet som används vid simulering, vilket baseras på siktdata och info om fastflöde, se Bilaga A och Bilaga B.

Tabell 4. Siktanalys för hydrocyklonbatteriets inlopp.

Siktfraktioner: Vikt% fast till underlopp:

<355 µm 100,00

<250 µm 99,92

<180 µm 99,25

<125 µm 92,67

<90 µm 75,00

<63 µm 55,33

<45 µm 43,23

6

2.5 Förenklad processbeskrivning av delkrets

Nedan i Figur 4 ses ett flödesschema för den undersökta delkretsen för produktion av huvud- och biprodukt, där det ingående material till ”hela kretsen” är den finaste mullandelen från sovringen, (intern LKAB processbeskrivning). Tidigare flödes-, siktdata och kemisk data kan ses i Bilaga B respektive A. Ingående material i delkretsen är ett koncentrat från en magnetseparering (ström 1) och utgör tillsammans med underloppet från primärhydrocyklonen (ström 11) och spädvattnet av underloppet (ström 13, spädning 1) ingående material till kulkvarnen (ström 2). Spädvatten (ström 12, spädning 2) tillsätts till det malda materialet (ström 4) och tillsammans utgör de ingående

material till primärhydrocyklonen (ström 5). Överloppet från primärhydrocykloneringen (ström 3) går till en fördelare och cirka 70 % skickas till hydrocyklonbatteriet (ström 10) resterande som delström (ström 7). Där användandet av cykloner är 4 av 8 cykloner om endast huvudprodukten produceras och om även biprodukten produceras är användandet 6 av 8 cykloner. Delströmmen tillsammans med underloppet från hydrocyklonbatteriet (ström 6) utgör materialet (ström 8) som efter slutlig magnetseparering och filtrering är huvudprodukten. Överloppet från hydrocyklonbatteriet (ström 9) genomgår slutlig magnetseparering följt av filtrering till färdig biprodukt. Full produktspecifikation för huvud- respektive biprodukt kan ses i Bilaga I (intern bilaga).

Figur 4. Processchema för delkretsen.

7

3 Litteraturstudie 3.1 Hydrocyklonen

Hydrocyklonen är en klasserare som separerar partiklar med avseende på storlek, densitet och form.

Det är en vanlig klasserare eftersom: den tar liten plats samtidigt som den har hög kapacitet; hög variationsmöjligheter; låg investerings-, drift- och underhållskostnad. Nackdelarna med

hydrocyklonen är att den har låg flexibilitet väl installerad samt begränsad prestanda i form av till exempel verkningsgrad⁵ och justering av avskiljningsgräns (d50)⁶ (cut-size). Med låg flexibilitet menas:

att en specifik avskiljningsgräns endast kan vara möjlig med vissa hydrocyklonstorlekar. Därför kombineras flera mindre hydrocykloner i ett hydrocyklonbatteri, även kallad cyklonkluster eller cyklonpaket, för att uppnå önskad avskiljningsgräns och samtidigt hålla kapaciteten. Det har en gemensam matningskammare samt gemensamma över- och underloppsprodukter, se Figur 3.

Hydrocyklonen kan användas på många olika material och används inte bara som klasserare av fasta partiklar, vätskedroppar eller gasbubblor, utan kan också användas som sedimenteringsredskap, förtjockare, tvättningsredskap, avgasningsredskap och sorterare. Hydrocyklonen kommer i många olika storlekar, från 10 mm till 2,5 m i diameter där avskiljningsgränsen kan variera mellan 1,5–300 µm samtidigt som ingående tryck kan variera mellan 0,3-10 bar. (M. Ghodrat, 2014) (H.Trawinski, 1973) (K.Heiskanen, 1993) (L.Svarovsky, 1984)

3.1.1 Utformning & funktion

Den generella utformningen av en hydrocyklon består av en cylindrisk överdel och en konisk underdel, se Figur 5. Flödet går in tangentiellt på sidan av cyklonen med ett övertryck (1,0–1,8 bar), genom ett cirkulärt eller rektangulärt inlopp, således bildas ett cirkulerande rörelsemönster av slurryn. Detta medför att en centrifugerande kraft med riktning mot hydrocyklonväggen börjar verka på partiklarna. De tyngsta partiklarna rör sig neråt i ett cirkulerande mönster (primära virveln) enda ner till underloppet, även kallad spigot eller apex, detta på grund av att centrifugalkraften (Fck) som verkar på partiklarna är större än strömningsmotståndet (Fström). På grund utav den begränsade arean av underloppet bildas ett inre cirkulerande mönster (sekundära virveln), som cirkulerar i samma riktning. Den sekundära virveln bildar en inre låglufttryckskärna i centrum av hydrocyklonen, där den är ett tecken på ett stabilt inre cirkulerande flöde. Vid den koniska delen börjar de lättare och mindre partiklarna samt den större delen av vätska röra sig mot och med den sekundära virveln. Vars flöde går upp som överlopp genom överloppsröret, detta på grund av kraften som verkar på de lättare, mindre partiklarna samt vattnet är övergripande strömningsmotstånd. Överloppsröret sträcker sig från en punkt över den cylindriska delen till en punkt nedanför inloppet. Både över- och underlopp har eller är nära atmosfäriskt tryck. (J.J.Cilliers, 2000) (J.R.Radman) (K.Heiskanen, 1993)

5 Verkningsgrad - beskriver separationen mellan över- och underlopp.

6 Avskiljningsgräns – partikeldiametern där 50 % av fasta massan går till underloppet respektive överloppet.

(K.Heiskanen, 1993)

8

Figur 5. Hydrocyklonens utformning. (J.J.Cilliers, 2000)

3.1.2 Cyklonens geometri

Nedan i Figur 6 ses en typisk hydrocyklon med cylindriskt tangentiellt inlopp, samt beskrivning av inloppsdiameter (Din), överloppsdiametern (Do), cyklondiametern (Dc), underloppsdiametern (Du) och cyklonkonvinkeln (ϴ). Cyklonens olika dimensionsparametrar kan variera mycket och effekterna av dessa olika parametrar beskrivs i avsnitt 3.1.6 Effekter av olika parametrar. Det finns dock några teoretiska och generella geometriska regler för att få bra geometrisk design, några av dessa regler är summerade nedan. Höjden på den cylindriska delen bör förhålla sig:

L₁= (0,7 … 2)D_c (1)

Totala höjden på cyklonen (L) kan variera mycket:

L = (3 … 8)D_c (2)

Cyklonkonvinkeln för fin/normal/grov avskiljningsgräns bör ligga mellan 5-15 ⁰/15-30 ⁰/20-35 ⁰ och tenderar att vara något smalare om tyngre material används.

Överloppsrörsdiametern för normala cykloner med konvinkeln 5-30 ⁰ och som processerar mineralpulp bör förhålla sig:

D_o =_(2,3…4)^Dc (3)

Storleken på inloppet baseras på cylinderdelens diametern, dock har det setts att ett rektangulärt inlopp med förhållandena 2:1 för höjd och bredd är mest optimalt. Ofta använd inloppsdimension:

Din=_(3…7)^Dc (4)

Överloppsrörslängden (l) som ofta används:

l =_(1…3)^Dc (5)

Den optimala underloppsdiametern varierar sig enligt:

9