CN102784716B - 一种液态金属中磁性杂质的捕获装置 - Google Patents

Abstract

一种液态金属中磁性杂质的捕获装置，包括：磁场系统、丝网、坩埚、熔融罐、密封系统、紧固连杆、支撑台架、电机、皮带和气体出入口；磁场系统中永磁体置于导轨上的限位滑块中，通过磁轭提供磁场；坩埚作为液态金属容器置于熔融罐中，丝网通过旋转轴垂直置于液态金属中；密封系统由密封法兰、旋转轴、铜套和密封油槽组成；调节旋转轴的提升高度可以改变丝网在液态金属中的位置，之后，通过紧固螺丝固定紧固连杆而将旋转轴固定；电机通过皮带驱动旋转轴；气体出入口置于密封油槽的上端，用于液态金属保护气的进出。本发明可用于模拟液态金属中磁阱的部分工作参数，捕获磁性杂质，是研究液态金属中磁性杂质行为简易有效的装置。

Description

一种液态金属中磁性杂质的捕获装置

技术领域

本发明涉及一种液态金属中磁性杂质的捕获装置，属于简易、节能型高梯度磁力纯化装置，适用于对液态金属中磁性杂质进行捕获与研究。

背景技术

利用各种矿物的磁性差异，在非均匀磁场中进行矿物分选的方法即磁选。目前磁选的应用广泛，如有色和稀有金属、非金属矿石的选别和去杂，固体物料中磁性成分的去除，生产及生活污水的去杂等磁选过程实质上是磁力和流体阻力、重力等机械力相互竞争的过程，当处于非均匀磁场中的物料等受到的机械力小于磁力时，物料将被磁场捕获。

在一个磁场区域放入软磁性介质，其端面曲率半径远小于常规磁选机的尖削极面，因而能产生极大的磁场梯度的设备即高梯度磁选机，其磁场梯度可达到10⁵T/m，磁场力比常规磁选机或除铁器大4-6个数量级，故能选出进入磁场区域的微细粒的弱磁性物质。在工业上的应用有如选矿领域的弱磁性金属矿的分选氧化铁、钡、钛等，环境保护领域的细菌和病毒，乳化油污的分离，生物领域的血红素的分离等。

根据磁选或高梯度磁分离原理，发展一种能对进入其中的磁性粒子有效捕获，而非磁性物质则能顺利通过而不受影响的装置，是纯化非磁性介质中磁性杂质的有效方式之一。美国专利US20060041182A1发展了一种药物治疗的磁递送系统，研究了不同磁性材料的捕捉能力。美国专利US4594215是一种采用通电线圈为磁源、分选空间中布置铁磁金属丝网以产生高梯度磁场的高梯度磁过滤器，可用于纯化核反应堆冷却剂。德国卡尔斯鲁厄理工学院设计研究了类似装置——磁阱用于高温液态金属回路，所应用的磁阱分选空间内是空的流道，在该单位的一个液态金属回路中的磁阱捕捉到了磁性杂质，而在另一回路中的磁阱拆开几次均未发现杂质，可能原因之一是该回路氧测控技术的成功应用使得腐蚀产生的包括磁性杂质在内的杂质可忽略，另一个可能原因是该回路磁阱设计上存在一些待改进之处；日本东京工业大学的一个液态金属回路中也有磁阱装置，但是目前为止该磁阱的服役性能结果未公开发表。

综上，虽然这些磁选装置在药物传递、高温液态金属回路纯化的方面得到了应用，但是相关的研究偏少，公布的文献、专利成果较少，并且存在一些问题需要通过进一步的研究来解释，因此发展可以模拟高温液态金属回路中磁阱的部分工作参数（如液态金属流动、杂质聚集与分散行为等）及捕获液态金属中磁性杂质一种液态金属中磁性杂质的捕获装置具有理论及工程价值。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种液态金属中磁性杂质的捕获装置，能够模拟高温液态金属回路中磁阱的部分工作参数及捕获液态金属中的磁性杂质。

本发明的技术方案：一种液态金属中磁性杂质的捕获装置，包括：磁场系统1、丝网2、坩埚3、熔融罐4、密封系统5、紧固连杆6、支撑台架7、电机8、皮带9、气体出入口10、导轨12、限位滑块13和磁轭14；密封系统5由旋转轴15、密封法兰16、铜套17和密封油槽18组成，铜套17穿过旋转轴15并置于密封油槽18中，旋转轴15依次穿过密封油槽18及其下方的密封法兰16；磁场系统1中包括同规格的两块永磁体11，两块永磁体11置于在导轨12上的限位滑块13中，通过调整限位滑块13在导轨12上的位置而调节气隙磁场强度，并且限位滑块13前有磁轭14，通过磁轭14为处于两块永磁体11极面相对的气隙提供磁场；坩埚3作为液态金属容器置于熔融罐4中，熔融罐4外围依次是加热丝20、保温材料21和冷却水铜管22，丝网2通过旋转轴15垂直置于坩埚3中的液态金属中，且旋转轴15下端密封，热电偶19置于旋转轴15中；电机8通过皮带9与旋转轴15上端连接，通过皮带9驱动旋转轴15；紧固连杆6垂直安装在支撑台架7上，手动调节旋转轴15的提升高度而改变丝网2在坩埚3中的液态金属中的位置，之后，旋转轴15通过紧固螺丝固定紧固连杆6而固定；气体出入口10置于密封油槽18的上端，用于液态金属保护气的进出；支撑台架7安装在导轨12所在的台面上。

所述磁场系统1中的两块同规格的永磁体11为钕铁硼（NdFeB）材料，与电磁装置相比，无需电流产生磁场，性能稳定，结构简单紧凑，本发明属于节能降耗装置。

所述磁场系统1中的永磁体11通过磁轭14为处于两磁体极面相对的气隙提供磁场，磁轭14形状为有一凹面的长方体，用于会聚磁力线而增大气隙磁场强度，永磁体固定在限位滑块13中，防止两块永磁体11相互吸住，同时通过调整限位滑块13在导轨12上的位置而可达到调节气隙磁场强度的目的。

所述坩埚3为不导磁不锈钢，目的是对磁路无影响，坩埚3上端开一个孔的作用是便于使用工具从熔融罐4中将坩埚3取出。

所述熔融罐4外所缠加热丝20为铬镍合金，保温材料21为一种低导热系数材料，冷却水铜管22用于冷却熔融罐4外围，即降低永磁体11的工作温度，防止永磁体11的退磁，加热丝20、保温材料21和冷却水铜管22依次置于熔融罐4外围，并且，包括熔融罐4在内均为对磁路无影响的不导磁材料。

所述丝网2为导磁不锈钢材料，可获得高梯度磁选机中聚磁介质类似的功能，增大对处于磁场中磁性杂质的捕捉力。

所述密封系统5包括旋转轴15、密封法兰16、铜套17和密封油槽18，通过耐高温油脂润滑与密封。

所述丝网2与旋转轴15通过螺纹23连接，便于丝网2的拆卸与更换，除更换相同目数的丝网2外，还可进行不同目数丝网2的实验，可用于验证单丝捕集理论及其获得液态金属中磁性杂质大小等数据。电机8通过皮带9驱动旋转轴15，处于旋转轴15下端的丝网2也一起转动，丝网2的转动搅拌坩埚3中的液态金属，可模拟液态金属回路中磁阱的部分工作参数及捕获液态金属中的磁性杂质；当旋转轴15静止时，该装置可进行静态条件下液态金属中磁性杂质的捕获。

所述旋转轴15为空心轴，轴下端密封，热电偶19从轴上端插入轴下端，用于测定液态金属的温度。

所述旋转轴15可与永磁体11同步提升，丝网2也是同步提升，并且丝网2提升到一定高度后旋转轴15可通过紧固螺丝固定紧固连杆6而固定，通过这种方式，所捕集的杂质不会在从液态金属中提出过程中由于磁力的作用而从丝网2上脱落，可获得液态金属中丝网2所捕捉磁性杂质的完整信息并为研究分析提供了便利。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明的丝网通过旋转轴转动，而丝网转动可搅拌坩埚中的液态金属。通过这种设计，可模拟液态金属回路中磁阱的部分工作参数，如液态金属流动、杂质聚集与分散行为等，同时，搅拌可更多地捕获液态金属中的磁性杂质。通过本发明，当旋转轴静止时，该装置可进行静态条件下液态金属中磁性杂质的捕获。

（2）本发明的丝网可通过旋转轴与永磁体的同步提升过程中而与永磁体同步提升，所捕集的杂质在这种提升方式中不会在与液态金属分离过程中由于磁力的作用而从丝网上脱落，可获得液态金属中丝网所捕捉磁性杂质的完整信息并为研究分析提供了便利。

（3）本发明的气隙磁场磁力线通过位于永磁体两相对极面的有一凹面的长方体形磁轭会聚，增大了气隙磁场强度，同时通过调整限位滑块在导轨上的位置可调节气隙磁场强度。通过这种结构的设计，有效利用了永磁体，同时，气隙磁场强度可调节，便于开展不同场强条件下的磁性杂质行为研究，液态金属回路中磁阱设备不易达到该条件。

（4）本发明的丝网为导磁不锈钢材料，由于磁化而产生高梯度磁场，不仅对强磁性杂质有捕集作用，对弱磁性杂质也有捕集作用，同时，丝网可起到过滤捕集的作用，进一步增大了本装置的纯化能力。

（5）本发明的旋转轴为空心轴，轴下端密封，热电偶从轴上端插入轴下端，用于测定液态金属的温度。该设计减少了密封法兰盖的开孔数目，降低了系统泄漏的风险。

（6）本发明的坩埚、熔融罐和加热丝均为不导磁材料，其磁导率μ等于真空磁导率μ₀，具有磁力线透过性，故该空间可密闭，因而适用于高温液态金属的研究。

（7）此外，本发明采用永磁体提供磁场，与电磁装置相比，无需电流产生磁场，性能稳定，结构简单紧凑，是一种节能降耗装置。

附图说明

图1是本发明装置的正面视图；

图2是本发明装置的中部剖面视图；

图3是本发明装置的俯视图；

图4是本发明装置的丝网及其连接螺纹图。

其中：磁场系统1；丝网2；坩埚3；熔融罐4；密封系统5；紧固连杆6；支撑台架7；电机8；皮带9；气体出入口10；永磁体11；导轨12；限位滑块13；磁轭14；旋转轴15；密封法兰16；铜套17；密封油槽18；热电偶19；加热丝20；保温材料21；冷却水铜管22；螺纹23。

具体实施方式

由图1-4可以看出，本发明实施例包括：磁场系统1、丝网2、坩埚3、熔融罐4、密封系统5、紧固连杆6、支撑台架7、电机8、皮带9和气体出入口10。由图1-3可以看出，磁场系统1有同规格的两块永磁体11，永磁体11置于导轨12上的限位滑块13中，通过磁轭14提供磁场。由图2可以看出，坩埚3置于熔融罐4中，丝网2通过旋转轴15垂直置于坩埚3中的液态金属中，熔融罐4外依次是加热丝20、保温材料21和冷却水铜管22；密封系统5由旋转轴15、密封法兰16、铜套17和密封油槽18组成，铜套17穿过旋转轴15并置于密封油槽18中，旋转轴15依次穿过密封油槽18及其下方的密封法兰16；紧固连杆6垂直安装在支撑台架7上，紧固连杆6用于固定旋转轴15，支撑台架7安装在导轨12所在的台面上；电机8通过皮带9驱动旋转轴15。由图1和2可以看出，气体出入口10置于密封油槽18的上端。

由图1和3可以看出，永磁体11固定在限位滑块13中，限位滑块13置于导轨12中，并且限位滑块13前有磁轭14，通过这种设计，永磁体11所提供的磁力线由有一面为凹形的长方体——磁轭14会聚，增大了气隙磁场强度，永磁体11固定在限位滑块13中，阻止了两块永磁体11相吸在一起，同时可通过调整限位滑块13在导轨12上的位置，改变了两永磁体11相对面间的距离，进而可调节气隙磁场强度。

由图2可以看出，坩埚3、熔融罐4和熔融罐4外所缠的铬镍合金加热丝20、保温材料21及冷却水铜管22均为不导磁材料，目的是具有磁通透性而对磁路无影响。

由图2可以看出，丝网2为导磁不锈钢材料，在磁场系统1中磁力线穿过丝网2而使之磁化产生高磁场梯度，达到了高梯度磁场的设计目标，可有效捕获液态金属中的磁性杂质，同时，丝网2也起到了机械捕集的作用，进一步增大本发明对杂质的捕获能力。

由图2和4可以看出，丝网2通过螺纹23连接到旋转轴15上，使得旋转轴15转动时可带动丝网2转动，这样丝网2可搅拌液态金属，因此本发明装置可模拟液态金属回路中磁阱的部分工作参数，如液态金属流速、杂质聚集与分散行为等；当旋转轴15不旋转时，本发明属于静止体系，可进行静态条件下液态金属中磁性杂质的捕获。由图2和4可以看出，通过螺纹23，可更换新的同规格丝网2或不同目数的丝网2。

由图1和2可以看出，旋转轴15位于密封系统5中心位置，密封法兰16用于液态金属的密封，铜套17套在旋转轴15四周并置于密封油槽18中，这种设计可起到动态密封的作用。

由图1、2和4可以看出，置于限位滑块13中的永磁体11可从导轨12中提升，而丝网2通过螺纹23连接到旋转轴15上，通过提升旋转轴15而可达到丝网2从液态金属中提升，并且可通过紧固螺丝固定紧固连杆6而固定，而永磁体11提升可与丝网2的提升同步进行，这样所捕集的杂质在这种提升方式中不会在与液态金属分离过程中由于磁力的作用而从丝网2上脱落，可获得液态金属中丝网2所捕捉磁性杂质的完整信息并为研究分析提供了便利。

由图2可以看出，旋转轴15为空心轴，轴下端密封，热电偶19从轴上端插入轴下端，用于测定液态金属的温度。该设计减少了密封法兰16盖的开孔数目，降低了系统泄漏的风险。

本发明采用永磁体11提供磁场，熔融罐4外围的保温材料21与冷却水铜管22减少了热量向环境释放，保证了永磁体11工作温度的要求。

本发明的工作过程如下：将实验金属加入到坩埚3中，密封本体系，通过气体出入口10抽真空、通氩气，循环三次，启动加热丝20电源开关，开始加热熔融罐4以熔化金属，同时冷却水铜管22中通水冷却，插入旋转轴15中的热电偶19探测熔融罐4温度，液态金属熔化后，下调旋转轴15使得丝网2没入到液态金属中一定深度并通过紧固螺丝固定紧固连杆6而固定，根据动态/静态实验要求开/关电机8而达到液态金属搅拌/静止的状态，模拟液态金属回路中磁阱的部分工作参数，实验到预定时间后，停止加热系统，同时通过旋转轴15与永磁体11同步提升而达到丝网2与永磁体11同步提升的目的，丝网2达到预定高度后固定紧固连杆6而将旋转轴15固定，此时可增大两块永磁体11间的距离减少气隙磁场强度直至不影响丝网2上所捕获的杂质后移开磁场系统1，系统冷却后取出丝网2并对所捕获的杂质进行检测分析进而可对液态金属中磁性杂质行为进行研究。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种液态金属中磁性杂质的捕获装置，其特征在于包括：磁场系统(1)、丝网(2)、坩埚(3)、熔融罐(4)、密封系统(5)、紧固连杆(6)、支撑台架(7)、电机(8)、皮带(9)、气体出入口(10)、导轨(12)、限位滑块(13)和磁轭(14)；密封系统(5)由旋转轴(15)、密封法兰(16)、铜套(17)和密封油槽(18)组成，铜套(17)穿过旋转轴(15)并置于密封油槽(18)中，旋转轴(15)依次穿过密封油槽(18)及其下方的密封法兰(16)；磁场系统(1)中包括同规格的两块永磁体(11)，均置于在导轨(12)上的限位滑块(13)中，通过调整限位滑块(13)在导轨(12)上的位置而调节气隙磁场强度，并且限位滑块(13)前有磁轭(14)，通过磁轭(14)为处于两块永磁体(11)极面相对的气隙提供磁场；坩埚(3)作为液态金属容器置于熔融罐(4)中，熔融罐(4)外围依次是加热丝(20)、保温材料(21)和冷却水铜管(22)，丝网(2)通过旋转轴(15)垂直置于坩埚(3)中的液态金属中，且旋转轴(15)下端密封，热电偶(19)置于旋转轴(15)中；电机(8)通过皮带(9)与旋转轴(15)上端连接，通过皮带(9)驱动旋转轴(15)；紧固连杆(6)垂直安装在支撑台架(7)上，手动调节旋转轴(15)的提升高度而改变丝网(2)在坩埚(3)中的液态金属中的位置，之后，旋转轴(15)通过紧固螺丝固定紧固连杆(6)而固定；气体出入口(10)置于密封油槽(18)的上端，用于液态金属保护气的进出；支撑台架(7)安装在导轨(12)所在的台面上。

2.根据权利要求1所述的一种液态金属中磁性杂质的捕获装置，其特征在于：所述磁场系统(1)中同规格的两块永磁体(11)为钕铁硼(NdFeB)材料。

3.根据权利要求1所述的一种液态金属中磁性杂质的捕获装置，其特征在于：所磁轭(14)形状为有一凹面的长方体，用于会聚磁力线而增大气隙磁场强度。

4.根据权利要求1所述的一种液态金属中磁性杂质的捕获装置，其特征在于：所述坩埚(3)为不导磁不锈钢，坩埚(3)上端开一个孔。

5.根据权利要求1所述的一种液态金属中磁性杂质的捕获装置，其特征在于：所述熔融罐(4)外依次是加热丝(20)、保温材料(21)及冷却水铜管(22)，包括熔融罐(4)在内均为不导磁材料。

6.根据权利要求1所述的一种液态金属中磁性杂质的捕获装置，其特征在于：所述丝网(2)为导磁不锈钢材料。

7.根据权利要求1所述的一种液态金属中磁性杂质的捕获装置，其特征在于：所述丝网(2)与旋转轴(15)的轴下端通过螺纹(23)密封连接，丝网(2)及其丝网(2)目数可更换。

8.根据权利要求1或7所述的一种液态金属中磁性杂质的捕获装置，其特征在于：所述旋转轴(15)为空心轴，轴下端密封，热电偶(19)从轴上端插入至轴下端。

9.根据权利要求1所述的一种液态金属中磁性杂质的捕获装置，其特征在于：所述旋转轴(15)与永磁体(11)同步提升，同时丝网(2)也是同步提升，并且提升到一定高度后可通过紧固螺丝固定紧固连杆(6)而将旋转轴(15)固定。